玻纖/尼龍66異型材擠出流動的數值模擬

李建敏，付秀娟，劉玉蘭，周飄

1.武漢工程大學材料科學與工程學院，湖北 武漢 430074；2.武漢工程大學機電工程學院，湖北 武漢 430205

玻纖/尼龍66異型材擠出流動的數值模擬

李建敏1，付秀娟1，劉玉蘭1，周飄2

1.武漢工程大學材料科學與工程學院，湖北 武漢 430074；2.武漢工程大學機電工程學院，湖北 武漢 430205

以有限元軟件ANSYS為平臺，采用數值模擬方法對塑料熔體在模頭內的流動情況進行了計算機模擬與數值分析，獲得了擠出工藝與擠出結果之間的規(guī)律性關系.以模頭出口處各區(qū)域的流動平衡值為目標函數，深入系統(tǒng)地研究了螺桿轉速和熔體溫度對熔體流動均勻性的影響.分別模擬了螺桿轉速為5、8、10、15 r／min和熔體溫度為260、270、280℃時，流道出口截面的速度分布.結果表明，螺桿轉速與熔體溫度對熔體流動均勻性的影響較大；隨著螺桿轉速和熔體溫度的提高，流道出口截面上的節(jié)點和區(qū)域的流速明顯變大，但流速差卻沒有下降，異型材的擠出加工的穩(wěn)定性變差.低溫低轉速下的熔體表現出更好的流動平衡性，玻纖／尼龍66異型材的擠出成型的最優(yōu)化工藝條件是：螺桿轉速為5 r／min，口模溫度為260℃.

塑料異型材；速度場；流動平衡

0 引言

塑料異型材是通過擠出成型方法制得的非規(guī)則截面的塑料制品，由于其截面形狀的多樣性以及結構的穩(wěn)定性，使其得到廣泛應用［1－2］，尤以塑料門窗最為典型.塑料異型材制品的成型加工方法很多，其中擠出成型由于具有效率高、投資少、制造方便、連續(xù)性生產等優(yōu)點而成為塑料異型材制品主要的成型方法［3－4］.而在塑料異型材擠出成型過程中，由于異型材產品截面形狀復雜、壁厚不均勻，熔體在口模流道里的流動行為更加復雜，使得異型材的擠出成型相對規(guī)整型材的擠出成型更為困難［5－6］，因此選擇合理的加工工藝顯得尤為重要，特別是擠出機螺桿轉速和口模溫度在擠出成型過程中起著十分重要的作用，直接影響著制品質量和生產效率［7］.

本實驗采用ANSYS仿真軟件對塑料異型材的擠出成型過程進行數值模擬，以獲得擠出工藝條件與擠出結果之間的規(guī)律性關系.通過分析不同螺桿轉速和口模溫度下流道出口截面的速度變化規(guī)律，以尋求最為合理的加工工藝，這對于異型材結構的設計與加工工藝的選擇具有理論意義和實用價值.

1 口模流道模型建立

GF／PA66異型材截面尺寸如圖1所示，為了提高模擬分析精度，本實驗基于ANSYS有限元模擬軟件，采用自底向上和自頂向下相結合的方法，依據流變學原理，結合制品截面特點、設備狀況及材料的加工性能，建立了流道實體的模型，如圖2所示.對流道模型選用3DFluid142單元類型，并采用先整體初步劃分然后整體細化，最后對流動影響較大的流道平直段進行局部細化，劃分的網格模型如圖3所示.

圖1 口模流道出口截面圖Flg.1 The section on die channel outlet

圖2 擠出口模流道三維模型Flg.2 3－D model of extrusion die channel

圖3 網格劃分后的模型Fig.3 The model after meshing

2 物料性能與邊界條件

GF／PA66物料的密度為1 390 kg／m3，材料流動規(guī)律符合冪律方程，冪律方程中材料參數值如表1所示.假設熔體在進口處的流動速度均勻一致，且垂直于進口流場方向的流體速度為零，在內壁上施加無滑移邊界條件（即所有速度分量為零）.當螺桿轉速分別為5、8、10、15 r／min時，流道入口垂直于截面的熔體流動速度分別為0．000 27、0．000 43、0．000 54、0．000 81 m／s，且出口壓力為0，以一個標準大氣壓為參考壓力，加工溫度為533 K（260℃）、543 K（270℃）、553 K（280℃），以熱力學溫度0 K作為參考溫度.

表1 初始邊界條件和物料屬性Table1 The initial boundary conditions and material properties

3 結果與分析

為了直觀反映流道截面出口的速度分布情況，在流道出口截面上任意選取4個節(jié)點，如圖4中的4個節(jié)點，研究所選節(jié)點在螺桿轉速一定，口模溫度對出口截面處熔體流動速度的影響.螺桿轉速為5 r／min時，口模溫度對4個節(jié)點處熔體流動速度的影響如圖5所示.

從圖5可知，在螺桿轉速一定的條件下，4個節(jié)點處的熔體流動速度隨著熔體溫度的升高而增大，而不同節(jié)點之間的速度差也會隨溫度升高而增大.這主要因為熔體溫度的升高，熔體黏度隨溫度的升高而迅速降低，使流道出口截面各處節(jié)點所受壓力的增幅增大，導致節(jié)點速度波動變大從而引起節(jié)點之間的速度差增大.因此，提高熔體溫度降低了出口截面熔體流動的均勻性.圖5可以反映節(jié)點速度與熔體溫度之間的變化關系，但是所選節(jié)點離散且個數有限，從有限的節(jié)點速度來研究出口截面的整體流動情況具有片面性和局限性，所以本實驗把流道截面根據壁厚特征劃分為4個區(qū)域，研究區(qū)域的平均速度在不同加載條件下的變化規(guī)律，區(qū)域劃分如圖6所示.圖7所示為螺桿轉速5 r／min時四個區(qū)域在不同溫度條件下的速度分布.由圖7知，螺桿轉速一定的條件下，隨著熔體溫度的升高，同一區(qū)域的平均速度同樣出現增大的趨勢，且不同區(qū)域之間的速度差也隨之增大.由此可知，熔體溫度的提高降低了擠出流動的穩(wěn)定性，不利于熔體從口模的均勻擠出.模擬結果表明當螺桿轉速為5r／min時，取較低的口模溫度即260℃能夠促進擠出的均勻性.

圖4 流道出口截面各節(jié)點示意圖Fig.4 Diagram of each node on the flow channel outlet

圖5 各節(jié)點流速熔體溫度對各節(jié)點流速的影響Fig.5 The influence of melt temperature on node velocity

圖6 流道出口截面各子區(qū)域劃分示意圖Fig.6 Diagram of each area on the flow channel outlet

圖7 熔體溫度對各子區(qū)域流速的影響Fig.7 The influence of melt temperature on area velocity

熔體在擠出口模中的流動均勻性，除了受到口模溫度的影響外，還與螺桿轉速有關.本文進一步采用流動平衡值F評價螺桿轉速對流道截面出口處熔體流動平衡性的影響.

其中F是流動平衡值，M是橫截面上區(qū)域劃分數目，Vi是流道出口處第i個子區(qū)域的平均速度，Vˉ是流道出口截面平均速度.流動平衡值F是流道出口截面上各個子區(qū)域熔體流動速度均方差之和，表征流道出口截面上整體速度的均勻性.不同螺桿轉速和不同溫度下模具出口熔體流動平衡值F如圖8所示，A子區(qū)域作為內筋功能塊，由圖7可知其平均流速與其他區(qū)域相差較大.所以，研究出口截面流動平衡值隨螺桿轉速變化規(guī)律（如圖8）的同時，有必要進一步獲得A區(qū)域熔體流動平衡值的變化情況如圖9.

圖8 出口截面流動平衡值隨螺桿轉速變化曲線圖Fig.8 Variation of the flow balance value on outlet section with different screw speed

圖9 A區(qū)域流動平衡值隨螺桿轉速變化曲線圖Fig.9 Variation of the flow balance value on A area with different screw speed

圖8中可以看出，口模出口處物料的流動平衡值F隨螺桿轉速的增加顯著變大，說明口模出口處物料流動速度的均衡性變差.圖9中可以看出，A區(qū)域的流動平衡值F隨螺桿轉速的增加也顯著變大，說明A區(qū)域物料流動速度的均衡性也會變差.這是因為螺桿轉速提高時，擠出壓力變大，熔體所受的壓力也增大，熔體流動時受到的剪切應力也相應變大，此時熔體黏度變化大，導致模具出口處物料速度波動大，流動不穩(wěn)定，流動平衡性變差.所以，在實際的異型材擠出實驗中，口模出口處物料會出現速度大的一側向速度小的一側彎曲，此時降低擠出速度即螺桿轉速，可以解決口模出口處異型材試樣彎曲變形的問題.

圖8與圖9表明A區(qū)域的流動平衡值占整個截面流動平衡值的45%左右，說明區(qū)域A出口速度與異型材主體型框出口速度嚴重不一致，這會導致在擠出成型過程中A區(qū)域與主體型框截面扯拉開裂.所以，采用低速低溫的加工工藝有利于子區(qū)域A與主型框的同時擠出.由此可得，最優(yōu)的加工工藝是螺桿轉速選為5 r／min，口模溫度選為260℃.

4 結語

本文以ANSYS有限元分析軟件為平臺，模擬了重要擠出工藝參數對熔體流動的影響，定量分析了螺桿轉速與熔體溫度兩個工藝變量對截面出口處的熔體流動平衡性的影響.主要結論如下：

a．提高熔體溫度，流道出口處的節(jié)點和所選區(qū)域的流速會增大，但區(qū)域的流速差變大，熔體流動平衡性變差.所以，選取最低的熔體溫度，即260℃為最佳的加工溫度.

b．提高螺桿轉速，流道出口處熔體流動平衡值變大，不利于成型出橫截面尺寸穩(wěn)定、形狀良好的異型材.所以，選取最低的螺桿轉速，即5 r／min為最優(yōu)的選擇.

c．當螺桿轉速為5 r／min，口模溫度選為260℃時，出口截面的流動平衡值最小，口模熔體的流速最為均勻，此時的加工工藝為最優(yōu)選擇.

致謝

感謝武漢工程大學的經費支持！

［1］劉斌．塑料擠出流動數值分析及其模具結構設計優(yōu)化研究［D］．大連：大連理工大學，2003．

LIU Bin．Study on numerical analysis of plastic extrusion flow and design optimization of extrusion die［D］．Dalian：Dalian University of Technology，2003．（in Chinese）

［2］趙丹陽．塑料異型材擠出成型過程數值模擬及其模具設計優(yōu)化［D］．大連：大連理工大學，2007．

ZHAO Dan－yang．Numerical simulation of the extrusion process for plastic profile and design optimization of extrusion die［D］．Dalian：Dalian University of Technology，2007．（in Chinese）

［3］牟玥．擠出加工流場中聚合物成型機理及其工藝模擬與優(yōu)化研究［D］．濟南：山東大學，2008．

MU Yue．Research on polymer forming machanism in the extrusion process and its corresponding simulation and optimization［D］．Jinan：Shandong University,2008．（in Chinese）

［4］劉斌，江開勇，鄭清娟，等．基于流動平衡的塑料擠出模優(yōu)化設計［J］．中國塑料，2005，19（2）：86－89．

LIU Bin，JIANG Kai－yong，ZHENG Qing－juan，et al．Optimal design of plastic extrusion dies based on flow balance［J］．China Plastic，2005，19（2）：86－89．（in Chinese）

［5］張振．基于ANSYS的塑料異型材擠出模頭中功能塊流道的設計［D］．合肥：合肥工業(yè)大學，2008．

ZHANG Zheng．Ansys－based design of sprue runner in extrusion tooling outlet for extrusion forming the function part of plastic profile［D］．Hefei：Hefei University of Technology，2008．（in Chinese）

［6］劉斌，王敏杰，劉耀中．流道結構對塑料擠出流動影響的數值分析［J］．大連理工大學學報，2003，43（4）：442－446．

LIU Bin，WANG Min－jie，LIU Yao－zhong．Numerical analysis of effect of channel structure on plastic extrusion flow［J］．Journal of Dalian University of Technology，2003，43（4）：442－446．（in Chinese）

［7］張會可，劉玉蘭，付秀娟．玻纖增強PA66復合材料擠出流動性能的研究［J］．工程塑料應用，2013，41（8）：56－59．

ZHANG Hui－ke，LIU Yu－lan，FU Xiu－juan．Extrusion flow properties of glass fiber reinforced PA66 composites［J］．Engineering Plastics Application，2013，41（8）：56－59．（in Chinese）

Numerical simulation of GF／PA66 profile extrusion flow

LI Jian－min1，FU Xiu－juan1，LIU Yu－lan1，ZHOU Piao2
1.School of Materials Science and Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430074，China 2．School of Mechanical and Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430205，China

The computer simulation and numerical analysis of the flow condition of plastics melt in extrusion die were introduced by adopting numerical simulation based on ANSYS software．And the relationships between extrusion process conditions and extrusion results were gained．Taking the flow balancing value of each sub－field on the outlet section as the objection function，the effects of the screw speed and melt temperature on uniformity of extrusion flow were deeply studied．The velocity distribution of the outlet section was simulated in different parameters that thescrew speed were 5，8，10 and 15 r／min and melt temperature were 260，270 and 280℃，respectively．Numerical simulation results show that uniformity of melt flow is closely related to the screw speed and the melt temperature，with the increase of the screw speed and the melt temperature，the velocity of the nodes and the areas on the outlet section increases significantly，but the velocity differences of the nodes and the areas do not decrease，and the stability of extrusion process for the plastic profile gets worse．The uniformity of melt flow is better when the screw speed and the melt temperature is low．The optimum process conditions of the GF／PA66 profile extrusion are screw speed of 5 r／min and melt temperature of 260℃．

plastic profile；velocity field；flow balance

TQ320.66

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2015.02.009

1674-2869（2015）02-0041-05

本文編輯：龔曉寧

2014－12－15

武漢工程大學科學研究基金（K201301）；武漢工程大學研究生教育創(chuàng)新基金（CX2014072）

李建敏（1991－），男，湖北天門人，碩士研究生．研究方向：材料加工.