胡玉玲，刘淑梅，廖秋慧，高 冲
( 上海工程技术大学，上海 201620)
摘要:通过三因素三水平正交试验的设计以及型坯12段非等厚度优化的方法，得到最优工艺参数组合，最终实现吹塑件壁厚合格且均匀性明显提高。采用Workbench-Polyflow分析软件进行型吹胀过程的数值模拟［1］。完成9组方案的模拟后，选取12个特征点的厚度值作参考代替整体厚度均匀性，经方差分析得出:工艺参数最优解为吹胀压力A(0.456MPa)、吹胀时间B(1.210s)、模具运动速度C(0.878m/s)。影响权重大小为B＜A＜C。为了得到符合实际生产标准的制件，在最优工艺参数的基础上，进行型坯的非等厚度优化，结果方差降低45%，壁厚均匀性显著提高，壁厚平均值为0.773mm，最低厚度0.556mm，经生产验证，产品厚度合格。
关键词:挤出吹塑;正交试验;数值模拟;非等厚度型坯;工艺优化
0 引言
挤出吹塑过程是1个大变形、大应变的过程，包括型坯成型、型坯吹胀和制品冷3个阶段［2］。当型坯与模具型腔接触时，变化机理极其复杂，导致壁厚不均匀的直接原因是型坯吹胀过程中各部位的形变不一致［3］。1 L墨水瓶是常见的日用品，采用挤出吹塑成型，要求壁厚0.5～1mm。但生产中普遍存在厚度不均的问题，厚度不均将会造成材料的收缩不一致，厚壁位置会在表面出现缩水，凹坑等问题，影响外观，而且厚壁与薄壁转接处会产生内应力，影响产品的强度［4］。文章从成型工艺条件的角度出发，探讨了其对制品厚度的影响，改善了壁厚不均的情况。
1 三维模型与网格划分的建立
假设熔体是不可压缩、等温流动且连续的，其流动遵循质量守恒定律、动量定律、能量守恒定律［5］。常用的1 L墨水瓶几何模型如图1所示，高235 mm，瓶口直径23 mm，最大宽度和长度80mm，假设型坯直径45 mm，吹胀比为1.78，模具到型坯中心距离为50 mm。假设其为等温模具，并对型坯和模具进行网格划分［6］，如图2所示。
2 正交试验设计及结果
2.1 正交试验设计
吹胀压力可以使型坯变形紧贴模具型腔壁，并对产品进行保压、冷却［7］。合理的压力范围将得到合格的产品。研究压力大小，吹压时间和模具运动速度三素对成型制件壁厚的影响。正交试验方案设计如下:(1)由于实验条件不易精确控制，并能大致获取工艺参数的适当取值范围2个原因［8］，将吹塑压力大小、吹胀时间和模具运动速度三因素分别设计3个水平。各因素水平如表1所示。(2)试验涉及三因素三水平，不考虑交互作用，采用L9 (33)正交表，正交试验方案如表2所示。
图 1 三维模型图 图2 型坯与模具网格
表 1 正交试验设计
2.2 有限元数值模拟及结果
2. 2. 1 边界条件设定
在workbench模块中，建立2D-shell Geometry 瞬态分析任务，设置流动边界条件［9］。分析任务包含定义模具和子任务型坯。其中，定义模具包含定义模具区域、接触条件及模具运动参数，而子任务包含定义型坯区域、流动条件、材料属性、初始厚度、吹胀压力等。9组正交试验方案中，型坯初始厚度设为0.0018 m，重力为－9.81m/s，产品材料HDPE，密度为900g /cm3，黏度为10 000Pa·s，考虑惯性因素。
模具的运动速度是1个随时间变化的函数，因此，采用渐进函数f(t)—斜坡函数实现模具运动［10］，斜坡函数曲线如图3所示。以方案A1B1C1为例，斜坡函数的参数如图3、4 所示。
图 3 模具运动斜坡函数
图 4 压力斜坡函数
吹胀压力P(t)同样采用渐进函数—斜坡函数实现［11］。其中，斜坡函数参数如图 4 所示。
2.2. 2 数值模拟结果
吹塑过程包括模具合模挤压型坯和吹塑膨胀2个阶段［12］。图5为A1B1C1挤出吹塑过 程，由图可知，型坯厚度的变化规律。
此方案吹塑总时间为2s。由图5可知，吹胀前段时间，型坯形状变化较明显，1.33s后，厚度变化较小。等厚度型坯接触模具的同时，温度降低，黏度变大，变形程度较小，厚度变化程度较小［13］。所以先接触模具的型坯厚度较大［14］。相反，后接触模具的拐角位置继续变形，厚度不断减小，因而形成厚度不均匀的情况［15］。
2.3 结果与讨论
2.3. 1 厚度分析
最优的制品壁厚分布是评价制品质量最重要的指标之一［16］。12点大致位于瓶身的两条对称线上，并根据多次模拟结果得出规律12处是局部厚度的转折点，即较厚或较薄的位置。采用局部特征代表整体均匀性的方法，具有代表性［17］。表6、图6均为12个特征点的空间位置。
图 5 A1B1C1 方案吹塑过程
(a)0. 01 s (b)0. 25 s (c)0. 31 s (d)1. 33 s
图 6 12 个特征点的空间位置
表 2 12 个特征点的空间位置
图7为9组工艺参数12个位置的壁厚变化曲线，虚线代表各壁厚均值。从图中可以看到成型制件每点壁厚与均值的偏离程度，偏离程度越小，制件壁厚之间的差异越小;偏离程度越大，制件壁厚之间的差异越大［18］。
图 7 9 种方案的 12 个位置的厚度分布情况
12个点的厚度根据均值分为3个水平，点1、2处厚度均大于1 mm;点5、11、12处厚度较薄，点11处只有0.534mm;其余特征点厚度均值在0. 7～1 mm。从图7中可以看出，A1B1C1、A2B2C2、A3B3C3组中，大部分特征点的壁厚值均在均值以上波动，其余方案则在均值以下波动。A3B1C2组的壁厚值在均值附近波动的频率是最均匀的。
由图8可知，除位置1的厚度较大外，其他位置均在0. 5～1mm 范围内，工艺参数对位置 6、10处厚度变化的影响较小，且不同组合的变化趋势较为相似，而且，其变形量的变化趋势也基本一致。
图 8 12 个位置不同参数组合下的厚度分布情况
2.3. 2 方差分析
9组正交试验的结果如表3所示，分析了12个特征点的壁厚方差值以及壁厚的均匀性情况。通过极差分析，影响权重为因素B＜A＜C。
图9为采用二次方程拟合的曲线，拟合度为0.99，预测值与实际值较为一致。最终得到试验最优工艺参数，吹胀压力为0. 456 MPa，吹胀时间为1.210 s，模具运动速度为0.878 m/s。
图 9 预测值与实际值的对比
3 非等厚度型坯优化
型坯成型过程中，只有拉伸没有压缩变形，因此，变形量δ=H型坯/H制件，H型坯为某位置初始型坯厚度，H制件为同一位置制件的厚度［19］。如瓶口部分初始型坯厚度为1mm，得到的制件为1mm，通过公式得到变形量δ=1。同理，得到13段厚度的
变形量。假设每段理想制件厚度为1.8 mm，则H理想型坯=H理想制件×δ，最终确定13段非等厚度理想型坯的厚度值［20］，如图 10 所示。
图 10 13 段非等厚度型坯及各段厚度值
4 生产验证
通过正交实验结果得出了最优工艺参数，经过13段非等厚度理想型坯吹胀成型，壁厚方差为1. 94×10－4m2，小于正交试验的最小方差3.52762×10－4m2，壁厚均匀性显著提高，壁厚平均值为0.773 mm，最低厚度为0.556 mm，厚度合格。最终优化模型与产品如图 12 所示。
图 11 制件的 12 个点壁厚值
图 12 模型与制品图
5 结论
(1)正交实验为优化制件壁厚实验提供了合理的工艺参数［21］。通过三因素三水平正交试验，借助Polyflow软件模拟9组方案的挤出吹塑过程，取12组特征位置的制品壁厚值，经过方差分析，得到1 L墨水瓶的吹塑工艺最优参数，吹胀压力为0.456MPa、吹胀时间为1.210 s、模具运动速度为0.878 m/s。
(2)通过正交试验法得到最优工艺参数，用于指导非等厚度型坯的模拟与生产，进一步提高了产品壁厚均匀性。
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