1、78 模具设计 Mould Design 塑料制造 PLASTICS MANUFACTURE 2008年12月刊 塑料模具型腔壁厚的强度与刚度分析 文 李 云 摘 要 分析了塑料模具型腔侧壁的强度与刚度计算公式 利用有限元分析软件ANSYS验证了型 腔侧壁在注射压力作用下发生的变形 得出塑料模具型腔侧壁厚度的力学设计计算公式 为合理确 定型腔尺寸提供了理论依据 关键词 强度 刚度 塑料模具 有限元 A nalyse of Strength and Toughness to Plastic Mould Thickness Abstract Formulas of strength and tou
2、ghness to plastic mould side wall was analyzed using fi nite element software ANSYS to verify the deformation of the side wall cavity in the injection pressure enduing mechanical design formulas to the thickness of plastic mould side wall providing theory basis for deciding the mould dimension right
3、ly Key words Strength Toughness Plastic mould Finite element 塑 料模具型腔侧壁厚度计 算是模具设计中经常遇 到的重要问题 尤其对大 型模具更为突出 目前模具设计多凭经 验公式决定 但常因估计计算不准造成 模具报废或浪费材料 为此建立科学的 确定方法实为必要 目前 许多资料按 不同的观点提出了许多公式及图表 归 纳起来主要可分为两类 一是以刚度观 点作计算的 一是以强度观点作计算 的 但实际中塑料模却要求既不允许因 强度不足而破坏 也不允许因刚度不足 而发生过大变形 因此 必须科学准确 地建立塑料模型腔侧壁强度与刚度的计 算方法 才能
4、满足实际需要 生产出合 理塑件 现以材料力学 弹性力学为理 论基础 采用有限元软件ANSYS来进行模 拟分析验证 得出合理的塑料模具型腔 侧壁厚度计算公式 型腔侧壁力学分析 塑料模型腔在注射成型过程中 在型腔全部充满的瞬间 熔体压力可达 到一较高值 型腔侧壁必须具有足够的 厚度以承受熔体充模时产生的高压 否 则可能因强度不足 产生塑性变形甚至 破裂 或因刚度不足 产生大的弹性变 形 引起成型零部件在其接触或配合表 面出现较大的间隙 形成溢料或飞边 降低塑料制品的精度和影响塑料制品脱 模 型腔侧壁的强度与刚度是型腔应具 备的力学性能的两个方面 塑料模具型 腔对强度与刚度并非在各种情况下都提 出较
5、高要求 而是有侧重的 下面分别 对矩形和圆形型腔侧壁进行力学分析 型腔结构可分为整体式和组合式两种类 型 由于整体式型腔的强度和刚度都相 对于组合式较高 且只适用于形状较为 简单的中 小型模具 因此 本文主要 讨论组合式型腔侧壁的力学计算 矩形型腔侧壁厚度的分析计算 强度计算 力学模型 承受均布载荷两端固定 梁 如图1所示 根据材料力学有关理论 侧壁受到 弯曲应力 最大应力发生在侧壁长边中 编者按 作者以材料力学 弹性力学为理论基础 采用有限元软件ANSYS进行模拟分析验证 得出合理的塑料模具型腔侧壁厚度计算公式 为合理确定型腔尺寸提供了理论依据 79 模具设计Mould Design 200
6、8年12月刊 PLASTICS MANUFACTURE 塑料制造 点处 P 注射压力 MPa L 矩形型腔侧壁长边长度 mm t 侧壁厚度 mm 最大应力 MPa 刚度计算 矩形型腔受熔体压力而胀大 如果 长短边的壁厚相等 则长边刚度较差 所以只要计算长边的壁厚 其短边的壁 厚就能满足 根据力学模型及材料力学有关理 论 长边的弯曲变形量为 E 弹性模量 MPa 最大挠度 mm 组合式圆形型腔侧壁 力学模型 承受均匀内压的厚壁圆 筒 如图2所示 强度计算 厚壁圆筒受内压 产生径向正应 力 与切向正应力 a 圆筒内径 mm b 圆筒外径 mm r 圆筒内径与外径间任意位置 mm 最大正应力与最大切
7、应力均产生在 圆筒内壁 即 图1 矩形型腔侧壁 图2 圆形型腔侧壁 根据第三强度理论 得 许用应力 pa 最大拉应力 pa 最小拉应力 pa 把 分别代入 最大应力 为 刚度计算 根据广义胡克定律 实例分析计算 ANSYS 验证 例1 矩形型腔侧壁 宽度 80mm 长度L 100mm 厚度t 50mm 注射压力 P 50MPa 弹性模量E 2X10 11 Pa 泊松比 0 3 侧壁高度H 80mm 分析计算矩 形侧壁变形 a 理论计算 根据本文推导理论公式 得 强度计算 刚度计算 MPa 80 模具设计 Mould Design 塑料制造 PLASTICS MANUFACTURE 2008年1
8、2月刊 b ANSYS分析 如图3所示 从图3中可以看出 在矩形型腔 侧壁长边中点处 应力值最大 101 613MPa 侧壁的最大变形 0 005962mm c 理论计算与ANSYS分析比较 通过表1 可以看出 本文推导矩 形型腔侧壁的计算公式与ANSYS有限元分 析结果相符 例2 圆形型腔侧壁 内径 a 100mm 外径b 200mm 注射压力 P 50MPa 弹性模量E 2X10 11 Pa 泊松比 0 3 分析计算侧壁变形 a理论计算 强度计算 刚度计算 b ANSYS分析 如图4所示 从图4中可以看出 在圆形型腔内 壁 应力值最大 131 434MPa 侧壁的最大变形 0 045398
9、mm c 理论计算与ANSYS分析比较 通过表2 可以看出 本文推导圆形 型腔侧壁的计算公式与ANSYS有限元分析 结果相符 结 论 本文以材料力学 弹性力学作为 理论基础 对塑料模具在熔体压力作用 下 型腔侧壁的强度与刚度进行理论分 析研究 应用有限元分析软件ANSYS对 表1 矩形型腔侧壁理论分析与ANSYS分析结果比较 表2 圆形型腔侧壁理论分析与ANSYS分析比较 理论值 ANSYS分析值 刚度计算 mm 0 006 0 006 强度计算 MPa 100 101 6 理论值 ANSYS分析值 刚度计算 mm 0 047 0 045 强度计算 MPa 133 131 4 图3 矩形型腔侧
10、壁的变形 图4 组合式圆形型腔侧壁的变形 型腔侧壁的受力进行校核 得出符合实 际应用的力学设计计算公式 通过本文 推导验证的型腔侧壁的力学设计计算公 式 可以选择合适的型腔侧壁厚度 不 仅可以满足实际生产需求 而且也可防 止厚度选择过大导致浪费材料或厚度选 择过小使模具报废的现象 降低了模具 设计制造成本 为合理确定型腔尺寸提 供了理论依据 参考文献 1 徐芝纶 弹性力学 M 北京 高等教育 出版社 1996 1 51 2 张国瑞 有限元法 M 北京 机械工业 出版社 1991 20 35 3 嘉木工作室 ANSYS有限元实例分析教程 M 北京 机械工业出版社 2002 35 85 4 陆瑛 刘楠藩 朱红瑜 框式塑料注射模 具设计中的刚度问题 J 郑州纺织工学院学报 1998 9 76 79 5 林裕华 塑料模具的刚度问题 J 现 代机械 1998 1 42 44 李 云 出生于1976年 女 陕西富 平人 讲师 硕士 主要从事模具的教 学 科研和设计工作 陕西工业职业技术学院材料系 邮编 712000 MPa
