500 mL PP塑料瓶吹塑成型的数值计算及优化.docx

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1、摘要：PP塑料瓶成型过程受多种因素影响，为了预测PP塑料瓶的厚度分布情况，建立了500m1.PP塑料瓶吹塑成型时模具及型坯的有限元模型，设置了型坯和模具各部分的边界参数，并采用有限元分析软件对500m1.PP塑料瓶型坯从合模到吹塑成型的过程进行数值计算，通过在成型型坯上截取不同位置的测试点，计算得到了在不同吹气压力下，型坯在成型过程中的成型速度及壁厚分布变化情况。同时，将计算得到的数值与PP塑料瓶目标厚度进行比较，从而确定吹气压力对壁厚的影响，并对成型壁厚进行优化分析。最后提出了模具优化建议，对PP塑料瓶实际生产具有一定的指导意义。关键词：PP塑料瓶；吹塑成型；数值计算；壁厚；优化分析0引言塑

2、料中空吹塑成型是将基础成型或注射成型的半熔融状态的塑料型坯，趁热置于各种形状的模具中，在拉伸杆运动和压缩空气吹胀的共同作用下，使其紧贴于模腔壁上成型，经冷却脱模后得到中空制件的热成型过程。塑料瓶成型工艺流程如图1所示，包括下料、合模、吹胀、灌装、封口和开模6个步骤。型坯延伸经过模子，当型坯达到适当长度时，模子关闭，型坯底部箍缩关闭；型坯顶部用夹板固定好位置，切断型坯；吹气时，将已经过滤和压缩的空气吹进型坯，使型坯膨胀、坯壁紧贴模子空穴，瓶子形成；将定量的产品通过灌装喷嘴灌进瓶子；装完瓶子后，各封模关闭，形成容器顶部，并将瓶子密封；瓶子密封后，模子打开；完成整个塑料瓶成型、灌装封口的过程。由于此

3、过程受多种因素的影响，如果通过反复试验获得制品信息，则花费周期长、成本高，导致生产效率低下。因此，国内外研究者对吹塑成型过程进行了大量的数值模拟研究，通过模拟结果来指导实际生产。譬如，对PP塑料瓶拉伸吹塑过程进行了研究及模拟；对3D挤出吹塑型坯的吹胀过程数值进行模拟分析和讨论，得出了材料参数、型坯的初始条件、吹胀压力等工艺参数对型坯吹胀过程均有影响的结论；也对挤出吹塑型坯的吹胀过程进行了有限元仿真分析。（八）下科(b)合模(c)吹胀本文采用有限元软件对500m1.PP塑料瓶成型过程进行仿真分析，探究不同的吹气压力及成型温度条件对PP塑料瓶成型厚度的影响，优化成型壁厚，并提出了对成型模具的优化建

4、议。1 数学模型1.1 控制方程PP聚合物材料的流动过程不能简单地用牛顿流体描述，本文采用广义牛顿流体对型坯流动过程进行分析。在整个合模吹胀过程中，PP材料需遵循的质量、动量和本构方程要求如下:连续性方程：Vv=O(1)动量方程：二VrV5tf.=2(2)本构方程：=2(y,T)D(3)式中V流体速度，m/s；P压力，Pa；附加应力张量，Pa；W一一体积力，N；P密度，kg/m3；a加速度，m/s2;Y剪切速率，1/s；tI黏度，Pas；T-一一温度，K；D形变速率张量，1/so1.2 本构模型本文选用广义牛顿流体分析PP聚合物材料的流动过程，可最大程度地反映不同工艺条件对吹塑成型过程中型坯厚

5、度的作用效果。7=7o式中77a一一零剪切黏度，PaSo2 几何模型2.1 模型简化50Om1.型坯模具模型大体由夹板、封模和主模3个部分组成。夹板对型坯起到夹紧和固定的作用，其中封模和主模构成了成型塑料瓶的整个内腔形状。图2为模具三维图。其中，才轴表示成型塑料瓶椭圆截面短半径方向；y轴表示型坯轴线方向，也是型坯挤出机下料方向；Z轴表示模具移动方向，也是成型塑料瓶椭圆截面长半径方向。图2模具三维图对模型中的零部件进行简化，保留仿真中的封模和主模两个部分。模型包括两个导向轴，在仿真模型中对型坯成型过程没有影响。将模型中的两个导向轴归类到封模部分，提取模具的内腔表面，模具简化如图3所示。由于模具具

6、有镜像对称特性，所以可提取模具的一半作为模拟对象。对模具而言不重要的圆角和边线等几何特征，在不影响模型精度的基础上进行简化，保留刃口和余料槽等细节特征，如图4所示。图3模具简化75mm图4刃和余料槽2.2 网格划分模具高290mm、宽75mm,结合模具几何特征进行网格划分。其中，模具内腔表面采用三角形网格，型坯采用四边形平板壳单元，总体网格数量为34481个。网格模型如图5所示。图5网格模型.3边界条件设置表1为型坯和模具边界参数。不考虑模具表面的粗糙度对成型质量的影响，型坯的初始温度为170,模具内部有冷却水管路流通，持续为模具降温，保证模具的温度维持在室温下。高温型坯在贴合模具壁面后被迅速

7、冷却，黏度增加，可认为型坯在贴合模具壁面后不再与模具发生相对滑移，在型坯表面施加无滑移边界条件，设置模具内腔表面为绝热壁面。表1型坯和模具边界参数物理三性参数模具表面绝犍面型坯材料巴塞尔PPRP270G型坯密度900kgm3型坯温度170型坯初始钻度10*Pa-s钻弹性模型Cross-1.aw模型接触条件型坯和模具接触后无滑移3 计算结果及分析4 .1成型壁厚分析图6图9分别显示了吹气压力为0.1MPa、0.15MPa、0.2MPa和0.25MPa时，型坯壁厚小于0.4mm和小于0.6mm的分布情况。通过对比可以看出，型坯壁厚分布趋势基本一致。壁厚小于04mm的区域集中在瓶底部分，瓶底最底部的

8、壁厚为0.32mm左右。壁厚小于0.6mm的区域集中在瓶身椭圆截面长半径区域和瓶底。其中，瓶身中部椭圆截面长半径方向上的壁厚超过了0.6mm,这是由于在吹气成型过程中，型坯最先在该处壁面贴合所致。除了瓶底区域外，椭圆截面短半径区域的壁厚也大于0.6mm,瓶身上部区域的壁厚均大于0.6Inm。96灼勤为0.1购小于(U*区*（八）MT0.6m的区域(b)(b)S7吹气压力为0.15蜓时,壁厚小于0.4所区域（八）和小于0.6mm的区域(b)图8吹黑压力为0.2黯时，壁厚小于0.4m区域（八）和小于06m的区域(b)图9吹黑压力为0.25IIPa时，壁厚勺于0.4m区域（八）和小于0.6E的区域(

9、b)以吹气压力0.1MPa为例，在型坯椭圆截面长半径方向上做切面,画出壁厚在该切面上沿卜轴方向变化的曲线分布情况，如图10所示。横坐标为型坯高度方向，纵坐标为壁厚值。初始型坯壁厚2mm,中间波动的实线为成型后壁厚分布曲线，虚线为目标壁厚0.4mmo从图10可以看出，在片-20Onnn处，即成型塑料瓶底部区域，成型型坯壁厚略小于0.4mmo图10在型坯椭圆截面长半径方向上的壁厚沿）轴方向变化的曲线分布情况图11四种工况下型坯壁厚沿椭圆截面长半径方向分布曲线图12在型坯椭圆截面短半径方向上的壁厚沿轴方向变化的曲线分布情况11为四种吹气压力下型坯壁厚沿椭圆截面长半径方向的分布曲线。可以看出，这四种压

10、力工况下壁厚分布基本一致，差异很小。以吹气压力0.1MPa为例，在型坯椭圆截面短半径方向上做切面，画出壁厚在该切面上沿卜轴方向变化的曲线分布情况，如图12所示。横坐标为型坯高度方向，纵坐标为壁厚值。初始型坯壁厚为2mm,波动实线为成型后壁厚分布曲线，虚线为目标壁厚值06mmo从图12可以看出，在六-20OmnI附近，即成型塑料瓶底部区域，成型型坯壁厚略小于0.6mmo3.2 成型壁厚优化基于理想的成型塑料瓶壁厚要求，对初始型坯壁厚进行优化。假设沿瓶子高度方向，即Y轴方向，理想的瓶子成型壁厚如图13所示。瓶身部分理想壁厚为0.6mm,瓶颈部分理想成型壁厚为1mm,其他部分型坯通过挤出机挤出成型。

11、假设挤出机挤出的型坯壁厚可调，则可以对型坯的挤出壁厚进行优化。己知型坯长度（图14）为288mm,定义型坯壁厚变化长度间距为10mmone,Thick=oldThick+a-（与-1）OldThick（5）式中neThick新的型坯初始壁厚，mm：oldThick原始型坯初始壁厚，mm；he成型制品的理想壁厚，mm：hf一一仿真结束后得到的成型制品壁厚，mm；a松弛因子。图15为最终优化后得到的初始型坯壁厚分布沿型坯高度方向，即Y轴方向的分布曲线，图16和图17为优化后型坯及成型壁厚分布，图18和图19分别为壁厚小于0.4mm和小于0.6mm的区域。相比优化前壁厚分布情况，优化后的壁厚小于0.

12、4ITlm的区域和小于0.6mm的区域均有所减小。瓶底部分的成型壁厚明显增大，成型质量有所提高。瓶身部分椭圆截面长半径方向上壁厚小于0.4mm的区域很小，可忽略不计；图15优化后的初始型坯壁厚分布曲战THICKNESSContour188128.1287.4446.76160775393470940263.3422.6581.975THICKNESSContour120001.8001.6001.4121008000.60.40.2000.0图16优化后型坯壁厚分布图17优化后型坯成型壁厚分布图18壁厚小于0.4mm的区域图19壁厚小于0.6mm的区域Thjcknfss图20测试点位置3.3

13、不同工况下的塑料瓶成型速度分析图20为在型坯上设置的测试点位置，图21为吹气压力0.1MPaI况下，11个测试点的速度变化情况。110号测试点位于瓶身和瓶底,在主模合模后，受到压差作用，型坯贴向模具，各个测试点的速度增大，瞬时最大速度达到25m/s。型坯贴合上模具表面后，测试点速度降为零。11号测试点位于瓶盖处，在封模合模后，在压差作用下，型坯贴向模具。由于封模内的瓶盖模腔较小，11号测试点的瞬时最大速度不到1m/sO图22图25分别列出了吹气压力为0.1MPa、0.15MPa、0.2MPa和0.25MPa下测试点速度随时间的变化曲线，可以看出速度变化趋势一致。图21吹气压力0.1工况下，11

14、个测试点的速度变化情况PO.1MP4图22测试点速度随时间的变化曲线（工况1）P0.1SMP4I图23测试点速度随时间的变化曲线（工况2）ffv-W*VSoMM7*rt-一MMr11t图24测试点速度随时间的变化曲线（工况3）图25测试点速度随时间的变化曲线（工况4）4模具优化建议(1)在合模力满足要求的情况下，建议模具的分型面开在塑料瓶椭圆截面长半径方向上，这样分型面处的隙作为排气通道，可以加快型坯向椭圆截面长半径方向的贴壁速度。(2)模具底部的凹槽不宜过大，否则容易在脱模时划伤型坯表面，影响成型塑料瓶质量。(3)模具底部凹槽部分成型质量最差，建议在底部凹槽处开设若干排气孔。5结语(1)在四种吹气压力下，PP塑料瓶成型壁厚的分布趋势基本一致。瓶底大部分壁厚小于0.4mm,瓶身椭圆截面长半径区域和瓶底小部分区域壁厚小于06mm.经优化后，壁厚小于目标厚度的区域都有所减小，瓶底部分的成型壁厚明显增大，提高了成型质量。(2)在四种吹气压力下，成型速度曲线随时间变化趋势一致。110号测试点在主模合模后，受到压差作用，型坯贴向模具，各个测点的速度增大，瞬时最大速度达到25ms,型坯贴合上模具表面后，测试点速度降为零。11号测试点在封模合模后，在压差作用下，型坯贴向模具，瞬时最大速度不到1mso(3)在模