方管聚合物氣輔擠出口模設(shè)計(jì)

任銀娥　謝品平

（烏魯木齊市隆盛達(dá)環(huán)?？萍加邢薰?，新疆烏魯木齊 830032）

方管聚合物氣輔擠出口模設(shè)計(jì)

任銀娥謝品平

（烏魯木齊市隆盛達(dá)環(huán)?？萍加邢薰?，新疆烏魯木齊 830032）

擠出口模在擠出成型中發(fā)揮著重要作用，其口模設(shè)計(jì)的是否合理關(guān)系著擠出制品的質(zhì)量和擠出成本。因此本文應(yīng)用polyflow軟件，采用PTT粘彈本構(gòu)，分析方管口模幾何尺寸與氣輔擠出口模內(nèi)外的各場(chǎng)量之間的變化規(guī)律（如改變滑移段長(zhǎng)度、口模壁厚及口模截面積觀(guān)察擠出壓降、速度及剪切速率的變化）。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。

氣輔擠出 擠出脹大 數(shù)值模擬 口模設(shè)計(jì)

1　引言

擠出成型裝置中最重要的組成部分是擠出口模，而擠出口模設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)是模具流道的設(shè)計(jì)，因?yàn)閿D出口模直接決定著擠出物的形狀和質(zhì)量。傳統(tǒng)擠出口模的設(shè)計(jì)主要采取不斷的試模和修模方法，此法不僅在生產(chǎn)加工中耗費(fèi)大量的時(shí)間且成本高。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)，這對(duì)異型材擠出口模設(shè)計(jì)具有重大意義。通過(guò)分析擠出口模中不同幾何參數(shù)下的流動(dòng)情況，得出這些幾何參數(shù)及工藝條件與擠出結(jié)果之間的變化規(guī)律，可以通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬來(lái)改進(jìn)口模結(jié)構(gòu)與尺寸精度，從而提高了口模設(shè)計(jì)精度和產(chǎn)品的質(zhì)量，并降低了生產(chǎn)成本。

2　擠出口模研究進(jìn)展

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，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［2］等研究了一種較復(fù)雜擠出模具優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，此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，在口模哪部位并如何修改流道結(jié)構(gòu)以達(dá)到最佳速度分布；南昌大學(xué)柳和生、涂志剛等［3］設(shè)計(jì)并分析了縫型和圓環(huán)型口模內(nèi)聚合物擠出過(guò)程；合肥工業(yè)大學(xué)王曉楓、朱元吉等［4［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)程及口模設(shè)計(jì)；劉斌［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，全面地總結(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［8］等引出了另一種擠出口模機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，指出最優(yōu)化設(shè)計(jì)變量依靠遺傳算法來(lái)導(dǎo)引，而最優(yōu)值的求解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)。從這些研究結(jié)果可看出以往研究的重點(diǎn)在于有關(guān)口模特征幾何參數(shù)，如壓縮段長(zhǎng)度、定型段長(zhǎng)度等。

本章以粘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滑移段長(zhǎng)度、口模壁厚和口模截面積與壓力降、擠出速度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)值模擬技術(shù)與氣輔擠出實(shí)驗(yàn)研究得到的經(jīng)驗(yàn)，確定出口模尺寸及結(jié)構(gòu)。

3　口模幾何模型

口模截面尺寸為:截面積為20mm×20mm，14mm×14mm的方管型材，由于對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，則取方管的1/4口模為研究對(duì)象，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30mm；2-2截面為氣體入口位置，2-3為有氣輔擠出段，長(zhǎng)度為25mm；3-3截面為熔體出口位置，3-4為自由擠出段，長(zhǎng)度為50mm。在傳統(tǒng)擠出中，1-3段為傳統(tǒng)擠出段。圖1為方管1/4截面尺寸圖。

圖2為取其1/4截面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，本文采用正六面體方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并在速度、壓力及剪切應(yīng)力等參數(shù)變化較大的口模入口、氣體入口及氣體出口等處進(jìn)行了網(wǎng)格加密，其中有限元網(wǎng)格模型如圖2所示。

4　不同氣輔段長(zhǎng)度對(duì)各場(chǎng)量的影響

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，分析其壓力降、擠出速度及剪切速率等參數(shù)的變化規(guī)律。其中，口模氣輔段長(zhǎng)分別取L2-3=（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:Q=6×10-7m3/s）。

圖3所示為不同氣輔段長(zhǎng)度與擠出壓降的關(guān)系，由圖可知，當(dāng)粘附段和自由段不變時(shí)，當(dāng)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?。粓D4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，由圖得出，當(dāng)氣輔段L2-3=25mm時(shí)擠出速度最大，L2-3=35mm時(shí)擠出速度最??；圖5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z向剪切速率，也隨之增大，但在氣輔段L2-3=25mm時(shí)最大剪切速率最小。由以上模擬分析得出結(jié)論增加氣輔段長(zhǎng)度有利于減小口模壓力降，并且當(dāng)氣輔段相對(duì)長(zhǎng)時(shí)能明顯降低擠出速度。

但有研究表明［5］，該段若太長(zhǎng)，氣墊膜層的穩(wěn)定性就會(huì)越差，進(jìn)而就破壞了穩(wěn)定的氣輔擠出過(guò)程，所以滑移段不宜太長(zhǎng)，會(huì)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；有氣輔段長(zhǎng)度越短，熔體在該擠出段停留時(shí)間也越短，熔體的恢復(fù)時(shí)間也相比越短，這樣容易導(dǎo)致擠出脹大和熔體破裂等缺陷，所以有氣輔段的最佳長(zhǎng)度應(yīng)該滿(mǎn)足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:有氣輔段最佳長(zhǎng)度應(yīng)該取L2-3=25mm，此時(shí)即消除的擠出脹大又保證能建立穩(wěn)定的氣墊膜層。

5　不同口模壁厚對(duì)各場(chǎng)量的影響

圖6、7和8是不同口模壁厚與各場(chǎng)量之間的關(guān)系圖（其中，是指在口模）處各場(chǎng)量沿z軸方向上的z向分布，i=1，2，3，4）。由圖6、7和8可知，口模壁厚越厚則擠出壓力降、剪切速率和口模）處沿z軸方向擠出速度uz越小，且當(dāng)口模壁厚σ1=2mm時(shí)擠出壓力及剪切速率值遠(yuǎn)大于σ2=3mm、σ3=4mm和σ4=5mm的值，且壁厚σ1=2mm的軸向速度在氣體入口處出現(xiàn)突變，先迅速增大又立刻減小，出現(xiàn)波動(dòng)較大。（其中:入口流量為Q=6×10-7m3/s）。

由以上的分析得出結(jié)論:口模壁厚取值最好在3-5mm之間，且取σ2=3mm擠出過(guò)程最穩(wěn)定，制品精度更高。

6 不同口模截面積對(duì)各場(chǎng)量的影響

當(dāng)口模有氣輔段長(zhǎng)度及壁厚不變時(shí)，取口模截面積分別為: S1=144mm2，S2=180mm2，S3=204mm2和S4=252mm2，分析取不同口模截面積時(shí)擠出物的變化及在口模內(nèi)流動(dòng)行為。

圖9、10和11是口模截面積大小變化時(shí)對(duì)擠出物壓力降、剪切速率及沿z軸方向速度uz的影響（是指在口模（1.5，1.5）處各場(chǎng)量沿z軸方向上的z向分布），由圖可知，口模截面積越大其擠出壓降、剪切速率及沿z軸方向擠出速度uz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:入口流量為Q=6×10-7m3/s）。

壓力降、剪切速率及擠出速度uz的大小對(duì)實(shí)際生產(chǎn)有重要的意義，在實(shí)際擠出中，壓力降小，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)程中要合理選擇口模幾何尺寸。

7 結(jié)語(yǔ)

（1）增加滑移段長(zhǎng)度有利于減小口模壓力降和剪切應(yīng)力集中，并且當(dāng)滑移段相對(duì)長(zhǎng)時(shí)能明顯降低擠出速度。

（2）口模壁厚越厚則擠出壓力降、剪切速率和沿z軸方向擠出速度uz越小，當(dāng)口模壁厚σ1=2mm時(shí)擠出壓力及剪切速率值最大。

（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)，其中，口模截面積越大其擠出壓降、剪切速率及沿z軸方向擠出速度uz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，有氣輔段最佳長(zhǎng)度應(yīng)該取L2-3=25mm，此時(shí)保證能建立穩(wěn)定的氣墊膜層；口模壁厚取值最好在3-5m m之間，且取σ2=3mm時(shí)制品精度更高；口模截面積取S3=204mm2，此截面積隨流量的增大擠出現(xiàn)象波動(dòng)非常小。

［1］P.Jay，J M Piau.The reduction of viscous extrusion stresses and extrudate swell computation Using slippery exit surfaces［J］.Non-Newtonian Fluid Mech，1998，5（79）：99-617.

［2］W.Michaeli，S.Kaul，T.Wo1ff.Computer-aided optimization of extrusion dies［J］.Journal of Polymer Engineering，2001，21（2）：225-237.

［3］涂志剛，熊洪槐，柳和生.縫隙口模中熔體受力歷史分析［J］.塑料，1999，28（6）：20-24.

［4］王曉楓，朱元吉.塑料異型材擠出模中的壓力分布［J］.中國(guó)塑料，1996，4（10）：69-72.

［5］黃興元.聚合物氣體輔助擠出成型的理論及實(shí)驗(yàn)研究［D］.南昌：南昌大學(xué)，2006.

［6］盧臣.塑料異型材氣輔擠出口模流動(dòng)的理論與實(shí)驗(yàn)研究［D］.南昌大學(xué)（碩士學(xué)位論文），2007.

［7］劉斌，王敏杰，劉耀中等.基于數(shù)值分析的塑料擠出模優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2003，39（3）：139-144.

［8］J.S.Chung，S.M.Hwang.Application of a genetic algorithm to the optimal design of the die shape in extrusion［J］.Journal of Materials Processing Technology，1997，72（l）：69-77.

Die as an important position in the field of polymer extrusion processing， it's die design related to the quality of extrusion products and cost. In the thesis， use the module of inverse extrusion of polyflow software with PTT Viscoelastic model to analysis the change rules of the geometry of the die and flow fields in the die（such as change the length of slip， die thickness and cross-sectional area of the die to observe the change of extrusion pressure， speed and shear stress）.Worked out the shapes and sizes of section extrusion die， then design the square tube gas-assisted extrusion die，thereby improving the quality of extrusion products and accuracy of the die design， and reduce production costs.

gas-assisted extrusion； die swell； numerical simulation； die design

任銀娥（1986—），女，碩士，技術(shù)員，主要從事壓力容器設(shè)計(jì)研究。