（机械工程专业论文）基于挤出流动模拟的塑料异型材同模异出模具设计技术研究.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 塑料异型材是通过挤出成型方法制得的非规则截面形状的塑料制品，其应用范围十 分广泛，尤以塑料建材领域最为典型。众所周知，在挤出生产过程中模具起着十分重要 的作用，它直接影响着型材制品的质量和生产效率。 “同模异出”挤出模具是指在同一台挤出机上，用同一套模具成型两种或两种以上 不同断面形状和尺寸的塑料型材制品的模具。因不同型材产品的截面形状、壁厚、米重 等各项指标的差异，在挤出流动过程中，必须保证合理的模具流道结构设计，以及能对 熔体的流速、压力进行有效的控制，才能实现两个完全不同的独立流道中的熔体达到流 动平衡，并使模具出口处的熔体流动速度相同，以保证型材产品的质量要求。 本文针对“同模异出”挤出模具设计的关键问题熔体流动平衡问题，通过应用 a n s y s 数值模拟软件对熔体在模头流道内的流动过程进行模拟仿真，获得“同模异出” 模具设计所需的熔体流动的速度场、压力场等数据，进而通过调整模具流道结构参数， 达到同模挤出不同型材制品时的熔体流动平衡，实现“同模异出”模具的合理优化设计。 首先依据塑料成型加工的基本理论，对挤出模头内塑料熔体的三维流动过程进行理 论分析。采用更适用于聚合物挤出流动分析的b i r d - c a r r e a u 流变方程，针对“同模异出” 模头复杂的三维流道结构特点，提出了一种适合于挤出流动模拟的分步单元网格划分策 略；其次通过采集生产实际中应用合理的流道截面数据，精确计算熔体流动仿真的初始 和边界条件，完成了塑料熔体在模头内三维流动过程的模拟分析。再依据模拟分析结果， 调整模头流道结构参数，确保不同模头出口处的熔体流动达到平衡。最后，通过制定合 理的模具制造工艺，完成了主材扇和窗框型材制品“同模异出”模具的制造，并在实际 挤出生产线上进行了挤出成型实验，通过合理调整挤出工艺参数，获得了符合制品质量 要求的型材制品。挤出成型实验结果表明，本文提出的基于流动过程仿真的“同模异出” 模具设计方法正确有效，能够满足型材制品的质量要求。 关键词；塑料异型材；同模异出；流动平衡：流动模拟 于庆安：基于挤出流动模拟的塑料异型材同模异出模具设计技术研究 s t u d y o nd e s i g nt e c h n o l o g yo fc o e x t r u s i o no fd i f f e r e n tp r o f i l e s b a s e do nf l o w i n gs i m u l a t i o n a b s t r a c t p l a s t i cp r o f i l ei sap l a s t i cp r o d u c tw i t hn o n - f o r m u l a 剐x = t i o nb ye x t r u s i o n i ti sa p p l i e di n m a n yf i e l d s , e s p e c i a l l yp l a s t i cw i n d o wa n dd o o r e x t r u s i o nd i eh a sa ni m p o r t a n te f f e c to n p r o d u c tq u a l i t ya n dp r o d u c t i o ne f f i c i e n c y , s oi ti sv e r yi m p o r t a n tt od e s i g ne x t r u s i o nd i e a c c u r a t e l y p l a s t i cp r o f i l ei sak i n do fp l a s t i cp r o d u c tw i t hn o n - f o r m u l as e c t i o nb ye x t r u s i o n i ti s a p p l i e dmm a n yf i e l d s ，e s p e c i a l l yc o n s t r u c t i o nm a t e r i a l s a si sw e l lk n o w n , d i ep l a y sa l l i m p o r t a n tr o l eo ne x t r u s i o np r o d u c t i o n e x t r u s i o nd i eh a sa no b s e r v a b l ee f f e c to np r o d u c t q u a l i t ya n dp r o d u c t i o ne f f i c i e n c y c o - e x t r u s i o no fd i f f e r e n tp r o f i l e s e x t r u s i o nd i e i n d i c a t e s d i ew h i c hi su s e df o r p r o d u c i n gp l a s t i cp r o f i l e 奶t ht w oo rm o r et h a nt w od i f f e r e n tc r o s s - s e c t i o n sa n dd i m e n s i o n s i nt h es a m ed i ea n dt h es a l l l ee x t r u d i n gm a c h i n e b e c a u s eo ft h ed i f f e r e n e ei nt h ep a r a m e t e r s b e t w e e nd i f f e r e n tp r o f i l e ss u c h 豇s e c t i o ns h a p e s ，w a l lt h i c k n e s s ，w c i g h tp e rm e t g ra n ds oo n , i nt h ep r o c e s so fe x t r u s i o n , b e s i d e sr e a s o n a b l es l z l l c t u r ed e s i g no ft h ed i ec h a n n e la n dc a v i t y ， t h ep r e s s u r ea n dv e l o c i t yo ff l o wo ft h em e l tm u s tb ee f f e c t i v e l yc o n t r o l l e d , t h e ni tc o u l db e a c h i e v e dt h a tm e l ti nt w o 曲s o l u t e l yd i f f e r e n ta n ds e p a r a t ec h a n n e l sf l o w si nc o u n t e r p o i s e , a n dg e t st h es a m ev e l o c i t yo ff l o wi nt h ed i eo u t l e lt oe n s l 1 l - et h eq u a l i t yr e q u i r e m e n t so ft h e p r o f i l e t 1 1 i sp a p e ra i m sa tt h ek e y p o i n to f c o - e x t r u s i o no fd i f f e r e n tp r o f i l e s d i ed e s i g n - m e l t f l o we q u i l i b r i u m , t h r o u g ht h es i m u l a t i o no ft h em e l ti nc h a n n e lo ft h et o o lb ya n s y s n m n e r i c a ls i m u l a t es o f t w a r e ，w ea c q u i r e dt h ed a t aw h i e hi sn e e di n c o e x t r u s i o no fd i f f e r e n t p r o f i l e s d i ed e s i g n , s u c ha sv e l o c i t y - f i e l da n dp r e s s l | r e - f l e l do ft h em e l t t h e nt h r o u g h a d j u s t i n gt h es t r u c t m - ep a r a m e t e r so ft h ed i ec h a n n e l ，i tw a sa c h i e v e dt h a tm e l tf l o w si n e q u i l i b r i u ma t t h ep r o c e s sw h i c hd i f f e r e n tp r o f i l e se x t r u d e db yt h e 戳l l n ed i e f e a s i b l e o p t i m i z a t i o no f t h e c o - e x t r u s i o no f t h ed i f f e r e n tp r o f i l e s d i ed e s i g nw a sa c c o m p l i s h e d f i r s t l ya c c o r d i n gt ob a s i ct h e o r yo f p l a s t i cm o l d i n gp r o c e s s i n g , w et h e o r e t i c a l l ya n a l y z e d t h e3 df l o wp r o c e s s i n go f t h e p l a s t i cm e l ti ne x t r u s i o nt 0 0 1 b e c a u s eo f t h a tt h e c o e x t r u s i o n o fd i f f e r e n tp r o f i l e s d i eh a sc o m p l e xf l o wc h a n n e l ，w ei n t r o d u c e das t e p - b y - s t e pm e s h i n g p r o c e d u r ew h i c hs u i t st h es i m u l a t i o no fe x t r u s i o n ，i nt h i sp r o c e d u r e , b i r d - c a r r e a ur h e o l o g y e q u a t i o nw h i c hi sm u c hs u i t a b l ef o rs i m u l a t i o no fp o l y m e re x t r u s i o nw a su s e d s e c o n d l y t h r o u g hg a t h e r i n gt h ed a t ao ft h ec h a n n e ls e c t i o nw h i c hv e r i f i e di na c t u a lp r o d u c t i o n , 一1 i 一 大连理工大学专业学位硕士学位论文 a c c u r a t e l yc a l c u l a t e dt h ei n i t i a lb o u n d a r yc o n d i t i o no f t h em e l t , a n da c c o m p l i s h e ds i m u l a t i o n a n a l y s i sf o rt h ef l o wp r o c e s s i n go ft h em e l ti nt h et 0 0 1 t h e na c c o r d i n gt ot h er e s u l to ft h e s i m u l a t i o na n a l y s i s ，s t r u c t t t r ep a r a m e t e r so ft h et o o lc h a r m e lw e l ea d j u s t e dt oe 1 1 s t l r et h a tt h e m e l ti nt h eo u t l e t so fd i f f e r e n tb r a n c h e sf l o wi ne q u i l i b r i u m f i n a l l y , t h r o u g he s t a b l i s h i n g r e a s o n a b l ed i em a n u f a c t u r et e c h n i c s ，w ea c c o m p l i s h e dt h ep r o d u c t i o no f c o - e x t r u s i o no f d i f f e r e n tp r o f i l e s d i ef o rp r i m a r yp r o f i l e so ft h ew i n d o ws a s ha n df r a m e t h e nw et e s t e dt h e d i ea la c t u a le x t r u d i n gp r o d u c tl i n e a n dg o tt h ep r o f i l ep r o d u c t i o n sw h i c hm e e tt h eq u a l i t y r e q u i r e m e n t sb ya d j l l s t o dt h ee x m a d i n ge l a f tp a r a m e t e r sr e a s o n a b l y 皿er e s u l to ft h e e x t r u s i o nt e s ti n d i c a t e st h a tt h ed e s i g nm e t h o do f c 0 e x t r u s i o no f d i f f e r e n tp r o f i l e s d i eb a s e d o l lf l o wp r o c e s s i n gs i m u l a t i o nw h i c hi n t r o d u c e di nt h i sp a p f i t i sc o r r e c ta n da v a i l a b l e ，t h e p r o d u c tc a nm e e t 也eq u a l i t yr e q u i r e m e n t so f t h ep r o f i l ep r o d u c t i o n p l a s t i cp r o f f l e ；c o - e x t r u s i o no fd i f f e r e n tp r o f f l e s ；f l o we q u i l i b r i n m ； f i o ws i m u l a t i o n i i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签施日期霉二f 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 导师签名：哥且鱼l 一 趟盘年包月t 日 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题背景 随着社会经济技术的发展，塑料已从代替部分金属、木材、玻璃及皮革等材料发展 成为在国民经济中与钢铁、木材、水泥三大传统材料并驾齐驱的重要材料。近十年来， 我国塑料工业发展迅速，塑料的应用已经普及到国民经济的各个领域，已经成为仪器仪 表、交通运输、无线电、电讯器材及日用品生产不可缺少的材料。特别是随着建筑行业 的不断发展，由于塑料不仅能代替金属和木材，而且具有许多优于金属和木材以及其它 传统材料的独特性能，使得塑料在建筑行业广泛应用。 塑料加工业起着连接原料和制品的纽带作用。塑料制品的成型加工方法很多，包括 注塑、挤出、吹塑、压延等等。其中挤出成型由于具有效率高、投资少、制造方便、连 续性生产和环境清洁等优点而成为塑料制品主要的成型方法之一，通过挤出成型生产的 塑料制品已广泛应用于农业、建筑、石油化工、轻工等国民经济的各个行业。据统计， 挤出制品的产量已占整个塑料制品种产量的4 0 以上。挤出成型模具几乎能够模塑成型 所有的热塑性塑料和某些热固性塑料，可以生产板材、片材、管材、棒材、带塑料包覆 层的电线电缆，以及其他各种截面形状一定和长度连续的塑料异型材。特别是门窗用塑 料异型材具有节能、省材、防腐、阻燃、隔音、美观耐用、施工便捷等一系列特点，使 其得到迅速地应用和推广，并且随着人们物质文化生活水平的提高，门窗用塑料异型材 将具有更加广泛的应用前景。 自1 9 5 9 年塑料窗在德国问世以来，世界各国紧随其后，使塑料门窗得到了迅速发 展。目前，欧洲塑料门窗的市场平均占有率已经达到5 0 ，木门窗占3 0 ，铝门窗占 1 2 ，钢门窗和其他材质的门窗只有8 ，塑料门窗的市场增长率年已超过4 5 。有资 料表明，目前全球的塑料门窗市场平均比例已经占3 7 以上。2 0 0 4 年全球门窗型材的 产量己达到3 3 0 万吨，丽市场需求量增加到4 1 0 万吨。专家预测，从2 0 0 3 年开始，塑 料门窗的平均增长率将以1 0 1 5 的速度继续增长。与国外相比，我国的塑料门窗的 研制和发展真正意义上的起步，还是2 0 世纪8 0 年代初期通过引进欧洲技术和设备基础 上建立和发展起来。随着国家政策导向和国内众多大型企业投入巨资引进先进设备和技 术，我国的塑料门窗行业走上了快速健康发展之路，目前已经成为技术配套较为齐全、 产品起点较高、生产规模庞大的新型建材行业。目前，我国塑料型材生产线达到3 7 0 0 条，年生产能力已突破1 8 0 万吨；组装门窗企业近万家，门窗生产能力超过2 亿平方米。 于庆安：基于挤出流动模拟的塑料异型材同模异出模具设计技术研究 塑料异型材在我国建筑业、房屋装修业、汽车制造等行业得到广泛的应用，尤其是 针对世界环保主题，以及对木材、金属等不可再生资源的保护规则，全世乔各国都在鼓 励推广高分子复合材料的应用，促使塑料异型材门窗行业迅猛发展，极大的推动了塑料 异型材挤出模技术的发展。但塑料异型材挤出成型过程复杂，涉及到高分子材料学、熔 体流变学、热力学、摩擦学、机械学等多种学科领域。塑料异型材挤出模的设计，是解 决塑料流动过程中的非牛顿特性以及物料型坯的离模膨胀、牵引变形和冷却收缩等综合 作用问题，并受挤出机组( 主要为螺杆、料筒) 、塑料配方( 包括配方组分和混合状况) 和操作工艺( 温度、速度、冷却水和真空度等) 等多方面的影响【l 4 1 。因而在塑料异型 材挤出模设计中需要考虑的参数很多，这些参数的选择对挤出制品的产量与质量都有很 重要的影响。 国产挤出模具与国外相比存在的差距，主要表现为：在生产效率方面，国外高速 多腔挤出技术已广泛应用，图1 1 和图1 2 分别为实现双腔挤出的挤出模头和定型模。 目前g r e i n e r 公司以1 6 0 平行双螺杆挤出机双腔主型材的线速度超过6 m r a i n ，单股主型 材挤出的最高速度可达1 0 r e r a i n ，玻璃压条采用四股挤出，百叶窗已经用八股挤出。国 产模具挤出主型材的速度在2 5 m r a i n 左右。在成型质量方面，国外挤出模具生产的 型材在尺寸精度、表面质量、物理性能等方面均表现出较高水平。在生产稳定性方面， 国外挤出模具可在3 至4 月内稳定生产，而国产模具一般不超过一个月型材就出现尺寸 波动大、壁厚不均匀、弯曲变形等缺陷。这也就是尽管进口挤出模具价格高出国产挤出 模具价格五六倍，甚至十多倍，每年还是大量进口挤出模具的原因。目前，我国较为著 名的挤出模生产企业，主要有安徽铜陵三佳模具有限公司、洛阳建园模具有限公司、北 京长城模具数控技术有限公司、湖北普辉塑料模具有限公司等，并且已经形成了相当大 的生产能力。到2 0 0 4 年底，国内生产的挤出模实际交付使用总数已超过5 千套；至2 0 0 6 年底，国内挤出模具出口量已达到1 5 0 0 多套，主要出口到欧美、日、韩、土尔其等国 家广泛应用。 图l i 双腔挤出模头 f i 9 1 1t h ee x t r u s i o nd i ew i t hd o u b l es e c t i o n s 图1 2 双腔挤出定型装置 f i 9 1 2t h ec a l i b r a t o r sw i md o u b l es e c t i o n s 大连理工大学专业学位硕士学位论文 挤出模具的设计要解决塑料流动的非牛顿特性以及模塑型坯的离模膨胀、牵引变 形、冷却变形和冷却收缩等综合作用的问题，并受到挤出机组、塑料配方和挤出工艺等 多方面的影响，因此，仅仅依靠简单的测绘仿制是很难真正设计出高质量的挤出模具。 尤其面对复杂的型材截面和原料配方的不断改进，就更加显现出理论和实验的缺乏。另 外，局限于感性的经验，过多的依赖于反复的调试和修模所造成的必然是较多的失败和 调试修模过程中大量的人力、能源、原材料的浪费，即使这样也很难设计制造出高质量 的挤出模。所以说，单纯地依靠测绘、仿制的方法，以技巧和诀窍的观点来对待进口挤 出模的技术引进，是难以获得挤出模设计制造的关键技术。挤出模的实践性很强，从世 界范围内来看，挤出模的设计至今还没有形成一个严格的理论体系和固定模式，这也更 加说明了进行挤出模基础理论研究和实验研究的重要性和迫切性。 1 2 课题研究意义 当前处于科技创新的时代，技术创新在产品中的价值份额愈来愈重，在有些产品中， 刨新技术起到了绝对主导地位。因此挖掘发现已有成功产品中的技术组成，发挥创新的 价值，并附着于该类产品及其相关生产中的技术，尤其是技术经验和理论知识结合后的 创新技术，是一项很有价值的工程研究。 在传统模具设计中，尺寸参数的选择都是凭经验确定，其合理性要通过实际生产来 校验和确定，模具要通过多次试模与修模才能达到制品要求。据统计，用传统经验方法 设计的模具，调试成本占到模具总成本的1 7 5 0 1 3 1 。因此很有必要通过c a e 技术的 研究与应用，实现在设计阶段就可以模拟挤出模的流道几何形状、成型工艺条件对制品 质量与成型效率的影响，分析螺杆的塑化能力，熔体在模头中的流动情况，预知流速分 布趋势、离模膨胀效应等。即将试模过程在计算机上完成，以帮助设计人员及时修改并 优化设计参数，提高首次试模的可靠性。制造工艺的不同决定模具最终的型腔尺寸及精 度；c a e 技术是对实际生产过程的仿真、分析，实现对设计的指导作用，而c a e 技术 得到应用的前提就是要建立挤出模模头的几何结构参数化模型。在异型材挤出模中，模 头的结构复杂，内部流道形状多变，其几何模型设计的合理性与高精度制造的一致性将 决定c a e 模拟分析的真实性。 挤出模具根据生产需要分为单腔和双腔挤出模具等类别，根据产品功能分为主材模 具和辅材模具，根据产品特点分为清白、p v c 共挤、p m m a 共挤模具等不同种类。 单腔挤出模具是用于单种型材产品的挤出生产，物料从挤出机挤出后，直接在独立 流道内，根据断面形状进行随模具截面连贯变化的连续性流动，整个流道的渐变趋势一 于庆安：基于挤出流动模拟的塑料异型材同模异出模具设计技术研究 致，型腔断面变化小，流动中独立的可控性。产品断面的壁厚统一，压力降、扭矩、模 具温度等挤出工艺条件的要求变化小，生产工艺完全独立控制。 双腔挤出模具是用于单种型材产品的双腔同步挤出生产，物料从挤出机挤出后，直 接均衡的分流，并进入完全相同的独立流道内，双腔各自根据断面形状进行相同的、断 面连贯的连续性流动，整个流道的渐变趋势一致，两个流道的完全相同，单个型腔断面 变化小，流动中相同的、独立的控制。产品断面完全相同，壁厚一致，压力降、扭矩、 模具温度等挤出工艺条件的要求变化小，生产工艺完全独立控制。 同模异出挤出模具是用于两种或两种以上的不同断面尺寸的产品，在同一台挤出机 上生产的挤出模具，因产品的断面不同，型状、壁厚、米重等各项差异，因此在同一台 挤出机的料流中，需要通过模具型腔流道的合理设计，根据产品的需要，对模具中料流、 压力、流速进行深度控制和有效调整，保证物料在两个不同的、独立的流道中达到流动 中渐变平衡，需要各单元流道系统内的压力降、流速等指标进行量化控制，使出离口模 的料流，流速相同，达到同步牵引、合格的物性指标等要求，离模膨胀系数平衡，保证 同模异出的产品的尺寸、物性等质标相同。 同模异出模具技术的实现是通过对挤出工艺参数的有效控制，模具流道设计的优化 处理，保证物料在型腔中合理流动等方面技术问题的细化和深入研究，涉及热力学、流 变学、速度变化率、高分子、机械工程等方面学科科学的支持。 同模异出挤出模具技术的实现，需要在单腔模具设计的基础上，对物料在模具中成 型过程中进一步控制，因此，不仅需要对物料的物性深入研究，更需要对模具温度、物 料流速、应力变化等性能进行分析和控制，需要对流道设计的合理性、三维建模的准确 性、制造工艺的精度和流动过程中仿真分析的准确性等方面的技术保证，使物料从挤出 机挤出后在两个独立的系统内进行有效成型，在出离机头模具的时候，两个不同断面的 物料，在各点流速、温度、物料密度、离模膨胀比一致，实现不同断面尺寸的产品，同 模异出挤出成型。 因此，流道设计、三维建模、制造工艺、流动分析四个方面是型材挤出模技术研究 和发展的关键，本课题主要针对模具在制造工艺和c a e 模拟流动分析两方面进行分析 和研究，实现不同断面产品、尺寸不同、壁厚不同，在同一挤出机生产。从而解决“同 模异出”的制造工艺不同对型腔尺寸精度的影响，实现对挤出生产的流动预测和仿真， 为设计和生产提供产前技术指导和技术支持。 随着异型材产品需求的单品工期短、周期内产品需求量大、品种变化多等特点，以 及连续性生产的特殊性，因而型材生产对水、电、气等能源的单机损耗大，使型材生产 更多的集中为周期短、品种多的集中生产，因此对一模双出、多出的设备和模具的需求 - 4 - 大连理工大学专业学位硕士学位论文 强烈，更多的制造厂家通过使用一模双出的模具提高生产效率，缩短制造周期、降低制 造成本，但因新产品的配套所需的系列产品的品种繁多，且更新较快，模具和生产设备 成本的投入仍是资本瓶颈，而如何更好的解决生产设备投入少，模具生产的可塑性高， 生产中产品匹配性强等一系列问题，成为现在更多型材生产企业主要考虑的问题。同模 异出技术的研究，是针对以上生产需求有效的解决方法之一。 目前，国内外挤出模具技术在实现模双出和多出方面已经实现，尤其是一模双出 技术趋于成熟，很多公司已经实现同种产品的一模双出，但不同断面尺寸的产品一模同 出技术，目前尚是空白。据与欧洲模具公司的技术人员交流中得知，欧洲某挤出模具公 司根据市场情况及需求，已经开始着手此项研究，但未见报道。 本课题研究的问题是实现不同产品的同模挤出，目前大连实德集团已决定将该项目 作为申请专利技术进行研究。 1 ，3 塑料异型材挤出模具技术的国内外研究概况 1 3 1 塑料异型材挤出模具技术国外研究概况 国外关于塑料挤出成型的基础理论研究一直很活跃，起步也较旱，从2 0 世纪早期 运用s l a bm e t h o d 、s l i p - l i n ef i e l dm e t h o d 到7 0 年代随着计算机的应用与普及，上界法， 有限元法，有限差分法等方法得到大量应用【4 l ，取得了很多研究成果，而这些研究工作 很大一部分是借助计算机来模拟挤出成型过程，得到相关的挤出成型理论，以指导实际 生产中的设备或模具设计与制造。目前已有一些c a e 软件问世，主要如下： e x t r o d - p c 软件是美国s c i e n t i f i c p r o c e s s 公司开发的挤出成型软件，可以模拟物料在 单螺杆挤出机中的输送情况，给出沿螺杆轴向各点物料的温度和压力，并在屏幕上显示 出熔融区和固态区的分布。此外该软件还有一个模拟熔体在机头中流动情况的模块 d i e d e s ，可以模拟机头结构及成型工艺条件对熔体流动状态的影响，以使挤出机和机头 得到最佳匹配，提高成型效率。 p a s s 软件是美国p o l y m e rp r o c e s s i n gi n s t i t u t e 开发的单螺杆挤出机挤出成型c a e 软 件，可以模拟单螺杆机的结构对熔体流动的影响，并带有两个熔体在模头中的流动情况 的模拟模块，一个用以模拟熔体通过芯棒式模头的非牛顿、非等温流动，另一个用以模 拟熔体通过衣架式模头的非牛顿等温流动。 e x t r ac a d 是一个由加拿大a d v a n c e dp o l y m e rp r o c e s s i n ga n dd e s i g n 中心开发的挤 出成型模拟软件包，由e x t r ac a d 、f l a tc a d 、c o e x c a d 、和s p i r a lc a d 四个模块组成。 其中e x t r u c a d 可模拟物料在单螺杆挤出机内温度、压力、流量的变化，f 1 a t c a d 用以 模拟熔体在平缝式机头中的流动，c o e x c a d 模拟的是熔体在鱼尾式和衣架式双层共挤 于庆安：基丁挤出流动模拟的塑料异型材同模异出模具设计技术研究 出机头中的流动，s p i r a lc a d 用以分析预测熔体通过螺旋式芯棒机头时的流量、温度、 压力的变化。 f l o w 2 0 0 0 是c o m p u p l a s t 国际公司专为塑料挤出工业开发的工业应用软件。该系 统包括十二个模块，即f l o w 2 d 、f l o w 3 d 、e x t r u d e r 、p r o f i l ed i e 、p r o f i l ec o o l i n g 、 f l a td i e ，s p i r a ld i e 、m u l t i - l a y e r ，c h i l lr o l l ，m a t e r i a ld a t a b a s e ，v i s c o s i t yf i r i n g ，a n d r h e o l o g y t o o l ( - - 维流动、三维流动、挤出机、型材模头、型材冷却、平板模头、螺旋 模头、多层共挤、冷却辊、树脂数据库、粘度拟合和流变学工具) 。该软件是目前挤出 模c a e 技术的典型代表。 p o l y f l o w ：美国f l u e n t 公司开发的基于有限元法的专用c f d 求解器，专用于 粘弹性材料的流动仿真，它适用于塑料、树脂等高分子材料的挤出成型、吹胀成型、拉 丝、层流混合、涂层过程中的流动、传热和化学反应等问题。另外也可用于模拟聚合物 的流动，如石油、洗涤剂、印墨、悬浮物、泥土、液态食品原料及熔融玻璃的流动仿真。 由以上介绍可以看出，以上软件大都是针对某一类( 或几类产品) 、一些简单的机 头模型、较规则的流道开发的，应用范围较窄，功能单一，集成化程度需完善。实际挤 出成型过程是复杂的流变形态，而实际生产环境中的很多因素对其影响并非可以完全假 设，相反其作用却较大，因此，挤出成型工艺难以形成较为严谨的理论计算，用以指导 挤出模具的系统设计。 目前，除了对相关的挤出成型基础理论进行研究以外，在挤出模设计方面也开始了 相关的研究工作，具体研究的内容主要围绕三个方向在进行： 挤出模挤出流道优化设计的算法研究； 分流锥及支架、型芯、口模的优化设计研究； 挤出机头整体c a d 系统构建、加工、和c a e 仿真分析的应用研究。 1 ) 挤出模挤出流道优化设计的算法研究 塑料异型材质量的好坏很大程度上取决于挤出机头流道的变化，因而对挤出机头设 计的的研究工作很大一部分集中在流道的优化设计上。主要如下： 波兰w a l s a w 理工大学的i c w i l c z y n s k i 在文献【6 】中提出了一个针对单螺杆挤出成型 过程的计算机模型s s e m 。s s e m 能模拟挤出成型的全过程，可根据给定的工艺参数预 测流动特性。s s e m 的计算机程序用t u r b op a s c a l 编写，系统有一个机头流道形状的设 计模块，它给出了机头出口口模分别为圆形，圆形开口，矩形及矩形开口，椭圆形等一 些规则形状的流道设计方法与程序，对其它不规则的异形截面形状采取等效为简单规则 形状的办法，换算成相应的边长或直径进行设计。并在实验中对其设计及模拟的正确性 大连理工大学专业学位硕士学位论文 进行了检验，试验对比显示模拟结果与实测数据相差4 * 0 - 1 0 ，其设计具有很高的可信 度。 英国d u n d e e 大学的g s h c h a n 和k k b h o n 在文献【7 】中介绍了他们应用计算机技 术开发的一个挤出模c a d c a m 系统，在设计结束后再运用有限元进行辅助分析，以修 改完善流道尺寸，最后直接进行线切割加工。其系统用到了d u c t 软件，d u c t 软件能 根据给定的机头入口截面与口模出口截面尺寸自动生成流线型流道。为使d u c t 设计简 单，文献中作了两个假设，即机头入口截面形状恒为圆形和口模出口截面尺寸等于异型 材产品截面尺寸，即不考虑离模膨胀问题。文中总结了以前两种生成流道的常规算法， 对其作了巧妙的修改与组合，思路非常新颖。 加拿大p o l y d y l a m i c s 公司的j v l a e h o p o u l o s 基于没有横向流动的前提假设，提出了 型材挤出模的设计策略，开发了简单截面形状的等温流动分析的软件包。 英国q u e e n s u n i v e r s i t y o f b e l f a s t 的s u n d a - w e n 和华南理工大学的彭玉成指出目前 异型材挤出制品应用很广，但其模具设计很复杂，现有的文献介绍实际设计经验的很少， 因而他们在文献 9 】中提出了一种简单的设计异型材流道轮廓的方法，其设计方法的依据 条件是熔体在挤出模口模出口流速一致，该方法利用过渡线理论( t r a n s i t i o n a ll i n e m e t h o d ) 与变流道厚度法理论( v a r i a b l ec h a n n e lt h i c k n e s sm e t h o d ) 对组成整个流道的每 一模块型腔轮廓进行计算，并且在设计中考虑了各模块组合成整体形腔的平衡问题。最 后利用所编制的设计程序在完成设计后进行了分析与校验，其分析预测的结果与经验值 很吻合。 英国u n i v e r s i t y o f w a l e s 的h j e t t i n g e r 和j s i e n z 9 等人提出了一种p v c 型材挤出模 具的自动优化策略。这种方法考虑了型材的特殊设计和制造条件，提出了一种用于复杂 模具结构参数化的有效方法。复杂的模具三维形状采用二维的“d i e - s l i c e s ”代替，优化 的目标就是找到最佳的横截面形状，每一个截面的优化通过流动的有限元分析获得。 2 ) 分流锥及支架、型芯、口模的优化设计研究 在这方面，德国的w a l t e r m i c h a e l i 结合其多年教学经验与研究及生产实践，于1 9 8 3 年出版了塑料橡胶挤出模头设计一书，并在1 9 9 1 年再版，书中对挤出模的设计细 节与原则给出了详细的说明，并配有很多计算公式，一定程度上代表了德国乃至国际上 在塑料挤出加工方面的水平。 3 ) 挤出机头整体c a d 系统构建、加工、和c a e 仿真分析的应用研究 综合了在l 、2 两个方向的研究成果，一些大学与研究机构进行了挤出模机头整体 c a d 系统方面的研究工作，一些有代表性的成果如下： 于庆安：基于挤出流动模拟的塑料异型材同模异出模具设计技术研究 德国的m a s b e r g , u 与m i c h a e l i ，w 在文献 11 】中综合了已有的异型材挤出模设计的 流变学设计公式与规则，给出了许多用于实际设计的系统程序。由于计算机技术的发展， 可以用这些程序解决许多复杂挤出模的设计问题。 香港理工大学的l a i n , y 。w r a o ，i c p 1 x u , w l 在文献 1 3 】中介绍了一个先进的挤 出模设计系统a d d s ，a d d s 利用流体力学理论构建了一个模型，优化设计过程，并与 c a e 系统互连，进行模拟分析，调整设计参数以得到最优的模具流道表面。然后通过计 算机编制的传输程序把设计参数传送到u n i g r a p h i c si i ( u gi d 系统，通过u n i g r a p h i e si i ( u gi i ) 把设计信息转化为加工信息，直接生成n c 加工程序，在立式加工中心上加工， 极大的提高了设计与制造生产效率。 m a s s a c h u s e t t s 大学的d u f f e y , m 凡d i x o n , j i l 在开发挤出模机械设计系统时，用到 了特征建模的设计思想。他们以一个型材截面为实例，运用所设计的计算机程序进行了 设计验证。系统应用了基于特征的造型技术，整个设计过程分两步进行：i 参数化设计， 通过大量的数值迭代，对已知参数进行修改完善；拓扑设计，通过修改增添或减少参 数变量来调整型材截面形状尺寸。他们在文献【1 2 】中主要讨论了拓扑学设计方面的内容， 其基于特征的设计思想代表了当前的主流发展方向。 同时出于企业自身发展的需要及市场的迫切需求，一些国际上著名的挤出模制造公 司在2 0 世纪8 0 年代中期也开始了挤出模c a d 技术的开发应用，他们在总结各大学及 研究机构在挤出模c a d 系统研究方面的理论成果基础上，根据自身长期设计制造的实 际经验，借助通用绘图软件二次开发了一些c a d 系统。这类系统都包含一个大型数据 库，在库中积累了丰富的模具设计制造经验与研究成果，并可供系统查询，并且实现了 c a d c a m 的集成，使挤出模机头机械加工工作量的7 0 8 0 0 采用在线控制加工完成， 极大的提高了生产效率，但都作为其各自的技术核心对外保密f 】9 1 。 2 0 世纪9 0 年代后期，在挤出模具设计中也引入了c a e 技术，结合实际情况反馈， 为设计的优化提供帮助，加快了挤出技术的发展速度，因实际生产环境中的影响因素多 而复杂，c a e 模拟分析技术与生产实际还存在失真性。 1 3 2 塑料异型材挤出模具技术国内研究概况 为了不断提高我国异型材挤出模的水平，国内的一些厂家与研究机构做了许多有意 义的研究与开发工作。 合肥工业大学摩擦学研究所的朱元吉、王晓枫等人与国内最大的挤出模专业生产 厂安徽省铜陵建西工具厂合作开发了实用型塑料型材挤出模具c a d 系统 e x m o u l d c a d 。该系统以t l 曲op a s c a l 语言编制设计程序，通过与a u t o c a d 的接口 大连理工大学专业学位硕士学位论文 程序并利用a u t o c a d 的强大图形绘制与处理功能进行挤出模的设计。系统分成输入程 序、图形数据库、设计程序、分析程序和输出程序五部分。其中设计程序为系统的核心 部分，由口模设计、机颈设计、分流支架设计、型芯分流锥设计、模腔设计和定型模设 计六大模块组成。整个设计过程由程序引导，以人机交互的方式完成设计，最后系统能 自动生成全部挤出模零件与装配图纸。该系统在实际应用中使挤出模设计效率比以前提 高了约5 倍，节约成本2 0 0 , 6 左右【1 “5 1 。在此基础上他们又进行了挤出定型模冷却系统 c a d 的研究，为挤出模的高速挤出奠定了一定的基础【1 6 】。尹延国、朱元吉、王晓枫还 根据挤出模零件的特点运用v i s u a lf o x p r o 开发了挤出模c a p p 系统。他们将挤出模零 件分成机颈模板、型腔模板、型芯与分流锥、定型模板四部分，将工艺设计任务分为四 个子任务，针对各子任务建立相应的工艺知识库，利用派生法进行工艺过程设计，极大 的提高了工艺设计效率【冽。 武汉交通科技大学机械系的王仲君、陈定方和中船总7 1 6 研究所的杨安昌等合作 进行了挤出模智能c a d 系统的研究。其软件系统采用a u t o c a d1 2f o r w i n d o w s 图形支 撑环境和v i s u a lb a s i c 可视化编程语言进行开发。引入模块化设计思想。利用功能区图 形库进行挤出模结构的选择及零件设计，从而使用户能根据实际要求利用功能区图形库 来进行模具结构设计，使软件的开放性增强，便于不同用户使用。系统具体由模块