10mL PP塑料瓶吹塑成型過(guò)程仿真分析

摘

要：采用有限元分析軟件對(duì)10mLPP塑料瓶吹塑成型的過(guò)程進(jìn)行了仿真分析，通過(guò)分析模具的工作特點(diǎn)，制定出了管坯的仿真工藝流程。經(jīng)計(jì)算得出：成型管坯的最大壁厚為2.728mm，最小壁厚為0.631mm，均大于目標(biāo)壁厚0.5mm；管坯在模具擠壓作用下，沿Y軸方向堆積，導(dǎo)致兩側(cè)坯料堆積最多；沿Z軸方向，瓶蓋的平均壁厚要高于瓶身部分；管坯在合模周期內(nèi)與模具的貼合效果較好。關(guān)鍵詞：10mLPP塑料瓶；仿真分析；有限元；壁厚

0

引言塑料中空吹塑成型過(guò)程受多種因素影響，導(dǎo)致預(yù)測(cè)PP塑料瓶厚度分布及其他性能參數(shù)較困難。如果通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)獲得制品信息，則花費(fèi)周期長(zhǎng)、成本高，導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下。因此，當(dāng)下國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)吹塑成型過(guò)程、制品壁厚以及其他性能參數(shù)的分析進(jìn)行了大量的數(shù)值模擬研究，通過(guò)模擬結(jié)果來(lái)指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。最早建立了試驗(yàn)裝置，對(duì)管坯的吹脹行為進(jìn)行研究，他們通過(guò)儀器確定了管坯的直徑分布隨時(shí)間變化的關(guān)系。對(duì)PP塑料瓶拉伸吹塑過(guò)程進(jìn)行了研究及模擬。對(duì)3D擠出吹塑型坯的吹脹過(guò)程數(shù)值進(jìn)行模擬分析和討論，得出了材料參數(shù)、型坯的初始條件、吹脹壓力等工藝參數(shù)對(duì)型坯吹脹過(guò)程均有影響的結(jié)論。對(duì)擠出吹塑型坯的吹脹過(guò)程進(jìn)行了有限元仿真分析。對(duì)于三維模型，一般拐角處壁厚較薄，強(qiáng)度較弱，可通過(guò)型坯壁厚調(diào)節(jié)器和一些相關(guān)工藝條件控制管坯的初始壁厚分布，從而提高管坯制品的壁厚均勻性。本文采用有限元軟件對(duì)10mLPP塑料瓶成型過(guò)程進(jìn)行仿真分析，根據(jù)制定的仿真工藝流程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得出瓶體與瓶蓋的成型壁厚均滿足目標(biāo)預(yù)期，且在成型周期內(nèi)管坯與模具貼合較好。這一結(jié)果為實(shí)際生產(chǎn)提供了有力的理論支持。1

數(shù)學(xué)模型1.1

控制方程PP聚合物材料的流動(dòng)過(guò)程不能簡(jiǎn)單地用牛頓流體描述，本文采用廣義牛頓流體對(duì)型坯流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行分析。在整個(gè)合模吹脹過(guò)程中，PP材料需遵循的質(zhì)量、動(dòng)量和本構(gòu)方程要求如下[5]：

1.2

本構(gòu)模型本文選用廣義牛頓流體分析PP聚合物材料的流動(dòng)過(guò)程，可最大程度地反映不同工藝條件對(duì)吹塑成型過(guò)程中型坯厚度的作用效果。2

幾何模型2.1

模型簡(jiǎn)化圖1為10mLPP塑料瓶整體模具模型（以下簡(jiǎn)稱10mL模型），包括夾板、封模、主模和冷卻管路等組件。根據(jù)模具鏡面對(duì)稱特性，可取單側(cè)模具作為研究對(duì)象。該模具可同時(shí)對(duì)四個(gè)管坯進(jìn)行吹氣成型。10mL模型所使用的坐標(biāo)系如圖1所示，X軸為塑料瓶排列方向，Y軸為模具移動(dòng)方向，Z軸為管坯軸線方向，也是管坯擠出機(jī)下料方向。10mLPP塑料瓶成型模型如圖2所示。一個(gè)管坯在模具擠壓吹塑作用下可制備5個(gè)10mLPP塑料瓶。忽略邊緣的細(xì)微差別，該模具內(nèi)部可以分為四組相同的形狀，取1/4作為研究對(duì)象，選取的1/4部分本身具有鏡面對(duì)稱特性，因此，可取其一半作為研究對(duì)象，如圖3所示。除了封模和主模外，將模型中的夾板、擋板和螺栓等組件予以刪除。

2.2

網(wǎng)格劃分整個(gè)模型的高和寬分別是290mm和75mm。根據(jù)幾何尺寸進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到的最終網(wǎng)格模型如圖4所示，總網(wǎng)格數(shù)量為37588。

2.3

邊界條件設(shè)置該模型不考慮模具表面的粗糙度對(duì)成型質(zhì)量的影響，模具內(nèi)部有冷卻水管路流通，持續(xù)為模具降溫，保證模具的溫度維持在室溫。高溫管坯在貼合模具壁面后被迅速冷卻，黏度增加，此后管坯不再與模具發(fā)生相對(duì)滑移，在管坯表面施加無(wú)滑移邊界條件，設(shè)置模具內(nèi)腔表面為絕熱壁面，管坯和模具邊界參數(shù)如表1所示。3

成型工藝仿真流程主模和封模與管坯下料中軸線之間的距離可通過(guò)計(jì)算得到。主模模具打開(kāi)后，兩模具之間的距離為140mm，合模時(shí)間為0.5s。封模是在主模合模后，需要封口時(shí)才合模，所以封模合模的距離和時(shí)間均較短，兩封模之間的距離為100mm，封模合模時(shí)間為0.4s。以吹塑壓力為0.06MPa為例，整個(gè)工藝仿真流程如圖5所示，其包括4個(gè)步驟。塑料瓶成型工藝仿真流程涉及模具的移動(dòng)，模具合模完成后，在模具表面真空孔作用下，管坯貼合壁面實(shí)現(xiàn)成型過(guò)程。10mL模型的真空成型壓力均勻地施加在管坯表面，沿管坯表面指向模具一側(cè)，真空壓力持續(xù)施加時(shí)間為1.5s。表2為10mL模型速度邊界設(shè)置表，顯示了主模、封模的移動(dòng)速度、時(shí)間和位移。在0～0.5s區(qū)間內(nèi)，主模進(jìn)行合模動(dòng)作，移動(dòng)距離為0.07m，移動(dòng)速度為0.14m/s；在0.5～2s區(qū)間內(nèi)，被主模合模所包住的管坯區(qū)域進(jìn)行真空成型過(guò)程，壓力為0.06MPa，如壓力邊界設(shè)置示意圖（圖6）下部方框所示區(qū)域；在2～2.4s區(qū)間內(nèi)，封模進(jìn)行合模動(dòng)作，移動(dòng)距離為0.05m，移動(dòng)速度為0.125m/s；在2.4～3s區(qū)間內(nèi)，被封模合模所包住的管坯區(qū)域進(jìn)行真空成型過(guò)程，壓力為0.06MPa。

4

計(jì)算結(jié)果及分析4.1

管坯成型壁厚分析圖7為10mL模型壁厚分布情況。壁厚分布趨勢(shì)為兩側(cè)邊緣部分較厚，中軸線部分壁厚較薄。圖7所采用的圖例為全局坐標(biāo)圖例，數(shù)值范圍涵蓋了壁厚分布的全局范圍?？梢钥闯?，成型管坯的最大壁厚為2.728mm，最小壁厚為0.631mm，均大于目標(biāo)壁厚0.5mm。10mL模型沿Z軸切面如圖8所示，沿Z軸方向做三條直線，分別穿過(guò)三個(gè)瓶子的中軸線。以Z軸坐標(biāo)為橫坐標(biāo)，以三條直線所標(biāo)示位置的瓶子壁厚為縱坐標(biāo)，得出10mL模型沿Z軸方向成型管坯壁厚分布的曲線圖（圖9）。對(duì)比三個(gè)瓶子的壁厚分布，可以看出Line3所示瓶子的平均壁厚要大于其他兩個(gè)瓶子。Line1和Line2所示瓶子的壁厚在整個(gè)Z軸坐標(biāo)范圍內(nèi)都比較接近。其中，Line2的壁厚略高于Line1。三個(gè)瓶子的壁厚差異和其所在的位置有關(guān)。Line3所示瓶子在模具的最外側(cè)，模具合模過(guò)程中，管坯在模具擠壓作用下，沿Y軸方向堆積，導(dǎo)致兩側(cè)坯料堆積最多，因而管坯壁厚由中間向兩邊逐漸增厚。從圖9可以看到，瓶身處于Z=-110～-60mm時(shí)，在此區(qū)域內(nèi)的壁厚分布呈兩邊薄中間厚的趨勢(shì)。其中，壁厚最薄處位于Z=-100mm處，即瓶底位置。10mL模型要求的目標(biāo)壁厚為0.5mm，瓶底位置的壁厚分布滿足目標(biāo)壁厚要求。Z=-60～-40mm為瓶蓋位置，瓶蓋的平均壁厚要高于瓶身部分。10mL模型沿Y軸切面如圖10所示，分別位于成型塑料瓶的瓶身上部、中部和下部。管坯在這三條直線所示位置的壁厚分布如圖11所示。從圖11可以看出，Line2處平均壁厚最大，Line3次之，Line1壁厚最薄。三條直線所示位置的壁厚分布差異性不大，沿Y軸方向壁厚分布趨勢(shì)一致，兩邊厚中間薄。這與圖7所得到的管坯最外側(cè)壁厚堆積最大的結(jié)論相一致。沿Y軸方向壁厚均大于目標(biāo)壁厚0.5mm。圖12為在四種壓力工況下，10mL模型Line1截面沿Z軸方向成型管坯壁厚分布情況?？梢钥闯觯煌瑝毫r下得到的最終壁厚分布基本一致，僅在封模部分存在一些差異。

4.2

管坯和模具接觸時(shí)間分析圖13為吹氣壓力在0.06MPa時(shí)，管坯和主模接觸時(shí)間。從開(kāi)始合模到成型結(jié)束，整個(gè)時(shí)間周期為3s?？梢钥闯?，瓶身大部分區(qū)域與模具接觸時(shí)間在2.5s以上，這說(shuō)明0.06MPa的吹氣壓力和3s的工作周期可以使管坯和模具較好貼合。圖14為吹氣壓力在0.06MPa時(shí)，管坯和封模接觸時(shí)間，從封模合模開(kāi)始到成型結(jié)束所用時(shí)間為1s?？梢钥闯?，封模部分的管坯與模具接觸時(shí)間大部分在0.6s以上，封模與模具貼合較好。5

結(jié)語(yǔ)（1）由1