LMD工藝在吹塑模具制造中的應(yīng)用

陳建剛

摘 要：當(dāng)今的吹塑模具制造商在承受來自緊迫定價(jià)的沉重壓力，比以往更需能夠幫助他們加快模具制造的技術(shù)，獲得更低成本與響應(yīng)客戶要求的能力。為解決PET吹塑制瓶模具生產(chǎn)中存在加工效率低下等問題，分析了PET制瓶流程，圍繞制瓶設(shè)備配吹塑模具，設(shè)計(jì)型腔零件背面半圓柱車削加工專用夾具，使表面粗糙度達(dá)到工藝要求。提升工序的生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：LMD工藝;吹塑模具;應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TQ320.66 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）13-0075-02

近年來，我國(guó)飲料行業(yè)迅猛發(fā)展。飲料品種發(fā)展處瓶裝飲用水，碳酸飲料等十幾種類型。一些新型功能性飲料產(chǎn)量逐步增長(zhǎng)。飲料包裝中，PET瓶占據(jù)主導(dǎo)地位，PET瓶具有良好的透光率，化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)，瓶體強(qiáng)度高，單耗小，可回收利用。對(duì)氧氣有良好的阻隔性。PET瓶生產(chǎn)過程復(fù)雜，涉及干燥，吹塑等系列工藝環(huán)節(jié)，為滿足包裝工藝等需要，PET瓶有較高的物理性能要求，目前國(guó)內(nèi)PET吹塑瓶高端設(shè)備中，國(guó)外進(jìn)口設(shè)備占據(jù)較大比重，設(shè)備價(jià)格普遍較高。PET吹瓶模具價(jià)格設(shè)備總值的1/4，PET瓶自主設(shè)計(jì)能力成為制約飲料行業(yè)發(fā)展的瓶頸。精度穩(wěn)定，制件合格，價(jià)格低廉的高速PET瓶吹模具國(guó)產(chǎn)化具有重要的戰(zhàn)略意義。國(guó)內(nèi)眾多廠家生產(chǎn)的吹塑制瓶模具質(zhì)量良莠不齊，存在模具質(zhì)量達(dá)不到進(jìn)口設(shè)備配套要求等問題，急需改進(jìn)加工工藝，促進(jìn)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的提升。本文根據(jù)穩(wěn)定吹塑模生產(chǎn)工藝，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期的要求，分析LMD工藝，圍繞KRONES H24制瓶設(shè)備配備的吹塑模具，研究型腔零件生產(chǎn)工藝流程，對(duì)型腔零件的工藝路線，切削參數(shù)等進(jìn)行研究，為優(yōu)化吹塑模具加工工藝，提高生產(chǎn)效率提供參考方案。

1 PET飲料瓶生產(chǎn)工藝

LMD是有Smith提出的心適應(yīng)時(shí)頻分析算法，將復(fù)雜的多分量信號(hào)分解成多個(gè)PE分量相加，將全部PE分量瞬時(shí)幅值與頻率組合獲得原始信息完備的時(shí)頻分布。LMD分解算法是對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)分析，反映故障信息的本質(zhì)，適應(yīng)于故障特征提取，LMD方法首先被應(yīng)用于腦電圖信號(hào)燈生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理，具有自適應(yīng)性，正交性等特征[1]。

PET是一種熱塑性聚酯，在軟性飲料包裝領(lǐng)域，碳酸飲料包裝所用的PET瓶生產(chǎn)主要采用注塑瓶坯雙向拉伸吹塑成形。PET飲料瓶成形工藝中，能在一臺(tái)設(shè)備中完成生產(chǎn)全過程的非法為一步法成型工藝。生產(chǎn)者紅，未定型的PET瓶坯，經(jīng)雙向拉伸使PET材料超出應(yīng)變強(qiáng)化極限。PET材料大分子鏈取向結(jié)晶，使得PET瓶體成型，PET飲料瓶復(fù)雜生產(chǎn)工藝的每個(gè)環(huán)節(jié)，如瓶坯與瓶型的幾何形狀，拉伸速率等，都會(huì)對(duì)制品性能產(chǎn)生較大影響[2]。

瓶坯注塑是獲得PET飲料瓶吹塑毛坯的重要步驟，PET樹脂分子易與溶體發(fā)生水分解反應(yīng)，影響產(chǎn)品的物理性能。在注塑前將PET樹脂經(jīng)3小時(shí)，150℃干燥處理，獲得制品的最佳性能。

瓶坯注塑關(guān)鍵是注塑成型模具，在一定壓力下通過澆注系統(tǒng)注射到成型模腔。注塑成型模具主要由澆注系統(tǒng)，頂出機(jī)構(gòu)等基本部分組成。

拉伸吹塑是將加熱后的PET瓶坯置于吹塑模型腔內(nèi)，吹塑成型，拉伸吹塑工藝常用拉伸桿拉伸瓶坯軸向，拉伸后制品抗沖擊強(qiáng)度，表面光潔度得到提高。

預(yù)吹是吹瓶中的重要步驟，拉伸桿下降時(shí)開始預(yù)吹低壓氣體，吹氣流量是控制預(yù)吹效果的重要因素，預(yù)吹瓶形狀決定吹塑制品的合格率，預(yù)吹壓力不足易造成PET瓶形狀異常。含氣飲料瓶拉伸比通常選取10：1，拉伸比過小會(huì)影響瓶子的綜合力學(xué)性能。

2 KRONES吹塑制瓶設(shè)備

本文研究吹塑模具應(yīng)用于KRONES H24吹塑制瓶設(shè)備，通過一定的工藝手段吹成瓶子，引進(jìn)德國(guó)的吹瓶機(jī)可直接連接飲料灌裝機(jī)，能實(shí)現(xiàn)每小時(shí)80000個(gè)PET瓶的生產(chǎn)力。KRONES多年來致力于提供符合飲料，化妝品等包裝需求的全套生產(chǎn)設(shè)備。

KRONES吹塑瓶設(shè)備由瓶坯整理與吹瓶圈組成，瓶坯整理部分包括升降機(jī)與理坯機(jī)。PET瓶坯通過升降機(jī)滑道上升輸送到理坯機(jī)頂部，將PET瓶坯分開，以瓶坯坯口向上的姿態(tài)滑入供給軌道。

經(jīng)整理后的PET瓶坯由傾斜供給軌道送入加熱爐頭瓶坯傳送星輪，芯軸桿與軸頭機(jī)械作用下，瓶坯加載于傳輸帶，傳入加熱烘爐。PET瓶坯經(jīng)加熱區(qū)時(shí)，加熱90℃，加熱爐使用九層不等距直排紅外線管狀輻射器實(shí)現(xiàn)加熱溫度。

經(jīng)加熱后進(jìn)入吹塑站的PET瓶借頸環(huán)被固定在吹塑模內(nèi)。吹塑噴嘴下移，頂住瓶坯底端進(jìn)行軸向拉伸。預(yù)吹壓力通常選擇12-25bar，預(yù)吹結(jié)束時(shí)，PET瓶基本成型。

3 吹塑制瓶流程

精密機(jī)械有限公司KRONES H24吹塑制瓶設(shè)備生產(chǎn)的PET飲料瓶，原始形狀設(shè)計(jì)參考以色列生產(chǎn)的某飲料外觀，吹塑模具由型腔零件與瓶底零件，凹坑零件組成成型曲面，模具結(jié)構(gòu)中的其余零件，共同完成模具的開合功能。[3]

型腔零件是以色列瓶型吹塑模具中體積最大的典型零件。型腔零件的材料選擇是決定吹塑模具質(zhì)量的重要因素，相關(guān)零件應(yīng)具有良好的尺寸穩(wěn)定性，導(dǎo)熱性，市場(chǎng)供選擇的塑料模具材料包括預(yù)硬塑料模具鋼等。

以色列瓶型模具用于加工PET飲料瓶，要求模具比較清潔，對(duì)制品的透明度要求較高，要求零件材料具有較好的拋光性能。零件材料硬度增高使研磨困難加大，硬度增高，要達(dá)到較小的表面粗糙度需拋光時(shí)間增長(zhǎng)。選用歐標(biāo)模具鋼為型腔零件材料，實(shí)驗(yàn)抽檢，硬度能滿足吹塑模具型腔表面拋光需要。

4 型腔零件加工方案

吹塑模具通過兩半型腔零件與瓶底模具零件開合動(dòng)作，型腔零件是吹塑模具的核心零件，要求進(jìn)行拋光處理。外形與吹瓶機(jī)模架相互配合。型腔零件為典型多工位加工零件。單個(gè)型腔零件整體外形為半圓柱形，外輪廓與成型型腔曲面有很高的相對(duì)位置精度要求。為完成多工位的高精度加工，需分析零件加工要點(diǎn)，保證加工精度。

生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)型腔零件加工工藝規(guī)劃需考慮加工質(zhì)量要求較高，型腔零件型腔曲面等屬于吹塑模具工作表面，裝配基面加工面積大，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)工藝規(guī)劃中，先安排主要表面的加工。為保證兩半型腔零件的相對(duì)位置精度，工藝方案以導(dǎo)柱孔為基準(zhǔn)，將兩半型腔零件進(jìn)行配對(duì)加工。

根據(jù)模具金加工車間針對(duì)吹塑模模型零件制定的工藝，滿足其加工工藝原則，背面半圓柱面加工中采用數(shù)控加工中心進(jìn)行粗加工。使用銑削方法加工的半圓柱依靠數(shù)控系統(tǒng)圓弧插補(bǔ)運(yùn)算得到，半圓柱形狀誤差過大導(dǎo)致模具安裝誤差大。采用銑削型腔零件背面圓柱面加工方式加工效率交底，設(shè)備占用率高，型腔零件加工背面半圓柱面加工質(zhì)量方面有待進(jìn)一步改進(jìn)。

5 腔零件加工工藝改進(jìn)

車削加工是回轉(zhuǎn)體零件加工方式的首選，選擇車削加工方法能有效提高加工效率。避免出現(xiàn)的表面粗糙度不一致等加工缺陷。吹塑模型腔零件以軸向?qū)ΨQ剖面為分型面，采用兩個(gè)型腔零件配對(duì)車削思路，設(shè)計(jì)車削加工專用夾具。數(shù)控車床安裝聯(lián)接法蘭，尾部使用活絡(luò)頂尖定位。車削加工后表面質(zhì)量一致性好。達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定的表面質(zhì)量要求[4]。

吹塑模型零件中復(fù)雜成型曲面是實(shí)現(xiàn)豐富瓶型的重要因素。結(jié)合公司生產(chǎn)實(shí)際，將工藝路線轉(zhuǎn)變?yōu)榇旨庸ぁ庸ぁ植烤拚墓に嚪桨浮?/p>

傳統(tǒng)加工工藝中，粗加工無法滿足直接精加工的要求，由半精加工進(jìn)行再次整體切削。粗加工完成后，高性能NC機(jī)床加工尺寸精度符合直接加工條件?？刹扇⌒≈睆降毒哌M(jìn)行局部精修整。避免了重復(fù)加工。

精加工過程中加工區(qū)域重疊等問題為認(rèn)為因素引起，可以通過引入針對(duì)性的變成軟件避免，結(jié)合公司生產(chǎn)實(shí)際需求，選用Tebis軟件。Tebis要包括新產(chǎn)品設(shè)計(jì)，刀具與模具設(shè)計(jì)，自動(dòng)編程等。刀具路徑生成功能快捷。

應(yīng)用Tebis區(qū)域劃分功能解決精加工中區(qū)域重疊的問題，避免加工區(qū)域重復(fù)，加工軌跡更均勻光滑。使用Tebis軟件清角區(qū)域自動(dòng)計(jì)算功能，設(shè)定的型腔曲面精工后需清角區(qū)域合理，圓角加工質(zhì)量好。

6 型腔曲面高速精加工表面粗糙度實(shí)驗(yàn)

6.1 單因素銑削實(shí)驗(yàn)

精密機(jī)械有限公司模具型腔采用手工拋光工藝，單位時(shí)間金屬去除量小，加工后表面粗糙度對(duì)拋光工序加工余量影響大。采用實(shí)驗(yàn)方法研究表面粗糙度隨切削工藝參數(shù)的變化規(guī)律，通過建立表面粗糙度預(yù)估模型，為合理選擇吹塑模具型腔零件切削參數(shù)提供理論依據(jù)。

設(shè)備具有加速度與加加速度平滑處理功能，能避免高速為加工時(shí)發(fā)生數(shù)據(jù)饑餓限制給進(jìn)速度等現(xiàn)象。選用SANSDVIK CoroMill Plura整體硬質(zhì)合金涂層求銑刀，CoroMill Plura銑刀可經(jīng)受恒定高切削速度。實(shí)驗(yàn)采用工件表面質(zhì)量測(cè)量?jī)x器為SURFTEST SV-3100W4型表面粗糙度儀，是具有高精度的新產(chǎn)品。

采用單因素銑削實(shí)驗(yàn)，研究型腔高速加工表面粗糙度變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)選擇150x50x30mm的矩形塊狀，實(shí)驗(yàn)前經(jīng)粗加工獲得90°臺(tái)階狀輪廓，球頭立銑刀軸線與被加工面呈45°夾角。采用高等切削沿斜面插補(bǔ)。

銑削加工獲得工件表面刀痕間距均勻，表面粗糙測(cè)量垂直于進(jìn)給防滲取樣。將實(shí)驗(yàn)零件置于90°V型塊中，粗糙度取樣沿斜面插補(bǔ)方向，實(shí)際輪廓粗糙度分析范圍取4mm，1.2085格里茲模具表面粗糙度切削參數(shù)組合為，進(jìn)給量f2=0.075，.軸向切削深度ap=0.15mm。

6.2 基于表面粗糙度的高速加工切削參數(shù)優(yōu)化

合理選擇切削參數(shù)對(duì)工件加工效率具有積極意義。通過正交試驗(yàn)選擇高速加工切削參數(shù)。生產(chǎn)實(shí)踐中，試制新產(chǎn)品，需花費(fèi)時(shí)間，消耗人力做實(shí)驗(yàn)。全面實(shí)驗(yàn)?zāi)茌^準(zhǔn)確的反映現(xiàn)實(shí)規(guī)律，但困難大，正交試驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)是對(duì)大量全面實(shí)驗(yàn)因素組合進(jìn)行簡(jiǎn)化，挑選具有代表性的試驗(yàn)點(diǎn)，尋找各因素的最優(yōu)水平。

正交試驗(yàn)獲得最優(yōu)切削參數(shù)組合為，Vc=270m/min，ap=0.15mm，fz=0.08mm/tooth，正交試驗(yàn)獲得零件表面粗糙度變化規(guī)律與單因素切削變化趨勢(shì)一致，正交試驗(yàn)次數(shù)有限，對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果有一定的差異。

正交試驗(yàn)優(yōu)選最佳切削參數(shù)中，徑向ac與fz處于相對(duì)較小值。忽略加工效率的切削參數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)在實(shí)際生產(chǎn)中缺乏指導(dǎo)意義。以表面粗糙度為優(yōu)化目標(biāo)，通過恒定金屬切削除率尋求切削參數(shù)。

表面粗糙度變化范圍在0.383-0.921μm，不同切削參數(shù)進(jìn)行組合后，對(duì)被加工表面粗糙度影響較大。在恒定金屬切削除率精銑加工實(shí)驗(yàn)中，切削速度高的銑削參數(shù)組合可獲得表面質(zhì)量較高，相關(guān)參數(shù)交互作用實(shí)驗(yàn)獲得表面粗糙度最小。獲得最小表面粗糙度的優(yōu)化切削參數(shù)組合為Vc=300m/min，ap=0.15mm，.金屬切削率Q=0.04777mm3/min，加工效率得到明顯提升。

7 結(jié)語

本文針對(duì)精密機(jī)械有限公司進(jìn)口制瓶配套模具國(guó)產(chǎn)化，吹塑模生產(chǎn)效率低下等問題，分析PET制瓶流程，圍繞設(shè)備配瓶吹塑模具加工技術(shù)，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際加工實(shí)驗(yàn)對(duì)比，對(duì)型腔工藝路線等進(jìn)行了系統(tǒng)研究，為提高產(chǎn)品質(zhì)量土功能參考方案。

參考文獻(xiàn)

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