引言
注塑機具有能一次成型外型複雜、尺寸精確或帶有金屬嵌件的質地密致的塑料製品，被廣泛應用於國防、機電、汽車、交通、建材、包裝、農業及日常生活各個領域。注射機二板合模裝置作為20世紀90年代歐洲推出的革新性結構，相比曲肘式鎖模結構，具有容量大、受力理想、結構剛性好、占空間小等特點，使其在大型、超大型領域具有得天獨厚的優勢。
在國內，大型二板注塑機技術較為落後，設備市場競爭力稍顯薄弱，主要體現在合模係統工作的適應性和穩定性，設備運行的節能環保以及液壓控製係統的高效調控等方麵。國內規模以上注射機生產廠商主要集中在浙江，如寧波海天、寧波海達、泰瑞機器（杭州）等。近幾年，相關注塑機廠商與研究機構合作，圍繞二板注射機合模機構，在優化設計[1-4]、抱閘設計[5]、性能評價[6-8]、液壓控製[9-10]等方麵進行了大量研究，取得了很多成果。
由於合模機構涉及裝配零件較多，影響複雜，工作時的實際受力狀態難以簡單計算，導致合模機構鎖模壽命無法準確預測，進而嚴重影響了合模機構可靠性評價和判斷。本文正是針對以上技術難題，借助有限元數值計算方法，對合模機構進行多體力學有限元建模和分析，明確其鎖模時各部件的應力和變形情況，為下一步研究打下基礎。
1.二板式注射機合模機構
二板合模機構有幾種形式，原理基本一致。圖1所示為一典型二板複合式合模機構，主要由定模板、動模板、鎖模油缸、拉杆、抱閘、閘板驅動油缸、移模油缸組成。合模動作過程：首先移模油缸驅動動模板沿拉杆移動，直至模具閉合；閘板驅動油缸驅動抱閘兩半閘板閉合，抱緊拉杆末端螺紋；鎖模油缸驅動拉杆相對於定模板運動，鎖緊模具。
泰瑞機器股份有限公司研究開發了大型二板注射機產品，如圖2所示。采用擠注式注塑係統、二板直壓式合模係統、節能的伺服電機定量泵液壓係統技術。但是，考慮到水平裝模和加工裝配工藝性，動模板孔與拉杆間隙配合，無滑動支撐作用。動模板後方的抱閘兩半合閉時，抱緊拉杆。
2.有限元模型
2.1幾何模型
本文以泰瑞1700噸二板注射機合模機構為例進行分析。其關鍵外形尺寸見表1。
由於大型二板式合模機構整體結構非常複雜,為了使分析更加簡潔又不失真,現對關鍵零部件作必要假設和簡化。去除零件中圓角、螺紋、台階、螺紋孔等細節，去除了調模裝置和頂出機構。根據表1中基本尺寸，利用Solidworks三維軟件對定模板、動模板、拉杆等進行三維建模，並進行裝配，兩模板間距取1000mm，如圖3所示。將零部件保存為.igs格式文件，導入ABAQUS有限元軟件，作為數值模擬的幾何模型。
圖3.簡化幾何模型
圖4有限元模型
2.2材料參數及網格劃分
若進行受力分析，需給定零件模型相應的物理力學參數。由於此處模板、拉杆在受力狀態下隻產生彈性變形，所以不需要塑性應力應變數據。此外，拉杆可能會由於懸臂狀態產生自重下垂變形，故這裏將給定密度值。幾種零件的性能參數如表2所示。
合模機構三維幾何建模較為複雜,在Abaqus中選取C3D8R減縮實體單元為劃分網格的單元類型，可提高計算速度。綜合考慮到模型三維尺寸大小和模擬計算精度，模板選擇網格大小為100mm，拉杆網格大小為50mm。有限元模型網格劃分情況如圖4所示。
2.3邊界條件和載荷
設置定義各零件之間的接觸條件。拉杆通過銅質精密滑動軸承安裝於定模板孔中，兩者之間摩擦較小，忽略其大小，摩擦係數取為0。抱閘安裝於動模板背麵，將抱閘裝置與動模板簡化為同一結構體，拉杆與抱閘接觸處施加“綁定”（Tie）約束條件，使其具有相同的軸向行為。
考慮到二板合模機構受力複雜，這裏突出關鍵因素，忽略次要因素（如模板的溫度），對模型施加必要的邊界約束和載荷,如圖4所示，具體如下：
（a）定模板固定在床身上，底部固定處可作為完全約束處理；
（b）動模板在軸向可沿導軌上滑動，在豎直方向存在位移約束；
（c）為了模擬鎖模油缸工作時的情況，在拉杆靠近前模板的端麵上施加軸向位移約束；
（d）假設模具和模板安裝麵積為1000mm*1000mm，鎖模力為17000KN，在定模板和動模板安裝麵積上分別加載均布載荷17MPa的壓強；
（e）對四根拉杆施加重力載荷，在y方向上添加重力加速度-9800mm/S2。
最後，建立Step-1分析步，進行有限元模擬計算。
3.模擬結果與分析
3.1.變形分析
在考慮拉杆重力的情況下，二板合模機構的變形分布圖如圖5所示。由圖可見，合模機構的最大變形量為0.994mm，發生在定模板的頂部內側。這是因為定模板底部完全定位受限，動模板和連杆是固聯的，在定動模板受到模具處的壓力時，定模板變形特別是上部變形最大。
圖5.合模機構變形分布圖
此外，定模板上與拉杆的配合連接處，相比於周圍，孔邊出現了較大的變形量。上麵兩孔最大變形在0.8mm，下麵兩孔最大變形在0.5mm，這是因為拉杆與孔有相互力的作用。動模板的變形情況比較均勻。
3.2.應力分析
圖6為合模機構的應力分布圖。最大應力為211MPa，發生在拉杆上，集中於拉杆與前模板的連接處。根據拉杆材料強度，該應力值不足以使拉杆發生塑性變形和破壞，所以合模機構是安全的。但是，當合模機構在頻繁的進行合模鎖模注塑動作時，拉杆將成為最有可能發生疲勞破壞的部件。
圖6.合模機構應力雲圖
根據以上合模機構變形和應力分析，前模板在前端麵設計連接時可以適當加強。另外，可考慮改善拉杆與前模板的連接配合方案，以減小應力集中。
4.結語
對合模機構的零部件進行適當簡化，根據其工作原理，建立了有限元模型；通過有限元模擬分析發現，最大變形發生在定模板頂部，集中應力發生在拉杆與定模板孔連接處；該模擬分析結果，為進一步優化設計提供依據，也為合模機構的壽命預測的打下基礎。
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