一、引言
注塑機的合模機搆主要負責模具的固定、啟閉以及為模具提供必要的合模力。傳統注塑機模板的設計，一般以在滿足設計所需合模力的前提下，模板不發生開裂為准則。這樣的設計理念，往往是忽略模板表面變形對合模力的影響。而在實際生產中，正是由于模板表面的變形，使合模力下降和模具受力不均，從而導致塑料產品在成型過程中發生飛邊、模具受損及能耗增大等情況。基于上述問題的出現，本文將對傳統合模機搆模板的受力及變形進行有限元分析，并提出新的結搆優化方案，以達到改善產品飛邊，保護模具及減少不必要能耗損失的目標。
二、傳統合模機搆模板的受力變形分析
注塑機的合模機搆一般分為曲肘式和直亞式。曲肘式合模機搆，是通過肘杆及拉杆的變形產生合模力。而直亞式合模機搆，是合模油缸直接提供合模力。由于兩者產生合模力的原理不同，故模板的受力變形有很大的差異。
曲肘式合模機搆的動模板中心承受着模具的反作用力，而其上下又有肘杆傳遞過來的變形力。由于兩力大小相等，方向相反，但不在同一直線上，這使得動模板發生彎曲變形，定模板的受力變形情況也相類似。由于動、定模板表面發生變形而導致模板兩端面的平行度降低，模具受力不均，鎖模力下降，產品出現飛邊。客戶根據產品飛邊現象，盲目增大合模力，最終致使模板變形加劇，模具局部受力過大，甚至損壞。反觀直亞式的合模機搆，合模油缸所施加的合模力與模具的反作用力大小相等，方向相反，且在同一直線上，故動模板的變形小，但定模板的變形問題仍然存在，模具受力不均衡的情況仍得不到有效的改善。
三、優化前動定模板的有限元分析
由于模板受力通常都是對稱分布，所以我們在有限元分析時，一般只對模板的四分之一進行處理，并忽略碼模孔及小孔等特征。這樣可以減少計算機分析的時間，提高設計效率。同時，cosmosworks提供了多組件的復雜裝配分析，從而大大簡化工程師的勞動，使得分析能更好的模擬真實情況，提高結果的精度。
本文着重于動定模板受力及變形的有限元分析，所以在裝配模型的處理結果中隱藏了導柱和模具的數據。根據國家對球墨鑄鐵的一般驗收標准只對抗拉強度和延伸率有所規定，故在應力分析結果中通常選擇“第一主要應力（p1）”。另外，在通過探測主要變線在z方向（與模具受力方向相同）的位移量，可以清楚直觀地了解模板面的變形情況。
有限元分析變形量示意圖一
定模板的拉伸應力主要集中在導柱孔與模具定位孔中心連線的加強筋上，與實際生產中模板發生開裂的地方相吻合，最大值為107mpa；主形變線在z方向的位移量幅度為0.155mm。而動模板的拉伸應力最大值出現在連接上下曲肘的加強筋上，達103mpa；主形變線在z方向的位移量幅度為0.236mm，且形變主要出現在模具安裝面與曲肘相連的部分。國家對qt500-7a的力學性能規定，其抗拉強度應大于或等于500mpa，故動定模板的安全系數大約均為4.67，完全滿足工程機械設計要求。但橡塑機械國家標准規定，注塑機在最大合模力時，動定模板間的平行度必須小于或等于0.2mm。若釆用四點測量的方法，動定模板的平行度明顯不能滿足規定。
四、動定模板結搆的優化及其有限元分析
曲肘及導杆變形所產生的合模力直接傳遞到模具的安裝面且與模板中心受力不在同一直線上，是造成該面發生彎曲變形的主要因素。針對這一問題，在優化方案中把模板分為兩個部分：主體及模具安裝體；而兩者之間由一過渡部分相連。主體負責承受機搆合模力，產生形變及消耗部分應變能，從而減少對模具安裝體變形的影響。此時，模板中間的受力形式與直壓式相類似，從而減少模具安裝面的彎曲變形，保證動定模板間的平行度，達到使模具受力均衡，保護模具，減少不必要能耗損失的目標。
模板有限元分析示意圖二
根據優化方案的描述，建立動定模板的三維模型。依然釆用四分之一的模型進行有限元分析，對優化后的動定模板施加于優化前相同的約束及載荷，得到的分析情況如下：定模板的變形主要在主體與導杆螺母接觸的區域，且此區域也是整個模板中拉伸應力集中的地方，最大值為108mpa。由于與主體分離，模具安裝體受到主體變形區域的影響很少，基本上只產生合模時模具對其表面的擠壓變形。優化后的動模板，變形主要在主體與曲肘相連的部分。由于合模時，此部分容易在合模力作用下發生變形，凹向模板內側，從而導致連接上下曲肘的加強筋產生較大的拉伸應力，最大值達110mpa。同時，由于此部分消耗了大部分變形能，繼而使模具安裝體變形減少，主形變線在z向的位移量幅度為0.079mm。
下表為優化前后模板參數的對比結果：
從有限元分析的結果可以看到，優化后的動定模板在最大合模力時，模具安裝面上的變形大大減少，更好更容易地滿足行業對模板間平行度的規定。本文通過對傳統曲肘合模機搆動定模板受力及變形的有限元分析，指出模板表面變形容易導致產品在加工過程中出現飛邊形象，并針對此提出模板結搆優化方案，以減少模板表面變形，使模具在產品加工過程中受力均衡，從而達到保護模具，減少能耗的目標。
（注：除表格外本文實際分析圖未收入文中，其他為示意圖）。
作者：蘇嘉朗