LMD工藝在吹塑模具制造中的應用

陳建剛

摘 要：當今的吹塑模具制造商在承受來自緊迫定價的沉重壓力，比以往更需能夠幫助他們加快模具制造的技術，獲得更低成本與響應客戶要求的能力。為解決PET吹塑制瓶模具生產中存在加工效率低下等問題，分析了PET制瓶流程，圍繞制瓶設備配吹塑模具，設計型腔零件背面半圓柱車削加工專用夾具，使表面粗糙度達到工藝要求。提升工序的生產效率。

關鍵詞：LMD工藝;吹塑模具;應用

中圖分類號：TQ320.66 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）13-0075-02

近年來，我國飲料行業迅猛發展。飲料品種發展處瓶裝飲用水，碳酸飲料等十幾種類型。一些新型功能性飲料產量逐步增長。飲料包裝中，PET瓶占據主導地位，PET瓶具有良好的透光率，化學穩定性強，瓶體強度高，單耗小，可回收利用。對氧氣有良好的阻隔性。PET瓶生產過程復雜，涉及干燥，吹塑等系列工藝環節，為滿足包裝工藝等需要，PET瓶有較高的物理性能要求，目前國內PET吹塑瓶高端設備中，國外進口設備占據較大比重，設備價格普遍較高。PET吹瓶模具價格設備總值的1/4，PET瓶自主設計能力成為制約飲料行業發展的瓶頸。精度穩定，制件合格，價格低廉的高速PET瓶吹模具國產化具有重要的戰略意義。國內眾多廠家生產的吹塑制瓶模具質量良莠不齊，存在模具質量達不到進口設備配套要求等問題，急需改進加工工藝，促進市場競爭力的提升。本文根據穩定吹塑模生產工藝，縮短產品生產周期的要求，分析LMD工藝，圍繞KRONES H24制瓶設備配備的吹塑模具，研究型腔零件生產工藝流程，對型腔零件的工藝路線，切削參數等進行研究，為優化吹塑模具加工工藝，提高生產效率提供參考方案。

1 PET飲料瓶生產工藝

LMD是有Smith提出的心適應時頻分析算法，將復雜的多分量信號分解成多個PE分量相加，將全部PE分量瞬時幅值與頻率組合獲得原始信息完備的時頻分布。LMD分解算法是對原始信號進行自適應分析，反映故障信息的本質，適應于故障特征提取，LMD方法首先被應用于腦電圖信號燈生物醫學信號處理，具有自適應性，正交性等特征[1]。

PET是一種熱塑性聚酯，在軟性飲料包裝領域，碳酸飲料包裝所用的PET瓶生產主要采用注塑瓶坯雙向拉伸吹塑成形。PET飲料瓶成形工藝中，能在一臺設備中完成生產全過程的非法為一步法成型工藝。生產者紅，未定型的PET瓶坯，經雙向拉伸使PET材料超出應變強化極限。PET材料大分子鏈取向結晶，使得PET瓶體成型，PET飲料瓶復雜生產工藝的每個環節，如瓶坯與瓶型的幾何形狀，拉伸速率等，都會對制品性能產生較大影響[2]。

瓶坯注塑是獲得PET飲料瓶吹塑毛坯的重要步驟，PET樹脂分子易與溶體發生水分解反應，影響產品的物理性能。在注塑前將PET樹脂經3小時，150℃干燥處理，獲得制品的最佳性能。

瓶坯注塑關鍵是注塑成型模具，在一定壓力下通過澆注系統注射到成型模腔。注塑成型模具主要由澆注系統，頂出機構等基本部分組成。

拉伸吹塑是將加熱后的PET瓶坯置于吹塑模型腔內，吹塑成型，拉伸吹塑工藝常用拉伸桿拉伸瓶坯軸向，拉伸后制品抗沖擊強度，表面光潔度得到提高。

預吹是吹瓶中的重要步驟，拉伸桿下降時開始預吹低壓氣體，吹氣流量是控制預吹效果的重要因素，預吹瓶形狀決定吹塑制品的合格率，預吹壓力不足易造成PET瓶形狀異常。含氣飲料瓶拉伸比通常選取10：1，拉伸比過小會影響瓶子的綜合力學性能。

2 KRONES吹塑制瓶設備

本文研究吹塑模具應用于KRONES H24吹塑制瓶設備，通過一定的工藝手段吹成瓶子，引進德國的吹瓶機可直接連接飲料灌裝機，能實現每小時80000個PET瓶的生產力。KRONES多年來致力于提供符合飲料，化妝品等包裝需求的全套生產設備。

KRONES吹塑瓶設備由瓶坯整理與吹瓶圈組成，瓶坯整理部分包括升降機與理坯機。PET瓶坯通過升降機滑道上升輸送到理坯機頂部，將PET瓶坯分開，以瓶坯坯口向上的姿態滑入供給軌道。

經整理后的PET瓶坯由傾斜供給軌道送入加熱爐頭瓶坯傳送星輪，芯軸桿與軸頭機械作用下，瓶坯加載于傳輸帶，傳入加熱烘爐。PET瓶坯經加熱區時，加熱90℃，加熱爐使用九層不等距直排紅外線管狀輻射器實現加熱溫度。

經加熱后進入吹塑站的PET瓶借頸環被固定在吹塑模內。吹塑噴嘴下移，頂住瓶坯底端進行軸向拉伸。預吹壓力通常選擇12-25bar，預吹結束時，PET瓶基本成型。

3 吹塑制瓶流程

精密機械有限公司KRONES H24吹塑制瓶設備生產的PET飲料瓶，原始形狀設計參考以色列生產的某飲料外觀，吹塑模具由型腔零件與瓶底零件，凹坑零件組成成型曲面，模具結構中的其余零件，共同完成模具的開合功能。[3]

型腔零件是以色列瓶型吹塑模具中體積最大的典型零件。型腔零件的材料選擇是決定吹塑模具質量的重要因素，相關零件應具有良好的尺寸穩定性，導熱性，市場供選擇的塑料模具材料包括預硬塑料模具鋼等。

以色列瓶型模具用于加工PET飲料瓶，要求模具比較清潔，對制品的透明度要求較高，要求零件材料具有較好的拋光性能。零件材料硬度增高使研磨困難加大，硬度增高，要達到較小的表面粗糙度需拋光時間增長。選用歐標模具鋼為型腔零件材料，實驗抽檢，硬度能滿足吹塑模具型腔表面拋光需要。

4 型腔零件加工方案

吹塑模具通過兩半型腔零件與瓶底模具零件開合動作，型腔零件是吹塑模具的核心零件，要求進行拋光處理。外形與吹瓶機模架相互配合。型腔零件為典型多工位加工零件。單個型腔零件整體外形為半圓柱形，外輪廓與成型型腔曲面有很高的相對位置精度要求。為完成多工位的高精度加工，需分析零件加工要點，保證加工精度。

生產現場對型腔零件加工工藝規劃需考慮加工質量要求較高，型腔零件型腔曲面等屬于吹塑模具工作表面，裝配基面加工面積大，生產現場工藝規劃中，先安排主要表面的加工。為保證兩半型腔零件的相對位置精度，工藝方案以導柱孔為基準，將兩半型腔零件進行配對加工。

根據模具金加工車間針對吹塑模模型零件制定的工藝，滿足其加工工藝原則，背面半圓柱面加工中采用數控加工中心進行粗加工。使用銑削方法加工的半圓柱依靠數控系統圓弧插補運算得到，半圓柱形狀誤差過大導致模具安裝誤差大。采用銑削型腔零件背面圓柱面加工方式加工效率交底，設備占用率高，型腔零件加工背面半圓柱面加工質量方面有待進一步改進。

5 腔零件加工工藝改進

車削加工是回轉體零件加工方式的首選，選擇車削加工方法能有效提高加工效率。避免出現的表面粗糙度不一致等加工缺陷。吹塑模型腔零件以軸向對稱剖面為分型面，采用兩個型腔零件配對車削思路，設計車削加工專用夾具。數控車床安裝聯接法蘭，尾部使用活絡頂尖定位。車削加工后表面質量一致性好。達到設計規定的表面質量要求[4]。

吹塑模型零件中復雜成型曲面是實現豐富瓶型的重要因素。結合公司生產實際，將工藝路線轉變為粗加工—精加工—局部精修整的工藝方案。

傳統加工工藝中，粗加工無法滿足直接精加工的要求，由半精加工進行再次整體切削。粗加工完成后，高性能NC機床加工尺寸精度符合直接加工條件?？刹扇⌒≈睆降毒哌M行局部精修整。避免了重復加工。

精加工過程中加工區域重疊等問題為認為因素引起，可以通過引入針對性的變成軟件避免，結合公司生產實際需求，選用Tebis軟件。Tebis要包括新產品設計，刀具與模具設計，自動編程等。刀具路徑生成功能快捷。

應用Tebis區域劃分功能解決精加工中區域重疊的問題，避免加工區域重復，加工軌跡更均勻光滑。使用Tebis軟件清角區域自動計算功能，設定的型腔曲面精工后需清角區域合理，圓角加工質量好。

6 型腔曲面高速精加工表面粗糙度實驗

6.1 單因素銑削實驗

精密機械有限公司模具型腔采用手工拋光工藝，單位時間金屬去除量小，加工后表面粗糙度對拋光工序加工余量影響大。采用實驗方法研究表面粗糙度隨切削工藝參數的變化規律，通過建立表面粗糙度預估模型，為合理選擇吹塑模具型腔零件切削參數提供理論依據。

設備具有加速度與加加速度平滑處理功能，能避免高速為加工時發生數據饑餓限制給進速度等現象。選用SANSDVIK CoroMill Plura整體硬質合金涂層求銑刀，CoroMill Plura銑刀可經受恒定高切削速度。實驗采用工件表面質量測量儀器為SURFTEST SV-3100W4型表面粗糙度儀，是具有高精度的新產品。

采用單因素銑削實驗，研究型腔高速加工表面粗糙度變化規律。實驗選擇150x50x30mm的矩形塊狀，實驗前經粗加工獲得90°臺階狀輪廓，球頭立銑刀軸線與被加工面呈45°夾角。采用高等切削沿斜面插補。

銑削加工獲得工件表面刀痕間距均勻，表面粗糙測量垂直于進給防滲取樣。將實驗零件置于90°V型塊中，粗糙度取樣沿斜面插補方向，實際輪廓粗糙度分析范圍取4mm，1.2085格里茲模具表面粗糙度切削參數組合為，進給量f2=0.075，.軸向切削深度ap=0.15mm。

6.2 基于表面粗糙度的高速加工切削參數優化

合理選擇切削參數對工件加工效率具有積極意義。通過正交試驗選擇高速加工切削參數。生產實踐中，試制新產品，需花費時間，消耗人力做實驗。全面實驗能較準確的反映現實規律，但困難大，正交試驗優點是對大量全面實驗因素組合進行簡化，挑選具有代表性的試驗點，尋找各因素的最優水平。

正交試驗獲得最優切削參數組合為，Vc=270m/min，ap=0.15mm，fz=0.08mm/tooth，正交試驗獲得零件表面粗糙度變化規律與單因素切削變化趨勢一致，正交試驗次數有限，對比實驗結果有一定的差異。

正交試驗優選最佳切削參數中，徑向ac與fz處于相對較小值。忽略加工效率的切削參數優化實驗在實際生產中缺乏指導意義。以表面粗糙度為優化目標，通過恒定金屬切削除率尋求切削參數。

表面粗糙度變化范圍在0.383-0.921μm，不同切削參數進行組合后，對被加工表面粗糙度影響較大。在恒定金屬切削除率精銑加工實驗中，切削速度高的銑削參數組合可獲得表面質量較高，相關參數交互作用實驗獲得表面粗糙度最小。獲得最小表面粗糙度的優化切削參數組合為Vc=300m/min，ap=0.15mm，.金屬切削率Q=0.04777mm3/min，加工效率得到明顯提升。

7 結語

本文針對精密機械有限公司進口制瓶配套模具國產化，吹塑模生產效率低下等問題，分析PET制瓶流程，圍繞設備配瓶吹塑模具加工技術，通過現場實際加工實驗對比，對型腔工藝路線等進行了系統研究，為提高產品質量土功能參考方案。

參考文獻

[1] 聶婷.基于LMD和ELM的鋁電解槽故障診斷方法研究[D].中國礦業大學，2015.

[2] jabs. The Baltic Sea region： hard and soft security reconsidered， Māris Andāns & Ilvija Brue （eds）， Riga， Latvian Institute of International Affairs， 2016， 206 pp.， ISBN 978-9984-583-88-4[J]. Journal of Baltic Studies，2018，49（1）.

[3] 李建國.油瓶吹塑模具設計與制造工藝分析[J].模具技術，2003（06）：28-30.

[4] 杜海清.PET吹塑制瓶模具型腔零件加工工藝研究[D].浙江工業大學，2012.