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塑料挤出模头中功能块成型结构的研究及c a d _ _ 摘要 随着塑料门窗在我国的发展，对塑料异型材质量的要求越来越高。挤出模 是异型材挤出生产过程中的关键部件之一。国内外挤出模质量存在着较大差距， 主要原因是设计技术的差距。 相对于型材主体来说，功能块结构比较复杂，准确成型较困难。功能块结 构设计的好坏，影响到整个挤出模的准确成型。目前很少有人对功能块进行研究， 因此，本论文选择功能块的结构设计作为研究对象。寸7 本论文对于功能块的研究，是以聚合物熔体的流变学理论，以及挤出模头 流道的基本要求为基础。分析了国内外不同厂家功能块结构的异同点，总结出功 能块结构的特点。在此基础上，结合长期的模具设计经验，提出功能块的设计原 则和方法。并利用最新的模具测绘数据，进行验证和改进。利用f l o w 2 0 0 0 软 件分别从挤出模整体上和单独对功能块进行研究，并对上述设计原则和方法进行 校正和补充。对前面的研究成果，运用v b a 进行编程，初步实现了功能块结构 的计算机辅助设计，提高了设计效率减轻了设计人员的劳动量。 关键词： 挤出夫功能块? 计算机辅助设一c a d 又 r e s e a r c ho ft h ed e f o r m e ds t r u c t u r e so f f u n c t i o n a lb l o c k s i np l a s t i ce x t r u s i o nd i ea n dc a d a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp l a s t i cd o o r w i n d o wi n d u s t r y , m o r eh i g hq u a l i t yo f p l a s t i cp r o f i l e s i s r e q u i r e d d i e i so n eo ft h ec r i t i c a l p a r t s i n p r o f i l e e x t r u s i o n p r o c e d u r e t h e r ei s ag a po fd i eq u a l i t yt os o m ee x t e n tb e t w e e nh o m ea n da b r o a d m a i n l yb e c a u s eo f t h ed i f f e r e n c e si nd e s i g nt e c h n o l o g y f u n c t i o n a lb l o c ks t r u c t u r ei sm o r e c o m p l i c a t e d t h a n 也em a i np r o f i l ea n dm o r e d i f f i c u l tt ob ef o r m e di n t ot h en e e d e dp r o f i l e t h e r e f o r e ，w h e t h e rt h es t r u c t u r ed e s i g n o ff u n c t i o n a lb l o c k si sg o o do rn o ta f f e c t st h er i g h tp r o f i l es h a p e v e r yf e ws t u d i e so n f u n c t i o n a lb l o c ks t r u c t u r ew e r e r e p o r t e d ，c o n s e q u e n t l y , t h e s t r u c t u r e d e s i g n o f f u n c t i o n a lb l o c k sw a ss e l e c t e da st h er e s e a r c ho b j e c ti nt h i sp a p e r i nt h i sp a p e rr e s e a r c ho ff u n c t i o n a lb l o c ks t r u c t u r ew a sb a s e do nt h et h e o r yo f r h e o l o g yo ft h ep o l y m e rm e l ta n dt h eb a s i cr e q u i r e m e n to fe x t r u s i o nd i ec h a n n e l v a r i o u sf u n c t i o n a lb l o c ks t r u c t u r e so fd i f f e r e n tf a c t o r i e sh o m ea n da b r o a dw e r e a n a l y z e d a n dt h es t r u c t u r e c h a r a c t e r i z a t i o n so ff u n c t i o n a lb l o c k sw e r ea l s o s u m m a r i z e d b a s e do nt h ef o r m e rw o r ka n do u rr i c he x p e r i e n c ei nd i ed e s i g n ，t h e s t r a t e g i e sa n dm e t h o d so f s t r u c t u r ed e s i g no ff u n c t i o n a lb l o c k sw e r ed e v e l o p e di nt h i s p a p e r c o m b i n i n gw i t ht h es t r u c t u r ed i m e n s i o n sm e a s u r e df r o mt h en e w e s td i e ，t h e s t r a t e g i e s a n dm e t h o d sw e r ec h e c k e da n di m p r o v e d t h ef u n c t i o n a lb l o c k sw e r e s t u d i e ds e p a r a t e l ya tt h ew h o l e p r o f i l ea n di n d i v i d u a l l yb yu s i n gt h es o f tf l o w 2 0 0 0 ， a n dt h e d e v e l o p e ds t r a t e g i e s a n dm e t h o d sw e r e i m p r o v e d a n d s u p p l e m e n t e d a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c hr e s u l t s ，ap r o g r a mw a sc o m p i l e dt or e a l i z et h ec o m p u t e r a i d e dd e s i g no ff u n c t i o n a lb l o c ks t r u c t u r eb yv b a l a n g u a g e ，w h i c hi m p r o v e sd e s i g n e f f i c i e n c ya n d r e l i e v et h e d e s i g n e r k e y w o r d s ：e x t r u s i o nd i e ，f u n c t i o n a lb l o c k c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，c a d 独创性声明 本人声鞠所呈交鲢学位论文是零人在导烬指导下进行的研究工作震取得的研究 成聚。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发袭或撰笔过载磷究成果，逛不包含为获得垒筵至丝太兰或其他教育扭 构的学位或v 【正书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已褒论文中 # 了明确的说明势表示淤意。 学位论文作者签名：j a ，菩爻翌 签字日期：五，谚# 三月嵋日 ? 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金避王些焘兰有关保留、使用学位论文的规定， 有救保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文馥餐阅和 借阅。本人授权垒磐王些态差可以将学使论文的全部或都分内容缟入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密始学位论文在解密后适用本授权书) 学使论文作者整名：暑。，战里 签字日期：三。o 年。月i 日 。 学位论文俸者毕业后去向： 工作单位：冲7 莉国碍技太差 通讯地垃： 新签夕勃司 签字啉垆矿胃j 7 日 ， 电话 邮编 致谢 值此论文完成之际，谨向我的导师尹延国高工表示最诚挚 的感谢。在这两年多的时间里，导师为我的学习和研究工作提 供了良好的条件，给予了耐心、细致的指导。导师在我的论文 的选题、修改直至定稿过程中，投入了大量的时间和精力。导 师渊博的知识、严谨治学的作风以及对事业孜孜以求的执着潜 移默化中影响着我，使我终生受益。 在此还要特别感谢朱元吉副研究员，朱老师在我的研究生 学习期间，在理论和实践上给予了大量的热情的指导，对我的 论文提出了许多宝贵的建议。 在这里还要十分感谢合肥工业大学摩擦学研究所的焦明 华老师、俞建卫老师、胡献国老师、田明老师和解挺老师，以 及各位研究生同学，他们在这两年多的时间里，在学习、生活 以及论文的写作上，给予了很大的帮助。同时感谢合工大机械 学院和研究生部的老师们所付出的辛勤工作。 作者 2 0 0 3 年1 月 1 ，应变 ，应变速率 ”牛顿粘度 f 剪切应力 k 流体的稠度 巩表观粘度 伊一密度 卜一平均流速 b 流道宽度 h 流道高度 p 压力降 q 体积流量 n 幂律指数 符号清单 1 1 塑料异型材挤出模的简介 第一章绪论 1 1 1 塑料门窗概述及异型材的挤出生产 化学建材是继钢材、木材、水泥之后，当代新兴的第四大类建筑材料，塑料 门窗是化学建材众多品种中的佼佼者，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窗的一大特点，它是继木门窗、钢门窗、铝合金门窗之后 的第四代新型建筑门窗，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，约为总量的9 0 以上【l 】。 塑料异型材是通过挤出成型来加工的，挤出模是异型材挤出生产中的关键设 备之一，是p v c 叫y 塑料异型材生产能够适应建筑门窗市场要求的基础，决定 着异型材的产品质量，生产效率和成本。进行挤出模设计的研究，首先需要了解 挤出模的的基本结构及挤出过程。 1 1 2 挤出模的基本结构及挤出过程简介 挤出成型是热塑性塑料的一种成型工艺方法。近几年，塑料挤出产品的品种 和数量均发展的很快，广泛运用于板材、管材，各种异型材、电线电缆覆层等产 品的生产，在塑料加工工业中占有很重要的地位。 在各种挤塑产品中，异型材产品的发展尤为迅速，这主要是得益于塑料门窗 的迅猛发展，因此，生产异型材产品的异型材挤出模技术也得到了进一步的发展 和提高。塑料异型材是指除了圆管、片材、板、薄膜等以外，其它具有复杂不规 则截面、长度连续的塑料型材。1 ，在本论文中主要是指用于门窗的p v c - iy 塑料 异型材。 塑料异型材的挤出成型工艺与塑料的其它模塑成型工艺不同，后者的工艺过 程一般是在模具中作周期性的循环来完成，塑料制品在模具中是相对静止的。而 塑料的挤出成型则是一个连续的动态过程，塑料在挤出机和模具中经过熔融塑化 、稳流、分流、成型和冷却定型一系列过程，从而成为连续的型材产品。 塑料异型材挤出成型机组主要由塑料挤出机( 亦称主机) 、冷却定型、牵引 机、切割机和堆放架五部分组成，如图1 1 所示“。 24 6 图1 1 异型材挤出生产线 1 翻卸溜槽( 储料)2 切断机3 引出装置 4 冷却段5 定型模6 模头7 挤出机 这里简要的介绍一下挤出模头的基本结构及其作用，以及定型模的作用。 异型材挤出模头的主要功能就是将挤出机挤出的熔融的塑料流束，改变成截 面近似于所需异型材截面的料坯。在挤出模头中要保证塑料在恒温的熔融状态下 完成稳流、分流和成型三个工艺过程。因此，在成型机组中，挤出机上的挤出模 头是非常重要的，它决定了型材的形状和型材制品质量的好坏，是进行挤出模设 计时需要重点考虑的。挤出模头主要有机颈，分流锥、分流支架板、型芯和口模 组成，其结构如图1 2 所示。 ia l b l c f d le l f j 图i 2 塑料异型材模头结构简图 1 一机颈2 - - 分流支架3 - - 口模4 一分流锥和型芯 a 多孔板b 稳流区c 分流区d 分流支架e 收缩区成型区 挤出模头按流道的形状一般可分为多孔板、稳流区、分流区、分流支架、收 缩区、成型区六个部分【4 】。 多孔板熔体从挤出螺杆挤出后，首先要经过多孔板，多孔板的作用可以 滤去熔体中的杂质和异物，并能增加剪切力，进一步均匀物料的塑化程度，稳定 流体的平行流动。 稳流区将螺杆挤出的熔体，由旋转流动变为稳定的平行流动。它的形状 一般不复杂，但其重要性却不容忽视，此流道为一截顶圆锥形流道，它是异型材 挤出稳定和异型材质量的保证。 分流区实现了熔体截面形状由挤出机出料口的圆形向塑料异型材制品 形状逐渐转变，形成模头内的流线型流道。这样的流道易于熔体的流动，对于成 型条件要求严格的具有复杂断面形状的异型材，应尽量采用流线型流道。此区域 的流道为一鱼尾形环流道。 分流支架板对于中空型材是不可缺少的，分流支架上的分流筋使型芯和 分流锥固定在正确的位置上。此区域的流道为一分流筋隔为若干个矩形的环流 道。 收缩区是由分流支架向平直的成型区的过渡区域。它能消除分流支架产 生的合流缝。压缩角不宜过大，否则容易引起内应力加大，造成挤出不稳定，使 制品表面粗糙，降低外观质量。此区域的流道为一窄楔形环流道。 成型区料流通过成型区时，通过纯剪切流动，尽量松弛前级流道不可避 免的弹性形变( 由分流、收敛流动引起的) ，最终稳定的形成近似异型材截面形 状的型坯。这一段流道由模腔、模芯和口模组成，基本上是平直的流道，所以又 称为平直段。 塑料熔体依次通过稳流区、分流区、分流支架板、收缩区后，最终在成型区 形成异型材的几何形状。塑料熔体在各区域中的平均流速、压力降各不相同，需 要具体的分析计算。 对于异型材模具来说，机头流道的设计应该是流线性的。流线型机头严格要 求机头中的流道，从进料口开始到出料口，其截面必须由圆形平滑地过渡为异型 材要求的截面形状，即流道壁应呈光滑的流线型曲面，各处均不得有急剧变化的 截面或死角【5 】。只有这类机头才能适应大批量生产操作的特点。满足截面复杂的 及热敏性塑料的成型要求。 在生产异型材时，如果机头设计是合理的，则异型材截面的几何形状的尺寸 精度，一定程度上也取决于定型模设计的合理性。一付成功的定型模，对于提高 生产效率及产品质量具有重要的影响。当异型材型坯进入定型模后，在真空吸附 力的作用下，与定型模型腔壁成紧密接触，并依靠冷却回路中介质的传热效应散 发热量和冷却定型，最终确定异型材截面形状及尺寸精度嘲。 1 1 3 挤出模设计的内容与要求 挤出模的设计涉及面较广，设计时应从不同角度出发进行必要的设计、计 算与验算。由于模头和定型模功能不同，所以各部分考虑的重点也不尽相尉7 】【引。 1 对于模头应作下列计算和选择： ( 1 ) 流量分布； 3 ( 2 ) 压力降之和： ( 3 ) 确认有无不稳定流动现象； ( 4 ) 在一定的挤塑压力下达到一定的体积产量； ( 5 ) 熔体从模头等速挤出； ( 6 ) 在高的体积流量时，挤出物表面仍保持光滑( 高剪切速率可能发生 熔体破裂) 。 2 、对于定型模则重点考虑： ( 1 ) 冷却系统设计； ( 2 ) 真空系统设计； ( 3 ) 定型牵引能耗计算。 1 2 国内外塑料异型材挤出模的发展概况 十多年来，我国的塑料异型材挤出模随着我国塑料门窗行业的迅猛发展，也 获得了快速的发展，已形成了相当大的生产能力t t l 。一些挤出模生产企业进口了 加工中心，慢走丝线切割机床以及磨料流挤出衍磨抛光机等一批十分先进的加工 设备，使得我国挤出模：b n q - 的硬件条件丝毫不比发达国家逊色 9 1 。但是，挤出模 技术虽然一直紧跟进口的最先进的挤出模产品技术，取得了长足的进步，却始终 存在着一定的差距，尤其对于严格质量要求，大规模产量的异型材生产，还要不 惜六七倍甚至十几倍的价格，将一些国产挤出模从主要型材模具的位置上撤下 来，让位于进口的挤出模，而仅用作一些辅型材或不常用的主型材模具。原因很 多，相对于进1 2 1 的先进挤出模来说，主要是国产挤出模使用性能不稳定，不稳定 表现为以下几个方面。 ( 1 ) 在挤出生产过程中，型材尺寸上下波动过大； ( 2 ) 挤出模在使用一段时间，一周或二、三个月以后即开始出现某些变化， 模头出料的变化常造成型材壁厚均匀性变差，型材尺寸超差出现的频率也开始增 大； ( 3 ) 一些挤出模往往只适宜在某条生产线上使用，调换挤出生产线后，废品 率就会大幅度增加； ( 4 ) 稳定性差还表现在挤出模生产的产品性能上，主要是造成一些型材低温 冲击性能不好，弯曲度过大； ( 5 ) 定位可靠性差，零部件易脱落，操作不方便，也是一些国产挤出模稳定 性差的一个方面。 以上各种现象受到异型材生产过程中各种因素的影响，一些国产挤出模在设 计方面的不足是使用性能不稳定的主要原因。通过对安徽国风塑业股份有限公司 所拥有的大量进1 ：3 挤出模，和几家国内企业制造的挤出模进行了对比性测绘和模 拟分析，可以看到国内外挤出模发展的差异。 ( 1 ) 模头流道内横向流动是模头设计的困难所在，国外在挤出模设计方面 已经实现了总体的横向流动最小化设计，这样可以使无法完全控制的各种工艺波 动所造成的料流不稳定，对型材尺寸和性能的影响减至最小程度，因而挤出模头 的稳定性较好。而一些国产模具至今仍然沿用“压缩比”的概念设计模头流道， 挤出模头的稳定性相对较差。 ( 2 ) 进口挤出模口模尺寸的设计更加符合塑料型坯的变形规律【1 0 1 【1 1 1 ，例如 对于薄壁中空异型材其外形尺寸基本上可用如下公式表示： a = ( o 。a - t - 0 一c t ) h ) h ( 1 - 1 ) 式中：a 为型材制品尺寸 a 为口模尺寸 h 为型材制品壁厚 a 为考虑牵引和冷却收缩作用的口模尺寸放大系数 c o h 为考虑出口膨胀、牵引和冷却收缩综合作用的口模缝隙缩小系数 而一些国产挤出模口模尺寸只是简单的选取为制品尺寸的1 0 3 1 0 7 倍，从 不正确的设计开始修模调试，牺牲掉的必然是工艺的调节空间。 ( 3 ) 进口挤出定型模设计追求冷却成型的均匀性，大量采用s 形循环冷却水 道，特别注重对于异型材沟槽内部的冷却，国外模具厂商还开发了空气隔离技术。 而一些国产挤出模一般设计多条进水管路，一味追求强冷却。 由此可见，国内外挤出模发展的差异主要在设计技术方面。 1 3 功能块的简介及其在型材中的重要作用 图1 3 型材制品图 p v c - u 门窗的功能要求是依靠多种异型材以及异型材与五金附件( 包括密 封条和增强型钢) 的结合来实现，结合一般要通过特定的结构。 通过研究发现，复杂的塑料异型材都可以看成是型材主体和多种特定的结 构的组合。型材主体一般是几何形状比较简单的薄壁型材，而那些特定的结构则 称为功能块，它在型材中执行某种功能，如图1 3 所示，该型材制品由简单的主 框和六个功能块组成，其中功能块1 用于安装密封毛条，功能块2 用作漏水槽， 功能块3 用来和压条脚配合，将两个型材连接起来。 功能块作为型材的一部分，对于型材的安装、拆卸和使用具有重要作用。 相对于型材主体来说，型材功能块结构比较复杂，准确成型较困难，在挤出模设 计中经验成份较大。功能块结构设计的好坏，影响到挤出模的准确成型以及功能 块是否能够实现所要求的功能，而功能块成型质量的好坏，又直接影响到型材制 品质量的优劣。 1 4 本文的选题及研究的主要内容 根据前面对异型材的分析可知，异型材主框一般几何形状比较简单，而功能 块形状比较复杂，因此，在挤出模设计中，主框的设计和功能块的设计有所不同。 目前，塑料异型材挤出模中主框部分的设计，通常采用以聚合物流变学等理 论为基础的解析计算方法。因为主框部分几何形状比较简单，在挤出模流道中对 应的料流的流动可以近似为一维流动，解析计算方法对于一维流动的的计算，已 经比较成功。运用这种设计方法所得的结果，和实际情况比较接近，可以用来指 导主框设计。 由于功能块结构形状比较复杂，很难象主框那样，将流道中的料流近似为一 维流动。采用解析法进行计算时，需要将复杂的不规则的结构形状近似为规则的 形状进行计算，对于大部分功能块，由于形状近似带来的误差很大，具体情况将 在第二章中进行说明。目前，在功能块的设计中，往往根据经验，采用一些特殊 的结构和措施，以保证功能块特定功能的实现，然而，由于受到材料配方、设备 条件及生产人员的限制，以经验为基础设计的功能块往往要经过多次修模，才能 确保功能块部分的成型，而且这种经多次修模生产出来的塑料异型材，其内在质 量也很难保证。 综合以上各点，国内外挤出模发展的差异主要在设计，在挤出模的设计中， 功能块的设计是整个设计的重点和难点。模头成型区是整个挤出模头设计中最重 要的部分，在成型区的流道截面形状( 即口模图形) 对异型材最终尺寸的形成起 着至关重要的作用。目前还没有人对功能块进行专门的研究，因此，本论文选择 挤出模头中功能块成型结构的设计作为课题研究的方向。 本论文通过对功能块深入、系统的研究，准备解决以下问题： 1 、挤出模中功能块的准确成型； 2 、功能块设计重复性劳动过多，设计人员劳动量过大。 为了解决以上问题，本论文打算通过以下工作对功能块进行研究： 1 、首先对塑料异型材分类，选取典型的中空异型材的截面进行分析，大量 查阅和分析了国内外不同厂家功能块结构的异同点，总结了功能块的结构特点。 2 、然后，根据长期的功能块结构设计的经验，模具制造及使用的信息反馈， 6 型材在安装、拆卸以及使用过程中功能块出现的问题，以及上述功能块的结构特 点，提出大部分功能块的设计原则和方法。 3 、在和企业进行横向课题的研究过程中，测绘了最新的国内外挤出模中功 能块部分的数据，利用所测数据，对上述功能块的设计原则和方法进行验证和改 进。 4 、利用f l o w 2 0 0 0 软件分别从挤出模整体上和单独对功能块进行研究，并 对上述设计原则和方法进行校正和补充。 5 、对前面的研究成果，运用v b a 进行编程，初步探索了功能块结构的计 算机辅助设计，进一步提高了设计效率，减轻了设计人员的劳动量。 第二章挤出成型的流变学基础和挤出模头流道的基本要求 在上一章中，简要介绍了挤出模的基本结构及挤出过程，挤出模设计的内容 与要求，为了更好的理解以上内容，有必要了解挤出成型的理论基础。塑料挤出 成型就是通过模头成型及定型模定型对塑料进行加工处理，其目的是在于使塑料 成为能够使用的制品，同时要求能够保持或提高其原有性能。通过了解挤出成型 的理论基础对于指导异型材挤出模的设计以至于整个异型材的生产具有重要意 义。 本论文主要研究挤出模头中功能块的成型结构设计，因此需要了解聚合物的 流变学基础，主要包括以下两个方面：塑料的流变特性：料流在模头中整个挤出 成型过程中的流动行为。 2 1 聚合物熔体的流变特性 聚合物流变性能比较复杂，不同聚合物流变行为差异很大，聚合物的流变特 性，决定了加工方法和加工设备的选择。要合理决定工艺条件，选择最佳的设备 参数，需要对聚合物流动进行定量计算，这些都与流变学密切相关。下面从两个 方面简要介绍一下聚合物熔体的流变特性。 i 聚合物熔体的流变现象【1 2 】【1 3 1 不同于低分子流体，聚合物熔体在流动过程中会表现出一些特别的现象。 聚合物熔体流动粘度大，不易流动和变形。所以，在进行塑料异型材挤出成 型加工时，般要有足够压力才能成型。 聚合物熔体在挤出成型过程中，还会出现入口效应( e n t r ye f f e c t ) 、离模膨 胀( d i es w e l l ) 和熔体破裂等现象。入口效应是指聚合物熔体在通过截面急剧变 化的入口区时，会产生特别大( 对比粘度相近的牛顿流体) 的压力降。离模膨胀， 又称为巴拉斯效应( b a r u se f f e c t ) ，表现在聚合物熔体挤出物的尺寸和断面形状 与挤出口模不同，有明显的胀大。聚合物熔体在挤出过程中，挤出速度有一个极 限值，大于此极限值时，可以观察到挤出物光滑的表面出现无光、接节以至扭曲、 支离破碎等现象，这些现象统称为熔体破裂。 以上这些现象，我们在挤出模设计中都要采取相应的措施以避免。这些现象 出现的原因，在于聚合物的不同于低分子流体的流变特点。 2 聚合物熔体的流变特点【1 4 】【1 5 】 聚合物具有牛顿特性的粘性行为和虎克特性的弹性行为，它的流变特点表现 为聚合物流体的粘弹性。聚合物流变研究的主要内容包括研究塑料在外力作用下 产生弹性、粘性流动行为以及这些行为与各种因素之间的关系。 8 塑料成型往往通过流动和变形的途径实现的，塑料在成型过程中由于外力作 用产生形变，塑料受力后内部产生与外力相平衡的应力( 单位为p a ) ，通常有以 下三种：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 备和模具中流动的压力差、所需要的功率及制品的质量等有决定性的影响，拉伸 应力与剪切应力共同出现，压缩应力却常被忽略。 塑料受力作用后产生的变形及尺寸改变称为应变，单位时间内的应变称为应 变速率，可表示为【7 】： 尹= 警( 2 - 1 ) ，2 1 ) 讲 式中，1 ，是应变，户表示单位时间内的剪切应变，也称应变速率。 成型过程中聚合物熔体的流变性质主要表现为粘度的变化，根据流动中粘 度与应力或应变速率之间的关系，可以将聚合物按流动行为分为牛顿流体和非牛 顿流体，流动行为符合式( 2 2 ) 的为牛顿流体。 d y f 。叩 。玎丫( 2 - 2 ) 上式就是著名的牛顿粘性定律，式中r 为切应力，1 为比例常数，称为牛顿 粘度。 根据非牛顿型流体的剪切应力与剪切速率之间呈现非线性关系的不同特征， 非牛顿型流体又可分为粘性系统、有时间依赖性系统和粘弹性系统三大类。其中 与模具设计密切相关的主要是粘性系统，它在流动时，其剪切速率只依赖于剪切 应力，而与剪切应力施加时间长短无关。 根据有关粘性系统的性质不同，又可分为：宾哈流体、假塑性流体和膨胀性 流体等，如图2 1 所示【1 2 】。 0 宾啥流体 假塑性流体1 膨胀型流体 固牛顿型流体 假塑性流体2 复合流体 y ( s 。) 图2 1 非牛顿流体的流动曲线 其中，最常见的一种非牛顿型流体是假塑性流体。在描述假塑性流体流动特 性的经验方程式中，最有实用价值的为幂律函到1 6 ”】： 9 r = k ( 鲁) “= k 户” c n ， c z s ， 式中，k 与n 均为常量。k 称为流体的稠度：n 是判断流体与牛顿型流体差别程 度的参数。为了将上式与牛顿流体公式作比较，可对它进行一些改写【3 】 取 一k ( 扩，d 出y 广 巩= k ( 鲁 ”1 = k 户”1 则公式( 2 - - 3 ) 可写为： f=r。户(2-4) r 。称为表观粘度，单位是n s c m 2 粘度是描述聚合物熔体流变行为最重要的量度，是挤塑模流变学设计不可缺 少的数据。从某种意义上说，对制品质量的控制实际上是通过对粘度的调节来实 现的。影响聚合物粘度的主要因素有：聚合物本身结构；流体的组成：压力；剪 切速率。 2 2 聚合物熔体在模头内的流动 流体在流道中流动时，其任何部位的流动状况保持不变，即一切影响流体流 动的因素不随时间而改变，我们称这种流动为稳态流动，例如在正常操作的挤出 机中，塑料熔体在挤出模头流道内的流动就属于稳态流动，而注塑模在充模过程 中其流体的流动是非稳态流动【i 引。本论文所研究的问题都属于稳态流动范畴。 聚合物熔体通常属于流体的范畴，在进行聚合物加工成型时，几乎都要涉及 到熔体的流动。为了对挤出加工中聚合物熔体的流动状态进行分析，必须进行聚 合物熔体的流动特性的研究，给出控制方程，这是进行理论分析的依据。聚合物 熔体的控制方程包括连续性方程、运动方程和能量方程，由于问题分析的需要， 下面只列出连续性方程和运动方程【1 9 】【2 0 l 【2 ”。 2 2 1 连续性方程 质量守衡定律表明：任何给定质点所组成的流体，在通道中作稳定且无增减 流动时，则在单位时间内流过通道任意截面的质量流量均相等。这种规律称为流 体流动的连续性，其数学表达式称为连续性方程。 设 幻、 心、 以为流体通过任意一流道三个截面处的质量流量，则一、尼、 乃及v ，”、v 3 和朋、p 2 、d 分别是在对应各处的截面面积、平均流速和密度， 于是可得流体的连续性方程： m f m 2 = m - 常量 或 f 一| p l = f 水2 p 2 = f p3 p 3 = 肯量 用微分形式表示，在直角坐标系中有： 亚+ 辈立+ 旦掣+ 旦掣：0 ( 2 5 ) o t 。缸却出 7 根据质量守衡定律，一个密封系统质量保持恒定，则体积单元内密度随时间的局 部增减，必然反应在物料进入或离开该处的流动速率上，这样才能使体积单元内 密度的总变化为零。因此，流体的连续性方程，可用一通式表示： 警= 一p ( v 矿) = 一p 硪v y 当流体作稳定流动时，则密度p 与时间f 无关，即劾傍= o ，若流体是不可压缩的， 则d i v v = 0 ，即体积单元内的密度不随时间产生局部变化，也就是说密度在流体 通道各截面( x 、y 、z 各方向上) 处均保持不变。因此，流体的连续性方程可进 一步简化为： 誓+ 斗o y + 誓= o ( 2 6 ) 一 u 对于二维情形，为： 誓+ 等= o ( 2 7 ) 2 2 2 运动方程 根据牛顿第二定律，“单元流体动量增加的速率等于作用在单元流体上力的 总和”。因此，动量增加的速率方程为 d 讲v = - g r a d p + 拼+ p g ( 2 - s ) 其中等号右边第一项为基本流动方向上的压差，第二项为应力张量，第三项为重 力。对于聚合物熔体来讲，重力和惯性力比作用在流体上的其它力小的多，可以 忽略。假设熔体不可压缩，则运动方程可以表示如下： p 半一g r a d p + d i v f ( 2 - 9 ) 在直角坐标系下展开为： p ( p x 等机鲁乜誓产篆+ c 誓+ 鲁+ 誓， 加，誓+ p y 誓+ y z 冬产罢+ ( 孥+ 孥+ 孥) ( 2 - 1 1 ) 僦卵卯靠印 尸( y x 誓也等也誓产著+ c 誓+ 鲁+ 誓， 对于所研究的聚合物熔体的挤出流动，可以假设为等温、稳流、不可压缩、 无惯性的层流问题，所以将上述的连续性方程、运动方程和幂律函数方程联立起 来将是一个封闭的方程组，只要给出边界条件，原则上可以求解。在聚合物加工 中，一般假定熔体是粘连的，即在固体和熔体的界面处熔体的速度就是固体表面 的速度，这就是在挤出流动分析中常采用的“壁上粘附”假定。”。“。 因此，在应用塑料挤出模头聚合物熔体流动控制方程进行流动求解时，满足 如下假设条件： 1 壁上粘附： 2 在流道横截面具有恒定压力梯度，即法向应力影响不予考虑； 3 在每一流道截面上，完全是从动力学方面进行流动的分析，忽略其它方 面的影响。 以上所述的基本方程，以及假设条件，是解析计算法公式推导的理论依据。 在第一章中，讲到挤出模设计中主框和功能块的设计有所不同，主框的设计 可以以聚合物流变学等理论为基础，利用解析法计算流量、压力降、平均流速， 进而确定主框的流道长度。在已有的挤出模头设计理论和长期生产实际的基础 上，对于型材主体部分的流道设计，解析法已经被普遍采用，长期对生产设计起 指导作用。 功能块结构的截面形状一般较为复杂，对它还没有形成一个可以通用的数学 模型来计算，采用解析计算法进行求解，会带来很大的误差。 2 3 解析计算方法 2 3 1 聚合物熔体在狭缝形流道中的流动分析 由于聚合物熔体内部粘滞力和与异型材挤出模头流道内壁的摩擦力的存在， 聚合物熔体沿流道流动会引起压力降和速度的变化。异型材模具流道本身截面形 状和尺寸的变化也会引起流体压力、速度分布和体积流量的变化，这将对塑料制 品性能产生重要影响，下面将结合挤出模头聚合物熔体的流体控制方程，来分析 聚合物熔体在异型材挤出模头的压力流动中，体积流量q 与压力降4 尸的关系。 聚合物熔体在塑料异型材挤出模头内流动时流速变化有以下几种形式： 1 一维流动：聚合物熔体的流速仅沿某一单一方向变化，这类流道截面上 某一点的流速变化可用垂直于流动方向的单一坐标表示。 2 二维流动：聚合物熔体的流速沿两个坐标方向变化，这类流道截面上某 一点的流速变化用垂直于流动方向的两维坐标来表示。 3 三维流动：聚合物熔体流速不仅在流道横截面上沿纵横坐标变化，而且 沿流动方向也有所变化，流速分布要用三维坐标来表示。 从工程实际出发，为进行聚合物熔体在异型材挤出模头流道中的流动情况的 分析，必须建立起易于处理的联系挤出模头流体控制方程与流道形状的关系式。 由于塑料异型材挤出模头中主框部分主要是由宽而薄的窄缝或环( 此环不一定是 圆环) 组成，如果只考虑在窄缝的高度方向上流速发生变化，可以简化为一维流 动，下面将给出窄缝形流道的一维简化处理方法。这样做虽然不能够得到流动的 精确解，但简化的结果，能对工程实践起到指导的作用。模具设计者可以根据计 算结果和自己的经验去确定如何进一步修改模具而得到所需制品形状。 考察一高度为h ，宽度为b 的矩形流道，当h ( 6 ) 3 1 4 毛条槽的结构设计 non 6 ( 5 ) ( 6 ) 3 1 5 密封条槽的结构设计 如图3 1 5 为密封条槽的结构设计，其设计原则和方法适用于菇头卡口类功 能块，功能块在各段中的截面图形相对于制品图形的尺寸变化如下： 口模尺寸：卡口尺寸一0 6 ，卡口厚度+ 0 1 ，蘑菇头半径+ 0 2 ，与插入点 # 关联的平直段向外+ 0 1 ： 预型尺寸：与口模尺寸一致，对于与外壁关联的尺寸相应增大或缩小o 1 ； 一节定型：卡口尺寸不变( 或一o 2 ) ，卡口厚度+ 0 3 ，蘑菇头半径不变， 其中与外壁平直度关联的尺寸下沉或上抬o 1 0 ，内腔尺寸相应减小o 1 0 ； 二节定型：卡口尺寸两边各一0 1 ，卡口结构简化成方形，卡口厚度+ o 3 ， 蘑菇头半径一0 2 ，其中与外壁平直度关联的尺寸下沉或上抬0 0 5 ，内腔尺寸相 应减小0 0 5 ； 三节定型：卡口尺寸两边各一0 1 ，结构可以简化成方形凸台，凸台高度为 总高度一1 2 1 5 ，其中与外壁平直度关联的尺寸下沉或上抬0 0 5 ，凸台一边高度 相应减小0 0 5 。 ( 6 ) 搭接槽 图3 1 6 搭接槽的结构设计 如图3 1 6 为搭接槽功能块的结构设计，其设计原则和方法适用于双勾类功 能块，功能块在各段中的截面图形相对于制品图形的尺寸变化如下： 口模尺寸：确定两爪子的中心线尺寸( 随主框变化) ，爪子勾杆总长+ 0 3 ， 勾杆厚度尺寸一o 1 5 ，勾头厚度尺寸不变，勾头总长度+ o 1 7 5 ，两个爪子相同： 预型尺寸：与外壁关联的尺寸增大或缩小o 1 ，与口模相比勾拐拉直除去锐 角，并设计单独供料； 一节定型：两爪子的中心线尺寸+ 0 1 ，勾杆总长+ 0 2 ，勾杆厚度尺寸+ 0 2 ， 与主框平齐的一边不扩，向外拉斜0 2 ，勾头厚度尺寸+ 0 3 ，勾头总长度+ 0 2 ， 向外拉斜的勾头为+ 0 3 ； 二节定型：两爪子的中心线尺寸+ o 0 5 ，勾头部分简化成方型，总长+ 0 2 ， 勾头厚度尺寸+ o 3 ，勾头总长度+ 0 4 ，向外拉斜的勾头为0 3 ，勾杆厚度尺寸+ 母商 卜11 生 一 o o 一 一 0 4 ，与主框平齐的一边不扩，向外拉斜o 1 ； 三节定型：两爪子的中心线尺寸不变，简化成方型，外围最大尺寸与二节定 型相同，与主框平齐的一边不扩，向外拉斜0 0 5 。 因为卡口处供料不足，在预成型板上尺寸变化较大，具体如何变化，将在第 四章中进行讨论。 3 3 2 实际模具的测绘数据 在和企业的横向课题的研究过程中，对最新的国内外不同厂家不同系列的 模具进行测绘。由于本论文主要研究挤出模头中功能块成型结构的设计，口模和 预成型板上的结构设计对于型材制品的最终形状和尺寸具有重要影响。由图 3 1 2 、图3 1 3 、图3 1 6 中预成型板上的功能块结构可以看出，其结构形状往往有 较大改变，结构形状的改变是否合理将在第四章进行研究。因此，下面只列出功 能块在挤出模头口模中的数据，如表3 1 到表3 3 ，并对口模上功能块的的关键 尺寸进行对照，以检验前面提出的功能块设计方法和原则。 图3 1 7 玻璃压条槽 表3 1 玻璃压条槽的测绘数据 制品口模 格瑞纳( 6 5x j22 】l 推拉扇)y 15 55 _ 3 l 格瑞纳( 8 0 x 122 0 9 推拉底扇)y l s 25 0 2 铜陵( 8 0 推 x l22 2 5 拉底扇)y l5 55 1 8 建园( 8 0 推 x 122 0 8 拉底扇)y l5 55 2 9 7 1 6 所( 6 5 x 122 2 3 推拉扇)y l5 25 0 3 图31 7 为玻璃压条槽，其结构设计如图3 1 3 ，对比图3 1 3 的尺寸和表3 1 中的测绘数据，其中x 1 和y l 为配合关键尺寸。表3 1 中1 3 模的x 1 相对于制品 图形中的x i ，增加量分别为0 1 1i n t o 、0 0 9m m 、0 2 5 t i m 、0 , 0 8 帆和0 2 31 1 1 1 1 1 ，图 3 1 3 中口模的x 1 相对于制品增加o 1 5 栅，和测绘数据的误差有4 个在o 1m m 范 围内，只有一个误差大于0 1m m 。对于y l ，表3 1 中1 3 模的y 1 相对于制品减小 量分别为0 1 9m m 、0 1 8m m 、0 3 2m m 、0 2 1 咖和o 1 71 l n l ，图3 1 3 中y 1 相对于制 品减小o 2l n m ，和测绘数据的误差有4 个在o 1i m 范围内，只有一个误差大于o 1 圈3 ，1 8 搭接槽 表3 2 搭接槽的测绘数据 制品口模 格瑞纳( 1 0 0 推拉框)x 3 3 22 8 2 格瑞纳( 9 0 平底框) x 33 22 8 l 格瑞纳( ( 8 0 推拉拉框) x 33 22 8 3 铜陵( 8 0 推拉框)x 33 22 7 4 图3 1 8 为搭接槽，其结构设计如图3 1 6 ，对比图3 1 6 和表3 2 中搭接槽的 测绘数据，x 3 为关键尺寸，表3 2 中1 3 模的x 3 和制品的x 3 相比，减小量分别 为o 3 8r l l l l l 、o 3 9m i l l 、0 3 71 1 1 r n 和0 4 6 唧，图3 1 6 中口模的x 3 比制品小o 3 5n l m ， 和测绘数据的误差有3 个在0 1m 范围内，只有1 个误差大于o 1 眦。 图31 9 密封条槽 表3 3 密封条槽的测绘数据 制品口模 铜陵( 7 5 推拉扇) x 13 12 5 5 建园( 7 5 推拉底扇) x 13 12 5 3 7 1 6 所( 7 5 推拉底扇) x 13 12 5 2 图3 1 9 为密封条槽，其结构设计如图3 1 5 ，对比图3 1 5 和表3 3 中密封条 槽的测绘数据，x 1 为关键尺寸，表3 3 中口模的x 1 和制品的x l 相比，减小量 分别为0 5 5m m 、0 5 7 姗和0 5 8 姗，图3 1 5 中口模的x 1 比制品的x 1 小0 6 唧， 和测绘数据的误差都在0 1m 之内。 由于测绘受到客观条件的制约，只能给出以上几种功能块数据。从以上功能 块口模图形尺寸的对比可以看出，根据前面提出的设计方法得到的功能块设计尺 寸和测绘数据的变化趋势是一致的，大部分的误差在允许的范围( 0 i 0 咖) 之内，只有很少一部分设计尺寸和测绘数据的误差大于o 1 咖，原因可能是测绘 数据带来一定的误差。因此，前面提出的功能块口模图形的设计方法和原则，可 以用来指导功能块的口模形状设计。功能块在其它段中的设计方法和原则，在实 际生产设计中都得到了很好的验证，可以用于指导功能块的设计。 功能块的设计除了各段功能块截面形状的设计之外，还要计算口模和预成型 段的平直段长度，以确保模头流道各部分的压力降大致相同，以及口模出口处， 功能块部分和主框部分的平均流速大致相当。目前，关于主框平直段长度的设计 计算已经比较成熟，而功能块部分的平直段长度计算没有成熟的算法可循，大多 是依靠经验估算和多次试模才能最终确定。另外，对于功能块的部分变形，还可 以利用软件进行计算以确定变形是否合理，这些将在第四章中进行举例说明。 第四章f l o w2 0 0 0 软件在功能块设计中的应用 41 数值模拟技术和有限单元法的简介 在工程技术领域中有许多力学问题和场问题，例如固体力学中的应力应变场 和位移场分析、传热学中的温度场分析、流体力学中的流场分析以及电磁学中的 电磁场分析、震动模态分析等，都可以看作是在一定的边界条件下求解其基本微 分方程的问题。虽然人们已经建立了它们的基本方程和边界条件，但只有少数简 单的才能求出其解析解。对于那些数学方程比较复杂，物理边界条件又不