衣架式機頭流道幾何尺寸對流場內(nèi)速度影響分析

北京工商大學(xué)材料與機械工程學(xué)院 李 鶴 項輝宇 薛 真 李婷婷

1 前言

擠出成型是塑料成型加工技術(shù)中的重要成型方法之一。衣架式機頭作為擠出加工時最常用的機頭有著可以加工寬幅板、片材并且擠出均勻性最好的特點，被廣泛應(yīng)用。衣架式機頭設(shè)計的關(guān)鍵為機頭的流道設(shè)計。為了得到尺寸均勻的制品，從機頭流道從入口到出口，必須十分光滑，物料在機頭內(nèi)的停留時間和機頭出口處的流速必須均勻一致。

POLYFLOW是基于有限元法的計算流體力學(xué)（CFD）軟件，其強大的分析流體力學(xué)的能力被廣泛利用和認可，專門用于粘彈性材料的流動過程模擬，具有解決非牛頓、非線性問題的強大能力。本文應(yīng)用SOLIDWORKS建立多個單一變量的機頭流道模型，通過POLYFLOW對衣架式機頭內(nèi)部流場進行模擬分析，得到流道內(nèi)速流場分布情況，進一步分析機頭流道幾何尺寸關(guān)鍵數(shù)據(jù)對于流道內(nèi)速度場的影響。

2 POLYFLOW擠出過程模擬分析

2.1 幾何模型建立

根據(jù)文獻[2]中各幾何參數(shù)創(chuàng)建衣架式機頭流道的幾何模型，如圖1所示。

其中幾何參數(shù)為：入口處半徑0.023m，入口段長度0.1m，扇形區(qū)夾角170°，扇形區(qū)高度0.004m，阻尼區(qū)長度0.02m，阻尼區(qū)高度0.0025m，模唇區(qū)高度0.0035m，模唇區(qū)長度0.05m，模唇區(qū)寬度1.36m,阻尼區(qū)夾角45°。

A組模型：只改變扇形區(qū)夾角，其余幾何參數(shù)不變。A1,A2，A3，A4，扇形區(qū)夾角分別為169，170，172，174°。

B組模型：只改變阻尼區(qū)高度，其余參數(shù)不變。B1，B2，B3，B4，阻尼區(qū)高度分別0.0015m，0.002m，0.0025m，0.003m。

C組模型：只改變模唇區(qū)高度，其余參數(shù)不變。C1，C2，C3，C4，模唇區(qū)高度分別為0.0035m，0.003m，0.005m，0.006m。

圖1 衣架式機頭流道

圖2 截面示意圖

為便于分析物料在模型中速度場變化，沿擠出方向截取上調(diào)節(jié)部分截面Ⅰ，阻尼區(qū)截面Ⅱ，下調(diào)節(jié)部分截面Ⅲ，出口處截面Ⅳ如圖2所示。通過POLYFLOW模擬熔體擠出過程，得到熔體在機頭內(nèi)各截面的速度分布情況，從而分析衣架式機頭流道的幾何尺寸對流場速度的影響。

2.2 邊界條件設(shè)置

1）入口處設(shè)置為Inf l ow，體積流量為；

2）出口處設(shè)置為Out f l ow；

2.3 材料選擇及參數(shù)

本文選擇聚合物熔體的材料參數(shù)具體如下所述。

2.4 模擬結(jié)果分析

2.4.1 扇形區(qū)夾角對流場內(nèi)速度的影響

A組模型只改變了扇形區(qū)夾角，用來分析扇形區(qū)夾角對流場內(nèi)速度的影響，圖3-圖6分別為A1，A2，A3，A4四種模型在截面Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ上的速度變化情況。

圖3 A組模型在Ⅰ截面中性線上速度分布

圖4 A組模型在Ⅱ截面中性線上速度分布

圖5 A組模型在Ⅲ截面中性線上速度分布

圖6 A組模型在Ⅳ截面中性線上速度分布

流道模型扇形區(qū)的夾角從小到大依次是A 1，A 2，A3，A4。以上數(shù)據(jù)可以得出，扇形區(qū)夾角逐漸增大，截面中間層節(jié)點的速度分布由兩端高中間低趨向均勻，然而當(dāng)夾角增大到一定程度繼續(xù)增大時，速度又逐漸變成中間高兩端低，并且不均勻情況逐漸明顯。因此，可以得出扇形區(qū)的夾角過大或過小均不理想，適當(dāng)調(diào)節(jié)扇形區(qū)張角有助于提高速度均勻性進而提高擠出產(chǎn)品質(zhì)量。

2.4.2 阻尼區(qū)高度對流場的影響

B組模型只改變了阻尼區(qū)高度，用來分析阻尼區(qū)高度對流場內(nèi)速度的影響，圖7-圖10分別為B1，B2，B3，B4四種模型在截面Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ上的速度變化情況。

圖7 B組模型在Ⅰ截面中性線上速度分布

圖8 B組模型在Ⅱ截面中性線上速度分布

圖9 B組模型在Ⅲ截面中性線上速度分布

圖10 B組模型在Ⅳ截面中性線上速度分布

以上數(shù)據(jù)可以得出，各模型在截面Ⅰ，Ⅲ，Ⅳ中間節(jié)點的速度變化情況均不明顯，然而在截面Ⅱ的中間層節(jié)點速度則有較大變化，阻尼區(qū)高度按B1，B2，B3，B4的順序依次增大，而速度則以此順序明顯減小。阻尼區(qū)的高度越小，Ⅳ截面的中間層節(jié)點速度分布越均勻，因此產(chǎn)品質(zhì)量就越好。

2.2.3 模唇區(qū)高度對流場的影響

C組模型只改變了模唇區(qū)高度，用來分析模唇區(qū)高度對流場內(nèi)速度的影響，圖11-圖12分別為C1，C2，C3，C4四種模型在截面Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ上的速度變化情況。

圖11 C組模型在Ⅰ截面中性線上速度分布

圖12 C組模型在Ⅱ截面中性線上速度分布

圖13 C組模型在Ⅲ截面中性線上速度分布

圖14 C組模型在Ⅳ截面中性線上速度分布

根據(jù)以上數(shù)據(jù)可以看出，各模型在截面Ⅰ，Ⅱ中間節(jié)點的速度變化情況均不明顯，而在截面Ⅲ，Ⅳ中速度隨著模唇高度的增大而減小。然而各模型在出口處的速度分布都比較均勻，因此可以判斷，模唇高度對擠出均勻性影響不明顯，因此對產(chǎn)品質(zhì)量沒有明顯影響。

3 結(jié)論

根據(jù)CFD軟件POLYFLOW 的計算的衣架式機頭流場內(nèi)速度的分布情況，分析得出，扇形區(qū)夾角對產(chǎn)品的質(zhì)量影響最為明顯，適當(dāng)調(diào)節(jié)有助于提高產(chǎn)品質(zhì)量。阻尼區(qū)高度越小，速度均勻性越，因此對于產(chǎn)品質(zhì)量影響至關(guān)重要。模唇區(qū)的高度對速度均勻性影響不明顯，因此對于擠出產(chǎn)品質(zhì)量影響不大。

[1]謝曉宏.板材擠出衣架式機頭三維流場的研究[D].北京化工大學(xué),2005.

[2]吳電禮.發(fā)泡板機頭參數(shù)化設(shè)計及CAE分析[D].蘇州大學(xué),2010.

[3]吳崇周.衣架式機頭[J].塑料科技,1981,01:50-77.

[4]劉成,陽林,陳綺麗.基于PolyFlow模擬分析的新型流道系統(tǒng)設(shè)計與分析[J].塑料制造,2009,05:90-93.