塑料擠出流動(dòng)數(shù)值分析及其模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化分析

鄧力軍 廣東省梅州市磁性材料廠

塑料擠出流動(dòng)數(shù)值分析及其模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化分析

鄧力軍 廣東省梅州市磁性材料廠

塑料擠出流動(dòng)；數(shù)值分析；模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；優(yōu)化

前言

與其他塑料成型模具設(shè)計(jì)相比，擠出模設(shè)計(jì)的難度更高。擠出模設(shè)計(jì)質(zhì)量會(huì)對(duì)模具壽命及模具成本等方面產(chǎn)生較大影響，因此，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該注重優(yōu)化擠出模設(shè)計(jì)。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，人們通常采用Trial and Error法進(jìn)行設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)方法需要的成本較高。應(yīng)用數(shù)值分析法通過(guò)擠出模結(jié)構(gòu)參數(shù)的獲得對(duì)擠出模設(shè)計(jì)優(yōu)化具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1.擠出模理論

Wilczynski針對(duì)單螺桿擠出成型過(guò)程提出一個(gè)計(jì)算機(jī)模型，并將該模型命名為SSEM。該模型能夠?qū)D出成型的整個(gè)過(guò)程全部模擬出來(lái)，并根據(jù)已知的工藝參數(shù)對(duì)其流動(dòng)特性進(jìn)行合理預(yù)測(cè)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與SSEM模擬結(jié)果數(shù)據(jù)之間的差異處在4%～9%范圍中，該差異范圍表明SSEM模型的模擬效果具有一定的可靠性［1］。

2.塑料擠出流動(dòng)數(shù)值分析及其模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1 塑料擠出流動(dòng)數(shù)值分析

NGUYEN THIEN T等人針對(duì)非線性粘彈性流體提出一種流動(dòng)分析的改進(jìn)邊界元法。在擠出異型材確定的情況下，可以運(yùn)用這種方法求解擠出模的計(jì)算問(wèn)題，這種方法的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)在于既可以被應(yīng)用在塑料擠出流動(dòng)數(shù)值分析中，也可以被應(yīng)用在塑料擠出的反問(wèn)題中。與傳統(tǒng)的邊界元法相比，運(yùn)用這種該機(jī)邊界元法進(jìn)行分析時(shí)，CPU的計(jì)算時(shí)間發(fā)生顯著縮短，在該方法得到良好運(yùn)用的情況下，實(shí)際計(jì)算時(shí)間可以縮短至原本時(shí)間的70%。何紅運(yùn)用有限差分法對(duì)擠出流道中橡膠彎管膠料的流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算。在這種方法中，通過(guò)雙圓柱坐標(biāo)系將偏心圓環(huán)域中冪律流動(dòng)膠料的軸向?qū)恿髁鲃?dòng)計(jì)算有效轉(zhuǎn)換成難度較低的矩形域流動(dòng)計(jì)算。結(jié)合這種方法對(duì)速度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，可以將彎管窄隙位置和寬隙位置之間的膠料流速比值計(jì)算出來(lái)，通過(guò)實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果與運(yùn)用該方法進(jìn)行計(jì)算得出的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn)，這種計(jì)算方法的計(jì)算結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性［2］。

2.2 擠出模內(nèi)場(chǎng)量分布

在擠出模中存在多種不同的場(chǎng)量分布，如溫度場(chǎng)以及壓力場(chǎng)等。這些場(chǎng)可以將熔體在模頭內(nèi)的實(shí)際流動(dòng)情況真實(shí)的反映出來(lái)。在擠出螺桿設(shè)計(jì)的優(yōu)化過(guò)程中，首先需要對(duì)流道內(nèi)壓力降的具體大小進(jìn)行確定，對(duì)此，可以通過(guò)Botten等人提出的預(yù)報(bào)單螺桿擠出的壓力擴(kuò)展模型來(lái)實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能。王曉楓等人通過(guò)對(duì)塑料異型材擠出模頭典型流道結(jié)構(gòu)的分析，得出了不同流道的壓力降解析公式，運(yùn)用這種公式計(jì)算可以有效促進(jìn)計(jì)算時(shí)間的縮短，促進(jìn)計(jì)算效率的提升［3］。

2.3 設(shè)計(jì)擠出模的原則

在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中為了保證設(shè)計(jì)出的擠出模符合相關(guān)使用標(biāo)準(zhǔn)，需要按照以下幾種原則進(jìn)行設(shè)計(jì)：第一，保證擠出機(jī)螺桿軸線與擠出型材截面重心位置的重合。第二，為了保證流道作用的有效發(fā)揮，應(yīng)該使流道具有一定的壓縮比，進(jìn)而對(duì)制品的密實(shí)度產(chǎn)生相應(yīng)的保障作用。第三，模頭體積的大小會(huì)對(duì)模頭作用的發(fā)揮產(chǎn)生相應(yīng)的影響、通常情況下，模頭體積越小，相關(guān)作用的發(fā)揮效果越好。因此在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該在保證強(qiáng)度達(dá)到使用要求的情況對(duì)，采取相關(guān)措施盡量縮小模頭體積。第四，為了保證擠出模的設(shè)計(jì)質(zhì)量符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該對(duì)零件的加工工藝性加以重視。第五，就熔體而言，加速的穩(wěn)定性有利于模頭成型質(zhì)量的提升。因此，設(shè)計(jì)人員需要注重熔體在整個(gè)過(guò)程加速的穩(wěn)定性，并盡量減少或避免減速現(xiàn)象的發(fā)生［4］。

2.4 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化

在對(duì)模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化的過(guò)程中，主要涉及設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)等概念。其中，設(shè)計(jì)變量是指從所有的參數(shù)化模型中選出全部參數(shù)集或部分參數(shù)集?？梢詫⒃O(shè)計(jì)變量看成是自變量中的一種。在實(shí)際的優(yōu)化過(guò)程中，需要通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)變量數(shù)值的相應(yīng)變化，得出最終的優(yōu)化結(jié)果。目標(biāo)函數(shù)則是指人們對(duì)性能或指標(biāo)期望達(dá)到的最高值。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，設(shè)計(jì)變量實(shí)際數(shù)值的變化，會(huì)引發(fā)目標(biāo)函數(shù)數(shù)值的變化。首先需要對(duì)擠出模具流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的功能劃分，通過(guò)這種劃分建立流道的三維參數(shù)化模型。將最優(yōu)化設(shè)計(jì)理論引入基于三維有限元數(shù)值分析中，在這個(gè)過(guò)程中，設(shè)計(jì)變量應(yīng)該是模具不同功能段各個(gè)主要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并將約束變量定為流道壓力降的最大值。在將優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)定為模頭出口處型材截面不同子區(qū)域流速平均值的均方差之后，根據(jù)設(shè)計(jì)變量等相關(guān)參數(shù)完成優(yōu)化數(shù)據(jù)模型的建立。該模型的建立是優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)具體的工程要求，對(duì)研究對(duì)象的幾何區(qū)域進(jìn)行相應(yīng)的變動(dòng)。在選擇優(yōu)化工具的過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該以實(shí)際的研究目的為主要參考。為了保證整個(gè)優(yōu)化過(guò)程的順利進(jìn)行，需要運(yùn)用同一種數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)對(duì)該過(guò)程的各個(gè)階段進(jìn)行處理。當(dāng)?shù)贸鰞?yōu)化分析結(jié)果之后，該結(jié)果可以被直接映射到參數(shù)流道模型中。隨著設(shè)計(jì)參數(shù)的不斷變化，優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，進(jìn)而促進(jìn)擠出模CAE/ CAD雙向集成的實(shí)現(xiàn)［5］。

3.結(jié)論

對(duì)于模具生產(chǎn)企業(yè)而言，擠出模設(shè)計(jì)質(zhì)量的提升能夠降低模具生產(chǎn)成本，使得模具生產(chǎn)企業(yè)獲得更多的經(jīng)濟(jì)利潤(rùn)，進(jìn)而促進(jìn)企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的提升。由于傳統(tǒng)的擠出模設(shè)計(jì)方法需要花費(fèi)的成本較高，因此可以通過(guò)塑料擠出流動(dòng)數(shù)值分析，結(jié)合流道三維參數(shù)化模型的建立，對(duì)模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行合理優(yōu)化。

［1］ 劉斌.塑料擠出流動(dòng)數(shù)值分析及其模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化研究［D］.大連理工大學(xué)，2003.

［2］ 秦升學(xué).異型材聚合物擠出與鋼塑共擠過(guò)程的有限元模擬關(guān)鍵技術(shù)及其機(jī)理研究［D］.山東大學(xué)，2006.

［3］ 趙丹陽(yáng).塑料異型材擠出成型過(guò)程數(shù)值模擬及其模具設(shè)計(jì)優(yōu)化［D］.大連理工大學(xué)，2007.

［4］ 劉斌，江開勇，上官寧.塑料擠出流動(dòng)數(shù)值分析及其模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化［J］.華僑大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，04：481-489.

［5］ 孫雪梅.復(fù)雜鋁合金型材擠壓過(guò)程數(shù)值建模與模具優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究［D］.山東大學(xué)，2014.

在塑料擠出成型過(guò)程中，擠出模設(shè)計(jì)質(zhì)量直接對(duì)模具成本、模具生產(chǎn)效率等多個(gè)方面產(chǎn)生影響。為了保證成型過(guò)程的順利進(jìn)行，對(duì)模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化具有一定的必要性。本文從擠出模設(shè)計(jì)理論入手，對(duì)塑料擠出流動(dòng)數(shù)值分析及其模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化進(jìn)行研究和分析。