吹塑成型技术是继挤出成型以及注塑成型后的第三大成型技术，一般吹塑采用聚乙烯(PE)材料较多，由于其成本低、成型性能优良等特点被广泛使用[1]。目前，挤出吹塑制品主要用于生产食品、药品、医疗以及化妆品等包装容器，以及汽车配件、家具配件、医疗配件等复杂的工业制件[2]。但是相比挤出成型和注塑成型，吹塑成型技术存在制品精度不足、壁厚不均匀、容易发生翘曲等问题[3]。目前制件壁厚不均已经成为影响塑件成型质量的一个重要因素，壁厚均匀性受成型材料、加工工艺等因素的影响，因此本实验通过优化成型工艺参数以获得壁厚均匀的制件，从而提升制件的成型质量。数值模拟技术可以减少试模次数、优化吹塑工艺条件、提高产品质量、降低设计和制造成本，并缩短设计周期[4]。Sa[5]模拟了型坯挤出吹塑过程。Gupta等[6]模拟了PET瓶拉伸吹塑过程。赖家美等[7]使用计算机CAD/CAE技术研究了挤出吹塑工艺，利用数值模拟技术，优化了吹塑成型工艺参数。随着数值模拟技术的发展，刘沙粒等[8]以高密度聚乙烯(HDPE)带把手油桶为例，模拟非均一壁厚初始型坯挤出吹塑成型过程。近几年，陈杰等[9]通过数值模拟技术对医用床头板成型工艺参数进行了优化分析，获得成型质量优良的吹塑医用床头板。汽油瓶为轴对称制件，在吹塑成型过程中需经历挤出型坯，通气进行型坯吹胀，制品冷却固化，取出制件等过程。一般吹塑模具凹凸不平，在制件的拐角等部位吹胀比较大，导致此处变形量较大，壁厚较薄。而凸台等部位吹胀比较小，造成此部位变形量较小，壁厚较厚，造成制品的壁厚分布不均匀，严重影响产品质量。因此在汽油瓶吹塑成型过程中要严格控制其壁厚均匀性，确保其成型质量。本实验利用Polyflow软件模拟了汽油瓶吹塑成型过程，研究了非等温情况下吹胀压力、型坯初始温度、型坯初始壁厚对其工艺参数的影响，利用响应面法优化其成型工艺参数，以期获得性能优良的制件。1数学模型及壁厚均匀性分析1.1流变特性数学方程汽油瓶采用高分子材料PE，在挤出吹塑过程中，将塑料颗粒从料筒中加入，由挤出机挤出。在挤出过程中，塑料颗粒由固体熔融成具有流动性的熔体，熔体吹胀变形，最终冷却固化变成固体[10]。聚合物熔体的流变特性决定着黏度与温度、压力以及剪切速率的关系，直接影响成型制品的质量。研究挤出吹塑中熔体的流变规律，对于选择合适的成型工艺参数并模拟型坯的挤出和膨胀过程具有非常重要的意义[11]。由于挤出吹塑过程实际条件以及聚合物熔体流变特性，在模拟过程中假设聚合物熔体为不可压缩、连续的非等温熔体，遵循质量守恒定律，建立方程[12]：连续性方程：DhDt+h∇u=0 (1)运动方程：ρhDuDt=fp+∇T (2)接触力张量：N=hT (3)式(1)~(3)中：t为当前时间，s；u为速度当量，m/s；∇为哈密顿算子；T为应力张量；h为壁厚，m；ρ为密度，kg/m3；fp为吹胀压力，MPa；N为单位长度接触力张量。通常塑料成型过程包括微分型本构方程上随体模型、Oldroyd-B模型及积分型本构方程K-BKZ模型等[13]。由于挤出吹塑为大变形行为，而上随体模型只能用来描述小变形行为。Oldroyd-B模型无法准确描述聚合物黏度与温度、压力、剪切速率等之间的关系，并不适用于模拟挤出吹塑过程中的型坯非等温吹胀阶段。相比于微分型本构方程，积分型K-BKZ本构方程能够很好地模拟聚合物熔体在加工成型中的记忆效应，因此本实验采用K-BKZ模型[14]：T1=∫-∞t∑k=1nηkλk2e-(t-t')λkCt-1(t')-Idt' (4)式(4)中：T1为黏弹性项；t为当前时间，s；n为聚合物分子链的运动模式数；ηk为与各个运动模式数相对应的黏度，Pa·s；λk为松弛时间谱；t′为前一段时间，s；Ct-1为Cauchy-Green应变张量；I为单位张量。1.2材料特性本实验所研究汽油瓶的成型材料为HDPE 50100。HDPE因其良好的低温韧性、高刚性、阻燃、易于成型、高冲击强度等优良特性，在挤出吹塑领域得到了广泛的应用[15]。表1为HDPE 50100的物理性能。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.04.016.T001表1HDPE 50100材料特性Tab.1HDPE 50100 material properties材料属性数值检测方法密度/(g·cm-3)0.95ASTM D1505熔体流动速率/[g·(10min)-1]9.5ASTM D1238弹性模量/MPa1100ASTM D790拉伸强度/MPa25ASTM D638热变形温度/℃78ASTM D648熔融温度/℃200~250ASTM D648冲击强度/(kJ·m-2)190ASTM D1822泊松比0.42ASTM D6381.3模型建立与网格划分通过UG NX建立汽油瓶三维模型，通常吹塑模具是由左模、右模以及型坯构成，型坯为圆柱形及片状型坯。本实验采用圆柱状型坯。其中，模型长55 mm，宽52 mm，高240 mm，图1为汽油瓶模型三维图，图2为具体模型图。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.04.016.F001图1汽油瓶三维图Fig.1Three-dimensional figure of gasoline bottle10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.04.016.F002图2汽油瓶模具图Fig.2Gasoline bottle mold diagram模型建立后，以X_T的格式导入ANSYS软件中，通过软件自带网格划分功能对其进行网格划分，图3为网格划分结果。由于该模型结构并不复杂，因此采用四面体网格进行划分，制件拐角处容易发生开裂变形，壁厚减薄，因此需要对其进行网格细化，网格单元尺寸设置为2 mm，网格纵横比为1.18，匹配率为96%。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.04.016.F003图3网格划分结果Fig.3Meshing result1.4型坯初始分析预设型坯吹胀压力为0.1 MPa，型坯初始温度为180 ℃，型坯初始壁厚为3 mm，分别模拟了其在不同时刻下的成型状态。图4为不同时刻的成型状态。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.04.016.F004图4不同时刻下的成型状态Fig.4Shape state diagram at different times从图4可以看出，汽油瓶整体壁厚并不均匀，存在一定的差异。吹胀时间为0.5 s时，可以看出底部拐角处还没有完全吹胀；当吹胀时间为1 s时，可以看出基本吹胀完全，底部拐角处与其他部位云图颜色存在一定的差异，壁厚较薄，这是因为拐角处后接触到模具，要继续变形。吹胀时间为1.5 s时的成型状态基本与1s相同，这时整个吹胀过程基本结束。计算可知，壁厚均匀性函数值R1为0.159 5×10-5针对壁厚不均匀现象，采用响应面法对其进行优化。2响应面模型分析2.1建立模型采用Box-Behnken Design(BBD)设计方法，选择吹胀压力(A)、型坯初始温度(B)以及型坯初始壁厚(C)作为3个响应面设计变量，设计三因素三水平的响应面模型，表2为响应面三因素三水平设计表。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.04.016.T002表2响应面因素水平表Tab.2Response surface factor level table因素吹胀压力(A)/MPa初始温度(B)/℃初始壁厚(C)/m-10.11800.00300.31900.00410.52000.005以最小壁厚均匀性函数值为最终的考察目标。函数值越小，表明其壁厚均匀性越好[16]。壁厚均匀性函数表达式为：F=(t¯-Tm)2+∑i=1m(ti-t¯)2m (5)式(5)中：F为壁厚均匀性函数值；t¯为平均壁厚值，m；Tm为目标值；ti为节点壁厚，m；m为节点个数。利用Design Expert 10.0软件对其进行响应面设计，根据各试验方案进行数值模拟，通过式(5)计算出相应的壁厚均匀性函数值。表3为响应面分析方案及试验结果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.04.016.T003表3响应面分析试验结果Tab.3Response surface analysis test results序号因素壁厚均匀性函数值R1/10-5A/MPaB/℃C/m10.31800.0031.85720.32000.0051.20030.11900.0050.71740.51900.0031.48850.51900.0051.02960.12000.0040.55670.51800.0040.60780.11800.0040.50790.31900.0041.429100.31900.0041.429110.31800.0051.881120.31900.0041.429130.32000.0031.881140.52000.0040.093150.11900.0031.613160.31900.0040.989170.31900.0041.4292.2响应面分析通过Design Expert得到拟合方程：R1=1.34-0.022A-0.14B-0.25C-0.14AB+0.11AC-0.18BC-0.7A2-0.2B2+0.57C2 (6)图5为残差正态分布图[17]。从图5可以看出，散点分布基本趋于一条直线，动态分布在直线两端，可以认为残差服从正态分布，这说明该回归模型可以用来预测最终结果，拟合效果较好。图6为二次回归方程响应面图。从图6可以看出，随着吹胀压力及型坯初始温度的增大，壁厚均匀性函数值R1先增大后减小，但是作用效果不明显；随着吹胀压力以及型坯初始壁厚的增大，壁厚均匀性函数值R1先减小后增大，AC交互作用显著；随着型坯初始温度以及型坯初始壁厚的增加，壁厚均匀性函数值R1先减小后增大，BC的交互作用显著。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.04.016.F005图5残差正态分布图Fig.5Residual normal distribution10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.04.016.F006图6响应面图Fig.6Response surface plot表4为响应面的方差分析结果。从表4可以看出，模型的P值为0.001 3，显著，失拟项为0.519 1，不显著，表明模型合理。当P值0.05时表示结果显著，其中C、AC、BC、A2以及C2的P值都小于0.05，表明这几个因素影响显著。响应面实验中相关系数R2为0.943 8，表明拟合度较好，误差较小。模型信噪比为12.59，当模型信噪比大于4时，表明模型分辨能力好，可以用于预测。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.04.016.T004表4响应面方差分析结果Tab.4The variance analysis result of response surface analysis因素偏差平方和自由度方差F值P值差异显著性模型4.3490.4813.070.0013显著A3.872×10-313.82×10-30.100.7554B0.1610.164.270.0777C0.5110.5113.720.0076显著AB0.07910.0792.150.1862AC0.04810.0481.290.0427显著BC0.1210.123.370.0091显著A22.0412.0455.400.0001显著B20.1710.174.730.0661C21.3611.3636.750.0005显著残差0.2970.037失拟项0.1030.0340.890.5191不显著纯误差0.1540.039总误差4.60162.3响应面优化设计在Design Exper软件中选择Optimization项，自动获取较优的组合，因为R值越小，表明壁厚越均匀，因此在软件优化过程条件选项中选择最小R1得到具体的优化设计条件以及最优设计变量。表5为最优设计变量取值。从表5可以看出，优化方案期望值达到了0.98，大于0.95，且壁厚均匀性函数值为0.087 4×10-5，具有较高的可靠性。因此，选择该方案作为优化后的结果，即吹胀压力0.29 MPa、型坯初始温度189 ℃、型坯初始壁厚0.004 m时，壁厚均匀性函数值最小，汽油瓶制件质量较佳。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.04.016.T005表5最优设计变量取值Tab.5Value of optimal design variable变量吹胀压力/MPa型坯初始温度/℃型坯初始壁厚/mR1/10-5期望最优0.291890.0040.08740.983生产验证将优化后的工艺参数带入实际生产当中，图7为在该工艺条件下的试模半成品以及优化后的模拟图。从图7可以看出，较未优化前，优化后整个壁厚云图分布比较均匀，表示整体壁厚分布有了一定的改善。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.04.016.F007图7汽油瓶制件及优化模拟图Fig.7Gasoline bottle fabrication and optimization simulation试模后，从试模产品上随机选取10个点测量其壁厚大小，图8为具体壁厚测量值。从图8可以看出，吹胀压力为0.29 MPa、型坯初始温度为189 ℃、型坯初始壁厚为0.004 m时，所成型制件壁厚值呈现动态分布，总体上比较均匀。优化后壁厚均匀性函数值R1为0.087 4×10-5，与初始方案对比，降低了45.2%，说明达到了优化效果，大幅度提升了制件壁厚均匀性，提高了成型质量。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.04.016.F008图8制件10个点壁厚测量值Fig.8Measurements of 10 point wall thickness4结论以汽油瓶为研究对象，通过Polyflow软件对其成型过程进行了模拟研究，并且通过响应面法对其工艺参数进行了优化分析，最终确定较佳的成型工艺参数。结果表明：当吹胀压力为0.29 MPa、型坯初始温度为189 ℃、型坯初始壁厚为0.004 m时，优化后的壁厚均匀性函数值R1相比未优化之前下降了45.2%，优化后制件的壁厚较为均匀，相比初始工艺参数有了一定的改善，因此通过此方法能够有效调节制件壁厚，为后续吹塑成型研究提供了参考。