注塑机锁模弹性螺母结构设计与分析
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Ｔ 况 下 的最 大 平 均 应 力 降低 为 ８ ７ ． ７ Ｍｐ ａ ，比普 通 螺 母 降 低 ５ １ ． ７ ８ ％， 均方差为 ５ ． ３ ＭＰ ａ ，仅 为 普 通 螺 母 的 １ ８ ． ３ ４ ％。 可 有 效 降低 拉 杆 冈应 力 集 中而 疲 劳 断裂 的机 率 ， 提 高 零 件 的 使 用 寿 命 ，对 整 机 的 稳 定 性起 到积 极 有 效 的作 用 。
旦 应 用 技 术
注 塑机 锁 模 弹 性 螺 母 结 构 设 计 与分 析
李 博怀 刘宏 张 远 波
（ 东华机 械 有 限公 司 ）
摘要 ：注塑机主要失效原因是螺母与拉杆配合处疲劳断裂。通过改变螺母截面积、设计卸力槽的方向，控
制螺母与拉杆轴 向变形量 ，减轻螺母与拉杆配合处 的应力集 中现象。经过有 限元试验 ，在采用弹性螺母后 ，设计
关键 词 ：注塑机；弹性螺母；有限元计算
０ 引言
目前注塑机 的运 行速度越来越 快 ， 如何保证重要 部件 的强度 ， 延长使用 寿命是制造 企业最关心 的问题 之 一¨ Ｊ 。拉杆是承载锁模 力的重要 部件 ，其主要失效 原因为螺母与拉杆 配合处 的应 力集 中导致疲 劳断裂［ ２ １ 。 现在 常见的解决拉杆 断裂 的方法有 ： １ ）选择泊松 比不
ｆ ， １ ＜ ／ ／ ／ （ ； ＜ 一 二 ／＝ ，
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Ｉ
Ｉ ＿
图 ４ 弹性 螺母 的关 键 参 数 设 计 图
图 ４中 Ｒ１ 、Ｒ ３为卸力槽 。由于这 ２处均是形 状 的突变处 ，在结构设计时 ，应力一般会集 中在此 。在 这 ２处设计卸力槽可有效 降低 应力集 中。Ｒ ２为大 圆 弧， 此 圈弧可使 螺母 截面积 的大 小按 一定 的关 系变 化 。 此外， 圈弧大小可 以通过有 限元分析对 比， 取最优值 。 为保证结构 的可靠 性 ，Ｒ１ 、Ｒ ２ 、Ｒ ３在加工 时需保 证 其 表面光洁度达 到 Ｒ ａ １ ． ６ 。 可 以看 出弹性螺母、普通螺母 的峰值应 力分别 为 ２ ７ ６ ． ９ Ｍｐ ａ 、３ ８ １ ． ５ Ｍｐ ａ ，峰值应力 降低 了约 ２ ７ ． ４ １ ％； 峰值应力 分别集 中在螺母与拉杆配合处第 １ 个 牙的前 １ 个牙上 、螺母 与拉 杆配合 处第 １ 个 牙上。且弹性 螺 母配合 时，各螺纹应力相对均匀 ，能将 整体 受力较 均 匀地分布在各个 牙上，有效分散应力 。 图７ （ ａ ） 、图 ７ （ １ ） ） 分别为普通螺母与弹性螺母 的各 牙轴 向位移 图。 可 以看 出， 弹性螺母各牙 的位移斜率 、 总体位移均 比普通 螺母 大 。 螺母平均牙面应 力如表 １ 所示 。 普通螺母各牙面 的最大平均应力 值为 １ ８ ２ ． ０ Ｍｐ ａ ， 均方 差为 ２ ８ ． ９ Ｍｐ ａ 。 由数据表 明普通螺母 的应力集中在第 １ 个牙上 ，易导 致 疲劳断裂 失效 。 采用弹性螺 母后 ，最大平均 应力为 ８ ７ ． ７ Ｍｐ ａ ，比 普 通螺母 降低 ５ １ ． ７ ８ ％，均方差为 ５ － ３ ＭＰ ａ ，仅为普通
大小来控制 轴向变 形量 ， 从而将螺母 的应力平均到 各
牙上 。 图３ 为弹性螺母与拉杆配合处锁模状态结构 图，
图 ４为弹性螺母 的关键参 数设计 图。
１ ６
设计工况的锁模力为边界条件 ，分别对弹性螺母 、普
锁模 力
通 螺母进行有 限元计算 ，图 ６ （ ａ ） 、图 ６ （ ｂ ） 分别为普通 螺 母、弹性螺母 的有 限元计 算结果 。
图 １ 注塑机合模装置机理 图
１ 注塑 机锁 模 工作 机 理 与弹 性螺 母 设计
１ ． １ 注塑 机锁 模工 作机 理 注 塑机 合模装置机理 图如 图 １ 所示 ， 包括锁模液 压缸 、拉杆 、锁模机构 、锁模螺 母、动 模板、定模板 和进料孔 。合模 装置工作 时，动模板 由拉杆 导向高速 移动 ，其 两侧底 部装有可调整 高度 的滑脚承力 ；在 锁 模时合模装置静止 ，拉杆与螺母 配合处受沿轴 向、往 定模板方 向的锁模 力 。 受锁模力影 响，螺母 内螺纹 沿轴 向、往液压缸方 向拉伸 ，拉杆外螺 纹沿轴 向、往 定模板方 向拉伸 。
… — ～
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一 ■ ｌ ＿ 二 『 ＝ 一
、
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图 ３ 弹 性 螺 母 与 拉 杆 配 合 处 锁 模 状 态 结 构 图
Ｒ１ 、
、 ＿＿ ＿— — — 一
Ｒ ３
商
７ ７
（ ａ ） 普 通螺 母
ｊ ， ｆ Ｉ １ ＿ ／
１ ． ２ 弹性 螺 母设计
弹 性 螺母 的设计 原 理是通 过 改变螺 母截 面积 的
标准 螺 母 的预紧 力在 螺母 与 拉杆 配合 的各 牙 上
分布不均匀 ，存在严 重的应力集 中现象 ，严重影 响其 工作 寿命 。螺母与拉杆配 合处锁模状态 结构 图如 图 ２
５ 弹性螺母 ３ Ｄ 模 型
（ ｂ ） 掸 性螺 母
图 ６ 螺 母 有 限 元 计 算 结 果
２ 有 限 元计 算试 验 与分 析
采用 Ｓ ｏ ｌ ｉ ｄ Ｗｏ ｒ ｋ ｓ 软件 按上述 关键 参数建立如 图 ５
所示。
同的材质配合 ，螺母 一般 使用纯铜制造 ，材料成本较
；２ １单配螺母 的每个 牙距 ，但加工难度大 、生产 效率 低 、成 品率不 高，只能用 于高端机型 【 ４ 】 。当前使 用 有 限元计 算对 设计 方案 进 行初 步分 析试验 己成为 趋势 【 ５ Ｊ ，本文提 出变截面 的弹性螺母 ，使用有限元计 算最 优螺母截 面积 ，实现 低成 本降低应力集 中问题 。
旦 应 用 技 术
注 塑机 锁 模 弹 性 螺 母 结 构 设 计 与分 析
李 博怀 刘宏 张 远 波
（ 东华机 械 有 限公 司 ）
摘要 ：注塑机主要失效原因是螺母与拉杆配合处疲劳断裂。通过改变螺母截面积、设计卸力槽的方向，控
制螺母与拉杆轴 向变形量 ，减轻螺母与拉杆配合处 的应力集 中现象。经过有 限元试验 ，在采用弹性螺母后 ，设计
关键 词 ：注塑机；弹性螺母；有限元计算
０ 引言
目前注塑机 的运 行速度越来越 快 ， 如何保证重要 部件 的强度 ， 延长使用 寿命是制造 企业最关心 的问题 之 一¨ Ｊ 。拉杆是承载锁模 力的重要 部件 ，其主要失效 原因为螺母与拉杆 配合处 的应 力集 中导致疲 劳断裂［ ２ １ 。 现在 常见的解决拉杆 断裂 的方法有 ： １ ）选择泊松 比不
ｆ ， １ ＜ ／ ／ ／ （ ； ＜ 一 二 ／＝ ，
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图 ４ 弹性 螺母 的关 键 参 数 设 计 图
图 ４中 Ｒ１ 、Ｒ ３为卸力槽 。由于这 ２处均是形 状 的突变处 ，在结构设计时 ，应力一般会集 中在此 。在 这 ２处设计卸力槽可有效 降低 应力集 中。Ｒ ２为大 圆 弧， 此 圈弧可使 螺母 截面积 的大 小按 一定 的关 系变 化 。 此外， 圈弧大小可 以通过有 限元分析对 比， 取最优值 。 为保证结构 的可靠 性 ，Ｒ１ 、Ｒ ２ 、Ｒ ３在加工 时需保 证 其 表面光洁度达 到 Ｒ ａ １ ． ６ 。 可 以看 出弹性螺母、普通螺母 的峰值应 力分别 为 ２ ７ ６ ． ９ Ｍｐ ａ 、３ ８ １ ． ５ Ｍｐ ａ ，峰值应力 降低 了约 ２ ７ ． ４ １ ％； 峰值应力 分别集 中在螺母与拉杆配合处第 １ 个 牙的前 １ 个牙上 、螺母 与拉 杆配合 处第 １ 个 牙上。且弹性 螺 母配合 时，各螺纹应力相对均匀 ，能将 整体 受力较 均 匀地分布在各个 牙上，有效分散应力 。 图７ （ ａ ） 、图 ７ （ １ ） ） 分别为普通螺母与弹性螺母 的各 牙轴 向位移 图。 可 以看 出， 弹性螺母各牙 的位移斜率 、 总体位移均 比普通 螺母 大 。 螺母平均牙面应 力如表 １ 所示 。 普通螺母各牙面 的最大平均应力 值为 １ ８ ２ ． ０ Ｍｐ ａ ， 均方 差为 ２ ８ ． ９ Ｍｐ ａ 。 由数据表 明普通螺母 的应力集中在第 １ 个牙上 ，易导 致 疲劳断裂 失效 。 采用弹性螺 母后 ，最大平均 应力为 ８ ７ ． ７ Ｍｐ ａ ，比 普 通螺母 降低 ５ １ ． ７ ８ ％，均方差为 ５ － ３ ＭＰ ａ ，仅为普通
大小来控制 轴向变 形量 ， 从而将螺母 的应力平均到 各
牙上 。 图３ 为弹性螺母与拉杆配合处锁模状态结构 图，
图 ４为弹性螺母 的关键参 数设计 图。
１ ６
设计工况的锁模力为边界条件 ，分别对弹性螺母 、普
锁模 力
通 螺母进行有 限元计算 ，图 ６ （ ａ ） 、图 ６ （ ｂ ） 分别为普通 螺 母、弹性螺母 的有 限元计 算结果 。
图 １ 注塑机合模装置机理 图
１ 注塑 机锁 模 工作 机 理 与弹 性螺 母 设计
１ ． １ 注塑 机锁 模工 作机 理 注 塑机 合模装置机理 图如 图 １ 所示 ， 包括锁模液 压缸 、拉杆 、锁模机构 、锁模螺 母、动 模板、定模板 和进料孔 。合模 装置工作 时，动模板 由拉杆 导向高速 移动 ，其 两侧底 部装有可调整 高度 的滑脚承力 ；在 锁 模时合模装置静止 ，拉杆与螺母 配合处受沿轴 向、往 定模板方 向的锁模 力 。 受锁模力影 响，螺母 内螺纹 沿轴 向、往液压缸方 向拉伸 ，拉杆外螺 纹沿轴 向、往 定模板方 向拉伸 。
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图 ３ 弹 性 螺 母 与 拉 杆 配 合 处 锁 模 状 态 结 构 图
Ｒ１ 、
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商
７ ７
（ ａ ） 普 通螺 母
ｊ ， ｆ Ｉ １ ＿ ／
１ ． ２ 弹性 螺 母设计
弹 性 螺母 的设计 原 理是通 过 改变螺 母截 面积 的
标准 螺 母 的预紧 力在 螺母 与 拉杆 配合 的各 牙 上
分布不均匀 ，存在严 重的应力集 中现象 ，严重影 响其 工作 寿命 。螺母与拉杆配 合处锁模状态 结构 图如 图 ２
５ 弹性螺母 ３ Ｄ 模 型
（ ｂ ） 掸 性螺 母
图 ６ 螺 母 有 限 元 计 算 结 果
２ 有 限 元计 算试 验 与分 析
采用 Ｓ ｏ ｌ ｉ ｄ Ｗｏ ｒ ｋ ｓ 软件 按上述 关键 参数建立如 图 ５
所示。
同的材质配合 ，螺母 一般 使用纯铜制造 ，材料成本较
；２ １单配螺母 的每个 牙距 ，但加工难度大 、生产 效率 低 、成 品率不 高，只能用 于高端机型 【 ４ 】 。当前使 用 有 限元计 算对 设计 方案 进 行初 步分 析试验 己成为 趋势 【 ５ Ｊ ，本文提 出变截面 的弹性螺母 ，使用有限元计 算最 优螺母截 面积 ，实现 低成 本降低应力集 中问题 。