張保山,劉淑梅,曹 溪

(上海工程技術(shù)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,上海 201620)

0 引 言

塑料油桶是一種用于儲(chǔ)存和運(yùn)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(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于許多不同的領(lǐng)域,例如工業(yè)、化學(xué)、食品、醫(yī)藥和農(nóng)業(yè)。它們被用于存儲(chǔ)和運(yùn)輸各種液體和半固體物質(zhì),例如化學(xué)品、石油產(chǎn)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(qiáng)耐腐蝕性、高韌性和強(qiáng)度、優(yōu)異的耐熱性,良好的加工性等特點(diǎn)[1-4]。但是,在吹塑成型的過程中,受到模具運(yùn)動(dòng)速度、吹脹壓力、吹脹時(shí)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(duì)塑料油桶的吹塑成型過程進(jìn)行分析模擬,選用HDPE材料。對(duì)吹脹時(shí)間、模具運(yùn)動(dòng)速度、吹脹壓力這3個(gè)因素的3個(gè)不同水平設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn),通過模擬結(jié)果給塑料油桶生產(chǎn)過程中的參數(shù)控制提供參考,獲得最優(yōu)的成型工藝參數(shù),以及性能更加優(yōu)良的塑料油桶。

1 建立三維模型與網(wǎng)格劃分

首先,根據(jù)市面上某種塑料油桶外觀及尺寸,使用Solidworks軟件對(duì)塑料油桶進(jìn)行建模,簡化模型部分結(jié)構(gòu)。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(dǎo)出到ANSYS軟件的Polyflow模塊。初始坯料厚度為6mm,網(wǎng)格劃分為四邊形。對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜且易于出現(xiàn)褶皺的地方進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化,在油桶口部位置處加密網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

圖2 塑料油桶網(wǎng)格劃分Fig.2 Plastic oil drum meshing

2 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在吹塑成型的過程中,對(duì)工藝參數(shù)的控制十分重要,油桶在吹脹成型過程中主要受到吹脹時(shí)間、吹脹壓力和模具運(yùn)動(dòng)速度的影響。吹脹時(shí)間過短會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品表面不光滑,出現(xiàn)痕跡、起泡等缺陷,同時(shí)產(chǎn)品厚度分布不均勻,厚薄差異明顯,影響產(chǎn)品的外觀和使用壽命[5]。其次,吹脹時(shí)間過長會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品變薄、變形,甚至出現(xiàn)開裂的情況。這是因?yàn)榇得洉r(shí)間過長會(huì)使材料受到過度拉伸,導(dǎo)致分子鏈斷裂,使產(chǎn)品強(qiáng)度下降,易發(fā)生變形和開裂。吹脹壓力過大會(huì)導(dǎo)致塑料在吹塑模具內(nèi)壁的壓力過高,從而使部分區(qū)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(huì)導(dǎo)致成品的厚度不足,出現(xiàn)薄弱部位,塑件的充形達(dá)不到理想的效果,從而影響成品的質(zhì)量[6-7]。模具運(yùn)動(dòng)速度則影響產(chǎn)品的壁厚均勻性和表面質(zhì)量[1]。模擬設(shè)置胚料的初始溫度為180℃,初始壁厚為6mm。對(duì)吹脹時(shí)間、吹脹壓力和模具運(yùn)動(dòng)速度選取3個(gè)水平進(jìn)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(jù)因素水平表,設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)表如表2所示。

表2 正交實(shí)驗(yàn)表Tab.2 Table of orthogonal experiments

3 數(shù)值模擬

采用Polyflow軟件對(duì)擠出吹塑過程進(jìn)行數(shù)值模擬,由于擠出吹塑過程為型坯黏彈性非等溫膨脹,為準(zhǔn)確描述型坯的彈性恢復(fù)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(xiàn)象[8]。此時(shí)型坯黏彈性分量

接觸力張量為N=h·T。

基于KZBZ本構(gòu)方程,求解KZBZ模型。模型坯壁厚度采用常數(shù)插值計(jì)算求解,對(duì)吹脹壓力和模具運(yùn)動(dòng)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(jié)果Fig.3 Blow molding simulation wall thickness results

由模擬結(jié)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(píng)價(jià)吹塑制品質(zhì)量最重要的指標(biāo)之一,良好的壁厚均勻度可以達(dá)到節(jié)省原材料同時(shí)減小桶體內(nèi)部內(nèi)應(yīng)力的目的。用制件壁厚均勻作為考核指標(biāo),在油桶上選取10個(gè)點(diǎn)作為分析的對(duì)象,所選的10個(gè)位置如圖4所示。

圖4 取點(diǎn)空間位置Fig.4 Spatial location of the point

4 結(jié)果與討論

表3為9組正交實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果,壁厚均勻度表征吹塑成型桶體壁厚狀況。

表3 正交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(duì)應(yīng)因素在這一水平時(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之和,Kavg則是其平均值,R是指因素的極差。當(dāng)不同水平的K值越小,代表這個(gè)因素在這個(gè)水平所得制件壁厚均勻性越好。吹脹時(shí)間對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)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(yùn)動(dòng)速度對(duì)應(yīng)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(jié)果可見,各個(gè)影響因素的權(quán)重分別是吹脹壓力>吹脹時(shí)間>模具運(yùn)動(dòng)速度。并且最佳方案為吹脹時(shí)間6s,吹脹壓力0.2MPa,模具運(yùn)動(dòng)速度0.6m/s。

5 生產(chǎn)驗(yàn)證

通過正交實(shí)驗(yàn)方法獲得塑料油桶的最佳吹塑工藝參數(shù),調(diào)節(jié)工藝參數(shù)優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量。實(shí)際產(chǎn)品如圖5所示。

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

測(cè)量生產(chǎn)塑料油桶所選10點(diǎn)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(chǎn)制造要求。

6 結(jié) 語

本文基于ANSYS軟件當(dāng)中的Polyflow模塊,設(shè)計(jì)了正交實(shí)驗(yàn)對(duì)塑料油桶的吹塑成型進(jìn)行數(shù)值模擬分析。通過對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行極差分析,得出吹脹時(shí)間、吹脹壓力、模具運(yùn)動(dòng)速度對(duì)吹塑成型的影響大小,為塑料油桶吹塑成型過程中的參數(shù)控制提供了一定的參考。分析表明,在吹脹時(shí)間為6s,吹脹壓力為0.2MPa,模具運(yùn)動(dòng)速度為0.6m/s時(shí),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(shù)控制提供一定參考。