吹塑制品加工技術(shù)三階段的建模、仿真和分析

聚合物要成為具有使用價值的材料，須經(jīng)過加工成型，故聚合物加工成型技術(shù)的發(fā)展決定著聚合物材料科學(xué)技術(shù)的總體發(fā)展水平。 吹塑制品加工技術(shù)是第三大聚合物成型技術(shù)，更是近期發(fā)展較快的一種聚合物成型技術(shù)。 與廣泛應(yīng)用的注塑技術(shù)相比，吹塑的裝備和模具造價較低 ( 如吹塑汽車保險杠和導(dǎo)流板的模具造價約為注塑的 1 /4) 、鎖模力小 ( 吹塑型坯的吹脹壓力一般低于 1MPa，而注塑模腔內(nèi)熔體壓力一般為 15 ～140MPa) 、能耗較低、適應(yīng)性強 ( 可成型結(jié)構(gòu)復(fù)雜、雙壁的制作) ，成型的工業(yè)制件整體性高、綜合性能好、附加值高、缺陷較小、成本較低，因而 吹塑制品加工技術(shù)在汽車工業(yè)等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。 

近期，吹塑工業(yè)配件向復(fù)雜化和大型化方向發(fā)展。然而，汽車等工業(yè)配件吹塑制品中存在材料消耗大、加工能耗高和生產(chǎn)效率低等突出問題。 汽車內(nèi)的各種連接管和通風(fēng)管的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，多呈三維彎曲狀，其吹塑時會產(chǎn)生大量的飛邊。 如某汽車配件制造公司采用常規(guī) 吹塑制品加工技術(shù)生產(chǎn)的一種汽車管件的飛邊質(zhì)量為該配件質(zhì)量的 2 倍多；吹塑的某車型排水罐連接管的飛邊質(zhì)量為該連接管質(zhì)量的 9 倍。此外，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且壁厚差異較大的吹塑制件，存在表觀性能和成型合格率低等問題。 

吹塑制品加工技術(shù)包括型坯成型、型坯吹脹和制品冷卻 3 個階段，它們直接影響吹塑制品的尺寸和各種性能，而且是決定吹塑過程材料和能量消耗的主要因素。

1、型坯成型

型坯成型階段主要受離模膨脹和垂伸這兩種復(fù)雜流變現(xiàn)象的影響，它們的綜合效應(yīng)決定了型坯吹脹前的尺寸和形狀。

1) 型坯尺寸的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測。基于實驗或有限元( FE) 模擬獲得的系列數(shù)據(jù)，建立了可在一定范圍內(nèi)預(yù)測型坯尺寸( 直徑 D和壁厚 H) 分布的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)( NN) 模型。

將 NN 方法應(yīng)用于受多因素影響的型坯成型的研究，可確定型坯尺寸與機械參數(shù)、材料性能參數(shù)和吹塑制品加工參數(shù)之間的定量關(guān)系，具有不需或 Z少的簡化假設(shè)、不需采用本構(gòu)方程、可在線預(yù)測、較快的響應(yīng)等優(yōu)點。利用建立的 NN 模型預(yù)測的結(jié)果與實驗結(jié)果很吻合，為型坯尺寸的在線控制提供了理論依據(jù)。

2) 變機頭?？陂g隙下型坯尺寸的模擬。

對每個預(yù)設(shè)的?？陂g隙，均采用 FE 法進行一次模擬；把在各個模口間隙下模擬獲得的型坯子段組合在一起，即可得到模口間隙變化情況下擠出的整段型坯，獲得的吹塑制品型坯輪廓和尺寸分布應(yīng)與實驗結(jié)果比較吻合。

2、型坯吹脹

吹脹階段型坯要經(jīng)受大變形，且涉及幾何、材料和接觸三方面的非線性，故對其建模和仿真有較大的難度。從對型坯( 薄殼) 微體積元的力平衡出發(fā)，建立型坯自由吹脹的物理模型?；诒∧そ坪?span lang="EN-US"> neo-Hookean 本構(gòu)關(guān)系，推導(dǎo)出描述型坯自由吹脹的數(shù)學(xué)模型。上述建立的數(shù)學(xué)模型可用于預(yù)測型坯自由吹脹時局部的拉伸比、軸向和周向的局部應(yīng)力分布以及壁厚分布，還可預(yù)測型坯的自由吹脹對材料性能、型坯尺寸和 吹塑制品加工參數(shù)等的依賴性。

3、制品冷卻與固化

吹塑制品的冷卻效率直接影響吹塑的生產(chǎn)率和能耗，而且是制品內(nèi)形成的晶體結(jié)構(gòu)的主要影響因素之一，其少量變化就會導(dǎo)致晶體生長從而使制品性能發(fā)生較大變化。可以建立吹塑制品冷卻階段的三維溫度場、結(jié)晶動力學(xué)和制品楊氏模量 ( E) 的數(shù)學(xué)模型。

通過模擬，預(yù)測了吹塑制品壁內(nèi)的瞬態(tài)溫度分布，并與實驗結(jié)果進行比較，為進一步分析制品的微結(jié)構(gòu)性能( 取向度、結(jié)晶度、密度和殘余熱應(yīng)力 ) 和性能提供溫度數(shù)據(jù)。

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