作者：華僑大學(xué)模具技術(shù)研究中心 劉斌 來(lái)源：《現(xiàn)代模具》
\Oq2{S x\ uE1;@Dm+ 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(guò)程非常復(fù)雜，是一個(gè)連續(xù)的模塑成型過(guò)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。
B_[efM<R$ | ]G%b[ 1.擠出模設(shè)計(jì)理論和思想方面的研究
W& hW N9iR N K0'\~7& 歐洲特別是德國(guó)是塑料門(mén)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(guò)一系列的截面，把截面再分為不同的小段，通過(guò)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。
u8c@q'_ v]EMJm6d| 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。
(WHg B0{ -,y p?< 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(guò)程的計(jì)算機(jī)模型SSEM。SSEM能模擬擠出成型的全過(guò)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。
d*8*9CpO: 5aaM;45C 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(wèn)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。
x,C8):\t`B 0/v]YK. 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(guò)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(wèn)題。
Y E` Y t D$>!vD' 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(wèn)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(wèn)題，但現(xiàn)有技術(shù)還很難求解高剪切率下的黏彈性問(wèn)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(lái)，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。
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qY_ .Y6v#VI 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(wèn)題，即給定流動(dòng)平衡條件，來(lái)確定模具拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如平直段長(zhǎng)度和收斂角等。
sU>IE To -))S 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(yú)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]。
,# 2~< UVux[qX< 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。
SCfp5W7~ ps' _Y <@ 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。
_eGYwBm r R6} 2.擠出模具設(shè)計(jì)優(yōu)化方面的研究
O50_qu33ju '8]p]#l 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：
CHGa_ z)M#9oAM 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。
t`B@01;8A *v%y;^{k[/ 文獻(xiàn)[7]提出了一種對(duì)魚(yú)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(guò)渡區(qū)長(zhǎng)度和擴(kuò)散角的最佳組合。
wG49|!l6T (RFH .iX 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(guò)一個(gè)通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出的臨界值時(shí)，系統(tǒng)是線性不穩(wěn)定的。
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64up! y'm!h?8 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(wú)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。
,ayEZ#4.m *47/BLys< 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。
JU 17]gQ l qfTF 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。
R=~%kt_n Z3&}C h 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(guò)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(guò)程是基于有限元方法進(jìn)行的。
OKh0m_ )7 *;@wPT 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)。
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