拉杆组件是注塑机的关键部件，也是易断裂失效的组件。断裂的根本因素是拉杆组件的微裂纹失稳及快速扩张，诱发断裂的宏观裂纹，导致疲劳断裂。 研究拉杆组件的线弹性断裂力学的微裂纹稳定的工业设计理论，建立微裂纹失稳判据，对预测和防止注塑机拉杆组件的断裂具有重要意义。本文基于线弹性断裂力学的理论，分析了拉杆组件的微裂纹稳定与断裂失效之间的关联；研究了拉杆组件的弹性力学的运行特征，纠正了传统的拉杆组件非对称循环的力学特性的观点，首次提出了拉杆组件脉动循环的力学特性的新观点，为科学运用微裂纹稳定的应力强度因子理论奠定了理论基础； 创建了微裂纹稳定的应力强度因子的判据理论,解释了拉杆断裂的力学因素，提供了卸载性能的微裂纹稳定的理论设计依据；结合实例，提出了微裂纹稳定的可靠性安全系数均值、承载能力的综合系数、脉动循环屈服强度等三个要素的工业设计理论及应用原则，提出了微裂纹稳定的卸载段直径、螺纹段底径及拉杆螺母的设计理论及确定原则；研究了线弹性断裂力学的微裂纹要素与弹性力学性能之间、与质量控制之间的关联，提出提高微裂纹稳定的质量要素的研发方向；运用创新的拉杆组件的线弹性断裂力学的微裂纹要素的工业设计理论，分析了断裂失效实例，进一步说明线弹性断裂力学要素的微裂纹失稳的研究有助于预测和防止拉杆组件的断裂现象的发生。

1 拉杆组件的功能及动力学特点的简介

图1为目前广泛采用的油缸驱动的双曲肘斜排列内翻式五支点肘杆机构的合模部件。图2为拉杆组件结构简图。拉杆组件是合模部件重要的组成部分，包括拉杆、固定螺母、调模螺母。拉杆两端为螺纹副，固定端为三角螺纹副，拉杆螺母啮合拉杆螺纹并固定于头板（固定模板）；调模端为梯形螺纹副，调模螺母定位于尾板并啮合拉杆螺纹，螺母运动可调节模具厚度。头板固定于底座上，尾板在拉杆组件的作用下做轴向移动。

拉杆在锁模油缸活塞及肘杆机构的力作用下，轴向弹性变形，产生锁模力。锁模机构正常运行，拉杆必须在弹性范围内运行，即在屈服强度区域内运行。拉杆任何部位发生塑性变形，即丧失弹性变形的成型性能，终止寿命周期。

1 拉杆；2 油缸；3 调模螺母；4 合模油缸活塞杆；；5 调节模板（尾板）；6 推力座；7 摆杆；8 后连杆；9 大销轴；10 前连杆；11 二板（移动模板）；12 模具；13 固定模板（头板）；14 拉杆螺母。

图1 油缸驱动的双曲肘斜排列内翻式五支点肘杆机构的合模部件

1 固定螺钉；2 压板；3 定位套；4 调模螺母；5 摩擦垫；6 尾板（调节模板）；7 拉杆；8 二板（移动模板）；9 头板（固定模板）；10 固定螺母；11 固定螺钉；12 压板。

         图2  注塑机的拉杆组件结构简图

2 拉杆组件的线弹性断裂力学的微裂纹稳定性能的特点的研究

断裂力学认为，一切构件都为微裂纹的弹性体。构件不产生断裂因素的标志的微裂纹稳定。微裂纹稳定指微裂纹尖端应力区域处于正常的弹性力学区域内交变循环运行，无塑性变形，即不发生微裂纹扩展，不能生成诱发断裂的宏观裂纹。微裂纹稳定性能研究是预测和防止拉杆组件断裂的研究重点。微裂纹稳定研究是根据断裂失效件上裂纹的形态、分布、数量、走向、裂纹间的相互位置，确定裂纹产生的先后次序，研究裂纹源位置与应力水平或应力比之间的关系，判断材料失效的模式和原因^[1]。

2.1 拉杆组件的裂纹断面特点

拉杆螺纹段断裂失效现象占拉杆组件失效的比例较大，固定端和调模端的螺纹部位都有发生，拉杆螺纹起始处和拉杆螺纹的中间段都有发生。拉杆螺母断裂失效的裂缝出现在螺纹副的首牙与第二牙的牙根，裂缝走向与螺纹升角一致。

断面基本上垂直于拉杆中心线，作用力与裂纹面垂直，属于线弹性断裂力学的张开型裂纹。断面呈金属光泽、未见化学腐蚀痕迹，裂纹扩展区呈放射状。

2.2 拉杆组件的裂纹断裂与微裂纹扩展的分析

微裂纹稳定指构件在弹性范围内运行，未发生塑性变形，更不发生断裂现象，属于线弹性断裂力学。断裂指构件发生塑性变形的宏观断裂，宏观断裂属于弹塑性的非线性断裂力学。

构件的裂纹断裂起始于微裂纹失稳而扩展。从线弹性断裂力学的角度出发，拉杆组件内各金属构件都为微裂纹的弹性体，对于拉杆组件的高强度合金钢，裂纹萌生于夹杂物，在交变应力作用下，这些夹杂物或第二相粒子会与基体沿界面分离或者本身发生断裂，这都可能导致微裂纹的疲劳扩展，这一阶段在整个疲劳寿命中所占的比例高达80%。

构件微裂纹失稳表明外加负载力超过微裂纹弹性变形需要吸收的能量，多余能量用于扩展微裂纹，循环作用下，微裂纹密度增加，刚度下降，失去弹性变形恢复能力，形成宏观裂纹而断裂。外加负载力超过承载能力越大，微裂纹的疲劳扩张速率也越快，断裂疲劳寿命越短。构件进入疲劳断裂阶段，应力应变不在遵守虎克定律。

如果由于表面刻伤,介质腐蚀或原来就存在较大的冶金缺陷(例如铸造球铁),疲劳裂纹生核阶段大为缩短或消失，疲劳断裂越快。

2.3 拉杆组件的交变循环力学特性

交变循环强度是线弹性断裂力学的关键设计参数。同一材料的交变循环强度由交变循环特性决定。如果把构件的力学运行特性搞错，那后续的研究就会失之千里而导向错误。

长期来，视拉杆组件的交变循环力学运行特征为“拉伸—压缩”非对称循环，并以此作为拉杆组件的强度设计的原则。

拉杆组件的弹性力学运行特性。锁模过程中，油缸活塞的作用力推动肘杆绞支机构，拉杆在肘杆绞支机构的作用下作轴向拉伸弹性变形，应力（力）由零跃升到锁紧位置的最大。制品冷却结束，油缸活塞提供启模力，机构一旦解锁，拉杆瞬间释放在锁模过程中储存的弹性变形能，回复至原状，即拉杆应力由最大恢复到零。

合模机构在锁模过程中，没有对拉杆预压缩，根据能量守恒定律，拉杆弹性恢复不可能产生压缩力，不产生对自身的压缩而产生负应力。可见，拉杆在正应力与零应力之间脉动载荷循环运行，而不是在拉伸—压缩的正—负的应力之间交变载荷的循环运行。图3反映了拉杆组件的交变循环力学运行特征为“拉伸—零”脉动循环^[2]，即循环特征系数为-1。

图3 拉杆组件脉动循环的运动特征图