LMD工艺在吹塑模具制造中的应用

陈建刚

摘 要：当今的吹塑模具制造商在承受来自紧迫定价的沉重压力，比以往更需能够帮助他们加快模具制造的技术，获得更低成本与响应客户要求的能力。为解决PET吹塑制瓶模具生产中存在加工效率低下等问题，分析了PET制瓶流程，围绕制瓶设备配吹塑模具，设计型腔零件背面半圆柱车削加工专用夹具，使表面粗糙度达到工艺要求。提升工序的生产效率。

关键词：LMD工艺;吹塑模具;应用

中图分类号：TQ320.66 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）13-0075-02

近年来，我国饮料行业迅猛发展。饮料品种发展处瓶装饮用水，碳酸饮料等十几种类型。一些新型功能性饮料产量逐步增长。饮料包装中，PET瓶占据主导地位，PET瓶具有良好的透光率，化学稳定性强，瓶体强度高，单耗小，可回收利用。对氧气有良好的阻隔性。PET瓶生产过程复杂，涉及干燥，吹塑等系列工艺环节，为满足包装工艺等需要，PET瓶有较高的物理性能要求，目前国内PET吹塑瓶高端设备中，国外进口设备占据较大比重，设备价格普遍较高。PET吹瓶模具价格设备总值的1/4，PET瓶自主设计能力成为制约饮料行业发展的瓶颈。精度稳定，制件合格，价格低廉的高速PET瓶吹模具国产化具有重要的战略意义。国内众多厂家生产的吹塑制瓶模具质量良莠不齐，存在模具质量达不到进口设备配套要求等问题，急需改进加工工艺，促进市场竞争力的提升。本文根据稳定吹塑模生产工艺，缩短产品生产周期的要求，分析LMD工艺，围绕KRONES H24制瓶设备配备的吹塑模具，研究型腔零件生产工艺流程，对型腔零件的工艺路线，切削参数等进行研究，为优化吹塑模具加工工艺，提高生产效率提供参考方案。

1 PET飲料瓶生产工艺

LMD是有Smith提出的心适应时频分析算法，将复杂的多分量信号分解成多个PE分量相加，将全部PE分量瞬时幅值与频率组合获得原始信息完备的时频分布。LMD分解算法是对原始信号进行自适应分析，反映故障信息的本质，适应于故障特征提取，LMD方法首先被应用于脑电图信号灯生物医学信号处理，具有自适应性，正交性等特征[1]。

PET是一种热塑性聚酯，在软性饮料包装领域，碳酸饮料包装所用的PET瓶生产主要采用注塑瓶坯双向拉伸吹塑成形。PET饮料瓶成形工艺中，能在一台设备中完成生产全过程的非法为一步法成型工艺。生产者红，未定型的PET瓶坯，经双向拉伸使PET材料超出应变强化极限。PET材料大分子链取向结晶，使得PET瓶体成型，PET饮料瓶复杂生产工艺的每个环节，如瓶坯与瓶型的几何形状，拉伸速率等，都会对制品性能产生较大影响[2]。

瓶坯注塑是获得PET饮料瓶吹塑毛坯的重要步骤，PET树脂分子易与溶体发生水分解反应，影响产品的物理性能。在注塑前将PET树脂经3小时，150℃干燥处理，获得制品的最佳性能。

瓶坯注塑关键是注塑成型模具，在一定压力下通过浇注系统注射到成型模腔。注塑成型模具主要由浇注系统，顶出机构等基本部分组成。

拉伸吹塑是将加热后的PET瓶坯置于吹塑模型腔内，吹塑成型，拉伸吹塑工艺常用拉伸杆拉伸瓶坯轴向，拉伸后制品抗冲击强度，表面光洁度得到提高。

预吹是吹瓶中的重要步骤，拉伸杆下降时开始预吹低压气体，吹气流量是控制预吹效果的重要因素，预吹瓶形状决定吹塑制品的合格率，预吹压力不足易造成PET瓶形状异常。含气饮料瓶拉伸比通常选取10：1，拉伸比过小会影响瓶子的综合力学性能。

2 KRONES吹塑制瓶设备

本文研究吹塑模具应用于KRONES H24吹塑制瓶设备，通过一定的工艺手段吹成瓶子，引进德国的吹瓶机可直接连接饮料灌装机，能实现每小时80000个PET瓶的生产力。KRONES多年来致力于提供符合饮料，化妆品等包装需求的全套生产设备。

KRONES吹塑瓶设备由瓶坯整理与吹瓶圈组成，瓶坯整理部分包括升降机与理坯机。PET瓶坯通过升降机滑道上升输送到理坯机顶部，将PET瓶坯分开，以瓶坯坯口向上的姿态滑入供给轨道。

经整理后的PET瓶坯由倾斜供给轨道送入加热炉头瓶坯传送星轮，芯轴杆与轴头机械作用下，瓶坯加载于传输带，传入加热烘炉。PET瓶坯经加热区时，加热90℃，加热炉使用九层不等距直排红外线管状辐射器实现加热温度。

经加热后进入吹塑站的PET瓶借颈环被固定在吹塑模内。吹塑喷嘴下移，顶住瓶坯底端进行轴向拉伸。预吹压力通常选择12-25bar，预吹结束时，PET瓶基本成型。

3 吹塑制瓶流程

精密机械有限公司KRONES H24吹塑制瓶设备生产的PET饮料瓶，原始形状设计参考以色列生产的某饮料外观，吹塑模具由型腔零件与瓶底零件，凹坑零件组成成型曲面，模具结构中的其余零件，共同完成模具的开合功能。[3]

型腔零件是以色列瓶型吹塑模具中体积最大的典型零件。型腔零件的材料选择是决定吹塑模具质量的重要因素，相关零件应具有良好的尺寸稳定性，导热性，市场供选择的塑料模具材料包括预硬塑料模具钢等。

以色列瓶型模具用于加工PET饮料瓶，要求模具比较清洁，对制品的透明度要求较高，要求零件材料具有较好的抛光性能。零件材料硬度增高使研磨困难加大，硬度增高，要达到较小的表面粗糙度需抛光时间增长。选用欧标模具钢为型腔零件材料，实验抽检，硬度能满足吹塑模具型腔表面抛光需要。

4 型腔零件加工方案

吹塑模具通过两半型腔零件与瓶底模具零件开合动作，型腔零件是吹塑模具的核心零件，要求进行抛光处理。外形与吹瓶机模架相互配合。型腔零件为典型多工位加工零件。单个型腔零件整体外形为半圆柱形，外轮廓与成型型腔曲面有很高的相对位置精度要求。为完成多工位的高精度加工，需分析零件加工要点，保证加工精度。

生产现场对型腔零件加工工艺规划需考虑加工质量要求较高，型腔零件型腔曲面等属于吹塑模具工作表面，装配基面加工面积大，生产现场工艺规划中，先安排主要表面的加工。为保证两半型腔零件的相对位置精度，工艺方案以导柱孔为基准，将两半型腔零件进行配对加工。

根据模具金加工车间针对吹塑模模型零件制定的工艺，满足其加工工艺原则，背面半圆柱面加工中采用数控加工中心进行粗加工。使用铣削方法加工的半圆柱依靠数控系统圆弧插补运算得到，半圆柱形状误差过大导致模具安装误差大。采用铣削型腔零件背面圆柱面加工方式加工效率交底，设备占用率高，型腔零件加工背面半圆柱面加工质量方面有待进一步改进。

5 腔零件加工工艺改进

车削加工是回转体零件加工方式的首选，选择车削加工方法能有效提高加工效率。避免出现的表面粗糙度不一致等加工缺陷。吹塑模型腔零件以轴向对称剖面为分型面，采用两个型腔零件配对车削思路，设计车削加工专用夹具。数控车床安装联接法兰，尾部使用活络顶尖定位。车削加工后表面质量一致性好。达到设计规定的表面质量要求[4]。

吹塑模型零件中复杂成型曲面是实现丰富瓶型的重要因素。结合公司生产实际，将工艺路线转变为粗加工—精加工—局部精修整的工艺方案。

传统加工工艺中，粗加工无法满足直接精加工的要求，由半精加工进行再次整体切削。粗加工完成后，高性能NC机床加工尺寸精度符合直接加工条件。可采取小直径刀具进行局部精修整。避免了重复加工。

精加工过程中加工区域重叠等问题为认为因素引起，可以通过引入针对性的变成软件避免，结合公司生产实际需求，选用Tebis软件。Tebis要包括新产品设计，刀具与模具设计，自动编程等。刀具路径生成功能快捷。

应用Tebis区域划分功能解决精加工中区域重叠的问题，避免加工区域重复，加工轨迹更均匀光滑。使用Tebis软件清角区域自动计算功能，设定的型腔曲面精工后需清角区域合理，圆角加工质量好。

6 型腔曲面高速精加工表面粗糙度实验

6.1 单因素铣削实验

精密机械有限公司模具型腔采用手工抛光工艺，单位时间金属去除量小，加工后表面粗糙度对抛光工序加工余量影响大。采用实验方法研究表面粗糙度随切削工艺参数的变化规律，通过建立表面粗糙度预估模型，为合理选择吹塑模具型腔零件切削参数提供理论依据。

设备具有加速度与加加速度平滑处理功能，能避免高速为加工时发生数据饥饿限制给进速度等现象。选用SANSDVIK CoroMill Plura整体硬质合金涂层求铣刀，CoroMill Plura铣刀可经受恒定高切削速度。实验采用工件表面质量测量仪器为SURFTEST SV-3100W4型表面粗糙度仪，是具有高精度的新产品。

采用单因素铣削实验，研究型腔高速加工表面粗糙度变化规律。实验选择150x50x30mm的矩形块状，实验前经粗加工获得90°台阶状轮廓，球头立铣刀轴线与被加工面呈45°夹角。采用高等切削沿斜面插补。

铣削加工获得工件表面刀痕间距均匀，表面粗糙测量垂直于进给防渗取样。将实验零件置于90°V型块中，粗糙度取样沿斜面插补方向，实际轮廓粗糙度分析范围取4mm，1.2085格里兹模具表面粗糙度切削参数组合为，进给量f2=0.075，.轴向切削深度ap=0.15mm。

6.2 基于表面粗糙度的高速加工切削参数优化

合理选择切削参数对工件加工效率具有积极意义。通过正交试验选择高速加工切削参数。生产实践中，试制新产品，需花费时间，消耗人力做实验。全面实验能较准确的反映现实规律，但困难大，正交试验优点是对大量全面实验因素组合进行简化，挑选具有代表性的试验点，寻找各因素的最优水平。

正交试验获得最优切削参数组合为，Vc=270m/min，ap=0.15mm，fz=0.08mm/tooth，正交试验获得零件表面粗糙度變化规律与单因素切削变化趋势一致，正交试验次数有限，对比实验结果有一定的差异。

正交试验优选最佳切削参数中，径向ac与fz处于相对较小值。忽略加工效率的切削参数优化实验在实际生产中缺乏指导意义。以表面粗糙度为优化目标，通过恒定金属切削除率寻求切削参数。

表面粗糙度变化范围在0.383-0.921μm，不同切削参数进行组合后，对被加工表面粗糙度影响较大。在恒定金属切削除率精铣加工实验中，切削速度高的铣削参数组合可获得表面质量较高，相关参数交互作用实验获得表面粗糙度最小。获得最小表面粗糙度的优化切削参数组合为Vc=300m/min，ap=0.15mm，.金属切削率Q=0.04777mm3/min，加工效率得到明显提升。

7 结语

本文针对精密机械有限公司进口制瓶配套模具国产化，吹塑模生产效率低下等问题，分析PET制瓶流程，围绕设备配瓶吹塑模具加工技术，通过现场实际加工实验对比，对型腔工艺路线等进行了系统研究，为提高产品质量土功能参考方案。

参考文献

[1] 聂婷.基于LMD和ELM的铝电解槽故障诊断方法研究[D].中国矿业大学，2015.

[2] jabs. The Baltic Sea region： hard and soft security reconsidered， Māris Andāns & Ilvija Brue （eds）， Riga， Latvian Institute of International Affairs， 2016， 206 pp.， ISBN 978-9984-583-88-4[J]. Journal of Baltic Studies，2018，49（1）.

[3] 李建国.油瓶吹塑模具设计与制造工艺分析[J].模具技术，2003（06）：28-30.

[4] 杜海清.PET吹塑制瓶模具型腔零件加工工艺研究[D].浙江工业大学，2012.