门窗用PVC-U异型材高性能挤塑模口模流道设计

1、门窗用PVCU异型材高性能挤塑模口模流道设计中国船舶重工集团第716研究所周密摘要：从门窗用PVCU异型材制品截面设计、原料配方、挤出设备和模具设计的关系入手，探讨了高性能PVCU异型材口模流道设计的原理及技巧。关键词：PVCU异型材；口模流道；树脂；熔体高性能挤塑口模是指能够利用混配的PVCU物料，并充分发挥挤出设备潜力，最终以高效率、低能耗地获取出料均匀、塑化良好的型胚的挤塑口模。其流道设计受制品截面、原料配方、挤出设备等诸多因素的影响。1口模流道设计前的技术准备1.1考察制品截面的合理性优秀的截面设计是成功设计挤塑模的先决条件。由于PVC树脂具有熔融粘度大、加工温度范围窄、成型困难等特点

2、，为改善挤塑制品成型工艺性，其截面设计应满足以下条件：(1外壁厚(外应尽量均匀。因制品功能需要而设计的加强筋(加数量不宜过多，其壁厚取值范围参见式(1：1.1外/加1.6(1(2避免制品有交叉重叠(图1； 图1(3中空制品的中空部分不能过小；(4在可能的情况下，截面最好对称设计。1.2掌握选定配方的流动特性纯PVCU树脂是一种热稳定性、抗冲击性以及机械加工性皆较差的符合假塑性流体流动规律的聚合物，其物理化学性能的优化靠多种助剂的合理添加而获取。按不同配方混配的PVCU原料在相同异型流道中流动状态的不一致性，决定了挤塑模对配方的依赖性。在模具设计前，可使用流变仪测定按选定配方混配的原料的流动参数

3、(n值和值，以便流道设计时的理论计算。1.3考查挤出机工作能力挤出机的最大塑化能力Q额、螺杆能承受的最大扭矩和口模阻力决定了指定异型制品的最大挤出速度及实际产量Q实。工程计算可参见公式(2：Q实=0.550.75Q额(2 K：口模阻力系数(K1K2K3n：螺杆转速(n1n2n3图2挤出机口模工作特性曲线如图2所示，随挤出压力(口模背压的升高，口模出料能力提高，但由于背压的升高将造成螺杆输送能力的降低(漏流和倒流量增加，挤出机产量明显降低。因此，要实现高效率挤出，必须使设计的口模和挤出机的工作能力匹配良好，以便充分发挥挤出机的潜力。显然，螺杆特性曲线与口模特性曲线的交点即为挤出机口模的最佳工作点

4、。若n 1为螺杆的最低工作转速，n3为螺杆的最高工作转速，则阴影部分为挤出机口模的最佳工作区域，也就是说口模的设计压力范围应为P1P3。2口模流道设计2.1口模的作用(1将熔体的螺旋运动转化为直线运动，并保证流动稳定；(2高剪切场内对熔体进行良好的二次塑化；(3提供必要的成型压力，保证制品密实； (4获取所需要的型胚形状，且型坯各点挤离口模时流速均匀一致。2.2口模流道设计理论基础及基本原理由于PVC熔体的高粘度，其在加工过程中很少出现扰动。为简化流道设计，以下假设在工程应用中是切实可行的：(a熔体在狭缝和圆管中的流动为稳定层流(见图3；(b熔体不可压缩；(c流动过程为等温流动；(d熔体在流通

5、壁上速度为零；(e熔体粘度不随时间变化1。 图3流体在狭缝中的速度和应力分布异型材断面和PVC熔体流动的复杂性决定了异型口模流道设计的高难度。由于流体内部粘滞力和缝壁摩擦力的存在，熔体沿圆管或狭缝的流动会引起压力降和速度的变化。同时，流道本身截面形状和尺寸的变化也会引起熔体压力、流速分布和流量的变化，使得在工程设计中要得到流动的准确的流变学和热力学规律是非常困难的。通过大量实践证明，将异型流道根据几何形状划分为特征一致的单元(一般为狭缝流道和圆形流道进行类比分析，是成功设计流道系统的有效手段。而要获取均匀的口模出料，需要确保熔体流经各单元流道的时间一致。要做到这一点，应把握的原则是：若各单元流

6、道长度一致，则物料流经它们的压力降也应一致，反之亦然。在工程应用中，口模流道设计一般采用流线型长流道结构。2.3口模道流实例2.3.1定型段长度L的确定定型段长度 L 的确定见经验公式(3：L=35-45h (3注：h为口模间隙 图4制品截面图1.定型板1；2.定型板2；3.定型板3；4.压缩板；5.分流板1；6.分流板2；7.连接头图5口模流道示意图2.3.2定型段出口型腔尺寸的确定由于熔体离模膨胀(巴拉斯效应、型胚收缩(冷却收缩和牵引收缩及工艺条件波动的共同影响，致使口模间隙h、型腔尺寸不可能与制品壁厚和尺寸等同，具体计算方法参见下表： 制品尺寸ABCH口模尺寸1.031.05A1.031

7、.05B1.061.1C0.9H2.3.3压缩比i和压缩角的确定压缩比即分流区最大过流截面(通常取压缩段入口过流截面和口模出口过流截面之比，数值取i=38。由于熔体通过压缩段时不但受到强剪切而且受到延伸，伸张应力沿流动方向逐渐增大，当伸张应力超过临界值，即发生熔体破裂现象，因此压缩角不宜过大。又由于过小的压缩角不宜消除因芯模支撑筋造成的熔接痕，根据大量工程实践，压缩角应取20°30°。 2.3.4定型段的流道简化和分区如图6，设计限流筋将狭缝流道划分为a、b、c、d四个单元，既限制了流道交汇引起的流动紊乱，又使得分别对各单元进行压力降计算成为可能。 图6定型段狭缝流道分区非

8、牛顿流体在狭缝流道中的压降：P=2n+1(n+2QLn/(KWhn+21/n非牛顿流体在等圆截面流道中的压降：P=(2Ln(n+3Q/(KRn+31/n2式中：K：流动度(K=1/W ：狭缝宽度Q ：流量h ：狭缝缝高n ：流动常数R ：圆截面半径可见，在稳定的挤出工艺条件下，通过调整各单元L和h值，可保证熔体流经各单元的压力损耗一致，即Pa=Pb=Pc=Pd2.3.5分流段的流道简化和分区 图7分流段型腔示意图如图7，将分流段流道划分为、四个几何形状一致的单元。显然，只要四区的工艺条件相同，就可保证熔体流经四区的压力损耗一致，即P=P=P=P2.3.6发散段的简化处理型芯尾锥和连接头型腔的复

9、杂结构，使得熔体通过该部分表现出复杂的二维流动，要对熔体的流动行为进行科学、准确的理论计算是非常困难的。通过大量的工程实践，以下措施是切实可行的：(1在保证扩张角60°、头部倒圆R3的前提下，尾锥尽量短：(2减小入口角，增大发散段型腔长度L4。由于尾锥在连接头的“大空间”流道中占的体积很小，因而尾锥对流经发散区的熔体的影响也相对减小。可以认定，熔体各细小单元在发散段的压力损耗是趋于一致的。3设计校正当各单元流体流经流道的长度误差大于10%时，可通过加限流筋或阻尼块调整流道阻力进行平衡。4结论(1合理的截面设计是成功进行流道设计的先决条件；(2对异型材口模流道设计，应采用流线型的长流道结构，使熔体各单元流经口模的流程尽量接近；(