倪培永斋攀，劉忠飛 已卷，白 龍
（南通大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 南通 226019）
摘要：現(xiàn)有吸塑機成型機構(gòu)的穩(wěn)定性較差淳蔼，嚴重影響了塑料制品等的加工質(zhì)量侧蘸。據(jù)此，設(shè)計了一種曲臂式成型結(jié)構(gòu)鹉梨。在分析現(xiàn)有成型機構(gòu)的工作原理的基礎(chǔ)上讳癌，運用 SolidWorks 軟件設(shè)計三維模型并進行裝配，建立曲臂的運動和受力方程存皂。借助 Motion 模塊對機構(gòu)進行運動仿真晌坤，采用 Ansys 軟件分別對起始位置與終止位置進行靜應(yīng)力分析。仿真結(jié)果表明旦袋，每個曲臂組需要的推動力為1724 N骤菠，空動作循環(huán)時間為 3.3 s，材料的變形結(jié)果符合設(shè)計要求猜憎。研究結(jié)果為該裝置的研制提供了設(shè)計依據(jù) 娩怎。
關(guān)鍵詞：吸塑機搔课；成型機構(gòu)胰柑；曲臂式；運動仿真爬泥；靜態(tài)結(jié)構(gòu)
吸塑機的成型部分決定了產(chǎn)品的形狀 柬讨、質(zhì)量和生產(chǎn)效率等，是吸塑機的關(guān)鍵組成部分袍啡。近年來踩官，隨著塑料行業(yè)的發(fā)展，吸塑也逐漸發(fā)展成為加工包裝材料的最重要的方法之一[1-2] 境输。目前蔗牡，自動一體化吸塑機基本上已經(jīng)實現(xiàn)從送料到成品的高度自動化颖系。作為吸塑機的重要組成部分，現(xiàn)有的成型部分仍存在一定的不足辩越，如合模氣壓不足嘁扼、材料形狀復(fù)雜、加工困難等黔攒，不能滿足實際的生產(chǎn)需要[3-5]趁啸。
本文針對設(shè)計要求的模具開合尺寸，重新設(shè)計曲臂長度督惰，基于機構(gòu)學(xué)原理建立了曲臂成型機構(gòu)運動方程和受力方程 不傅，通過分析確定氣缸的工作壓力，為氣缸選型提供依據(jù)赏胚，同時確定兩曲臂相交位置水平初始和終了位移访娶，為運動模擬提供初始和終了條件。對建模完成的曲臂式成型機構(gòu)分別運用Motion 與 Ansys Workbench進行運動仿真與有限元分析栅哀，驗證設(shè)計合理性震肮。結(jié)合設(shè)計要求，完成曲臂式成型機構(gòu)方案的理論設(shè)計留拾，為下一步的試制提供有力的理論依據(jù)戳晌。
1 曲臂式成型機構(gòu)設(shè)計
成型機構(gòu)通過運動機構(gòu)控制板的上下移動，來實現(xiàn)模具的開合痴柔，然后利用真空泵產(chǎn)生的真空吸力沦偎，將加熱軟化后的熱可塑性塑料片材經(jīng)過模具吸塑成各種形狀的塑料制品等[6]。
由氣缸驅(qū)動成型機構(gòu)進行曲臂的張合咳蔚，曲臂運動從而帶動模具載臺的上下運動豪嚎，實現(xiàn)成型過程中的開模與合模過程 。曲臂式成型機構(gòu)主要由上支承座谈火、載臺侈询、光軸、下支承座糯耍、固定板扔字、曲臂塊、驅(qū)動支承座温技、驅(qū)動曲臂和氣缸座等組成[7-8]革为。圖1為結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為三維結(jié)構(gòu)圖舵鳞。
圖1 曲臂式成型機構(gòu)
圖2 曲臂式成型機構(gòu)模型
為了驗證曲臂長度是否滿足設(shè)計要求震檩，為運動仿真提供初始條件，必須確定兩曲臂相交位置水平的初始和終了位移蜓堕，因此需要建立機構(gòu)的運動方程抛虏。另外博其，為了確定氣缸輸出壓力，需要建立機構(gòu)的受力方程 迂猴。根據(jù)實際情況贺奠，提出以下幾點設(shè)計要求：開合尺寸為 300 mm；成型面積不得小于 750mm×600mm错忱；合模壓力不小于0.5 MPa儡率；空動作循環(huán)小于 4s。載臺位移簡圖與單個曲臂受力簡圖分別如圖 3以清、圖4 所示儿普。
圖3 載臺位移簡圖
圖4 單個曲臂受力簡圖
根據(jù)設(shè)計要求與圖示得到各個參數(shù)關(guān)系式 ，其中：G為載臺 掷倔、模具機構(gòu)的重力之和眉孩；F為氣缸輸出力；F′為曲臂桿所受作用力勒葱。
載臺行程需要滿足
2Lsin（) - 2Lsin(）= 150浪汪， （1）
式中：L為曲臂長度；θ0凛虽、θ分別為兩曲臂初始夾角和合模時的夾角死遭。
曲臂塊水平方向行程
Lcos(）- Lcos（) = S， （2）
式中S為兩曲臂相交位置水平位移凯旋。
隨著θ的增大需要推動曲臂機構(gòu)運動的力逐漸減小呀潭，起始力為最大力 。當(dāng)達到最大位置時至非，模具合模钠署，產(chǎn)生合模壓力P需達到0.5 MPa，接觸面積A按照750mm x 600mm計算荒椭。
載臺板材料選擇Q235A谐鼎，密度為7.858 g/cm3；模具結(jié)構(gòu)材料為鋁趣惠，密度為2.7 g/cm3狸棍，得G≈2 300 N，合模瞬間 G′ = PA + G = 227 300 N 信卡。由式（5）中F與G的關(guān)系可知隔缀，合模時θ需足夠大题造，才能承受 0.5 MPa 的合模壓力傍菇。理想假設(shè)合模角最大狀態(tài)時，θ = 180°界赔。由受力可知丢习，此時輸出力為 0 N 時機構(gòu)靜 平衡 牵触，即氣缸運動到最大位置 。假設(shè)θ =180°咐低，L = 200 mm揽思，由式（1）得θ0 ≈ 77.4°。將已知條件代入式（2）與式（5）中见擦，求得 S=156 mm钉汗，F(xiàn)≈ 2 870 N±鹇牛考慮氣缸效率损痰，實際氣缸工作壓力選擇為 0.6 MPa，即工作壓力為 0.6 MPa 時的伸縮力應(yīng)大于 2 870 N酒来。由氣缸理論輸出表卢未，結(jié)合假設(shè)得到的已知條件與實際生產(chǎn)情況，選用 AirTAC（亞德客）SC100 x 100 氣缸堰汉，該氣缸理想工作氣壓為 0.7 MPa辽社，速度為 30~500 mm/s。
2 成型機構(gòu)運動仿真
為了方便研究翘鸭，避免結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜而影響仿真計算速度 滴铅，將結(jié)構(gòu)等效簡化 ，進行單個曲臂組的運動仿真[9-11] 就乓。簡化結(jié)構(gòu)和運動簡圖分別如圖 5失息、圖 6所 示。設(shè)計空動作循環(huán)為 3.3 s档址，成型機構(gòu)在初始位置時盹兢， 氣缸做功，在1.5 s 時完成合模過程守伸，1.5~1.8 s 內(nèi)進行保壓绎秒，3.3 s 時恢復(fù)至初始位置，完成一個吸塑產(chǎn)品的成型動作 尼摹。加載 SolidWorks Motion 插件见芹，通過運動仿真分析研究該設(shè)計是否合理，運動是否干涉蠢涝。
設(shè)定曲臂初始夾角為 77.4°玄呛，曲臂與曲臂軸 、曲臂軸與支承座 和二、三曲臂塊與曲臂軸之間均為轉(zhuǎn)動 副徘铝，設(shè)置接觸類型為實體接觸[12-14] 。同時設(shè)置馬達參數(shù)函數(shù)為：STEP（time，0惕它，0怕午，1.5，155）+ STEP（time淹魄，1.5郁惜，0，1.8甲锡，0）+ STEP（time兆蕉，1.8，0缤沦，3.3恨樟，-155）。設(shè)置
圖5 成型機構(gòu)簡化結(jié)構(gòu)
圖6 曲臂運動簡圖
仿真時間為 3.3 s疚俱，仿真步數(shù)為 200 步 劝术。后處理得到上支承座和曲臂運動曲線，如圖 7呆奕、圖 8 所示养晋。
由圖 7（a）可以看出，上支承座最大位移變化為148.4 mm梁钾，接近開合尺寸的一 半 绳泉。從圖 8（b）可以看出 ，曲臂在運動過程中會發(fā)生速度突變 姆泻，具有較大慣性 零酪。與閉模過程相比 ，曲臂在開模的過程中拇勃，由于重力的作用其慣性更大 四苇。針對這種情況 ，在實際使用中方咆，可以適當(dāng)增加成型結(jié)構(gòu)的工作循環(huán)時間月腋，即通過使用泄氣閥適當(dāng)減少氣缸力的輸出，輔助開合模過程 瓣赂，以減小機構(gòu)慣性力 榆骚。如果從幾何參數(shù)方面進行優(yōu)化改進 ，相應(yīng)的制造成本會增加 煌集，因此妓肢，適當(dāng)減小氣缸壓力是較好的改進方法。模擬實驗還發(fā)現(xiàn)苫纤，曲臂與氣缸的夾角在 0~1.5 s 內(nèi)從141.05°變成 90.24°碉钠， 符合設(shè)計要求纲缓。
3 靜應(yīng)力分析
在驗證運動仿真符合設(shè)計要求后 ，再對設(shè)計方 案進行靜應(yīng)力分析 放钦。由受力關(guān)系式可知 ，起始位置需要的力最大 恭金。當(dāng)達到終點位置時由于受合模壓力的影響操禀，曲臂受力發(fā)生變化，此時向下的力最大 横腿。運用Ansys的Static Structure模塊分別對曲臂起始位 置與終止位置進行靜應(yīng)力分析颓屑，考察零件是否發(fā)生嚴重變形等 。為了達到簡化模型的目的 耿焊，只對一個曲臂組進行靜應(yīng)力分析[15]揪惦。
在初始位置時，由運動仿真得到馬達力為1500 N罗侯， 設(shè)定曲臂受到的水平力為1500 N器腋，且上支承座受到575N的重力，同時設(shè)置重力等參數(shù)钩杰，對下支承座設(shè)置約束纫塌。在終止位置由受力可知，曲臂受到的水平力幾乎可以忽略[16-17]讲弄。故只施加重力與合模壓力 0.125 MPa作用在上支承座表面措左，對下支承座設(shè)置約束，得到起始位置 避除、運動終止位置曲臂機構(gòu)的應(yīng)力圖 怎披、應(yīng)變圖，分別如圖9瓶摆、圖10所示凉逛。由圖可以看出，曲臂組在起始位置時的最大應(yīng)力為 63.07 MPa群井，未超過Q235A材料的屈服強度鱼炒，其最大變形量為6.109 ×10-5 m，主要變形集中在上支承座與上曲臂之間蝌借。曲臂組在運動終止位置時昔瞧，最大等效應(yīng)力為 23.33 MPa，最大變形量為 2.366 × 10-5 m菩佑。由于隨著曲臂運動過程中自晰，馬達力即氣缸力逐漸減小，故在終止位置時變形與應(yīng)力較起始位置都減小稍坯。
4 結(jié)論
結(jié)合現(xiàn)有機構(gòu)的原理與設(shè)計參數(shù) 酬荞，對吸塑機曲臂式成型結(jié)構(gòu)進行了改進設(shè)計搓劫，建立了曲臂的運動和受力方程，確定了機構(gòu)運動的初始和終止位置參數(shù) 混巧。經(jīng)過改進設(shè)計的曲臂枪向，在合模夾角為180°時，模擬得到的開合尺寸接近設(shè)計要求的開合尺寸咧党；通過軟件進行運動仿真秘蛔，得到每個曲臂組需要的推動力為1724 N，空動作循環(huán)時間為 3.3 s傍衡，該運動仿真結(jié)果基本符合設(shè)計要求深员。依據(jù)運動仿真得到的參數(shù)進行靜力結(jié)構(gòu)分析，得到起始位置與終止位置的等效應(yīng)力圖與形變圖蛙埂，靜力結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果顯示應(yīng)力和變形大小均未超過材料極限倦畅，所選材料符合要求。在實際使用中绣的，可以通過使用泄氣閥適當(dāng)減少氣缸力的輸出叠赐，輔助開合模過程，以減小機構(gòu)的慣性力屡江。
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