管材擠出生產(chǎn)中的半成品冷卻預(yù)測(cè)

1 概述

如何制造出一款高品質(zhì)并且具有競爭力價(jià)格的產(chǎn)品，是管材擠出生產(chǎn)中面臨的最大的挑戰(zhàn)之一。熱塑性材料制成的管材質(zhì)量是由標(biāo)準(zhǔn)尺寸、尺寸的穩(wěn)定性以及機(jī)械性能這三者的輕微偏離來共同決定的。機(jī)械性能取決于冷卻處理過程中的各種參數(shù)，當(dāng)機(jī)械性能體系被建立后，就會(huì)對(duì)管材的質(zhì)量產(chǎn)生決定性的影響。同時(shí)，除了擠出擠出機(jī)和機(jī)筒需要加熱外，冷卻階段會(huì)消耗大部分的能量。出于這個(gè)原因，對(duì)管材擠出的冷卻處理階段進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)是倍加值得的。

管材生產(chǎn)的冷卻階段分為幾個(gè)小階段。在校準(zhǔn)之后，冷卻階段通常在真空條件下的噴霧冷卻罐里進(jìn)行，一般是幾個(gè)噴霧冷卻罐和空氣冷卻階段的組合。這會(huì)由履帶牽引機(jī)進(jìn)行引導(dǎo)，完成客戶要求的外觀形式，并切割至指定的長度。在冷卻過程中，最重要的決定質(zhì)量和成本的參數(shù)是單個(gè)冷卻小階段的數(shù)量、長度和配置，以及冷卻介質(zhì)適合的溫度范圍。對(duì)冷卻階段的參數(shù)只做一次設(shè)置往往就可以普遍適用于整個(gè)系列的產(chǎn)品。即使在選擇冷卻階段的參數(shù)時(shí)，也很少會(huì)考慮其他不同的產(chǎn)品、正在使用材料或者正在生產(chǎn)中的產(chǎn)品的尺寸。在很多情況下，這將導(dǎo)致不必要的高成本，以及對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量也會(huì)有不良的影響。

2 從擠出擠出機(jī)出口到操作自定義結(jié)束

在仿真系統(tǒng)的幫助下，我們可以在不直接介入生產(chǎn)的情況下，模擬從擠出擠出機(jī)出口到整個(gè)操作自定義結(jié)束的管材冷卻工藝流程。德國奧伯豪森市SHS加公司的“chillWare”冷卻模擬軟件是基于有限差分法的，可以顯示出在冷卻工藝流程中改變質(zhì)量屬性和提供冷卻成本而產(chǎn)生的影響。在這個(gè)流程中，即使是單個(gè)的參數(shù)也可以進(jìn)行優(yōu)化，從而達(dá)到所希望的產(chǎn)品特性或節(jié)約成本的可能。這是通過在現(xiàn)有的或者已經(jīng)設(shè)計(jì)了的冷卻階段的各部分中創(chuàng)建虛擬模型來完成的。當(dāng)用到原材料的熱性能與溫度相關(guān)時(shí)，例如比熱、導(dǎo)熱系數(shù)、PVT特性和極其重要的機(jī)械性能，我們就會(huì)建立材料模型并將其存儲(chǔ)在程序數(shù)據(jù)庫中。通過這種方式，我們有可能去研究大量參數(shù)的變化對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和操作成本會(huì)有什么樣的影響。在程序里面，用于模擬各種產(chǎn)品系列如共擠管材、片材和薄膜的仿真模塊是有效可用的。層。然后，仿真系統(tǒng)提供整個(gè)管道橫截面的溫度分布，局部的熱轉(zhuǎn)化以及冷卻階段任何位置上單個(gè)管層的溫度曲線和冷卻梯度。圖1顯示出了對(duì)管壁內(nèi)部和外部的溫度曲線的一個(gè)模擬仿真。

圖1 用高溫計(jì)測(cè)得的擠出管材內(nèi)外壁的模擬溫度曲線的比較

對(duì)于每個(gè)要研究的冷卻位置，從模擬仿真的結(jié)果可用確定其所需的冷卻能力以及由此產(chǎn)生的冷卻成本。此外，根據(jù)模擬仿真的結(jié)果，我們也有可能分析出冷卻工藝對(duì)確定管材質(zhì)量的管材特性的影響。例如，這包括內(nèi)部應(yīng)力的分布，以及在管道的各個(gè)層中的聲速。在熱塑性材料中這些屬性都是高度依賴于溫度的。在冷卻階段的每一個(gè)位置上管材的整個(gè)壁厚的平均速度對(duì)測(cè)量超聲波壁厚是非常重要的。這兩種方法可以結(jié)合起來，可以提高測(cè)量的精確性。

3 內(nèi)應(yīng)力決定質(zhì)量

內(nèi)應(yīng)力水平是擠出管件的一個(gè)重要的質(zhì)量屬性。當(dāng)單個(gè)管層具有不同的冷卻梯度和顯著不同的體積收縮時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生這些所謂”凍結(jié)”的內(nèi)應(yīng)力。在校準(zhǔn)過程中，管材的外層幾乎會(huì)立即冷卻。在這個(gè)校準(zhǔn)過程中管材的中心層和內(nèi)部的冷卻速度也是相當(dāng)快的，這意味著這些層在最初還沒有產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。當(dāng)進(jìn)行外部校準(zhǔn)的時(shí)候，由于這些區(qū)域隨后會(huì)固化和緊縮，由此產(chǎn)生的收縮將會(huì)導(dǎo)致管材產(chǎn)生內(nèi)部的張應(yīng)力和管材外部的壓應(yīng)力。在圖2中，我們可以看到在外部冷卻管道里發(fā)現(xiàn)的一個(gè)典型的三角形應(yīng)力。在大多數(shù)應(yīng)用中，我們通常不期望內(nèi)部應(yīng)力產(chǎn)生在軸向和切向的方向上。如若在這兩個(gè)方向上產(chǎn)生了內(nèi)應(yīng)力，那么在隨后塑料管材的處理過程中這種顯著的應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致一些重要問題發(fā)生，例如，在焊接的時(shí)候會(huì)導(dǎo)致所謂的管材末端收縮。同時(shí)，管材的一些重要的靜態(tài)物理特性指標(biāo)也會(huì)降低。

圖2 三角形的內(nèi)應(yīng)力曲線與外部冷卻管材的壁厚

在模擬仿真系統(tǒng)中，每個(gè)工作位置的內(nèi)應(yīng)力水平都可以提前計(jì)算出來。虛擬過程的參數(shù)，例如材料和冷卻介質(zhì)的溫度或者吞吐率，都是自由變量。這樣，我們就可以對(duì)工藝流程中的許多變化與各種特定位置上的變化進(jìn)行比較。此外，冷卻過程中額外的內(nèi)部冷卻所產(chǎn)生的影響，以及對(duì)形成的產(chǎn)品特性的影響，都可以計(jì)算出來。

4 在實(shí)際操作中檢查理論值

在下面一個(gè)工業(yè)擠出流程中可以看出軟件輔助的冷卻過程優(yōu)化的結(jié)果。這個(gè)例子涉及到高密度聚乙烯的廢水管的生產(chǎn)，在假定的產(chǎn)量為大約350千克/小時(shí)的時(shí)候，該廢水管具有250×9.6毫米的尺寸（SDR26型管材）。這個(gè)冷卻階段總長度為40米，總共由4個(gè)噴霧冷卻罐組成，每個(gè)冷卻罐有6米長。所有四個(gè)冷卻罐中的冷卻水都可以提供大約15℃的溫度。

由于管道在冷卻的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生非常大的內(nèi)應(yīng)力，所以額外的工藝步驟會(huì)按照自定義的操作來完成。管材被放置在一個(gè)大約80℃的回火烘箱中，經(jīng)過一段指定的時(shí)長后，管材內(nèi)壁的應(yīng)力會(huì)得以減小。圖3顯示出了被分成30個(gè)徑向?qū)拥墓懿膬?nèi)的溫度分布的模擬仿真結(jié)果。在下文中，我們將上述的冷卻過程指定為參照過程。

圖中的紅線代表的是內(nèi)壁溫度的變化過程，淺褐色線代表的是外壁溫度的變化過程。圖片的下部顯示的是冷卻階段的虛擬模型。在我們重點(diǎn)關(guān)注的操作位置點(diǎn)上顯示了取熱量。研究的目的是通過使用冷卻策略，可以縮短或完全消除管材冷卻過程后續(xù)階段的回火操作時(shí)間。

詹森測(cè)試是測(cè)量切向內(nèi)應(yīng)力的一個(gè)公認(rèn)的測(cè)試。在這個(gè)測(cè)試中，我們?cè)诠懿臉颖镜妮S向方向上切出一個(gè)規(guī)定大小的條帶，在指定的時(shí)間間隔后，我們可以測(cè)量出管材間隙的開口寬度減小的量?，F(xiàn)有的內(nèi)應(yīng)力值可以由下式計(jì)算出

圖3 參照過程冷卻模擬仿真的結(jié)果

式中，a [mm]表示間隙寬度的變化，Dm [mm]表示管的平均直徑，s [mm]表示壁厚，E [N/mm2]表示隨時(shí)間變化的管材蠕變/松弛量。

樣品取自參考過程并且進(jìn)行了回火后的詹森測(cè)試。每次管材生產(chǎn)結(jié)束后，這個(gè)測(cè)試都要被分別執(zhí)行24小時(shí)和7天。為了優(yōu)化這個(gè)過程，我們借助模擬仿真程序，在冷卻階段預(yù)先建立合適的操作策略，該操作策略是完全基于改變冷卻介質(zhì)的溫度控制的。這樣的話，可以通過減少內(nèi)部應(yīng)力以提高產(chǎn)品質(zhì)量，再通過降低操作成本，從而工藝得以優(yōu)化?，F(xiàn)有的工藝設(shè)備仍可使用，并且對(duì)產(chǎn)量也沒有什么限制。

5 更小的內(nèi)應(yīng)力，更低的操作成本

在實(shí)際生產(chǎn)條件下的實(shí)際操作中，我們需要驗(yàn)證在計(jì)算機(jī)仿真中能預(yù)期結(jié)果的兩個(gè)操作位置點(diǎn)。為了驗(yàn)證，取自參照過程的管材樣品再次進(jìn)行相同的測(cè)試程序。圖4給出了比較結(jié)果。

通過改變冷卻策略，內(nèi)應(yīng)力會(huì)大大低于參照過程。在測(cè)試被執(zhí)行24小時(shí)和7天后，取自參照過程的管材顯示出的內(nèi)應(yīng)力分別為2.41MPa和2.36MPa。借助仿真來優(yōu)化操作位置點(diǎn)，以此得到的管材表現(xiàn)出的內(nèi)應(yīng)力要小于上述值的一半。盡管事實(shí)上整個(gè)回火過程已經(jīng)結(jié)束了，但是其內(nèi)應(yīng)力卻還是大大減少。雖然熱塑性具有隨時(shí)間變化的松弛行為，但是我們只能預(yù)測(cè)到7天后內(nèi)應(yīng)力值僅僅有一個(gè)非常小的減小量。對(duì)管材樣品進(jìn)行一些額外的測(cè)量表明，長度收縮也是有可能減小的。7天之后參照樣品的長度變化為0.7%，而從工作位置點(diǎn)1和2的樣品顯示的長度變化分別為0.5%和0.4%。

修改后的冷卻策略也導(dǎo)致了操作成本的降低。這樣的結(jié)果一方面歸結(jié)于在某些點(diǎn)上的冷卻水的溫度有相當(dāng)大的增加，另一方面由于停用了冷卻階段的所有的小分段，包括再循環(huán)泵。由于涉及到相關(guān)的能源消耗和勞力，雖然存儲(chǔ)在回火烘箱會(huì)減少操作成本，然而我們還是有可能在操作位置點(diǎn)1和2再進(jìn)行優(yōu)化處理，來完全取消這些成本。

圖5以百分比的形式比較了參照過程與對(duì)操作位置點(diǎn)1和2進(jìn)行后續(xù)回火這兩者的總成本。在操作位置點(diǎn)2上，使用自然冷卻也在潛在的考慮之列。

圖4 參照過程和經(jīng)過優(yōu)化的操作位置點(diǎn)的內(nèi)應(yīng)力比較

圖5 參考過程的冷卻階段和經(jīng)過優(yōu)化的操作點(diǎn)的實(shí)際操作成本的比較

6 結(jié)論

通過使用chillWare仿真軟件這種計(jì)算機(jī)輔助的方式來優(yōu)化參照過程，是有可能通過在冷卻階段修改其工藝流程從而達(dá)到提高質(zhì)量和降低成本的目的。在實(shí)際的生產(chǎn)環(huán)境中，改變參數(shù)引起不了什么問題。測(cè)量結(jié)果證實(shí)，無論是在產(chǎn)品質(zhì)量上還是在工藝流程經(jīng)濟(jì)學(xué)中，我們都可以進(jìn)行預(yù)測(cè)。

該仿真系統(tǒng)的1.2版本目前可以運(yùn)行，并正在不斷提高。目前，工程師們正在開發(fā)新的模塊，進(jìn)行模擬所謂的松弛效果和液泡形成。自動(dòng)化模塊的開發(fā)也將在不久的將來會(huì)完成。

隨著冷卻階段的自動(dòng)化發(fā)展，將有可能對(duì)一個(gè)中央位置的冷卻階段的單個(gè)分段進(jìn)行設(shè)置和監(jiān)控冷卻劑溫度。有了這個(gè)軟件，我們就可以為冷卻階段的操作確定合適的參數(shù)，并將其直接傳送到系統(tǒng)。通過冷卻階段自適應(yīng)調(diào)節(jié)至模擬仿真的結(jié)果，與質(zhì)量相關(guān)的產(chǎn)品特性如內(nèi)應(yīng)力水平、松弛效果或者諸如收縮等現(xiàn)象也將會(huì)得到改善。