吹塑制品加工技术三阶段的建模、仿真和分析

吹塑制品加工技术三阶段的建模、仿真和分析

聚合物要成为具有使用价值的材料，须经过加工成型，故聚合物加工成型技术的发展决定着聚合物材料科学技术的总体发展水平。 吹塑制品加工技术是第三大聚合物成型技术，更是近期发展较快的一种聚合物成型技术。 与广泛应用的注塑技术相比，吹塑的装备和模具造价较低 ( 如吹塑汽车保险杠和导流板的模具造价约为注塑的 1 /4) 、锁模力小 ( 吹塑型坯的吹胀压力一般低于 1MPa，而注塑模腔内熔体压力一般为 15 ～140MPa) 、能耗较低、适应性强 ( 可成型结构复杂、双壁的制作) ，成型的工业制件整体性高、综合性能好、附加值高、缺陷较小、成本较低，因而 吹塑制品加工技术在汽车工业等领域得到越来越广泛的应用。 

近期，吹塑工业配件向复杂化和大型化方向发展。然而，汽车等工业配件吹塑制品中存在材料消耗大、加工能耗高和生产效率低等突出问题。 汽车内的各种连接管和通风管的结构复杂，多呈三维弯曲状，其吹塑时会产生大量的飞边。 如某汽车配件制造公司采用常规 吹塑制品加工技术生产的一种汽车管件的飞边质量为该配件质量的 2 倍多；吹塑的某车型排水罐连接管的飞边质量为该连接管质量的 9 倍。此外，结构复杂且壁厚差异较大的吹塑制件，存在表观性能和成型合格率低等问题。 

吹塑制品加工技术包括型坯成型、型坯吹胀和制品冷却 3 个阶段，它们直接影响吹塑制品的尺寸和各种性能，而且是决定吹塑过程材料和能量消耗的主要因素。

1、型坯成型

型坯成型阶段主要受离模膨胀和垂伸这两种复杂流变现象的影响，它们的综合效应决定了型坯吹胀前的尺寸和形状。

1) 型坯尺寸的神经网络模型预测。基于实验或有限元( FE) 模拟获得的系列数据，建立了可在一定范围内预测型坯尺寸( 直径 D和壁厚 H) 分布的神经网络( NN) 模型。

将 NN 方法应用于受多因素影响的型坯成型的研究，可确定型坯尺寸与机械参数、材料性能参数和吹塑制品加工参数之间的定量关系，具有不需或 Z少的简化假设、不需采用本构方程、可在线预测、较快的响应等优点。利用建立的 NN 模型预测的结果与实验结果很吻合，为型坯尺寸的在线控制提供了理论依据。

2) 变机头模口间隙下型坯尺寸的模拟。

对每个预设的模口间隙，均采用 FE 法进行一次模拟；把在各个模口间隙下模拟获得的型坯子段组合在一起，即可得到模口间隙变化情况下挤出的整段型坯，获得的吹塑制品型坯轮廓和尺寸分布应与实验结果比较吻合。

2、型坯吹胀

吹胀阶段型坯要经受大变形，且涉及几何、材料和接触三方面的非线性，故对其建模和仿真有较大的难度。从对型坯( 薄壳) 微体积元的力平衡出发，建立型坯自由吹胀的物理模型。基于薄膜近似和 neo-Hookean 本构关系，推导出描述型坯自由吹胀的数学模型。上述建立的数学模型可用于预测型坯自由吹胀时局部的拉伸比、轴向和周向的局部应力分布以及壁厚分布，还可预测型坯的自由吹胀对材料性能、型坯尺寸和 吹塑制品加工参数等的依赖性。

3、制品冷却与固化

吹塑制品的冷却效率直接影响吹塑的生产率和能耗，而且是制品内形成的晶体结构的主要影响因素之一，其少量变化就会导致晶体生长从而使制品性能发生较大变化。可以建立吹塑制品冷却阶段的三维温度场、结晶动力学和制品杨氏模量 ( E) 的数学模型。

通过模拟，预测了吹塑制品壁内的瞬态温度分布，并与实验结果进行比较，为进一步分析制品的微结构性能( 取向度、结晶度、密度和残余热应力 ) 和性能提供温度数据。

精通吹塑|吹塑制品定制