吹塑成型管坯彎曲裝置設計

毛欣然，劉淑梅，胡祚庥，張銀龍，謝 碩

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

0 引言

吹塑成型是生產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，其模具費用低廉，可成型形狀復雜、性能較高的制品[1,2]。但傳統吹塑成型工藝在加工彎曲管狀制品時，模具只能沿模架水平方向合模，此時型坯的平折寬度必須大于制品的投影寬度，會產生大量飛邊且生產效率較低[3,4]。

有效的解決方案是在模具一端增加1個可以開合的第三模，生產時動模先與定模合模，型坯定位后，第三模閉合并吹塑成型[5]。對比傳統吹塑模與管坯彎曲裝置分別加工的制品，圖1（a）所示為傳統模具加工的制品，夾邊較長且產生大量飛邊，夾邊處的熔接痕會影響制品力學性能和表面質量，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，不易出現溢料，提高了良品率。

圖1 傳統吹塑模與管坯彎曲裝置加工的制品對比

1 管坯彎曲裝置設計

吹塑成型管坯彎曲裝置如圖2所示，主要由主模具、第三模及其動作機構三部分組成。轉臂與第三模連接，其運動軌跡由限位連桿控制，第三模與動模鉸接，液壓桿推動限位連桿使第三模繞鉸接軸做開合運動。合模前，第三模處于打開狀態，如圖2虛線所示。擠出機擠出額定坯料后，動模在機床鎖模裝置推動下與定模合模，將坯料下端定位，之后液壓桿使第三模轉動合模，將坯料上端轉過一定角度后被壓在定模上，壓力機鎖模力通過限位連桿和轉臂由動模座板傳遞至第三模上。型坯在模具內吹脹成型后，第三模先打開，而后動模開模，完成成型工序。

圖2 吹塑成型管坯彎曲裝置

相比于傳統吹塑模，該裝置利用第三模的開合運動構成一個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度略大于制品總長，保證型坯上下兩端夾邊形成封閉腔體即可。相比傳統工藝一次只能成型1件制品，管坯彎曲裝置縮小了單個型坯直徑，一次可成型4件制品，提高了生產效率，減少了制品夾邊長度和飛邊面積，降低了成型過程中所需要的鎖模力。同時借助連桿機構將機床水平方向的鎖模力均勻分布在分型面上，使模具同時在水平和豎直方向上都具備足夠的鎖模力。

2 連桿設計優化

2.1 定義變量

由于模具零件較多且結構復雜，直接建立仿真運算量較大，去除不必要的零件，將管坯彎曲裝置簡化為連桿機構[6]。其中限位連桿、轉臂、第三模和動模構成平面四連桿機構，簡化后連桿機構如圖3所示。AB為限位連桿，BC為轉臂，DC為第三模，AD視為模架，AB由液壓缸驅動，作為主動件。第三模打開狀態對應AB′、B′C′和C′D。

圖3 平面四連桿機構

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

2.2 建立目標函數

根據機構工作特性，通過調整AB、BC桿長度，使開模時α3角應盡量大，合模時鎖模力盡量大，因此建立如下目標函數。

合模時：

開模時：

2.3 約束條件

為控制后續優化中AB、BC桿長度在合理范圍內，同時避免機構運動過程中出現死點，設定約束條件如下：

確定連桿機構優化的數學模型為：

針對上述非線性多元函數計算，利用Matlab對約束優化問題進行求解，得出最優AB、BC桿長度如表1所示。

表1 AB、BC桿長度取值

3 基于Ansys的靜力學仿真

3.1 模型建立

為減少試模過程中因模具設計不合理導致的浪費，采用有限元分析軟件Ansys建立模具的力學分析模型，通過模擬計算驗證設計的準確性，將吹塑成型管坯彎曲裝置按最優AB、BC桿長度進行建模，導入Ansys靜力學仿真模塊進行數值模擬[7]。建立的模型如圖4所示，其中F1=7 854 N，F2=4 805 N，F3=70 000 N，F4=5 000 N。

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

成型時，定模固定在壓力機上，動模與定模分型面的鎖模力直接由壓力機鎖模機構提供，第三模與定模分型面的鎖模力由連桿、動模座板與液壓桿提供。在模擬過程中可認為定模固定，不受脹模力影響；動模脹模力為F1，第三模脹模力為F2，動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

在對成型工序進行仿真前，首先對模具鎖模力進行校核，鎖模過程中模具變形結果如圖5所示。

圖5 鎖模過程中模具變形結果

限位連桿與轉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桿長度取值可知，此處變形量達到0.51 mm時，AB、BC桿運動至共線位置，此時連桿機構到達止點。連桿變形量滿足機構運行要求。

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 成型過程仿真校核

基于吹塑成型管坯彎曲裝置實際工況，利用Ansys靜力學仿真模塊進行數值模擬，分析模具型腔面變形量，驗證裝置設計合理性。成型過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

成型過程中第三模繞鉸接軸向上偏轉變形，遠端最大變形量為0.086 5 mm。由于制品材料為HDPE，其流動性較差，制品飛邊處不會出現溢料現象。在圖7中選取12個探針點表征模具分型面變形量，各點變形量如表2所示。

表2 模具分型面探針點變形量

由表2可以看出，由于轉臂連接在第三模中線位置，模具兩側沒有支撐，其變形量高于中間部分，即1、6號探針處和7、12號探針處的變形量較大。根據2、3、4、5號探針和8、9、10、11號探針得出，各型腔之間變形量最大相差0.001 1 mm，單個型腔前后位置變形量相差0.053 mm。制品對應2號探針點處高度為35 mm，采用MT4級公差，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 結束語

通過數學建模的方式設計優化吹塑成型管坯彎曲裝置連桿機構，優化后限位桿（AB桿）長度為288 mm，轉臂（BC桿）長度為306.3 mm，此時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。模具和制品實物如圖8所示。

圖8 模具和制品實物

優化后的吹塑成型管坯彎曲裝置提高了生產效率，減少了制品夾邊長度和飛邊面積，降低了成型過程所需的鎖模力，滿足設計指標要求。