基于ANSYS Polyflow的膠管擠出模頭設(shè)計(jì)

呂曉東，鐘佩思，吝偉偉，葛 旋

（山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島 266590）

隨著我國橡膠工業(yè)的不斷發(fā)展，大批量橡膠制品的生產(chǎn)設(shè)備需求增大，而橡膠擠出成型可以滿足高效和批量化生產(chǎn)的需求。橡膠擠出成型技術(shù)在膠管生產(chǎn)中的應(yīng)用尤為廣泛，與傳統(tǒng)壓延技術(shù)相比，擠出成型具有生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)。隨著擠出設(shè)備的不斷進(jìn)步，目前擠出成型技術(shù)已廣泛應(yīng)用于耐壓管材和吸引膠管的生產(chǎn)。

模頭是安裝在擠出機(jī)上用于控制擠出形狀的模具，在膠管的成型工藝中起到至關(guān)重要的作用，直接影響產(chǎn)品質(zhì)量。傳統(tǒng)的模頭主要根據(jù)材料的原始參數(shù)、擠出產(chǎn)品的幾何尺寸和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，并通過大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)而成，精度低且生產(chǎn)周期長。ANSYS Ployflow軟件的逆向擠出功能為模頭的口型設(shè)計(jì)提供了很大幫助。

本工作首先采用ANSYS Polyflow的逆向擠出功能設(shè)計(jì)出模頭的口型，然后對模頭整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后運(yùn)用ANSYS Ployflow的正向擠出功能對模頭性能進(jìn)行檢測分析。

1 膠管模頭口型設(shè)計(jì)

逆向擠出計(jì)算的原理是出口速率重新分布原則，與正向擠出過程恰好相反。為了使速率大的邊長中部區(qū)域擠出后不因膨脹而突破所要求的形狀，必須使該區(qū)域的面積減小，從而計(jì)算擠出口型的形狀[1]。對于管材的擠出成型，主要是計(jì)算出能達(dá)到生產(chǎn)要求的口模內(nèi)徑和模芯外徑。

1.1 建立有限元模型

采用Pro/E進(jìn)行幾何模型的繪制。由于該模型有兩個(gè)計(jì)算域，屬于多域模型計(jì)算，在3D建模時(shí)，應(yīng)將模內(nèi)部分與模外部分分別繪制，然后裝配到一起，生成最終的幾何模型。

采用ICEMCFD進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。作為專業(yè)的預(yù)處理軟件，ICEMCFD為所有流行的CAE軟件提供高效可靠的分析模型，擁有強(qiáng)大的CAD模型修復(fù)能力、自動(dòng)中面抽取、獨(dú)特的網(wǎng)格“雕塑”技術(shù)、網(wǎng)格編輯技術(shù)以及廣泛的求解器支持能力。同時(shí)作為ANSYS家族的專業(yè)劃分網(wǎng)格軟件，還可以集成于ANSYS Workbench平臺,獲得Workbench的所有優(yōu)勢。ICEM作為FLUENT和Polyflow標(biāo)配的網(wǎng)格劃分軟件，已取代GAMBIT的地位[2]。

圓形管材結(jié)構(gòu)比較簡單，采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，用O形塊對模型進(jìn)行分割，由于管材壁面和內(nèi)外兩部分交界面處流變行為相對復(fù)雜，計(jì)算精度要求較高，因此對邊界層附近的網(wǎng)格應(yīng)適當(dāng)加密，以提高計(jì)算精度。

1.2 建立子任務(wù)

采用粘度依賴于剪切速率的冪律本構(gòu)模型[3]。冪律方程在數(shù)學(xué)上很簡單，可以分析和處理能夠按照牛頓流體求解的簡單流體問題。設(shè)定粘度系數(shù)K為40 Pa·s,松弛時(shí)間λ為3 s，冪律指數(shù)n為0.6。

管材的模型相對簡單，計(jì)算量相對較小，為了得到比較準(zhǔn)確的模頭口型，對整個(gè)管材進(jìn)行計(jì)算。模頭口型邊界條件如圖1所示。

圖1 模頭口型邊界條件

在圖1中，邊界1為流動(dòng)入口。體積流速Q(mào)為800 cm3·s-1。邊界2為口模壁面。假設(shè)壁面有滑移，采用Navier定律計(jì)算滑移阻力，對滑移壁面采用參數(shù)漸變算法[4]。邊界3為模頭外的自由表面。指定邊界2與邊界3的交界線為自由表面的初始位置。在逆向擠出模擬中，必須預(yù)測擠出口模的截面得到已知形狀的擠出物。在Polyflow中，通過定義自由表面的出口替代指定擠出物的形狀，因此還需在計(jì)算區(qū)域的末端指定自由表面的出口[3]。邊界4為流動(dòng)出口。

1.3 計(jì)算結(jié)果

由于管材在每個(gè)橫截面上的各個(gè)方向速度分布相同，截取軸向截面對管材流速進(jìn)行全面的觀察，如圖2所示。在口模出口之前的10 mm處流體流速是完全發(fā)展的，在遠(yuǎn)離口模出口的20 mm處流體流速基本恒定，該部分為過渡區(qū)域，在進(jìn)行口模設(shè)計(jì)時(shí)其長度必須大于10 mm。

圖2 軸向截面流速分布

通過分析計(jì)算得出模頭出口端面的形狀如圖3所示。從圖3可以看出，需要得到的斷面形狀與按設(shè)計(jì)口型實(shí)際擠出得到的斷面形狀非常接近，相對誤差較小，在實(shí)際應(yīng)用中是可以接受的[1]。將逆向擠出計(jì)算后的模型保存為.iges格式的中性文件，然后使用Pro/E軟件打開，測量口模內(nèi)徑和芯棒外徑的幾何尺寸。這是影響擠出管材內(nèi)外徑的2個(gè)關(guān)鍵因素。

圖3 模頭出口端面的形狀

2 模頭整體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

管材的擠出機(jī)頭大致分為直通芯棒式模頭、直通籃式模頭、側(cè)向供料式模頭和螺旋式供料模頭4種結(jié)構(gòu)類型[5]。直通芯棒式模頭結(jié)構(gòu)相對簡單，缺點(diǎn)為有支架，如果前面壓縮段的壓力過小，合流線有時(shí)消除不好。直通籃式模頭目前應(yīng)用比較廣泛。在直通籃式模頭中，料流首先通過支架或帶有多星孔的料流分流體系，壓力降低，緊接著熔體流過多孔區(qū)段，兩次改變方向，然后變?yōu)檩S向。單股料流之間混合良好，熔體更加均勻，擠出膠管質(zhì)地也比較均勻，但膠料需要穿過篩孔，因此不適合粘度較高膠料的擠出。側(cè)向供料式模頭結(jié)構(gòu)比較簡單，由于供料口位于側(cè)壁上，因此支架不會(huì)對料流產(chǎn)生分流，但一側(cè)供料會(huì)導(dǎo)致擠出膠管上下兩側(cè)質(zhì)地不均勻。螺旋式供料模頭生產(chǎn)的膠管具有良好的機(jī)械強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，適合高粘度膠料的擠出，同時(shí)模頭的裝拆和操作簡便，芯棒上易鉆孔，也易采用內(nèi)冷系統(tǒng)，但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，生產(chǎn)成本較高。

綜上所述，由于生產(chǎn)膠管的材料粘度相對較大，從產(chǎn)品性能和成本兩方面考慮，采用直通芯棒式模頭。

直通芯棒式模頭主要由口模、芯模和分流器三部分組成。

口模內(nèi)徑d1由ANSYS Ployflow逆向擠出分析得出，為39.2 mm，所需擠出膠管外管直徑ds為40 mm。定型段的長度L1由經(jīng)驗(yàn)公式得到[6]：

由于管徑較小，定型段長度過大會(huì)增大料流的阻力，為了提高膠管產(chǎn)量，應(yīng)選擇較小的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)[3]，但必須滿足ANSYS Ployflow逆向擠出計(jì)算出的口模長度要大于10 mm的要求。

芯模是成型膠管內(nèi)表面輪廓的模頭零件，通過螺紋和分流器連接。芯模的外徑d2由ANSYS Ployflow逆向擠出功能得出，如圖2所示，其大小為29.6 mm。所需擠出膠管的內(nèi)徑為30 mm，芯模的長度L2由經(jīng)驗(yàn)公式得到：

其中，D0為膠料熔體在多孔板出口的流道直徑。

對于低粘度膠料，芯棒的壓縮角β為45°～60°，高粘度膠料為30°～60°。

對于低粘度膠料，分流器的擴(kuò)張角α為45°～80°，高粘度膠料為30°～60°。由于橡膠粘性較高,分流器的擴(kuò)張角α選擇60°。分流器有效長度L3由經(jīng)驗(yàn)公式得到：

分流器頭部圓角半徑R一般取0.5～2 mm，由于管徑相對較小，膠料粘度較大，R選擇1 mm。

芯棒的定型段要求與口模的長度相等，分流器錐形最大端面直徑與芯棒最大端面直徑相等。兼顧兩者的經(jīng)驗(yàn)值，最終確定，口模長度L1取60 mm，芯棒長度L2取100 mm。由于橡膠粘度較高，芯棒壓縮角β選擇40°，分流器擴(kuò)張角α選擇50°。經(jīng)計(jì)算得出，分流器有效長度為58.67 mm，所取各值均在合理范圍之內(nèi)。

分流器與過濾板之間應(yīng)有一定長度的空腔，該長度一般取10～20 mm[6]。模頭整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 模頭整體結(jié)構(gòu)示意

3 結(jié)果分析

Cross-Law模型中的零剪切粘度限制了模頭物料粘度變化的上限值，對低剪切速率下的熔體流動(dòng)模擬比冪律模型更好，更符合擠出加工的實(shí)際情況[7]。因此，選擇Cross-Law模型對模頭內(nèi)的流體進(jìn)行分析。剪切粘度η為

式中，η0為零剪切粘度，85 000 Pa·s；λ為0.2 s；γ˙為剪切速率，s-1；m為稠度系數(shù)，0.3。由于m＝0.3（小于0.7），為了防止計(jì)算發(fā)散，采用Picard迭代，并將最大迭代次數(shù)設(shè)為30[8]。模型相對比較復(fù)雜，為減少計(jì)算量，取1/4模型進(jìn)行計(jì)算。

運(yùn)用ANSYS Ployflow進(jìn)行邊界條件的設(shè)置和計(jì)算，最終運(yùn)用CFD-POST進(jìn)行后處理。圖5所示為模腔內(nèi)膠料的壓力變化云圖。從圖5可以看出，壓力在分流段變化不大，壓力降主要出現(xiàn)在壓縮段，并且在成型段呈梯度遞減。入口處壓力為5.771 MPa，出口處壓力為0.125 1 MPa，壓力分布相對合理。

圖5 模腔內(nèi)膠料的壓力變化

圖6所示為模腔內(nèi)膠料的速度變化云圖。從圖6可以看出：膠料在入口處的流速不均勻，從2.405×10-3m·s-1到1.203×10-2m·s-1不等；膠料流速在分流段比較平穩(wěn)，在壓縮段急劇增加，由4.811×10-3m·s-1增 至2.405×10-2m·s-1；在成型段保持在2.165×10-2m·s-1，流速等值線以對稱軸為中心呈環(huán)狀分布，流速分布相對均勻合理[8]。

圖6 模腔內(nèi)膠料的速度變化

4 結(jié)語

通過ANSYS Ployflow的逆向擠出功能計(jì)算模頭口模的直徑和芯棒的直徑，然后進(jìn)行模頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最后運(yùn)用ANSYS Ployflow對所設(shè)計(jì)模頭內(nèi)膠料的流動(dòng)和壓力情況進(jìn)行系統(tǒng)分析，檢驗(yàn)?zāi)ｎ^設(shè)計(jì)的合理性。采用逆向擠出和正向計(jì)算相結(jié)合，形成一套準(zhǔn)確便捷的設(shè)計(jì)工藝，大大提高了所設(shè)計(jì)模頭的精度，提高了效率，減少了反復(fù)試模所帶來的人工和財(cái)力的浪費(fèi)。