黃利軍，李治偉，周利軍，丁小鋒

熱塑性樹脂LDPE長圓形中空體口模流道優(yōu)化設計

黃利軍，李治偉，周利軍，丁小鋒

（山東新華醫(yī)療器械股份有限公司，山東 淄博 255000）

探索特殊的進料方式和分流流道，以滿足長圓形分流均衡的特殊性需求。運用流體力學對LDPE樹脂流動進行力學分析，研究長圓形中空體成型質量與口模流道分流區(qū)數(shù)量、縫隙的關系，確定最佳的口模流道分流區(qū)數(shù)量、縫隙，并通過試制結果來驗證分析數(shù)據(jù)的準確性。采用1個衣架流道和6個區(qū)域的狹縫流道，衣架流道采用2個進口，并且狹縫流道的6個區(qū)域縫隙分別為4、3、3.5、1、5和1 mm時，長圓形中空體成型質量可以達到最佳效果：壁厚均勻性好，偏差小于0.15 mm；外表光滑無帶褶皺豎紋；豎直度好，偏斜度小于3 mm。文中設計方案先進、有效，可以用于包裝用LDPE塑料瓶生產過程中的長圓形中空體成型過程。

長圓形中空體；衣架流道；狹縫流道

隨著科學技術的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，塑料瓶包裝[1-3]在醫(yī)藥包裝市場上取得了明顯的進步。在塑料瓶包裝行業(yè)，塑料瓶的制瓶工藝有中空吹塑[4]、注塑[5]等多種，但不論哪種制瓶工藝，都需要熱塑性樹脂[6-10]作為原料。熱塑性樹脂經過擠出機熔融塑化后，根據(jù)需求情況將配置不同的成型裝置，而長圓形中空成型裝置[11]是為了得到連續(xù)成型的長圓形中空樹脂[12-15]而設計的。

對于用于塑料瓶包裝的環(huán)形中空狀樹脂，目前已有的具體形狀主要有圓形、長圓形等，從流道分流均衡性分析，圓形周向受力均衡，因此圓形中空狀樹脂的成型難度相對低一些，而長圓形因周向受力不均衡，導致長圓形中空狀樹脂出口流速不一致、壁厚不均勻等。要想得到周圈流速和壁厚一致的長圓形中空狀樹脂，首先是針對均勻對稱的長圓形中空樹脂，采用2個或多個通道進料的方式，又根據(jù)長圓形分流的不均衡性采用特殊的衣架式流道[16-17]和多級狹縫配合的理念，以滿足長圓形分流均衡的特殊性需求。

1 長圓形中空成型裝置技術要求分析

1.1 材料要求

長圓形中空成型裝置是產出熱塑性樹脂長圓形中空體的裝置，它需要接收前端的高溫熔融狀態(tài)熱塑性樹脂，并將其進一步塑化成型，因此其材質需具有抗高溫變形性能，應具有足夠的抵抗高壓樹脂流動阻力磨損的能力，有良好的表面拋光性能。綜合以上性能要求，優(yōu)選S136鏡面模具鋼。S136材料具有晶相組織致密、耐腐蝕性高、拋光性好等優(yōu)點，具有優(yōu)良的耐磨性、機械加工性和淬硬尺寸穩(wěn)定性。

1.2 結構與尺寸

長圓形中空成型裝置采用衣架式流道，是為了得到環(huán)形中空狀態(tài)連續(xù)成型的樹脂。本研究擬采用的熱塑性樹脂LDPE長圓形中空體主要分為進料口、分流流道、口模流道等。熱塑性樹脂LDPE長圓形中空體通過前端接收來自擠出螺桿的熔融樹脂，經過各級流道的進一步壓縮、均流、塑化，最終得到出料流速一致、壁厚穩(wěn)定的中空樹脂。

1.3 擠出成型難點

研究是要得到周圈壁厚一致的長圓形中空狀樹脂，而長圓形因周向受力不均衡，從進料到出料的中間流道，就不能用常規(guī)簡單的流道設計或算法實現(xiàn)，必須根據(jù)長圓形受力特點，通過特殊的建模或算法實現(xiàn)，文中選取熱塑性樹脂LDPE進行分析。

2 口模設計與流道優(yōu)化

2.1 口模設計

針對長圓形中空狀樹脂成型的特點，流道設計是關鍵，而最關鍵的是熔融樹脂分流均衡設計。本研究中擬采用的方案是：長圓形中空體進料口接收來自擠出螺桿的熔融樹脂，進入后經過一分二的均分流道對樹脂進行均分，每一個流道對應成型長圓形中空狀樹脂的一半。之后再經過口模流道實現(xiàn)樹脂的進一步壓縮、均流、塑化，最終得到出料流速一致、壁厚均勻的中空樹脂。如圖1所示，口模流道擬設計7個區(qū)域。

a.衣架分流區(qū)；b.過渡區(qū)；c.收斂區(qū)；d.流量控制區(qū)；e.限流區(qū)； f.均化區(qū)；g.恒定出料區(qū)。

衣架分流區(qū)：采用創(chuàng)新的衣架式分流流道，保證樹脂經過該區(qū)域后均布到整個圓周方向。

過渡區(qū)：接收來自衣架分流區(qū)的樹脂，使其進入到下一級收斂區(qū)。

收斂區(qū)：因衣架分流區(qū)樹脂環(huán)形的周長較長，與出料口需要的長圓形中空樹脂周長不匹配，所以該區(qū)域需要通過收斂，向出料口所需要的長圓形中空樹脂外形過渡。

流量控制區(qū)：因樹脂經過收斂區(qū)后，出現(xiàn)流量波動，因此需要通過流量控制區(qū)的可調設計對流量進行微調，以確保長圓形中空樹脂周邊流量一致。

限流區(qū)：在流量控制區(qū)進行流量調整時，需要在樹脂運動的下一級限流區(qū)，通過其窄縫的設計，增加此處的壓力降，目的是通過該處的憋壓效果，進一步提高樹脂運動的上一級流量控制區(qū)的流量均衡效果。

均化區(qū)：樹脂經過限流區(qū)后，壓力及流量有一定波動，通過均化區(qū)，使樹脂進一步穩(wěn)定。

恒定出料區(qū)：該區(qū)域是長圓形中空狀樹脂最終成型區(qū)，其出口的長圓形與所需的長圓形中空狀樹脂完全匹配。

2.2 流道設計與優(yōu)化

研究針對長圓形中空狀樹脂LDPE成型的特點，主要是長圓形特殊成型特點、受力特點等進行綜合分析，設計出所需的長圓形中空成型裝置。長圓形中空成型裝置中進料口的位置是關鍵，如果實際需要的長圓形中空狀樹脂周長比較長，那么初步考慮一個進料口進料會不足，應考慮設置2個或以上的進料口。為解決長圓形中空體擠出成型樹脂出料的均勻性問題，對口模流道進行創(chuàng)新設計，流道方案采用衣架式流道和狹縫流道配合設計。

2.2.1 口模流道創(chuàng)新設計

2.2.1.1 衣架式流道創(chuàng)新設計

長圓形中空成型裝置最終是要安裝到擠出機或其他設備上的，因此還應考慮可安裝性，其中一種比較好的方案見圖2，設置2個進料口，從對應長圓形中空狀樹脂中間的兩側進料。

圖2 進料位置圖

既然進料口采用2個，因此可以考慮將長圓形中空成型裝置的流道均分為2部分（如圖3所示），每個進料口對應一半的長圓形中空狀樹脂成型。

圖3 進料均布圖

根據(jù)上面的描述，后面對一半的中空成型裝置的流道進行分析。此次創(chuàng)新性地采用衣架式流道。進料口為衣架式流道的起始點，從該點左右分流形成衣架的形狀。

將流道展開為平面，衣架式流道中歧管采用直歧管結構，歧管截面為半圓，半徑沿流道寬度方向線性減小，衣架式流道的阻流區(qū)分為厚度不同的上下2部分，分界線為曲線，如圖4所示，衣架式流道的剖面圖如圖1中的標號1所示。進料口（0點）半徑為8 mm，末端半徑為4 mm；阻流區(qū)總高度為45 mm，擴張角為150°；阻流區(qū)各點的坐標為y=28.3 mm、y=36 mm、y=45 mm、y=28.4 mm；阻流區(qū)上部的厚度為1.2 mm，下部的厚度為2.4 mm。

圖4 衣架式流道示意圖

圖5 芯棒形狀和尺寸

圖5是衣架式流道部分的芯棒尺寸，由圖5可知，每個衣架的寬度為430 mm。

2.2.1.2 狹縫流道創(chuàng)新設計

狹縫流道的剖面圖如圖1中的標號區(qū)域a、b、c、d、e、f、g，經過測試驗證間隙的厚度分別為4、3、3.5、1、5和1 mm可以達到所需效果。

衣架分流區(qū)a后端的b、c、d、e、f、g 6個區(qū)域統(tǒng)稱為狹縫區(qū)。理論上經過衣架分流區(qū)a分流后的樹脂在長圓截面上的壓力、速度都是一致的，但是在經過狹縫區(qū)c時出現(xiàn)了收斂，導致兩端速度變快，流速不均衡。c狹縫區(qū)的設計就是為了解決樹脂不均衡而特殊設計。

過渡區(qū)b接收來自衣架分流區(qū)a的樹脂，使其進入到收斂區(qū)c，在該區(qū)域通過收斂，向出料口所需要的長圓形中空樹脂外形過渡，因過渡前后的圓周尺寸差別大，因此會出現(xiàn)流量波動。在樹脂進入到流量控制區(qū)d后，流量控制區(qū)d的可調設計對流量進行微調，以確保長圓形中空樹脂周邊流量一致。

在流量控制區(qū)進行流量調整時，需要在樹脂運動的下一級設置限流區(qū)e，通過其足夠小的狹縫設計，增加此處的壓力降，已達到該處的憋壓效果，進一步提高樹脂運動的上一級流量控制區(qū)的流量均衡效果。樹脂經過限流區(qū)e后，壓力及流量有一定波動，通過均化區(qū)f使樹脂進一步穩(wěn)定。最后樹脂進入到出口的恒定出料區(qū)g，該區(qū)域是長圓形中空狀樹脂最終成型區(qū)，其出口的長圓形與所需的長圓形中空狀樹脂完全匹配。

2.2.2 樹脂流動仿真模擬分析與優(yōu)化

運用專業(yè)的熱流道分析軟件Ansys Polyflow對樹脂流動進行力學分析，入口邊界用INLET，輸入體積流率，出口邊界用OUTLET，出口壓力設置為0。通過調整狹縫各區(qū)域的間隙厚度，進行分析優(yōu)化。

圖6 樹脂模型

樹脂在流道內的模型見圖6。按照樹脂擠出產能60 kg/h，模擬計算得到的壓力分布見圖7，模擬計算得到的擠出壓力為19.72 MPa。

圖8是熔體出口流率變化示意圖，橫坐標是將出口處的圓弧段展開后計算得到的，縱坐標代表了出口流率的均勻程度，對稱面處為0.998，而末端為1.012，兩端流量基本相當，說明理論上的口模流道設計，可以保證出口處長圓形樹脂在周圈位置的流率基本一致。

針對狹縫部分建模并進行了數(shù)值模擬，考慮到流道的對稱性，計算中僅取1/2模型進行計算，計算結果見圖9。

圖9a壓力場為壓力等值線，可以看出，壓力降主要發(fā)生在限流區(qū)（第5段，約3.8 MPa）和恒定出料區(qū)（第7段，約5 MPa）。由于流道兩側在收斂區(qū)（第3段）出現(xiàn)收斂而中間位置未收斂，造成第1段的壓力不平行于出口斷面，但熔體流經阻流區(qū)和出口區(qū)后，壓力平行于出口斷面，出口處熔體流動達到平衡，可從圖9b中看到。從圖9c可以看出，阻流區(qū)的剪切速率達到596 1/s，約為出口區(qū)的2倍。從流線圖也可以看出，由于流道兩端的收斂，熔體在第1段和第2段出現(xiàn)向中間的流動，但經過阻流區(qū)后沿模具軸線方向流動。

圖7 模擬計算壓力場

圖8 出口處熔體出口流率沿寬度方向的變化示意圖

圖9 流道狹縫模擬結果

通過以上的分析，在樹脂經過收斂區(qū)時，兩端因收斂導致剪切速率加大，流速變快，因此可以適當將該處的縫隙減小或設計成可調縫隙的結構。

3 試制驗證

長圓形中空成型裝置優(yōu)化設計后進行了樣機制作與測試。

3.1 長圓形中空成型裝置結構尺寸一致性

長圓形中空體結構尺寸一致性主要是為了檢測其裝配后出口縫隙的一致性，即長圓形出口流道縫隙的一致性。如圖10所示，長圓形中空成型裝置原始設計出口的縫隙為1 mm，實測為1 ～1.02 mm ,可以滿足長圓形樹脂生產對長圓形中空體縫隙的尺寸精度要求。

3.2 性能測試

對中空體壁厚均勻性、外觀質量、豎直度等性能參數(shù)進行測試。

圖10 流道狹縫檢測結果

3.2.1 壁厚均勻性測試

取長圓形中空體周邊8個點為一組，間隔5 min取一次，共取10組。測試數(shù)據(jù)如圖11所示，壁厚最大偏差0.15 mm。

3.2.2 外觀質量測試

對中空體進行出料測試，觀察外表面質量，圖12為實際外觀效果：中空體外表光滑，無帶褶皺豎紋。

3.2.3 中空體豎直度測試

對中空體出料效果進行測試，測試其豎直偏差，如圖13所示，其豎直度良好，豎直偏差最大為3 mm。

圖11 壁厚數(shù)據(jù)

圖12 外觀質量

圖13 豎直度測試

4 結語

文中針對熱塑性樹脂LDPE長圓形中空體擠出成型口模開展流道優(yōu)化設計研究，其特殊的衣架式流道和多級狹縫配合使用是本次設計的關鍵，成功解決了長圓形中空體成型時遇到的壁厚不均勻、外觀差、偏斜等問題。通過仿真優(yōu)化設計與驗證獲得了以下成功經驗和結論：

衣架式流道應由歧管和2級阻流區(qū)構成，歧管采用直歧管結構，歧管截面為半圓，也可以設計成矩形或其它形狀。半徑沿流道寬度方向線性減小，夾角設計為150°為最佳。衣架式流道的阻流區(qū)分為厚度不同的上下兩部分，分界線為曲線CL。曲線CL應與歧管曲線OE保持平行。經過驗證2級阻流設計是效果最好的。每個衣架的長度根據(jù)進料位置對應的長圓形的周長確定。

理論上衣架末端的樹脂在長圓截面上的壓力、速度都是一致的，但是在經過狹縫區(qū)3時出現(xiàn)了收斂（設計上應避開3收斂區(qū)，但因實際結構限制，往往無法避開，本次是取存在收斂區(qū)的苛刻條件分析，找到解決樹脂在經過收斂區(qū)不均衡的方法），導致兩端速度變快，樹脂不均衡。為了解決樹脂在經過收斂區(qū)出現(xiàn)不平衡的問題，設計了收斂區(qū)后的狹縫4、5、6、7，其中5的尺寸是關鍵，它是狹縫中縫隙最小的一段，它起到關鍵的限流均衡作用，它的縫隙大小和長度尤為重要，需要根據(jù)實際情況具體確定，這次的設計數(shù)據(jù)只是針對LDPE的一種情況，主要是提出了一種思路和方法，如果樹脂的物性發(fā)生變化，相應地需要對縫隙大小和長度做出調整。

對于狹縫尺寸與樹脂性質的關系，將作為新的研究課題進行研究。

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Optimization Design of Die Flow Channel of Thermoplastic Resin LDPE Long Hollow Cylinder

HUANG Li-jun, LI Zhi-wei, ZHOU Li-jun, DING Xiao-feng

(Shinva Medical Instrument Co., Ltd., Shandong Zibo 255000, China)

The work aims to explore the special feed mode and flow channel to meet the special demand for long round hollow flow balancing. Fluid mechanics was used to analyze the flow of LDPE resin and study the relationship between the forming quality of long hollow cylinder and the number and gap of die flow channel so as to finalize the best number and gap of die flow channel and verify the accuracy of the analysis data by trial results. When 1 coat-hanger channel (2 inlets) and 6 slit channels (4, 3, 3.5, 1, 5 and 1 mm) were adopted, the forming quality of long hollow cylinder was the best: uniform wall thickness with deviation less than 0.15 mm, smooth outer surface without wrinkles and lines and good verticality with skewness less than 3 mm. The proposed design scheme is advanced and effective, which can be used to form long hollow cylinder in the production of LDPE plastic bottle for packaging.

long hollow cylinder; coat-hanger flow channel; slit channel

Tb484.3

A

1001-3563(2022)19-0284-07

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.19.034

2022–05–12

黃利軍（1978—），男，本科，高級工程師，主要研究方向為智能制藥裝備，無菌灌裝技術。

責任編輯：曾鈺嬋