基于UG 運動仿真的注塑機雙曲肘合模裝置設計

許 穎，劉華華，雷 波

（湖北三峽職業技術學院，湖北 宜昌 443003）

引言

注塑機合模裝置主要有機械式合模裝置、液壓式合模裝置和液壓-機械式合模裝置三種基本形式[1]。機械式合模裝置除了小型電動注塑機采用的電動機械式合模裝置外，基本不再運用；液壓式合模裝置結構簡單，但其液壓系統的設計和對液壓元件的要求比較高；液壓-機械式合模裝置中比較有代表性的是液壓肘桿式合模裝置，此類合模裝置有增力作用，能夠實現高速，但結構設計和制造精度要求較高。在中小型注塑機中，液壓肘桿式合模裝置運用會多一些，而大中型注塑機則相反，采用較多的是液壓式合模裝置。

1 液壓肘桿式合模裝置簡介

液壓肘桿式合模裝置可以分為單曲肘合模裝置和雙曲肘合模裝置。

單曲肘合模裝置的油缸用鉸鏈與機架連接，開合模過程中，油缸可以擺動。這種合模裝置的油缸小，裝在機身內部，減小機身長度，但也存在受力不均的現象，所以只適用于模板面積較小的小型注塑機[2]。

雙曲肘合模裝置在中、小型注塑機中都有采用，此類合模裝置可以適應較大模板面積，并且具有增力作用和自鎖作用。雙曲肘合模裝置按組成曲肘的鉸鏈數可分為四孔型和五孔型，如按曲肘排列位置又分為斜排列和直排列，由于五孔斜排式的雙曲肘機構形式具有較緊湊的結構，所以目前運用最多的是此類型，如圖1 所示。該論文中主要運用傳統的設計方法對五孔斜排列雙曲肘合模裝置進行初步設計計算，根據計算結果設置初始值，然后運用UG 軟件對該合模裝置進行三維實體建模、裝配及運動仿真，并進行綜合分析。

圖1 五孔斜排列雙曲肘合模裝置

2 運用UG 軟件設計五孔斜排列雙曲肘合模裝置

在以往對五孔斜排列雙曲肘合模裝置的設計中，傳統的設計方法運用的較多，如圖解法、經驗類比法等，但由于計算量非常大，所以設計周期較長，且難以滿足精度要求[3]。

對于雙曲肘合模裝置的仿真分析，曾借助過許多不同的軟件，大部分都是對合模裝置的參數進行優化。在此針對移模行程為350 mm、拉桿間距455 mm的中小型注塑機，主要采用傳統方式與UG 軟件仿真相結合的方法，對五孔斜排列雙曲肘合模裝置進行設計。

如圖2 所示，首先根據相關的標準和經驗值，對雙曲肘合模裝置進行設計計算，并對裝置中各肘桿長、肘桿之間的夾角等參數設置初始值；然后運用UG三維造型功能，依據已設定的初始值進行零件的三維建模，主要包括三板（即固定模板、移動模板和后模板）、肘桿等；再運用UG 裝配功能裝配合模裝置，主要通過各個零件的位置狀態分析各零部件之間是否有相互干涉，如果存在相互干涉，則需要修改相關零件的尺寸或結構；當裝配完成后，運用UG 運動仿真功能校調合模裝置，對合模的全過程實行動態調整，如果出現運動過程中零部件之間的碰撞現象，則需要對裝配數據進行修改；最后針對裝配和運動仿真的結果，修正雙曲肘合模裝置最初設置的初始參數，使零件的結構和尺寸設計更加合理。

圖2 運用UG 軟件設計五孔斜排列雙曲肘合模裝置過程

2.1 設置初始值

五孔斜排列雙曲肘合模裝置是以模板中心線為基準的上下對稱結構[4]，如下頁圖3 所示，設計中的主要參數（見表1）是后肘桿長度L1、前肘桿長度L2、連桿長度L4、大連桿長度L5、斜排角θ、頂角φ、曲肘角α、后肘桿夾角γ、動模板行程Sm、合模油缸行程S0，對于此類參數的初始設置主要依靠傳統設計中所提供的設計公式，以及實踐過程中積累的經驗值。

圖3 五孔斜排列雙曲肘示意圖

表1 五孔斜排列雙曲肘合模裝置初始值設置

為便于后期的生產制造，合模裝置中的肘桿長度在實際應用中通常會取整數，因此在初始設置以上參數時也應該做相應的取舍。

2.2 運用UG 軟件三維建模并裝配雙曲肘合模裝置

液壓雙曲肘合模裝置的三維建模主要是三板、肘桿、十字頭等。三板（即固定模板、移動模板和后模板）的幾何尺寸主要是依據拉桿間距、模具大小等，參照相關標準進行設計計算，結合生產實際進行建模。

肘桿和十字頭的三維建模則是根據以上設置的初始值，確保開合模過程的相關要求，綜合考慮零件的工藝性、剛性等多種性能，建模時將后肘桿長度L1、大連桿長度L5、小連桿長度L3設計整合為一個零件，即后肘桿。這樣既減少了零件的數量，簡化了設計過程，同時也使雙曲肘合模機構更加緊湊。

運用UG 軟件的裝配功能，按照臥式注塑機的實際安裝過程，先將設計好的零件組裝成四個部件，為裝配過程便于識別，分別命名為后模板組件、動模板組件、定模板組件、十字頭組件，然后依次將上述四個部件（如圖4 所示）和所有設計并創建好的肘桿零件的三維實體模型裝配在一起，如圖5 所示，可以更加直觀地看到各零部件之間的相互位置關系，并針對各零部件裝配過程中呈現的問題進行實時調整。

圖4 雙曲肘合模裝置零件三維建模

圖5 UG 裝配五孔斜排列雙曲肘合模裝置示例圖

裝配過程中主要關注連桿和前肘桿之間是否產生碰撞，如果兩者之間存在干涉，有兩種方法可以進行修正，一種是調整后肘桿中小連桿長度L3的尺寸，另一種方法是調整連桿或前肘桿的相關尺寸。通常會優先選擇后一種修正方法，因為調整后肘桿中小連桿的長度將影響到后肘桿夾角γ 的變化，使設計過程變得復雜。

2.3 運用UG 運動仿真功能修正雙曲肘合模裝置相關參數

雙曲肘合模裝置中的肘桿支撐部分后模板支座和移動模板支座分別安裝在后模板和移動模板上，合模油缸安裝在后模板上。合模裝置工作時，由合模油缸活塞桿推拉十字頭做直線運動，通常假定十字頭作勻速直線運動，依次帶動連桿、后肘桿和前肘桿，使移動模板在機床導軌上做往復運動，實現合模裝置的開合模動作。運動仿真時要靈活運用UG 軟件中運動副的設置，將滑動副和旋轉副較好地配合。五孔斜排列雙曲肘合模裝置中的每一個零部件都不是獨立存在的，它們之間的相關性要在UG 運動仿真中充分地利用嚙合連桿的相關功能展現出來。

如圖6 所示，以后肘桿為例加以說明。將后肘桿的連接類型設置為“旋轉副”，原點為后模板支座與后肘桿連接處的圓心，矢量為孔軸線方向。與后肘桿的“嚙合連桿”為后模板組件，原點和矢量方向與前面的設置相同。

圖6 UG 仿真中運動副設置示例圖

合模時后肘桿與前肘桿要在同一直線上，開模時要保證上下連桿和上下前肘桿不會發生碰撞，十字頭要能很好地伸縮，可以在仿真過程中適當地修改后模板的結構，擴大行程比的同時可以減輕后模板的重量。

由圖7 中可以看出，對五孔斜排列雙曲肘合模裝置進行運動仿真校調，根據仿真中的實時位置狀態，不斷調整后模板的結構，同時對初始設置的參數也進行了修正。修正后，后肘桿長度L1為230 mm，前肘桿長度L2為290 mm，連桿長度L4為98 mm，斜排角θ為4.57°，校調后的雙曲肘合模裝置在開模狀態時，十字頭可以退入后模板中。

圖7 UG 運動仿真中雙曲肘合模裝置的開合模狀態圖

運用UG 軟件中的三維建模、裝配和運動仿真功能輔助完成五孔斜排列雙曲肘合模裝置的設計，可以使設計過程變得直觀、簡單，但對初始參數的修正及所有設計結果的確定，一定要滿足傳統設計方法中對各零件受力特性的要求。

另外，雙曲肘合模裝置的結構緊湊性也是設計中需要考慮的問題。對于五孔斜排列雙曲肘合模裝置而言，行程放大比則可以間接反映這一性能。當移動模板開模行程確定后，行程放大比越大，十字頭后退行程越小，合模裝置的結構緊湊性相對較好。

3 結語

合模裝置是注塑機最重要的組成部分，其性能直接影響到產品的質量。合模裝置越緊湊、整體長度越小，就會更好地節約制造成本[6]。五點斜排列雙曲肘合模裝置是目前注塑機合模裝置中應用最為廣泛的一種，對此類合模裝置的研究分析也比較多。但往往由于在設計過程中存在較煩瑣的變量，所以運用傳統的方法進行設計時，要面對計算量大，并且很難獲得較好的優化結果的問題。運用UG 軟件加以輔助，可以對初始設置的參數加以驗證，并對不同目標值的組合進行優化對比，最終修正雙曲肘合模裝置中的主要參數，得到了符合實際的最優設計結果。后期可以探討將合模裝置參數設計及優化，與三維建模結合起來進行系統化設計，使雙曲肘合模裝置從設計到運動學仿真，直至對重要零件的力學性能分析全過程變得更加直觀簡單。