以疲劳观点分析模具强度的设计

dengjun001 · 发表于 2006-10-5 18:19:21

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以疲劳观点分析模具强度的设计
俞振胜

摘要：用疲劳观点分析模具强度的设计，主要介绍锁模力计算、分型面上的合模贴合面的设计及环形型腔应力与膨胀。
关键词：注射压力　锁模力　疲劳　合模贴合面
Analysis of Mould Strength Design Based on Fatigue
Yu Zhensheng
Abstract This paper laid particular emphasis on an analysis of mold strength design.It mainly introduces calculations and rules for clamping force,the design for keep-close area on parting line,and hoop stresses and cavity expansion.
Keywords injection force clamping force fatigue keepclose area on parting line▲
0、引言
　　注射模在工作时要周期性地遭受着来自型腔内注射压力的冲击。这个冲击导致一个趋势：引起型腔、型芯及模板的变形，并使模具被撑开而发生溢料的危险。
　　在每次的注射周期中，机床对模具施以全部的锁模力。优良设计的模具要接受这个压力超过200万次。为获得模具的高寿命，“疲劳”决不可被忽视。
1、制品投影面积App
　　投影面积是制品及流道在合模夹紧力方向成垂直角度的投影。它是用来计算锁模力大小的必然参数。图1为制品投影面积，为方便讨论，在下面计算中其流道投影面积忽略。

图1　制品投影面积
1—制品　2—注口或流道　3—注射方向
见图1a　
　例2：见图1b(图1a旋转90°)
　　　　　　　　App=2×100
　　　　　　　　=200mm2
　　例3：见图1c　
　　例4：见图1d(图1c旋转90°)
　　　　　　　　　
　　例5：见图1e　
　　注意：投影面积只是制品平面二维投影，不受其第三维变化影响。对带有通孔的制品要减去通孔面积。计算投影面积时，可忽略制品的收缩率，因为它的影响不会超过2%，注射压力的偏差最小到2%。
2、注射压力Pth
　　理论注射压力由下式计算
  (1)
　　Pth—理论注射机喷嘴压力(N/m2)
　　F—螺杆施加推力(N)
　　Air—注射机螺杆或注塞截面积(m2)
　　实际注射压力Pa远小于理论注射压力，即：
Pa＜Pth(2)
　　原因是：(1) 融体非牛顿流动。
　　　　　　(2) 融体粘度是变量，随流程增进粘度增大。
　　　　　　(3) 型腔内实际压力是变量，影响它的因素有流程长短、壁厚、树脂的流动性、模温、进料口等诸多因素。
　　实际腔内注射压力常估计为
Pa=Pth(0.25～0.45)(3)
Pth经验常定为36MPa(4)
3、锁模力Fc
　　为保证模具在注射成型时绝对闭合，锁模力Fc必须大于分模力Fo。
　　至少
Fc＞Fo×(1+0.15)(5)
Fo=App×Pth(6)
　　分模力Fo是注射压力对投影面积的乘积。
　　建议：
Fc=K×App×Pth(7)
  (8)
　　计算锁模力Fc是十分必要的，它是选择机床的重要因素(国际上注射机主要参数常以锁模力Fc为标志)。机床锁模力要大于计算的模具所需锁模力。若两者相差甚远，则需对模具强度进行校验。
4、分型面上的贴合面积Acp
　　Acp是动、定模闭合的实际贴合面积。贴合面实际上不必是全部分型线上动、定模分型面。那样会导致模具加工困难，同时溢料、杂物清除不便，严重造成合模不严，有必要去除部分多余面积，以提高模具精度。图2所示为贴合面设计。
图2　贴合面Acp
　Acp1—模板贴合面；
　　Acp2—芯腔贴合面；
Acp=Acp1+Acp2(9)
　　h—分型面降沉高，h≥2.5mm。
　　贴合面Acp必须保持足够的大小，防止合模过程因疲劳引起崩损或变形。
5、疲劳强度Sf
　　数百万次的冲击和压紧对模具方面必须认真考虑钢的疲劳强度，而不在只强调抗压强度。模具元件的疲劳是受压缩力、拉伸力、弯曲力、剪切力、扭曲力影响的。通常模具元件的疲劳强度Sf是它的屈服强度Sy的10～20%。
Sf=Sy(10～20%)(10)
Sf=42MPa(经验数据)(11)
6、贴合面的校核
　　贴合面Acp由下式来校核。
  (12)
　　例如，某制品为PE材料的圆形容器，直径d=10cm，采用一模四腔成形。PE料收缩率2%，注射压力Pth为36MPa，疲劳强度Sf为42MPa，安全系数K为1.2。
　　计算得：产品直径D=10+(10×0.02)=10.2cm
　　投影面积
　　锁模力Fc=327×36×1.2×10=141kN
　　贴合面积
　　理论上计算出的贴合面积是336cm2，假如实际的贴合面积只给定为300cm2是否可行呢?那么要重新审核安全系数K，因为此时的贴合面小于理论计算的贴合面积。
　　锁模力Fc1=42×300×10=126kN
　　安全系数
　　因为校核的安全系数K1＞1，所以该设计被许可。若K1＜1，则贴合面积Acp必须重新设计，增大模体内的贴合面或在模体外增设附加垫块，见图3所示。

图3　模具过小，贴合面积过小，增加垫块
1—垫块　2—分型线上的贴合面
7、模体的受压
　　模具在工作中受锁模力Fc作用忍受着巨大的压力。钢的压缩率由弹性模数E表示，即
E=(2.0～2.1)×106kg/cm2(13)
　　硬质合金的弹性模数Etc=(2～3)E(14)
　　模具受压而引起的弹性变形也不可忽略，特别是薄底形精密制品，见图4所示。

图4　薄底制品受压变薄
Fc—夹紧锁模力　H—模具板厚度
d—投影直径　D—贴合面最大直径
B—制品底厚　Acp—贴合面积
图4所示以圆形筒形制品成型在圆形模具时受夹紧力Fc的作用，模具产生弹性变形而影响制品底厚的尺寸公差。其压缩变形量可按下式计算。
  (15)
　　Cf—压缩变形量，单位同H。
　　按图中分析将模具视为一根管子的受力情况，其外径为D，内径为d，高度H。模具贴合面积。弹性模数E取2.1×106kg/cm2。当模具设计时型腔与型芯的间隔Bo应加上压缩变形量Cf即：
Bo=B+Cf(16)
8、环形型腔的应力及膨胀
　　以环形型腔为例讨论型腔工作中因受周期性的注射压力冲击并引发周期性张力，为确保模具型腔不发生开裂获得高寿命的运行，它的疲劳应力及其受张力引起的膨胀必须认真考虑，尤其对大型的厚壁制品的模具设计，如图5所示。

图5　环形型腔
1—型腔　2—型芯
P—注射压力
　型腔内外径应力按下式计算。
　　内径应力：
  (17)
　　外径应力：
  (18)
式中：P—注射压力36MPa；
　　　R—型腔外径；
　　　r—型腔内径。
　　S1或S2所计算的应力应小于模具钢板极限抗拉强度Su的10%。常见模具钢抗拉强度见表1。
钢号       MPa
P6
H13       1 160
1 760
表1　常用钢极限抗拉强度
型腔内外径膨胀量按下式计算：
内径膨胀量
  (19)
外径膨胀量
  (20)
式中：P—注射压力36MPa；
　　　E—弹性模数2.1×106kg/cm2；
　　　R—型腔外径；
　　　r—型腔内径cm；
　　　μ—波松比μ=0.3。
　　计算的膨胀量一般限制在0.02mm以下，否则将引发毛刺在拼接缝隙中配合失效。多镶件的型腔板也有可能产生膨胀，如图6所示。若变形量较大，型芯应采取浮动方式，否则会产生不同心结果。

图6　模板产生膨胀
A—原始位置　B—膨胀后位移位置
4、结论
　　由于模具周期性地受力，在工作中造成损坏或影响制品质量的主要因素不限于它的强度影响，重要的因素之一是疲劳因素，为获得高寿命精密模具，模具设计中疲劳强度必须进行计算，尤其是大型制件。
作者简介：俞振胜：男，1946年生，工程师
作者单位：俞振胜　北京石景山区模式口东里11栋1004号　北京　100041

[ 本帖最后由 sxw68 于 2006-10-12 10:32 编辑 ]

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