機(jī)電一體化技術(shù)及項(xiàng)目應(yīng)用淺析

李艷　蘇寧

摘要：塑料管可用于多種液體的輸送管路，具有重量輕、耐腐蝕、不易結(jié)垢、阻力小和安裝、維修都比較方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在化工、農(nóng)業(yè)、市政、建筑和礦產(chǎn)行業(yè)中。文章用二次優(yōu)化的計(jì)算方法對(duì)線(xiàn)性等錐角岐管和可調(diào)間隙衣架式機(jī)頭流道的幾何參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)更換口模、阻尼棒及口模調(diào)節(jié)裝置、溫度分區(qū)控制等機(jī)電一體化設(shè)計(jì)，成功開(kāi)發(fā)了寬幅發(fā)泡擠出板機(jī)頭。

關(guān)鍵詞：衣架機(jī)頭；優(yōu)化計(jì)算；發(fā)泡板材；擠出

塑料管具有重量輕、耐腐蝕、不易結(jié)垢、阻力小和安裝、維修都比較方便等優(yōu)點(diǎn)。廣泛應(yīng)用在化工、農(nóng)業(yè)、市政、建筑和礦產(chǎn)行業(yè)中。在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中，以其獨(dú)特的性能，在某些領(lǐng)域逐漸代替金屬管材。目前，塑料管的應(yīng)用在各類(lèi)管材市場(chǎng)中的占有率達(dá)到50%以上。本文以塑料管擠出成型生產(chǎn)實(shí)例為依托，用較準(zhǔn)確的工藝數(shù)據(jù)，介紹塑料管擠出成型用原料的選擇、擠出成型管材工藝及工藝操作要點(diǎn)。以往對(duì)板材成型的關(guān)鍵部件擠板機(jī)頭的設(shè)計(jì)帶有一定的盲目性，多憑經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)（特別是流道），要付出較大的經(jīng)濟(jì)代價(jià)，造成人力、物力和財(cái)力的浪費(fèi)。機(jī)頭設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的因素很多，其目的就是如何保證聚合物熔體離開(kāi)機(jī)頭時(shí)具有均勻一致的流動(dòng)性、熔體壓力、溫度和泡核。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，必須對(duì)機(jī)頭流道的主要幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算和機(jī)電有機(jī)結(jié)合，從多方面進(jìn)行調(diào)節(jié)，以便連續(xù)均勻地?cái)D出各種發(fā)泡板材。

1 機(jī)頭流道幾何參數(shù)的優(yōu)化計(jì)算

1.1 對(duì)衣架式模頭熔體流動(dòng)機(jī)理進(jìn)行系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)衣架式模頭中熔體的流動(dòng)行為進(jìn)行了合理的假設(shè)和簡(jiǎn)化，采用Hele-Shaw流動(dòng)模型和冪率粘度模型，建立了衣架式模頭內(nèi)的非彈性、非牛頓熔體在等溫條件下流動(dòng)數(shù)學(xué)模型，將靈敏度分析理論與成型模擬技術(shù)結(jié)合運(yùn)用于衣架式模頭流道優(yōu)化設(shè)計(jì)中，降低了衣架式模頭的出口橫向速率變化率。采用表征值方法根據(jù)等壓線(xiàn)平行于模唇的流動(dòng)模式，考慮歧管斜率的影響對(duì)衣架式模頭圓形截面歧管系統(tǒng)的設(shè)計(jì)公式進(jìn)行了改進(jìn)，不但使模頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料性能和流率無(wú)關(guān)，而且修正了以前文獻(xiàn)中對(duì)歧管斜率的忽略所造成的流率分配誤差，使流動(dòng)均勻性指數(shù)增加到1。如在異型材擠出模具的壓縮段與平直段之間加入了一個(gè)預(yù)成型段，以使型材截面上各個(gè)子區(qū)域可以具有不同的平直段長(zhǎng)度，以達(dá)到調(diào)整流動(dòng)均勻性的目的，根據(jù)研究?jī)?nèi)容和目標(biāo)的不同，研究對(duì)象的區(qū)域也不同等。該方法采用的是有限體積法，優(yōu)化分析時(shí)只考慮平直段長(zhǎng)度一個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)，這對(duì)于復(fù)雜多變的擠出模流道設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

1.2 幾何模型衣架機(jī)頭流道形狀寬幅制品的擠板機(jī)頭多采用衣架機(jī)頭，在探討衣架機(jī)頭的優(yōu)化計(jì)算時(shí)，選取成型工藝好、機(jī)械加工容易、應(yīng)用較廣的線(xiàn)性錐形岐管式衣架機(jī)頭作為研究的幾何模型。衣架部分幾何參數(shù)的優(yōu)化計(jì)算如下，衣架部分幾何參數(shù)包括：岐管始端半徑R0、岐管末端半徑Rz、扇形部分縫隙厚度H和兩岐管間夾角2θA。求解步驟如下：（1）按網(wǎng)格分析法將衣架機(jī)頭在Z方向分割成N等分微元，在X方向分成8個(gè)區(qū)段。（2）設(shè)岐管半徑按下面的線(xiàn)性方程變化。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)給出適當(dāng)?shù)募s束條件，就可以編輯合適的優(yōu)化計(jì)算程序。經(jīng)優(yōu)化計(jì)算后便可求出岐管始、末端半徑R0和Rz，扇形部分縫隙厚度H和兩岐管的夾角2θA。這樣，機(jī)頭衣架部分流道尺寸就被基本確定。

1.3 阻尼棒和模唇區(qū)幾何參數(shù)的二次優(yōu)化計(jì)算式（10）與物料的流變參數(shù)m，n，η，γ0，γ有密切關(guān)系，用它作為目標(biāo)函數(shù)求得的衣架部分最佳幾何參數(shù)受到一定的局限性。因?yàn)樵趯?shí)際成型加工過(guò)程中物料和工藝條件是不確定的，影響流變參數(shù)的因素很多，從生產(chǎn)實(shí)際出發(fā)要求所設(shè)計(jì)的機(jī)頭流道參數(shù)有較強(qiáng)的通用性和較為廣泛的適應(yīng)性。為此需要在上述衣架部分流道幾何參數(shù)優(yōu)化計(jì)算的基礎(chǔ)上，對(duì)機(jī)頭其他部分流道尺寸（諸如阻尼棒區(qū)和模唇區(qū)的幾何參數(shù)）進(jìn)行二次優(yōu)化計(jì)算，用此優(yōu)化值設(shè)計(jì)或調(diào)節(jié)機(jī)頭其他部分參數(shù)，使之適合不同物料和工藝的要求。

2 設(shè)計(jì)中的機(jī)電一體化

發(fā)泡板機(jī)頭設(shè)計(jì)成衣架式結(jié)構(gòu)，流道形狀像衣架形。發(fā)泡板機(jī)頭的基本要求是聚合物熔體沿流道寬度方向的流率均勻，能產(chǎn)生快速壓力降，出口模時(shí)沿寬度方向熔體溫度一致、壓力一致、發(fā)泡率一致。要滿(mǎn)足這一要求，在結(jié)構(gòu)方面，除流道結(jié)構(gòu)為衣架形外，對(duì)歧管的直徑、歧管張角和縫隙高度等尺寸要進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。模唇可以更換以適應(yīng)不同厚度制品和不同發(fā)泡率需要，同時(shí)設(shè)計(jì)有口模調(diào)節(jié)裝置和阻尼棒及其調(diào)節(jié)裝置，使得阻尼棒和模唇處的流道尺寸設(shè)計(jì)成可調(diào)的，適時(shí)調(diào)節(jié)熔體沿寬度方向的流率分布。但是，熔體在流道中的流動(dòng)性除了與流道的結(jié)構(gòu)與尺寸有關(guān)外，還與溫度場(chǎng)分布密切相關(guān)。溫度場(chǎng)由加熱與冷卻裝置控制，考慮到模具和熔體在不同位置的傳熱和散熱程度的不同，應(yīng)將機(jī)頭沿寬度方向分成多個(gè)加熱與冷卻區(qū)（本設(shè)計(jì)中1135m寬機(jī)頭分為11個(gè)區(qū)），另外就是在上下口模中引進(jìn)恒溫油控制系統(tǒng)。實(shí)踐證明，機(jī)械結(jié)構(gòu)上的單方面考慮，還不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，只有機(jī)械設(shè)計(jì)方面的綜合考慮，結(jié)合電氣控制，才能有效地控制機(jī)頭流道中熔體的壓力分布和流速分布，實(shí)現(xiàn)連續(xù)均勻生產(chǎn)發(fā)泡塑料制品的需要。并能通過(guò)調(diào)節(jié)機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)和電氣控制參數(shù)實(shí)現(xiàn)不同厚度制品不同發(fā)泡率的要求。

3 擠出制品泡孔結(jié)構(gòu)

擠管工藝流程塑料管材的種類(lèi)很多，按照所用原料的不同、管材性能與結(jié)構(gòu)的差異，可分為許多種工藝。原料為管材專(zhuān)用牌號(hào)的樹(shù)脂，成型后能夠滿(mǎn)足管材性能指標(biāo)要求的，可采用直接擠出工藝。為了檢驗(yàn)本設(shè)計(jì)機(jī)頭的實(shí)際應(yīng)用情況，在擠出發(fā)泡生產(chǎn)線(xiàn)中反復(fù)調(diào)試，通過(guò)制品（發(fā)泡板材）的發(fā)泡成型情況來(lái)檢驗(yàn)，為此做制品橫斷面（沿寬度方向）和縱向截面（沿流動(dòng)方向）的掃描電鏡。是兩種螺桿轉(zhuǎn)速時(shí)橫斷面的泡孔結(jié)構(gòu)，兩種螺桿轉(zhuǎn)速時(shí)橫斷面的泡孔結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)束語(yǔ)

4.1 計(jì)算中采用非等溫冪律流體的流動(dòng)方程作為本構(gòu)方程，這比以往等溫模型更接近實(shí)際。當(dāng)然也使計(jì)算難度加大，但計(jì)算的精度提高。在機(jī)頭設(shè)計(jì)中，機(jī)頭寬度方向分為數(shù)個(gè)溫控區(qū)，各區(qū)溫度均可獨(dú)立控制，因而實(shí)際上流動(dòng)是非等溫的。采用半徑呈線(xiàn)性變化的衣架岐管。這樣大大方便了衣架機(jī)頭的機(jī)械加工，便于在生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。

4.2 能適用多種物料的擠出加工。在設(shè)計(jì)中，設(shè)置了調(diào)節(jié)裝置。由于流道尺寸經(jīng)過(guò)二次優(yōu)化計(jì)算，加上實(shí)際擠出時(shí)還可通過(guò)調(diào)節(jié)裝置適當(dāng)調(diào)節(jié)流道的尺寸，就使新研制的衣架機(jī)頭適合多種物料和制品的擠出，且能保證達(dá)到擠出制品的質(zhì)量和產(chǎn)量。能為工藝條件的制定提供科學(xué)依據(jù)。因?yàn)橛脭?shù)值計(jì)算法可以預(yù)測(cè)衣架機(jī)頭的壓力、速度、停留時(shí)間分布以及擠出量，這就為擠出工藝條件的制定提供了第一手可靠資料。

4.3 能適用不同厚度和發(fā)泡率發(fā)泡板材的成型。設(shè)計(jì)中機(jī)電有機(jī)結(jié)合，除了優(yōu)化設(shè)計(jì)流道主要幾何尺寸外，通過(guò)調(diào)節(jié)口模調(diào)節(jié)裝置、阻尼棒及調(diào)節(jié)裝置、溫度分區(qū)控制、更換模唇、口模恒溫控制等多個(gè)環(huán)節(jié)，可滿(mǎn)足一定范圍內(nèi)不同發(fā)泡制品的成型需要。機(jī)頭的設(shè)計(jì)效果通過(guò)成型制品的泡孔結(jié)構(gòu)得到了檢驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]李倩，王利霞，申長(zhǎng)雨.塑料型材擠出模具內(nèi)熔體的流動(dòng)行為分析[J].工程塑料應(yīng)用，2001年11期.

[2]楊鋒.異型材擠出模流道的設(shè)計(jì)[J].電加工與模具，2009年01期.

作者簡(jiǎn)介：李艷，女，畢業(yè)于沈陽(yáng)航空學(xué)院機(jī)電一體化專(zhuān)業(yè)；現(xiàn)任黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司質(zhì)量技術(shù)員工程師。

蘇寧，男，畢業(yè)于哈爾濱工程大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)任黎航部件公司作動(dòng)筒工段技術(shù)工長(zhǎng)助理工程師。