基于POLYFLOW的制杯机拉伸头结构的优化.pdf

5 4 塑料工业 CHI NA PLASTI CS I NDUS TRY 第 4 1卷第 8期 2 0 1 3年 8月 基于 P O L Y F L O W 的制杯机拉伸头结构的优化 周中河 ，陈少克，贺长林 ( 汕头大学工学 院机 械电子工程 系，广东 汕 头 5 1 5 0 6 3 ) 木 摘要：热成型过程是一个复杂的生产过程 ，而制杯机拉伸头的形状结构对于制品的壁厚分布起关键性作用。C A E 技术是 目前解决产 品开发 、加工及模 具设计 中薄弱环节 最有效 的途径 。比较 了采用公式 法和经 验法设 计拉 伸头 的优 劣。利用基于有限元法的计算机流体力学 ( C F D)软件 P O L Y F L O W，分析拉伸头关键尺寸对于壁厚分布的影响。以经 验拉伸头为基础，对拉伸头的形状结构进行了优化 ，为同类制杯机拉伸头形状结构的优化提供了一种新的方法。 关键词：热成型；拉伸头；壁厚 ；P O L Y F L O W；优化 DO I ：1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 5 5 7 7 0 2 0 1 3 0 8 0 1 4 中图分类 号：T Q 3 2 0 6 6 5 文献标识码 ：A 文章编号 ：1 0 0 55 7 7 0 ( 2 0 1 3 )0 8 0 0 5 4 0 5 The S ha p e Op t i mi z a t i o n f o r t he Cu p M a k i ng M a c hi ne s Pl ug Ba s e d o n Po l y flo w ZHOU Z h o n g h e， CHEN S h a o 。 k e， HE Ch a n g l i n ( T e c h t r o n i c a n d E l e c t r o n i c E n g i n e e r i n g D e p a r t m e n t ，E n g i n e e r i n g I n s t i t u t e ，S h a n t o u U n i v e r s i t y ，S h a n t o u 5 1 5 0 6 3 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ： Th e pr o c e s s o f t h e r mo f o r mi n g wa s a c o mp l e x p r o d u c t i o n p r o c e s s ， t h e s ha p e o f t h e c u p ma k i n g ma c h i n e S p l u g p l a y e d a k e y r o l e f o r t h i c k n e s s di s t r i b u t i o n o f t he p r o d u c t CAE wa s t h e mo s t e f f e c t i v e wa y for s o l v i ng t he we a k n e s s wh i c h ha p p e n e d i n c u r r e n t p r o d u c t de v e l o p me n t ， ma c h i n i n g a n d mo u l d d e s i g n Th e me r i t s o f p l ug de s i g n b y t h e f o r mu l a me t h o d a nd e mp i r i c a l me t h o d we r e c o mp a r e d Th e i mp o r t a n c e o f t h e k e y d i m e n s i o n s o f p l u g for t h i c k n e s s d i s t r i b u t i o n w a s a n a l y z e d u s i n g c o m p u t a t i o n a l fl u i d d y n a mi c s ( C F D) POLYF LOW s o f t wa r e b a s e d o n t he f i n i t e e l e me n t me t h o d Th e s h a p e o f p l ug wa s o p t i mi z e d b a s e d o n t h e e mp i r i c a l s h a p e wh i c h p r o v i d e d a n e w me t h o d for o p t i mi z i n g t he s h a p e o f t h e s i mi l a r c u p ma k i n g ma c hi n e S p l u g Ke y wo r ds：Th e r mo f o r mi n g； Pl u g； T hi c k n e s s ； POL YFL OW ； Op t i mi z a t i o n 热成型技术是以热塑性塑料片材为成型对象 的二 次成型技术 I 2 J 。在塑料加工领域 ，热成型被认 为 是一种具有很大发展潜力 的加 工方法 - 4 。热成 型 过程是一个复杂的生产过程 ，传统的热成型制品生产 中，从模具设计到加工过程的工艺参数控制 ，多采用 经验法。而设计的合理性只能通过试模才能知道，需 要经过反复的调试与修正，增加生产成本 ，延长产品 开发周期。C A E技术是 指在计算 机上运用专业 软件 对产品的生产过程进行模拟分析，以此来代替试制和 试验 ，提高一次试模 的成功率 ，缩短开发周期 ，降低 成本 - 6 。C A E技术 的运用是热成型加工 的一个 重 要里程碑 。 本文针对某一型号的制杯机，利用基于有限元法的 计算机流体力学 ( C F D)软件 P O L Y F L O Wl ，分析拉 伸头各个尺寸对于壁厚分布的影响。以经验拉伸头为基 础，对拉伸头的形状结构进行了优化。虽然本文方法具 有针对性 ，但为同类制杯机的拉伸头结构优化提供了一 种较好的方法。其 中采用 P O L Y F L O W 软件对于制杯机 热成型加工过程的具体模拟流程图如图 1 所示。 图 1 模 拟流程图 F i g 1 T h e s i mu l a t e d fl o w d i a g r a m 广东省汕头市工业攻关计划项目 ( 2 0 1 21 6 5 ) ，广东省汕头市产学研合作计划项目 ( 2 0 1 23 5 ) 作者简介：周中河，男，1 9 8 8年生，硕士，主要从事热成型机理研究。1 l z h z h o u l s t u e d u c n 第4 1 卷第 8期 周中河，等 ：基于 P O L Y F L O W的制杯机拉伸头结构的优化 1 现有拉伸头形状 结构设计 方案 热成型技术作为一个新兴技术 ，其模具的设计和 加工工艺参数的控制都不是十分成熟 。针对本文研究 的热成型机 中制杯机拉伸头的设计 ，目前主要有两种 设计方法 ，一是经验法 ，即凭借设计人员的经验与直 觉设计拉伸头结构 ；二是公式法 。从热成型技术发展 至今 ，国内外学者都 积极地展开热成型 的相关 研究 ， 并且做 出了一定成果 ，其 中，关于预拉伸阶段拉伸头 的设计方面，A d o l f I l l i g提出了一个设计方案。 图 2 拉伸头 的外形 F i g 2 T h e s h a p e o f p l u g 如图 2所示 ，拉伸头的外形能够用下列已知的值 来确定 ： a= 1 5 s + ( 1 3 mm) ( 1 ) D s Do 一 ( 2 4 m m) ( 2 ) R= n f ( D ，s ) ( 3 ) 其中：a为拉伸头和模具间的的距离 ，s 为材料厚度 ， D 为拉伸头 的外径 ，D。 为模具 型腔的内径 ， 为拉 伸头拐角半径 ( 尺值 越小 ，底部越厚 ) ，n为材料指 数 ， 为与拉伸头外径 D 和材料厚度 s 相关的函数 。 2 拉伸头形状结构分析 针对热成型加工中的杯类制品，要完成拉伸头结 构的优化 ，必须从其在热成型加工过程中所起的作用 以及现有热成型产 品的缺陷出发。 ( 1 )对于预拉 伸过程 ，拉伸头为热 成型 的吹气 阶段提前预成型 ，控制片材厚度的分布及变形 ，降低 吹气 ( 吸气 )阶段 的成型气压 ，方便成 型。当预拉 伸阶段的工艺参数 ( 例如拉伸头冲程 、拉伸 头速度 、 成型压力等 )一定 时 ，拉 伸头几何形状 就是唯一起 作用的影响因素 ，其作用十分重要 。 ( 2 )对于现有 的热成型杯类 典型制 品，普遍存 在的缺陷主要集中在壁厚分布不均以及产品外形尺寸 不合理导致的实用效果差两个方面。针对已经固定产 品外形尺寸的热成型模具 ，主要是考虑壁厚分布不均 这一缺陷 ，而这一缺 陷主要体 现在杯底壁 厚尺寸过 大、杯子大拐角部位壁厚过小两方面。 在 A d o l f I l l i g 提 出的方案基础上 ，根据拉伸头在 实际热成型过程中的作用 ，细化原有拉伸头的形状尺 寸如图 3所示。在实际加工过程中拉伸头起作用 的区 域即是 图中的 I、 、三部分 ，其中 ： 图3 细化的拉伸头形状尺寸 Fi g 3 Re f i n i ng s ha pe s i z e o f p l u g ( 1 ) I I 1 区域扩展 出主要 的制 品底部 轮廓 ，控 制 尺寸为拉伸头底部平端直径 D 。通常由于拉伸头和 片材 、片材和模具间的材料滑移因素影响，这一部分 对应的产品厚度较大。预拉伸成型过程中主要受切向 拉伸作用 ，片材厚度均匀减小。 ( 2 ) 1 1 区域控制制 品的拐角细节 ，控制尺 寸为 拐角半径 、拐角切点外径 D 和拐角高度 h 。这一区 域尺寸主要起保护及过渡作用 ，过大的话会造成最终 制品壁厚太小 ，过小的话又不能保证 片材不被 冲破。 预拉伸成型过程 中受到切向拉伸和法向冲压作用 ，片 材厚度线性递减 。 ( 3 ) I区域为控制 的拉伸 深度 ，一般 在设计 时 是根据模具型腔的形状设计 ，并且 I 区域侧壁和 区 域拐角部位是相切过渡，因此 I区域通常是不与片材 相接触的 ( 拉伸深度 比较大的除外 ) ，通常只是控制 拉伸的深度 ，而对于壁厚分布不起直接的作用 。预拉 伸成型过程 中相对应的片材只受到切 向拉伸作用 ，片 材厚度均匀减小。 3 拉伸头形状尺寸对制品壁厚分布的影响 由于经验法设计的拉伸头可以取得比公式法设计 的拉伸头较好的加工效果 ，因此以经验拉伸头为原始 拉伸头结构 ，通过仿真来说明每一控制尺寸 的具体作 用。改变控制尺寸进行仿真时遵循 以下原则 ： ( 1 )保持原有经 验拉伸头 的整体 形状结构 ，即 保持拉伸头的总体高度 、保持拉伸头侧壁的圆柱端高 度 、保持拉伸头侧壁的倾斜角度不变。 ( 2 )改变拉伸头 的关 键尺寸 ，即改变拉伸头 的 拐角半径 R、改变拉伸头外径 D 。 基于上面两个原则 ，由于拉伸头形状尺寸之间的 关联性 ，实际改变的关键尺寸包括 了拉伸头 的拐角半 径 尺、外径 D 底部平端直径 D 、拐角高度 h 。所 5 6 塑料工业 2 0 1 3正 建立的拉伸头形状结构如 图 3所示 ，共计 两组 ，分 别为 ： ( 1 )改变拐角半径 。这其 中又包 括 R=( 1 1 ， 8 5，6) m m 和 R = ( 1 7 5，2 2 5 ，2 7 5 ，2 8 5， 3 8 5 )m m两组 ，其 中 R=6 m m为公式法设计时所 采用值 ，其 中 R=3 8 5 m m为拉伸头端采用全 圆角形 状结构。 目 目 目 国 目 目 目 日 目 图4 不同拉伸头形状 F i g 4 Di f f e r e n t s h a p e o f p l u g ( 2 )减小外径 D s 。D s 。 = D s一 ( 1 0 ，2 0 ， 3 0 ，4 0 ) m m。 对于仿真结果在杯上选取十个 比较有代表性的点 考查有限元仿真结果 ，选取点 的坐标如图 4所示。其 中 X= ( 0 3 2 )mm对应制品底部区域 、X= 3 2 mm 对应制品拐角 区域 、X： ( 3 24 4 7 )m m对应制品 侧壁区域 。 图 5 制品取点位置 F i g 5 Di f f e r e n t s e l e c t e d p o s i t i o n o f c u p 3 1 针对拐角半径 R的有限元仿真 如图 6和图7所示 ，当减小拐角半径 R时，制品 的底部区域壁厚变得更厚 ，拐角区域壁厚加大，侧壁 区域壁厚随拐角半径 的减小 亦成减小趋 势；当加 大拐角半径 尺时，制品的底部 区域壁厚变小 ，拐角 区域壁厚减小 。随拐角半径 尺的加大，下半部分侧 壁区域壁厚减小并最终小于原始壁厚 ，上半部分侧壁 区域壁厚加大并最终大于原始壁厚 。 成型原 因：减 小 ( 加大 )拐 角半 径 ，由于尺 寸的关联性 ，亦 即是加大 ( 减小 )平端直径 D 、减 小 ( 加大)拐角高度 h 、减小 ( 加大 )拐角切点外 径 D 。这样就会造成对应制 品底部 区域 的片材受 到 的切向拉伸作用减小 ( 加大) ，切向拉伸时间减少 ( 加大) ，使得底部区域壁厚更厚 ( 减小 ) 。同样 ，对 应制 品拐角 区域 的片材 受到 的切 向拉 伸 时 间减 小 ( 增加) ，片材厚度变化减小 ( 加大 ) ，最终使得拐角 区域壁厚加大 ( 减小) 。这样 ，由于前两个区域厚度 的变化造成制品侧壁区域壁厚总体减小 ( 加大 ) 。 图6 减小拉伸头拐角半径R的仿真 Fi g 6 Th e s i mul a t i o n o f r e du c i ng t h e c o r ne r r a di u s R o f p l u g 图7 加大拉伸头拐角半径 R的仿真 Fi g 7 Th e s i mul a t i o n o f i n c r e a s i n g t he c o r ne r r a di us R o f p l u g 3 2针对拉伸头外径 D 的有限元仿真 如图 8所示 ，制品的底部区域壁厚减小 ，拐角区 域壁厚减小。随拉伸头外径 D 的减小 ，侧壁区域 壁 厚呈加大趋势。 图8 减小拉伸头外径 D 的仿真 F i g 8 T h e s i mu l a t i o n o f r e d u c i n g t h e r a d i u s D s o f p l u g 成型原因：减小拉伸头外径 D ，由于尺寸 的关 联性 ，亦 即是减小平端直径 D 、减小拐角切点外径 目宴避竣 矗曼髓醚 日胃 驶 第 4 1 卷第 8期 周中河 ，等：基于 P O L Y F L O W 的制杯机拉伸头结构的优化 5 7 D 。这样就会造成对应制 品底 部区域 的片材受 到的 切向拉伸作用显著加大 ，切向拉伸时间增加 ，使得底 部区域壁厚减小。同样 ，对应制品拐角区域 的片材受 到的切向拉伸时间加大，片材厚度变化加大 ，最终使 得拐角区域壁厚以及下半部分侧壁区域壁厚减小。这 样 ，由于前两个区域厚度的变化造成制品侧壁区域壁 厚总体加大。 3 3综合仿真结果分析 经过以上部分有限元仿真过程 ，当单纯地考虑每 一 关键尺寸，可以总结出以下结论 ： ( 1 )减小拉伸头平端直径 D ，可较好减小底部 区域壁厚。即是加强底部的拉伸效果 ，使底部区域壁 厚减小 ，而减 小的这一部分壁厚传 递到拐角及 侧壁 部分。 ( 2 )在一定范围内减小拉伸头拐角半径 尺，可 以 加大拐角区域的壁厚 。即是减小预拉伸 阶段 中拐角区 域范围，减小拐角拉伸 ，减小壁厚差异 。 ( 3 )适当地减小 拐角切点高度 h值 ，可 以使 得 底部区域壁厚和拐角区域壁厚均匀一些 。 ( 4 )适当加大拐角切点外径 D 值 ，可 以使得底 部区域壁厚和拐角区域壁厚均匀一些 ，但作用效果不 如其他尺寸明显。对 比图 2中 D 值和前面所述 的各 个仿真结果 可以发现 ，采用公 式法和经验法 设计 的 D 值均 比较合理 。 ( 5 )拉伸头外径 D 可以通过其他关键尺寸 间接 得到 ，因此在做拉伸头结构的优化时不作为重点考虑 尺寸。 4 拉伸 头形状结构优化 经过上一部分 的分析 我们锁定 拉伸头平 端直径 D 、拉伸头拐角半径 尺、拐角切点高度 h三个关键 尺寸 ，以经验拉伸头为基础结合公式法设计出的新 的 拉伸头结构 ，如图 9所示 。 在这种结构 中我们改 善拉伸头 的底 部平端 直径 D 和拐角半径尺寸 尺，将其结合为一个相切过渡的， 采用两个 圆弧半径尺寸 ( R 、R )控制的圆滑结构 ， 并且采用拐角高度 h控制整体结构 ，对拐角高度 h的 值在公式法确定的 h= ( 71 4 )m m ( 由公式法 中的 其他尺寸推出)范围内取值仿真验证最好的小 h值。 其中，针对本文的制杯机具体尺寸关系为 ： R。 = ( D ，s ) ( 4 ) R2= 一0 2 8h +9 8 7h 一1 21 6 5h+5 84 95 h 7 5 ，1 3 6 ( 5 ) 图9 拉伸头的优化方案 Fi g 9 Th e o pt i mi z a t i o n s o l u t i o n o f p l u g 采用这样的一种结构的原因主要有两个 ： ( 1 )用两个相切 圆弧代替可 以加大预拉 伸过程 中对应制品底部 的片材 的拉伸作用 ( 拉伸作用过 渡 更加圆滑，拉伸作用时间加大 ) ，使制品底部壁厚减 小。通过控制拐角高度 h的值可以控制制品拐角区域 大小 。 ( 2 )在拐角高度 h以上的拉伸头部分 ，只是起 到控制拉伸深度的作用 ，并未对较大壁厚差异的区域 有明显的作用 ，因此可以忽略对其优化 。 优化拉伸头仿真壁厚结果如图 l 0所示。 O 7 0 6 0 5 O 4 O 3 0 2 0 1 +实 际制 品厚 度 原始 仿 真制 品 厚度 。h = l 3 6 仿 真制 品 厚度 1 2 仿 真制 品 厚度 h = l O 6 仿 真制 品 厚度 h = 9 2 仿真 制 品厚 度 + 7 5 仿真 制 品厚 度 0 芍丁 矬 标位置， m m 图 1 0 优化拉伸头 的仿真 F i g 1 0 T h e s i mu l a t i o n o f o p t i mi z e d p l u g 最终制品的仿真壁厚变化如表 1所示。 表 1 仿真壁厚变化 ” T a b 1 T h e c h a n g i n g o f s i mu l a t e d c u p t h i c k n e s s 注：1 )为优化效果较好 ，为反常优化，为非重点优化壁厚的过度优化 ，其他为好的优化结果。 目昌逮 竣 5 8 塑料工业 2 0 1 3正 由表 1 及图 9 ，相 比较经验法设计 的拉伸头所加 工出来的制品，采用优化拉伸头方案仿真 出的制品厚 度明显更均匀一些，达到了我们所期望 的优化结果 。 并且 ，在拐角高度 h=1 2时可以取得最好 的壁厚优化 效果。 5 总结 在 目前 日益激烈的市场环境下，技术创新是企业 发展壮大的最好途径。随着计算机技术的不断发展 ， C A E技术必将广泛地应用于热成型加工的各个领域。 本文利用有限元模 拟软件 P O L Y F L O W 代替传统设计 中的试模过程 ，减少生产周期和生产成本。并且，从 现有的拉伸头设计方法出发，分析了关键尺寸对于制 品壁厚分布的具体影响效果。在此基础上 ，提出了一 种全新的拉伸头结构 。这种结构是通过关键尺寸的关 联性 ，由拐角高度 h控制整体结构形状 ，对于壁厚的 分布有较好的改善效果。本文 中的方法为同类热成型 制杯机拉伸头形状结构的优化提供 了一种新的方法。 参考文献 1 蔡韵宜，赵岩峰热成型包装 ( 上) J 塑料包装， 2 0 0 9 ( 9 ) ：5 7 6 1 2 A伊利希热成型实用指南 M 北京 ：化学工业出版 社 ，2 0 0 7：1 3 3 王洪江，刘海军，耿忠德热成型容器及在包装 中的应 用 J 包装工程，2 0 0 8 ，2 9( 9 ) ：2 2 1 2 2 4 4 徐焕，王良诗 ，张丽英，等聚丙烯热成型的研究与开 发进展 J 塑料，2 0 1 1 ，4 0( 6 ) ：1 1 1 1 1 7 5 孙东印，司建 明，李郁综述 C A E技术 的发展和应用 J 现代制造技术与装备 ，2 0 1 1( 1 1 ) ：2 5 2 7 6 黄晶，倪俊义C A D C A E技术在金属饮料罐设计 中的应 用 J 包装学报，2 0 1 1 ，3( 4 ) ：1 21 4 7 钱新 ，许王定 ，金杨福P o l y fl o w基础及其在塑料加工中 的应用 M 北京：化学工业出版社 ，2 0 0 9 ( 本文于 2 0 1 3 0 42 6收到 ) ( 上接第 5 3页) 2 申长雨注塑成 型模 拟与模具优 化设计理论 与方法 M 北京 ：科学出版社，2 0 0 9：1 1 4 1 2 0 3 T A G U C HI G，C HO WD H U R Y S ，wu YT a g u e h i “ s q u a l i t y e n g i n e e ri n g h a n d b o o k M N e w Y o r k ：J o h n Wi l e y &S o n s ， 2 00 4 4 庞善起正交表的构造方法及其应用 D 西安：西安 电子科技大学 ，2 0 0 3 ：1 9 5 陈魁实验设计与分析 M 第二版北京：清华大学 出版社 ，2 0 0 5 ：1 6 01 6 4 6 B I C K E R T O N S ，A B D U L L A H M Z M o d e l i n g a n d e v a l u a t i o n o f t h e fi l l i n g s t a g e o f i n j e c t i o n c o m p r e s s i o n m o u l d i n g J C o m p o s S e i T e c h n o l ，2 0 0 3 ，6 3 ( 1 0 ) ：1 3 5 91 3 7 5 7 Y A N G X P，L I U C R A n e w s t r e s s b a s e d m o d e l o f f ri c t i o n b e h a v i o r i n ma c h i n i n g a n d i t s s i g n i fi c a n t i mp a c t o n r e s i d u a l s t r e s s e s