吹塑成型管坯彎曲裝置設(shè)計(jì)

毛欣然，劉淑梅，胡祚庥，張銀龍，謝 碩

（1.上海工程技術(shù)大學(xué) 材料工程學(xué)院，上海 201620；2.上海龍達(dá)塑料科技股份有限公司，上海 201605）

0 引言

吹塑成型是生產(chǎn)塑料中空制品的一種常用方法，與擠出成型和注射成型相比，其模具費(fèi)用低廉，可成型形狀復(fù)雜、性能較高的制品[1,2]。但傳統(tǒng)吹塑成型工藝在加工彎曲管狀制品時(shí)，模具只能沿模架水平方向合模，此時(shí)型坯的平折寬度必須大于制品的投影寬度，會(huì)產(chǎn)生大量飛邊且生產(chǎn)效率較低[3,4]。

有效的解決方案是在模具一端增加1個(gè)可以開合的第三模，生產(chǎn)時(shí)動(dòng)模先與定模合模，型坯定位后，第三模閉合并吹塑成型[5]。對(duì)比傳統(tǒng)吹塑模與管坯彎曲裝置分別加工的制品，圖1（a）所示為傳統(tǒng)模具加工的制品，夾邊較長(zhǎng)且產(chǎn)生大量飛邊，夾邊處的熔接痕會(huì)影響制品力學(xué)性能和表面質(zhì)量，較大的飛邊也要求模具有較大的鎖模力；圖1（b）所示為使用管坯彎曲裝置加工的制品，此時(shí)只有兩端夾邊，制品飛邊少，材料利用率高。較少的飛邊使成型所需的鎖模力降低，不易出現(xiàn)溢料，提高了良品率。

圖1 傳統(tǒng)吹塑模與管坯彎曲裝置加工的制品對(duì)比

1 管坯彎曲裝置設(shè)計(jì)

吹塑成型管坯彎曲裝置如圖2所示，主要由主模具、第三模及其動(dòng)作機(jī)構(gòu)三部分組成。轉(zhuǎn)臂與第三模連接，其運(yùn)動(dòng)軌跡由限位連桿控制，第三模與動(dòng)模鉸接，液壓桿推動(dòng)限位連桿使第三模繞鉸接軸做開合運(yùn)動(dòng)。合模前，第三模處于打開狀態(tài)，如圖2虛線所示。擠出機(jī)擠出額定坯料后，動(dòng)模在機(jī)床鎖模裝置推動(dòng)下與定模合模，將坯料下端定位，之后液壓桿使第三模轉(zhuǎn)動(dòng)合模，將坯料上端轉(zhuǎn)過(guò)一定角度后被壓在定模上，壓力機(jī)鎖模力通過(guò)限位連桿和轉(zhuǎn)臂由動(dòng)模座板傳遞至第三模上。型坯在模具內(nèi)吹脹成型后，第三模先打開，而后動(dòng)模開模，完成成型工序。

圖2 吹塑成型管坯彎曲裝置

相比于傳統(tǒng)吹塑模，該裝置利用第三模的開合運(yùn)動(dòng)構(gòu)成一個(gè)與制品彎曲角度相同的分型面。所需的型坯直徑可略小于制品寬度而長(zhǎng)度略大于制品總長(zhǎng)，保證型坯上下兩端夾邊形成封閉腔體即可。相比傳統(tǒng)工藝一次只能成型1件制品，管坯彎曲裝置縮小了單個(gè)型坯直徑，一次可成型4件制品，提高了生產(chǎn)效率，減少了制品夾邊長(zhǎng)度和飛邊面積，降低了成型過(guò)程中所需要的鎖模力。同時(shí)借助連桿機(jī)構(gòu)將機(jī)床水平方向的鎖模力均勻分布在分型面上，使模具同時(shí)在水平和豎直方向上都具備足夠的鎖模力。

2 連桿設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1 定義變量

由于模具零件較多且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，直接建立仿真運(yùn)算量較大，去除不必要的零件，將管坯彎曲裝置簡(jiǎn)化為連桿機(jī)構(gòu)[6]。其中限位連桿、轉(zhuǎn)臂、第三模和動(dòng)模構(gòu)成平面四連桿機(jī)構(gòu)，簡(jiǎn)化后連桿機(jī)構(gòu)如圖3所示。AB為限位連桿，BC為轉(zhuǎn)臂，DC為第三模，AD視為模架，AB由液壓缸驅(qū)動(dòng)，作為主動(dòng)件。第三模打開狀態(tài)對(duì)應(yīng)AB′、B′C′和C′D。

圖3 平面四連桿機(jī)構(gòu)

受開模距離、壓力機(jī)與制品尺寸的限制，CD與DE長(zhǎng)度取定值，α2與α3角取定值，為盡可能增加第三模的鎖模力，α1設(shè)定為45°。

2.2 建立目標(biāo)函數(shù)

根據(jù)機(jī)構(gòu)工作特性，通過(guò)調(diào)整AB、BC桿長(zhǎng)度，使開模時(shí)α3角應(yīng)盡量大，合模時(shí)鎖模力盡量大，因此建立如下目標(biāo)函數(shù)。

合模時(shí)：

開模時(shí)：

2.3 約束條件

為控制后續(xù)優(yōu)化中AB、BC桿長(zhǎng)度在合理范圍內(nèi)，同時(shí)避免機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)死點(diǎn)，設(shè)定約束條件如下：

確定連桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型為：

針對(duì)上述非線性多元函數(shù)計(jì)算，利用Matlab對(duì)約束優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行求解，得出最優(yōu)AB、BC桿長(zhǎng)度如表1所示。

表1 AB、BC桿長(zhǎng)度取值

3 基于Ansys的靜力學(xué)仿真

3.1 模型建立

為減少試模過(guò)程中因模具設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致的浪費(fèi)，采用有限元分析軟件Ansys建立模具的力學(xué)分析模型，通過(guò)模擬計(jì)算驗(yàn)證設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，將吹塑成型管坯彎曲裝置按最優(yōu)AB、BC桿長(zhǎng)度進(jìn)行建模，導(dǎo)入Ansys靜力學(xué)仿真模塊進(jìn)行數(shù)值模擬[7]。建立的模型如圖4所示，其中F1=7 854 N，F(xiàn)2=4 805 N，F(xiàn)3=70 000 N，F(xiàn)4=5 000 N。

單個(gè)制品在動(dòng)模上的投影面積為0.023 1 m2，在第三模上的投影面積為0.014 1 m2，制品成型時(shí)最大吹脹壓力為0.85 MPa。模具為1模4腔結(jié)構(gòu)，則作用在動(dòng)模上的脹模力F1為7 854 N，作用在第三模上的脹模力F2為4 805 N。

成型時(shí)，定模固定在壓力機(jī)上，動(dòng)模與定模分型面的鎖模力直接由壓力機(jī)鎖模機(jī)構(gòu)提供，第三模與定模分型面的鎖模力由連桿、動(dòng)模座板與液壓桿提供。在模擬過(guò)程中可認(rèn)為定模固定，不受脹模力影響；動(dòng)模脹模力為F1，第三模脹模力為F2，動(dòng)模座板受到的鎖模力為F3，液壓桿壓力為F4。裝置所受力方向如圖4所示。

圖4 仿真模型

3.2 鎖模力仿真校核

在對(duì)成型工序進(jìn)行仿真前，首先對(duì)模具鎖模力進(jìn)行校核，鎖模過(guò)程中模具變形結(jié)果如圖5所示。

圖5 鎖模過(guò)程中模具變形結(jié)果

限位連桿與轉(zhuǎn)臂連接處受到液壓桿推力作用，變形量最大為0.12 mm。由AB、BC桿長(zhǎng)度取值可知，此處變形量達(dá)到0.51 mm時(shí)，AB、BC桿運(yùn)動(dòng)至共線位置，此時(shí)連桿機(jī)構(gòu)到達(dá)止點(diǎn)。連桿變形量滿足機(jī)構(gòu)運(yùn)行要求。

第三模型腔面鎖模力曲線如圖6所示。

圖6 第三模型腔面鎖模力曲線

為使模具緊密閉合，第三模上的鎖模力應(yīng)比脹模力F2大20%～30%，由圖6可知第三模型腔面鎖模力最小為7 692 N，滿足成型要求。型腔面最大與最小鎖模力相差333 N，鎖模力偏差為4.2%，分布較為均勻。經(jīng)仿真校核，吹塑成型管坯彎曲裝置鎖模力滿足制品成型要求。

3.3 成型過(guò)程仿真校核

基于吹塑成型管坯彎曲裝置實(shí)際工況，利用Ansys靜力學(xué)仿真模塊進(jìn)行數(shù)值模擬，分析模具型腔面變形量，驗(yàn)證裝置設(shè)計(jì)合理性。成型過(guò)程中第三模變形量及探針位置如圖7所示。

圖7 第三模變形量及探針位置

成型過(guò)程中第三模繞鉸接軸向上偏轉(zhuǎn)變形，遠(yuǎn)端最大變形量為0.086 5 mm。由于制品材料為HDPE，其流動(dòng)性較差，制品飛邊處不會(huì)出現(xiàn)溢料現(xiàn)象。在圖7中選取12個(gè)探針點(diǎn)表征模具分型面變形量，各點(diǎn)變形量如表2所示。

表2 模具分型面探針點(diǎn)變形量

由表2可以看出，由于轉(zhuǎn)臂連接在第三模中線位置，模具兩側(cè)沒(méi)有支撐，其變形量高于中間部分，即1、6號(hào)探針處和7、12號(hào)探針處的變形量較大。根據(jù)2、3、4、5號(hào)探針和8、9、10、11號(hào)探針得出，各型腔之間變形量最大相差0.001 1 mm，單個(gè)型腔前后位置變形量相差0.053 mm。制品對(duì)應(yīng)2號(hào)探針點(diǎn)處高度為35 mm，采用MT4級(jí)公差，尺寸上偏差為0.18 mm。由表2可知，模具型腔最大變形量為0.069 7 mm，滿足制品尺寸精度要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)數(shù)學(xué)建模的方式設(shè)計(jì)優(yōu)化吹塑成型管坯彎曲裝置連桿機(jī)構(gòu)，優(yōu)化后限位桿（AB桿）長(zhǎng)度為288 mm，轉(zhuǎn)臂（BC桿）長(zhǎng)度為306.3 mm，此時(shí)裝置第三模鎖模力最小為7 692 N，模具變形量最大為0.069 7 mm，滿足制品成型要求。模具和制品實(shí)物如圖8所示。

圖8 模具和制品實(shí)物

優(yōu)化后的吹塑成型管坯彎曲裝置提高了生產(chǎn)效率，減少了制品夾邊長(zhǎng)度和飛邊面積，降低了成型過(guò)程所需的鎖模力，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。