李向東，饒少華，磨斌國

(寶捷精密機械有限公司，廣東 佛山 528137)

1 鎖模結構與鎖模機架的工作原理簡介

鎖模結構和鎖模機架是注塑成型機中非常重要的一環(huán)，為注塑成型工藝提供穩(wěn)定的鎖模成型條件，承擔自重以及模具重量，為注塑成型工藝提供適宜的鎖模力，有效降低在鎖模過程中對模具變形的影響。同時在注塑成型周期中，要抵抗射膠動作在模具填充過程中的沖擊變形，抵抗開模過程中開模力對頭板沖擊的變形影響。而以上所有的沖擊和變形都將由鎖模機架承擔。

圖1為注塑機的整機結構圖，結構圖中已經(jīng)注明了鎖模部裝、鎖模機架、射臺部裝、射臺機架、鎖模機架所處的位置以及結構形式。由于鎖模部分結構對注塑成型提供非常重要的鎖模力發(fā)生條件和開?？刂茥l件，其鎖模機架比射臺機架設計更加復雜，成本因素影響更高，本文描述的機架設計方法是針對鎖模機架而言。

圖1 塑機的整機結構圖

圖2為鎖模結構中包含的鎖模頭板、鎖模二板、鎖模機架示意圖，展示了其鎖模機構的工作原理。

圖2 注塑機鎖模結構圖

圖3為鎖模機架的設計概念。由于注塑機設備的重量絕大多數(shù)是由于鎖模部裝產(chǎn)生的，以800 t兩板注塑機為例，鎖模部裝及機架的總重量通常在10 t以上，所以鎖模機架成為最重要的運動支撐部件。

圖3 注塑機鎖模機架結構圖

2 鎖模結構部分運動特性及鎖模機架模型分析建立

注塑機鎖模結構中，鎖模頭板將固定于機架上面，與機架保持相對靜止狀態(tài)。而鎖模二板與機架則是相對運動狀態(tài)，二者之間通過滑動摩擦副滑行。在注塑成型工藝過程中，一般分為以下步驟，如圖4所示。

圖4 注塑成型工藝框圖

在合模和鎖模工藝又會產(chǎn)生更具體的工藝流程，一般分為低壓慢速合模、低壓快速合模、低壓低速模保鎖模、高壓低速鎖模四個步驟。而開模階段由于受模具制品內(nèi)應力的影響，開模工藝流程一般分為高壓低速開模、低壓快速開模、低壓低速開模到位三個步驟。通常鎖模頭板要固定在機架的撐力梁上，以獲得更好的剛性和更低的沖擊變形，而鎖模二板滑動副則也是運行在機架的支撐梁上，以防止運動過程中機架變形。

按以上鎖模成型工藝原理，我們建立極端情況下的鎖模機架形變分析模型。我們以最快的合模速度合上模具，此時模具將沖擊力傳遞給鎖模頭板，鎖模頭板頭板將受到最強的沖擊力。由于鎖模頭板與鎖模機架固定連接，鎖模頭板受到的沖擊力將直接傳遞給鎖模機架，由此產(chǎn)生最大的鎖模變形。根據(jù)鎖模滑動副接觸面積、鎖模機板重量、運動沖擊到靜止時間等技術參數(shù)，利用動量定理Ft=mv'-mv可以得出沖擊力，而沖擊時間可以以液壓閥的切換時間作為計算依據(jù)，本文的沖擊時間約定為150 ms即0.15 s。

建立單位變形系數(shù)及單位沖擊變形系數(shù)概念，以有效評價鎖模力、機架橫截面積、靜態(tài)時最大模厚處的變形量、機架總重量、鎖模部裝自重與沖擊力合力作用到機架時的變形量之間的關聯(lián)性。單位變形系數(shù)定義為：（靜態(tài)時最大模厚處的變形量×機架總重量）÷（鎖模力×機架橫截面積）；單位沖擊變形系數(shù)定義為：（鎖模部裝自重與沖擊力合力作用到機架時的變形量×機架總重量)÷(鎖模力×機架橫截面積）。

按以上分析原理，結合有限元分析方法建立以下分析模型，見表1。

表1 建模分析表1

3 鎖模機架支撐梁設計方法

為有效獲得機架剛性，并減少變形，同時要求機架設計的輕量化，鎖模機架的支撐梁必須有合理的設計結構。

鎖模頭板與機架是相互靜止關系，靜態(tài)承重設計時支撐梁要合理分擔鎖模頭板的自重，以及開合模過程中鎖模動作對機架的沖擊，固定面必須支撐在支撐梁上。鎖模二板在鎖模機架上可以移動，所以鎖模二板的承重梁要設計在二板滑動副接觸面正下方，縱梁的設計尺寸可以依據(jù)鎖模機架模型分析做設計調(diào)整。圖5顯示了鎖模機架置于鎖模頭板和鎖模二板支撐的設計方向，可供設計參考。

圖5 鎖模頭板及鎖模二板支撐梁設計

4 對比法鎖模機架設計建模思路

任何一家企業(yè)都會有其成功的相似產(chǎn)品可以作為新設計機型的結構參考，也可以參考同行業(yè)比較成熟、性價比比較高的同類產(chǎn)品建立研究對象。本文借鑒了本公司的450 t注塑機鎖模機架作為研究對象，其機型設計理念成熟，銷售量大，客戶接受度非常高。

按本文所提鎖模機架模型分析方法，我們在目標450 t鎖模機架建?；A上，建立并獲取了以下數(shù)據(jù),見表2。

表2 建模分析數(shù)據(jù)表2

圖6 合應力變形圖

圖7 合位移變形圖

圖8 沖擊應力變形圖

圖9 沖擊力變形圖

圖6～圖9顯示了此450 t機器鎖模頭板、鎖模二板在有限元分析狀v態(tài)的應力和變形情況，后續(xù)分析數(shù)據(jù)將以相同的形式加載。

5 800 t鎖模機架建模及其分析

對比450 t的設計和分析數(shù)據(jù)，我們首先進行了800 t鎖模機架的初步建模設計，并以不同結構設計方案、不同支撐方式和位置進行了多次模擬設計。不同設計方案中機架的總寬和總高、鎖模力、頭板和二板的重量均相同，即探索在相同結構參數(shù)情況下對鎖模機架剛性和總重量的影響因素。在不同的設計方案情況下，都需要進行力的加載重新進行有限元數(shù)據(jù)分析。在提取每一個方案的數(shù)據(jù)后進行判斷下一次的優(yōu)化方向和調(diào)整方案，最優(yōu)的設計將出現(xiàn)鎖模機架的應力、變形和重量有更均衡的設計結果。

本方案經(jīng)歷了三次大的設計調(diào)整和改動后，圖10顯示了三次機架設計的剖面效果和主要尺寸及材料變動。

圖10 三次機架圖紙優(yōu)化效果剖面圖

同時按三次設計方法，在不同的結構下，有時會獲得比較差的應力和變形，又時應力和變形小但機架重量又太重，不能獲得很好性價比。以下過程對比數(shù)據(jù)的獲?。ㄒ姳?），可以建立機架設計方向選取的綜合考量。

表3 建模分析數(shù)據(jù)表3

圖11～圖14顯示了第三次優(yōu)化方案中有限元分析結果：

圖11 合應力變形圖

圖12 合位移變形圖

圖13 沖擊應力變形圖

圖14 沖擊力變形圖

第三次優(yōu)化結果顯示設計機架不僅鎖模重量獲得了輕量化，而且提升了應力和變形。

此方案同時對比450 t機器設計方案中相同項目，可以看到下面的數(shù)據(jù)變化，見表4。

我們可以看到鎖模機架應用模型的建立，不僅解決了相同機型之間的對比和優(yōu)化，即使在不同噸位的機型設計中，都又非常高的應用價值。新設計的800 t鎖模機架同已經(jīng)成熟的450 t機器對比，在沖擊變形、沖擊應力、危險變形、危險應力數(shù)據(jù)方面都又非常優(yōu)異的變現(xiàn)，綜合體現(xiàn)到單位變形系數(shù)和單位沖擊變形系數(shù)更優(yōu)異，而在業(yè)內(nèi)的機器實際設計中，圖3所示800 t鎖模機架2.6 t的設計重量是非常低的設計結果，充分保證了應力和應變指標，能獲得極高的經(jīng)濟效益。

通過合理的技術應用途徑，我們將注塑機鎖模機架設計中非常多的人為設計漏洞和缺陷轉(zhuǎn)化成了可以控制的評價指標，對我們追求優(yōu)秀設計方案是非常有益的。

表4 建模分析表4