2.3　电脑辅助设计软件在挤出中空吹塑成型机设计中的应用

计算机辅助设计是利用计算机及图形处理能力和运算能力，对机械样品进行更为专业和精细的设计分析、优化与改良，使之达到理想的设计目标，并在一定程度完成局部的技术创新，获得新的技术成果。目前所有图纸几乎都是用各类二维CAD软件绘制的，二维CAD软件让机械工程师从繁重的画图工作中解脱出来，有更多的时间进行设计，缩短了开发设计周期，提升了效率。CAD技术已经从二维到三维交错使用，三维设计软件具有工程及产品的分析计算、几何建模、仿真与试验、绘制图形、工程数据库的管理、生成设计文件等功能。中空挤出吹塑行业需要对机械部件的结构强度、刚度、动力学特性、疲劳可靠性等进行校核，以及对熔体流道进行仿真分析。因此有时会需要使用专业的仿真分析软件，挤出中空吹塑行业常用的计算机辅助设计软件有二维绘图软件（CAXA、AUTOCAD）、三维绘图软件（CAXA实体设计、Pro/ENGINEER、Solidworks等）、仿真分析软件（Flow2000、ANSYS等）。

2.3.1　大型三维设计软件在结构优化设计中的应用

结构优化设计有多种类型，按设计变量性质的不同，可以分为连续变量优化设计和离散变量优化设计。结构优化设计按难易层次可分为尺寸优化、形状优化和拓扑优化，其难度逐步增大。尺寸优化是指结构类型、材料、布局和外形几何都确定的情况下，通过优化各个组件的截面尺寸，即在优化设计过程中将结构的尺寸参数作为设计变量，以达到使结构最轻或最经济的目的。尺寸优化加上结构的形状设计变量，则是结构的形状优化。它是优化过程中通过设计变量来改变结构的边界，从而改变结构的形状，达到目标函数最优的目的。在尺寸优化的基础上，加上结构布局的形式，则结构优化进入了更高层次，也就是结构的拓扑优化，它为设计者提供一个概念性设计，使结构在布局上采用最优方案。结构优化技术的应用，对减轻结构重量和材料消耗、改善结构强度等都起到了良好效果。

模板是中空挤出吹塑机的关键机械部件，模板是保证模具可靠闭紧和实现模具启闭动作的主要部件，它在工作中的状态很大程度上决定了塑料制件的质量。通过优化模板的结构参数，提高模板刚度，降低模板重量，对于中空挤出行业的发展具有重要意义。现如今很多企业还依然采用焊接的方法组装模板，在结构上一直沿用过去的设计。随着塑料制品的多样化，对一些需要高压吹气同时具有深拉伸的平板制件，模板的刚性会有所欠缺。在此具体问题下，在三维软件（Pro/E、Solidworks）中进行三维造型，采用ANSYS软件的结构拓扑优化方法对模板进行拓扑优化分析。

目前较为常用的三维软件具备辅助分析已经是必不可少的一部分。图2-111是中空吹塑机在锁模状态下，模板受力的线性静态分析结果。从图中可以清楚地看出，没有拉杆的两角变形量最大、拉杆区域受到的应力最大，这与实际情况相吻合。针对这一现状，对模板的尺寸和形状进行优化。图2-112是模板优化前后对比图，从图中可以看出，优化后的模板与之前的模板在结构形状上有很大的变化，在满载荷受力下，最大变形量大为减小，在模具安装区域应力分布均匀。

在挤出中空吹塑机中还有很多零部件是钢结构件，通过优化设计，可提高零部件刚度，降低原材料消耗，降低零部件制造组装成本，为企业带来强有力的市场竞争力。

2.3.2　熔体分析软件在机头优化设计中的应用

借助有限元等数值计算方法，在计算机上模拟聚合物熔体的真实流动情况，给出压力、温度、速度及应力、应变分布，预测最终产品的形状和质量，并以图形的形式直接显示出来，是挤出成型过程的计算机辅助工程的重要发展方向。在挤出中空吹塑行业常用的熔体分析软件有Flow 2000、Polyflow等。Flow2000是加拿大未来技术公司开发的计算机辅助工程软件，应用高分子聚合物流变学的原理，将现代计算机技术和大量的塑料加工实际经验相结合，在计算机上模拟高分子材料在各种挤出模头中的流动，以现代图形技术显示各种流场（速度、压力、应力、温度等）并配以材料和模头设计库。如图2-113所示，Flow 2000主界面共包括10个软件模块和1个计算模块，其中挤出吹塑模块可以适用于机头流道分析。该模块具有良好的用户界面，材料流变模型可以自选，基于有限元法，能够实现快速、方便的材料数据输入，可读AutoCAD的DXF文件，能在读入的几何分析模型中进行直接有限单元网格生成和边界划分，进行各种流场的求解。

Polyflow软件对黏弹性材料的处理能力非常出色，因而得到广泛应用。ANSYS在安装时会自动嵌入其他CAD系统，所以通过其他CAD系统中（Pro/E、Solidworks）菜单命令直接启动，见图2-114。

在ANSYS Workbench主界面的工具箱中，单击Analysis Systems，找到Fluid Flow-Blow Molding（Polyflow）模块，即可创建对该模型的模拟分析项目。通过设置其网格模型，定义边界性质，设定物料参数及流道参数等进行计算分析、计算结果处理。Polyflow对非牛顿流体及聚合物的非线性等具有较好的模拟性能，可模拟聚合物挤出、吹塑、压延成型，还可用于模拟电加热和其他较为复杂的计算模拟，如多区域模拟、逆向设计、共挤出、带自由边界的3D挤出、具有时间依赖性的过程等。该软件的最大优点在于：它有大量的流体材料数据库及反映广义牛顿流体和黏弹性流体流变特性的本构方程的支持，适于对聚合物流体进行分析。在挤出中空吹塑10L以下小容积制品时，常常采用多模头，其生产速度快、效率高。多模头指同时挤出多个型坯供模具成型，在过去的经验设计中，当管坯数量大于或等于3时，一般采用偶数倍模头。通过对每个型坯流道进行节流来调节压力和速度平衡。这种设计在速度快、长生产周期下，稳定性较差，料坯随着生产时间的推移会出现挤出长度不一致、弯曲等弊病，需要在生产中进行修正调整。一般比较有难度的是多模头型坯熔体分析。

图2-115是三模头分流流道有限元模型。

通过对分流流道内熔体流动过程进行数值模拟，求解后获得分流流道的压力和速度变化云图，根据压力和速度变化云图可以对分流流道的压力变化和流动平衡性进行分析和讨论。最有效的填充模式是沿整个流道，假设步长有均等的压力降。通过对出口一定长度范围内均匀取点，查看压力降是否一致，如果不一致，调整各级分流道的截面形状和长度来匹配。这种方式能降低加工制造成本，同时减少试验修正过程，能提高企业新产品的开发能力，提升市场竞争力。

多层共挤制品层数每增加一层，都会增加设备和生产工艺的复杂程度。对多层共挤复合而言，复合质量的好坏很大程度上取决于模头内每层材料在复合处达到的流速平衡性、压力平衡性以及黏度差异性。

双层共挤模头及汇流处速度云图见图2-116。通过预设入口体积流率（螺杆转速）、调整交汇的间隙比例等措施，使两层在交汇处流速和压力基本一致，避免出现其中一层流速过快，在另一层上形成波纹。理论模拟和实际挤出仍然存在较大的差异，但是通过理论模拟能对工艺控制提供很有效的指导意义。

2.3.3　熔体分析软件在螺杆优化设计中的应用

在初期一般运用流体力学软件对单螺杆进行动态模拟仿真。由于单螺杆几何结构以及聚合物流变行为的复杂性，迄今没有针对螺杆挤出普遍适用的流场计算方法。在科研领域常运用FLUENT、Flow 2000、Polyflow等熔体分析软件模拟物料在挤出过程中状态，优化螺杆结构设计。在螺杆上一般对熔融段、混炼段可采用熔体分析软件分析。利用FLUENT软件对销钉机筒挤出机内物料流动与混合进行分析模拟，研究销钉数量、销钉排间距、螺槽宽度、拖曳速度对螺杆圆周展开面内物料流动与混合效果的影响。在模拟时简化模型，采用螺杆圆周展开面简化模型流场。随着CAE技术的飞速进步，通过三维软件造型，导入ANSYS软件，直接生成网格文件，再利用Polyflow求解不同参数下的速度场、压力场、剪切速率场和黏度场的分布。对多种结果进行分析，优化出最佳几何结构参数。

在Polyflow中，材料物性参数与边界条件、流体模型的选择非常重要，根据常用物料实测的物性参数来设置才能更加接近真实的挤出情况。入口和出口区域的流速也要根据实际螺杆工作时的体积流率来设置。

图2-117为混炼段速度、压力分布图。从图中可以看出，螺杆表面的物料流速较大，靠近机筒内壁部分法向速度为零，整个流场的速度是从螺杆到机筒逐渐递减的；压力沿挤出方向呈现波浪起伏且不断上升的趋势，螺纹混炼元件的压力沿着挤出方向不断增加，是一个增压的过程。这与实际挤出现象是相吻合的，充分说明仿真分析可以预测物料的流动情况，进而利用模拟结果优化螺杆结构设计。

2.3.4　数控加工中心在机头关键零件加工中的应用

在挤出中空吹塑机中，挤出机头是极其核心的部件，熔融的物料从机筒螺杆进入机头后，由机头内部流道使其形成可供吹塑型坯，是保证吹塑制品质量的关键环节。机头内有很多回转体零件，采用数控车床能够完成加工。在吹塑机头中有很多关键的零件必须采用4轴以上的加工中心才能保证设计的完整性与准确性。

图2-118是一种典型的吹塑机头内芯，加工工序为：粗车外圆、内孔→热处理→精车外圆、内孔→加工心形流道、螺旋流道（加工中心）→抛光。流道要求过渡光滑、顺畅、无死角，表面粗糙度Ra≤0.8μm，在数控加工中需平行于轴线方向的X轴、刀具升降的Z轴和绕X轴旋转的A轴联动进给。因此需要配备数控分度头的三轴数控铣床或数控加工中心。

图2-119所示为分流器和分流器支架的结构，塑料通过分流器，由实心状变为管坯状。分流器的头部扩张角θ过大会使熔体流动阻力增加，加之分流器处温度较高，易导致物料过热分解；分流器的头部扩张角θ过小，会导致分流器结构过长，不利于物料均匀受热。头部圆角半径R过大，熔体在此处发生滞留而过热分解。分流器支架在图2-119的A—A剖视图中可见，其作用是支撑分流器及模芯，对物料有剪切作用。分流器支架的支撑筋数目越少，料流分束越少，熔接痕的数目越少。在常规加工中，一般采用车加工来完成分流梭外形加工，在实际使用过程中会出现管坯质量不稳定等。采用车铣复合加工中心加工此类零件，经三坐标测量机检测，分流器两端的同心度、轮廓度、定位孔的位置精度等都能完全满足设计要求。

吹塑机头种类多，零件批量小，因此采用加工中心加工流道类零件能大大提高生产灵活性、质量稳定性，能保证零件位置精度。