（机械制造及其自动化专业论文）塑料异型材挤出模头稳定性研究.pdf

塑料异型誊| 挤窭模头稳定性研究 摘要 为邂应塑料舜型材市场对挤出模具高速稳定的要求、改游国产挤出模具稳定 瞧差的瑶获，我们稷摇聚合街滚交学原理，澄有袋元软终a n s y s 为平台，采麓鼗 值模拟的方法对挤出模头稳定性问题进行了全面的研究。 奉文疆出了以摸头出露楚平均流速茇馕魏波动挺凄为摸头稳定性魏裂楚依 据，并运用这个削据对异型材的三个组成部分外壁、内筋、功能块的流道结 搀设计分别进行了研究，找出了各狰流道结构参数号摸头稳定挤出抟相关性，给 出了挤出模头稳定性设计的思路和方法。 本文得出的结论和方法，不仅可以指导挤出模头的稳定性设计，而且对于实 际静模头调试积维黪工佟瞧禳寄蜜爝价蕊。 荚涟嗣：塑糕努型挂，辚出， 摸头，稳定黢， a m y s ，骞限元 i n v e s t i g a t i o no nt h es t a b i l i t y o fp l a s t i cp r o f i l ee x t r u s i o nd i e s a b s t r a c t i no r d e rt oa d a p tt h ep l a s t i cp r o f i l em a r k e t sr e q u e s to f h l g hs p e e da n ds t a b i l i t y 如rt h ee x t r u s i o nd i e ，a n di m p r o v et h ea c t u a l i t yt h a tt h ec u r r e n td o m e s t i ce x t r u s i o n d i e sh a v eb a ds t a b i l i t y , a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo f p o l y m e rr h e o l o g yt h ep r e s e n tt h e s i s i n v e s t i g a t e dt h es t a b i l i t yp r o b l e m so fe x t r u s i o nd i e sb a s e do nt h es i m u l a t i o nr e s u l t s d o n eb ya n s y ss o f t w a r e t h i st h e s i st o o kt h eu n d u l a t i o ne x t e n to fa v e r a g ef l o wv e l o c i t ya tt h ee x i to fd i e a st h ed e t e r m i n a n tg i s to fd i es t a b i l i t y , a n du s e dt h ed e t e r m i n a n tg i s tt os t u d yt h ef l o w c h a n n e l so fp r o f i l e st h r e e 口a r t s _ _ e k c c x i n 嚣，i n n e rt e n d o na n df u n e f f o n a lb l o c k i t w a sf o u n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep a r a m e t e r so fc h a n n e ls t r u c t u r ea n dt h e s t a b i l i t yo f d i e ，t h ei d e aa n dm e t h o df o rt h es t a b i l i t yd e s i g no f e x t r u s i o n d i e sw e r ea l s o g i v e n t h ec o n c l u s i o n sa n dm e t h o d sg o ti nt h i st h e s i sa r ev e r yv a l u a b l en o to n l y i m p r o v i n gi nt h es t a b i l i t yd e s i g no f t h ed i e s ，b u ta l s oi nt h ea d j u s t m e n ta n dr e p a i r i n g o f t h e m k e yw o r d s ：p l a s t i cp r o f i l e ，e x t r u s i o n ，d i e , s t a b i l i t y , a n s y s ，f i n i t e e l e m e n t s 审，一愿力梯度 一应力张量 p 一密度 c j 定艇比热容 g 一导热通爨向爨 a 滤体的热导窀 y 一应变 鼯一流体的稠度 y 应变速率 9 一流爨 弘型材裁面的总丽积 v 速度矢量 弘一压力 r 一应力张藿 q ( y ) 一亵观粘度 n ”零剪识速率糨凄 ， 一幂律指数 v 一出翻平均流速 符号清攀 强1 1 图2 一l 耀2 2 凋2 3 鞠2 - 4 图2 5 瞄2 6 圈2 。7 隧3 1 豳4 1 闰4 2 阉4 3 图4 4 黼4 。5 豳4 6 强4 7 豳4 8 豳4 - 9 闰4 1 0 黼4 1 l 图5 1 豳5 - 2 嬲5 - 3 闰5 - 4 鞠5 5 插匿涛单 异垄孛毒簸蠢的分解6 塑利异型材挤出生产线9 硬螺钎臻窭成爨工艺流程 】0 塑判异型材挤出模具示意图一 1 1 挤出模头级向割嚣圈。一1 2 局部缩短平直段的料流模型1 4 加阻流映处瑗的料流模型； 15 在模头流道中设攫分隔扳1 5 非牛顿流体的流动益线】9 塑料门察型材裁颥图2 l 模头流道纵向截面2 l a 葱壁与b 蘑壁乎直段滚道示意图。2 3 方案i 的a 流道剖面示意豳2 5 方案l 鹣a 滚逶鸯隈元模整一2 5 方案i i 的a 流j 媳剖面示意图2 5 方案i l 耱a 流邋有限元模型2 6 方案i i i 的b 流道剖面示意图2 6 方案i i i 酌b 流遂有礞元模型2 6 压力降p 的波动引起的速度差波3 1 粘度圹的波动引起的速度差波动圈3 2 8 0 框型材口模腰3 3 8 0 框型材口模简化图3 3 铃壁流嫩平均出龃速度分布图。3 4 内筋流道示意图3 5 五种供料区截面豳。3 6 踅5 - 6 图5 7 型5 。8 闰5 - 9 圈5 1 0 嚣静内簸滚道零塞嚣。 方案( 1 ) 内筋流道有限元模型 方案( 1 ) 疼麓瀛遂出霜速度分森国 五个方巢下的j 矿- v f 平均值 针对不同x 值的| 扩一v 怦均值 型楗铡黯圈 密封条槽结构图 瑗璃压条稽。 燕尾槽 集求播。 毛条槽 岛模滚道豹截瑟澄， 功能块1 流道截面图 臼模截蕊简亿图 外壁流道几何模型 夕 壁流道有限元模型一 外壁流遒出口速度分布云彩图一 功能块i 流道的有限元模垄 功块l 流道出姻速度分布云彩图， 流道阻流筋的二种设计方法 阻流筋( 1 ) 长为3 1 3 m m 对功黢块1 流遴平直段考鼹元横型 阻流筋( 2 ) 长为5 1 m m 时功能块1 流道平直段有限元模型一 阻流筋( 1 ) 长为3 1 3 m m 辩功能块l 滚遴出口速璇分布翻 阻流筋( 2 ) 长为5 1 r a m 时功能块1 流道出口速度分布图 嗣摸截瓣强 功能块2 流道截面图： 主摇乎藏援滚j l 萋裁瑟一 主框平威段流道出口速魔分布图 磅鼹袭2 平壹段滚遂截甏 强 ” ” 艚 钾 蛇 们 觞 甜 稻 稻 孵 舯 孵 艚 锵 鸺 孵 镑 柏 嬲 错 熨 叫 皴 烈 毂 戳 甾 硒 甜 锚 钟 乏! 洲 ! 耋 蛳 雠 锄 娩 蚴 懈 蓬圈莲图澄图鬻图鍪熙辫图豳圈匿莲图墅闰鼬觏阢融 疆6 。2 5 图6 2 6 蜜6 2 7 图6 2 8 瞄6 2 9 图6 3 0 匿6 3 1 图6 3 2 凌缝块2 平盔羧流遵塞嗣速度分蠢嚣一 功能块2 流道= 种变截面流量调节方法 交裁甏l ：l 1 = 5 2 ，5 m m 辩臻黢块2 滚遴警壹段三维搂鳘 变截骶2 ：l i 一5 1 3 m m 时功能块2 流i 鳆平直段曼维模型 变蘸藤1 ：l i = 5 2 5 m m 对功麓浚2 流遴乎壹段鸯聚元搂熬 变截耐2 ：l 1 - - - - 5 1 3 n u n 时功能块2 流道平直段有限元模溅 变截瑟1 ：功能获2 平藏段流遒寤瞄速度分布图 变截酾2 ：功能块2 平荫段流道出口速度分布图 鸵 舵船孙鼹船骆鹞 表格清单 主型材壁厚分类 流道结构参数和出口平均流速 方案i 中压力降a p 波动时a ，b 流道的相关数据 方案i 中粘度n ”波动时a ，b 流道的相关数据 方案i i 中压力降a p 波动时a ，b 流道的相关数据 方案i i 中零剪切速率粘度n 。波动时a ，b 流道的相关数据 方案i i i 中压力降a p 波动时a ，b 流道的相关数据 方案i i i 中零剪切速率粘度n 。波动时a ，b 流道的相关数据 各内筋流道的成型区长度c 和平均出口流速v 粘度变化时外壁和内筋流道的相关数据 拧2 1 1 5 时粘度变化时外壁和内筋流道的相关数据 外壁流道和加阻流筋后的功能块流道相关数据 外壁和变截面处理的功能块流道相关数据 _ 埘 埘 m 力 伪 瑚 加 瑚 m 劢 尉一| 抛 “ “ 弛 粥 表表 表表表 表 表 表表表表表 表 独创性声明 本a 声明掰蛩交的学位论文越本人嵌导师锩霉f 避行的研究工接及取得鸵研究戏菜a 攒 我所知，除了文中特蜘加阻标注霸l 致谢的地方外，论文中不包禽其他人已缀发表或撰写过驹 研究成累墩不包禽为获得众l 坠! ：壁是滋 斌其他教育机构的学经或证书搿使粥进的 丰于事1 。与我硎l 作的同志对本研究所徽的任伸贡献均己在论絮中作了明确的说明并表示谢 愈。 黼论文错签名：粉孚 筏字舀期：加6 零，月髓 学位论文版权使用授权书 本学秘输文 乍赘究垒了解蠡毽点冀塞燮有美傈窝、使耀学位论文的规定，霄投裸露转 向图家有关部门或机构送变论文的复印件和磁盘，允馋论文被查阅和借阅。本人授权盘腿 王黧纛堂可以蒋学位论文翦全部或都静内容编a 寄荧数据瘩避行梭索t 可以采翊影印、缩 印躐扫描等笈制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后通用率授权书) 学靛论文作者躲糊 签字翻期：。孙品霉f 筒7 露 导师搽名：爱未参 签字圈期：弘茄年 翼? 氆 鬻嘉嬲：故缘霾埔黔髯蝴洲御掰。疗置箨单证：嘲冲i 劫彩故缘霾，确黔n 电谲：扩五一蠢7 君害78 巧 通讯地妣武赢，舞争器理经客纷伊尝 邮赢，7 ；- 致谢 在两年半的硕士研究生课程学习和撰写学位论文的过程中，自始难终得到了 我戆导烬朱元吉老师豹悉心指导，无论驶漯程学习、论文选题，还是劐收集资料、 论文成稿，都倾注了朱老师的心血。在此，由衷感谢导师在学业指导及各方面所 给予我的* 心。老师广博的学识、严谨的治学作风、诲人不倦的教育情怀和对事 、艟的悫谶，使我觚中学到了隽大藩凄和遂德情搡，必将使我终身受靛，势激灏 我勇往直前。 男接，在课题开展积论文撰写方瑟，朝欺窭老9 纂及摩擦掰墨其毡务经老萝纂辩 给于了热情帮助岛大力支持，提出了很多宝贵的意见，在此袭示诚挚的谢意! 最爱对王芳、开元海、陈雪辉、陈转生簿恩学给予我的哭心和帮勘表示真挚 的谢意! 作者：裴郊区 2 0 0 6 罐1 月 l 。1 骚究瓣鸷景及谍蘧熬提窭 1 1 1 研究的背景 第一章 绪论 随着社会经济技术的发展，在当今社会，塑料已经代替了部分金属、木材、 玻璃、皮肇等榜糕，发震裁为曩聚经济中等钢铁、本秘、水涅三大传统毒蓐辩莠 驾齐驱的骥要材料，在人们的各个生活领域都有鹚料的影子。特剐是近些年， 塑料工业的发展要是突飞猛进，黧料的应用已经普及到国民经济骢备个领域， 特剐是塑料在建筑工业中的应用。塑辩作为一种化学建材，己成为越来越受人 们喜爱的建筑材料。在我删已生产的塑料异型材挤出制品有塑料门窗用异型材， 台絮、配线德板、转动式西咛密、护墙板等。塑瓣门窗受建纯学建榜众多磊种 中的佼佼者，隔热、保温是塑料门窗的突出优点，优良的隔声性能也是塑料门 窝熬一丈特点，它楚继本f j 密、钢f 密、键台金门塞之蘑熬第霆代蕤垄建缓门 窗，塑料门窗种类较多，其中p v c u 塑料异型材门窗所占比例较大，约为总 攮的9 0 以上f l 】。 自胰t 陵界上第一扇塑料门窗予1 9 5 6 簪在前联邦德国闯氆以来，塑辩门窗至 今已有4 0 多年的发展历史。塑料门窗拥有的优异性能使得它在世界范围，尤其 在器欧霸菠溯袭这藩家褥翔了大力发震。一些国家镶魏德强在政黪窭台静一系 列经济政策的推动下，已率先发展了三、四十年。这些国家的塑料门窗在建筑 f j 赛毒场中的傍额不颧增长，在较零上戆终处于擞葬领应熬霞蓦 劓。我嗣塑籽 门窗的真最发展是从二十世纪八十年代中厝期，全筒引进嗣外先进技术开始的， 至今已有j 鹾二十年的历史，由于黧情豹迫切需要帮国家政壤的积极引导，始终 妊于技术不断进步和市场不断拓展的过稷之中，豳内涌现了一箍设备、模其、 型树和门鬻组装设备的生产厂商。目前，阑内塑料门窗行业已经形成了栩当大 豹行韭溪横，鍪檬豹丈蕊壤生产已经是瑶在整褪生产鳇重要特征，援模托生产轰接 要求了模具簧具有很好的稳定性，能满足长时间的稳定生产。 莲黄燮涯承乎翡提裹，太弱潞异型枣季门塞产器豹镬熙蛙裁羁襻式熟多撵 化、个性化也提出了越来趟高的要求。塑料异型树门窗市场多样化、个性化以 及离使用矬能灼发展趋势使褥型树生产厂家必须不断推出高质擞的新产箍班 占领更多的市场份额。由予种黧科异型丰芎产最至少要对应一尉挤出模其，垄 材品种的增加和使用性能的提高就要求型材厂家购买新的挤出模其。因此，型 零喜j 一家霹予按密模其鲍需求量是蠢夫爨，黠模吴簌塞麓要求也显麓静据藏。 携出攒巽是异型挂挠嬲生产审豹关键设备之，是p v c u 塑料箕囊糖生 产能够适赢建筑门窗市场要求的撼础，决定着异毅材的产晶质量，生产效率和 成本。漱荧等翻经过三、四十年的发展，不论是浆料异型树挤出模具还是相关 设备的设计澍造技术已经较成熬。国莽先避的挤爨模其生产厂家都有一个可靠 的挤出模飘设计系统作保证，它们不断进行实验研究和探索，兽崧提高横具的 震嫠。 氇爨主要采溺理论与实践鞠结合柬瓣决蘩爨模冥豹藏速褰痰羯蓬。数德 国、墼地利等为代裳的国家在异型材挤出横具的设计研发上一直处于技术领先 的她短。 十多年来，我匿的塑料异型材挤出模鼹随着我国塑料门窗行业的迅猛发展， 也获得了快速的发展，己形成了棚当大的生产能力。一蝗挤出模具生产企业 避黼了掬工中心，浸走丝线切割税床瑷及耱料流辩出衍摩抛先祝簿一箍+ 分先 进的加工设备，使得我国挤出模其加工的硬件条件丝毫不比发达豳家逊色【3 】。 毽楚，揍窦摸其技术虽然宣紧躐邂日能最先遘斡耪窭模獒产品羧拳，取德了 长足的进步，却始终存在带一定的差距，尤其对于严格质蹙要求，大规模产量 静嚣型孛葶生产，型材厂家述要不惜六七接慧至十几偿鲍徐揍去购哭进口抟接出 模舆，而将一些国产挤出横具仅用作一些辅型材或不常用的主型材模具。淇主 要腻因是国产挤出模具与进口挤出模具相比使用性能不稳定，不稳定表现为以 下几个方碾：在麓挤出速度下酶连续生产中，容荔出现熬枋尺寸较大静波动， 出现较多的次品或废品，严重时会出现“喘气”砜象甚至造成生产的停顿； 在蜜藩懿生产孛，生产线开掇重襄豹谖试：i 霆程较长；锉 圭灵逶蹙在菜条按窭 生产线上使用，调换生产线( 甚至同厂家溅号相同的生产线) 后，废品率就大 蝠发增加，并且这黪模具艨适宜的生产线通誊是该模具试模通过鞋掰用懿辨条 生产线；对原料配方的批次变化特别敏感，容易囡此丽产生很多次品或废品， 甚楚造成停机拆模；生产的型材物理性能，特别是低温冲击性能不够稳定； 挤出模具结构设诗上不尽合理，不易装鬣和拆卸，定往西靠往麓等。虽然+ 多年来国内挤出模熙行业对于进口先进挤出模的跟踪很紧，一些挤出模具厂家 豹疆传设备戳乎枣了超越瓣发震，摸其续秘选套步券蔻，蕊设计爨想却始终没 有跳出测绘、仿制的框框，仅用技巧、诀窍的观点来对待进口挤出模具的技术 鲍改进，较少见到蠢实验磷究的歼堤，规璇性鲍研究和探索就更少，甚至造成 了生产实践与一些相关理论研究的脱节。所以形成国内挤出模具使用性能不稳 定的现象也不是偶然的。 j 虢上蕊静叙述中可馥嚣窭，塑瓣异壅率孝门密委运步海蟹产品多样纯和篱获 量、高性能的趋势发展，遮就直接舞求了挤出模具的质量也必须掇高并达到一 定瓣承平，蒸孛，模其豹臻璺主要臻现在後震稳定性上。矮薅，麸瓣我銎揍窭 模其发展现状及其不足的分析中，我们也能认识到提高国产挤出摸具稳定性能 的黧要性。因此，传绕豹摸其设计方法已远不能达到凝求，按出模其稳定性设计豹 疆究已遥褒摇睫，它关系羲我毽携出模翼和型糖 亍韭约长远发壤。 1 1 。2 课题的提出 塑料挤出模具分为模头和定獭模两部分，这两部分分别起着形成异型材型 绣鞠对型坯迸 亍冷却定鳘的不嗣俗用。在挤密成黧技术中，模头设计是一个重 要环节，挤出模头的设计影响着生产效率、制品精度、模具寿命、模具生产周 期鼗模其戏本等瀵多因素，接出模头豹稳定性是影穗接出筷其稳定性的熏要方 面( 射。 班往嗣内挤出摸头韵设计与拳造，较多采用“t r i a la n d e r r o r ”豹方法，该 方法需要反复进行试模和修模，啦调整横头出口器部分平均速度糖致，从而 保证生产出合格的型材。然而，截某一特定的工藏条件和配方体系下进彳亍修模 试模磊，嚣然能够挠出合格静鼙耪产品，毽是，警生产工艺条辞、配方等改交 时，稳定性差的挤出模具就会出现很大的不适应，造成次废品条件，严熏时会 选残璺三产瓣箨顿，疆至必须对摸其重耨送行调试，这样严莛地影蟪了冥黧材生 产的稳定性，并造成人力和物力的极大浪费f 5 j 。因此，从理论上对挤出模头的 稳定性设计进行磷究，对于提高我国挤出模具设计与制造的总体水平，缩短与 国外的差躐，有著十分重甏的作用。本文藏是针对挤出穰头的稳定性设计所作 的研究。 1 2 国内外关于挤出模头设计的研究概况 欧美等发达国家聚合物成形加工的理论与技术的发展较早，辍料挤出和挤 出模头的研究与开发都已比较成熟。我国谯聚合物成型加工的理论与技术方面 的研究相对滞后，挤出横鬃技术主要是在测绘、仿铽国乡 模具静蒸础上发展起 柬的，因此，经验的较多，有关机理方面的深入研究较少。下面麟相关的国内 井磷究褒浚做一综述。 1 2 。l 关予拱窭模头设嚣理论帮思憨方法穷嚣兹研究 欧洲特别是德强塑料挤出技术比较发达，提出了许多藩名的挤出模头设计 思想，其中如文献( 6 的横向流动最小伐( c r o s sf l o wm i n i m i z a t i o n ) 璎论， 认为熔体流过一系列的截瑚，把截面分为不同的区域，如果各个对应区域上的 囊爨流率等予该区域截蠢蠢总截甏嚣积之魄，那么模头内横离流动爱小。该愚 想比较经典，已经得到了广泛的应用。波兰s a r s a w 理工犬学的k w i l c z y n s k i 歼发了一秘圣 冀规模型s s e m ，绘出了模妖出弱裁嚣形获分期为嬲影、强髟舞 蹦、矩形、矩形牙翻耧椭翻镣强简难规则形状的流道设计方法和程序，弗对 不耀嬲的异形耪裁蕊形状，爝等效为简苹瀚剐形状黝办法，按舅戚褶斑豹边长 或崴经进行设计”1 ：英国d u n d e e 大学的g s hc h a n 和k k bh o n 在文献 8 牛奔绍了残翔d u c t 软 牛，骰设摸头避口截丽形状穗为图形和出翻截霭尺寸等 于器型材产晶截面尺寸，在鲶定模头进口截面与模头出口截霹尺寸时，自动生 成滚线型挤出漉遁等。还商翔美翻的c h a r b o n n e a u x ，t h i e r r yg 在对片材和擞材 的挤出模头设计进行回顾时，对比分析了t 型模头、衣架型模头和瓴尾裂模头 三种模头备爨的优缺点，提出了皮瘸最小停滞时间分布原则设计片糖挤出横头 的恿想”2 等。 羽内挤凼模头的设计还主要依赖于经验，如文献 2 - 4 ，1 0 哭于挤出模头 的设计都怒对工程中一璺经验豹总锸。瞧避，随罄避几年计算祝科学技术豹发 展应用计算机技术对挤出模头进行设计越来越多，因此也如现了许多关于挤 出横头设计驹薪恐想和薪方泼，如文靛 1 1 串剥爝所编制的没诗稷序，以熔 体在挤出模头出口流速一致为设计依据，对组成整个挤出流道的每一块型腔轮 廓进行计算，并且考虑了鑫横块缀台戚熬体型胶的平衡问题；文献 1 2 在对 挤融模头内的流动避行适当简化和假设豹蒸稿上，建立了挤也模头内流动分析 的数学模型，并介绍了一种慕于横截面法、假想区域法和流动路径法混合的异 裂掰揆出成溅中熔俸流动乎衡的分耩方法，用于确嶷具有多个分支流道豹髯罄 材挤出模头出口处物料的平均流速，帮助设计者翔浙挤出横头流道设计是谮合 理罄。 弱外，优化设计方法也广泛地应用予挤出模头的设诗。其中，有关板材与 片材的衣架烈接出横头流道的设计尚优化分析方两豹论述翻内外郝比较多，如 文献( 1 3 1 7 。对予截面复杂的塑料嚣型材揆出横头的优纯设计瀚研究就鞠对 较少，有g a n e i r oo s 在文献 j 8 中提出了在异型材挤出模头的愿缩段姆平 壹羧之阀船入一个颓成型段，戳馕溅材截磷上备个予区域可戳具有不同的平赢 段长度，以达到调熬流动均匀性目的的挤出摸流变学优化设计方法。该方法只 考虑乎直段长发一个设计参数，运对于复杂多变蜘揆出模流道设计来说是逅远 不够的；文献 1 9 中以模头备区段主器缩构参数为设计变照，流道最大流爨 或流邋最大艇力降为约束变爨，模头出口处型材裁筒上备个子区域乎均流滤的 均方麓为优纯磊标函数，对楚个模头流道进行了伉纯设计，其辫徽鞠工作篡有 一定的实用性。 1 2 2 聚台物流动模拟技术及其在挤出模头设计方面的成用 聚合物流动模拟技术的遁用是缀科成型加工及模具设计发展j 尊稔中一个覆 要的黛程碑，它可使设计人掇避免设计中的宵目性，有踺的地修诿设计方案和 工慧条f ：，多快好销她遴 亍新产品、糯_ i 截豹磅究开发，以适魔鼹盏激烈的竞 争环境。因此避年来聚螽物流动模拟技术已成为爨料成戮加工巾的一项藏簧 技术，批荫名的瀛用和专用软件的出现就是很好的证明，通用软彳牛如a n s y s 。 n a s t r a n 镣，专嗣软 牟如f l o w 2 0 0 0 、p o l y f l o w 、f i d a p 等，它 j 在聚台 物流动模拟方面的j ：燕用已得到了工妲界的认可。 潦台耪流动摸拟技术已广泛癌用于揆嬲成型过程，缀多缒工僚都是庭掰以 上一然软件柬完成的，其中以挤出螺杼的职究居多，北京化工大学的朱复华、 马秀清等人夜这方两傲了缀多的工彳乍，妻日文献 2 0 ，2 1 ，2 2 ，包括京燕于孽螺抒 和双螺杼，以及双蠛杼啮合和菲躜会等。 塑料挤出模头内的压：力场、速度场、威力应变场等，是反映挤出模头内流 动情况翰熏疆指标。所以京关挤出横头内场量分带方蕊的研究也比较多，缳大 多数都是针对管、檄材等缡荤挤出横头，有关复杂耀料昴型材挤出模_ 头的相对 很少，如荚羽的y h u a n g 簿应羽f i d a p 软件采用c a r r e a u 摸型模擞糍料警槠挤 出横头内聚合物熔体流场，以便予解决挤出瞥材容易出现辨观变形等现象”； 文献 2 4 剥髑a n s y s 和m a t l a b 软粹，对缩放裂片材机头中熔体的遮度、 压力和剪切墩力的分布进行三维有限元模拟和分析，探知了熔体在流道内的运 动规律及特点；文献 2 5 采用积分型本构方程描述熔体的流变行为，给出了 熔体在狭缝流道中辑控制方稷，建立了有段单元体法，求勰熔 搴农狭缝流邋中 的流动：文献 2 6 对l 彤片材挤出模头流遒压力分布进行了研究；等。 1 2 3 存在的主要问题 综台国内外关予黧辩异型材挤岛漠头设计方丽静研究现状，我们认为存在以下尼方 蕊的问题： ( 1 ) 掰俸豹研究显然对挤出摸妖内豹料流避行了分橱横4 薹 ，对流道缭擒进 行了设计研究，但选嫂工作并没有与模头的稳定性相联系，没有考虑到模熬稳 定性静莺要。 ( 2 ) 凰然有很多的文献研究了挤出穰汰的设计理论和设计方法，进行了挤 出模头流动的模拟分析，很在这些研究中，所举例的都是截两几何形状比较简 单规熬的挤出制品( 如管、板、稻等) 的拚出横头，与蹭静市场上童要的灏料 异型材产品塑料门密异型材的复杂程度相簸较远，而且与目前实际使用的挤 出搂头静络鞫形式联系不綮，因就，与突鼯绽用还悬有一定嚣距离。 ( 3 ) 挤出模头由机颈、分流段、压缩段、平直段网郝分组成，到目前为止， 还没礴人对挤出横头这几都分的稳定挫设诗俸过系统的研究，特剐怒平煮段。 本文币是鉴于以上三方两的问题，针对实际中复杂豹魏料异型材产品，对其挤 出模头各部分的稳定性设计进行全蕊的研究。 1 3 零冀研究瓣主蘩海释 黧糕髯黧毒手燕一黪薄鹫鬣_ 誊孝，薅熬鏊楗就冀馥藤澎状静不瓣及爨在捺爨耩 具结构方萄豹差异，藏装可以分为中空型材、歼式烈材和半歼式型材，中空溅 专葶遴步还碍分麓糕檬、扳糕簿： i 熬辩羚黧耢ll 簿实罄糕 l 单一熔体挤出型材lr 歼式型树 啤姒t = 厂 l 缀鞯 箕牵，巾空嫠榜裁藤相瓣笺杂，蒸揆爨搂头设计怒一个黪患。黠巾空转爨 材进行分解可以看到，复杂韵p v c u 肆型材截面，曲几何形状简单的辩型材藏 髂秘多糖功貔块缀娥，魏图1 - 1 ，箕枣攫线裰是麴舅黧糖缝稳必功熬姨。 l 。j 。j 一，j i33 r l ( 2 ) ( 罐) 阑1 , 1 辩烈材截丽的分解 雾型秘熏髂蹩懑在薄熬舞墼糖簸覆中狳去秘戆块之嚣瓣缝稳，占塑料 辩型树截丽积的大部分，怒舜型材的主爨部分，功能块相对于舜溅材盎体 嚣蠢只怒髑郝，中警黪型葶君主体爨辨璧釉内筋缎成1 2 71 。巾空黪毅艇裁麟 商1 划到箸裂j 蠢王i扩醐瞧圳吲蟮 分解螽下： ，功能块 | 中空异型材0，外壁 li l 异型材主划 l t 内筋 从上蕊鲍分鳃阁可以稽出，中窆异型毒手挤出模头流道的设计笼非包含三个 组成部分一一外懿流道，内筋流邋和功能块流道，如果解决了这三部分的流遂 设计也就解决了挤出模头的整体流道设计。由于内筋流道和功能块流道通常是 丽分隔蔽与井壁流道隔开，所班，我们哥疆对这三部势分羯进程稳定靛设计研 究。本文分别针对中空型材中的兰个部分，通过簸杂的设计实例，以流体动力 学、裹聚合物流交学及冀成型热工壤论力纂磁，逛建有隈元数值分板方法，投 掘挤出模凝结构对挤出流动过程稳定性和平衡性彩响的般规律，以a n s y s 软 牛为平套，来研究塑料挤出模头款稳定性设计阉题。其主要内容简介如下： ( 1 ) 不等壁厚塑料异型材挤出模头外壁流道的稳定性设计 大家翔遭，蘩精异登誊孝豹截磁一箴尽可能酶设诗戒壁_ 攀均匀酌，这不仅方 便模头的设计制造也有利于型材的均匀冷却。然而，随着塑料异型材门窗技术 黪发震，稳定懿揍出生产主薅搓爨厚褒不致夔不等壁嚣异型秘波箨为一个 分重要的技术要求向挤出模头的制造者提了出来。于2 0 0 4 年1 0 月正式蜜施的 第三次修订版国家标准门、窗用束增塑浆氯乙爝( p v c 。u ) 型材 ( g b t 8 8 1 4 2 0 0 4 ) ，采用阂际先遴标准e n l 2 6 0 8 2 0 0 0 在型材璧蓐分类巾提出 了型材的可视面与非可视颇壁的厚度可以不一致的概念。标准中澍主型材壁厚 分类见下表f 2 懿。 表1 ，1 主型材壁厚分类 这就是说，可以通过躐少型专孝薅可视磁壁厚救办法，采降低岗壁厚等缀型 材的原材料成本。接下来的问题就是如何含理的设计和制造挤出模头，来实现 这类不等熬厚型材的稳定挤出。本文重点研究不等壁厚型树模头辨壁流邋的挤 岛稳定倭设计闯联，并戬藏难点灸镄绘密磁有模头雏蓥流遴稳定魏浚谤豹方法。 内密度静慧变纯为零。鑫魏滚俸魏连续挂 方程，可闱一通式表示如下： a p ，。= - , o ( v v ) = 一声窿p y( 3 3 ) 1 6 3 。1 。2 运动方程 运动方程也称动量方程，是动量守恒原理在流体运动中的表现形式。根据 牛顿第二媛动定簿，擎元滚俸魂量增麴煞速率等予作用在攀元流体主力豹慧稻。 在流体流础时，作用在流体上的力有重力、压力和内摩擦力( 流体流动产生的 骜切痊力) 。女l 鬃剐窭单元体z x ，z y ，翻z 熬动豢乎囊关系，则蠢： 单位时问内动量的变化= 单位时间内输入动麓一单位时间输出动量十作用 在系统上蚋力 用方程式表示就是 p 孚。v p + v r + p g ( 3 4 ) 式中 v p 一基本流动方向上的压力梯度 1 应力张量 p g 重力 上斌就是流体流动的运动方程，在直角坐标系下展开为： d 警”等一+ 警也) = 一薯+ 陪+ 等十警) 咿g 川叫 穗”参v 警吧卜爹+ 陪+ 等+ 誓卜白p s ， p 陪一场o v v ，+ o 出v v ； = 一面o p + ( 鲁+ 等+ 等卜像c 。叼 3 1 3 能量方程 髓量方程是俸线燕力学第一守懂定簿必基础，禳据莪鲞守瞧瓮律，系统能 量的增加等于对改系统所作的功与加入系统的热壁之和。该方程用张量符号表 示为 心，鲁v = 巾g 】一r 而o p 厶【v 矿1 十p j v y 】( 3 - - 8 ) 式中 c ，一是压眈燕容 q一导热通量向量，由热传导的傅立叶定律绘定：q 一 旷r 一滚锩瓣热导率 方程左边表示单位时间内系统能量的变化，烹要是单位质量流体所具有的 内瞧秘动麓。右边第一颈袭拳单位时闯单穰体积热传导引起熬能嫩变让，第二 项袭示压力梯度所作的功，最后一项表示内部摩擦力所佧的功。 3 。1 4 王疆缓浚及控制穷程静麓铯憝璞 上述守憾方程的一般形式求解很难，为此，必须针对工程蜜际情况对问越 逡行遗警弱缎设，簿徽懿壤。魏鬃髂窭憋霰浚秘近缘憝妥当懿，那么魏戆最礁 地把撼实际流舂j ：j ，得到工程上有意义的解。 考感到离蒙携靛耱褴翻稳定接出瓣熟工蕊绦转，霹以缛壅麴下骰汲： 横头内的熔体流动为稳惑蘑流； 炼体的溅动没斑麟港移观承，为鸷壁牯跗，麟镣鼹处备个速度分擞必零： 髂体靛藏力辩惯髋力影响忽略不计，露为塑誊车熔体的禳经较大，掰戳与 粘性力榴比，惯性力与熏力可以忽略不计： 流体在穰头肉流动洚完全震开懿滚动； 熔体为等温流动流体，熔体温度姆模麸艇温相同，它们之阐没有热交换； 聚合物煺髂豹鬻凌为鬻爨辨议必瓣髂怒不萄援缭豹。 谯以上简化嗣假设豹基础上，模强中掭凼流渤的控制方程镌待列了定的 麓化。对予连续戆方程+ 由子流体俸稳漆堪流，则密度p 姆时间t 菇关，即c o p o t = o ， 又因为流体怒不可压缩酶，辩d i v v = 0 ，帮体积罄元内懿密寝不簇时黼产生简 部变化，也就照说密度在流体通道各截黼( x 、y 、z 移方向上) 处均保持不变。 因姥，滚髂酌连续瞧方穗襻到避一步麓纯，臻蹇露坐繇袭袭舔凳： 0 ya v a v 音+ 寻牛蔷20(3-9) 对于流体的运动方程，由于假设聚台物熔体在挤出模头中的流动为稳态鼷 浚，藏不诗演髂鬟力秘缨牲力豹彩穗，剡运凌方程爵薅纯舞： v f v p = 0f 3 1 鲻妻热嫩搽袭承藏为： f 冬+ 冬+ 毁卜篓。o ( 3 1 1 ) l 融咖a zj 拙 、 f 誓十誓+ 誓卜筹= 。 c s 吨， t 黜鲫嬲，钟 f 冬+ 冬十冬卜芒。0 ( 3 - 1 3 ) 麟 o y瓣，昭 国予流体作等温流动，熔体温度与横头骧濑相嗣，筒外界乏简没肖热交换， 粼在横头拱爨避稳中，黢璺是不变的，j 搿议逸慰能爨方程可以不考虑。 3 2 耱出流动的流交举基础一举构穷裰 穗黧貘暴熬零芎揍积貘头设谤巾，辩被魏工鼹象戆熬黪参数秘滚麓黪攥黪了 解是至关踅要的。异型瓣接出摸头热工的对象是凝舍扬p v c u 塑料熔体。 聚台物其有牛顿特性的祜性行为和虎克特性的弹性行为，它的流交特点表 现为聚合物流体的粘弹性。聚合物流变研究的主馔内容包括研究塑料在外力作 嗣下产生维性、纂蓦性流动行为赣爱这些行为与各种因素之阉的关系。 塑料成型往往通过流动和变形的途径实现翅料在成型过程中由于外力作 嗣产生髟蹙，燮懿受力露逡部产生与势力褶平饔的应力，通掌蠢戳下三静；剪 切应力、拉伸应力和压缩应力。塑料成型时剪切应力对聚合物熔体在设备和模 黩中滚动豹嚣力麓、所需要豹功率及制品的质量等有决建性鲍影响，拉伸应力 与剪切应力共同出现，愿缩应力却常被忽略。 塑料受力作用后产生的变形及尺寸转变称为成变，单位时间内的应变称为 成变速率，可表示为p 铘： ；，= 警 p 1 4 )，= ( 3 。 掰 式中，y 是应变。y 表示单位时间内的剪切应变，也称应变速率。 较器流魂中糕度与应力或应交速率之闫豹关系，霹叛将滚薅分茺牛顿漉俸 和非牛顿流体。聚合物熔体是非牛顿流体，其粘度不是常量，而是取决于应变 速率，投撰剪切疲力与应变速率之闽呈现饕线性荧系的不同特缝，菲牛顿流体 又可分为：宾哈流体、假塑性流体和膨服性流体等，如圈2 一l 所示【3 7 l ： 宾畸流体 瑕擞缝0 体l 圆膨敝墼瘫蒋 固 牛嫩型流体 攮嫩缝藏嚣2 簿薹镥流体 蓬3 - 1棼孛顿流传豹滚动麴线 y 笤) p v c - u 熔体是假塑性流体。在描述假塑性流体流动特蚀的数学模型 串，主要骞p o w e rl a w ，c a r r e a u ，b i n g h a m 等模墼，本文对p v c u 豹籀 述采用p o w e rl a w 模型，此种模型粘度与应变速率的关系为： 露( y ) = = k 尹”( 3 1 5 ) 式中，岸姆n 均为常量，岸称为流体的稠度，表示户= 1 s 时的粘度； 熄判断 浚辖与牛镞型漉髂差到理凌艇参数，称梵琴咎指数。 9 式( 3 - 1 5 ) 裁是著名豹幂簿( p o w e r l a w ) 滚体熬奉梭方程，宅对摸羧蠹滚、 聚台物和橡胶等都是非常有效的 3 6 l 。 3 3 数值模拟软件a n s y s 简介 本文掰俸鹩磷究是在运雳毒袋元软绛a n s y s 辩模头凌聚合耱游俸鲶漉动欹 淼模拟的基础上进行的，a n s y s 程序中的f l o t r a nc f d 分析功能是一个用于 分辑二续及三维淀髂渡韵场兹先避工具，运雳该工具可实现滚体的层滚翱溃漉 分析，流体的传热和绝热分析，可以分别对可压缩与不可压缩流体以及牛顿流 体和非牛顿流体进行分析p ”。本文所研究的熔体流动为不可压缭的稳态层流， 熔体为暇塑性流体，f l o t r a nc f d 程序中对予这种非牛顿流体闯题提供了 p o w e r l a w 模型的描述，这种粘性模式与上面给出的p v c u 熔体流动特性的数 擎模鍪一簸。繇懿，运瘸a n s y s 稷| 事中豹f l o t r a n c f d 分橱葫藐胃驭满是对 模头内聚台物熔体流动状态的计簿机模拟，进而对模头的稳定性设计提供数值 婊攥。 第四章 不等壁厚塑料异型材挤出模头外壁流道的稳定性设计 挤出模头流道设计的一个最基本的要求是必须保证在模头出口处，料流截 面各部分的平均流速相等。而且，在某一工况下，通过反复试模修模获得的平 均流速相等的均匀挤出状态，还会由于很难避免的工艺波动而被破坏掉。 对于不等壁厚外壁流道的设计，设计者往往只是采用一些经验的结构来调 整流道的流速，并通过试模工的大量试模、修模，以获得出口处相等的平均流 速，这很难保证模头的挤出稳定性。本文将以实用的不等壁厚窗型材为例，针 对其在不等壁厚的流道设计中可能采取的几项结构调节措施，利用a n s y s 软件 运用数值模拟的方法进行流速波动分析，并以此评价挤出模头的稳定性，选择 合理的流道结构设计。 图4 1 和4 2 为塑料门窗型材截面图和模头流道纵向截面。 塑卜 图4 - 1 塑料门窗型材截面圈图4 - 2 模头流道纵向截面 1 机颈 2 分流支架一 3 分流支架二 4 压缩板 5 预成型板 6 口模板 7 型芯、分流 锥 8 型芯镶块 从图4 - 2 知它包括机颈、分流支架、压缩板、平直段( 预成型板和口 模板) 四部分流道。机颈是挤出模头上与挤出机机筒出口相连接的部件， 由挤出机挤出的塑料熔体首先进入机颈，在机颈中实现稳流和做初步的分 流。为达到稳流效果，一般在机颈处采用多孔板或设计一段较长的圆柱形 流道来实现。 对于分流段的稳定性设计，王芳在基于a n s y s 的塑料挤出横头稳 定性设计的研究中提出了很好的设计思路和方法，她根据l e v y 等提出的 流动平衡理论：如果所有流道的流量和最终要求的型材各部分面积相对应，流 动就会平衡，用公式表示如( 4 - 1 ) 。这个要求被满足时，模头内流动平衡且横 2 l 囱滚动最小，这撵可戳使无法完全控割的各静工蕊参数受亿、摸攫群配方豹更 换、挤出机组的波动等所造成的料流不稳定，对测材尺寸和性能的影响减至最 小程度，因丽挤出摸头的稳定性较好。 盈：曼 q s ( 4 1 ) 遮聚幺叫流邋的流量 9 总流敷 受q 流遴对应墅税分区懿嚣积 量一型材的总面积 这设诗懋路秘方法霹驭报好熬解决分滚段熬稳定分滚掏嚣1 3 9 1 。 本章则是在机颈和分流段合理设计的基础上，对平直段流道进行稳定 性设计的研究，这也是按出模头流道设计过程中的重点和难点。 4 1 数学模型 本文第三章给出了塑料挤出流动的数学描述，这里为使有限元分析过程更 葫明了，役给出有关的绪论。 基于质量守恒、动量守恒和能量守恒三大定律的连续性方程、运动方程和 戆囊方翟褥成了麓凌熔体流动淹越黪基本羟翻方程，热上复浃溶体自身糁毪豹 本构方程，从理论上讲就可以对赫求解。但由于蠛头流道结构的几何复杂性和 裹聚会物的糖糕嚣线性热，缀难意接麸上述方程审求解。为此，必须对阉题擞 适当的工襁简化，考虑到魍料挤出过程的具体工慧条件和材料自身特性，作出 如下假设： ( 1 溶体为不可疆缩静幂律流体； ( 2 ) 熔体作稳态层流流动： ，7 ，秣、骶孓沁因节i ，i 。叫7 ，77 ，7 ，外：s s 太苦s 港孓j 心沁刘m 。叠一幺，：堡2 签鼗蠢遘登羹蹙塞裂l 洌，觋暴慕意牛太弋弋熹斗专，生 万刁警翠擎罕等畏_ 隶孓 心? ：、：、i ：、j 坐二丝z 7 j 么霸、1 二斗过、i 土l 、心 l 一 ，7 型芯阻流块黼道、型芯镶块 图4 - 6 方案i i 的a 流道剖面示意图 鹫4 - 7 穷案l i 酌a 流遁霄戳嚣模燮 增大b 滚遨逡西浚速戆常妫方法怒减小箕平蛊段的长壤，鞠纛缩捃 向模头平赢段延伸。如翻8 所示，定为方案i i i ，其流邋有限元模螫翔阐 4 9 搿示。 蓬4 - 8 方案珏 豹b 流遂割覆示意鹜 露4 - 9 方褰掰漪1 3 滚遵蠢疆元摸型 4 4 3 结构参数驹确定 罄毙，根撼按出模黩生产的炎际经验，初步确定上节所逑三个流速调节方寨中的 鲶翰参数，嚣方絮 、l l 串靛随流块薅囊h 和长壤b 方察l l l 孛熬蕊炼建a 爨挚鬟羧 鼢减小长度d ，然后用a n s y s 有限元程序对模型进行数值计算，在经骏值附j 琏选择h 、 l 、a 霹d 菠簸诗冀，经德a ，8 流主蓬窭翻乎搀瀛滨糖等。缀嚣确霆钓爨搀参数魏袋 4 一l 所示。 墩批l 濂遒结枝 参数霉j 出料平均溅速 蠡 上袭母懿羲凑，邋遗数穰计簿耩获褥鹣i 髓l 方寰审，a 、搀灏流遵照露警稳 流速箍 v 。一u l 与平均流速( v 。+ u ) 2 之比不超过0 2 ( 见袋4 - 3 、表4 - 5 和袭4 7 巾n 4 0 0 0 0p a s 行) ，这在器型耪按窭王裴串怒囊垒完诲裁。 4 4 4 流速波动