胡玉玲，劉淑梅，廖秋慧，高 沖
( 上海工程技術(shù)大學(xué)，上海 201620)
摘要:通過三因素三水平正交試驗(yàn)的設(shè)計(jì)以及型坯12段非等厚度優(yōu)化的方法，得到最優(yōu)工藝參數(shù)組合，最終實(shí)現(xiàn)吹塑件壁厚合格且均勻性明顯提高。采用Workbench-Polyflow分析軟件進(jìn)行型吹脹過程的數(shù)值模擬［1］。完成9組方案的模擬后，選取12個特征點(diǎn)的厚度值作參考代替整體厚度均勻性，經(jīng)方差分析得出:工藝參數(shù)最優(yōu)解為吹脹壓力A(0.456MPa)、吹脹時間B(1.210s)、模具運(yùn)動速度C(0.878m/s)。影響權(quán)重大小為B＜A＜C。為了得到符合實(shí)際生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的制件，在最優(yōu)工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行型坯的非等厚度優(yōu)化，結(jié)果方差降低45%，壁厚均勻性顯著提高，壁厚平均值為0.773mm，最低厚度0.556mm，經(jīng)生產(chǎn)驗(yàn)證，產(chǎn)品厚度合格。
關(guān)鍵詞:擠出吹塑;正交試驗(yàn);數(shù)值模擬;非等厚度型坯;工藝優(yōu)化
0 引言
擠出吹塑過程是1個大變形、大應(yīng)變的過程，包括型坯成型、型坯吹脹和制品冷3個階段［2］。當(dāng)型坯與模具型腔接觸時，變化機(jī)理極其復(fù)雜，導(dǎo)致壁厚不均勻的直接原因是型坯吹脹過程中各部位的形變不一致［3］。1 L墨水瓶是常見的日用品，采用擠出吹塑成型，要求壁厚0.5～1mm。但生產(chǎn)中普遍存在厚度不均的問題，厚度不均將會造成材料的收縮不一致，厚壁位置會在表面出現(xiàn)縮水，凹坑等問題，影響外觀，而且厚壁與薄壁轉(zhuǎn)接處會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，影響產(chǎn)品的強(qiáng)度［4］。文章從成型工藝條件的角度出發(fā)，探討了其對制品厚度的影響，改善了壁厚不均的情況。
1 三維模型與網(wǎng)格劃分的建立
假設(shè)熔體是不可壓縮、等溫流動且連續(xù)的，其流動遵循質(zhì)量守恒定律、動量定律、能量守恒定律［5］。常用的1 L墨水瓶幾何模型如圖1所示，高235 mm，瓶口直徑23 mm，最大寬度和長度80mm，假設(shè)型坯直徑45 mm，吹脹比為1.78，模具到型坯中心距離為50 mm。假設(shè)其為等溫模具，并對型坯和模具進(jìn)行網(wǎng)格劃分［6］，如圖2所示。
2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果
2.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)
吹脹壓力可以使型坯變形緊貼模具型腔壁，并對產(chǎn)品進(jìn)行保壓、冷卻［7］。合理的壓力范圍將得到合格的產(chǎn)品。研究壓力大小，吹壓時間和模具運(yùn)動速度三素對成型制件壁厚的影響。正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)如下:(1)由于實(shí)驗(yàn)條件不易精確控制，并能大致獲取工藝參數(shù)的適當(dāng)取值范圍2個原因［8］，將吹塑壓力大小、吹脹時間和模具運(yùn)動速度三因素分別設(shè)計(jì)3個水平。各因素水平如表1所示。(2)試驗(yàn)涉及三因素三水平，不考慮交互作用，采用L9 (33)正交表，正交試驗(yàn)方案如表2所示。
圖 1 三維模型圖 圖2 型坯與模具網(wǎng)格
表 1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)
2.2 有限元數(shù)值模擬及結(jié)果
2. 2. 1 邊界條件設(shè)定
在workbench模塊中，建立2D-shell Geometry 瞬態(tài)分析任務(wù)，設(shè)置流動邊界條件［9］。分析任務(wù)包含定義模具和子任務(wù)型坯。其中，定義模具包含定義模具區(qū)域、接觸條件及模具運(yùn)動參數(shù)，而子任務(wù)包含定義型坯區(qū)域、流動條件、材料屬性、初始厚度、吹脹壓力等。9組正交試驗(yàn)方案中，型坯初始厚度設(shè)為0.0018 m，重力為－9.81m/s，產(chǎn)品材料HDPE，密度為900g /cm3，黏度為10 000Pa·s，考慮慣性因素。
模具的運(yùn)動速度是1個隨時間變化的函數(shù)，因此，采用漸進(jìn)函數(shù)f(t)—斜坡函數(shù)實(shí)現(xiàn)模具運(yùn)動［10］，斜坡函數(shù)曲線如圖3所示。以方案A1B1C1為例，斜坡函數(shù)的參數(shù)如圖3、4 所示。
圖 3 模具運(yùn)動斜坡函數(shù)
圖 4 壓力斜坡函數(shù)
吹脹壓力P(t)同樣采用漸進(jìn)函數(shù)—斜坡函數(shù)實(shí)現(xiàn)［11］。其中，斜坡函數(shù)參數(shù)如圖 4 所示。
2.2. 2 數(shù)值模擬結(jié)果
吹塑過程包括模具合模擠壓型坯和吹塑膨脹2個階段［12］。圖5為A1B1C1擠出吹塑過 程，由圖可知，型坯厚度的變化規(guī)律。
此方案吹塑總時間為2s。由圖5可知，吹脹前段時間，型坯形狀變化較明顯，1.33s后，厚度變化較小。等厚度型坯接觸模具的同時，溫度降低，黏度變大，變形程度較小，厚度變化程度較小［13］。所以先接觸模具的型坯厚度較大［14］。相反，后接觸模具的拐角位置繼續(xù)變形，厚度不斷減小，因而形成厚度不均勻的情況［15］。
2.3 結(jié)果與討論
2.3. 1 厚度分析
最優(yōu)的制品壁厚分布是評價制品質(zhì)量最重要的指標(biāo)之一［16］。12點(diǎn)大致位于瓶身的兩條對稱線上，并根據(jù)多次模擬結(jié)果得出規(guī)律12處是局部厚度的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，即較厚或較薄的位置。采用局部特征代表整體均勻性的方法，具有代表性［17］。表6、圖6均為12個特征點(diǎn)的空間位置。
圖 5 A1B1C1 方案吹塑過程
(a)0. 01 s (b)0. 25 s (c)0. 31 s (d)1. 33 s
圖 6 12 個特征點(diǎn)的空間位置
表 2 12 個特征點(diǎn)的空間位置
圖7為9組工藝參數(shù)12個位置的壁厚變化曲線，虛線代表各壁厚均值。從圖中可以看到成型制件每點(diǎn)壁厚與均值的偏離程度，偏離程度越小，制件壁厚之間的差異越小;偏離程度越大，制件壁厚之間的差異越大［18］。
圖 7 9 種方案的 12 個位置的厚度分布情況
12個點(diǎn)的厚度根據(jù)均值分為3個水平，點(diǎn)1、2處厚度均大于1 mm;點(diǎn)5、11、12處厚度較薄，點(diǎn)11處只有0.534mm;其余特征點(diǎn)厚度均值在0. 7～1 mm。從圖7中可以看出，A1B1C1、A2B2C2、A3B3C3組中，大部分特征點(diǎn)的壁厚值均在均值以上波動，其余方案則在均值以下波動。A3B1C2組的壁厚值在均值附近波動的頻率是最均勻的。
由圖8可知，除位置1的厚度較大外，其他位置均在0. 5～1mm 范圍內(nèi)，工藝參數(shù)對位置 6、10處厚度變化的影響較小，且不同組合的變化趨勢較為相似，而且，其變形量的變化趨勢也基本一致。
圖 8 12 個位置不同參數(shù)組合下的厚度分布情況
2.3. 2 方差分析
9組正交試驗(yàn)的結(jié)果如表3所示，分析了12個特征點(diǎn)的壁厚方差值以及壁厚的均勻性情況。通過極差分析，影響權(quán)重為因素B＜A＜C。
圖9為采用二次方程擬合的曲線，擬合度為0.99，預(yù)測值與實(shí)際值較為一致。最終得到試驗(yàn)最優(yōu)工藝參數(shù)，吹脹壓力為0. 456 MPa，吹脹時間為1.210 s，模具運(yùn)動速度為0.878 m/s。
圖 9 預(yù)測值與實(shí)際值的對比
3 非等厚度型坯優(yōu)化
型坯成型過程中，只有拉伸沒有壓縮變形，因此，變形量δ=H型坯/H制件，H型坯為某位置初始型坯厚度，H制件為同一位置制件的厚度［19］。如瓶口部分初始型坯厚度為1mm，得到的制件為1mm，通過公式得到變形量δ=1。同理，得到13段厚度的
變形量。假設(shè)每段理想制件厚度為1.8 mm，則H理想型坯=H理想制件×δ，最終確定13段非等厚度理想型坯的厚度值［20］，如圖 10 所示。
圖 10 13 段非等厚度型坯及各段厚度值
4 生產(chǎn)驗(yàn)證
通過正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出了最優(yōu)工藝參數(shù)，經(jīng)過13段非等厚度理想型坯吹脹成型，壁厚方差為1. 94×10－4m2，小于正交試驗(yàn)的最小方差3.52762×10－4m2，壁厚均勻性顯著提高，壁厚平均值為0.773 mm，最低厚度為0.556 mm，厚度合格。最終優(yōu)化模型與產(chǎn)品如圖 12 所示。
圖 11 制件的 12 個點(diǎn)壁厚值
圖 12 模型與制品圖
5 結(jié)論
(1)正交實(shí)驗(yàn)為優(yōu)化制件壁厚實(shí)驗(yàn)提供了合理的工藝參數(shù)［21］。通過三因素三水平正交試驗(yàn)，借助Polyflow軟件模擬9組方案的擠出吹塑過程，取12組特征位置的制品壁厚值，經(jīng)過方差分析，得到1 L墨水瓶的吹塑工藝最優(yōu)參數(shù)，吹脹壓力為0.456MPa、吹脹時間為1.210 s、模具運(yùn)動速度為0.878 m/s。
(2)通過正交試驗(yàn)法得到最優(yōu)工藝參數(shù)，用于指導(dǎo)非等厚度型坯的模擬與生產(chǎn)，進(jìn)一步提高了產(chǎn)品壁厚均勻性。
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