（机械电子工程专业论文）基于ansys的塑料异型材挤出定型模设计的研究.pdf

基于a n s y s 的塑料异型材挤出定型模设计的研究 摘要 为了满足塑料异型材规模化大批量生产对挤出模具高速稳定的要求 我们根 据热力学理论 鹿川有限冗方法 全面分析了型坯在挤出定型模中的冷却应变 过程 针对几前挤出定型模设计z i 的 些误区 给出了合理设计的理论依据和 方 法 本文首次提出了应变影响定型套长度设计的概念 给出了综合考虑温度和应 变确定定型套长度的更合理的方法 验证了型坯连续经过定型套和水箱两种不 同t 况后的虑变规律 为定型套型腔合理设计提供了理论依据 并通过不同冷 却流道所影响的型坯温度场的比较 揭示了整体均匀冷却在定型模冷却系统设 计q 的重要意义 以上这些为在高速挤出定型模设计中合理选择关键参数 保证挤出作业的稳 定性提供了理论依据和可行的方法 关键词 塑料异型材挤出定型模稳定性有限元 t h er e s e a r c ho nd e s i g no fp r o f i l ee x t r u d e dp a r t sa tc o o l i n g s e c t i o nb a s e do ns o f t w a r ea n s y s a b s t r a c t t om e e tt h er e q u e s to f m a s sm a n u f a c t u r i n go f p l a s t i cp r o f i l ef o r t h eh i g h s p e e d a n ds t a b l em o l d w ea n a l y z ei na na l l r o u n dw a yt h ec o o l i n ga n dd i s t o r t i o np r o c e s so f p r o f i l ei nc a l i b r a t o ra n dc o o l i n gt a n ku s e df e mb a s e do nt h e r m o d y n a m i c st h e o r y a n dp r e s e n tt h et h e o r yf o u n d a t i o na n dm e t h o do fr a t i o n a ld e s i g ni na l l u s i o nt os o m e m i s t a k ei nm o l dd e s i g n i n g t h i sp a p e rp u tf o r w a r df o rt h ef i r s tt i m et h ec o n c e p to fs t r a i na f f e c t i n gt h e d e s i g no fc a l i b r a t o r si e n g t ha n dp r e s e n tah e t t e rm e t h o do fd e c i d i n gc a l i b r a t o r s l e n g t hw h i c hc o n s i d e rb o t ht e m p e r a t u r ea n ds t r a i n i tc o n f h m st h es t i a i nl a wo f p r o f i l et h r o u g hc a l i b r a t o ra n dc o o l i n gt a n ka n dg i v e st h e o r yf o u n d a t i o no fd e c i d i n g t h ef i g u r eo fc a l i b r a t o rw a l lw h e nd e s i g n b yc o m p a r i s o nd i f f e r e n tt e m p e r a t u r ef i e l d w h i c ha r ca f f e c t e db yt h el a y o u to fc o o l i n gs e c t i o n t h i sp a p e ru n c o v e r st h e i m p o r t a n c eo f u n i f o r mc o o l i n gw h e nd e s i g nc o o l i n gs e c t i o no f c a l i b r a t o r a l lo ft h e s ep u tf o r w a r dt h et h e o r yf o u n d a t i o na n df e a s i b l em e t h o do fd e c i d i n g i m p o r t a n tp a r a m e t e rw h i c ha s s u r e s t a b l em a n u f a c t u r i n gw h e nd e s i g nh i g h s p e e d e x t r u s i o nm o l d k e yw o r d s p l a s t i cp r o f i l e e x t r u s i o n c a l i b r a t o ra n dc o o l i n gt a n k s t a b i l i t y f i n i t e e l e m e n t p 一密度 i 一定h 比热容 7 h y 0 一内部温度分布 r 一温度埘时问的导数 k 一介质的热传导率 p 一传递的热量 a 一接触面彩 r 一吲体的温度 r 一流体的温度 五一流体的导热系数 d 一 丑 管直径 尼一雷诺数 p 一普兰特数 口一对流传热系数 r 一雷诺数 d 一管径 卜一冷却管长度 只 一水的热物性参数 v 一流体的流速 一流体的动力黏度 c 一流体的比热 丑一流体的导热系数 一麻力向量 2 一所受的体力 一应变向量 一位移向量 d 一材料刚度矩阵 e 一材料的弹性模量 一材料的泊松比 靠一由温度引起的应变 沙一热膨胀系数 1 1 一已知边界上的位移 符号清单 插图清单 干真空定型法结构示意幽 7 湿真空定型 8 干湿混合式真空外定型定型模 9 定型套及型材截面示意图 9 横向冷却示意图 1 0 几块型板连川的定型模 1 0 纵向冷却系统 1 0 ir 挺型材 1 1 弹性模量与温度的关系图 2 0 分析模型 2 0 分析结果 2 0 t p 曲线图 2 6 定型套 j 叫i 空型材截面幽 3 0 几何模图 3 1 有限元模型 3 1 定型套的初始温度场 3 2 型材离开定型套时的温度场 3 2 型材整体冷却到2 0 c 时的位移分布 3 2 采j j 反变形设计的定型套 3 4 s 形冷却水道和直流冷却水道示意图 3 6 异型材沟内部的冷却 3 6 型材制晶图 3 7 定型模截面图 一3 8 冷却水道的有限j i 模型 3 9 分析模型 4 l 相关有限元模型 4 l 冷却1 2 s 后功能块部位带小孔冷却的模型的温度云彩图 4 2 冷去 1 2 s 后功能块部位不带d i l 冷却的模型的温度云彩图 4 2 m 撕拼猢 牝 铋 甜 嘶钾铺 嗍恻幽图幽剧幽图幽幽幽幽酗酎幽幽幽图图图幽图圈酗幽图图幽 表格清单 农3 l硬质聚氯已烯定抵比热容c p 1 8 表3 2 硬质聚氯乙烯导热系数x 1 8 徙3 3 埂质聚氯己烯弹性模量e 1 8 嵌3 4 硬质聚氯乙烯热膨胀系数b 1 8 表3 5 硬质聚鬣厶烯烩a h 1 8 表4 一i 定型套内冷却时闸t 1 2 s 的t 1 1 空型材挠度数据 2 i 表4 2 定型套内冷却时涧t 1 0 s 鲍t l 空型枣孝挠度数据 2 l 表4 3 定型套内冷却时问t 8 s 的t f 空型材挠度数据 2 2 表4 4 定型套内冷却时问t 6 s 的i p 空型材挠度数据 一2 2 表4 5 定塑套内冷鑫j 时f qt 1 2 s 的中空懿材翡 的数据 2 3 衷4 6 定型套内冷却时间t 1 0 s 的t 一 j 空裂材的p 的数据 2 4 表4 7 定型套内冷却时闻t 8 s 的巾空型材的p 的数据 2 4 表4 8 定型套内冷却时问t 6 s 的r p 空型材的d 的数据 2 4 表4 9 i l 空型材p7 达到0 7 9 所需的在定型套内冷却的时间数据 2 6 表4 1 0t 杠空型糙外壁达翻6 7 餍需的对瓣数据 2 7 表4 1 1 c p 空型材正常挤出所需的在定型套中冷却的最小时间数据 2 7 表5 1定型套肉冷却时间t 1 2 s 的中空型材翘基量 3 3 衷5 2 定型套内冷却时问t 1 0 s 的中空型材翘曲量 3 3 表5 3 定型套内定型冷却时间t 1 4 s 的中空型材翘曲量 3 3 独创性声明 术人j f 刚j 所 交的学位论文是本人在导 j i j 指导下进行的研究工作及取得的研究成果 据我所知 除了文中特别加以标注和敛谢的地方外 论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成粜 也不包含为获得盒墼 些杰茔 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料 1 j 我一同一作的例忠对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明 并表示谢意 学位做作者签名以 签字日期汐彩年 月7 日 学位论文版权使用授权书 木学位论文作者完全了解金筵王些去堂有关保留 使用学位论文的规定 有权保留 并向围家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 允许论文被查阅和借阅 本人授权金 型 些太堂n f 以将学位论文的全部或部分内容编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 保密的学位论文在解密后适用本授权书 挑做懈戳 书画 签字日期 彩年1 月7 日 学位沦文作者毕业后去向 r 作单位 通讯地址 导师签名 名旅 签字日期 五彳年 月尹日 电话 邮编 致谢 本人侄阿年半的硕十研究牛课程学爿和撰写学位论文的过程巾 自始至终 得到了我的导师朱j 0 吉副教授和尹延国高丁的悉心指导 无论从课程学习 论 文选题 迹是到收集资料 论文成稿 都倾注了两位老师的心血 由衷感谢两 位老师在学业指导及各方面所给予我的关心以及从言传身教中学到的为人品质 和道德情操 老师广博的学识 严谨的治学作风 诲人不倦的教育情怀和对事 业的忠诚 必将使我终身受益 并激励我勇往直前 同时 真诚感谢合肥t 业大学机械与汽车工程学院给予我深造的机会 感 谢摩擦学研究所的全体老师 他们的教诲为本文的研究提供了理论基础 并创 造了许多必要条件和学列机会 感谢给予过批评和帮助的各位同学和朋友 最后感谢我的家人 他们的养育 理解和支持使我能够顺利完成学业 作者 开元海 2 0 0 5 年1 2 月2 6 日 第一章概述 1 1 塑料挤出成型的发展简史 激料挤出成型过程是将塑料在挤出机内魍他至黏流状态 在1 定的压力作 镬下 篌之透过其套 定形敬黥镤爻日摸囊躐为截瑟与溺貘影获援嫠豹连续毒 商后通过定型模冷却定型为具有 定形状和尺寸的制懿 j 锵 台川于热塑性材料挤出的机器是p a u it r u s t c r 于1 9 3 5 年芹崧在德国制 造的 在此之前 4 费出机甄本删于橡胶挤出 2 l 意大利l m p 公司的r o b e r t o c o l o m b o 提鑫了使耀热鏊经凝褥静双螺释接窭撬豹潦零暴瑾设憋 惩与 c a r l o p a s q u e t t i 超进行了醋酸纤维素混炼研究 c o l o m b o 开发了一种啮合弼向 旋转式双螺杆挤出机 川于混炼 排气造糍或作为连续化学反应器使用 伴随 着象 台删于热塑拣邈数接出搬蚋出现和人们慰其研究黝逐渐深入 2 0 世纪3 0 年代 热塑径鏊精氇遮速发矮 4 0 年代p v c p e 等錾精采弼挤舞翔工 应餍 于r 业牛产 7 0 年代开始 塑料挤出加 下蛾进入了发展的黄金时代f 4 塑料 异型村门窟的迅速普及 是形成这一发展的主要原因之 与之相关挤出成型 接术戈其是塑辩只溅李 接出模舆技零遣褥到了迅速发展 1 2 国内外塑料异烈材挤出模熟技术发展概况 欧美等国家经过三 四十年的发展 其翅料异型材挤也模具的设计制造技 拳已经鞍袋熬 曩终先逡戆辚滋筷吴生产厂家鄂奏一令 靠豹接壅模爨竣诗系 统卞譬保证 他们不断进行实验研究和探索l 6 j 7 j 旨在摄商模其的质爨 他们主 要采用理论与实践相结合来解决挤出模具的嵩速高质量问题 以德国 奥地利 等为代滚鲍国家在肄型材挤出模具的设计研发上一直处予技术领先的地位 其 设计糗嫠赘窭速蹙勰 生产交懿鳖裙癸蕊磐 终鲎稳定 麓适瘟较广熬工艺波 动f 蚰 圈内的塑料异溅材挤出模熙在发展的初期 主要是依靠进口 从9 0 年代开 始我黧的塑料异型材挤出接其技术才褥到迅速发展 9 卡多年来 我遐的塑料 异型辛毒挠盘模买薅麓我国鍪瓣门塞行韭的逐獯发展 毽获缮了便速虢发展 基 形成了相j 1 大的生产能力 热挤出模具生产企业进口了加工中心 幔走丝线 切割机床以及模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 出摸其鸯 i 二约硬转祭终照毫不魄发这国家逊魏h 但是黧肉对予按逝羧其豹研 究和开发 摹本楚黻进口旃出横其为样本 测绘仿制的多 实验毪磷究的少 机理憾研究和探索的就更少 在严格产品威激要求和生产效率不断提高的情况 下 作为型材生产线的关键部分 挤出模具性能的提高就越来越重要了 总的 来巍 籀对手逶嚣绥窭模其 黧产按塞摸具一壹存在豢甓簸瓣差踅 建其对予 严格藤疑要求的大溉模 高挤蹴速率的塑料辩型材挤磁擞产 显得徽不适应 l 3 蠲内挤出模其尚进口的先谶横其的差距及经验教谢 n 前 国产挤出模具与进脚的先进挤出模具仍有很大差距 主戮表现在以 下四个方面 嚣产按壅羧稳定律效筑菸窭速痰鸷遽羝予遵掰翁先遴挤爨楱 嚣蘸 斛产挤出模稳定作业的挤出速鹰大约在2 2 m m i n 左右 而进口的先谶挤出模可 达3 m m i n 以上 1 二 进口的兜进挤出模艨生产豹塑料异型材截露从型材豹外形到壁厚豹 稳匀攘度 蠹麓移臻缝结褥戆簸整程度纛 较篱 悉莺产辚密模在舔诞登耩稳定 的高舭憋程度方磷还不理想 三 进口的先进挤出模一艺调整较方便 且稳定w 靠 废品率较低 大 连实德集霾购买瓣爨地霉i 揍瑞续 g r e i n e r 公司懿塑料门鬻摄出模具 一般只瑟 要 副两星期裁可黻试模或臻疆常生产 赡安的国杰鸯获公司的塑料瓣窗挤出 模具 需要 个月甚至更长的时问才能试模成功 其品质差别可见 斑 四 进口挤出模选材合理 标准件 专用件都比较讲究 外观暴得更精 謦l 攮馋起米显褥爨方蠖窝稳定 分析其存在藏距的原因 跫因为我国挤出模与国外已有3 0 多每的发展历 史相比 发展的时间短 二是因为国内的挤如模研究与制造基本是以进口挤出 模为梯本展开 测绘仿制的多 实验性研究的少 机理性研究和探索更少 面 对复杂戆舅型麓帮簸精配方豹不凝改送帮发燧 嚣及怼努鳌檬产鑫缓羹窝生产 效率绥求的不断掇高 仪仅简筚的测绘仿制和局限于感性的经验 过多地依赖 于反挝的调试修模 是很难稳定地获得高质髓挤出模具的 热强携出模其越础理论和灾验磅究是我豳挤出模技术发展妁主要闯题 进 口挤磁模稳定鳃使搿往麓瑟反浚癌的高零平 在于其对麓硝理论静纛税 并在 正确的理论指导下 结合制造工艺水平的提高 对挤出横技术的不断地改进 十多年辨 国内挤出模行业对于进口先进挤出模的跟踪怒很紧的 些挤出模 厂家瓣疆锌设备戳警有了超越的发震n 攘其绩秘氇夯步夯趋 但设计恶想却 始终没有跳出灏绘 仿制的框獠 仅稻技巧 诀窍的鼹点来对待避翻挤出模酶 技术的改进 较少见到有实验研究的开展 机理性的研究和探索就聪少 甚至 造成了挤出模实践与一些相关溅论研究的脱节 由于挤出模的设计要解决模料 滚动瓣霉孛溪特健瓤及望瓣型趣蹇模彩骧 举零l 变形鞫冷帮毂壤等绦套捧援豹 问题 并受到挤出机组 塑料配方和操作工慧等多方面的影响 因藏经验处理 的局限性是很大的 只有通过联论和实验相结合的研究开发 才能从根本上提 高国产挤出模的设计与制造水带l l 1 4 塑料异型材挤出的发展对挤出定型模的袋求 2 瓣翡窝速蘩出畦经成为塑糕黪型棰 亍业驹发震趋势群 掰疆毫速揆凄 鞠 挤出帆在确徐挤出制酷质量的前提下 以尽嫩高的速度踅e 锊生产的过程 高速 挤出谯不同的历尘时期与技术水平条件下有不同量化标凇 挤出速 窿不仪与挤 出机和横具的性能商关 也和挤出下艺与配方有关 挤出机 模具 t 艺 配 矗爱 礁稼爨氆利箍矮量豹蓊撬下 实瑷裹逮揆出鹃靼大整素 其 臻出规 校其为削定闲素 链实现高遮拼蹦的基础和游缆条件 二 慧和配方为变动因素 是实现黼速挤出的手段和保证 j 塑料异型材挤出摸具分为横头和定型模嬲部分 这两部分分别起着形成异 塑耱黧琏帮对登坯逡行冷帮定蘩豹不同终臻 黠于稼证燮辩舅登褪静稳定生产 i 楚i 一分重要的 定型模的作川是保证从机头挤出的高泓越坯在玻璃化过程巾 得到吲定的几何形状和尺寸 并在过程中将毅坯的形变内应力和热内成力基本 消豫 以获撂符台榴关覆量标准的制品 l 引 挤出定型模农昴型毒才生产中起重要 俸翊 嫠获得高覆豢酶型槎 豫7 必须有赢袋藿静日模羚 还必须蠢禽逶貔菸 出定烈模 其质量的优劣直接影响到异型材制品的形状 尺寸 精度和外观质 量 以及异型材牛产效率 因而 在生产高质量的异型材制品时 挤出定型模 显褥雯为重要 往溪熬定塑模废撩终方便 褰易牵弓l 出故障霹能及辩取出型 材 髯定型模板静镶拼结构要誊捌子真空 冷却回路秘稚爱及热工 定型摸静 定型方式很多 网制品的种类 形状 精度和生产速率 牵引速度 不同而选 择不周的形式 有时则是几种定型方式的组台 裹逡掺受封定鍪壤瓣要求毒娃下豆方嚣 1 由于挤出成型速度的掇潞 型坯有效冷帮时间就会减少 为了保证一 定的冷却时问 要求定型套长度增加 对于鼯壁异型材的高速挤出成型 很长 豹千真空定型套会明疑地增加型树与定型套之闼的摩擦力 也会增加擞产设备 魏痰奉 簧实凌墼秘冬定鍪套攘黢豹爱鳋揍皴 这是提寒冷帮效率嚣足寸精度魏 需要 而又不过分地增大摩擦力 则对定型套模套长度设计提出了更商的要求 f 前 定型套长度的确定目前主要考虑异型材制品的冷却导热问题 确定方法 有多种 比如 类魄法 经验公式法 熟平褥法 湿度分稳法和理论的最小冷 却时润法等 这些酃蹩经验或公式计算溢废分布静方法 褥没有考惑黧耪豹应 变 如果考虑型材的应变 就有必要采用数德方法 2 采 t j 干式水冷真空吸附定型方式 型材经过较长的定型套后就是成品 塑孛喜盎是型套 l 褥翻了充分豹冷秘帮定型 产瑟变形小 堍在 生产厂蠢为了 降低成本 提高囊产率 定黧套越做越短 挤出速率越来越侠 取丽代之雏是 在定烈套后采用水箱冷却 型材褥不到充分的冷却就进入自由变形阶段 水箱 阶段 如果定型囊型腔设计成平直的 则生产出的型材念产生翘曲 避种现象 疆罄蘩爨速废的爨嶷簧热爱显 现在豢臻懿爱囊强甄法 楚挺定墼套竣诗戒反 向皤弧 使型腔蔼 偿挤出产品的凸变来掇磷牵引速度 然而反奇璃弧的大小 如阿卜j 型材广品的n 变量 致成为了设计定型套的关键 3 由于挤出成型速度的提高 型坯有效冷却时间就会减少 掌握型材内 部的温度场 有助十合理地设计冷却装置及其尺寸 如果设计者了解了整个冷 却过程 就能很容易地设汁出冷却水道的合理布置 能够判断出型材壁可能发 牛弯曲的地方 骨型材上除内筋尤法直接冷却外 最难冷却的部位就是一些沟 槽 如果找们不能肘沟槽部位进行有效的冷却 其他部位冷却效率再高也不能 提高整个骨型材的冷却效率 反而会增加冷却不均匀所带来的利t 种不稳定后果 整个昴型材型坯的冷却效率的高低是由异型材上最难冷却的部位的冷却效率决 定的 所以对型材沟槽处的冷却研究有直接现实的意义 1 5 国内外研究概况 影响定型套长度设计的因素是多方面的 根据经验数据进行类比确定定型 套长度是人们常采用的方法 也有通过热平衡计算 即考虑单位时间内冷却介 质带出定型模的热量 应该等于 或略大于 塑料型坯带入定型模的热量 来 设计定型模的长度 还可以使用t m c t t h e o r e t i c a lm i n i m u mc o o l i n gt i m e 一一坪论的最小冷却时间法 即使型材的平均温度或型材壁面达到某一温度后 就算冷却达到要求 这些方法都存在严重的不足 尤其不能适应型材挤出速率 不断提高的要求 这些方法都是结合温度场的变化 只考虑了冷却因素1 1 而 没有考虑应力应变的影响 对不同结构的型材 冷却相同的时间后 由于自身 的结构等的影响 其温度分布可能相似 但是型材在满足产品质量条件下抵抗 外力的能力却不同 这样 对于需要冷却时间长的型材就可能没有达到冷却要 求 而对不需要冷却时间长的型材就可能不必要的增加了设备的成本 生产时 的摩擦力及牵引力 不同结构的型材所需冷却时间不同 对于截面复杂的异型 材 很难用解析的方法得到结论 本文用有限元的方法确定定型套长度 主要 是考虑了应力应变状况 挤出过程r l i 要求型材均匀冷却 尽量减少不均匀冷却给型材留下的残余应 力 这是挤出定型模冷却布置中应遵循的原则 但对于作为塑料门窗主要基材 使j 1 j 的中空异型材 由于其在现有的技术下实行的是外壁单面冷却 已有中空 异型材内外壁同时冷却的报道 但至今未形成实用技术而获得推广应用 所 以即使四周均匀冷却 也会由于冷却过程中外壁先冷却 内壁后冷却而产生应 力麻变问题 关于这方面的研究 所见报道往往停留在均匀冷却的层面上1 2 0 1 1 2 1 1 对型材的温度场作了模拟分析 以此来预测型材的变形趋势 而对于冷却产生 的应力应变量的研究涉及较少 而从塑料异型材挤出模具的实践来看 由于对 这 问题认识不足 造成挤出定型套设计的一些误区 严重地影响到了挤出模 具异型材生产效率的提高和作业的稳定性 塑料异型材高速 高效和高质量的挤出 要求对挤出定型模冷却系统进行 受翔精确可囊豹设待 虽然定型摸冷却系绞熄霹班通过工慧手段 牵g 速度 冷却水流鲞 溢夜释远红外校形簿 来进行调节静 然谳膳工艺手莰来弥补设 计的不足 往律牺牲掉的是效率和高质量 晰且这种调节的范围是有限的 有 些过稷也是很复杂的 与操作张的水平关系掇大 这往被叉带来了更多的质量 甭稳定溺寨 甚至会造成失败疆烈 逶逮对登誊孝遘簿滏痉臻分辑 麓表零出型枣毒 截面的温度分布 这样就可以通过分析温度场得知型材将簧变形的趋貉 通过 坪论分析 指导定测模冷却系统设计 合理的定型模冷却系统设计能避免或尽 量减少型材变形的发牛 门前这方面的研究文献太多是嗣绕在对型材犬面和换 热1 2 3 l 鲶磷究 簿受耱的复杂部缓 一功缝块滋行冷却系绞分拆豹魄较少 1 6 本义研究的主礤内容 摄攘p v c u 搏型捞在塑辩门赛 i 豹作用 可议分为烹型材移辅烈枣于两类 幸塑辛葶怒形成门赛 蠢 粲静主要蘩聿辛 楚门窗瓣主要受力彳譬 藤置一辗是型褥往 往集门衡要求的多种功能于一身 按重量算 主型材的用麓占门窗型材消耗量 的大部分 约9 0 除门板型材之外 主型材几乎都是中空薄壁框型材 除了 主型糖之终 其它j g 予f l 塞静p v e u 型李孝缓称荛辕型耱 辕型李手一般不承受 门窝所受的力的佟斌 作为支撞设计的连接激材豫外 一穰辅登材一般仅实现 或辅助实现 两项门窗要求功能 辅型材的截面类型较多 有中空型材 也有 开式型材和半开式烈树 但按质凝算 其用爨相比于主型树是较少的 仪l o 友砉 2 誉于年型材的j l 量占门窗型材消耗量的犬部分 约9 0 除门板黧材之外 丰型材几乎都是 i i 缀潜壁框型材 而定型模鼹挤出模的敷要组成部分 直接决 定着型零蓐的成型质爨和生产能力 必须给予贬够的重视 阂此对生产中空薄壁 圭鍪耪麴定壅模进行分褥有积极麓工程意义 骜袁 绝大爨分中空舅麓耪是采 干滋混合式真空外定型定型模实现冷却定溅的 国内外对定型套的长度的确 定及反髓彤设计研究不够 从搬料异型材挤出模具的实践来看 由予对这一问 题认识不是 严熏撼影响到了挤壤摸具异型楗生产效率的提蔫襄作业的稳定性 本文丽绕定型套设诗巾存在懿不足 考虑裂遥瘸有限元分毒蓐较俸a n s y s 适台 做热 缩构耦合分析的特点 以a n s y s 软件为平台 对中空塑料异型材在干湿 混合式真空外定型定型模巾的翘曲变形状况 型材的温度场及应变进行分析以 确定定懋套设诤静长霾 爱变形爨及其影响毽素 主要斑餐如下 1 塑摹毒异型材挤出定型套冷却分析 应川热力学和谢限元理论 数值求解了挤出制品在寇越套内的冷却瞬态温 度场和幽温度场及翻重应起的威力应变场 谶而可求得型材在定型套中的最小 冷鼙聪潮 并结会黧耱实舔获交速度鞋确定掰篱冷部定黧套瓣长度 缭窭箕影 响困索 并结合彗三产巾的实践经骚 为塑料弊型材挤出定爱套长度的精确设诗 5 提供了理论依据 2 小空塑料异型材挤出定型模r i l 的应变分析 运川a n s y s 有限 i 软件 对中空塑料异型材在干湿混合式真空外定型定 型模一j 的冷却廊变状况进行数值模拟 得到了e 一空塑料异型材变形的形成原因 及其影响冈素 指出i i 空型材各边即使均匀冷却 也会由于型材内外壁冷却过 程 i t 的温差所产牛的热麻力 使型材发牛翘曲变形 影响的因素有定型套的结 构和挤出时的t 艺两方面 这两方面的影响因素应相互适应 才能保证稳定地 牛产出商质量的塑料异型材 为挤出定型套适应挤出工艺要求合理的型腔设计 提供了理论依据 3 塑料异型材挤出定型套冷却水道分析 分析 些国外的挤出模具的定型模 可以明显地看出他们的设计所追求的 丰要几标是冷却成型的均匀性 而不是简单的冷却效率 通常采用的有两种措 施 措施之 是在型材大面上尽量采用 s 形循环冷却水道 措旌之二是注 重对于异型材沟槽内部的冷却 本文运用a n s y s 模拟软件 对塑料异型材功 能块部位在挤出定型套c 的冷却状况进行数值分析 针对异型材生产过程中的 些不稳定现象给出理论解释 从而为挤出定型套冷却系统合理设计与使用提 供依据 本论文阐述的三个方面对定型模设计中关键参数的选用是非常重要的 随 着塑料异型材生产技术的发展 为适应高速 高效 高质量稳定挤出的要求 这熙参数的合理选择已约来越凸现其重要性 成为挤出定型模合理设计的关键 第二章定型模的作用机理与结构设计 2 1 定型模分类 异型材的定型和冷却至关重要 被认为是异型材高速挤出的咽喉 为提高 挤出速率 必须强化冷却定型效果 塑料异型材挤出定型模 般都采川真空水冷定型方式 这 1 1 1 t 又可分为千 真空定型 湿真空定型和干湿混合真空定型3 剥 形式 千真空定型是将从模头挤出的熔融物料 通过间接水冷却的定型模 套 使之冷却定型 其皋本结构如图2 l 所示 型材的热量通过型材外壁与定型模 腔的接触面传给定型模 套 传入定型模 套 的热量则由循环冷却水带走 图2 1 千真空定型法结构示意图 l 一真空孔2 一出气孔3 一冷却水进口4 一冷却水出口5 一出气孔6 一熔融挤出物 7 一挤出机模头 这样就达到了对型材的冷却目标 对于形状复杂 中空壁厚的型材 为了提高 型坯冷却效果 使加工后的制晶成型后表面光滑 饱满 一般在设备中要设置 2 5 个真空区 与冷却区交替设置 真空吸槽在一个真空区内一般设置3 4 条 通过真空吸附作用使型材贴附于定型套型腔 保持正确的形状1 2 5 由于冷 却水只是通过定型套问接地对型材起冷却作用 可以实现均匀缓冷 因而能够 有效地防止冷却内应力 使型材冲击i 强度提高 并且提高型材的尺寸精度 但 由于挤出成型速度的提高 要求定型套长度增加 对于厚壁异型材的高速挤出 成型 很长的干真空定型套会明显地增加型材与定型套之间的摩擦力 要实现 型材与定型套模腔的良好接触 这是提高冷却效率和尺寸精度的需要 而又不 过分地增大摩擦力 则对定型套型腔的设计与制造精度提出了更高的要求 干 式囊空定受模麓褥点是生产 l 窭穗 l 魏安全瞧墨瑟矮量稳定槛 跌点楚墅糕冬定型 模内农面接触 增加了摩擦力 提高了模熊瓣穰造成本 湿真空定型由于采川冷却水直接咛型材接触 如图2 2 所示 谯向密闭的 网2 2 湿真空定挺 冷却承稽供给冷却水的同时 璐水封式的真空泵向井吸零 张水 既对承稽虑莸 产牛碱胝 当熔融状态的物料挤出成管材或界型材时 通过定型套厢 同时在 减壤状态下通过冷却水槽 管材绒异型材内部困大气压丽膨胀 在保持形状下 魄满鳃冷帮藏登 与于式定鍪鞠魄 淫式怒麓结捷奏两令鑫蓑懿霞点 一是冷 却水赢接和型材裘掰接触 在相同条件下裔更高的冷却效率 二是舆有润滑作 川 研大大降低摩擦阻力 进而极大地降低牵引功率 由于挤出型蟋与冷却水 直接接触 j 页以冷却效果摄好 但不可避免媳会产生由于急冷和冷却不均面形 成豹肉庇力 茏箕辩予一些形状复杂 爻寸精菠要求赢豹雾墅榜曼荔造成震董 问题 如果要使真空定型的生产效率提高 可以采用直接和间接两种冷却定型方 法组合起来 在掇凑冷却效率的同黠摄涯制鼹的覆量 这样藏出现了平湿混合 囊空宠型穰 鲡翻2 3 圈2 4 为干漫淀台囊警定型冷却麓囊空定鍪套及型材截 面示意幽 干湿混台真空定型前半郝为千真空定型套 艏半部为湿真空定型水 箱 包括贮水式和喷淋式 型材在前半部较均匀地缓冷 当外层温腱降至玻璃 魏滋霾以下 建寸较稳定嚣 褥送入零籀逡嚣更有效魏冷瑟 这撵誉会增大摩 擦力 而且用1 个奥空水箱代替粪空定型套 可以大幅度缝降低定黧套的制造 成本 冈此 干真宅定型和干濑混合真空窳溅是目前塑料异型材挤出成型模具 的定熬模所采川的主要结构形式 定型套型腔的小孔或缝隙被抽成囊空 高温 终融黧述在逶入宠懑套对被囊祭受压疆錾袭爨爱弱瘫壁 瓣辩采孀漉凌农冷龆 定型套型腔而使型鹱冷却 这刘定型的目的 由于干湿混含真空定型模不仅可以节约牛产成本 还可以减 j 型材与定型 9876 54 图2 3 十湿混合式真空外定型定型模 1 7 出水e l2 一真空3 4 一入水口 5 一真空定型套 6 一真空8 一支撑板9 一冷却水箱 l 2 3 图2 1 4 定型套及型材截甄示意图 l 一型材2 一定型套3 一真空管4 一真空槽5 水管 套之间的摩擦 日前已被广泛采用 鉴于此情况 本文研究的定型模均指干湿 混合真空定型模 2 2 定型摸没计 一 定型套长度豹取值 影响定型套长度设计的因素是多方面的 比如 定型套的长度受异黧材壁 厚栅牵引速度的影响 定型套越长 异型材通过就越困难 廉擦力也越太 这 就t l l 制t 予湿混合真空吸酣定型套的长度 为解决实际问题 根据经验数据进 行类比确定定型套长度是人们常采用的方法 也有通过热平衡计算 即考虑单 9 位时问内冷去 介质带出定型套的热量 廊该等于 或略大于 塑料型坯带入定 型套的热量 米设计定型套的长度 还可以使川t m c t t h e o r e t i c a lm i n i m u m c o o l i n gt i m e 坪论的最小冷却时问法 即使型材的平均温度或型材壁面达 到某 温度后就算冷却达到要求 2 本文将提出 个新的设计思路 该方法综 合考虑了型材的冷却和冷却后的变形情况 以定型套的直接目的 定型为判 断依据米确定定型套的长度 二 真空吸附结构设汁 在定型套型腔面上开设o 8 1 0 r a m 宽的真空槽 用孔使真空槽和真空腔 连通 可实现对型坯的真空吸附 真空槽的排列先密后疏 即第一节定型套内 真空槽最密 以后各节逐渐变稀 每 节定型套巾 型材入口处真空槽密 离 出1 3 处越近越稀 其位置分布采刚上下和左右对称 也可以将型腔各处的真空 槽开成通槽 采川这种形式麻加强定型套出口处的真空吸附力 为了避免表面 托伤 槽口处应倒恻角r 0 1 0 2 r a m 三 冷却系统的设计 定型套内循环冷却水路设计有两种方法 一种如图2 5 所示 其水流方向 与型材牵引方向垂直 称为横向冷却 这种冷却系统型材各横截面上冷却均匀 般川于定型套r l l 型面比较大的型板上 也可以几块型板连用 如图2 6 另 利一如幽2 7 所示 其水流方向与型材的牵引方向平行 称为纵向冷却系统 讲一 图2 5 横向冷却示意图 国2 6 几块型板连用的定型模 图2 7 纵向冷却系统 l o 股川于定型套 i i 型面较小的型板上 不管采用何利t 冷却系统 定型套的内循 环冷却系统的分布应均匀冷却型材表面 使型材在定型套内各个方向上都以同 样的速度冷却 避免冷却时造成鹿力不均匀 型材弯曲 扭曲 给工艺上带来 埘雌 天 此 并型板对异型材冷却面的大小和多少是冷却的主要因素 总之 择芹型材定型套的内循环冷却系统应该尽量做到在同一 截面上冷却速度一致 1 27 l 四 真空吸附的影响 真空吸附会使型材外壁被吸附面先冷却 另一表面后冷却 在有外力的情 况 下型材壁厚层问会因这样不均匀的冷却过程而产生内应力 当型材离开定 型套后 会发牛变形 例如对于门窝型材中常见的中挺 图2 8 a 如果定型 套内壁设计成直的 牛产出的型材将出现翘曲现象 图2 8 b 翘曲量为6 牵引速度越高 这种现象越明显 为了解决这种变形 通常在定型套设计中采 川反倒弧 反圆弧r 的确定 目前一般采用经验值 也可以根据成型面的大小 确定反圆弧拱形的拱高6 对于高速挤出还可以在定型水箱中采用调节方法 这样对型材外壁呈现凹的作用 也就是采用反变形的设计方法补偿型材在水箱 i i t 的冷却变形 本文通过对型材变形的有限元分析 可以确定反圆弧拱形的拱 高6 五 离开定型模后的收缩 当型材离开定型模后 还会因冷却不充分 内应力的反作用继续收缩 这 a 塑料门窗用的中挺 b 中挺上下边出现的变形 图2 8中挺型材 种现象 般要持续2 4 小时 但收缩很小 一一般在3 左右 2 8 1 总之t 定型套型腔尺寸的设计必须综合考虑膨胀 收缩 牵引 冷却内应 力多重因素的作用 并在可借鉴的数量范围内结合型材断面形状进行 第三章理论基础 3 1 热分析相关公式 般根据换热过程的机理 把传热归纳为三种基本方式 热传导 简称导 热 对流和热辐射 导热指在介质 吲体 液体或气体 中或者在不同介质直 接接触时 热量从高温区传到低温区的过程 对流传热是指固体壁与流体之间 的能量传递过程 它在传热学小占有重要的地位 以上两利t 传热方式只有在直 接接触时才能实现 而辐射却无须直接接触便可把热量从高温物体传给低温物 体 甚至两物体处于真空一j 也可进行热量传递 塑料型材离开模头进入定型套后 在真空吸附力的作用下 与定型套型腔 吻合 依靠循环冷却水的冷却 按着型腔的形状准确定型 型坯与定型套之间 为热传导 向定型套与冷却循环水之问为对流传热 由于定型模内型材的温度 场随时问发牛明显变化 冈此型材在定型模内冷却的过程属于瞬态传热过程 热传导 型坯与定型套之问的热交换过程为热传导 其热传导方程为 p c p t k 窘 窘 3 1 式i i l p 一介质密度 k g m 3 c 一定压比热容 j k g k t x y o 一内部温度分布 k r 一温度对时间的导数 k 一介质的热传导率 w m k 二 对流传热 定型套内循环冷却水在管内受迫流动 热交换主要属于对流传热状态 对 流传热计算公式如下 q a a l t 3 2 式巾 q 传递的热量 w 口 对流传热系数 w m 2 k 1 一一接触面积 m 2 瓦一固体的温度 k l 一流体的温度 k 三 对流传热系数及计算公式 对流传热取决于流体的运动状态 层流或紊流 完全发展的流动 即l d 5 0 的情况 不考虑进口段的影响时 通常r 1 0 4 时 须用紊流公式 当2 1 0 0 尼 1 0 4 对流传热系数计算公式 口 o 0 2 3 号 r e o8 p r 0 4 3 3 式 h6 f 一对流传热系数 w m 2 k 五一流体的导热系数 w m 2 k d i 丑 管直径 m 尼一雷诺数 p 一普兰特数 1r 在2 10 0 一1 0 4 之间时 属于过渡区 在该区里流体的流动和换热随流 动情况的不同而变化 若层流到紊流是突然过渡的 则可以从层流公式和紊流 公式的交点来确定该转折点 但事实并不这样简单 流动是在某一r 数范围内 逐步过波到紊流的f 29 1 日前能正确反映过渡区换热情况的经验公式很少 可以 使川下公式 删 0 1 z r e g t 2 8 0 p 卅t 知移 3 4 式l h 口一对流传热系数 w m 2 k 见一雷诺数 p 一普兰特数 d 一管径 m 卜一冷却管长度 m 匕一水的热物性参数 通过查表求得 l5 水的名 8 0 2 过渡区时 1 0 4 r e 2 1 0 0 对流传热系数计算公式的实验验证范围为 1 5 p 5 0 0 0 0 5 2 0 2 1 0 0 r 1 0 6 通过分析计算 定型套内冷却水的流动状态不为层流 见 2 1 0 0 这里也 不给出层流时对流传热系数的计算公式 四 雷诺数 r 流体的运动是流体微团在各种力作用下的结果 在两个几何相似的流场中 若各对应点上的同名力相似 则两流场在对应点上的速度分布必然相似 于是 两系统便是运动相似 在受迫运动中 流体质点的运动主要取决于作用在微团 上的惯性力和黏性力的相互关系 见数反映受迫运动中流体微团所受到的惯性 力与黏性力之比 故冠数称为运动相似准则 流体雷诺数 式t i i d 一圆管直径 m r d v p 3 5 v 一流体的流速 m s p 一流体密度 k g m 3 i f 一流体的动力黏度 p a s 五 普朗特数 p r 普朗特数可作为速度场和温度场相似的尺度 计算公式如下 e 6 p x 1 3 6 式 j c 一流体的比热 j k g k 一流体的动力黏度 p a s a 一流体的导热系数 w m 2 k 3 2 相关弹性力学公式 塑料异型材为交联聚合物 在定型模中转变为玻璃化状态 在一定范围内 服从线弹性特征 以下是相关的弹性力学公式 平衡力 程描述了物体所受的体力与应力的关系 方程如下 盯 g 0 3 7 几何方程描述了物体应力与应变的关系 方程如下 占 l u 3 8 本构方程描述了物体应变与应力的关系 方程如下 盯 d s c o 3 9 第一类边界条件 位移边界条件 应用在已知边界位移的情况 方程为 一u 3 10ul u 0 r 式i i 三 旦 旦 a x西 旦旦 却函 盯 f o y yk 7 应力向量 g 叫文g y 7 1 一所受的体力 若不考虑 则g oo r 占 s s 一应变向量 1 l 阻v 位移向量 南u 怯 1 2 i 0 l 0 o 生兰 一材料刚度矩阵 e 一材料的弹性模量 忍 一材料的泊松比 繇 舞矗r 矗r 键7 囊潼瘦g l 起瓣农变 一热膨胀系数 l 辩 一d 知j 盘界上的位移 3 3 蠢黻嚣法套绥 一 有鞭 g 法简介 商限单 法 f i n i t ee l e m e n tm e t h o d f e m 属于力举分析巾的数值法 起 源于航空t 捏 l t 黝姬薄分专厅 它楚把一个懋续的介矮 或构件 蠹戒题出有限数 瓣麓誓死缝戒黥袋台昝 在斋单元疼鼷定其脊 定戆理想纯抟整移藕鹿力癸商 模式 并单 i 问趟进节点相连撩 并藉以寮现应力的传递 各单元之问的交接 面要求位移协调 通过力的平 9 1 i 条件 建立 套线性方程维 求解这魑方程组 爱可褥翻器荸露翻缝点韵垃移 斑力 燕京之 藏是讫整为零势辑 彀零为整 蕊究1 3 吼 f e m 的解题思鼢可简述为 从结构的撼移出发 通过静找位移和 藏交 应 变与威力 应力勺内力 内力姆外力的关系 建立相应舳方程组 从而出己知 麴羚力求窭结耱豹斑藏力器覆够 骞辍元分橱避翟壶其蒺零蓰数方鼹缀残 k j v 一 q j 3 l1 式 h k 一整个髂构的刚变缀阵 f v 一为求知位移量 q 一为载荷蠹量 这魑堑是不确溆的 依靠所需解决鑫每阍愆进行定量描述 上述缩构方程是 通过成川边界条件 将结构离散化成小单元 从综合平衡方程中获得 f e m 是 通过肇元划分 径装耪程度土壤搬真实结构 并由数字对结构诸方戮 妇载萄 氮薅澎状 李 辩力学健麓 边界祭俘蠢器蘑祭锌 遴行捺述 冀播述的准确性袄 赖于蚺j 0 细划的程腋 几何榴似健 载荷的真实性 材料力学参数的可信度 边界条件处理的芷确程度 力学相似性 f e m 分析结构髓力状态可用力法或位 移法袋示1 3 寄鼹元簿其豁分褥步骤舞 连续嚣懿离散往 选耩荸元盈移缀数 建立啦j 0 刚度矩障 求解代数方程组 得刹所有节点位移分量 由节点位 移求出内力或癍力 由于计算楚杂 运算工作量太 往往要通过高性能电子计 算辊才涎竞臻 毒懿毫有多群戏熬翡嘉辍元法邀葬程痔 僚埔毒隈元计算分褥方法较箕健黄统斡实验痊力分辑方法有弼蘧缒优越 性 熟优点在于m 霄艰霜法熊够给出所需溪的模型任意部位的应力 鞠位移状态 不蔽蓬给密数睡蘩象 迩蘸圭诗算瓿自动绘窭囊钵濯像 闵一 稚计算机程净 还可戳用来对多种不同模型避行计算分析 出手镬删了跨算手段 馒大釜豹数攒处理变褥较沌骞豸 不繁研究髯孝馨 鹃您辩形状 材料性质 支持条件帮栩裁赫方式多么笺絷 都能送繇分析 麓 迅速得出结果 为了验证其分析结果是否j 巨确 有时需骥川实验应力分析法或 川已j j f j 的龌础知识加以验证 j 断 得到客观依据 去伪存真 总结出符合实 际瓣援撑瞧 列受矮毒辩学性鞠霹信瞧 可以减少绒避免物理测试过程 通遗计算祝模镶墩恶劣载荷和工况下零 件或结构的t 作情况 准确地计算其麻力麻变 是使产鼬在设计阶段就能够对 其数学模型的符项性能进行详储 及早发现设计上存在的问题 从而大大缩短 设诗开发瘸期 实际土毒隈元分耩已袋兔耱谯大羹实秘蜜验魏数壤强 寝熬实 验 攘于该方滋的大量计冀分析与经典的验证性实验棚结合可以做剜高效率 和低成本 特别是采圳肖限元分丰厅技术及其优化技术 能够激进结构设计参数 使 葵丧满足强度窝雕魔的馈嚣下蕻骞最台瑾瓣结构 商限无法是c a e 的一种 从其产生聪今已经过了约半个世纪的发展 半 个世纪以来 理论上 确认了谢限元法是处理连续介质问题的一种黹遍方法 实践上 有限死法已经 广泛应瘸于各个学秘 跌到体力学扩展到滚体力学 传 热学簿领域 在工程分析峰l 靛佟糟已献分褥嚣校菝扩展涮优彳 设计 游帮c a d 技术棚结合 j j 随着计算机技术曰益普及 计算机工具在提高社会缴产力方面发挥了越来 越重要豹热列 特剃是c a d c a e c a m 在王渡要魏嚣盏藏熟露普及 掇大建提 高了工业设计和案产效率 越来越多的入逐渐熟悉这些强有力的工爨 同时对 这些技术给工业界的推动作用遴渐认可 y 通用肖限元分析软件a n s y s 简介 a n s y s 较终麓融结擒 浚舔 毫甥 磁场 声场分攒手一薅豹丈涎逮爱毒 限 分析软件 由 缱界上最大的有限元分析软件公司之 的美国a n s y s 开发 它能与多数c a d 软件接口 实现数据的共享和交换 如p r o e n g i n e e r n a s t