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随着汽车轻量化理念的逐渐普及，人们对汽车零件重量和质量的要求越来越高。材料科学的发展使工程塑料的某些力学性能已接近甚至超过了部分金属材料，所以用塑料替代金属已成为趋势。吹塑成型作为一种低成本、效率高、生产过程稳定的塑料成型加工方法，现已成为第三种最常用的塑料加工方法，同时也是发展最快的塑料成型方法，吹塑制品已广泛用于航空航天、汽车工业、医疗健康、食品包装等诸多领域中。相比于传统的桶类、瓶类制品的吹塑工艺，当结构复杂、特征众多、质量要求严格的零件采用吹塑生产时，受材料、生产设备和吹塑工艺的影响，吹塑制品往往会出现制品壁厚分布不均匀、制件因收缩造成的尺寸超差等问题，不仅延长了生产周期、提高了生产成本、降低了生产效率，而且影响制件的使用性能。因此，采用新的工具和手段对挤出吹塑成型过程进行全面控制以解决成型缺陷是迫在眉睫。 本课题来源于上海龙达塑料科技股份有限公司，研究对象为汽车风窗清洗用注水管。注水管材料为HDPE5502，采用挤出吹塑成型工艺。该注水管不但结构复杂，而且对制件壁厚、配合面的尺寸公差、切割面的平面度均有较高要求。对于注水管挤出吹塑成型，应严格控制型坯的挤出工艺以保证注水管制件的壁厚均匀性；型坯在模具中被压缩气体吹胀贴合模具型腔表面后，保压时间和冷却时间影响制件的尺寸收缩，所以设置合理的开模时间对制件的合格率具有关键影响。 基于POLYFLOW数值分析软件，对注水管型坯在挤出过程中的关键因素进行分析，得到了型坯温度、入口流量和口模壁面摩擦系数对型坯挤出胀大和型坯质量的影响规律，分析结果表明：当型坯温度为170℃，180℃和190℃时，温度对挤出胀大的影响不明显，随着入口流量的增加，型坯挤出胀大比减小，但是剪切速率显著提高，口模表面摩擦系数较小时对挤出胀大比和剪切速率的影响较小，当摩擦系数超过1×105时，挤出胀大比和剪切速率均迅速增加，型坯下端发生翻卷，影响型坯质量。 基于逆向优化思想，将挤出的型坯作为注水管吹塑成型的初始型坯，以制件壁厚为优化目标，对型坯的壁厚进行迭代优化。经4次迭代计算后，注水管壁厚趋近壁厚目标值，且壁厚分布均匀，将最终的型坯壁厚曲线输入挤出机壁厚控制系统中，作为实际注水管生产壁厚控制参数。 基于CFD流固传热耦合方法，结合实际生产过程，考虑内冷却与外冷却对制件收缩变形的影响，对注水管在模具中的冷却过程进行模拟分析，得到冷却50s内制件的收缩变形量随时间的变化曲线，结果表明：冷却时间越长，注水管尺寸收缩越小，但是生产周期延长，生产效率降低。 基于逆向优化思想，将挤出的型坯作为注水管吹塑成型的初始型坯，以制件壁厚为优化目标，对型坯的壁厚进行迭代优化。经4次迭代计算后，注水管壁厚趋近壁厚目标值，且壁厚分布均匀，将最终的型坯壁厚曲线输入挤出机壁厚控制系统中，作为实际注水管生产壁厚控制参数。 基于CFD流固传热耦合方法，结合实际生产过程，考虑内冷却与外冷却对制件收缩变形的影响，对注水管在模具中的冷却过程进行模拟分析，得到冷却50s内制件的收缩变形量随时间的变化曲线，结果表明：冷却时间越长，注水管尺寸收缩越小，但是生产周期延长，生产效率降低。 通过对注水管进行实际试模生产验证，采用优化后的型坯壁厚曲线可以获得壁厚分布均匀的注水管吹塑件，根据冷却收缩曲线设定冷却时间为20s，注水管收缩后的尺寸满足技术要求。
**关键词：**注水管，挤出吹塑，POLYFLOW，壁厚优化，收缩率
早在1880年便有吹塑成型的专利，塑料吹塑成型的概念来自玻璃吹制工艺，直到20世纪30年代后期开发出第一台吹塑机用于生产塑料瓶，由此吹塑设备和产品进入繁盛时期。经过近90年的技术创新和设备更新，吹塑成型现已成为继注塑成型和挤出成型后的第三大塑料成型加工技术[1,2]，也是发展速度最快的塑料成型方法。传统的吹塑成型主要使用聚乙烯生产结构简单、容积小的瓶类制件，但不适合大规模生产。随着对新设备、新材料、新技术的深入研究，吹塑的应用愈来愈广泛，从容积几毫升的瓶类制件到结构复杂的航空件，吹塑成型均可保证所生产制件的性能需要。与传统的吹塑技术相比，现代吹塑成型所生产的制件具有更高的质量、更加均匀的壁厚分布、稳定的机械性能、更低的飞边料以及废品率[3]。
吹塑技术是伴随着工业技术的革新、机械行业的发展以及时代进步的需求不断形成与发展的，工业4.0概念、汽车轻量化技术、绿色生产等概念的提出，性能优异、重量轻、生产灵活、可回收再加工的塑料产品逐渐成为金属制件替代品，受到越来越多行业的青睐[4]，也间接对吹塑行业的发展有一定的推动作用。目前，吹塑产品在各个行业领域已有十分广泛的应用，如汽车行业的遮阳板、排气管、油箱等，医疗行业的医疗床、按摩椅等，生活中的冰箱隔板、各种饮料瓶、中空玩具等。
吹塑成型具有模具制造简单、设备操作简单、生产效率高、产品成本低等优点，但是在实际生产初期，因制件壁厚分布不均匀、制件收缩导致尺寸超差等问题需要对模具结构进行多次修整以及对吹塑工艺进行反复调试，使产品生产周期延长，生产成本提高。
计算机数值模拟技术在各行各业的广泛应用，现已成为辅助生产制造强有利的工具和手段。通过数值模拟分析，将以往通过“试错法”进行改良产品质量的方法转移到计算机上，借助计算机辅助设计（CAD）技术对产品进行结构设计，计算机辅助分析（CAE）技术进行产品工艺分析，计算机辅助制造（CAM）技术进行产品仿真制造，CAD，CAE和CAM技术的结合，对于降低生产成本、缩短生产周期、改善产品质量具有重要的指导意义。
挤出吹塑成型（Extrusion Blow Molding），是将颗粒状塑料固体颗粒通过料斗进料，在挤出机中加热至熔融态，依靠螺杆旋转运动将熔融料输送到储料缸中，再通过挤出机口模挤出型坯，当型坯挤出到预定长度后，吹塑模具合模并切断型坯，通入压缩空气将型坯吹胀紧贴在模具型腔后成型出中空制件，制件在模具内经保压、冷却、排气后，开模取出制件并进行修边、切除多余废料等后续操作。挤出吹塑成型主要过程如图1-1所示[5]。
挤出吹塑凭借生产设备和模具简单、加工生产适应性强、产品性能优异的优点，应用范围非常广泛，超过70%的中空塑料制件均是采用挤出吹塑工艺生产制得[6]，包括汽车排气管、排水管、箱包、医疗床板等等，常见的的挤出吹塑产品如图1-2所示，分别为汽车排气管、连接管、工具箱和医疗床。
虽然挤出吹塑成型具有有众多优点，但是挤出吹塑包括型坯挤出成型和型坯吹胀成型两个过程，分别有不同的模具和成型工艺组成，各个生产工艺与挤出吹塑制件质量具有十分紧密的联系[7]。
吹塑成型是一个典型的聚合物流变学问题，根据聚合物热机械曲线可知，聚合物的三态变化与吹塑过程呈对应关系，如图1-3所示，聚合物颗粒在挤出机中熔融混炼输送过程是高温状态下的粘流态；熔融态聚合物从口模中挤出后，型坯与与低温环境发生热交换后，温度有所下降，此时型坯处于高弹状态；模具闭合后型坯与低温模具发生热传递，在压缩空气的作用下型坯与模具型腔接触发生固化冷却进入玻璃态。
