方管聚合物氣輔擠出口模設計

任銀娥　謝品平

南昌大學機電工程學院聚合物成型實驗室 （江西南昌　330031）

方管聚合物氣輔擠出口模設計

任銀娥謝品平

南昌大學機電工程學院聚合物成型實驗室 （江西南昌330031）

摘要擠出口模在聚合物擠出成型中發揮著重要作用，其設計關系著擠出制品的質量和成本。應用Polyflow軟件，分析了方管口模的幾何尺寸與其內外各參數之間的關系,確定出方管擠出口模的合理幾何結構和尺寸，設計出最優化的方管型氣輔擠出口模，從而提高口模設計精度和產品的質量，并降低生產成本。

關鍵詞氣輔擠出擠出脹大數值模擬口模設計

0　引言

擠出成型裝置最重要的組成部分是擠出口模，其質量直接決定了擠出物的形狀和質量，而口模設計的關鍵點和難點是模具流道的設計。傳統擠出口模的設計主要采取不斷地試模和修模的方法，該法在生產加工中不僅耗費大量的時間而且成本較高。采用數值模擬方法來估算所要擠出制品的口模形狀和尺寸，分析熔體在口模中的流動情況從而優化口模結構，對異型材擠出口模設計具有重大意義。通過分析口模中熔體在不同幾何參數下的流動情況，得出這些參數和工藝條件與擠出結果之間的變化規律。通過計算機模擬可以改進口模的結構與尺寸精度，從而提高口模設計精度和產品的質量，并降低生產成本。

1　擠出口模研究進展

國內外研究者對擠出機口模流道中的聚合物熔體流動規律進行了大量的實驗和數值模擬研究，以期得到口模成型質量的各種影響因素，進而優化口模設計。1998年，Jay等[1]應用Polyflow有限元軟件，對口模的內壁取不同長度的滑移段（氣輔段），模擬并分析了壁面滑移現象對聚合物熔體擠出脹大的影響，結果表明，壁面滑移能夠減小擠出脹大和擠出過程中產生的應力；Michaeli等[2]研究了一種較復雜的擠出模具優化設計方法，該方法利用有限元和網絡理論加速了設計優化過程，研究結果表明，在口模部位修改流道結構可達到最佳熔體速度分布；涂志剛等[3]設計并分析了縫型和圓環型口模內聚合物的擠出過程；王曉楓等[4]對塑料異型材聚合物擠出機口模的典型流道結構進行了研究，該研究具有很好的參考性和實用性；黃興元[5]設計并通過實驗研究了方型口模并得出相關結論；盧臣[6]研究了T型口模氣輔擠出工藝過程和口模設計；劉斌等[7]應用有限元分析和最優化設計理論方法，以擠出流動均勻性為指標，以參數化建模和有限元模擬結果的優化設計法作為分析研究工具，全面總結了擠出模具結構對異型材聚合物擠出流動均勻性的影響規律；Chung等[8]提出了另一種優化擠出口模結構的設計方法，指出最優化設計變量應依靠遺傳算法來導引，而最優值的求解應基于有限元分析模型過程，在對模具結構進行優化時，可利用不同的目標函數。

從上述研究結果可以看出，以往研究的重點多集中在口模的特征幾何參數方面，如壓縮段長度、定型段長度等。

最早發明的氣輔擠出口模有兩種：一種利用微孔法，另一種利用縫隙法。

（1）微孔法氣輔擠出口模

應用微孔法氣輔擠出工藝的口模（見圖1）主要由兩部分組成，A段為熔體注入段，B段為氣輔擠出段。熔體注入段成錐形結構，主要作用是將氣輔擠出段與擠出機很好地連接起來，起過渡作用。氣輔擠出段由一個多孔不銹鋼管和一個金屬塊組成，不銹鋼管嵌在金屬塊中，氣體從氣體入口引入到多孔的金屬管，通過不銹鋼管上的小孔注射到管內壁與擠出熔體之間。

圖1　應用微孔法氣輔擠出工藝的口模

（2）縫隙法

圖2為應用縫隙法氣輔擠出工藝的模具示意圖。在口模無氣輔段和氣輔段交界處設置一個寬度很小的環形縫隙，將氣體從環形縫隙引入口模內，在口模內壁與擠出熔體之間形成氣墊膜層，最后氣體隨擠出熔體一起從口模出口流出。

圖2　應用縫隙法氣輔擠出工藝的口模（單位：mm）

縫隙法相對于微孔法的優點是氣體入口不易被聚合物熔體堵塞，即使在某些情況下被柱塞后也比較容易清理。

本文以黏彈性高分子熔體為研究對象，利用數值模擬方法分析方管型氣輔擠出氣輔段長度、口模壁厚和截面積與壓力、擠出脹大率以及剪切速率之間的內在關系和影響規律。通過全面的數值模擬與氣輔擠出實驗研究結果，確定口模的尺寸和結構。

2　口模幾何模型

口模截面尺寸：截面積為20 mm×20 mm，14 mm×14 mm的方管型材。由于口模結構對稱，取其1/ 4為研究對象，剖面幾何模型見圖3。熔體從1-1截面進入口模，1-2段為無氣輔擠出段，其長度為30 mm；2-2截面為氣體入口位置，2-3為氣輔擠出段，長度為25 mm；3-3截面為熔體出口位置，3-4為自由擠出段，長度為50 mm。1-3段合稱為傳統擠出段。

圖3　方管型口模的幾何模型（單位：mm）

采用正六面體方法對1/4截面進行網格劃分,并在速度、壓力和剪切應力等參數變化較大的口模入口、氣體入口和氣體出口等處進行了網格加密，其有限元網格模型如圖4所示。

圖4　擠出機口模有限元網格模型

3　不同氣輔段長度對擠出的影響

應用Polyflow軟件模擬不同氣輔段長度對氣輔擠出口模內聚合物熔體流動的影響，分析其擠出脹大率、壓力、剪切速率等參數的變化規律。其中，口模氣輔段長度L2-3分別取20，25，30，35 mm，而無氣輔段和自由擠出段長度都不變。（其中：入口流量Q＝6× 10-7m3/s）。

3.1氣輔段長度對各參數的影響

圖5為不同氣輔段長度與擠出壓力的關系，當粘附段和自由段不變時，氣輔段越長時擠出壓力越小，且都在氣體入口處降到最小。圖6所示是當氣輔段長度變化時在口模（1.5,1.5）處沿z軸方向上的速度（uz）分布情況，當氣輔段L2-3=25 mm時擠出速度最大，L2-3=35 mm時擠出速度最小。由圖7可看出，隨著氣輔段長度的增大，口模（1.5,1.5）處沿z軸方向上的剪切速率也逐漸增大，但L2-3=25 mm時最大剪切速率最小。由以上模擬分析可知，增加氣輔段長度有利于減小口模壓力，并且當氣輔段相對長時能明顯降低擠出速度。

圖5　不同氣輔段長度與壓力的關系

圖6　不同氣輔段長度與軸向速度的關系

圖7　不同氣輔段長度與剪切速率的關系

3.2氣輔段長度與擠出脹大率的關系

圖8所示為氣輔段長度與擠出脹大率（B）的關系，L2-3=20 mm時擠出物的擠出脹大率最大，且擠出脹大率隨氣輔段長度的增加而降低，當L2-3=25 mm時擠出脹大基本消除，因此要得到尺寸精確且質量較高的擠出制品，氣輔段越長越好。

圖8　氣輔段長度與擠出脹大的關系

然而研究表明[5]，氣輔段越長，氣墊膜層的穩定性越差，進而會破壞氣輔擠出過程的穩定性，所以氣輔段不宜太長。從實驗和模擬兩個不同的角度考慮，氣輔段越長就越容易引起氣體流速、方向、壓力、密度、溫度等參數的變化，導致熔體和擠出口模壁面粘連，影響氣輔膜層的穩定性；氣輔段長度越短，越有利于提高氣墊膜層的穩定性以及擠出物尺寸的穩定性和精度，但氣輔段越短，熔體在該擠出段的停留時間也越短，其恢復時間也相對越短，不能充分發揮氣輔擠出的作用，容易導致擠出脹大和熔體破裂等缺陷，所以氣輔段的長度應該在保證熔體的彈性變形和彈性應力能夠全面恢復的前提下盡可能短。由以上分析得出：氣輔段最佳長度應該取25 mm，此時既可消除擠出脹大又能建立穩定的氣墊膜層。

4　不同方管口模壁厚對擠出的影響

4.1口模壁厚與擠出脹大率的關系

在口模其他幾何尺寸都不變的情況下，口模壁厚(σ)分別取2，3，4，5 mm，模擬并分析入口流量變化時聚合物熔體的擠出脹大率變化情況。

如圖9所示，當入口流量不斷增大時，不同壁厚口模的擠出脹大率都隨之增大，σ=2 mm的口模擠出脹大率變化最為明顯，且當入口流量增加到6×10-7m3/s時擠出脹大率達到最大，而σ=3 mm時擠出脹大率幾乎為零，只有在入口流量增加到6×10-7m3/s時有微小波動。可見，σ=3 mm時的口模擠出物品質相對較高。

圖9　入口流量變化時不同壁厚的擠出脹大率變化情況

4.2不同口模壁厚對各場量的影響

由以上分析可得出結論：口模壁厚取值最好在3～5 mm之間，且σ=3 mm時擠出脹大率最小，制品精度更高。

圖10　擠出壓降與口模壁厚變化的關系

圖11　軸向速度與口模壁厚變化的關系

圖12　剪切速率與口模壁厚變化的關系

5　不同口模截面積對擠出的影響

當口模氣輔段長度和壁厚不變時，取口模截面積（S）分別為144，180，204和252 mm2，分析不同截面積下擠出物的變化及在口模內的流動行為。

5.1口模截面積與擠出脹大率的關系

圖13為口模截面積與擠出脹大率的關系圖，可明顯看出，當口模截面積變化時擠出脹大率也發生波動，其中，S=204 mm2時，隨流量的增大擠出脹大率波動非常小，幾乎為零；S=144 mm2與S=180 mm2時，在流量取1×10-7～4×10-7m3/s時擠出物截面比口模截面積小，當流量取6×10-7m3/s時出現擠出脹大現象；S=252 mm2時，隨著流量的增加擠出物截面也增加，但是擠出截面小于口模截面積，出現擠出截面縮小現象。

圖13　入口流量變化時不同截面與擠出脹大率的關系

5.2不同大小的口模截面對各場量的影響

圖14、15和16是口模截面積變化對擠出壓力、剪切速率及軸向速度的影響［在口模（1.5，1.5）處各場量沿z軸方向的分布］，口模截面積越大其擠出壓力、剪切速率及軸向擠出速度越小，且都在氣體入口處出現最小值，并在氣輔段達到穩定值。（其中：入口流量Q=6×10-7m3/s）。

圖14　壓力與不同口模截面積變化的關系

圖15　軸向速度與口模截面積的關系

圖16　剪切速率與口模截面積的關系

壓力、剪切速率及擠出速度的大小對實際生產均具有重要意義，在實際擠出中，壓力小，生產能耗就小，不僅能夠節省生產成本，而且對減小制品的內應力和變形、提高擠出制品的質量都有重要意義。所以，在口模設計過程中要合理選擇其幾何尺寸。

6　結論

（1）增加氣輔段長度有利于減小口模壓力和避免剪切應力集中，當氣輔段相對長時能明顯降低軸向擠出速度，擠出脹大率也隨氣輔段長度的增加而降低。

（2）口模壁越厚則擠出壓力、剪切速率和軸向擠出速度越小，當σ=2 mm時擠出壓力和剪切速率最大，且當入口流量不斷增大時，σ=2 mm的口模擠出脹大率也最高。

（3）當口模截面積變化時擠出脹大率也發生不同程度的波動，口模截面積越大其擠出壓力、剪切速率和軸向擠出速度越小，且都在氣體入口處出現最小值，并在氣輔段達到穩定值。

其中，氣輔段最佳長度應該取25 mm，此時既可消除擠出脹大又能建立穩定的氣墊膜層；口模壁厚取值最好在3～5 mm之間，σ=3 mm時擠出脹大率最小，制品精度更高；口模截面積204 mm2，此時隨流量的增大擠出脹大率波動非常小，幾乎為零。

參考文獻：

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[6]盧臣.塑料異型材氣輔擠出口模流動的理論與實驗研究[D].南昌:南昌大學,2007.

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[8]ChungJ S,HwangS M.Application ofa genetic algorithm to the optimal design of the die shape in extrusion[J].Journal ofMaterials ProcessingTechnology,1997,72(l):69-77.

中圖分類號TQ320.66+3

收稿日期：2015年3月

第一作者簡介：任銀娥女1986年生碩士技術員主要從事壓力容器設計研究

Design of Square Tube Gas-assisted Extrusion Die for Polymer

Ren Yine Xie Pinping

Abstract:Extrusion die plays an important role in the extrusion molding of polymer,and its design determines the quality and cost of the extruded products.Analyzed the relationships between the geometric sizes of the square tube gasassisted extrusion die and the physical parameters inside and outside the die by using Polyflow software,determined the reasonable geometric structure and size of the die and worked out the optimized die,thus improving the design accuracy of the die and the quality of products,and reducing the production cost.

Key words:Gas-assisted extrusion;Die swell;Numerical simulation;Die design