基于Polyflow仿真的油桶吹塑成型壁厚優化

張保山,劉淑梅,曹 溪

(上海工程技術大學 材料科學與工程學院,上海 201620)

0 引 言

塑料油桶是一種用于儲存和運輸油料的容器,通常由聚乙烯或其他塑料材料制成。塑料油桶具有輕便、耐腐蝕、不易磨損和易于清潔等優點,被廣泛應用于許多不同的領域,例如工業、化學、食品、醫藥和農業。它們被用于存儲和運輸各種液體和半固體物質,例如化學品、石油產品、涂料、食品和藥品等。目前市面上的塑料油桶主要采用高密度的聚乙烯(HDPE),通過吹塑成型制成,HDPE是一種熱塑性塑料,具有強耐腐蝕性、高韌性和強度、優異的耐熱性,良好的加工性等特點[1-4]。但是,在吹塑成型的過程中,受到模具運動速度、吹脹壓力、吹脹時間等因素的影響,油桶存在壁厚均勻度較差的情況。

本文作者選用Ployflow軟件模塊對塑料油桶的吹塑成型過程進行分析模擬,選用HDPE材料。對吹脹時間、模具運動速度、吹脹壓力這3個因素的3個不同水平設計正交實驗,通過模擬結果給塑料油桶生產過程中的參數控制提供參考,獲得最優的成型工藝參數,以及性能更加優良的塑料油桶。

1 建立三維模型與網格劃分

首先,根據市面上某種塑料油桶外觀及尺寸,使用Solidworks軟件對塑料油桶進行建模,簡化模型部分結構。塑料油桶的三維模型圖如圖1所示。

圖1 塑料油桶三維模型圖Fig.1 Three-dimensional model diagram of plastic oil drum

塑料油桶最大高度為440mm,最大寬度為325mm。通過Solidworks軟件建模并導出到ANSYS軟件的Polyflow模塊。初始坯料厚度為6mm,網格劃分為四邊形。對于結構復雜且易于出現褶皺的地方進行網格細化,在油桶口部位置處加密網格。網格劃分結果如圖2所示。

圖2 塑料油桶網格劃分Fig.2 Plastic oil drum meshing

2 正交實驗設計

在吹塑成型的過程中,對工藝參數的控制十分重要,油桶在吹脹成型過程中主要受到吹脹時間、吹脹壓力和模具運動速度的影響。吹脹時間過短會導致產品表面不光滑,出現痕跡、起泡等缺陷,同時產品厚度分布不均勻,厚薄差異明顯,影響產品的外觀和使用壽命[5]。其次,吹脹時間過長會導致產品變薄、變形,甚至出現開裂的情況。這是因為吹脹時間過長會使材料受到過度拉伸,導致分子鏈斷裂,使產品強度下降,易發生變形和開裂。吹脹壓力過大會導致塑料在吹塑模具內壁的壓力過高,從而使部分區域的塑料吹脹過度,造成成品的厚度不均勻。過小的吹脹壓力會導致成品的厚度不足,出現薄弱部位,塑件的充形達不到理想的效果,從而影響成品的質量[6-7]。模具運動速度則影響產品的壁厚均勻性和表面質量[1]。模擬設置胚料的初始溫度為180℃,初始壁厚為6mm。對吹脹時間、吹脹壓力和模具運動速度選取3個水平進行分析。各因素水平如表1所示。

表1 因素水平表Tab.1 Table of factor levels

根據因素水平表,設計正交實驗表如表2所示。

表2 正交實驗表Tab.2 Table of orthogonal experiments

3 數值模擬

采用Polyflow軟件對擠出吹塑過程進行數值模擬,由于擠出吹塑過程為型坯黏彈性非等溫膨脹,為準確描述型坯的彈性恢復過程,采用KZBZ積分黏彈性模型,以較好地反映聚合物熔體的記憶現象[8]。此時型坯黏彈性分量

接觸力張量為N=h·T。

基于KZBZ本構方程,求解KZBZ模型。模型坯壁厚度采用常數插值計算求解,對吹脹壓力和模具運動方向采取線性插值求解,并利用隱式歐拉法迭代求解離散模型的控制方程。仿真成果如圖3所示。

圖3 吹塑模擬壁厚結果Fig.3 Blow molding simulation wall thickness results

由模擬結果可知,靠近桶體邊緣處的壁厚較薄,而靠近中部的壁厚較厚。壁厚均勻度是評價吹塑制品質量最重要的指標之一,良好的壁厚均勻度可以達到節省原材料同時減小桶體內部內應力的目的。用制件壁厚均勻作為考核指標,在油桶上選取10個點作為分析的對象,所選的10個位置如圖4所示。

圖4 取點空間位置Fig.4 Spatial location of the point

4 結果與討論

表3為9組正交實驗的數據結果,壁厚均勻度表征吹塑成型桶體壁厚狀況。

表3 正交實驗數據Tab.3 Orthogonal experimental data

極差分析表如表4所示。

表4 極差分析表

表4中K代表對應因素在這一水平時實驗數據之和,Kavg則是其平均值,R是指因素的極差。當不同水平的K值越小,代表這個因素在這個水平所得制件壁厚均勻性越好。吹脹時間對應的K值分別為3.7584,3.3456,3.2970,第三水平值最小,所以取第三水平最佳。吹脹壓力對應的K值分別為3.0528,3.7446,3.6036,第一水平值最小,所以取第一水平最佳。模具運動速度對應的K值分別為3.6342,3.3450,3.4212,第二水平值最小,所以取第二水平最佳。

從極差分析的結果可見,各個影響因素的權重分別是吹脹壓力>吹脹時間>模具運動速度。并且最佳方案為吹脹時間6s,吹脹壓力0.2MPa,模具運動速度0.6m/s。

5 生產驗證

通過正交實驗方法獲得塑料油桶的最佳吹塑工藝參數,調節工藝參數優化產品質量。實際產品如圖5所示。

圖5 塑料油桶制品Fig.5 Plastic oil drum products

測量生產塑料油桶所選10點壁厚,如表5所示。

表5 塑料油桶壁厚分布Tab.5 Wall thickness distribution of plastic oil drums

由表5可知,制品的壁厚均勻度為0.942816,顯著提高,制品平均壁厚為2.62mm,最小壁厚為1.36mm,滿足塑料油桶生產制造要求。

6 結 語

本文基于ANSYS軟件當中的Polyflow模塊,設計了正交實驗對塑料油桶的吹塑成型進行數值模擬分析。通過對模擬結果進行極差分析,得出吹脹時間、吹脹壓力、模具運動速度對吹塑成型的影響大小,為塑料油桶吹塑成型過程中的參數控制提供了一定的參考。分析表明,在吹脹時間為6s,吹脹壓力為0.2MPa,模具運動速度為0.6m/s時,塑料油桶壁厚均勻度最佳。本研究可以為中空制件在吹塑成型過程中的工藝參數控制提供一定參考。