基于ANSYS的挤出跑步机塑料边条模具的设计及机头的加工仿真

盐城工学院本科生毕业设计说明书 2008 目目 录录 1 绪论 2 1 1 行业模具 2 1 2 国内外模具发展状况和趋势 3 2 挤出工艺与模具设计 4 2 1 挤出模具设计 4 2 2 机头设计 5 2 3 分流锥及其支架设计 5 2 4 冷却定径套设计 6 2 4 1 内定径芯模 6 2 4 2 压缩空气外定径套 6 2 4 3 真空外定径套 7 2 5 过滤部分 机头过滤体 8 2 6 机头和挤塑机联接设计 10 2 7 机筒 11 2 8 模具内熔料的流变特性 12 2 9 挤塑模设计的理论基础 12 3 模具的装配和校核 13 3 1 塑料熔体在圆管内流动 13 3 2 口模联接螺钉的强度校核 14 3 3 口模尺寸 15 3 3 1 成形端长度 15 3 4 机筒材料 16 3 5 分流器支架的校核 16 3 6 PRO E 模具装配 19 3 6 1 绘制三维图 19 3 6 2 零件装配 20 3 6 3 装配爆炸图 23 3 7 ANSYS 有限元静力分析 26 3 7 1 分析问题 26 3 7 2 建立模型 26 3 7 3 机头的底部施加位移约束 27 4 仿真加工 35 4 1 Master CAM 仿真加工 35 4 1 1 工艺性审查 35 4 2 2 加工仿真 36 5 结论 44 参考文献 45 致 谢 46 附 录 47 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2008 1 1 绪论 当今市场上出售的塑料制品中 挤出成形制品的种类日益增多 塑料管材 板 材 薄膜和异形材等已在应用中占有非常重要的地位 其中异型材制品应用的范围 最为广大 相应的异型材挤出机头的需求量也在增加 挤出机头是挤出成型的关键 设备 其主要作用是将塑料熔体分布于流道中 以使物料以均匀的速度从机头中挤 出 形成所需要的端面形状和尺寸的制品 流道设计是挤出机头设计的关键 其结 构的合理性直接影响到挤出制品的质量和生产效率 1 1 行业模具 没有高水平的模具就没有高水平的产品 模具生产水平的高低 已成为衡量一 个国家产品制造水品高低的重要标志 因为模具在很大程度上决定着产品的质量 效益和新产品的开发能力 在电子 汽车 电机 电器 仪器 仪表家电和通信等 产品中 大部分的零件都要依靠模具成型 1 2 国内外模具发展状况和趋势 我国模具工业从起步到飞跃发展 历经了半个多世纪 近几年来 我国模具技 术有了很大发展 模具水平有了较大提高 大型 精密 复杂 高效和长寿命模具 又上了新台阶 按照中国模具工业协会的划分 我国模具基本分为 10 大类 其中 冲压模和塑料成型模两大类占主要部分 目前 我国以汽车覆盖件模具为代表的大 型挤压模具的制造技术和软件 实现了 CAD 计算机辅助设计 CAE 计算机辅助 试验 一体化 提高了挤压模具的设计开发和制造能力 缩短了模具的生产周期 国内的模具企业也在充分抓住现代工业所带来的发展契机 加大设备 产品 生产 规模的升级步伐 积极开拓国内外市场 然而 我国模具制造技术与工业发达国家的差距还很大 挤出模具 CAD CAE CAM 技术的开发手段比较落后 技术的普及率不高 应用不够广泛 仅有 约 10 的模具在设计中采用了 CAD 技术 距抛开绘图板还有漫长的一段路要走 在 应用 CAE 进行模具方案设计和分析计算方面 也才刚刚起步 在应用 CAE 技术制造 模具方面 由于缺乏先进适用的制造装备和工艺设备 只有 5 左右的模具制造设备 被应用于这项工作 精密加工设备在模具加工设备中所占比重较低 工艺设备落后 直接影响国产模具质量的提高 我国模具工业现有生产能力只能满足需求量的 60 左右 大部分模具厂的模具 加工设备陈旧 在役期长 精度差 效率低 还不能适应国民经济发展的需要 生 产挤出模具的专用技术尚未成熟 大多仍还处于试验摸索阶段 如模具的表面涂层 表面热处理技术 导向副润滑技术 型腔传感及润滑技术 去应力技术 抗疲劳及 防腐技术等未完全形成生产能力 走向商品化 一些关键 重要的技术缺少知识产 基于 ANSYS 的挤出跑步机塑料边条模具的设计及机头的加工仿真 2 权的保护 模具标准件标准化程度及使用覆盖效率较低 在塑料制造业中被大量使用的模 具是挤压模具 近几年来 塑料模具标准的使用覆盖率尽管有了较大 已从 20 世 纪末的 25 30 提高到目前的 45 但这种增长距国际先进水平 一般在 70 以上 中小模具在 80 以上 差距还很大 这是模具交货期长 也是我国成为模具进口大 国的重要原因之一 目前模具技术的发展趋势模具 CAD CAE CAM 正向集成化 三维化 智能化和网 络化方向发展 模具检测 加工设备向精密 高效和多功能方向发展 快速经济制 模技术的广泛应用 模具材料及表面处理技术的研究 模具研磨抛光将向自动化 职能化方向发展 模具标准件的应用将日渐广泛 压铸模 挤出模及粉末锻模比例 增加 模具工业新工艺 新理念和新模式 还有模具工业新工艺 新理念和新模式 在成型工艺方面 主要是挤出模具功能复合化 模具加工系统自动化等 另一方面 随着先进制造技术的不断发展和整体制造水平的提高 在模具行业提出新的设计 生产 管理理念与模式 主要有 适应模具单件生产特点的柔性制造技术 创造最 佳管理和效益的团体精神 提高快速应变能力的并行工程 虚拟制造及全球敏捷制 造 网络制造等新的生产哲理 广泛采用标准件通用件的分工协作生产模式 适应 可持续发展和环保要求的绿色设计与制造等 我所设计的制件是跑步机塑料边条 如图 1 1 图 1 1 跑步机塑料边条 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2008 3 2 2 挤出工艺与模具设计挤出工艺与模具设计 2 1 挤出模具设计 在挤出成形装置中占有重要地位的模具 由螺杆以3MPa 30MPa 的压力连续对 它供给熔料 并由模具使熔料形成所需断面形状的挤出物 此过程是从圆柱形料筒 中送出的圆形断面熔料通过联接器进入具有圆形或矩形入口的模具中 在模具中改 变形状以后即从模具终端的缝隙中挤出所需断面形状的挤出物 为此 从圆形或矩 形入口到变为接近于成形物断面形状的出口部分缝隙之间的模具内熔料流动路径 需进行保证此变化过程顺畅和无滞留部位的流线形设计 此外 由于所用塑料熔融 物为非牛顿流体 所以在具有粘性特性的同时 还有弹性特性 因此对熔料流动的特 性必须充分考虑弹性所起的作用 因而在设计挤出模具时必须重点考虑下列方面 2 2 机头设计 机头材料一般分为两部分 对于和塑料直接接触的零件 多选用较好的钢材制 作 通常使用镍铬钢 不锈钢 工具钢等 并要进行淬火处理 表面抛光 镀铬 硬度可达 HRC60 62 表面镀层厚度为 0 01 0 02 毫米左右 对于组成机头的结构 零件 通常选用一般钢材既可 在一般情况下 对于聚氯乙烯等熔融黏度高的塑料 多使用硬度高的材料 在 挤出过程中成为高压的弯管挤头 或者偏心的 容易变形的机头 必须注意材料的 使用 机头都是以螺纹连接在机头法兰上 而机头法兰是螺栓与机筒法兰连接固定的 一般的安装次序是先松动螺栓 打开机头法兰 清理干净后 将栅板装入机筒部分 或装在机头上 再将机头安装在机头法兰上 最后闭合机头法兰 紧固螺栓即 可 机头与挤出机的同心度是靠机头的内径和栅板的外径配合 因为栅板的外径是 与机筒有配合的 因此保证了机头与机筒的同心度要求 安装时栅板的端部必须压 紧 否则会漏料 塑料熔体在机头中的停留时间对制品质量影响很大 在挤出过程中 熔体的停留时 间应控制在松驰时间和热稳定时间之间 停留时间过短 则模头膨胀比较大 挤出的 制品就会有较大的残余应力 停留时间过长 则物料会因为受热产生热降解而影响挤 出制品的质量 2 3 分流锥及其支架设计 典型的分流锥 支架和芯棒的组合很普见 分流锥与多孔板之间的空腔起着汇 集和稳定料流的作用 因此其顶尖与多孔板端面距离不宜过小 以免出料不均匀 但也不宜过大 否则物料停留时间过长易分解 一般取 10 20mm 或等于螺杆直径 基于 ANSYS 的挤出跑步机塑料边条模具的设计及机头的加工仿真 4 的 1 5 1 10 扩张角 对于低黏度不易分解的物料取 45 80 为宜 对于高黏度易 分解物料取 30 60 为宜 分流锥支架也叫辐架 其主要作用是支承分流锥和芯棒 另一个作用是搅拌物 料的作用 在小机头中 分流锥和分流锥支架可以做成一个整体 为了及时消除物料通过分流锥后形成的结合线 分流锥上的分流筋应做成流线 型 在机械强度足够的前提下 其厚度和长度应尽量小些 出料端的角度应小于进 料端的角度 为了增加塑料通过分流锥和支架后的熔接强度 支架上分流筋断面做 成流线型 在满足强度要求的情况下 其宽度和长度应尽可能小些 出口端的尖角 应小于入口端的尖角 分流筋的数量以 3 8 根为宜 分流锥的筋数应尽量减少 小型机头应采用 3 根筋 中型机头原则上采用 4 根筋 大型机头可采用 6 根筋或 8 根筋 筋数不宜选择太多 太多造成物料不易汇合 影响管子的质量 筋的数目与 断面积大小 在必要时需根据芯棒承受轴向力的大小进行强度校验确定 分流锥支架筋上设有进气孔和导线孔 用以通入压缩空气和穿入内加热装置的 导线 分流锥体长 L 一般取 1 1 5D D 为螺杆直径 分流锥头部圆角取 R 0 5 2mm 圆角越大越容易停料 多数情况下将分流锥和 支架做成一体 再通过螺纹与芯棒组合在一起 在小型机头中也有做成整体式的 见图 2 1 图 2 1 分流机头 有时分流锥支架设有进气孔 在数根筋中任选一根钻孔 和导线孔 进气孔通 入压缩空气使型材内外壁温度均匀一致 2 4 冷却定径套设计 2 4 1 内定径芯模 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2008 5 内定径是采用一段能进行冷却水循环的芯模来定径 芯模安装在机头口模之外 直径连接在芯模上 但应与芯棒绝热也要与芯棒绝热 以免降低芯棒的温度 这种 定径法适用于直角机头 斜角机头或旁侧机头 因为这几类机头结构方便冷却水管 的进出 塑料管在芯棒上冷却时会因为收缩而产生较大的包紧力 这时应配以强有 力的牵引机 产品经芯模冷却直至完成定型 再经牵引机和锯割装置锯成一定长度 的成品 外定径的方法是目前国内最常采用的方法 它又因施压方式不同而分为压缩空 气定径 内压定径 和真空定径两种形式 2 4 2 压缩空气外定径套 如果是压缩空气定径的定径套 定型模 这时需通过分流锥支架的分流筋导 入一定压力 0 03 0 25MPa 的压缩空气 为了保持管内气压需用一个与内壁滑 动配合的橡皮塞堵在管内防止漏气 该塞子用链条拉在机头芯棒上 如果机头芯棒 因压缩空气的导入而降温 致使管子内壁不光滑 则应采用经预热的压缩空气 定 径套有冷却水夹套 将与定径套内壁紧密接触的塑料管冷却 异芯材出定径套后进 入冷却水槽继续冷却 低温的定径套和口模相连接 两者之间采用空气间隙或绝热 材料绝热 由于型材从口模挤出后有一定的出模膨胀 为了型材能顺利进入定径套 避免 产生过大的阻力 直径100mm以下的管子定径套内径比口模内径大0 5 0 8mm 直径 100 300mm的管子约长1mm 型材在进一步冷却时直径还会减小 对RPVC而言减小 约1 以此来设计定径套的内径 2 4 3 真空外定径套 真空定径是在定径套内壁上开有抽真空的小孔或窄缝 使管材通过定径套紧贴 于定径套内壁 同时在定径套上设冷却水夹套或向外壁喷淋冷却水的结构 真空定 径套又分为与真空冷却水槽连成一体的真空定径套和单独的真空定径套 后者只需 与普通的冷却水槽配合使用 见图2 2 若连接在真空冷却水槽上的定径套 在定径套管壁上开有许多小孔或窄缝 孔 径或缝宽小于0 8mm 孔间距约10mm 的一段薄壁金属管 冷却水从四周喷淋在定 径套管壁上 由于密闭的真空冷却水槽内保持有真空 而塑料管内通大气 因而使 高温管紧贴在定径套内壁上被迅速冷却 冷却定径套的结构尺寸各工厂一般凭经验确定 外径定径套的内径过大会降低 成品的光洁度 内径过小挤出阻力大 使其不易出来或引起制品变形 对于挤出较 小尺寸的制品 其定径套的内径应比口模内径大 0 5 1 毫米 对于挤出较大尺寸 的制品 其定径套的内径应经口模内径应比口模内径大 1 1 5 毫米左右 但准确 的数值还要视工艺条件而定 此外 冷却定径套必须具备足够的长度 以保证制品 能够冷却定型 进入水槽后就会变形 冷却定径套也不能选择得太长 太长阻力增 大 牵引的功率也就增大 原则上 冷却定径套的长度约为口模内径的 3 倍左右 基于 ANSYS 的挤出跑步机塑料边条模具的设计及机头的加工仿真 6 也可按下式进行估算 聚烯烃管 图 2 2 冷却定径装置 通常由冷却水孔总长度和定型模上的真空孔数及其布局来确定 但由于冷 W L 却水量和真空度均可调节 故定型模总长度的确定 并非十分严格 实践表明 当 异型材壁厚达2 5 3 5 左右 这将给加工带来极大困难 为此 常将长定型模分 成多段制造 然后组装使用 其分段依据表2 1可供参考 表2 1 异型材定型模分段参考依据 异型材截面尺寸 壁厚高 宽 定型模总长度 可分段数 1 50以上40 200以上500 13001 2 1 5 3 080 300以上1200 22002 3 3 00以上80 300以上2000以上3以上 2 5 过滤部分 机头过滤体 多数情况下 机头入口与口模出口断面形状差异很大 目前挤出机机筒都是圆 形的 那么必须有一个从圆形逐渐变为口模近似形状的部分 包括入口部分 这是 异型材机头很重要的一部分 设计该部分时 应能使离开滤板的熔融物料无滞留的 向口模输送 为口模流道中物料均速流动创造条件 对于制品高度小于机筒直径 其宽度大于机筒直径中的中空异型材机头 过滤 部分的扩展角尽量控制在70 以下 对于成型条件要求严格的物料如HPVC等应尽量 控制在60 左右 当然 对于莲花瓣和歧管流道模塑的PE SPVC等物料机头不在此 例 对于非中空异型材机头扩展角可放大 中空异型材物料进入口模前必须要经过分流部分 这部分对熔融物料成型坯带 来很大不利条件 可是没有这部分不行 对于中空异型材是不能跨越的 所以 在 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2008 7 满足强度要求的前提下 这部分越短越好 而且分流的支承筋断面越小越好 这是 考虑分散的物料再汇合容易 易于消除结合线 因此为了很好消除结合线 往往分 流部分有效流道断面比口模流道断面大 即形成了所谓的机头压缩比 分流板的结构要求 1 分流板要与螺杆头部形状吻合好 不能产生积料 2 分流板与机筒的对中性要好 3 要使物料流经分流板后 各点速度相同 且不能使物料流动阻力过大 4 结构尽量简单 制造方便 装拆更换容易 依据上述要求 分流板的设置不能距螺杆头部太远 对热敏性物料 如硬聚氯 乙烯 距离要小 以防止积料产生热分解 但也不可因距离设置过小而使物料的 螺旋运动来不及转变为直线运动 导致纵向流动不稳定 一般应使分流板至螺杆头 部的容积为小于或等于均化段一个螺槽的容积 其距离为 0 1D 目前 国产挤出机 多用结构简单 制造方便的平板形分流板 为保证物料流经分流板后速度一致 分 流板的孔眼数目设计为中间疏 旁边密 但孔眼的尺寸一般相等 对热敏性物料 也可设计孔眼尺寸为中间孔眼直径大而稀疏 以降低流动阻力 避免热分解 国产 挤出机分流板的设计尺寸及孔眼尺寸可参考表 2 2 表 2 2 国产挤出机分流板尺寸参数 螺杆直径 mm 孔眼直径 mm 开孔率 分流板尺寸 mm 分流板至螺杆头 距离 mm 302 53110 4523512 65445 815 90 4 5 39 442010 5 120 4 中间 4 8 38 5 中间 24 外缘 32 150 5 4 5 3930 12 8 200 5 4 5 393520 孔眼尺寸的大小及板的厚度取决于螺杆直径 螺杆直径大 孔眼尺寸相应增加 孔眼的分布为同心圆或六角形 孔眼分布如图 2 3 所示 分流板孔道结构设计应光滑无死角 以便物料的流动及清理 所以 孔道的进 料端要倒斜角 或从进料端到出料端加工成锥形 以便清理并增加物料压力 基于 ANSYS 的挤出跑步机塑料边条模具的设计及机头的加工仿真 8 图 2 3 栅板 分流板的材料一般用不锈钢 132 r C133 r C 异型材通过定型模的速度视定型模的长度和异型材的壁厚而定 对于1mm壁厚 的异型材通过速度可达3 4 5m min 厚4m者通过速度为0 5 0 7m min 2 6 机头和挤塑机联接设计 机头与挤塑机联接装置称为联接器 联接器的结构有好几种类型 我采用的螺纹式联接 机头与挤塑机料筒之间一般均以法兰盘对接 机头法兰 盘与机头之间采用大直径的螺纹联接 机筒法兰盘与机筒间也用螺纹联接 两法兰 盘对接时采用4 6个或更多的螺钉紧固 但为了装拆方便多采用螺栓联接 将机头 法兰盘上的螺栓孔做成带缺口的 装拆时无需将螺母拧下 只需拧松到一定程度即 可翻转该螺栓 中 小型机头的法兰盘上有两个螺栓孔不开穿 在开启机头时用该 螺栓作为机头支撑与螺纹相联接见图2 4 在机头与料筒之间夹入栅板 多孔板 栅板的外径分别与机头的台阶孔内径 和料筒的台阶孔内径相配合 使达到同轴同心的要求 夹紧时栅板两平行端面与台 阶孔的环形端面分别压紧 保证不漏料 栅板的作用是支撑不锈钢丝过滤网 调节 机头阻力并使物料通过栅板后将螺旋运动转变为直线运动 螺纹联接器尺寸如表2 3所示 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2008 9 表2 3 挤塑机螺纹联接器的尺寸 挤塑机型号符 号 SJ 45SJ 65SJ 65SJ 90SJ 120SJ 150 符号意义 MM80 43M110 23M110 2M140 3M180 3M180 3 机头与机头法兰联 接尺寸 D 55 80 90 110 160 175 栅板外径 d 70 70 90 120 150 栅板开孔处直径 mM18 T22T24 螺栓直径 B303535456868 机头法兰厚度 H 1515203238 栅板厚度 h8578 14 栅板伸入机筒厚度 L1104170181 86210340348 螺栓联接 L2104115105120205205 中心距 图 2 4 螺纹联接器 2 7 机筒 机筒是挤出机重要的部件之一 机筒的结构设计是否合理 影响到挤出机的热 量传递的稳定性及均匀性 机筒的加料段设计直接影响固体输送效率 机筒的加工 与装配影响到挤出机的工作性能及机器寿命 所以 对于挤出机机筒涉及到其结构 形式的选择 机筒加料口形式的确定 机筒各段及其与机头的连接等问题 机筒的结构类型有多种 但主要有整体式 分段式 双金属和轴向开槽结构形 式 整体式机筒结构其特点是长径比大 零件数目少 加工精度容易满足 装配误 差小 机筒受热均匀 设置外加热器不受限 整体式机筒对加工设备及技术要求较 高 而且磨损后修复困难 所以 一般对于长径比较小的螺杆 才配以整体结构的 机筒 基于 ANSYS 的挤出跑步机塑料边条模具的设计及机头的加工仿真 10 2 8 模具内熔料的流变特性 对模具内熔料流动特性的考察是为了便于以所需挤出量获得符合品质要求的挤 出物 由此必须对模具内的熔料流动路径进行设计 特别是模具终端的缝隙 在合理 的压力分布下 通过所需的挤出量 才能获得形状尺寸与模具缝隙形状相同的高品质 挤出物 各类熔料所显示的非牛顿流体特性和所具有的粘性特性 弹性特性不同 异形机头主要用于成型非圆形断面的型材 异形机头在挤出过程中 其工艺难 以控制 不但各点的流速难以控制 薄厚也不容易控制 如何使机头出口断面上各 点的料流速度一致 是设计异形机头流道的主要问题 不管挤出什么异形材料 一 般都由圆形流道逐渐过滤到所需要的截面形状 在一过渡是十分重要的 绝对不允 许有明显的死角和停滞区 由挤出机挤出的物料经分流锥后 随即汇合成管状 再 由管状形逐渐过渡到所需之形状 这一过度 其流道的断面积逐渐变小 当然物料 也受到越来越大的压缩和压力 当物料挤到定型区时 产品基本密实 在经过水槽 也就基本定型 由圆形流道过渡到所需要的形状 其过渡处必须圆滑 不得有死点 其表面粗 糙度参数 Ra 值不得大于 0 63 m 同时芯棒必须具备足够的机械强度和耐腐性 更 不能存在明显的加工痕迹 一般塑料型材挤出成型模具应包括两部分 机头 口模 和定型模 套 挤 出成型模具中机头的作用是 当粘流状态的塑料在机出机的高压作用下 通过机头 流道时即形成与流道断面大体相同的连续体 再通过定型模从而形成连续的塑料型 材 制品 中空异型材的定型模需要安装在辅机的定型装置上 机头和定型模 套 的一 些技术数据的确定都要依据挤出机组的参数 因此挤出成型模具设计与所用的挤出 机机组关系十分密切 在设计机头和定型模时 应详细了解挤出机机组的技术范围 才能设计出合乎要求的机头和定型模 套 异型材挤出成型模具包括机头和定型模 但是生产实心的硬质异型材根据产品 情况可以不用真空定型模 用定型套代替 生产软质制品的非中空异型材可以不用 定型模或定型套 采用极为简单的水冷方法既可 2 9 挤塑模设计的理论基础 机头设计要解决机头内流道设计 机头刚强度和结构设计以及加热控温方式设 计三方面的问题 塑料熔体在管道内流动时 沿横断面和沿流动方向的流速的分布有几种形式 1 一维流动 流道沿流动方向的断面尺寸不变 平行流动 在横截面上各点 的流速分布仅沿一个方向变动 这样口模内任意点的流速只需用一个垂直于流向的 坐标来表示 物料在圆管中流动 其横截面上等速线分布是以孔为中心的一些同心 圆 各点速度可以用一个通过中心的坐标轴来表示 此外熔体在无限宽扁缝内的流 动将两头除外也属于一维流动 2 二维流动 流速分布需用两个坐标来描述的叫二维流动如矩形断面流道 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2008 11 物料做平行流动 但在横截面上流速分布必须用垂直于流动方向的x y两个直角坐 标来表示 除矩形外塑料熔体在椭圆形 三角形 梯形 多边形等截面内的平行流 动都属于二维流动 3 三维流动 流道横截面上的流速分布必须用两个坐标来表示 同时流道尺 寸沿流动方向也有变化 即流速的分布要用三个坐标来表示 压力降与流动速度之 间的解析关系对于一维流动而言 即使是非牛顿流体也能求解 对于二维流动只能 对牛顿流体中的三角形 矩形 椭圆形等几种简单形状求解 对于非牛顿流体只能 求得近似解 对于三维流动 其解析解更复杂 但可借助于计算机对它做优化计算 对于多数的挤塑成品 管 板 棒 膜 薄壁异型材等 对成型起决定作用的是口 模的平直部分 3 3 模具的装配和校核模具的装配和校核 在塑料挤出模具设计中校核起着重要作用 倘若校核这一环节不过关 模具的质 量就会受到重要的影响 甚至整个模具设计功亏一篑 塑料挤出模具的校核主要是 对分流器支架和联接螺钉进行校核 这是因为分流器支架主要用来支撑芯膜和分流 锥 它是模具中强度最低的部分 而联接螺钉承担着绝大部分的粘滞力和芯模所受的 压缩力 塑料挤出机头主要分为中心进料式机头和直角机头 3 1 塑料熔体在圆管内流动 设圆管两端距离为 L 两端压差 在圆管中取一微元体 其半径为 r 长度为p 作用在微元体两端压力差为 表面所受剪应力为 其力平衡式如下 1 1 dLdp dprrdL r 2 2 1 1 dLdp r r 2 设沿管轴压力均匀下降 1 2 LpdLdp 在管壁处当时 Rr 1 3 L Rp w 2 式中 管壁处的剪应力 w 对非牛顿流体可按幂律原理 指数定律 将剪切速率与剪应力之间的关系表示 如下 基于 ANSYS 的挤出跑步机塑料边条模具的设计及机头的加工仿真 12 1 4 m kdydv 式中 非牛顿指数 牛顿流体 1 非牛顿流体 1mmm 对于圆管形流道而言 半径r处的速度随半径r改变 则有 1 5 m kdrdv 将以上两式带入 并认为在管壁处的流速为零 求其积分得到任意半径处的流 速 1 6 12 11 m rR L p kv mm m r 熔体在圆管中的总体积流率为 1 7 drvrq R O rv 2 在将以上两式合并并积分得 1 8 32 3 mL pRk q m mm v 对牛顿流体 此时有 1 m 1 9 L pRk qv 8 4 即式中称为牛顿剪切速率 L Rp k R qv 2 4 3 3 4q R v 一般的塑料熔体都是非牛顿流体 通常是利用毛细管流变仪通过实验作出流动 曲线 再求式中的和 但一般来说实验流动曲线一般用毛细管壁处的剪应力km 与机头强度计算 LRp2 异型材机头流道的压力降 P较大 正常生产一般在50kg cm 150kg cm 但 是 新的机头在初试车情况下 由于成型工艺条件控制不严格 通常 P最高可达 到250kg cm 以上 所以对机头强度计算是不可忽视的 经常出现口模的联接螺钉 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2008 13 和分流栅板的分流筋等变形及破坏现象 3 2 口模联接螺钉的强度校核 口模联接螺钉承受熔融物料流动方向的作用力 其作用力等于垂直于物料流动 方向上的分流栅板处流道投影面积乘以流道内的压力降 螺钉工作条件是属受轴向 拉伸的紧螺钉联接 作用在螺钉上的总负荷为管壁处牛顿剪切速率作出 3 4Rqv 的 3 3 口模尺寸 实际上 异型材壁厚既有厚壁一致的 也有各部分厚壁要求不一致的 因此 要区别情况作不同的设计 壁厚各处不一致者 情况相当复杂 对此 须視具体条 件 作出若干简化处理 即便如此 要做出恰如其分的设计 也会有很大程度的难 度 甚至存在有不可能实现的特殊情况 因此 可以预见异型材塑模 仍包含有很 大程度的经验性 3 3 1 成形端长度 当壁厚为均匀一致的异型材时 各截面均可视为是一狭缝形模口 其口模成形 段长度可按下式计算确定式中的几何参数 的计算 12 62 n n H q W k p L io RRH W 方法如下 材料幂律参数 值 其中异型流道n K L Wh K 12 3 几何参数的计算方法 W 圆环 1 10 ioio RRRRW 14 3 半圆环 1 11 ioio RRRRW 57 1 2 有端部的直角形 1 12 21 WWW 没有端的四角环 1 13 io RRW 4 没有端的多边形 1 14 io RRW 46 3 基于 ANSYS 的挤出跑步机塑料边条模具的设计及机头的加工仿真 14 直角三角形 1 15 321 WWWW 封闭半圆环 1 16 io RRW57 3 57 1 封闭小半圆环 1 17 iosio RRRRRW 2cossin 半圆直角组合 1 18 21 57 3 57 1 WWRRW io 封闭圆薄缝隙组合 1 19 1 14 3 WRRW io 双封闭半圆组合 1 20 io RRW14 5 14 3 图形参考 新型塑料挤出机头设计 40 页 工艺参数值 视塑料品种及异型材截面复杂程度不同 一般可在 P MPa10 间选取 体积流量可由经验公式计算确定 MPa35Q 1 21 om QQ 243 0 scm 3 式中 为预先设定的机头的型材产量 h 为塑料在室温下的密度 g m Q o 3 cm 当材料幂律参数不可得时 口模成型段长度 也可由表中的经验数据估算确L 定 见表 3 1 但无论用何方法取值 的最大长度不应超过 80 90 L 表 3 1 异型材挤塑模设计经验数据 塑料名称CAECPERPVCSPVC其它 L H H H S A A S 17 22 0 70 0 90 1 05 1 15 4 1014 20 0 85 0 90 0 85 0 95 20 50 1 10 1 20 0 80 0 93 5 11 0 83 0 90 0 80 0 90 30 40 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2008 15 B B S 0 80 0 950 75 0 900 90 0 970 70 0 85 确定口模径向尺寸难度较大 因为口模膨胀 牵引和工艺条件波动等因素的影 响 致使口模间隙不可能是异型材壁厚 中空异型材高度 宽度与其相H s H s B s A 应的口模径向尺寸和亦均有差别 由于理论计算难度很大 在设计时将表作为BA 参考然后结合经验确定 3 4 机筒材料 机筒材料用氮化钢 也可采用其他材料 内孔表面处理 对氮化钢氮化 深度 0 4mm 硬度不抵于 700HV GB T11354 规 定的脆性不大于 2 级 对采用其他材料 其使用要求应低于氮化钢相应指标 机筒内孔的表面粗糙度不低于 a Rm 6 1 机筒内孔极限偏差而符合表的规定 机筒两孔轴线距离的误差应在 0 08 之内 3 5 分流器支架的校核 分流器支架主要用来支撑分流锥及芯模 同时使料流分束以加强均匀搅拌作用 分流器支架上的分流筋做成流线型 是为了消除物料通过分流器支架时形成的结合 线 由于分流器支架主要用来支撑芯模和分流锥 它是模具中强度最低的部分 设计 时需进行强度计算 确定分流筋的数量和截面尺寸 1 剪切强度计算公式如下 1 22 nf PF 式中材料许用剪切应力 MPa 分流筋所受剪切应力 MPa 分流锥在物料流动方向的面积 F 2 mm 分流筋纵向截面积 f 2 mm 机头压力 pMPa 分流筋数量 n 对于塑性材料 1 2 1 5 s s s n n 0 6 0 8 基于 ANSYS 的挤出跑步机塑料边条模具的设计及机头的加工仿真 16 机头压力12 分流锥最大外径 分流筋数量 分流筋 PMPammRa24 4 n 截面形状及几何尺寸如图 2 1 与图 3 1 分流器支架采用 4Cr13 钢 对于 4Cr13 钢 MPa s 355 图 3 1 锥头 则该分流器支架的每个分流筋所用剪切应力为 MPa nf PF 40736 43 2 710 2 1810 4 2414 312 2 而即 s s n MPa273 3 1 355 0 6 0 8 MPa1912737 0 可知 故分流筋强度足够 2 联接螺钉的校核 压环周围的六个内六角螺钉 联接机体与压环 承担着绝大部分的粘滞力 Fs 和 芯模压缩力 Fp 流道壁上的粘滞力 按定义式为 1 23 NSFs i i i 5 1 式中任意段流道表面积 i S 壁面上的剪应力 i Pa 对于圆环隙流道有 1 r R k k R r L PR 0 2 0 0 1ln2 1 2 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2008 17 24 式中环隙外半径 为外壁面力 00 R Rr 环隙内半径 为内壁面力 ii RRr 0 RRk i 对芯模的压缩力 可表示为 1 NPRF ap 2 25 式中分流锥最大截面半径 a Rm 熔体压力 PPa 系数 通常取1 6 2 0 口模熔体压力降 机头 60 3 24 6 27 50 mmLmmRmmR i 26 108mNP 压力 分流锥最大截面半径 塑料制品为 PVC 制品 联接螺MPaP12 mmRa24 钉承受定型区 压缩区 分流区 芯模及分流器支架的粘滞力和料流对分流锥产生 的压缩力 而分流区外表面所受的粘滞力由机体所承受 所以只考虑分流区内表面 a 定型区 88 0 6 27 3 24 60 3 24 6 27 50 kLRR i 外表面 Pa mS 5 26 1 226 1 1016 2 88 0 1 ln2 88 0 1 1 602 10 6 27 1004 1 1060 6 2714 3 2 内表面 226 2 1004 1 1060 6 2714 3 2mS Pa 5 26 2 10232 2 3 24 6 27 88 0 1 ln2 88 0 1 6 27 3 24 602 108 6 27 22111 SSF 5252 10232 2 1004 11016 2 1004 1 N7488 其余粘滞力计算过程与以上类似 不同的是 压力降由公式求出 由于流P 基于 ANSYS 的挤出跑步机塑料边条模具的设计及机头的加工仿真 18 道计算较复杂 必要时可作近似计算 计算出 2 F 3 F NSF i i iS 4374 5 1 b 压缩力 由可计算 8 1 MPaPRa12 24 NFp 6 390661012102414 3 8 1 662 c 校核 联接螺栓选用六个的 35 号正火钢螺钉 其受载荷时轴向许用载荷8012 M NF25000 NFFF ps 6 43440 6 390664374 3 6 PRO E 模具装配 Pro ENGINEER 除了设计三维造型以外还可以进行零件装配 3 6 1 绘制三维图 首先利用 Pro ENGINEER 将 AutoCAD 中的二维零件图和部件图画成三维图 见图 3 2 这是其中一个 其他部件可参考三维零件装配图册 图 3 2 零件图 3 6 2 零件装配 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2008 19 A 新建一个装配文件并设置模型树的显示目录 a 单击新建按钮 弹出 新建 对话框 b 在 类型 选项组中选择 组件 单选项 在 子类型 选项组中选择 设 计 单选项 输入组件名称为 zhuangpei 单击 使用缺省模板 复选项以不使 用默认模板 单击 确定 按钮 c 在出现的 新文件选项 对话框中 从 模板 选项组中选择 mmns asm design 单击 确定 按钮 建立一个组件文件 d 在导航区的模型树选项卡中 单击模型树上方的 设置 按钮 从出现的下 拉菜单中选择 树过滤器 选项 打开 模型树项目 对话框 e 勾选 特征 复选框和 放置文件夹 复选项 单击 应用 按钮 f 单击 关闭 按钮 此时 在装配模型树中便显示基准平面 基准坐标系等 B 装配第一个零件 JITOU4 PAT a 在工具栏中单击 将元件添加到组件 按钮 或者从菜单栏中选择 插入 元件 装配 命令 b 在出现的 打开 对话框中 查找到原文件 JITOU4 PAT 单击 打开 按钮 c 在出现的操控板中 从约束类型下拉列表框中选择 缺省 选项 见图 3 3 图 3 3 口模模型导入 基于 ANSYS 的挤出跑步机塑料边条模具的设计及机头的加工仿真 20 C 装配第二个零件 JTOU3 PAT a 在工具栏中单击 将元件添加到组件 按钮 或者从菜单栏中选择 插入 元件 装配 命令 b 在出现的 打开 对话框中 查找到原文件 JITOU3 PAT 单击 打开 按钮 c 在出现的操控板中 从约束类型下拉列表框中选择 匹配 选项 设置匹配 的偏移类型为 定向 见图 3 4 d 分别选择匹配参照的两个面 e 单击操控板上的 放置 选项按钮 进入放置上滑面板 f 在 放置 上滑面板中 单击 新建约束 处 开始定义第 2 放置约束 选 择约束类型为 对齐 偏移类型为 重合 然后在图形窗口中选择 JITOU3 PAT 的轴线 JITOU4 PAT 的轴线 g 单击 新建约束 处 开始定义第 3 放置约束 选择约束类型为 匹配 偏移类型为 重合 分别选择两个参照面 h 单击操控板中的 完成 按钮 完成第二个零件的装配 图中隐藏了该零件 的基准特征 装配成型后如图 3 5 图 3 4 装配设置 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2008 21 图 3 5 组装完毕 3 6 3 装配爆炸图 装配爆炸图其实是组件的分解视图 建立表达清晰的装配爆炸图 有助于分析 产品结构 规划零件以及给生产工艺的指导工作带来方便等 利用爆炸图来辅助说 明产品的组成或者装配顺序 A 打开装配图 打开 Pro ENGINEER 后从文件中点击 打开 按钮 选出装配好的图 如图 3 6 所示 基于 ANSYS 的挤出跑步机塑料边条模具的设计及机头的加工仿真 22 图 3 6 总体装配效果图 B 编辑爆炸图 选择 视图 分解 分解视图 命令 此时得到的是默认的爆炸图如图 3 7 所示 由系统自动产生的爆炸图往往显得有些凌乱 还需要做进一步的位置调节 以 获得满意的爆炸状态 a 从菜单栏中选择 视图 分解 编辑位置 命令 如图 3 8 所示的 分解位置 对话框 b 在 运动类型 选项组中 选择 平移 单选项 从 运动参照 选项组的 列表框中选择 平面法向 选项 定义运动类型和运动参照 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2008 23 图 3 7 系统分解 c 在图形窗口中选择 ASM RIGHT 基准平面来定义方向参照 d 单击要移动的元件并释放鼠标按键 在 ASM RIGHT 基准平面的法向上移动鼠 标 在适合的位置单击鼠标左键 便完成了选定元件的位置调整 以同样的操作 调整其他元件的位置 e 单击对话框中的 优先选项 按钮 则打开 优先选项 对话框如图 3 9 默认的选项为 移动一个 可供选择的移动选项还有 移动多个 和 随子项移 动 f 调整爆炸图中的各元件位置 单击 分解位置 对话框的 确定 按钮 如 图 3 10 所示编辑好位置的爆炸图 基于 ANSYS 的挤出跑步机塑料边条模具的设计及机头的加工仿真 24 图 3 8 分解位置 图 3 9 优先选项 图 3 10 编辑好位置的爆炸图 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2008 25 3 7 ANSYS 有限元静力分析 3 7 1 分析问题 考查口模在工作时发生的变形和产生的应力 口模在底面的四周边界不能发生 上下运动 即不能发生沿轴向的位移 在底面的 18 个圆周上不能发生任何方向的 运动 在小轴孔的孔面上分布有的压力 在大轴孔的孔台上分布有的Pae61Pae71 压力 在大轴孔的键槽的一侧受到的压力 Pae51 3 7 2 建立模型 建立模型包括设定分析作业名和标题 定义单元类型和实常数 定义材料属性 建立几何模型 划分有限元网格 在进行一个新的有限元分析时 通常需要修改数据库名 并在图形输出窗口中 定义一个标题来说明当前进行的工作内容 另外 对于不同的分析范畴 结构分析 热分析 流体分析 电磁场分析等 ANSYS 所用的主菜单的内容不尽相同 为此 我们需要在分析开始时选定分析内容的范畴 以便 ANSYS 显示出与其相对应的菜单 选项 其具体步骤为 a 从实用菜单中选择 Utility Menu File Change Jobname 命令 将打开 Change Jobname 修改文件名 对话框 b 在 Enter new jobname 输入新的文件名 文本框中输入文字 example5 5 为分析的数据库文件名 c 单击 Add 按钮 完成文件名的修改 d 从实用菜单中选择 Utility Menu File Change Title 命令 将打开 Change Title 修改标题 对话框 e 在 Enter new title 输入新标题 文本框中输入文字 static analysis of rod 分析的标题名 f 单击 OK 按钮 完成对标题名的指定 g 从实用菜单中选择 Utility Menu Plot Replot 命令 指定的标题 static analysis of rod 将显示在图形窗口的左下脚 h 从主用菜单中选择 Main Menu Preference 命令 将打开 Preference of GUI Filtering 菜单过滤参数选择 对话框 选中 Structural 复选框 单击 OK 按钮确 定 在进行有限元分析时 首先应根据分析问题的几何结构 分析类型和所分析的 问题精度要求等 选定适合具体分析的单元类型 a 从主菜单中选择 Main Menu Preprocessor Element Type Add Edit Delete 命令 将打开 Element Type 单元类型 对话框 b 单击 OK 按钮 将打开 Library of Element Type 单元类型库 c 然后在左边的列表中选择 Solid 选项 选择实体单元类型 d 在右边的列表框中选择 Tet 10Node 92 单元选项 选项十节点四面体实体结 构单元 Tet 10Node 92 基于 ANSYS 的挤出跑步机塑料边条模具的设计及机头的加工仿真 26 e 单击 OK 按钮 将 Tet 10Node 92 单元添加 并关闭单元类型对话框 同时 返回到第一步打开的单元类型对话框 f 该单元不需要进行单元选项设置 单击 Close 按钮 关闭单元类型对话框 结束单元类型的添加架 g 从主菜单中选择Main Menu Preprocessor Meshing MeshTool命令 打开 Mesh Tool 网格工具 h 单击Line域Set按钮 打开线选择对话框 要求选择定义单元划分数的线 i ANSYS会提示线划分控制的信息 No of element divisions 文本框中输入 10 单击OK j 在对话框中 选择Mesh域中的 Volumes 单击Mesh 打开体选择对话框 要求 选择要划分数的体 单击Pick All按钮 k ANSYS 会根据进行的线控制划分体 如图 3 11 图 3 11 划分后的体 3 7 3 机头的底部施加位移约束 a 从主菜单中选择 Main Men Solution Loads Apply Structural Displacement on Lines b 拾取底面的所有外边界线 单击 OK c 选择 UZ 作为约束自由度 单击 OK d 从主菜单中选择 Main Menu Solution Loads Apply Structural Displacement on Lines 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2008 27 e 拾取基座底面的圆周线 单击 OK 选择 All DOF 作为约束自由度 单击 OK 3 7 4 进行求解 a 从主菜单中选择 Main Menu Solution Solve CurrentLS 命令 打开一个确 认对话框和状态列表 要求查看列出的求解选项 b 查看列表中的信息确认无误后 单击 OK 按钮 开始求解 c 求解完成后打开如图 3 12 所式的提示求解结束对话框 图 3 12 提示求解完成 3 7 5 查看结果 A 查看变形 三维实体需要查看三个方向的位移和总的位移 a 从主菜单中选择 Main Menu General Postproc Plot Result Contour Plot Nodal Solu命令 打开Contour Nodal Solution Data对话框 b 在Item to be contoured 等值线显示结果项 域的左边的列表框中选择 DOF soulition 自由度解 选项 c 在右边的列表中选择Translaton UX X向位移 选项 d 选择Def undef edge 变形后和未变形轮廓线 单选按钮 e 单击OK按钮 在图形窗口中显示出变形图 包含变形前的轮廓线 如图3 13 所示 图中下方的色谱表明不同的颜色对应的数值 带符号 基于 ANSYS 的挤出跑步机塑料边条模具的设计及机头的加工仿真 28 图3 13 X方向的位移 f 用同样的方法查看Y方向的位移 如图3 14所示 图3 14 Y方向的位移 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2008 29 g 用同样的的方法查看Z方向的位移 如图3 15所示 图3 15 Z方向的位移 h 用同样的的方法查看总的位移 如图3 16所示 图3 16 总的位移 基于 ANSYS 的挤出跑