计算机辅助设计（CAD）在双螺杆挤出机工艺设定的发展及应用.pdf

4 8 塑料工业 CHI NA PLAS TI CS I NDUSTRY 第 4 3卷第 1 0期 2 0 1 5年 1 O月 计算机辅助设计( C A D) 在双螺杆挤出机 工艺设定的发展及应用 方万漂 ，郑京连，周建武 ，彭建文 ( 中广核俊尔新材料有限公司，浙江 温州 3 2 5 0 1 1 ) 摘要：介绍不同计算机辅助设计 计算机辅助工程模拟软件 ( C A D C A E )在双螺杆挤出机工艺设定中的应用及发 展 ，通过软件模拟的数据，对实际生产过程具有指导意义。提出今后计算机模拟在双螺杆挤出工艺中应用与发展。 关键词 ：计算机模拟 ；C A D C A E ；双螺杆挤 出机 D OI ：1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 5 - 5 7 7 0 2 0 1 5 1 0 0 1 2 中图分类号：T Q 3 2 0 6 6 3 文献标识码：B 文章编号 ：1 0 0 5 5 7 7 0( 2 0 1 5 )1 0 0 0 4 8 0 3 T h e D e v e l o p me n t a n d A p p l i c a t i o n o f C o mp u t e r Ai d e d De s i g n ( C A D) i n S e t t i ng Twi n s c r e w Ex t r u de r Pr o c e s s F ANG Wa n p i a o ，Z HENG J i n g l i a n，Z HOU J i a n WU，P E NG J i a n - w e n ( C G N J u n e r N e w Ma t e r i a l s C o r p o r a t i o n ，We n z h o u 3 2 5 0 1 1 ，C h i n a ) Abs t r a c t：Th i s a r t i c l e i n t r o d uc e d t h e a p p l i c a t i o n a n d d e v e l o p me n t o f d i ffe r e n t c o mp u t e r a i d e d d e s i g n c o mp u t e r a i d e d e n g i n e e r i n g s i mu l a t i o n ( C A D C A E)s o ft w a r e i n s e t t i n g t w i n s c r e w e x t r u d e r p r o c e s s T h e s o ftwa r e s i mu l a t i o n d a t a we r e i n s t r u c t i v e i n t h e a c t u a l p r o d u c t i o n p r o c e s s T he a p p l i c a t i o n a n d de v e l o p me nt o f c o mp u t e r s i mu l a t i o n i n t h e t wi n s c r e w e x t ru s i o n p r o c e s s wa s p r o p o s e d Ke y wo r d s ： C o mp u t e r S i mu l a t i o n； C o mp u t e r Ai d e d De s i g n Co mp u t e r Ai d e d E n g i n e e r i n g ； T wi n s c r e w Ex t rud e r 双螺杆挤出机是 目前广泛使用的连续混合挤 出机 械，应用于食品加工 、聚合物生产和医药工业等。在 聚合物加工过程 中，聚合物配方经小试 、中试到放大 生产 ，中间存在诸多因素影响聚合物的生产加工和产 品性能。双螺杆挤出机加工工艺对聚合物生产效率和 产品性能有非常明显的影响。尤其是 向高品质化、高 性能化和低成本化方 向发展的工程塑料。为此 ，世界 各个公司推出具有指导意义的双螺杆挤出机螺杆组合 软件和双螺杆工艺模拟软件。 1 基于 A u t o C A D的双螺杆螺纹组合 A u t o d e s k是全球最大的二维平面设计 、三维建模 设计和工程应用软件公 司，旗 下典型的 A u t o C A D软 件是广泛应用于建筑设计 、平面设计和机械设计 。随 着 A u t o C A D软件的功能完善 ，其普及价值越来越高。 双螺杆挤出机最重要的机械参数为螺杆组合 ，不 同螺杆组合可以生产不同性能的工程塑料，因此，在 新配方要投人生产时，由于使用的试验机和生产机性 能的不同，往往需 要根据其性能要求 ，调整螺杆组 合 ，使其达到产品生产要求 。为了使螺杆组合表达更 为直观 ，以 A u t o C A D软件 为基础 的螺杆组合 图开始 使用 ，根据实测 的机筒 长度 ，下料 口大小 ，自然 排气 口位置，真空 口位置和强侧喂料位置等位置前后 关系。在调整螺杆组合时 ，可以有效避免 真空 口冒 料，下料口不吃料和玻璃纤维剪不断等问题，有效地 提高螺杆排列组合效 率。A u t o C A D作为全球 最先进 的绘图软件 ，其友好 的用户界面 ，简洁的交互菜单和 快捷的键盘指令 ，在实际的操作使用中，可以大大提 升技术员的使用效率。 2 基于 A NS YS F l u e n t 的螺纹元件模拟 A N S Y S软件是全球发展最快的计算机辅 助工程 ( C A E )软件 ，A N S Y S 公 司专业从事 C A E软件开发 ， 通过不断的收购 ，使 A N S Y S软件也成为了一款大型 通用有 限元分析软件 ，可与 目前大多数的计算机辅助 设计 ( C A D)软件接 口，实现交换 和共享 ，可大大 作者简介 ：方万漂，男，1 9 7 9年生，高级工程师，主要从事高分子材料的改性研究。w z f w o j u n e r e n 第 4 3卷第 1 0期 方万漂 ，等 ：计算机辅助设计( C A D )在 双螺杆挤出机工艺设定 的发展及应 用 4 9 提升工程师在不同软件转换 间的工作效率。 F l u e n t 软件是 国际上较为流行的商用 C F D软件 ， 在航空航天 、石油化工和机械制造等行业 ，广泛应用 流体 、化 学 反 应 和 热 传 递 等 过 程 。 由于 2 0 0 6年 A N S Y S公司收购 F l u e n t 公 司，因此 ，A N S Y S软件集 成 F l u e n t 软件 ，使 A N S Y S软件具备 了强大 的流体分 析和结构分析功能。 螺纹块作为双螺杆挤出机的重要元件 ，通过 A N - S Y S软件 的螺纹块模拟分析 ，可以获得螺纹块在挤 出 机中 的理想 运动 状态 2 J ，分 析物 料经 输送 、熔 融、 压缩 、塑化 、计量和挤出等过程所获得参数 ，有助于 调整实际生产的工艺参数 ，对节能减排和高效生产有 一 定的指导作用。 目前 ，基于输送块和剪切块 的理论 已经非常成熟 ，因此在此基础上可以设计新型特殊螺 纹块 ，通过 A N S Y S软件对特 殊螺纹 块 的模 拟分析 ， 可在实际生产 中投入使用 ，提升生产效率。 但现有的 A N S Y S软件只能模拟 双螺杆挤 出机 的 局部挤 出过程或单个螺纹块 ，并不能模拟双螺杆挤出 机全过程模 拟 ，A N S Y S软件更适用 于新 型螺纹块的 设计与模拟。 3 C P M 公司双螺杆模拟软件 C P M公司是全球领先 的初加工设备供应 商 ，集 团下设的 C P M挤 出集 团由 “ 美 国世纪挤 出公司” 和 “ 中国瑞亚挤出公 司”资源共享组成 ，拥有行业内完 整的双螺杆挤 出系统。通过与全球客户 的合作 ，在工 艺应用和生产线设计方面积累众多经验 ，也 因此开发 了 Wi n T X U 。M 螺 杆 组 合 管 理 软 件 和 Wi n T X S 。M 模 拟 软件。 3 1 Wi n T X U M 螺杆组合管理软件 Wi n T X U 螺杆组合管理软件 是一款基 于 C A D 二维 视 图研 发 的双 螺 杆组 合 绘 图管 理 软件 ，传 统 C A D软件在绘制螺杆 组合时 ，均先 经过 ( 1 )机 台 螺纹块测绘 ； ( 2 )创建各机 台、螺纹块 和机筒数据 库 ；( 3 )组合 、保存。在测绘 和创建数据库 的过程 中容易出现纰漏 ，为了方便员工操作 ，在文件输 出时 还需统计螺纹块数量。专业的螺杆组合软件相比传统 C A D所绘制的螺杆元件 ，它弥补 了 C AD螺杆组合 的 诸多不足 ，例如 ： ( 1 )丰富的标 准化 和特殊化 的螺 杆 、螺纹块和机筒视图； ( 2 )便 于管理 的用户数据 库系统 ；( 3 )各公 司主机机 台数据 ； ( 4 )螺纹块统 计数据打印及输出。Wi n T X U 软件用户界面直观友 好 、数据库丰富、特殊要求特殊化设计 以及螺杆管理 系统 ，适用于刚起步的公 司设计管理螺纹元件及螺杆 组合。 3 2 Wi n T XS TM模拟软件 Wi n T X S T M 是在 Wi n T X U T M 基础上改进的一款全局 模拟软件 ，Wi n T X U 。M 重在设计 和管 理双 螺杆组 合 ， 而 Wi n T X S 则是侧重于模拟实际 的生产情况。Wi n T X S T M 的螺杆设计 与 Wi n T X U T M 相 同，使 用的是一样 的绘图软件。在 螺杆组合设计 完成后 ，根据生产要 求 ，输入机头参数 、聚合物配方、加工温度等参数 ， 通过改变一些参数 ，可以获得不同配方在生产时的一 些相关数据 ，通过对 比模拟数据 ，可以有效地避免在 生产过程中可能出现的错误 。从而减少生产浪费 ，提 高工作效率。 4 日本制钢所双螺杆模 拟软 件 日本制钢所成立 于 1 9 0 7年 ，是一家生产特殊钢 材和产业机械的综合性制造公司 ，其特殊应用钢材和 塑料机械在世界市场 占有重要地位 ，且拥有 5 0年的 双螺杆挤 出经验 。凭借多年的挤出制造经验 ，设计了 特殊混炼 元件 T K D 以及专 业 的螺杆 管理 简化 软 件 T E X G E O 和 基 于 经 验 的 双 螺 杆 挤 出 模 拟 软 件 TEX FAN。 4 1 双螺杆组合管理软件 T E X- G E o T E X G E O是 J S W 制钢所的一款快速的双螺杆螺 纹块组合、螺杆管理的二维绘图软件 ， 使用拖拽式的 操作方式进行螺杆组合，操作简单，更换方便。用户 界面简单 ，绘 图区简洁明了 ，对使用的螺纹元件直接 显示其具体信息清单 ，如大小 、材质 、个数及位置等 信息 ，拥有简单示意图的同时提供 了文字约束 ，防止 了拆装螺杆导致的一些错误。对不同机型使用的螺杆 的管理更为清楚。且提供了特殊螺纹块 T K D的示意 图，在相同软件中，更具有竞争优势。 4 2 双螺杆模拟挤出软件 T E X F A N T E X - F A N是 J S W制钢所凭借多年积累的生产制 造经验所研发 的双螺杆模拟挤 出软 件_ 6 J ，该 软件具 有模拟物料在挤出过程 中的滞留时间、挤 出压力 、固 相 占有率 、熔体温 度等 曲线 ，利用 曲线改 善产 品质 量 ，例如 ：把握滞 留时 间防止物料 发黄。T E X F A N 可以模拟脱挥工艺 ，目前 J S W 制钢所在车用塑料 的 研究 较 多，拥 有专 业 的脱 挥工 艺 ，因此 使 用 T E X F A N软件模拟脱挥工艺是一般同类软件难以达到 的， 具有相对长远的使用意义 。 5 法国科学计算咨询公司 ( S C C)模拟软件 法国科学计算咨询公司 ( S C C )在材料成型和转 换行业具有一定知名度的公司，公 司与国立 巴黎高等 矿业学院材料成 型研究 中心 ( C E ME F ) 和法 国农业 5 0 塑料工业 2 0 1 5钲 科学研究 院 ( I N R A)联合开发 L u d o v i c 专 业同 向双 螺杆挤出仿真软件和 X i m e X一 三维混合和挤 出仿真软 件。两款软件在国外均有广泛 的使用。 5 1 L u d o v i c - 专业同向双螺杆挤 出仿真软件 L u d o v i c 是一款二维挤 出过程模 拟软件 ，具有设 计管理螺杆组合和机头组合功能 ，且对相应的螺杆组 合可直接进行模拟现实生产功能 ，得到可靠的用户数 据 ，广泛应 用 于 国内高校实 验研 究 4 J 。经 过论 证 ， 该软件模拟数据与实际生产相差较小 ，对实际生产具 有指导意义。但是 ，该软件仅有普通螺纹元件 ，用户 需与厂家合作定制才能获得特殊螺纹元件 ，在不断更 新的塑料机械中，高效能的特殊螺纹元件倍增，因 此 ，该软件具有一定的局限性和停滞性。比较适合老 工艺 的优化 使 用，并 不适 合新 型 工程 塑 料 的投 产 模拟。 5 2 X i me X一 三维混合和挤出仿真软件 X i m e X一 三维混合和挤 出仿 真软件是一款三维模 拟混合挤 出的仿真软件 ，其最大 的特色就是 三维化 ， 最大的功能为模拟混合。由于 目前大多数原料预混主 要为高搅锅和均混锅，通过使用 X i m e X的模拟，可 以用三维的立体显示方式，观察到原料的混合状态， 可 以从最根本的去解决产品缺陷与混料 的关系。其次 为双螺杆挤出的模拟 ，可以利用三维视图观察颗粒在 挤出机 中的混合效果 ，从而通过改变螺杆组合 ，获得 最佳混合均匀螺杆组合，避免了生产过程中的混合不 均匀问题，提高了生产效率。 6 总结与展望 综上所述 ，计算机辅助设计 模拟软件技术在双 螺杆挤 出过程 中拥有广泛应用，尤其是计算机辅助设 计技术在螺杆组合管理方面已经得到广泛的应用与开 发 ，但是 ，随着工业 4 0的发展 ，软件的智能化有待 提升 ，现有的软件仅停 留在应用阶段，在二次开发与 特殊化开发存在约束；而计算机模拟技术也停留在理 论模拟阶段 ，应付实际生产过程中的复杂情况 ，软件 还存在诸多不足与局限，获得 的理论理论数据仅有指 导意义 ，但也有效地减少了试验次数与实验数量 ，对 工作效率具有一定的提升作用。 基于 目前软件的诸多不足 ，随着软件的普及与发 展 ，各公司可利用多年的生产实践经验 ，研发适用于 自身发展的双螺杆管理与模拟软件 ，真正做到模拟即 使用。 参考文献 1 郭奕崇同向双螺杆几何设计计算机软件原理及功能分 析 J 塑料工业 ，2 0 0 3 ，3 1( 1 ) ：1 6 1 9 2 郭彤辉，王平基于 A N S Y S软件的双螺杆挤出机的计算 机模拟与分析 J 塑料科技，2 0 1 1 ，3 9( 9 ) ：7 8 8 2 3B A D U P A m e t h o d a n d s y s t e m f o r c o n fi g u ri n g a n d v i s u a l i z i n g a n e x t r u d e r ：WO，2 0 1 1 0 3 3 5 2 2 A 1 P 2 0 1 0 - 0 2 -2 4 4 郑泓同向啮合双螺杆挤 出机挤 出过程的计算机模拟 J 高分子学报，2