胡玉玲厌蔽，劉淑梅牵辣，廖秋慧，高 沖
( 上海工程技術(shù)大學(xué)奴饮，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)化的方法纬向，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戴卜。采用Workbench-Polyflow分析軟件進(jìn)行型吹脹過程的數(shù)值模擬［1］逾条。完成9組方案的模擬后，選取12個(gè)特征點(diǎn)的厚度值作參考代替整體厚度均勻性投剥，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)师脂、吹脹時(shí)間B(1.210s)、模具運(yùn)動(dòng)速度C(0.878m/s)。影響權(quán)重大小為B＜A＜C危彩。為了得到符合實(shí)際生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的制件攒磨，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)化汤徽，結(jié)果方差降低45%娩缰，壁厚均勻性顯著提高，壁厚平均值為0.773mm谒府，最低厚度0.556mm拼坎，經(jīng)生產(chǎn)驗(yàn)證，產(chǎn)品厚度合格完疫。
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(gè)大變形泰鸡、大應(yīng)變的過程，包括型坯成型壳鹤、型坯吹脹和制品冷3個(gè)階段［2］盛龄。當(dāng)型坯與模具型腔接觸時(shí)，變化機(jī)理極其復(fù)雜芳誓，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］余舶。1 L墨水瓶是常見的日用品，采用擠出吹塑成型锹淌，要求壁厚0.5～1mm匿值。但生產(chǎn)中普遍存在厚度不均的問題，厚度不均將會(huì)造成材料的收縮不一致赂摆，厚壁位置會(huì)在表面出現(xiàn)縮水挟憔，凹坑等問題，影響外觀烟号，而且厚壁與薄壁轉(zhuǎn)接處會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力绊谭，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)汪拥，探討了其對(duì)制品厚度的影響龙誊，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)熔體是不可壓縮喷楣、等溫流動(dòng)且連續(xù)的趟大，其流動(dòng)遵循質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量定律铣焊、能量守恒定律［5］逊朽。常用的1 L墨水瓶幾何模型如圖1所示，高235 mm曲伊，瓶口直徑23 mm叽讳，最大寬度和長度80mm追他，假設(shè)型坯直徑45 mm，吹脹比為1.78岛蚤，模具到型坯中心距離為50 mm邑狸。假設(shè)其為等溫模具，并對(duì)型坯和模具進(jìn)行網(wǎng)格劃分［6］涤妒，如圖2所示单雾。
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(duì)產(chǎn)品進(jìn)行保壓她紫、冷卻［7］硅堆。合理的壓力范圍將得到合格的產(chǎn)品。研究壓力大小贿讹，吹壓時(shí)間和模具運(yùn)動(dòng)速度三素對(duì)成型制件壁厚的影響渐逃。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(gè)原因［8］民褂，將吹塑壓力大小茄菊、吹脹時(shí)間和模具運(yùn)動(dòng)速度三因素分別設(shè)計(jì)3個(gè)水平。各因素水平如表1所示赊堪。(2)試驗(yàn)涉及三因素三水平面殖，不考慮交互作用，采用L9 (33)正交表雹食，正交試驗(yàn)方案如表2所示畜普。
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模塊中期丰，建立2D-shell Geometry 瞬態(tài)分析任務(wù)群叶，設(shè)置流動(dòng)邊界條件［9］。分析任務(wù)包含定義模具和子任務(wù)型坯钝荡。其中街立，定義模具包含定義模具區(qū)域、接觸條件及模具運(yùn)動(dòng)參數(shù)埠通，而子任務(wù)包含定義型坯區(qū)域赎离、流動(dòng)條件、材料屬性端辱、初始厚度梁剔、吹脹壓力等。9組正交試驗(yàn)方案中舞蔽，型坯初始厚度設(shè)為0.0018 m荣病，重力為－9.81m/s，產(chǎn)品材料HDPE渗柿，密度為900g /cm3个盆，黏度為10 000Pa·s，考慮慣性因素。
模具的運(yùn)動(dòng)速度是1個(gè)隨時(shí)間變化的函數(shù)颊亮，因此柴梆，采用漸進(jìn)函數(shù)f(t)—斜坡函數(shù)實(shí)現(xiàn)模具運(yùn)動(dòng)［10］，斜坡函數(shù)曲線如圖3所示终惑。以方案A1B1C1為例绍在，斜坡函數(shù)的參數(shù)如圖3、4 所示狠鸳。
圖 3 模具運(yùn)動(dòng)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］揣苏。其中，斜坡函數(shù)參數(shù)如圖 4 所示件舵。
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(gè)階段［12］卸察。圖5為A1B1C1擠出吹塑過 程，由圖可知铅祸，型坯厚度的變化規(guī)律坑质。
此方案吹塑總時(shí)間為2s。由圖5可知临梗，吹脹前段時(shí)間涡扼，型坯形狀變化較明顯，1.33s后盟庞，厚度變化較小吃沪。等厚度型坯接觸模具的同時(shí)，溫度降低什猖，黏度變大票彪，變形程度較小，厚度變化程度較胁皇ā［13］降铸。所以先接觸模具的型坯厚度較大［14］。相反摇零，后接觸模具的拐角位置繼續(xù)變形推掸，厚度不斷減小，因而形成厚度不均勻的情況［15］驻仅。
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(píng)價(jià)制品質(zhì)量最重要的指標(biāo)之一［16］谅畅。12點(diǎn)大致位于瓶身的兩條對(duì)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)噪服，即較厚或較薄的位置毡泻。采用局部特征代表整體均勻性的方法，具有代表性［17］芯咧。表6牙捉、圖6均為12個(gè)特征點(diǎn)的空間位置竹揍。
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(gè)特征點(diǎn)的空間位置
表 2 12 個(gè)特征點(diǎn)的空間位置
圖7為9組工藝參數(shù)12個(gè)位置的壁厚變化曲線，虛線代表各壁厚均值邪铲。從圖中可以看到成型制件每點(diǎn)壁厚與均值的偏離程度芬位，偏離程度越小，制件壁厚之間的差異越小;偏離程度越大带到，制件壁厚之間的差異越大［18］昧碉。
圖 7 9 種方案的 12 個(gè)位置的厚度分布情況
12個(gè)點(diǎn)的厚度根據(jù)均值分為3個(gè)水平，點(diǎn)1揽惹、2處厚度均大于1 mm;點(diǎn)5被饿、11、12處厚度較薄搪搏，點(diǎn)11處只有0.534mm;其余特征點(diǎn)厚度均值在0. 7～1 mm狭握。從圖7中可以看出，A1B1C1疯溺、A2B2C2论颅、A3B3C3組中，大部分特征點(diǎn)的壁厚值均在均值以上波動(dòng)囱嫩，其余方案則在均值以下波動(dòng)恃疯。A3B1C2組的壁厚值在均值附近波動(dòng)的頻率是最均勻的。
由圖8可知墨闲，除位置1的厚度較大外今妄，其他位置均在0. 5～1mm 范圍內(nèi)，工藝參數(shù)對(duì)位置 6鸳碧、10處厚度變化的影響較小盾鳞，且不同組合的變化趨勢(shì)較為相似，而且杆兵，其變形量的變化趨勢(shì)也基本一致雁仲。
圖 8 12 個(gè)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所示仔夺，分析了12個(gè)特征點(diǎn)的壁厚方差值以及壁厚的均勻性情況琐脏。通過極差分析，影響權(quán)重為因素B＜A＜C缸兔。
圖9為采用二次方程擬合的曲線日裙，擬合度為0.99，預(yù)測值與實(shí)際值較為一致惰蜜。最終得到試驗(yàn)最優(yōu)工藝參數(shù)昂拂，吹脹壓力為0. 456 MPa，吹脹時(shí)間為1.210 s抛猖，模具運(yùn)動(dòng)速度為0.878 m/s格侯。
圖 9 預(yù)測值與實(shí)際值的對(duì)比
3 非等厚度型坯優(yōu)化
型坯成型過程中鼻听，只有拉伸沒有壓縮變形，因此联四，變形量δ=H型坯/H制件撑碴，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］朝墩。如瓶口部分初始型坯厚度為1mm醉拓，得到的制件為1mm，通過公式得到變形量δ=1收苏。同理亿卤，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鹿霸，則H理想型坯=H理想制件×δ排吴，最終確定13段非等厚度理想型坯的厚度值［20］，如圖 10 所示懦鼠。
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)傍念，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葛闷，小于正交試驗(yàn)的最小方差3.52762×10－4m2憋槐，壁厚均勻性顯著提高，壁厚平均值為0.773 mm淑趾，最低厚度為0.556 mm阳仔，厚度合格。最終優(yōu)化模型與產(chǎn)品如圖 12 所示扣泊。
圖 11 制件的 12 個(gè)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］近范。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延蟹，取12組特征位置的制品壁厚值评矩，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)阱飘，吹脹壓力為0.456MPa斥杜、吹脹時(shí)間為1.210 s、模具運(yùn)動(dòng)速度為0.878 m/s沥匈。
(2)通過正交試驗(yàn)法得到最優(yōu)工藝參數(shù)蔗喂，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)品壁厚均勻性高帖。
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