塑料挤胀成型工艺及成型过程的有限元模拟

采用注射工艺生产多通管件的不足之处在于：①投资大。预塑化、合模锁模、注射、保压、冷却、顶出等是注射装置的必备功能，因此注射机的结构复杂，价格高；而且，注射模要考虑浇注系统、型芯布置等因素，模具结构也比较复杂，价格昂贵；②能耗高。在注射成型过程中，物料需要经过熔融和冷却，而且注射压力、保压压力、合模压力和锁模压力都很高，生产过程能耗较大。这些都造成注射制件的成本偏高，尤其在生产批量较小的情况下，昂贵的模具费用只能由少量的制件来分担。为了降低生产成本提高生产效率，拓展塑料制品的种类和应用范围，我们希望能借助金属加工领域的挤胀成型技术〔1，由塑料管坯直接成型各种管类制件。

　　1塑料挤胀成型工艺塑料挤胀成型是一种新的塑料二次成型方法，它是依靠固相塑料在外力作用下能够产生塑性变形的特性，使管坯在内压作用下沿径向向外扩张的成型工艺。

　　以成型塑料三通为例，示意了挤胀成型的基本工艺过程：首先，将胀形介质填入塑料管坯并置于模具中（a）然后对管坯两端和管坯内的胀形介质施加挤压力，使管坯材料在胀形内压和管端轴向压力作用下径向流动（b）管坯在挤压力的作用下不断变形，最终得到制件（c）与注射成型相比，采用挤胀成型法生产各类塑料管件的优点是：①成型设备结构简单成本低；②模具的结构简洁，造价低；③被加工物料不产生相变，能耗少；④适于生产端面尺寸相差较大的制品，对制品的断面尺寸适应性强；⑤控制系统比较简单，工艺控制十分灵活，通过控制挤压行程，利用同一副模具，可得到不同尺寸的制品；⑥能充分利用挤出型坯的高生产率和低成本；⑦可制造注射及其他方法无法得到或难于得到的较复杂的管类零件；⑧在生产批量较小的情况下，能大幅度降低生产成本。

　　挤胀成型过程示意塑性有限元法对塑料挤胀成型的适用性塑料挤胀成型是一种塑性成型方法。对塑料挤胀成型过程进行理论研究的目的是定量地预测成型条件对成型过程和制品质量的影响，确定成型工序所需的变形力，为正确设计模具和制订工艺规程提供指导。

　　塑料挤胀成型过程伴随着很大的塑性变形，既有材料非线性（应力与应变之间的非线性）又有几何非线性（应变与位移之间的非线性），而且边界条件也比较复杂。由于塑料挤胀成型过程的复杂性，很难用解析法对整个变形过程进行分析。塑性有限元法是求解塑性成型问题的有力工具，运用塑性有限元法求解塑性成型问题的优点是〔2〕：①各种材料的任意塑性成型过程都可以用有限元法进行分析，不受具体问题的限制；②能考虑多种外界因素，如摩擦因数和模具形状对变形的影响；③能够获得成型过程多方面的信息，如成型力、应力分布、应变分布以及对材料流动方向的预测等，且能更准确地了解变形的整个过程。因此，可以运用塑性有限元法对挤胀成型过程进行理论分析。

　　在塑性成型过程中，物体的变形包括弹性变形和塑性变形两部分。根据应变与位移以及应变与应力之间关系的不同，塑性有限元法可分为小变形弹塑性有限元法、大变形弹塑性有限元法和刚塑性有限元法三小变形弹塑性有限元法以微小变形理论为基础，它忽略了微元体的局部变形，应变与位移之间采用线性关系，即不考虑几何非线性。小变形弹塑性有限元法只适用于塑性成型初期，随着变形量的逐渐增大，误差会越来越大。实际的塑性成型问题往往伴随着大位移、大转动和大应变，使得位移和应变之间的关系是显著非线性的。大变形弹塑性有限元法采用非线性几何方程来描述变形体位移和应变之间的关系，使其适用于大的塑性变形过程。刚塑性有限元法则忽略了塑性成型过程中的弹性变形部分，而且，它采用变化率方程，从而避开了几何非线性问题，使得刚塑性有限元列式和计算过程大为简化，计算效率高。但是，由于刚塑性有限元法忽略了弹性变形，它仅适合于塑性变形区的分析，不能得到弹性区的变形情况；而且，与大变形弹塑性有限元法相比，在变形量不大时，刚塑性有限元法分析精度较低。

　　为全面了解塑料挤胀成型的变形过程，我们采用大变形弹塑性有限元法进行理论分析。

　　3塑料挤胀成型过程模拟在研究塑性成型问题时，由于物体的变形与加载历史有关，需要采用增量法求解，即将载荷（或位移）分解为若干个增量，求解时每次施加一个载荷（或位移）增量。每一增量步都对应两个相邻的构形（物体在空间占据的区域），以增量步初始时刻物体的构形作为构形，通过计算即可得到物体在该增量步终了时刻的构形以及物体内各点的受力情况。为了提高计算精度，增量步长不能太大。

　　下面，介绍利用ANSYS有限元分析软件对塑料三通挤胀成型过程的模拟情况。

　　3.1建立有限元计算模型运用有限元法分析挤胀成型过程，首先要建立有限元计算模型，包括定义单元类型、划分网格和给定边界条件。根据对称关系，可选取管坯的四分之一作为研究对象，以减少计算量。即为所采用的有限元计算模型。在建立这一模型时，我们对模腔内壁和管坯外壁建立了面一面接触单元〔4〕，以考虑模腔内表面对管坯成型时的约束。管坯和模腔内壁采用的单元类3.2定义材料物性本文的研究对象为PVC管，通过测试，材料的基本物性参数为：杨氏弹性模量：：=1.向弹性模量：ET=定义分析类型、设置位移和位移增量借助ANSYS的大变形弹塑性分析功能，可以对塑料挤胀成型过程进行模拟计算。为得到成型过程所需成形力和管坯的变形过程，我们采用位移增量法进行求肖解即通过给定管端的挤压行程和增量步数，得到成形过程各阶段管坯的变形和受力情况。计算时给定管端位移S=15mm，增量步数N=6.求解及后处理利用求解器进行计算，即可得到管坯内各节点在每个增量步终了时刻的应力、应变及位置坐标，借助ANSYS的后处理功能，可进一步得到管坯在不同时刻的变形图和管坯内的应力应变分布情况。为上述条件下管坯的变形过程。

　　与支管中心点曲线距离zmm轴向壁厚分布挤正行程mini管端挤压力与挤压行程的关系（下转14页）接触食品的包装。

　　3.3.2增刚剂的研制工作紧随市场发展BOPP烟膜大量使用增刚剂。增刚剂属成核剂的一种，但成核剂不等于增刚剂。成核剂有两类：一类只有增透作用，对于材料的刚度提高无明显贡献；另一类可提高材料的刚性，改善材料力学性能。成核剂的两种表现与其在高分子材料中改善结晶行为的方式不同有关。

　　10多年来，有机低分子类成核剂研究开发最为活跃，集中在二亚苄基山梨醇类（DBS）和有机磷酸酯盐类化合物的研制。国内对成核剂的研制主要集中于二亚苄基山梨醇类化合物，已有几家单位试产此类产品，但该类产品不能作为增刚剂使用。与此相对应，有机磷酸酯盐类产品用于聚丙烯时，制品透明性、刚性、结晶速度和热变形温度都得到较大的提高。

　　国内增刚剂的生产厂家很少，这与成核剂的研制落后于发达国家有关。北京市化工研究院在开发二亚苄基山梨醇类成核剂的基础上，近期加快了对有机磷酸酯盐类成核剂的研制工作，力争早日推出正式产品。

　　4结语塑料制品效能的发挥离不开功能助剂的添加，助剂工业的技术和生产水平的提高在很大程度上促进塑料制品行业的发展。同时，随着塑料行业的发展，由于塑料加工工艺水平的提高、使用环境对其性能要求的变换，对助剂品种性能要求不断提高，需求量逐步增加，大力推动了助剂工业进步。

　　中国加入WTO进入倒计时，国外助剂品种在国内市场将更具竞争力。中国塑料助剂业内人士对此应保持清醒的头脑，走出一条具有中国特色的塑料助剂产业发展之路。开发高效、低成本、新结构的新型助剂固然重要，但应量力而行。超出自有综合实力的科研开发，往往收效甚微。中国助剂工业的发展应紧随塑料加工行业的发展而发展。通过复合化，使复合组分各自的功效和相互间的协同效应得以充分发挥，开发出各种满足特定要求的助剂产品；通过开发新剂型，如低粉尘和无粉尘剂型，改善使用性、环保性；通过助剂高分子量化等途径，开发无毒或低毒的环保型产品，以适应各种卫生和安全要求；生产经济规模化，以降低成本。随着21世纪塑料行业的快速发展，塑料助剂工业的前景将更为广阔丨