方管聚合物氣輔擠出口模設(shè)計(jì)

任銀娥　謝品平

南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院聚合物成型實(shí)驗(yàn)室 （江西南昌　330031）

方管聚合物氣輔擠出口模設(shè)計(jì)

任銀娥謝品平

南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院聚合物成型實(shí)驗(yàn)室 （江西南昌330031）

摘要擠出口模在聚合物擠出成型中發(fā)揮著重要作用，其設(shè)計(jì)關(guān)系著擠出制品的質(zhì)量和成本。應(yīng)用Polyflow軟件，分析了方管口模的幾何尺寸與其內(nèi)外各參數(shù)之間的關(guān)系,確定出方管擠出口模的合理幾何結(jié)構(gòu)和尺寸，設(shè)計(jì)出最優(yōu)化的方管型氣輔擠出口模，從而提高口模設(shè)計(jì)精度和產(chǎn)品的質(zhì)量，并降低生產(chǎn)成本。

關(guān)鍵詞氣輔擠出擠出脹大數(shù)值模擬口模設(shè)計(jì)

0　引言

擠出成型裝置最重要的組成部分是擠出口模，其質(zhì)量直接決定了擠出物的形狀和質(zhì)量，而口模設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)是模具流道的設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)擠出口模的設(shè)計(jì)主要采取不斷地試模和修模的方法，該法在生產(chǎn)加工中不僅耗費(fèi)大量的時(shí)間而且成本較高。采用數(shù)值模擬方法來(lái)估算所要擠出制品的口模形狀和尺寸，分析熔體在口模中的流動(dòng)情況從而優(yōu)化口模結(jié)構(gòu)，對(duì)異型材擠出口模設(shè)計(jì)具有重大意義。通過(guò)分析口模中熔體在不同幾何參數(shù)下的流動(dòng)情況，得出這些參數(shù)和工藝條件與擠出結(jié)果之間的變化規(guī)律。通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬可以改進(jìn)口模的結(jié)構(gòu)與尺寸精度，從而提高口模設(shè)計(jì)精度和產(chǎn)品的質(zhì)量，并降低生產(chǎn)成本。

1　擠出口模研究進(jìn)展

國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)擠出機(jī)口模流道中的聚合物熔體流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，以期得到口模成型質(zhì)量的各種影響因素，進(jìn)而優(yōu)化口模設(shè)計(jì)。1998年，Jay等[1]應(yīng)用Polyflow有限元軟件，對(duì)口模的內(nèi)壁取不同長(zhǎng)度的滑移段（氣輔段），模擬并分析了壁面滑移現(xiàn)象對(duì)聚合物熔體擠出脹大的影響，結(jié)果表明，壁面滑移能夠減小擠出脹大和擠出過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力；Michaeli等[2]研究了一種較復(fù)雜的擠出模具優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，該方法利用有限元和網(wǎng)絡(luò)理論加速了設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程，研究結(jié)果表明，在口模部位修改流道結(jié)構(gòu)可達(dá)到最佳熔體速度分布；涂志剛等[3]設(shè)計(jì)并分析了縫型和圓環(huán)型口模內(nèi)聚合物的擠出過(guò)程；王曉楓等[4]對(duì)塑料異型材聚合物擠出機(jī)口模的典型流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，該研究具有很好的參考性和實(shí)用性；黃興元[5]設(shè)計(jì)并通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了方型口模并得出相關(guān)結(jié)論；盧臣[6]研究了T型口模氣輔擠出工藝過(guò)程和口模設(shè)計(jì)；劉斌等[7]應(yīng)用有限元分析和最優(yōu)化設(shè)計(jì)理論方法，以擠出流動(dòng)均勻性為指標(biāo)，以參數(shù)化建模和有限元模擬結(jié)果的優(yōu)化設(shè)計(jì)法作為分析研究工具，全面總結(jié)了擠出模具結(jié)構(gòu)對(duì)異型材聚合物擠出流動(dòng)均勻性的影響規(guī)律；Chung等[8]提出了另一種優(yōu)化擠出口模結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，指出最優(yōu)化設(shè)計(jì)變量應(yīng)依靠遺傳算法來(lái)導(dǎo)引，而最優(yōu)值的求解應(yīng)基于有限元分析模型過(guò)程，在對(duì)模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，可利用不同的目標(biāo)函數(shù)。

從上述研究結(jié)果可以看出，以往研究的重點(diǎn)多集中在口模的特征幾何參數(shù)方面，如壓縮段長(zhǎng)度、定型段長(zhǎng)度等。

最早發(fā)明的氣輔擠出口模有兩種：一種利用微孔法，另一種利用縫隙法。

（1）微孔法氣輔擠出口模

應(yīng)用微孔法氣輔擠出工藝的口模（見(jiàn)圖1）主要由兩部分組成，A段為熔體注入段，B段為氣輔擠出段。熔體注入段成錐形結(jié)構(gòu)，主要作用是將氣輔擠出段與擠出機(jī)很好地連接起來(lái)，起過(guò)渡作用。氣輔擠出段由一個(gè)多孔不銹鋼管和一個(gè)金屬塊組成，不銹鋼管嵌在金屬塊中，氣體從氣體入口引入到多孔的金屬管，通過(guò)不銹鋼管上的小孔注射到管內(nèi)壁與擠出熔體之間。

圖1　應(yīng)用微孔法氣輔擠出工藝的口模

（2）縫隙法

圖2為應(yīng)用縫隙法氣輔擠出工藝的模具示意圖。在口模無(wú)氣輔段和氣輔段交界處設(shè)置一個(gè)寬度很小的環(huán)形縫隙，將氣體從環(huán)形縫隙引入口模內(nèi)，在口模內(nèi)壁與擠出熔體之間形成氣墊膜層，最后氣體隨擠出熔體一起從口模出口流出。

圖2　應(yīng)用縫隙法氣輔擠出工藝的口模（單位：mm）

縫隙法相對(duì)于微孔法的優(yōu)點(diǎn)是氣體入口不易被聚合物熔體堵塞，即使在某些情況下被柱塞后也比較容易清理。

本文以黏彈性高分子熔體為研究對(duì)象，利用數(shù)值模擬方法分析方管型氣輔擠出氣輔段長(zhǎng)度、口模壁厚和截面積與壓力、擠出脹大率以及剪切速率之間的內(nèi)在關(guān)系和影響規(guī)律。通過(guò)全面的數(shù)值模擬與氣輔擠出實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，確定口模的尺寸和結(jié)構(gòu)。

2　口模幾何模型

口模截面尺寸：截面積為20 mm×20 mm，14 mm×14 mm的方管型材。由于口模結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)，取其1/ 4為研究對(duì)象，剖面幾何模型見(jiàn)圖3。熔體從1-1截面進(jìn)入口模，1-2段為無(wú)氣輔擠出段，其長(zhǎng)度為30 mm；2-2截面為氣體入口位置，2-3為氣輔擠出段，長(zhǎng)度為25 mm；3-3截面為熔體出口位置，3-4為自由擠出段，長(zhǎng)度為50 mm。1-3段合稱(chēng)為傳統(tǒng)擠出段。

圖3　方管型口模的幾何模型（單位：mm）

采用正六面體方法對(duì)1/4截面進(jìn)行網(wǎng)格劃分,并在速度、壓力和剪切應(yīng)力等參數(shù)變化較大的口模入口、氣體入口和氣體出口等處進(jìn)行了網(wǎng)格加密，其有限元網(wǎng)格模型如圖4所示。

圖4　擠出機(jī)口模有限元網(wǎng)格模型

3　不同氣輔段長(zhǎng)度對(duì)擠出的影響

應(yīng)用Polyflow軟件模擬不同氣輔段長(zhǎng)度對(duì)氣輔擠出口模內(nèi)聚合物熔體流動(dòng)的影響，分析其擠出脹大率、壓力、剪切速率等參數(shù)的變化規(guī)律。其中，口模氣輔段長(zhǎng)度L2-3分別取20，25，30，35 mm，而無(wú)氣輔段和自由擠出段長(zhǎng)度都不變。（其中：入口流量Q＝6× 10-7m3/s）。

3.1氣輔段長(zhǎng)度對(duì)各參數(shù)的影響

圖5為不同氣輔段長(zhǎng)度與擠出壓力的關(guān)系，當(dāng)粘附段和自由段不變時(shí)，氣輔段越長(zhǎng)時(shí)擠出壓力越小，且都在氣體入口處降到最小。圖6所示是當(dāng)氣輔段長(zhǎng)度變化時(shí)在口模（1.5,1.5）處沿z軸方向上的速度（uz）分布情況，當(dāng)氣輔段L2-3=25 mm時(shí)擠出速度最大，L2-3=35 mm時(shí)擠出速度最小。由圖7可看出，隨著氣輔段長(zhǎng)度的增大，口模（1.5,1.5）處沿z軸方向上的剪切速率也逐漸增大，但L2-3=25 mm時(shí)最大剪切速率最小。由以上模擬分析可知，增加氣輔段長(zhǎng)度有利于減小口模壓力，并且當(dāng)氣輔段相對(duì)長(zhǎng)時(shí)能明顯降低擠出速度。

圖5　不同氣輔段長(zhǎng)度與壓力的關(guān)系

圖6　不同氣輔段長(zhǎng)度與軸向速度的關(guān)系

圖7　不同氣輔段長(zhǎng)度與剪切速率的關(guān)系

3.2氣輔段長(zhǎng)度與擠出脹大率的關(guān)系

圖8所示為氣輔段長(zhǎng)度與擠出脹大率（B）的關(guān)系，L2-3=20 mm時(shí)擠出物的擠出脹大率最大，且擠出脹大率隨氣輔段長(zhǎng)度的增加而降低，當(dāng)L2-3=25 mm時(shí)擠出脹大基本消除，因此要得到尺寸精確且質(zhì)量較高的擠出制品，氣輔段越長(zhǎng)越好。

圖8　氣輔段長(zhǎng)度與擠出脹大的關(guān)系

然而研究表明[5]，氣輔段越長(zhǎng)，氣墊膜層的穩(wěn)定性越差，進(jìn)而會(huì)破壞氣輔擠出過(guò)程的穩(wěn)定性，所以氣輔段不宜太長(zhǎng)。從實(shí)驗(yàn)和模擬兩個(gè)不同的角度考慮，氣輔段越長(zhǎng)就越容易引起氣體流速、方向、壓力、密度、溫度等參數(shù)的變化，導(dǎo)致熔體和擠出口模壁面粘連，影響氣輔膜層的穩(wěn)定性；氣輔段長(zhǎng)度越短，越有利于提高氣墊膜層的穩(wěn)定性以及擠出物尺寸的穩(wěn)定性和精度，但氣輔段越短，熔體在該擠出段的停留時(shí)間也越短，其恢復(fù)時(shí)間也相對(duì)越短，不能充分發(fā)揮氣輔擠出的作用，容易導(dǎo)致擠出脹大和熔體破裂等缺陷，所以氣輔段的長(zhǎng)度應(yīng)該在保證熔體的彈性變形和彈性應(yīng)力能夠全面恢復(fù)的前提下盡可能短。由以上分析得出：氣輔段最佳長(zhǎng)度應(yīng)該取25 mm，此時(shí)既可消除擠出脹大又能建立穩(wěn)定的氣墊膜層。

4　不同方管口模壁厚對(duì)擠出的影響

4.1口模壁厚與擠出脹大率的關(guān)系

在口模其他幾何尺寸都不變的情況下，口模壁厚(σ)分別取2，3，4，5 mm，模擬并分析入口流量變化時(shí)聚合物熔體的擠出脹大率變化情況。

如圖9所示，當(dāng)入口流量不斷增大時(shí)，不同壁厚口模的擠出脹大率都隨之增大，σ=2 mm的口模擠出脹大率變化最為明顯，且當(dāng)入口流量增加到6×10-7m3/s時(shí)擠出脹大率達(dá)到最大，而σ=3 mm時(shí)擠出脹大率幾乎為零，只有在入口流量增加到6×10-7m3/s時(shí)有微小波動(dòng)?？梢?jiàn)，σ=3 mm時(shí)的口模擠出物品質(zhì)相對(duì)較高。

圖9　入口流量變化時(shí)不同壁厚的擠出脹大率變化情況

4.2不同口模壁厚對(duì)各場(chǎng)量的影響

由以上分析可得出結(jié)論：口模壁厚取值最好在3～5 mm之間，且σ=3 mm時(shí)擠出脹大率最小，制品精度更高。

圖10　擠出壓降與口模壁厚變化的關(guān)系

圖11　軸向速度與口模壁厚變化的關(guān)系

圖12　剪切速率與口模壁厚變化的關(guān)系

5　不同口模截面積對(duì)擠出的影響

當(dāng)口模氣輔段長(zhǎng)度和壁厚不變時(shí)，取口模截面積（S）分別為144，180，204和252 mm2，分析不同截面積下擠出物的變化及在口模內(nèi)的流動(dòng)行為。

5.1口模截面積與擠出脹大率的關(guān)系

圖13為口模截面積與擠出脹大率的關(guān)系圖，可明顯看出，當(dāng)口模截面積變化時(shí)擠出脹大率也發(fā)生波動(dòng)，其中，S=204 mm2時(shí)，隨流量的增大擠出脹大率波動(dòng)非常小，幾乎為零；S=144 mm2與S=180 mm2時(shí)，在流量取1×10-7～4×10-7m3/s時(shí)擠出物截面比口模截面積小，當(dāng)流量取6×10-7m3/s時(shí)出現(xiàn)擠出脹大現(xiàn)象；S=252 mm2時(shí)，隨著流量的增加擠出物截面也增加，但是擠出截面小于口模截面積，出現(xiàn)擠出截面縮小現(xiàn)象。

圖13　入口流量變化時(shí)不同截面與擠出脹大率的關(guān)系

5.2不同大小的口模截面對(duì)各場(chǎng)量的影響

圖14、15和16是口模截面積變化對(duì)擠出壓力、剪切速率及軸向速度的影響［在口模（1.5，1.5）處各場(chǎng)量沿z軸方向的分布］，口模截面積越大其擠出壓力、剪切速率及軸向擠出速度越小，且都在氣體入口處出現(xiàn)最小值，并在氣輔段達(dá)到穩(wěn)定值。（其中：入口流量Q=6×10-7m3/s）。

圖14　壓力與不同口模截面積變化的關(guān)系

圖15　軸向速度與口模截面積的關(guān)系

圖16　剪切速率與口模截面積的關(guān)系

壓力、剪切速率及擠出速度的大小對(duì)實(shí)際生產(chǎn)均具有重要意義，在實(shí)際擠出中，壓力小，生產(chǎn)能耗就小，不僅能夠節(jié)省生產(chǎn)成本，而且對(duì)減小制品的內(nèi)應(yīng)力和變形、提高擠出制品的質(zhì)量都有重要意義。所以，在口模設(shè)計(jì)過(guò)程中要合理選擇其幾何尺寸。

6　結(jié)論

（1）增加氣輔段長(zhǎng)度有利于減小口模壓力和避免剪切應(yīng)力集中，當(dāng)氣輔段相對(duì)長(zhǎng)時(shí)能明顯降低軸向擠出速度，擠出脹大率也隨氣輔段長(zhǎng)度的增加而降低。

（2）口模壁越厚則擠出壓力、剪切速率和軸向擠出速度越小，當(dāng)σ=2 mm時(shí)擠出壓力和剪切速率最大，且當(dāng)入口流量不斷增大時(shí)，σ=2 mm的口模擠出脹大率也最高。

（3）當(dāng)口模截面積變化時(shí)擠出脹大率也發(fā)生不同程度的波動(dòng)，口模截面積越大其擠出壓力、剪切速率和軸向擠出速度越小，且都在氣體入口處出現(xiàn)最小值，并在氣輔段達(dá)到穩(wěn)定值。

其中，氣輔段最佳長(zhǎng)度應(yīng)該取25 mm，此時(shí)既可消除擠出脹大又能建立穩(wěn)定的氣墊膜層；口模壁厚取值最好在3～5 mm之間，σ=3 mm時(shí)擠出脹大率最小，制品精度更高；口模截面積204 mm2，此時(shí)隨流量的增大擠出脹大率波動(dòng)非常小，幾乎為零。

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中圖分類(lèi)號(hào)TQ320.66+3

收稿日期：2015年3月

第一作者簡(jiǎn)介：任銀娥女1986年生碩士技術(shù)員主要從事壓力容器設(shè)計(jì)研究

Design of Square Tube Gas-assisted Extrusion Die for Polymer

Ren Yine Xie Pinping

Abstract:Extrusion die plays an important role in the extrusion molding of polymer,and its design determines the quality and cost of the extruded products.Analyzed the relationships between the geometric sizes of the square tube gasassisted extrusion die and the physical parameters inside and outside the die by using Polyflow software,determined the reasonable geometric structure and size of the die and worked out the optimized die,thus improving the design accuracy of the die and the quality of products,and reducing the production cost.

Key words:Gas-assisted extrusion;Die swell;Numerical simulation;Die design