作者：華僑大學(xué)模具技術(shù)研究中心 劉斌    來源：《現(xiàn)代模具》 4w3V!K8  
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在擠出成型技術(shù)中，模頭設(shè)計(jì)是其中一個(gè)重要環(huán)節(jié)，擠出模頭的設(shè)計(jì)影響著生產(chǎn)效率、制品精度、模具壽命、模具生產(chǎn)周期和模具成本等諸多因素，因而研究擠出模頭設(shè)計(jì)尤為重要。塑料異型材擠出成型過程非常復(fù)雜，是一個(gè)連續(xù)的模塑成型過程，涉及到高分子材料熔體流變學(xué)、熱力學(xué)、摩擦學(xué)、機(jī)械學(xué)等多種學(xué)科，加之?dāng)D出異型材截面復(fù)雜多變，因而擠出模的設(shè)計(jì)相對(duì)于其它塑料成型模具的設(shè)計(jì)更為困難。 0B!mEg  
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1.擠出模設(shè)計(jì)理論和思想方面的研究 cl9;2D"Zm!  
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歐洲特別是德國(guó)是塑料門窗異型材的發(fā)祥地，塑料擠出技術(shù)和理論也比較發(fā)達(dá)，許多擠出模的設(shè)計(jì)思想都源于此。文獻(xiàn)[1]提出了著名的橫向流動(dòng)最小化（Cross Flows Minimized）原則。認(rèn)為熔體流過一系列的截面，把截面再分為不同的小段，通過調(diào)整截面形狀尺寸，使截面上各個(gè)區(qū)域上的質(zhì)量流率成比例，其比例大小為該截面區(qū)域占截面總面積之比。該思想比較經(jīng)典，與擠出模機(jī)頸段建模方法中的面積測(cè)繪法有異曲同工之妙。 d/-0B<ts  
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文獻(xiàn)[2]進(jìn)一步發(fā)展了這種思想，總結(jié)了調(diào)節(jié)流動(dòng)平衡的方法和數(shù)值分析的三種途徑，討論了橫截面計(jì)算和單獨(dú)流動(dòng)對(duì)擠出流動(dòng)的影響。 ?!Th-Cc&m  
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波蘭Sarsaw 理工大學(xué)的K.Wilczynski在《A computer model for a polymer single-screw extrusion》中提出了一個(gè)針對(duì)單螺桿擠出成型過程的計(jì)算機(jī)模型SSEM。SSEM能模擬擠出成型的全過程，可根據(jù)給定的工藝參數(shù)預(yù)測(cè)流動(dòng)特性。在實(shí)驗(yàn)中對(duì)其設(shè)計(jì)及模擬的正確性進(jìn)行了檢驗(yàn)，試驗(yàn)對(duì)比顯示模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相差4%～10%，其設(shè)計(jì)具有較高的可信度。 N5I W@?4  
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英國(guó)Dundee大學(xué)的G S H Chan和K K B Hon在《Integration of computing techniques for plastics extrusion die design》中介紹了他們應(yīng)用DUCT軟件根據(jù)給定的模頭進(jìn)口截面與模頭出口截面尺寸自動(dòng)生成流線型擠出流道。為使DUCT軟件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，文獻(xiàn)中作了兩個(gè)假設(shè)，即模頭進(jìn)口截面形狀恒為圓形和模頭出口截面尺寸等于異型材產(chǎn)品截面尺寸，即不考慮離模膨脹問題。文中總結(jié)了以前兩種生成流道的常規(guī)算法，對(duì)其作了巧妙的修改與組合，思路非常新穎。 h<z/LL8|  
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Queen's University of Belfast的Sun Da-Wen和華南理工大學(xué)的彭玉成指出，目前異型材擠出制品應(yīng)用很廣，但其模具設(shè)計(jì)很復(fù)雜，現(xiàn)有的文獻(xiàn)介紹實(shí)際設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的很少，因而他們?cè)凇禤ractical method to design hollow profile dies》中提出了一種簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)異型材擠出流道輪廓的方法，其依據(jù)條件是熔體在擠出模模頭出口流速一致，該方法利用過渡線理論（transitional line method）與變流道厚度法理論（variable channel thickness method）對(duì)組成整個(gè)擠出流道的每一塊模塊型腔輪廓進(jìn)行計(jì)算，并且在設(shè)計(jì)中考慮了各模塊組合成整體型腔的平衡問題。 P^d.,  
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擠出脹大和流動(dòng)平衡是擠出模設(shè)計(jì)中必須考慮的兩個(gè)主要問題。現(xiàn)有文獻(xiàn)給出的擠出脹大數(shù)據(jù)主要是基于乙烯基塑料的毛細(xì)管測(cè)量結(jié)果，不能直接用于熱塑性工程塑料，而CAE技術(shù)的發(fā)展雖然可以定量分析擠出流動(dòng)平衡問題，但現(xiàn)有技術(shù)還很難求解高剪切率下的黏彈性問題。為此，美國(guó)的Wang, H P等人提出了半經(jīng)驗(yàn)（Semi-empirical approach）擠出模設(shè)計(jì)方法[3]，該方法把實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬有機(jī)結(jié)合起來，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。 /*xmv $  
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加拿大的Hurez, P等人提出可一種用于復(fù)雜型材擠出模設(shè)計(jì)的新方法[4]，該方法可以應(yīng)用于有多個(gè)分支的擠出流道，也就是在平直段部分，各個(gè)分支流道是獨(dú)立的，不會(huì)互相干擾。采用網(wǎng)格逼近（Network Approach）和橫截面法（Cross-Section Method）的混和法, 解決擠出流動(dòng)的逆問題，即給定流動(dòng)平衡條件，來確定模具拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如平直段長(zhǎng)度和收斂角等。 /F  
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美國(guó)的Charbonneaux, Thierry G在對(duì)片材和板材擠出進(jìn)行回顧時(shí)，對(duì)比分析了T型模、衣架型模和魚尾型模三種模具各自的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了應(yīng)用最小停滯時(shí)間分布原則設(shè)計(jì)片材擠出模的思想[5]。Kloehn, W也提出了在復(fù)合共擠時(shí)采用使各組分層具有相同的模內(nèi)停留時(shí)間，和根據(jù)不同情況優(yōu)化模內(nèi)停留時(shí)間的設(shè)計(jì)思想[6]。 5{x[EXE'  
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鄭州大學(xué)的申長(zhǎng)雨、陳靜波等人在塑料異型材擠出模CAE方面做了很多有意義的工作，相繼發(fā)表了《塑料異型材擠出模頭內(nèi)流動(dòng)的數(shù)值模擬》、《塑料型材擠出模具CAE技術(shù)》等多篇文章。他們?cè)趯?duì)擠出模頭內(nèi)的流動(dòng)行為進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化和假定的基礎(chǔ)上，建立了擠出模頭內(nèi)流動(dòng)分析的數(shù)學(xué)模型。在其文獻(xiàn)中介紹了一種基于橫截面法、假想?yún)^(qū)域法和流動(dòng)路徑法混合的異型材擠出成型中熔體流動(dòng)平衡的分析方法，可用于確定具有多個(gè)分支流道、截面復(fù)雜的異型材擠出模模頭出口處物料的平均流速，幫助設(shè)計(jì)者判斷擠出模模頭流道設(shè)計(jì)是否合理，計(jì)算量較小，適于工程實(shí)際應(yīng)用。 w7]p9B  
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另外，北京化工大學(xué)的朱復(fù)華和華南理工大學(xué)彭玉成等人在聚合物加工可視化技術(shù)、擠出成型基礎(chǔ)理論及應(yīng)用方面進(jìn)行了大量的研究，為擠出模的設(shè)計(jì)提供了理論參考。加拿大COMPUPLAST公司在1998年推出的有關(guān)螺桿設(shè)計(jì)與擠出模模頭設(shè)計(jì)的軟件FLOW2000就用到了朱復(fù)華、彭玉成等人的某些理論成果。 4UX]S\X  
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2.擠出模具設(shè)計(jì)優(yōu)化方面的研究 ]|\>O5eeu  
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塑料異型材質(zhì)量的好壞很大程度上取決于模頭流道形狀，因而對(duì)擠出模頭設(shè)計(jì)的研究工作很大部分集中在擠出流道的優(yōu)化設(shè)計(jì)上。主要如下： 1(\I9L&J   
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韓國(guó)的Lee Tai-yong在《Shape optimization of polymer extrusion die by three-dimensional flow simulation》中提出了基于三維流動(dòng)模擬的衣架型擠出模優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。他采用三次樣條插值構(gòu)建流道模型，以插值點(diǎn)的流道高度為設(shè)計(jì)變量，以模頭出口處流率的均勻分布為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，建立優(yōu)化模型并對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行了討論。  ~d<`L[  
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文獻(xiàn)[7]提出了一種對(duì)魚尾型流道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的新策略，其優(yōu)化目標(biāo)為流道壓力降最小和沿幅寬方向流率均勻分布。分析結(jié)果顯示，對(duì)于特定的材料和特定縱橫比的截面，存在一個(gè)過渡區(qū)長(zhǎng)度和擴(kuò)散角的最佳組合。 QIxJFr;>  
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文獻(xiàn)[8]把片材擠出的尺寸穩(wěn)定性作為拉伸率的函數(shù)進(jìn)行了分析，假定片材在擠出模與冷卻輥之間保持其矩形截面，熔體為牛頓流。線性分析結(jié)果顯示，當(dāng)拉伸率超過一個(gè)通過實(shí)驗(yàn)得出的臨界值時(shí)，系統(tǒng)是線性不穩(wěn)定的。 [3;Y:&D  
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鄭州大學(xué)的余曉容、申長(zhǎng)雨、劉春太等人在對(duì)衣架式模頭熔體流動(dòng)機(jī)理進(jìn)行系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上 ,對(duì)衣架式模頭中熔體的流動(dòng)行為進(jìn)行了合理的假設(shè)和簡(jiǎn)化 ,采用Hele -Shaw流動(dòng)模型和冪率粘度模型 ,建立了衣架式模頭內(nèi)的非彈性、非牛頓熔體在等溫條件下流動(dòng)數(shù)學(xué)模型 ,將靈敏度分析理論與成型模擬技術(shù)結(jié)合運(yùn)用于衣架式模頭流道優(yōu)化設(shè)計(jì)中 ,降低了衣架式模頭的出口橫向速率變化率。此外，申長(zhǎng)雨等人還采用表征值方法，根據(jù)等壓線平行于模唇的流動(dòng)模式，考慮歧管斜率的影響，對(duì)衣架式模頭圓形截面歧管系統(tǒng)的設(shè)計(jì)公式進(jìn)行了改進(jìn)，不但使模頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料性能和流率無關(guān)，而且修正了以前文獻(xiàn)中對(duì)歧管斜率的忽略所造成的流率分配誤差，使流動(dòng)均勻性指數(shù)增加到1。 J&0wl]w|O%  
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于希明和汪建萍根據(jù)聚合物加工流變學(xué)理論，基于物料滯留時(shí)間的解析公式計(jì)算內(nèi)流道參數(shù)并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)出了適合于HDPE平模的衣架型寬幅模模頭。 nr9#3Lb  
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北京化工大學(xué)的張冰、江波和許澍華等人則闡述了淚滴型歧管衣架機(jī)頭流道優(yōu)化計(jì)算原理和壓力分布模擬計(jì)算的方法，編制了CAE軟件包。討論了流道主要參數(shù)對(duì)擠出壓力分布均勻性的的影響，并將該計(jì)算模塊應(yīng)用于實(shí)踐。 !j\&BAxTEk  
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文獻(xiàn)[9]介紹了一種針對(duì)純粘性非牛頓流穩(wěn)態(tài)加工過程的靈敏性分析和設(shè)計(jì)優(yōu)化的框架模型。優(yōu)化目標(biāo)為流道總壓力降最小和模具出口處熔體速度沿模具寬度方向的分布均勻。求解壓力場(chǎng)的非線性公式采用Newton-Raphson跌代方法計(jì)算，設(shè)計(jì)靈敏性分析采用伴隨矩陣分析和最優(yōu)梯度法，整個(gè)分析過程是基于有限元方法進(jìn)行的。 nQ(:7PFa'  
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文獻(xiàn)[10]介紹了一種擠出模形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)的新方法，最優(yōu)化設(shè)計(jì)變量靠遺傳算法導(dǎo)引，而其最優(yōu)值的求解是基于一個(gè)有限元分析模型。在對(duì)模具形狀進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，可以采用不同的目標(biāo)函數(shù)。 Fn0LE~O}-8  
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Cunha，A G在《Optimization of polymer extrusion with genetic algorithms》中指出，塑料擠出模的設(shè)計(jì)優(yōu)化過程是基于“trial and error”這樣一個(gè)非常低效的步驟，而更為有效的方法是求解其逆問題，即確定擠出條件以便產(chǎn)生渴望得到的結(jié)果。其中一個(gè)可供選擇的策略是通過反復(fù)迭代求解擠出過程的正問題來最優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。 a(t<eN>b!  
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文獻(xiàn)[11]指出，對(duì)給定的一組規(guī)格，則設(shè)置擠出的操作狀況或建立螺桿合適的幾何可以作為一個(gè)在非凸空間里搜索其解的優(yōu)化問題來處理。 1:l&&/Wy  
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Caneiro，O S等人在《Computer aided rheological design of extrusion dies for profiles》中對(duì)擠出模的流變學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，提出了許多新的思路和方法，如在異型材擠出模具的壓縮段與平直段之間加入了一個(gè)預(yù)成型段，以使型材截面上各個(gè)子區(qū)域可以具有不同的平直段長(zhǎng)度，以達(dá)到調(diào)整流動(dòng)均勻性的目的；根據(jù)研究?jī)?nèi)容和目標(biāo)的不同，研究對(duì)象的區(qū)域也不同等。該方法采用的是有限體積法，在優(yōu)化分析時(shí)只考慮平直段長(zhǎng)度一個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)，這對(duì)于復(fù)雜多變的擠出模流道設(shè)計(jì)來說是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。 /iJhCB[QZ  
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德國(guó)的Michaeli, W等人在《Computer-aided optimization of extrusion dies》中介紹了一個(gè)利用新的方法優(yōu)化復(fù)雜擠出模具設(shè)計(jì)的程序，這種新方法把有限元分析和網(wǎng)絡(luò)理論結(jié)合起來（Combination of FEA and Network Theory），可以加速設(shè)計(jì)優(yōu)化過程，而且程序能夠給用戶提示決定在哪里和如何修改流道結(jié)構(gòu)以達(dá)到最佳的速度分布。 9g,L1 W*  
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合肥工業(yè)大學(xué)的朱元吉等人在擠出模具CAD和設(shè)計(jì)優(yōu)化方面做了較多探索，他們以擠出模頭出口處型材截面上的最大壓力差為目標(biāo)函數(shù)，以模具結(jié)構(gòu)參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，建立了優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。該文首次系統(tǒng)地把優(yōu)化設(shè)計(jì)理論與擠出設(shè)計(jì)結(jié)合起來，對(duì)我國(guó)擠出模具優(yōu)化設(shè)計(jì)理論與實(shí)踐的發(fā)展具有重要意義。 l\l]9Z6%  
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華中理工大學(xué)的郭志英，陳興和李德群等人以最大生產(chǎn)效率（體積流量）為優(yōu)化目標(biāo)，以模頭內(nèi)壓力降為約束函數(shù)對(duì)一些簡(jiǎn)化型材模型進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。 ^V;lZtZ  
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江蘇理工大學(xué)的楊超君等在假定流道壓縮段的流動(dòng)仍為一維流動(dòng)的前提下，根據(jù)塑料熔體流變學(xué)理論，推導(dǎo)出了中空異型材擠出模頭中塑料熔體流動(dòng)的均勻性公式，并提出了兩種提高熔體流動(dòng)均勻性的途徑。 ng)yCa_Ny  
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