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文档简介

捅要 手两姜 尼龙薄片材制品具有优越的综合性能、应用广泛,但由于尼龙熔点温度范围 较窄、粘温关系特殊,尼龙片材难以采用国内现有成型工艺和装备进行高精度成 型加工。 本文以尼龙6 片材为成型加工对象,首次提出挤出压延复合成型新工艺用于 其成型加工。设计了挤出压延复合成型新装备,试制了装备的生产样机;对新工 艺过程中的片胚挤出与下垂、压延成型两个主要成型过程进行了数值模拟与综合 分析;研究了复合工艺过程中主要工艺参数对成型质量的影响规律:根据分析结 果确定了生产样机的工艺参数选取范围,并通过了试生产验证。主要内容如下: ( 1 ) 在综合分析多种机械系统及控制系统可行性组成方案的基础上,根据 复合成型工艺的需要,确定了尼龙片材挤出压延复合成型生产线的设计方案。装 备的机械系统由单螺杆变频调速挤出机、流线型片材挤出机头和具有大温度调节 范围的等径等速变频调速压延机组成。控制系统采用可扩展的分立控制方式。 ( 2 ) 运用p o l y f l o w 软件从流变学、热力学角度对成型工艺过程进行了 有限元分析。提出并采用新的流道设计方法设计了流线型歧管衣架式片材挤出机 头。对七个流道模型内的三维挤出流动过程进行数值模拟,分成三组进行单参数 对比,分析了三个主要结构参数与流速分布的关系。通过优化结构参数,获得了 挤出流动均匀性指数值达o 9 8 的良好口模。通过f e m 和正交实验法,分析 片胚从口模进入辊隙的过程中,粘度、速度、落差三个主要因素对片胚形变量影 响的主次关系及规律。最终得出在口模设计时需对片胚变形量做2 0 的宽度补 偿。压延过程是该复合成型过程的关键。对0 5 m m 和0 2 m m 尼龙6 片材压延过 程二维模型的流场和热场进行了耦合计算,研究了辊体温度、速度和片材厚度对 片材压延出口中间层温度的影响。复合工艺中,根据片材厚度的不同,辊筒温度 和速度参数的选取需限制在特定范围内,以使压延出口处材料的最高温度控制在 1 6 0 2 1 0 之间。 ( 3 ) 通过复合工艺简化实验、样机试生产和片材样品检测表明,工艺分析 中建立的理论模型是合理的,该工艺装备可加工出合格的尼龙6 片材制品。 本文关于尼龙6 片材成型工艺和装备的研究为类似工艺与设备的研发提供 了理论依据,具有应用和参考价值。 广东t 业大学t 学硕i :学位论文 关键词:工艺:装备;复合成型;挤出;压延;片材;尼龙 l l a b s t r a c t a b s tr a c t n y l o ns h e e tm a t e r i a lp r o d u c t s w i t hs u p e r i o r p e r f o r m a n c e a r ew i d e l ya p p l i e d h o w e v e r , w i t han a i t o wt e m p e r a t u r er a n g eo fn y l o nm e l t i n gp o i n ta n ds p e c i a l r e l a t i o n s h i pb e t w e e nv i s c o s i t ya n dt e m p e r a t u r e ,i t sd i f f i c u l tt op r o d u c eh i 曲一p r e c i s i o n n y l o ns h e e tw i t he x i s t i n gp r o c e s s e sa n de q u i p m e n ti nd o m e s t i c t a k i n gp a 6s h e e t a st h ef o r m a t i o no b j e c t ,e x t r u s i o n & r o l l i n gc o m p o u n d f o r m a t i o nn e wt e c h n o l o g yf o rs h e e tf o r m i n gw a si n t r o d u c e df o rt h ef i r s tt i m e t h e c o m p o u n d f o r m a t i o nn e we q u i p m e n tw a sd e s i g n e da n da p r o t o t y p e w a s t r i a l m a n u f a c t u r e d w i t hf e ma n a l y s i s ,t h em a i ns t e p so ff o r m i n gi nt h en e wp r o c e s s , f i l me m b r y oe x t r u s i o n ,f i l me m b r y of a l ld o w na n dr o l l i n g ,w e r ee s t a b l i s h e d l a w so f m a i np a r a m e t e r st ot h ef o r m i n gq u a l i t yw e r ea n a l y z e d p r o c e s sp a r a m e t e r sr a n gf o r t h e p r o t o t y p e w a sd e t e r m i n e d ,t h e r a t i o n a l i t y a n d v a l i d i t y w e r ev a l i d a t e d e x p e r i m e n t a l l y t h em a i nr e s e a r c ha sf o l l o w s : ( 1 ) a c c o r d i n gt ot h en e e d so ft h en e wp r o c e s s ,b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ef e a s i b l e c o m p o s i t i o np r o p o s a l so f m e c h a n i c a la n dc o n t r o ls y s t e m ,t h ed e s i g np l a nw a sm a d e f o rt h ee x t r u s i o n & r o l l i n gc o m p o u n df o r m a t i o nl i n e t h em a i np a r to ft h en e w e q u i p m e n tw a sc o m p o s e db yt h ev v v fs i n g l e s c r e we x t r u d e r , s h e e te x t r u s i o nm o l d a n dv v v fr o l l e r t h ec o n t r o ls y s t e mu s e dt h ee x p a n d a b l es e p a r a t i o nc o n t r o lm o d e ( 2 ) w i t hf e ma n a l y s i s ,t h em a i ns t e p so fp r o c e s sw e r ea n a l y z e df r o mr h e o l o g ya n d t h e r m o d y n a m i c sp o i n t so fv i e ww i t ht h ep o l y f l o ws o f t w a r e an e ws t r e a m l i n e f o r mb r a n c hp i p er u n n e rc o a t - h a n g e rs h e e te x t r u s i o nd i ed e s i g nm e t h o dw a s p r o p o u n d e d t h e3 df l o wi nt h ed i ew a sc a l c u l a t e d t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e t h r e em a i ns t r u c t u r a lp a r a m e t e r sa n dt h ef l o wv e l o c i t yd i s t r i b u t i o nw a sc o m p a r a t i v e a n a l y z e d ag o o de x t r u s i o nd i ew i t hh i 曲f l o wu n i f o r m i t yw a sd e s i g n e db ys t r u c t u r a l p a r a m e t e r so p t i m i z a t i o n t h ef l o wu n i f o r m i t yi n d e xu iu pt oo 9 8 w i t ho r t h o g o n a l e x p e r i m e n t a lm e t h o da n df e ma n a l y s i s ,t h ei n f l u e n c eo ft h et h r e em a i nf a c t o r s ,t h e m e l tv i s c o s i t y , t h ee x t r u s i o nv e l o c i t ya n dt h ef a l ld i s t a n c e ,o nt h es h e e te m b r y os h a p e d e f o r m a t i o nw e r ea n a l y z e d ,a n dp r i m a r ya n ds e c o n d a r yr e l a t i o n sa n dr u l ew e r e s t u d i e d o b t a i n sf i n a l l y , d u r i n gt h ee x t r u s i o nm o l dd e s i g n ,2 0 w i d t hc o m p e n s a t i o n m u s tb em a d et ot h ep i e c ee m b r y oa m o u n to fd e f o r m i t y t h ed e f o r m a t i o na n dp h a s e t r a n s i t i o no fs h e e ti nt h er o l l i n gw a st h ek e yt of o r m i n gp r o c e s s u s e df e mt h e2 d m o d e l sf l o wf i e l da n dt h et h e r m a lf i e l dt ot h e0 5 m ma n d0 2 m mi nt h i c k n e s sn y l o n6 i i i 广东t 业大学t 学硕j :学位论文 s h e e tr o l l i n gp r o c e s s e sh a sc a r r i e do nt h ec o u p l i n gc o m p u t a t i o na n a l y s i s t h e i n f l u e n c eo ft h er o l l e rb o d yt e m p e r a t u r e ,r o l l e rs p e e da n ds h e e tt h i c k n e s st ot h es h e e t r o l l i n ge x p o r ti n t e r m e d i a t et e m p e r a t u r ew a ss t u d i e d t h en e wp r o c e s sp a r a m e t e r s b a s e so ns h e e tt h i c k n e s s d i f f e r e n c e ,t h er o l l e rt e m p e r a t u r ea n ds p e e dh a v et h e d e t e r m i n a t i o np a r a m e t e re s t a b l i s h m e n ts c o p e i nt h es e n a t en u m b e rf i e l dt h er o l l i n g e x i tm a t e r i a l sm a x i m u mt e m p e r a t u r ec o n t r o lb e t w e e n16 0 。ct o210 。c ,t h i sw a st h e k e y t og u a r a n t e et h i sn e wf o r m a t i o n p r o c e s ss u c c e s s ( 3 ) t h ep r o t o t y p i c a lt r i a lm a n u f a c t u r i n ga n dt h es h e e ts a m p l e se x a m i n a t i o nd a t a i n d i c a t e dt h a tt h ee q u i p m e n ts t r u c t u r a ld e s i g na n de q u i p m e n ts e l e c t i o n ,t h em o d e l s e s t a b l i s h e di nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sw e r er e a s o n a b l e q u a l i f i e dp a 6s h e e tp r o d u c t s c o u l db ep r o d u c e dw i t ht h ee q u i p m e n ta n dp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y t h i sn e wt e c h n o l o g ya n de q u i p m e n t sr e s e a r c ha n dd e s i g nc a np r o v i d et h et h e o r y b a s i sa n dt h ea c t u a lr e f e r e n c ef o rs i m i l a rt e c h n o l o g ya n de q u i p m e n t sr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t k e y w o r d :p r o c e s s ;e q u i p m e n t ;c o m p o u n df o r m a t i o n ;e x t r u s i o n ;r o l l i n g ;s h e e t ;n y l o n i v b 宽度 c 比热容 c v 定体积比热容 c p 定压比热容 e 。粘流活化能 f 力 f 频率 h 焓 g 重力加速度 i 传动比 k 热导率 k 系数 l 长度 m 扭矩 m e 挤出产能 m 质量 n 电机级数 n 幂律指数 p 功率 p 压力 q 热量 r 半径 物理量名称及符号表 物理量名称及符号表 s 厚度 s i n 入辊厚度 s o u t 出辊厚度 s r 辊筒间隙 t 温度 t g 玻璃化转变温度 t m 熔点 t 0 特定温度 u i 流动均匀性指数 v 速度 v 体积 口歧管偏角 口r 移动因子 1 3 歧管锥度 7 切变速率 7 7 口表观粘度 7 7 0 零剪切粘度 7 7 无穷剪切粘度 p 密度 ( i ) 转速 缈超前系数 r o 歧管起始半径 v 哈密尔顿算子 v 独创性声明 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德,本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知,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表或撰写过的研究成果,不包 含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明,并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的,论文 成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处,本人承担一切相关责任,特此声明。 论文作者签名: 主l 燧轹飞m 第一章绪论 1 1 课题来源与应用前景 本课题来源于广州现代塑料有限公司与广东工业大学签订的委托项目,项目 编号:企2 0 0 7 0 0 4 。项目要求成型的尼龙薄片厚度范围为0 2 m m 一0 6 砌、厚度精 度0 0 5 n ,成品宽度为3 条8 0 唧条料。尼龙片材挤出压延复台成型新工艺及 新装各研究可有效解决高精度尼龙片材加工的难题,保证产品质量,降低生产成 本。 尼龙聚酰胺( 队) 是最重要的工程塑料之一,其片材产品在机械、电 子及汽车工业等领域有广泛的应用前景。尼龙的产量在五大通用工程塑料中居首 位2 0 0 7 年中国工程塑料消费量已达1 8 4 万吨,到2 0 1 0 年国内工程塑料需求还 将继续增长,其中尼龙约占总量的1 4 ”。片材制品作为塑料制品中的一大类 其需求量也在不断增长。2 0 0 5 年欧洲片材需求产量达到4 0 0 万t ,其中约2 3 用作包装材料。据美国市场研究机构f r c e d o n i a 集团发布的美国塑料片材需求预 测报告,今后几年美国市场对塑料片材的需求将以年均3 的速度增长,2 0 1 1 年 塑料片材总需求量将达到3 4 9 万吨,市场总价值7 2 亿美元l 。尼龙6 的最大消 费市场在汽车行业。2 0 0 2 年德国s u s t a p l 拈t 与德国b a y e r 合作生产2 - 6 m m 玻纤强 化尼龙6 标准片材,瞄准汽车工业热成型材料市场,用于生产发动机机罩、隔音 嵌板及运动车身底板嵌板等,成为填补高性能半成品领域空白的产品。e n s i n g e r 公司推出一种可热成型的尼龙6 片材,具有改进的力学性能和热性能,其用途包 括汽车空气阀、散热器罩、水箱、引擎盖等。采用以尼龙薄片为强力层的片基复 合胶带,可用于高速的磨床、电影放映机、精 密包装机等高速装置的传动。由此可见尼。 艄:譬:要纂纛刺眠塑。嗒,j 。 尼龙片材成型技术装备发展环境良好。塑 一 _ 蛰。 料工业已成为我国国民经济重要的支柱产业j ,气。 之一,国内塑料加工机械产量位居世界第一, 我国正在成为全球“塑料价值链”中极为重要 的一环盯1 。圈1 - 1 微电机尼龙片材零件 f i g1 - 1n y l o ns h e e t p a r t s o f m i c r o m o t o r 广东1 二业人学t 学硕 :学位论文 1 2 塑料片材成型方法与设备 塑料薄膜与片材常可用相同设备进行生产,二者之间并无明确的界线,一般 用厚度进行区分。膜片材属于( o 0 2 m m , - , o 2 m m ) 比较薄的厚度范围时,经常被 称为f i n ef i l m 或t h i nf i l m 引。根据膜片材厚度和用途的不同采用不同的工 艺,可以生产不同类型的制品,即:超薄膜( 0 0 1 m m - - - 0 0 5 m m ) ,较厚的膜 ( o 1 m m 0 4 m m ) 和热成型用片材( o 2 m m - 2 5 r a m ) 。对于未取向膜片材可在如 下不同设计的生产线上生产【9 】: 流延薄膜生产线,又称冷辊生产线,薄膜厚度从0 0 2 m m - - , o 0 5 m m ; 片材厚度从0 2 m m - 2 m m 的平膜生产线; 片材厚度从0 0 5 m m , - , o 8 m m 或l m m 的压延生产线; 片材厚度从0 2 m m - 2 m m ,片材从2 m m 到大约2 5 m m 的挤出生产线。 其中流延膜的厚度可从l ol am 1 5 0l am ,特殊用途的流延膜厚度甚至可能达 到4 0 0 i im ,可用于p a 6 包装膜的加工。平缝口模可以挤出的制品种类很多,厚 度范围也很大,可以从1 0um , - , 2 5 0 0l am ,其中又可分为平膜、热成型膜、拉伸 薄膜。p a 6 适合作为于挤出平膜和拉伸薄膜的原材料。压延线上的材料为软的、 半刚性和刚性p v c 。其它用于膜、片材生产的方法有:挤出吹塑薄膜、共挤出 吹塑薄膜。其它可用于尼龙薄片材加工的方法还有挤出片材拉伸法,甚至小批量 小规格的棒材车削法。 塑料加工新工艺、新技术重点是挤出、注射、吹塑、流延、热成型等几大基 础加工工艺。这些不短融入高新技术的“老旧工艺使传统加工技术在不段革新 【1 0 】。片材挤出成型中,片材厚度的均匀性、挤出机工艺控制系统及测量装置受到 重视。压延机的发展方向主要进一步向大型化、高精密化、高效化、多用化方向 发展。在滚筒结构及温度控制系统、传动及控制系统、液压控制系统、供料系统 等方面都得到了不同程度的发展,以实现连续自动化生产,从而降低成本,减轻 劳动强度,提高产品质量。其中新设计的压延生产线供料系统有采用连续混炼机 并配置宽幅片材机头来进行定量供料,来提高薄膜厚度的均匀性【1 1 】。 1 2 1 膜片材挤出成型工艺与成型设备 平膜挤出的基本原理是:将在挤出机中已经塑化均匀的塑料熔体挤出平缝型 口模、然后开始冷却、并与冷却辊接触而固化。最后裁剪成一定宽度,卷曲成卷。 2 第一苹绪论 根据工艺特点可以分为:冷辊流延法和挤出压光法。超薄膜和较厚的膜都可以用 冷辊流延法生产;而厚度在0 3 r a m 以上的热成型片材则用挤出压光法生产。在 挤出压光生产线中塑料熔体与冷却辊接触,而冷却辊与其它辊形成一个具有一定 光洁度的间隙。 冷辊流延工艺为聚合物的选择提供了更大的适应性,并且生产效率更高,产 量更大。某些材料,例如聚丙烯膜、聚酰胺膜和聚酯膜加工的通用方法甚至是惟 一的方法就是冷辊流延法。冷辊流延法挤出平膜的工艺控制参数有,挤出机螺杆 转速、口模背压、过滤网背压、机筒温度、物料( 除湿处理等) ;流延辊温度、 速度:收卷张力。 对于热成型片材的挤出,既可以用上述的方法生产,也可以用挤出板材所用 的挤出压光法生产【1 2 】。热成型的膜、片的主要原料是:s b 、p p 、a b s 、h d p e 等,特殊结构生产线也可以用于加工p e t 和硬质p v c 薄膜。挤出压光法挤出平 膜的主要工艺控制参数:挤出机螺杆转速、口模背压、过滤网背压、机筒温度、 物料( 除湿处理等) ;压光辊牵引速度、速比、辊温度。 挤出法是生产板、片材最简便的方法。与其他成型方法相比,挤出成型具有 生产连续化、应用范围广,生产线所用设备相对简单、一机多用,投入成本较压 延法、层压法低的特点,板材、片材有较好的力学性能、光学性能,但厚度的均 匀度方面挤出片材不如压延片材。与层压法相比,挤出法成型板材的生产效率要 高的多。由于流延膜厚度和挤出片厚度精度受限制,不能满足高精度尼龙片材成 型的要求。 片材挤出成型设备包括主机和辅机两部分。主机由挤出系统、传动系统、加 热冷却系统组成。辅机组成根据制品的种类而定,通常由机头( 口模) 、定型装 置、冷却装置、牵引装置、切割装置、堆放或卷取装置。近代的挤出生产线还有 更为复杂的压力、尺寸和形状各方面的检测、反馈和自动控制系统,这些技术往 往和计算机在线监测技术相结合,推动了挤出工程与科学的发展。目前许多产品 的挤出成型技术已发展成为包括生产工艺和生产线设备在内的专门化成套技术。 虽然挤出成型新的加工方法和理论快速发展的时期已经过去,但在对这些技术的 运用中仍可以不断创新。 1 2 2 膜片材压延成型工艺与成型设备 压延和片材挤出生产线的共同特点是叠辊机构。但是挤出生产线上进行的压 3 广东下业人学r t 学硕1 :学位论文 延功能与压光功能是不同的。在压延线上加工的材料大多数是热塑性非晶态塑料 【1 3 】,如软的、半刚性和刚性p v c 。此外,辊子的数量和排列、辊子长径比、操 作负荷、温度控制,辊子支承和辊轴位移量及利用率都是有区别的。不同叠辊机 的处置是和每种材料的加工特征相匹配的。压光辊喂入来自缝口模头挤出的粘弹 熔体,为获得高质量的薄膜和片材,在挤出机中一定要取得熔体的完全塑化、分 散和均一,并且成品料片一定要在缝口模头中稳定成型和无脉动。压延是将已经 塑化好的接近粘流温度的热塑性塑料通过两个以上相向旋转着的水平辊间隙,使 物料承受挤压和延展作用,而使其成为规定尺寸的连续片状制品的成型方法。因 此单一的压延工艺不能适应尼龙片材成型的要求。 压延过程可分为前后两个阶段:前阶段是压延前的准备阶段,主要包括所用 塑料的配制、塑化和向压延机供料等:后阶段包括压延、牵引、轧花、冷却、卷 取、切割等。由于加工设备和生产情况不同,采用的压延工艺路线各有差异。 压延机主要由机座、机架、主轴承、辊简、辊筒调节装置、轴交叉和预应力 装置、卷取装置、金届检测装置、测厚装置、传动系统、润滑系统、加热和冷却 系统等组成。其设备的结构形式多种多样,塑料制品行业一般根据一下两种方式 进行分类:一是按照滚筒的数量不同进行分类;二是按照滚筒的排列方式不同进 行分类。 压延成型在塑料成型中占有相当重要的地位。其特点是加工能力大、生产速 度快、产品质量好、能连续化地生产。主要缺点是设备庞大、投资高、维修复杂、 制品宽度受到压延辊简长度的限制等。另外生产流水线长、工序多。所以在生产 连续片材方面不如挤出机成型技术发展快。 1 3计算机辅助工程( c a e ) 与膜片材成型 1 3 1c a e 技术简介 c a e 是包括产品设计、工程分析、+ 数据管理、试验、仿真和制造的一个综合 过程,关键是在三维实体建模的基础上,从产品的设计阶段开始,按实际条件进 行仿真和结构分析,按性能要求进行设计和综合评价,以便从多个方案中选择最 佳方案,或者直接进行设计优化。c a e 软件是结合计算力学、计算数学、相关的 工程科学、工程管理学和现代计算技术,而形成的综合性、知识密集型信息产品。 计算机模拟分析通过各种数值计算方法对整个求解空间做离散处理,通过划分网 4 第一币绪论 格作局部线性化近似,把求解非线性偏微分方程约化为求解每一时刻的线性方程 组,之后再依照一定的初始条件或边界条件进行求解。工程中应用的c a e 软件大 体可以分为专用和通用两类。专用软件是针对特定类型的对象所开发的用于性能 分析、预测和优化的软件。而通用软件是可以对多种类型对象的物理、力学性能 进行分析、模拟、预测、评价和优化,以实现产品技术创新的软件。 1 3 2 挤出成型c a e 技术的发展现状及趋势 挤出成型是聚合物材料最基本的成型方法之一,而口模又是挤出成型加工中 的关键。无论进行口模设计还是优化工艺条件,在工业生产中通常采用试算法, 新产品试制周期长,成本高。c a d c a e 技术的快速发展,尤其是商品化c f d 软 件的出现,使得人们能够数值模拟口模中熔体的流动情况,预测挤出成型质量。 挤出过程的数值模拟发展经历了聚合物模型从等温牛顿流体模型到非等温 非牛顿型流体的过程【悼1 5 】。螺杆挤出的数值模拟也逐渐由简单的挤出传递现象模 拟转向双螺杆复杂挤出流动模拟,几何模型由二维发展为三维实体模型。对双螺 杆挤出机所进行的数值模拟研究,国外一直处于领先地位【幡1 7 】。而这方面国内起 步较晚,近年来,北京化工大学的研究人员对双螺杆挤出机在等温情况下的流场 做了一些研究工作【1 8 。2 0 】。彭炯等使用p o l y f l o w 对同向旋转双螺杆挤出机在非 等温情况下的流场进行了一系列的数值模拟研究【2 m 3 1 。国外近年来已开始大量运 用各种专用的c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 软件来对口模进行流动分析 和优化设计。国内,郑州大学的申长雨、陈静波等人在塑料异型材挤出模c a e 方面做了很多有意义的工作【2 睨6 1 。北京化工大学的朱复华和华南理工大学彭玉成 等人在聚合物加工可视化技术、挤出成型基础理论及应用方面进行了大量的研 究,为挤出模的设计提供了理论参考2 7 。2 们。 现在可用于挤出机、机头和辊隙内熔体流动模拟分析的软件包 有:p o l y f l o w , f i d a p , a n s y s ,f l o w 2 0 0 0 等。其中p o l y f l o w 是软件中专门 针对粘弹性流体的特点而开发的求解器,求解效率高,计算稳定。特别适合于聚 合物成型加工、玻璃工业及食品行业中粘弹性材料的流动模拟。它在塑料成型工 业中的应用包括挤出成型、吹胀成型、拉丝、层流混合、涂层过程中的流动、传 热和传质问题。运用p o l y f l o w 软件进行挤出成型的模拟研究,与其它流行的 c f d 软件相比具有非常明显的优势。在国内该软件的应用也越来越受行业人士 的关注【3 0 3 5 1 。 5 广东t 业人学工学硕t :学位论文 1 3 3p o l y f l o w 软件介绍 计算流体动力学是通过计算机来数值计算并图像显示计算结果,对包含有流 体流动和热传导等相关物理现象的系统进行分析。可以看作是在流动基本方程 ( 质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程) 控制下对流动的数值模拟。通 过这种数值模拟,可以得到及其复杂问题的流场内各个位置上的基本物理量( 速 度、压力、温度、浓度等) 的分布,以及这些物理量随时间的变化情况。聚合物 流体在流经模具流道过程中,通常表现为非牛顿流体特征。其可以分为粘性系统、 有时间依赖性系统和粘弹性系统三类。其中粘性系统对于模具设计关系最密切。 p o l y f l o w 软件是基于有限元法的计算流体动力学软件,专用于粘弹性材 料的流动模拟,属于世界著名的流体分析软件公司f l u e n t 。p o l y f l o w 具有 强大的解决非牛顿流体以及非线性问题的能力,可以解决聚合物、橡胶、食品、 玻璃等加工过程中遇到的等温非等温、二维三维、稳态非稳态的流动问题。并 且p o l y f l o w 软件的升级和非牛顿流体力学数值模拟技术的发展密切相关,它 集成了当今最新、最完善而适当的运算法则,它的本构方程也是基于该领域最新 的研究成果。相比其他c f d 软件,p o l y f l o w 具有如下优点【3 6 】。: ( 1 ) p o l y f l o w 采用变形网格、接触算法、网格重叠技术,提高了计算的准确 性。( 2 ) p o l y f l o w 与g a m b i t 、i d e a s 、p a t r a n 有良好的数据接口,支持 多种网格类型。( 3 ) p o l y f l o w 在模拟复杂的流变特性流体或粘弹性流体时, 主要有3 种模型:广义牛顿模型、屈服应力模型和粘弹性模型。p o l y f l o w 软 件由g a m b i t 、p o l y m a t 、p o l y d a t a 、p o l y s n 玎、f l e n t p o s t ( f i e l 、,w ) 五个模块组成,它们由主控程序p o l y m a n 来执行。 1 4 尼龙片材成型工艺难点 尼龙大多数品种为结晶型聚合物【3 7 】,具有一定的熔点温度范围。但与其它结 晶型高分子材料比较,其软化、熔点温度范围较窄,p a 6 熔点范围为2 2 0 2 2 5 * ( 2 , 并因产地、品种、批次的不同有所变动。其粘度与温度之间亦表现为显著的非线 性,在熔融温度范围,粘度随温度升高而急剧下降。进入流动状态后,其极低的 熔体强度,导致成型过程难以控制。传统的片材成型工艺难以适应0 2 m m - 0 6 m m 高精度尼龙片材成型的要求。 在传统片材热成型工艺中,要维持适合连续生产的尼龙6 粘度和熔体强度难 6 第一苹绪论 度非常大。挤出后的尼龙熔体未进入结晶温度范围时极易变形,挤出片材厚度难 以保证;压延方法不能适应结晶性聚合物的塑化过程要求;流延工艺不能满足薄 片材的厚度要求;吹塑薄膜厚度一般在0 2 5 m m 以下;挤出厚片拉伸法在拉伸过 程中会导致较大的残余应力,导致拉伸后的薄片材翘曲变形大、平直度型3 8 l :棒 材车削法显然不能适应市场对片材规格和量的需求。这些源于材料和设备的原 因,使尼龙薄片材难以采用传统的挤出、流延、压延工艺和设备进行成型加工。 现在国内所使用的尼龙膜片材基本为进口片材或国产挤吹膜、进口改性原料挤出 片材。国外在尼龙片材加工上,一方面对尼龙原料进行改性,通过添加助剂增强 材料挤出加工性能;另一方面,他们采用先进的加工及测控手段使其设备控制精 度更高,稳定性更好。 要解决尼龙片材的成型加工难点,从加工工艺角度只有根据高分子材料粘温 关系,通过对材料温度的控制达到控制材料熔体粘度和强度的目的,从而改善其 可成型加工性能。通过新工艺将尼龙片材成型加工过程中的熔体温度控制、物料 均匀分配及最终成型定型步骤分解开,降低成型过程的控制复杂程度和对设备的 要求。 1 5本课题研究的主要内容和目的 1 5 1 主要研究内容 本研究源于企业委托项目,以0 2 m m 一0 6 m m 尼龙6 ( p a 6 ) 片材为被加工的 对象,以尼龙片材的成型加工新工艺、新装备及工艺参数的设置为主要研究内容。 ( 1 ) 从材料成型特性出发,通过对p a 6 实验测定和成型性能参数的分析,提出 0 2 m m 0 6 m m 薄片材采用挤出压延复合成型新工艺进行成型加工。( 2 ) 通过新 工艺的简化物理模型实验( 见4 1 节) ,初步验证了新工艺的可行性,并确定了 新工艺中p a 6 熔体的加工温度范围。证明通过对材料温度的准确控制来控制材 料的粘度和熔体强度是解决p a 6 片材加工的有效途径。( 3 ) 根据新工艺的需要, 设计尼龙薄片材挤出压延复合成型新装备,并根据实际情况对成型装备的关键组 成部分进行样机试制。( 4 ) 运用p o l y f l o w 数值模拟软件分别对p a 6 在口模内 的挤出流动、挤出后下垂变形和压延成型三个过程中的流动场、热场等进行了数 值分析。据此设计高挤出均匀性的片材挤出机头;获得片胚下垂变形量与工艺参 数之间的关系;获得压延设备及工艺参数对压延成型过程的影响规律;确定新工 7 广东t 业人学t 学硕f :学位论文 艺中的工艺控制参数。( 5 ) 通过一系列的实验,对新装备及工艺控制参数进行实 验验证分析。( 6 ) 对产品片材厚度的一致性进行的测量和评估。 1 5 2 本课题研究目的、意义 旨在通过对尼龙薄片材挤出压延复合成型新工艺及新装备的研究,解决尼龙 片材加工的工艺难点、相应工艺装备设计和工艺参数设置等问题。从材料成型加 工特性出发,以材料性能参数及片材产品规格要求为基础,确定了新工艺过程中 材料的加工温度范围,是该种新工艺运用的先决条件。设计了挤出压延复合成型 新装备及其控制系统,满足新工艺实际应用的需要。提出了简单而实用的片材挤 出流道设计方法。运用这一方法设计了具有良好挤出均一性的口模,简化了成型 性能良好的平缝口模设计过程,缩短工程周期。分析了挤出片胚( 帘流) 在自身 重力作用流变条件下,悬挂长度、物料粘度及挤出速度对片胚变形量的影响关系。 从而得出片材宽度与设计口模宽度之间的关系,为不同宽度p a 6 片材的挤出口 模设计提供指导。通过对压延过程进行数值分析,获得了压延过程中熔体流动状 况、温度分布数据,为压延工艺参数的设定提供理论依据。通过实际验证,进一 步肯定了尼龙薄片材挤出压延复合成型新工艺的可行性和可操作行。研究成果能 为结晶型高分子薄片材,尤其是低熔体强度的高分子材料的薄片材加工设备开发 提供实际参考,为新加工工艺定制提供可靠的理论指导和依据。 8 第二章挤j f :压延复合成型新装备 第二章挤出压延复合成型新装备 尼龙薄片材挤出压延复合成型装备既是一条组合生产线,也是一个系统。从 系统总体的功能角度分析,可以用图2 1 表示。此系统需要具有利用输入的电能、 冷却水等,根据控制参数将物料塑化均匀成一定温度的熔体后,成型成一定形状、 尺寸的片材的功能。 输入:尼龙 输出: 原材料( p a 6薄片规格化产 颗粒料)材成品( 成卷尼 电能型系龙薄片材) 冷却水统热水 散失热量 控制参数 图2 - 1 尼龙薄片材成型系统功能 f i g2 - 1n y l o ns h e e tf o r m a t i o ns y s t e mf u n c t i o n 片材和热成型片材生产的挤出线,由于具有标准化组件设计、广泛的变异体 和先进的技术,可以满足生产与产品相协调的要求f 3 9 1 。通常片材生产线的主要组 成部分为:1 ,挤出机;2 、多层滑动套接的缝口模头或多层缝口模头;3 、各种 抛光堆叠形式( 水平或垂直方式,钢带) ;4 、冷却台:5 、牵引单元;6 、切割单 元( 纵向切割和横向切割) ;7 、堆垛系统;8 、收卷机( 单层或多层料片) ;9 、 压花站;1 0 、保护膜的层压设备;1 1 、自动化系统。 尼龙薄片才复合成型生产线的具体配置要与成型工艺、工序相对应,满足系 统功能的要求。依据被加工物料性质和成型工艺分析,新系统的总功能可以通过: 塑化挤出预成型、辊压定型、冷却、牵引、切割和卷取几个工序来实现。同时成 型装备的经济性也总是受多种因素左右。在本研究项目中,除生产线的自动化控 制系统外,根据成型加工的需要,装备的组成有如下备选方案: 方案一:挤出机+ 缝模机头+ 冷却装置+ 牵引装置+ 切割装置+ 卷取装置 方案二:挤出机+ 缝模机头+ 压光机+ 冷却装置+ 牵引装置+ 切割装置+ 卷取装置 方案三:挤出机+ 缝模机头+ 压延机+ 冷却装置+ 牵引装置+ 切割装置+ 卷取装置 方案四:挤出机+ 缝模机头+ 压延机+ 冷却装置+ 牵引切条装置+ 卷取装置 对比分析各方案: 9 广东工业人学t 学硕l :学位论义 ! ! ! ! 自= = 暑! e = = = = ! e ! 暑= 鲁! ! ! = ! ! ! = = = = = ! ! ! = ! = = 詈i ii e = 皇 方案一只通过缝模机头完成尼龙片材的成型和定型任务,尼龙熔体强度极 低,即使从机头挤出后立刻进入冷却设备也只能应用于薄膜的成型过程中,即冷 辊流延膜成型。不能适应片材的高精度加工。 方案二中采用缝模机头挤出片后通过压光机处理的办法来保证片材的成型, 但由于压光机自身的工作特点,其不能应用于需要大的辊压力的场合,通常只用 于改善片材的表面质量,而不用于改变片材的厚度。在尼龙冷凝的过程中,由于 其接近结晶温度后,强度急剧增加,从而对压光辊筒形成极大的分离力,对压光 辊及机器将造成不良影响。 方案三的组成形式能够满足设备成型工艺的需要,但生产线组成复杂,生产 线较长。 方案四与方案三相比,完成成型任务的组成部分相同,但将牵引装置和切割 装置的功能合为一体,有利于缩短生产线长度,并减少一定的设备控制参数,降 低控制系统在各环节速度匹配上的要求。 综合上述分析,根据整体方案四,此装备的组成具体为:挤出机、缝模机头、 压延机、冷却装置、牵引切割( 纵向切割去除边料) 装置、收卷装置及控制系统, 如图2 2 所示。 1 挤出机及机头、2 压延机、3 冷却水槽、4 牵引切割机、5 收卷机 图2 2 挤出压延复合生产线的组成 f i g2 - 2e x t r u s i o n & r o l l i n gc o m p o u n dp r o d u c t i o nl i n e sc o m p o s i t i o n 根据以上挤出压延复合成型装备组成及机械产品设计的一般要求,对新装备 设计作了如下具体要求: l 、 功能 主要功能:装备能实现p a 6 薄片材的成型加工,最终尼龙薄片宽度3 8 0 m m , l o 第_ 二荦挤出压延复合成型新装备 厚度可调范围0 2 m m - - 0 6 m m ,厚度公差o 0 5 m m 。 辅助性功能:本装备的挤出机经过适当调整后可用于混料、造粒及其它塑料 型材的挤出加工。 2 、适应性 装备本身符合加工厂运作环境,包括通常的环境温度、湿度、震动等周围环 境因素;加工适合于颗粒料、水口或产品破碎料的物料状态;适用于常用挤出原 材料品种的挤出加工,但不对需要排气的材料做要求。 3 、 性能 挤出机螺杆为直径5 0 m m 、长度2 5 d ,能满足被加工材料的输送和塑化要求; 挤出机螺杆速度调节范围大;采用交流变频调速电机作为动力,适合工业区电压 标准3 8 0 v 、5 0 h z ;叠辊压延机构辊间距连续可调。采用冷却水槽冷却。 4 、 生产率 挤出机挤出产能1 5 0 k g h ,压延产出速度1 2 r n m i n 。 5 、 可靠性 日常维护简便,维护费用低。 6 、 人机工程 要求设备运作方便,挤出机料筒中心离地高度1 米,控制面板操作舒适、外 形美观,仪表及安全警报可见性好。 7 、 安全性 运转部件外露部分不存在可能对周边人员形成危险的安全隐患。机器本身机 械、及电气部分具有过载保护及自锁等保护功能。 8 、 包装运输 在经济条件下尽量缩小占用厂房空间,装备各组成部件尺寸不能太大,且便 于安装调试及一般运输和移动布置。 装备的控制系统,尤其是现代化的自动控制系统,是保证设备正常稳定运行、 降低设备操作难度、改善工作环境的基本途径。根据生产线的组成和工艺

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