型坯溫差法優(yōu)化擠出吹塑中空工業(yè)制件壁厚分布的研究

黃虹,龍婷,王選倫,邱方軍

(重慶理工大學材料科學與工程學院,重慶400050)

型坯溫差法優(yōu)化擠出吹塑中空工業(yè)制件壁厚分布的研究

黃虹,龍婷,王選倫,邱方軍

(重慶理工大學材料科學與工程學院,重慶400050)

以典型復雜中空工業(yè)制件為研究對象,根據(jù)聚合物流變學原理,提出了用型坯溫差法來優(yōu)化擠出吹塑中空工業(yè)制件壁厚分布的均勻性:在型坯擠出或型坯吹脹之前,采用水或者空氣強制冷卻變形較大部位對應(yīng)的型坯,使局部溫度迅速降低,使型坯具有一定的溫度梯度。結(jié)果表明,用型坯溫差法優(yōu)化后的吹塑成型油箱壁厚分布標準差由0.7249減小為0.4475、0.4582,壁厚均勻性明顯得到改善,驗證了利用型坯溫差法優(yōu)化油箱制件壁厚分布均勻性的方法是可行的。

擠出吹塑成型;中空制件;壁厚分布;型坯溫差法;優(yōu)化

0 前言

擠出吹塑中空成型由于設(shè)備造價低、適應(yīng)性強、生產(chǎn)效率高、能成型形狀復雜的中空工業(yè)制件,因此得到了廣泛的應(yīng)用。但是,擠出吹塑中空成型最大的缺點是成型的中空制件壁厚分布不均勻,尤其是對于形狀復雜的中空工業(yè)制件,壁厚不均非常嚴重[1]。因而,壁厚分布是評價擠出吹塑中空制件品質(zhì)的主要指標。壁厚過厚,增加原材料的消耗而增加生產(chǎn)成本,并且由于冷卻時間的延長,使得生產(chǎn)周期增加而降低生產(chǎn)效率;壁厚太薄會導致吹塑成型時吹破或者制件的力學性能太低。制件的壁厚分布不均勻,已成為制約擠出吹塑成型發(fā)展的瓶頸。Kamal等[2]設(shè)計透明的擠出吹塑成型模具,利用攝像機拍攝型坯的吹脹成型過程,確定型坯隨時間的變形過程以及型坯壁厚的變化情況。Dutta采用[3]黏彈性的本構(gòu)方程模擬了簡單幾何形狀的制品的吹脹成型過程,在分析過程中,他們假設(shè)在自由吹脹結(jié)束時型坯壁厚是一致的。黃漢雄等[4]假設(shè)型坯為各向同性且熔體不可壓縮的情況下,基于薄膜近似和Neo-Hookean本構(gòu)關(guān)系,建立了型坯自由吹脹的數(shù)學模型,理論預測了型坯的自由吹脹過程以及自由吹脹結(jié)束時型坯壁厚的分布情況。使用透明吹塑模具,采用視頻圖像捕獲技術(shù),拍攝型坯吹脹過程的瞬態(tài)圖像,描述了型坯的吹脹過程,理論預測的型坯輪廓與實驗觀察的結(jié)果相吻合。型坯溫度對自由吹脹的影響,是通過影響材料的模量來實現(xiàn)的,溫度越低,模量越大,型坯越難變形。由于型坯存在溫度梯度,所以各部分的變形情況亦不同。于騰[5]分別通過數(shù)值模擬和實驗,研究了受約束吹脹過程。型坯與模壁接觸后,由于模具對型腔的驟冷作用,使得型坯溫度迅速降低,立即和模壁黏合在一起,停止進一步變形,此時的壁厚就是制件的壁厚,由于制件外形的復雜性,各部分型坯接觸模壁的時間不一致,使得制件壁厚分布不均勻。因此,優(yōu)化制件壁厚分布的均勻性對提高制件質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率都具有很大的現(xiàn)實意義。

本文以典型復雜中空工業(yè)制件為研究對象,根據(jù)聚合物流變學原理,利用型坯溫差法改善和優(yōu)化了擠出吹塑中空工業(yè)制件壁厚分布的均勻性。

1 型坯溫差法

1.1 成型過程分析

在擠出吹塑成型中空制件的過程中,擠出型坯常為圓筒形,且壁厚基本均勻。在型坯吹脹過程中,可分為2個階段:自由變形階段和約束變形階段。在自由變形階段,型坯的溫度是均勻的,變形也是均勻的,而約束變形階段型坯的變形是不均勻的。首先,型坯被吹塑模具夾持,然后通入壓縮空氣,型坯開始自由變形,當型坯被吹脹開始與吹塑模具型腔壁接觸時,這部分型坯溫度大幅度降低,黏度增大,變形抗力增大,變形也基本結(jié)束,自由變形階段就結(jié)束。接著是約束變形階段,沒有與吹塑模具型腔壁接觸的型坯,溫度較高,黏度較低,變形抗力小,還要繼續(xù)變形,型坯繼續(xù)被吹脹,型坯壁厚繼續(xù)變薄,直到型坯陸續(xù)與吹塑模具型腔壁接觸,變形陸續(xù)結(jié)束。

對于形狀復雜的工業(yè)制件,在型坯吹脹變形過程中型坯各處的不均勻變形更為嚴重。自由變形階段更短,而約束變形階段更長。制件的平直部位的型坯先完成變形,制件拐角、深腔部位的型坯還要經(jīng)歷較長時間的約束變形。在吹塑過程中,型坯各個部位變形的時間長短不相同,使型坯各個部位變形量不同,各部位的吹脹比不均勻,因此,制件壁厚不均勻。

1.2 溫度與變形抗力

根據(jù)聚合物流變學原理,型坯的變形抗力可用黏度來表示,黏度的大小與其溫度的高低有關(guān)。型坯溫度高,黏度小,變形抗力小,吹塑過程中容易變形,變形量較大;相反,型坯溫度低,黏度大,變形抗力大,吹塑過程中不容易變形,變形量較小。

1.3 型坯溫差法

在型坯擠出過程中,通過冷卻設(shè)備強制冷卻變形時間較長、吹脹比較大部位對應(yīng)的局部型坯,使型坯具有一定的溫度梯度,如圖1所示。在自由吹脹階段,變形時間較長、吹脹比較大部位對應(yīng)的型坯溫度低,黏度增大,變形抗力增大,難于變形,變形量減小,使型坯這部分的壁厚增厚;而變形時間較短、吹脹比較小的部位對應(yīng)型坯的溫度較高,黏度較小,變形抗力較低,在自由變形階段變形量增大,使型坯這部分的壁厚減薄,也使制件這部分的壁厚減薄。進入受約束吹脹階段,變形時間較長、吹脹比較大部位的型坯繼續(xù)變形,直至吹脹成型制件,由于這部分型坯在自由變形結(jié)束時壁厚增厚,致使約束吹脹階段結(jié)束時制件的壁厚也增厚。型坯溫差法就是以調(diào)節(jié)型坯溫度來達到調(diào)節(jié)型坯變形量大小,以此提高制件壁厚分布的均勻性。

圖1 擠出型坯與局部冷卻示意圖Fig.1 Schematics of the extruded parison and the partial cooling technique

本文以如圖2所示各部分吹脹比不均勻的擠出吹塑成型油箱制件為研究對象,用型坯溫差法優(yōu)化擠出吹塑中空工業(yè)制件的壁厚分布。

圖2 擠出吹塑成型油箱制件的結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure drawing of the fuel tank fabricated by blow molding

2 實驗部分

2.1 主要原料

高密度聚乙烯(PE-HD),5000S,中石油蘭州石化有限公司。

2.2 主要設(shè)備及儀器

擠出吹塑成型機組,SJ-45/25,重慶華榮塑機有限公司;

吹塑成型模具,自制[2];

紅外線測溫儀,TN350,廣州泰納電子科技有限公司;

空氣壓縮機,W-0.6/10,重慶華西壓縮機廠;

模溫機,STM-WE,東莞信易電熱機械有限公司;數(shù)碼相機,FE-45,奧林巴斯映像株式會社。

2.3 實驗方法

按3種工藝路線進行實驗:

(1)按表1所示工藝條件擠出型坯,當型坯達到需要長度時,切斷型坯,送入吹塑模具,吹塑成型油箱制件;

(2)按表1所示工藝條件擠出型坯,擠出一定長度的型坯后,利用冷卻水同時冷卻測量點1和測量點5(如圖3和圖4所示)對應(yīng)的型坯,同時利用紅外線測溫儀實時測定型坯各部分的溫度,通過冷卻使測量點1和測量點5對應(yīng)的型坯與未冷卻部位的型坯分別形成ΔT=15℃的溫度梯度,吹塑成型油箱制件;

(3)用壓縮冷空氣代替冷卻水重復上述實驗。

表1 擠出吹塑成型工藝條件Tab.1 Technological conditions of extrusion blow molding

圖3 油箱制件剖開位置Fig.3 The cutaway position of the fuel tank

圖4 剖件壁厚測量點Fig.4 Schematic of measuring points

2.4 性能測試與結(jié)構(gòu)表征

分別觀察3種成型工藝條件下油箱制件的吹塑成型情況、表面品質(zhì);如圖3所示位置剖開,按照圖4所示測量點,利用游標卡尺測量各點壁厚,取其平均值,得到各測量點的平均壁厚,按式(1)計算:

式中 hi——制件各測量點壁厚值,i=1,2,…,12

h ——制件平均壁厚

為了更好地比較分析制件的壁厚分布情況,采用標準差(σ),以表示制件各點壁厚的離散程度:

標準差σ越大,制件各點壁厚相對于制件平均壁厚的偏移量就越大,制件壁厚分布的均勻性就越差。

3 結(jié)果與討論

3.1 油箱制件表面品質(zhì)

型坯未冷卻、冷卻水冷卻型坯、冷空氣冷卻型坯3種工藝路線下吹塑成型的油箱制件如圖5所示。擠出型坯直接吹塑成型的油箱制件,表面光潔度高,滿足生產(chǎn)要求;冷卻水冷卻型坯,使其具有一定溫度梯度后吹脹成型的油箱制件,表面品質(zhì)也良好,光潔度高,無表面缺陷,滿足生產(chǎn)要求;但是采用冷空氣冷卻型坯后成型的油箱制件表面粗糙無光,部分位置甚至出現(xiàn)“橘皮紋”。采用風冷冷卻局部型坯,冷空氣的熱傳遞速度較慢,一方面,型坯懸掛在空氣中,周圍空氣與型坯有熱交換,降低型坯整體溫度;當溫度梯度增大到20℃時,型坯其他部位溫度也較低;另一方面,實驗操作過程中紅外線測溫儀測定的是型坯的表面溫度,而空氣的熱傳遞速度慢,型坯內(nèi)側(cè)的溫度高于外側(cè)溫度,影響樹脂的結(jié)晶,降低制件表面品質(zhì)。

3.2 油箱制件壁厚分布

從圖6的剖件圖可以直觀地看出,利用型坯溫差法,采用冷卻水或者冷空氣冷卻吹脹比較大部位對應(yīng)型坯,使型坯具有一定溫度梯度后吹塑成型的油箱制件,拐角凸起部位壁厚過薄現(xiàn)象有所改善,吹脹比較小的平直部位壁厚明顯減薄,油箱制件壁厚均勻性得到明顯改善。

如圖7所示,未冷卻型坯的傳統(tǒng)成型工藝吹塑成型油箱制件的最大壁厚為3.8 mm,發(fā)生在制件平直段測量點3處,這是因為該處型坯與型腔接觸時間早,溫度下降快,黏度增大,變形困難,約束變形時間最短,使型坯變形量為最小;最小壁厚為1.05 mm,發(fā)生在制件拐角部位測量點1處,這是因為該處型坯最后與型腔壁接觸,變形過程中溫度相對較高,黏度小,約束變形時間最長,變形量最大;制件壁厚分布標準差為0.7249。采用冷卻水或者冷空氣冷卻型坯與制件1和5部位對應(yīng)部分,該部分溫度降低,黏度增大,在自由變形階段,變形量減小;而制件平直段測量點3對應(yīng)型坯的溫度相對較高,黏度較小,變形量增大。這樣,當型坯具有一定溫度梯度后吹塑成型的油箱制件最大壁厚分別減小到2.65、2.78 mm,最小壁厚分別增大到1.52、1.43 mm,制件壁厚分布標準差分別減小到0.4475、0.4582,壁厚分布均勻性得到明顯改善。

圖5 油箱制件的表面品質(zhì)Fig.5Photos for the surface quality of fuel tank

圖6 油箱制件的剖件圖Fig.6The cutaway photos for the fuel tank

圖7 油箱制件的壁厚分布圖Fig.7Distribution of the wall thickness of the fuel tank

4 結(jié)論

(1)利用型坯溫差法優(yōu)化擠出吹塑復雜中空工業(yè)制件壁厚分布均勻性是可行的,在成型過程中提高變形量較小部位型坯的溫度,減小變形量較大部位型坯的溫度,能夠增加型坯的均勻變形程度,提高壁厚均勻性;

(2)通過型坯溫差法優(yōu)化吹塑成型制件壁厚分布,其標準差由0.7249減小為0.4475、0.4582,壁厚均勻性得到明顯改善。

[1] 黃漢雄.塑料吹塑技術(shù)[M].北京:化學工業(yè)出版社,1996:9-12.

[2] Kamal M R,Tan V,Kalyond.Measurement and Calculation of Parison Dimensions and Bottle Distribution During Blow Molding[J].Polymer Engineering Science,1981,21:331-338.

[3] Ryan M,E Dutta A.The Dynamics of Parison Free Inflation in Extrusion Blow Molding[J].Polymer Engineering Science,1982,22:569-577.

[4] HUANG Hanxiong,YANG Xiaosong.Growth Profiles of Parison Free Inflation in Plastics Extrusion Blow Molding[J].Journal of South China University of Technology:Natural Science Edition,2000,28(10):47-51.

[5] 于騰.擠出吹塑型坯吹脹的有限元模擬[D].廣州:華南理工大學,1999.

Optimization of Wall Thickness Distribution of Hollow Industrial Parts by Parison Temperature Difference Method

HUAN G Hong,LON G Ting,WAN G Xuanlun,QIU Fangjun

(College of Material Science and Engineering,Chongqing University of Technology,Chongqing 400050,China)

A complicated hollow part was selected as the research object in this paper.The method of parison temperature difference was proposed for optimizing the wall thickness distribution uniformity of hollow parts according to the principles of polymer rheology.Before the blowing up of the parison,the locations on the parison that would be largely deformed was pre-cooled with air or water,and a temperature gradient was formed on the parison before the mold closed.By this method,the standard deviation of the wall thickness of a fuel tank decreased from 0.7249 to 0.4475 and 0.4582,and the uniformity of the wall thickness was raised obviously.

extrusion blow molding;hollow part;wall thickness distribution;parison temperature difference method;optimization

TQ320.66+4

B

1001-9278(2011)02-0068-04

2010-09-05

聯(lián)系人,huanghong@cqut.edu.cn