大口徑聚乙烯三通管件的設(shè)計(jì)

摘要：文章介紹了大口徑聚乙烯三通管件設(shè)計(jì)的一些基本要素點(diǎn)，解決大口徑聚乙烯三通管件橢圓度，直徑尺寸公差問題的方法，產(chǎn)品靜液壓實(shí)驗(yàn)薄弱點(diǎn)產(chǎn)生的機(jī)理與控制，剖析了等徑三通與異徑三通系列的優(yōu)化設(shè)計(jì)，具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：大口徑；聚乙烯三通管件；反補(bǔ)償；管狀橢圓；翹曲 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TQ320 文章編號(hào)：1009-2374（2015）18-0024-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.18.013

隨著城鎮(zhèn)化的進(jìn)程加快，燃?xì)獾男枨罅吭絹碓酱螅斔腿細(xì)獾木垡蚁┕艿揽趶诫S之增大，輸送管道的連接件和分支的施工難度也隨之增大，聚乙烯三通起著連接主通兩端，且有著從主通又分出支口的作用。聚乙烯三通必須保證與管材具有同等或更高的使用年限的要求，同時(shí)保證聚乙烯三通管件施工方便，且能保證接口處的質(zhì)量，這些成為大口徑聚乙烯三通設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。

1 產(chǎn)品特點(diǎn)

以400直徑為例介紹產(chǎn)品的一些基本特征：壁厚大，產(chǎn)品壁厚36.4mm；其產(chǎn)品直徑400公差范圍 2.4mm；壁厚36.4的公差帶3.9mm；不圓度最大不超過6mm，見圖1。產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到49.79kg，見圖2。

大口徑聚乙烯三通產(chǎn)品在熱熔連接中的應(yīng)用，當(dāng)橢圓度控制不好或壁厚超差，這些因素會(huì)嚴(yán)重影響熱熔對(duì)接卷邊不均勻，管端錯(cuò)位，從而造成產(chǎn)品的功能失效或減少產(chǎn)品的使用壽命。

大口徑聚乙烯三通產(chǎn)品在電熔連接中的應(yīng)用，當(dāng)橢圓度或產(chǎn)品直徑公差控制不好，會(huì)影響產(chǎn)品裝配性能及產(chǎn)品的焊接性能。

因此，產(chǎn)品必須嚴(yán)格執(zhí)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB 15558.2-2005的要求，保證產(chǎn)品的使用屬性要求。

3 目前使用的大口徑聚乙烯三通管件一般采用的工藝狀況

第一，車制管段，然后對(duì)接形成三通。一般也叫焊制管件（鋸管段，然后對(duì)接焊接管段），該工藝的特點(diǎn)：工序多，有角度對(duì)接焊，影響因素多。相對(duì)應(yīng)的聚乙烯三通管件的使用壓力等級(jí)降低。

第二，注塑成型三通主體，對(duì)接焊三段管狀部分。該工藝的特點(diǎn)：車制管段和對(duì)接焊接工藝容易些。注塑主體要求的注塑機(jī)的注塑量要少。相對(duì)應(yīng)的聚乙烯三通管件的使用壓力等級(jí)降低。

第三，注塑成型三通產(chǎn)品，然后車制管狀部分，形成三通。該工藝注塑成型工藝要求低。模具要求低，增加需要車制管狀部分工序。消耗原材料多。

第四，直接注塑成三通產(chǎn)品。該工藝對(duì)注塑工藝和模具要求比較高，一次注塑成型成成品，工序少，用料少，產(chǎn)品質(zhì)量高。

燃?xì)廨斔桶踩阅芤蟮奶岣撸瑲W洲及發(fā)達(dá)國家基本上要求注塑管件不允許有對(duì)接焊的接頭，國內(nèi)一些大的燃?xì)夤镜囊笠苍谕@個(gè)方向靠攏，因此直接注塑成型三通產(chǎn)品工藝已成為一種發(fā)展趨勢和必然。

4 大口徑聚乙烯三通管件的材料屬性點(diǎn)（燃?xì)鈱Ｓ没炫淞螾E介紹）

第一，專用料一般用在安全性能要求較高的領(lǐng)域，一旦產(chǎn)品失效將對(duì)人們的生命和財(cái)產(chǎn)構(gòu)成威脅，因此具有技術(shù)含量高、檔次高、用途專一、附加值高的特點(diǎn)。生產(chǎn)過程中禁止用回料和廢料。

第二，聚乙烯管件原材料是熱塑性結(jié)晶型材料，該原材料流動(dòng)性差。在190℃、5kg條件下熔體質(zhì)量流動(dòng)速率達(dá)MFR（0.2～1.4）g/10min。

第三，注塑用料一般比擠出用料流動(dòng)性好，易于加工制造。

5 大口徑聚乙烯三通產(chǎn)品的設(shè)計(jì)優(yōu)化

5.1 產(chǎn)品的先期優(yōu)化設(shè)計(jì)

5.1.1 澆口位置優(yōu)化：采用CAE與模流分析確認(rèn)最優(yōu)的澆口放置，確認(rèn)澆口在支口的正對(duì)面方向點(diǎn)上放置最好，進(jìn)行單點(diǎn)澆口進(jìn)膠。

5.1.2 多產(chǎn)品同模設(shè)計(jì)優(yōu)化：從節(jié)約開模成本與提高生產(chǎn)率方面考慮，大口徑聚乙烯等徑三通產(chǎn)品與異徑三通系列產(chǎn)品共用一套模具，三通旁通支口采用對(duì)換芯子的形式設(shè)計(jì)模具，一套模具生產(chǎn)五種產(chǎn)品。其與單個(gè)產(chǎn)品對(duì)應(yīng)開模相比，節(jié)約開模成本60%左右。

5.1.3 對(duì)燃?xì)鈱Ｓ昧蠈傩缘姆治觯貏e是對(duì)收縮率因素材料經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。

5.1.4 對(duì)產(chǎn)品翹曲進(jìn)行的預(yù)變形設(shè)計(jì)（反向補(bǔ)償設(shè)計(jì)）。產(chǎn)品管狀部分預(yù)變形設(shè)計(jì)參數(shù)見圖5和見表1。三通的主通尺寸與旁通尺寸的收縮率是不同的，主通和旁通的橢圓度也是不同的，其中三通產(chǎn)品隨壁厚的變化而變化，壁厚大，橢圓度小，其中同一規(guī)格，SDR11值的橢圓度小于SDR17.6的橢圓度，支口的橢圓度小于主通的橢圓度，并且橢圓度往同一個(gè)方向變化，因此在產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開模具時(shí)，宜對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行反向補(bǔ)償設(shè)計(jì)。

其中管狀部分為產(chǎn)品的重點(diǎn)控制區(qū)域，產(chǎn)品工作區(qū)域主要在管狀部分，如電熔焊接的裝配的參數(shù)匹配、熱熔對(duì)接的尺寸參數(shù)匹配等?？刂飘a(chǎn)品的收縮和翹曲提供如表1反變形設(shè)計(jì)以供參考。

5.2 大口徑聚乙烯異徑三通與等徑三通支口與主通連接處兩種結(jié)構(gòu)的比較

5.2.1 結(jié)構(gòu)：支口端與主通直接嚙合，支口與主通用加強(qiáng)筋增加強(qiáng)度，見圖6。

5.2.2 結(jié)構(gòu)：支口端整體采用外環(huán)圈，用輪輻結(jié)構(gòu)連接，見圖7。

通過模擬與生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)得知，圖6結(jié)構(gòu)省料、結(jié)實(shí)耐用，容易通過實(shí)驗(yàn)及相關(guān)的要求。

5.3 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)注意點(diǎn)

5.3.1 產(chǎn)品外徑尺寸：要求從管件的端面開始，管狀長度的直徑都滿足其直徑要求，而非指定測量的局部尺寸滿足外徑尺寸要求。

5.3.2 產(chǎn)品管狀長度：必須考慮不同級(jí)別的材料，如PE80、PE100等必須滿足管狀長度的要求，全面考慮其公差要求。

5.3.3 產(chǎn)品壁厚：要求各處壁厚滿足其要求，而非平均壁厚。

5.3.4 產(chǎn)品通徑：其通徑是燃?xì)饬髁亢土魉俚闹匾獏?shù)，在產(chǎn)品內(nèi)壁增加其強(qiáng)度時(shí)，如加筋，必須考慮產(chǎn)品的通徑。

5.4 大口徑聚乙烯三通產(chǎn)品的對(duì)應(yīng)其模具注意優(yōu)化點(diǎn)

5.4.1 對(duì)流道系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化處理：采用直澆口，產(chǎn)品澆口采用直接鉸削。模具澆口直徑加大；一般普通澆口直徑為主流道大端直徑，對(duì)于一般的大型塑料件澆口直徑也就10mm左右，但對(duì)于這種大口徑聚乙烯三通，澆口直徑設(shè)計(jì)20～30mm；同時(shí)把噴嘴的內(nèi)孔直徑進(jìn)行擴(kuò)孔，加大到18～25mm；這注塑出來的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，外觀質(zhì)量都有很大的改善提高。采用該結(jié)構(gòu)方式的模具注塑出來的聚乙烯三通產(chǎn)品，與未修改前比，其外觀和尺寸穩(wěn)定性有很大的改善。

5.4.2 抽芯機(jī)構(gòu)的實(shí)踐優(yōu)化：三通抽芯的設(shè)計(jì)有采用三個(gè)油缸抽芯設(shè)計(jì)的，即三通的主通采用兩個(gè)油缸抽芯，支口采用一個(gè)油缸抽芯。其特點(diǎn)模具成本高，裝配困難，主通兩油缸抽芯時(shí)，產(chǎn)品內(nèi)容易產(chǎn)生真空，容易造成產(chǎn)品的變形；有采用兩個(gè)油缸抽芯設(shè)計(jì)的，一種是主通采用一個(gè)油缸，支口采用一個(gè)油缸抽芯設(shè)計(jì)，另一種是主通采用兩個(gè)油缸抽芯設(shè)計(jì)，支口在動(dòng)模上的抽芯設(shè)計(jì)。成本相對(duì)較高。對(duì)大管件三通抽芯采用，一個(gè)油缸抽芯設(shè)計(jì)，即主通采用一個(gè)油缸，三通支口裝配在模具動(dòng)模上。其劣勢特點(diǎn)，主通抽芯距離長，所謂抽芯距離即成型型芯從成型位置到不妨礙三通產(chǎn)品塑料管件的脫模推出位置所移動(dòng)的距離。模具抽芯運(yùn)動(dòng)占的空間大。利用油缸反向運(yùn)動(dòng)原理，將其油缸裝配在三通主通模具芯子內(nèi)。其抽芯油缸占用的空間得到解決（其條件是大型管件，主通芯子大，可以裝配其油缸）。其優(yōu)點(diǎn)：生產(chǎn)效率高，模具成本低，結(jié)構(gòu)緊湊。經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)，采用一個(gè)油缸抽芯既經(jīng)濟(jì)又高效。

聚乙烯管件的市場需求迅速膨脹，聚乙烯管道系統(tǒng)的應(yīng)用口徑不斷擴(kuò)大，針對(duì)大口徑聚乙烯三通管件產(chǎn)品的特點(diǎn)：管件壁厚，容易產(chǎn)生氣泡；管件口徑大，其橢圓度控制難；管件產(chǎn)品重量大，注塑成型難、對(duì)設(shè)備要求高。優(yōu)化設(shè)計(jì)管件產(chǎn)品參數(shù)、模具結(jié)構(gòu)、注塑工藝及注塑機(jī)之間的相互匹配。保證大口徑聚乙烯三通管件的質(zhì)量。

6 結(jié)語

總之，作為用在燃?xì)廨斔偷拇罂趶骄垡蚁┤ü芗a(chǎn)品，需加強(qiáng)對(duì)材料的理解，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)的相互考慮，不能將其割裂開來，需對(duì)其進(jìn)行全面綜合的考慮衡量。此文僅以在設(shè)計(jì)上梳理流程、節(jié)約成本、優(yōu)化設(shè)計(jì)、提高質(zhì)量方面起拋磚引玉的作用，希望對(duì)大口徑聚乙烯三通管件生產(chǎn)的企業(yè)有借鑒和指導(dǎo)作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 燃?xì)庥寐竦鼐垡遥≒E）管道系統(tǒng)（第2部分）：管件（GB 15558.2-2005）[S].

作者簡介：孫祥瑞（1978-），男，上海喬治費(fèi)歇爾亞大塑料管件制品有限公司注冊(cè)質(zhì)量工程師和機(jī)械工程師，研究方向：聚乙烯塑料管件設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

（責(zé)任編輯：周 瓊）