何建領 林一波 肖志林

（蘇州同大機械有限公司）

0 緒論

經(jīng)過近二十多年的高速發(fā)展，我國塑料加工技術(shù)已漸趨成熟。在塑料制品中，中空塑料制品占有較大的比例，隨著用戶對中空制品要求的不斷提高，中空塑料制品成型設備得到了快速的發(fā)展，塑料制品的質(zhì)量和檔次進一步得到了提高。擠出中空吹塑成型技術(shù)已得到高速的發(fā)展，生產(chǎn)出的制品已應用到各行各業(yè)。當然，擠出中空成型可加工的塑料種類也很多，制品更是多種多樣。吹塑制品具有整體性好、綜合性能好、成本較低、附加值較高等優(yōu)點，?？商娲⑺艹尚椭破?、熱成型制品、結(jié)構(gòu)發(fā)泡制品和金屬制品等。基于吹塑成型和吹塑制品的上述優(yōu)點，吹塑成型加工在今后仍具有較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

中空機從開始到現(xiàn)在，其基本構(gòu)成并無多大變化，一般包括：擠出機、機頭、合模裝置、吹脹裝置、制品取出裝置、液壓站、電控系統(tǒng)。一般的外輔設備還包括：混送料系統(tǒng)、余料粉碎回收系統(tǒng)等。擠出機是原料的塑化系統(tǒng)，機頭部件是中空成型機最核心的部件，擠出機擠出的熔融塑料經(jīng)過機頭的流道擠出型坯，然后型坯進入合模裝置，吹塑成型機將模具固定在合模機構(gòu)的前后模板上，通過合模機構(gòu)的開合來實現(xiàn)模具的張開和鎖緊，使機頭擠出來的型坯在模具中快速成型為吹塑制品，然后由制品取出裝置取出制品。隨著塑料制品的要求逐步提高，多層塑料制品越來越多，比如多層油箱。多層塑料制品就需要多層機頭進行吹塑成型，多層機頭的設計與單層機頭相比，設計和加工裝配的技術(shù)難度更高。

1 機頭的結(jié)構(gòu)設計

根據(jù)設計要求和已有的技術(shù)積累與設計經(jīng)驗，確定三層型坯機頭整體結(jié)構(gòu)為嵌套式結(jié)構(gòu)，即三層流道由內(nèi)到外依次嵌套組合，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。中間為儲料芯，中間環(huán)內(nèi)孔與儲料芯配合，外環(huán)內(nèi)控與中間環(huán)配合，形成三層流道結(jié)構(gòu)。

圖1 機頭流道整體結(jié)構(gòu)圖

三層型坯機頭整體結(jié)構(gòu)方案確定后還要分別對機頭中各部件的機械結(jié)構(gòu)進行研究，吹塑機頭從上到下的結(jié)構(gòu)部件依次為軸向型坯壁厚控制液壓裝置、壓料液壓裝置和壓料桿件構(gòu)成的壓料機構(gòu)、流道結(jié)構(gòu)和進料口，最底下是芯模和口模構(gòu)成的型坯出口，中間調(diào)整拉桿的上下端又分別與型坯壁厚控制液壓活塞和芯模固定連接。

壓料機構(gòu)的作用是將儲料機頭內(nèi)腔匯集熔融狀態(tài)的料向機頭型坯出口處輸送，在此過程中，壓料環(huán)的穩(wěn)定運行極為重要，因為要保證各層料坯匯集后從型坯出口擠出的速度穩(wěn)定，這也將直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量。

吹塑機頭中一般也只涉及了壓料機構(gòu)的執(zhí)行部分，包括壓料油缸、壓料頂桿和壓料環(huán)，工作時吹塑機頭儲料腔內(nèi)的熔融原料壓力會先將壓料環(huán)向上頂以增大內(nèi)腔容料體積，此過程中壓料液壓油缸不對壓料頂桿作用；開始擠出型坯時，壓料油缸活塞與壓料頂桿上段接觸，活塞以穩(wěn)定的速度向下運動，通過頂桿連接的壓料環(huán)也向下擠壓機頭型腔內(nèi)的熔融料坯，使其以一定速度由機頭型坯出口擠出成型。整個過程中要求壓料平穩(wěn)，液壓缸的設計尤為重要，要保證壓力足夠，結(jié)構(gòu)設計也要合理；壓料頂桿分為上下兩段不至于頂桿過長而影響精度。型坯壁厚控制液壓裝置和壓料機構(gòu)液壓裝置結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 液壓缸結(jié)構(gòu)圖

流道結(jié)構(gòu)設計是吹塑機頭設計中最重要的一點，設計內(nèi)容包括流道的形狀、流道位置的分布、流道零件材料的選擇；多層型坯機頭還要考慮多層流道復合以及入料口的安排。流道形式主要有單層心形包絡流道、雙層心形包絡流道、單層螺旋流道和雙層螺旋流道，早期機頭流道形式多是單層心形包絡流道，這種形式的流道在儲料機頭擠出的型坯周圍存在明顯的熔合縫區(qū)，使得到的型坯質(zhì)量較差。雙層心形包絡流道則可以更好地解決這個問題，目前，大型中空吹塑成型機中大多采用雙層心形包絡式流道。

設計前要考慮熔融塑料原料在流道內(nèi)的各項流動要素，要減短原料在機頭流道內(nèi)的停留時間，保證原料不會在流道內(nèi)發(fā)生滯留現(xiàn)象；要使流道內(nèi)熔融狀態(tài)下的塑料流動速度穩(wěn)定，壓力降低，波動小。流道零件的材料選擇上，要求耐壓、耐熱、耐磨損，要有足夠的表面硬度和良好的導熱性，這類零件常用的材料有40 Cr、38 CrMoAlA、35 CrMo，本文中的儲料芯選用材料40Cr，儲料內(nèi)環(huán)選用38 CrMoAlA，儲料外環(huán)要求較低，45鋼經(jīng)過表面特殊處理即能滿足設計要求。經(jīng)過仿真模擬結(jié)果和相關設計資料提供的經(jīng)驗，確定內(nèi)層流道形狀如圖3。

圖3 內(nèi)層流道結(jié)構(gòu)圖

內(nèi)層流道包絡于儲料芯上，中間層和外層位于嵌套在儲料芯外側(cè)的兩個儲料環(huán)上，心形流道下接覆蓋表面的螺旋流道，能使熔融原料在流道內(nèi)流動擠出時達到更加穩(wěn)定的狀態(tài)。進料結(jié)構(gòu)是連接擠出機與各層流道的過渡結(jié)構(gòu)，設計時主要考慮進料口的布置，過渡要平穩(wěn)光滑；中間層和內(nèi)層由于與外接口處之間存在間隙，為防止漏料，過渡管出口與流道間增加一根光滑銅管作為導管。三個進料口結(jié)構(gòu)和布置如圖4所示。

圖4 機頭進料口布置圖

型坯出口主要由機頭芯模和口模構(gòu)成，結(jié)構(gòu)也可分為正錐形和倒錐形兩種，如圖5所示。

圖5 型坯出口兩種類型示意圖

型坯壁厚控制系統(tǒng)工作時，口模固定不動，液壓缸活塞通過調(diào)整拉桿帶動芯模上下移動來調(diào)整芯模與口模之間的間隙以形成不同的型坯厚度；要得到相同的型坯厚度，這兩種結(jié)構(gòu)的運動方式卻是相反的，正錐形芯模向上運動時，出口間隙減小，而倒錐形卻增大。大型中空吹塑機頭大多采用正錐形型坯出口結(jié)構(gòu)。

型坯出口與流道之間還有一段儲料腔的區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)，要保證零件與零件配合之間無縫隙無死角，過渡要平滑自然，不會使熔融原料在此區(qū)域滯留。

此機頭的三維模型如圖6所示。

圖6 機頭三維總裝圖

2 關鍵部件的有限元強度分析

本文利用ANSYS Workbench分析軟件對吹塑機頭中的型坯壁厚液壓缸缸筒進行了有限元強度分析。

2.1 前期處理

經(jīng)過初步設計并校核計算后確定的型坯壁厚控制液壓缸筒三維模型如圖7所示。

圖7 型坯壁厚控制液壓缸筒三維模型

在Workbench中進行項目分析首先要確定分析類型，打開Workbench15.0，在工具欄（Toolbox）中的分析類型（Analysis Systems）中選擇靜力結(jié)構(gòu)分析（Static Structural）。

第二步是實體模型（Geometry）的建立，利用導入方式直接導入由Solidworks已建好的型坯壁厚液壓缸筒零件體，可以在Workbench自帶的模型創(chuàng)建插件中繼續(xù)修改，此例無需修改。

導入幾何體后還要定義其材料屬性，在材料庫（Engineering Data）中選擇，型坯壁厚液壓缸筒材料為45鋼，在材料庫中選擇結(jié)構(gòu)鋼（Structural Steel），主要確定其彈性模量和泊松比等屬性。

第三步網(wǎng)格劃分，本文中型坯壁厚液壓缸筒和壓料缸筒都屬于比較簡單的結(jié)構(gòu)體，網(wǎng)格劃分方法可選擇自動劃分法（Automatic Method），再詳細設置其相關參數(shù)，在尺寸控制（Sizing）中將關聯(lián)中心（Relevance Center）的選項設置為Fine，這是將網(wǎng)格劃分細化，分析結(jié)果也將更接近實際情況。

劃分得到的網(wǎng)格節(jié)點為78958個，單元為45039個，如圖8所示。

圖8 型坯壁厚液壓缸筒網(wǎng)格劃分效果圖

第四步施加約束和載荷，首先確定實際裝配體中缸筒的約束和載荷情況，缸筒端面圓周均勻分布22個17.5 mm的光滑通孔，上下端面與伺服缸蓋和壓料缸蓋端面接觸，通過22個M16x210 mm的長螺釘緊固連接；這樣的約束缸筒上下端面被壓緊，螺釘并不與缸筒直接接觸，選擇僅有壓縮的約束（Compression only Support），作用面選擇缸筒的上下端面。液壓缸的載荷，工作時缸筒內(nèi)充滿液壓液，設計最大工作液壓為12 MPa，ANSYS分析時按1.25倍放大校核，即施加壓力載荷（Pressure）15 MPa。作用面選擇缸筒內(nèi)壁，施加效果如圖9所示。

圖9 伺服缸筒的約束和載荷施加效果圖

2.2 求解與結(jié)果分析

添加要求解的項目，本文要得到缸筒的應力（Stress）、應變（Strain）和總變形（Total Deformation）圖，分別添加至項目樹中，然后點擊全部求解，等待軟件計算完成。求解完成后，點擊各求解項目可以查看相應的云圖。

（1）型坯壁厚液壓缸筒應力云圖

ANSYS分析結(jié)果如圖10所示。

圖10 缸筒應力云圖

由圖中可得出，型坯壁厚液壓缸筒在最大工作載荷（放大1.25倍）時，其最大工作應力為247.99 MPa，出現(xiàn)點為螺釘通孔端面邊緣，缸筒經(jīng)過熱處理后的許用應力可達到270 MPa，滿足強度要求。

（2）型坯壁厚液壓缸筒應變云圖

應變云圖如圖11所示。

圖11 缸筒應變云圖

最大應變?yōu)?.2×10-3mm，出現(xiàn)在螺釘通孔端面邊緣。

（3）型坯壁厚液壓缸筒總變形云圖

總變形圖如圖12所示。

由圖可以清楚的看出，缸筒內(nèi)側(cè)與螺釘通孔之間產(chǎn)生了最大形變，這是因為內(nèi)部壓力一定時，厚度薄的地方承受能力更弱，最大變形為0.082 mm，滿足設計要求。

圖12 缸筒總變形云圖

分析結(jié)果表明型坯壁厚液壓缸筒滿足設計要求，又不超出最大工作極限太多，所以無需繼續(xù)優(yōu)化。

3 三層型坯機頭流道的建模與仿真分析

3.1 機頭外環(huán)流道的模型的建立

3.1.1 心形流道的幾何模型

圖13為機頭外層流道的實體圖，圖14為機頭外層流道展開圖，從圖中看出機頭中流道的分布情況，該流道分為兩個部分，上部為心形流道，下部為螺旋流道。心形流道采用FLOW2000軟件仿真時，利用軟件的Flat Die模塊，即扁平機頭仿真模塊進行分析研究其溫度、壓力和流動的情況。

圖13 機頭外層流道的實體圖

圖14 機頭外層流道展開圖

圖15為FLOW2000中輸入心形流道的幾何尺寸后生成的流道幾何模型。

圖15 心形流道幾何模型

3.1.2 螺旋流道的幾何模型

圖16為FLOW2000中輸入螺旋流道的幾何尺寸后生成的流道幾何模型。

圖16 螺旋流道幾何模型

上圖為展開的螺旋流道幾何圖形，與圖14相吻合。

3.2 機頭外環(huán)流道心形部分仿真分析

心形流道模型建立好以后，在軟件中輸入材料參數(shù)后進行分析計算。流道的壓力變化情況如圖17所示。溫度變化曲線如圖18所示。剪切速率變化情況如圖19所示。

圖17 心形流道壓力變化情況

圖18 心形流道溫度變化曲線

圖19 心形流道剪切速率變化情況

從FLOW2000的分析圖表可以看出，流道的溫度變化在2℃之內(nèi)，即流道由于壓力的提高造成的溫度升高不超過2℃，壓力降為12.2 MPa，對于此機頭來說完全滿足機頭流道的要求。

3.3 機頭外環(huán)流道螺旋部分仿真分析

螺旋流道模型建立好以后，在軟件中輸入材料參數(shù)后進行分析計算。

流道的壓力變化情況如圖20所示。溫度變化曲線如圖21所示。剪切速率變化情況如圖22所示。

圖20 螺旋流道壓力變化情況

圖21 螺旋流道溫度變化曲線

圖22 螺旋流道剪切速率變化情況

從FLOW2000的分析圖表可以看出，流道的溫度變化在4℃之內(nèi)，即流道由于壓力的提高造成的溫度升高不超過4℃，壓力降為14.1 MPa，對于此機頭來說完全滿足機頭流道的要求。此螺旋流道產(chǎn)生的溫度變化與心形流道相比較大一下些，壓力降也大，但此模擬的結(jié)果數(shù)據(jù)顯示也是符合要求的。

4 基于三層型坯機頭的平臺構(gòu)建與實驗研究

4.1 三層型坯機頭的生產(chǎn)試驗

機器的技術(shù)參數(shù)分為設計參數(shù)和實際參數(shù)，內(nèi)容包括設備型號、尺寸和導入或者導出的數(shù)據(jù)等參數(shù)。此三層型坯機頭的部分技術(shù)參數(shù)如下：

機器型號：TDB-50 L×3

最大制品容量（L）：50

工位數(shù)：單

空循環(huán)（pc/h）：450

擠出機擠料出量（kg/h）：①號55；②號115；③號55

油泵電動機功率（kW）：22

鎖模力（kN）：260

開合模行程（mm）：450-1000

模具最大尺寸（寬×高）（mm）：700×950

儲料量（L）：6.6

單模頭最大口模直徑（mm）：350

單模模頭加熱功率（kW）：21.5

模頭加熱區(qū)段數(shù)：7

吹氣壓力（MPa）：0.8

氣體用量(m3/min)：1.0

冷卻水壓力(MPa)：0.3

用水量（L/min）：85

機器外形尺寸（長×寬×高）（m）：5×2.4×4.2

機器重量（噸）：16

圖23 三層型坯機頭的生產(chǎn)調(diào)試照片

吹塑機頭既是一個獨立的部件，又是整體的一部分，一臺吹塑設備可以更換不同的吹塑機頭來滿足生產(chǎn)要求，將此三層型坯機頭裝配在工作設備上進行生產(chǎn)調(diào)試，如圖23所示。

生產(chǎn)調(diào)試是吹塑機頭投入使用前的最后一步工作，調(diào)試過程中主要關注的內(nèi)容有：

（1）該三層型坯機頭在吹塑設備中能否適應安裝；

（2）安裝完成后能否正常運行，進行生產(chǎn)；

（3）在生產(chǎn)過程中機頭的各部件能否滿足實際生產(chǎn)工作條件，是否運行穩(wěn)定；

（4）實際生產(chǎn)表現(xiàn)的技術(shù)參數(shù)與理論設計參數(shù)有何區(qū)別；

（5）生產(chǎn)出來的型坯質(zhì)量如何；

（6）生產(chǎn)完成后機頭的拆卸與清理是否方便；

（7）顯示出其他不足和需要改進的地方。

在生產(chǎn)調(diào)試過程中也能看到一些理論設計時忽略或者與理論設計不同情況，如進行生產(chǎn)時，液壓缸所需的實際液壓壓力比理論設計的小，這也使得相關設計更加安全可靠。

機頭的拆裝與清理，吹塑機頭在擠出熔融塑料的生產(chǎn)過程結(jié)束后，內(nèi)部流道會有剩余的原料殘留，這些殘留的原料在下次進行生產(chǎn)時將會作為廢料擠出，有些難以擠出的殘留原料需要進行拆卸清理，拆卸后的機頭相關零件實物圖如圖24所示。

圖24 儲料芯和儲料外環(huán)實物圖

上圖中右邊流道內(nèi)的原料在裝配前需要全部清理干凈，特別是需要換顏色時，可以更快的實現(xiàn)換料換顏色的目的。

4.2 三層型坯機頭吹塑制品性能檢測

此三層型坯機頭中空吹塑成型機經(jīng)調(diào)試生產(chǎn)出的三層中空塑料桶如圖25所示，這種桶一般盛裝化工原料，有些化工原料具有毒性，甚至具有放射性，在運輸和使用過程中難免有跌落撞擊的情況，所以塑料桶要具有一定的韌性和強度，有些化工原料具有揮發(fā)性，所以塑料桶還要在承受一定壓力下具有密封性。韌性需要通過拉伸試驗來測試，強度需要通過跌落試驗來測試，密封性需要通過測漏儀器來測試。桶身每個地方的壁厚也非常重要，壁厚均勻性好，桶的各項性能指標也會好。只需要將塑料桶切割開來，用游標卡尺直接測量，即可計算出桶的壁厚均勻度。

圖25塑料桶實物圖

4.2.1 三層塑料桶的拉伸試驗

三層型坯機頭中空吹塑成型機生產(chǎn)出的三層中空塑料桶的拉伸試驗需要用如圖26所示的拉伸試驗機對拉伸樣條進行拉伸試驗。拉伸樣條如圖27所示。

圖26 拉伸試驗機

圖27 拉伸樣條

做本塑料桶時，需要同時制作此樣條，做5個樣條，可以用拉伸試驗機做5組數(shù)據(jù)。取5組數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值作為結(jié)果。如表1（拉伸試驗結(jié)果）所示。

表1 拉伸試驗結(jié)果

本樣條材料為HDPE50100高密度高分子量聚乙烯，測試結(jié)果符合HDPE50100材料的固有特性，做出的桶同樣滿足拉伸韌性的要求。

4.2.2 三層塑料桶的跌落試驗

三層型坯機頭中空吹塑成型機生產(chǎn)出的三層中空塑料桶的跌落試驗是將桶裝滿水，擰緊蓋子，從3米高度自由落體，反復跌3次，桶不破裂。滿足要求。

4.2.3 三層塑料桶的測漏試驗

三層型坯機頭中空吹塑成型機生產(chǎn)出的三層中空塑料桶的測漏試驗是將桶放置在測漏機上。測漏機一般為差壓型測漏機，其原理為：在系統(tǒng)中自備有一個參考容積（也稱標準容積），而被測系統(tǒng)為另一個容積，采用一個受控的閥來將這兩個容積連接起來，當同時對它們充氣時，它們的壓力一致，然后關閉這個連通的受控閥，在擱置一會后，因標準容積是全封閉是不會泄露的，因此它的壓力為充氣壓力，而被測件若有泄露將會出現(xiàn)壓力下降，泄露越多，壓力降值越多，直至完全漏完，采用一個傳感器測量這兩端的壓力，即可測出塑料桶是否泄露。本三層塑料桶經(jīng)測試：不泄露，完全符合要求。

4.2.4 三層塑料桶的壁厚均勻度檢測

三層型坯機頭中空吹塑成型機生產(chǎn)出的三層中空塑料桶的壁厚均勻度檢測桶是將塑料桶切割開來，用游標卡尺直接測量，即可計算出桶的壁厚均勻度。圖28為測量出的桶身一周各處的壁厚尺寸。

圖28 桶的壁厚尺寸

由圖28可以看出桶的最厚壁厚為4.0 mm，最薄壁厚為3.8，相差0.3 mm。桶的壁厚均勻度按式（1）計算。

式中

D ——壁厚均勻度,單位為%。

A ——最厚壁厚，單位為mm。

A1——最薄壁厚，單位為mm。

將數(shù)據(jù)代入計算得：

此桶的壁厚均勻度符合中空吹塑機行業(yè)標準的要求。

5 總結(jié)與展望

本文主要對“中空吹塑機成型機三層型坯機頭”所涉及的關鍵技術(shù)進行研發(fā)，并通過實物試驗驗證得出結(jié)論。

（1）主要對三層型坯機頭的整體和內(nèi)部機械結(jié)構(gòu)進行了研究設計，在設計時相關液壓控制系統(tǒng)和機頭型坯出口結(jié)構(gòu)可以借鑒當前學者已有的研究成果，而機頭中重點的流道結(jié)構(gòu)以及三層流道的整體布置則需要通過設計與仿真驗證來確定合理的方案。設計時三維設計軟件的使用極大地提高工作效率，縮短生產(chǎn)周期，節(jié)約設計成本。

（2）使用ANSYS Workbench分析軟件對吹塑機頭中的關鍵液壓缸缸筒進行了有限元強度分析，經(jīng)過分析對比，確定零件符合設計要求。

（3）使用FLOW2000分析軟件對本三層型坯機頭中的外層流道進行了仿真模擬分析，外層流道包括心形流道部分和螺旋流道部分，仿真分析首先建立外層流道的心形流道和螺旋流道的幾何模型，再求解，最后以圖片的形式得到分析的最終結(jié)果。經(jīng)過分析對比，確定流道尺寸符合設計要求。

（4）主要對三層型坯機頭進行平臺構(gòu)建和實驗研究，具體研究內(nèi)容包括：三層型坯機頭的生產(chǎn)實驗、三層型坯機頭吹塑制品性能檢測。對三層型坯機頭吹塑制品性能檢測包括：拉伸試驗、跌落試驗、測漏試驗和壁厚均勻度檢測，均達到預期設計的要求。

隨著塑料制品市場競爭的日益加劇，降低原材料成本是塑料制品企業(yè)目前生存下來的關鍵。大型單層機頭中空成型機必然被多層中空制品生產(chǎn)設備所取代，因此，對多層中空制品設備提出了新的要求和挑戰(zhàn)。中空吹塑成型機，尤其是大型中空吹塑和多層中空吹塑機在未來仍是很有發(fā)展前景的機械設備，多層中空吹塑機頭的相關技術(shù)更是吹塑設備中的重點方向。目前國內(nèi)自行研發(fā)的吹塑設備在綜合性能上與國外同類先進設備和技術(shù)還有一定的差距，這也是未來我國國內(nèi)該行業(yè)值得研究和探索的領域。