塑料異型材口模構(gòu)型要素對(duì)擠出形變的影響*

張廣冬，郝昕玉，袁鐵軍，宋樹(shù)權(quán)（鹽城工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇鹽城 224051）

塑料異型材口模構(gòu)型要素對(duì)擠出形變的影響*

張廣冬，郝昕玉，袁鐵軍，宋樹(shù)權(quán)
（鹽城工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇鹽城 224051）

塑料異型材的擠出脹大及其引起的不規(guī)則擠出形變，是異型材擠出制品尺寸控制的難點(diǎn)所在。針對(duì)此類問(wèn)題，采用有限元方法研究了典型異型材口模構(gòu)型要素如T型口模分支立臂位置、90°夾角L型口模過(guò)渡區(qū)域轉(zhuǎn)角、L型口模兩臂夾角等對(duì)擠出形變和模流平衡的影響。結(jié)果表明，隨T型口模分支立臂由擠出中心位置向右偏移，擠出后的型材擠出中心位置發(fā)生偏移，立臂頂端向右上變形，從而使得擠出形變加劇，需要在模具設(shè)計(jì)時(shí)將立臂頂端向擠出中心方向進(jìn)行補(bǔ)償。在90°夾角L型口模內(nèi)外轉(zhuǎn)角處設(shè)置過(guò)渡圓角，有助于模具出口處的模流平衡。L型異型材兩臂夾角在擠出后變大，且初始設(shè)計(jì)夾角為60°和90°時(shí)變化較大，需要根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)找出其初始設(shè)計(jì)夾角與擠出后的實(shí)際夾角對(duì)應(yīng)關(guān)系，以便在模具設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行參照。上述研究結(jié)果對(duì)逆向擠出問(wèn)題的求解、異型材擠出模具的設(shè)計(jì)和口模構(gòu)型的確定有著一定的參考意義。

擠出形變；口模構(gòu)型；模流平衡；逆向擠出

塑料異型材擠出成型以其生產(chǎn)連續(xù)性、制品截面一致性、生產(chǎn)效率高而著稱。塑料異型材的擠出脹大及其引起的不規(guī)則擠出形變，是其尺寸控制的難點(diǎn)所在。擠出形變是材料物性、工藝條件以及口模構(gòu)型等因素綜合影響的結(jié)果。材料物性以及工藝參數(shù)對(duì)擠出工藝的影響，突出表現(xiàn)在擠出模具對(duì)材料物性的敏感度以及工藝參數(shù)對(duì)于擠出模具使用穩(wěn)定性的影響方面。一個(gè)設(shè)計(jì)良好的擠出模具可以減少材料物性以及工藝參數(shù)的影響，并且使殘余應(yīng)力最小，從而獲得合格的制品外形、較好的尺寸精度及其穩(wěn)定性。

傳統(tǒng)的塑料異型材擠出模具設(shè)計(jì)主要采用試錯(cuò)法，需要經(jīng)歷設(shè)計(jì)、修改、再設(shè)計(jì)的反復(fù)迭代、不斷優(yōu)化的過(guò)程。其目標(biāo)是擠出口模出口處各區(qū)域的料流平衡［1-7］，評(píng)價(jià)指標(biāo)為模流平衡系數(shù)［8］，采用該方法可有效減小擠出形變，但并不能消除。實(shí)際上，在擠出模具設(shè)計(jì)過(guò)程中，擠出件輪廓一般是已知條件，而工程師最關(guān)注的是?？谳喞@其實(shí)是一個(gè)擠出形變的逆問(wèn)題，即逆向形變問(wèn)題［9］，其示意圖如圖1所示。

圖1　聚合物的擠出形變和逆向形變

大多數(shù)截面幾何形狀較為復(fù)雜的薄壁塑料異型材都可以分解成L型與T型的組合。在實(shí)際生產(chǎn)中，為了避免修模時(shí)不同區(qū)域的料流相互干擾，通常在模具內(nèi)采用分隔板對(duì)復(fù)雜截面進(jìn)行分割，以降低料流控制和試模修模的難度，提高模口料流速度的均勻性。因此可以采用L型與T型截面來(lái)分析擠出模具的口模構(gòu)型對(duì)擠出工藝的影響，探索復(fù)雜形面口模構(gòu)型對(duì)擠出工藝的影響。

筆者主要研究T型口模分支立臂位置、90°夾角L型口模過(guò)渡區(qū)域轉(zhuǎn)角以及L型口模兩臂夾角大小變化對(duì)擠出形變以及模流平衡系數(shù)的影響。從而為塑料異型材逆向形變問(wèn)題的解決及其擠出模具設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

采用的原材料［10］為德國(guó)拜耳公司生產(chǎn)的牌號(hào)為3103的聚碳酸酯（PC），通過(guò)流變學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)定在定溫下的PC剪切流動(dòng)曲線，并選擇Bird-Carreau本構(gòu)模型方程，如式（1）所示。

式中：η——黏度，Pa·s；

η∞——無(wú)窮剪切速率黏度，Pa·s；

ηO——零剪切速率黏度，Pa·s；

λ——時(shí)間常數(shù)，s；

n——無(wú)量綱的冪指數(shù)。

使用軟件ANSYS POLYFLOW中的POLYMAT模塊對(duì)流變實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合可得到PC的Bird-Carreau本構(gòu)模型參數(shù)值如下： ηO=7.07×102Pa·s；η∞=0 Pa·s； λ=2.43×10-2s； n=0.426 4。

1　T型口模分支立臂位置變化的影響分析

以厚度相同（均為2.5 mm）的T型口模截面組合為研究對(duì)象，如圖2所示，研究其分支處的立臂位置變化對(duì)擠出形變的影響。假定平直段的入口料流充分發(fā)展，忽略壓縮段的影響。T型口模的截面形狀如圖2所示，分支立臂由型材擠出中心位置向右偏移，直到最右端，共7個(gè)位置，其距擠出中心位置的距離稱為偏距，分別為0，5，10，15，20，25，28.75 mm。擠出口模截面積均為221.875 mm2，口模成型段（平直段）長(zhǎng)度設(shè)為10 mm，自由面長(zhǎng)度為50 mm，其有限元模型如圖3所示。

圖2　T型材立臂位置變化示意圖

圖3　T型材有限元模型

根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，入口流量設(shè)為1 506 mm3/s，其為充分發(fā)展流，牽引速度為22 mm/s，壁面無(wú)滑移。由數(shù)值模擬可得T型口模不同立臂位置對(duì)擠出件外形的影響。結(jié)果如圖4所示。

圖4　T型口模立臂位置變化對(duì)擠出物外形對(duì)比

由圖4可以看出，隨著偏距的增加，擠出物的畸變?cè)絹?lái)越嚴(yán)重。以偏距為0和15 mm的T型口模為例，分析T型口模立臂位置變化對(duì)擠出物各點(diǎn)形變的影響，如圖5所示。對(duì)于這兩種等厚截面的T型組合，由于其截面厚度一致，其模流平衡系數(shù)相差不大。可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)偏距為0時(shí)，T型截面左右對(duì)稱，擠出中心在對(duì)稱面上，A，B兩點(diǎn)的擠出形變對(duì)稱。當(dāng)立臂偏距為15 mm時(shí)，擠出中心O點(diǎn)發(fā)生偏移，A點(diǎn)沿OA向左下角發(fā)生形變，B點(diǎn)沿OB向右下角發(fā)生形變，立臂上端C點(diǎn)沿OC向右上角發(fā)生形變，A，B，C三點(diǎn)形變不一致導(dǎo)致擠出件外形發(fā)生畸變。因此，在T型材擠出模具設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)注意立臂位置變化產(chǎn)生的影響，進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償，特別是對(duì)立臂上C點(diǎn)沿著CO方向進(jìn)行補(bǔ)償，以保證擠出型材的外形和尺寸精度，避免在定型模中發(fā)生強(qiáng)制冷卻定型，進(jìn)而避免產(chǎn)生應(yīng)力集中問(wèn)題和使用過(guò)程的變形問(wèn)題。

圖5　T型口模立臂位置變化對(duì)擠出物各點(diǎn)形變的影響

2　90°夾角L型口模過(guò)渡區(qū)域轉(zhuǎn)角的影響分析

擠出異型材外轉(zhuǎn)角由口模陰角形成，內(nèi)轉(zhuǎn)角由芯棒陽(yáng)角形成。在擠出過(guò)程中，尖銳轉(zhuǎn)角處易出現(xiàn)“架橋”現(xiàn)象和應(yīng)力集中問(wèn)題。因此在異型材擠出制品設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在不影響功能實(shí)現(xiàn)的前提下在轉(zhuǎn)角處設(shè)置過(guò)渡圓角，使得擠出型材在所有截面上都有著均勻的壁厚以及實(shí)現(xiàn)模流平衡。為此，分析了等截面厚度（H）的90°夾角L型口模外轉(zhuǎn)角和內(nèi)轉(zhuǎn)角對(duì)模流平衡系數(shù)的影響。外轉(zhuǎn)角的圓角半徑為R1，內(nèi)轉(zhuǎn)角的圓角半徑為R2，單位均為mm。

如圖6所示，采取3種轉(zhuǎn)角方案來(lái)分析其對(duì)模流平衡系數(shù)的影響。

假定平直段的入口料流充分發(fā)展，忽略壓縮段的影響。設(shè)模具成型段長(zhǎng)度20 mm，自由面長(zhǎng)度40 mm，其入口流量均為1 506 mm3/s，充分發(fā)展流；牽引速度為22 mm/s；壁面無(wú)滑移。通過(guò)數(shù)值計(jì)算可得到不同轉(zhuǎn)角方案對(duì)模流平衡系數(shù)的影響，結(jié)果如表1所示。

圖6　夾角L型口模不同轉(zhuǎn)角方案示意圖

表1　不同轉(zhuǎn)角方案對(duì)模流平衡系數(shù)的影響

由表1可知，對(duì)于方案I，當(dāng)不存在外轉(zhuǎn)圓角和內(nèi)轉(zhuǎn)圓角時(shí)，隨著截面厚度的增加，模流平衡系數(shù)也有一定程度的增大。這是因?yàn)殡S著厚度的增加，過(guò)渡區(qū)域在整個(gè)截面所占的比例增大，且過(guò)渡區(qū)域是整個(gè)截面的高速中心。對(duì)于方案II，只存在外轉(zhuǎn)圓角R1時(shí)，模流平衡得到了一定程度的改善，這是過(guò)渡區(qū)域的壁厚與其它兩臂的壁厚一致的緣故。而且當(dāng)壁厚增加后，相對(duì)于方案I，采用方案II的L型異型材模流平衡系數(shù)的減小幅度增加，表明模流平衡得到較大程度的改善，這可能是因?yàn)楫?dāng)壁厚較大時(shí)，外轉(zhuǎn)圓角對(duì)模流平衡的影響較大的緣故。對(duì)于方案III，模流平衡也得到了一定程度的改善。相對(duì)于方案II，采用方案III的壁厚為2 mm的L型異型材模流平衡系數(shù)減小幅度較大，表明其模流平衡改善較大，這可能是因?yàn)楸诤褫^小時(shí)，內(nèi)轉(zhuǎn)圓角對(duì)模流平衡的影響較大的緣故。

以壁厚為2 mm時(shí)的L型口模為例，研究過(guò)渡區(qū)域轉(zhuǎn)角對(duì)流動(dòng)的影響，結(jié)果如圖7所示。

圖7　L型口模出口的速度分布

如圖7所示，圖7a中高速區(qū)域主要集中在過(guò)渡區(qū)域，而且最高流速為37.897 mm/s，與L型兩臂有著較大的速度差；圖7b中由于外轉(zhuǎn)圓角R1的存在，過(guò)渡區(qū)域的截面厚度與L型的兩臂相等，故而高速區(qū)域料流分布有所均衡，最高流速也有所降低，速度分布均勻性有所提高，但是在整個(gè)截面中的比重仍然不夠大；圖7c中外轉(zhuǎn)圓角R1和內(nèi)轉(zhuǎn)圓角R2均存在，高速區(qū)域分布在L型異型材的幾何中心線上，這使得速度分布明顯改善，這從模流平衡系數(shù)的變化中也可以看出。因此在90°夾角L型異型材擠出成型中，過(guò)渡區(qū)域的轉(zhuǎn)角對(duì)模流平衡的影響較大，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能在此處采用內(nèi)外圓角過(guò)渡，以保證出口料流平衡。

3　L型口模兩臂夾角的影響分析

L型口模兩臂夾角的幾何模型如圖8所示，L型兩臂尺寸均為2 mm×8 mm，夾角為α，過(guò)渡區(qū)域?yàn)? mm的圓弧，與兩臂相切，圓弧角度為180°-α。由于在非90°兩臂夾角的情況下，同時(shí)帶有內(nèi)轉(zhuǎn)圓角和外轉(zhuǎn)圓角的L型異型材模流平衡系數(shù)與僅有外轉(zhuǎn)圓角的相差不大，因此為了計(jì)算方便，僅對(duì)帶有外轉(zhuǎn)圓角的情況進(jìn)行研究。假定平直段的入口料流充分發(fā)展，忽略壓縮段的影響。成型段設(shè)為10 mm，自由面長(zhǎng)度設(shè)為40 mm。α分別取30°，60°，90°，120°，150°。入口流量均為600 mm3/s，牽引速度為22 mm/s，壁面無(wú)滑移。

圖8　L型口模兩臂夾角幾何模型

通過(guò)數(shù)值計(jì)算可知，擠出型材的夾角較擠出口模的夾角均有所增大。以?shī)A角為60°的L型異型材口模為例，其擠出的型材兩頭的脹大比較小，中部脹大比較大，故實(shí)際夾角有所增大，如圖9所示。

圖9　夾角為60°的L型異型材的擠出口模和擠出型材對(duì)比

表2為不同初始設(shè)計(jì)夾角的L型異型材在擠出后的實(shí)際夾角及其模流平衡系數(shù)變化情況，表中Δ α為擠出后的實(shí)際夾角與初始設(shè)計(jì)夾角的差值。

表2　不同初始設(shè)計(jì)夾角的L型異型材在擠出后的實(shí)際夾角及其模流平衡系數(shù)變化情況

如表2所示，擠出后異型材的實(shí)際夾角都有所增大。隨著初始設(shè)計(jì)夾角的增大，擠出后異型材的實(shí)際夾角變化呈先增大后減小的趨勢(shì)，而模流平衡系數(shù)呈先減小后增大的趨勢(shì)，但模流平衡系數(shù)之間的差異相對(duì)較小。初始夾角在60°和90°時(shí)，擠出前后的夾角變化較大。在實(shí)際生產(chǎn)中，為了得到期望的夾角，例如90°的L型異型材，則口模初始設(shè)計(jì)夾角設(shè)為55°左右比較適宜。對(duì)于截面較為復(fù)雜的擠出件，夾角的變化可能更加復(fù)雜，這就需要在設(shè)計(jì)和試模階段根據(jù)實(shí)際情況加以調(diào)整，以得到期望的夾角大小。

4　結(jié)論

（1）隨著T型口模分支立臂由擠出中心向右偏移，擠出后的型材擠出中心發(fā)生偏移，立臂頂端向右上變形，導(dǎo)致擠出型材變形嚴(yán)重，在擠出口模設(shè)計(jì)中應(yīng)將立臂頂端向擠出中心方向補(bǔ)償。

（2）對(duì)于90°夾角L型異型材而言，設(shè)計(jì)時(shí)在轉(zhuǎn)角處采用內(nèi)外圓角過(guò)渡，有助于擠出模具出口處的料流平衡和減小擠出形變。

（3） L型異型材兩臂夾角在擠出后變大，且初始設(shè)計(jì)夾角為60°和90°時(shí)變化幅度較大。需要根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)找出其口模初始設(shè)計(jì)夾角與擠出后的實(shí)際夾角的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以便在模具設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行參照。

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Influences of Die Structure Configuration Elements of Plastic Profile on Extrusion Deformation

Zhang Guangdong， Hao Xinyu， Yuan Tiejun， Song Shuquan
（School of Mechanical Engineering， Yancheng Institute of Technology， Yancheng 224051， China）

According to the problems that the extrusion profile size is difficult to control because of the extrusion swell and its irregular extrusion deformation，finite element method was used to analyze the influences of the typical die structure configuration elements such as the branch vertical arm position of the T profile die，the transition fillet of the L profile die with 90° angle and the angle of the two arms of the L profile on the extrusion deformation and mold-flow equilibrium. The results show that offset to the right of the branch vertical arm from extrusion center can cause the offset of the extrusion center，leading to a upper right direction deformation of the vertical arm top，which intensifies the extrusion deformation and needs to compensate the vertical arm top towards the direction of extrusion center during the die design. The transition fillet is set in the internal and external angles of transition region of the L type die with 90° angle can be helpful to the mold-flow equilibrium at the die exit. The angle of the two arms of L type die becomes larger after extrusion，and the changes are bigger when the initial design angle is 60° and 90°，so the corresponding relationship between the initial design angle and the actual angle after extrusion needs to be found according to the relevant experiments，which can provide reference in the mould design process. This studying results have a certain reference value for the solution of the inverse extrusion problems，design of the profile extrusion die and determination of the die structure configuration.

extrusion deformation；die structure configuration；mold-flow equilibrium；inverse extrusion

TQ320.66+3，TP391.9

A

1001-3539（2016）08-0083-05

10.3969/j.issn.1001-3539.2016.08.018

*江蘇省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目（BY2015057-22）

聯(lián)系人：張廣冬，講師，主要從事CAD/CAM技術(shù)，材料成型與控制研究

2016-05-10