方管聚合物氣輔擠出口模設計

任銀娥　謝品平

（烏魯木齊市隆盛達環?？萍加邢薰?，新疆烏魯木齊 830032）

方管聚合物氣輔擠出口模設計

任銀娥謝品平

（烏魯木齊市隆盛達環?？萍加邢薰?，新疆烏魯木齊 830032）

擠出口模在擠出成型中發揮著重要作用，其口模設計的是否合理關系著擠出制品的質量和擠出成本。因此本文應用polyflow軟件，采用PTT粘彈本構，分析方管口模幾何尺寸與氣輔擠出口模內外的各場量之間的變化規律（如改變滑移段長度、口模壁厚及口模截面積觀察擠出壓降、速度及剪切速率的變化）。確定出方管擠出口模的合理幾何結構和尺寸，設計出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。

氣輔擠出 擠出脹大 數值模擬 口模設計

1　引言

擠出成型裝置中最重要的組成部分是擠出口模，而擠出口模設計的關鍵點和難點是模具流道的設計，因為擠出口模直接決定著擠出物的形狀和質量。傳統擠出口模的設計主要采取不斷的試模和修模方法，此法不僅在生產加工中耗費大量的時間且成本高。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，這對異型材擠出口模設計具有重大意義。通過分析擠出口模中不同幾何參數下的流動情況，得出這些幾何參數及工藝條件與擠出結果之間的變化規律，可以通過計算機模擬來改進口模結構與尺寸精度，從而提高了口模設計精度和產品的質量，并降低了生產成本。

2　擠出口模研究進展

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，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［2］等研究了一種較復雜擠出模具優化設計方法，此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，在口模哪部位并如何修改流道結構以達到最佳速度分布；南昌大學柳和生、涂志剛等［3］設計并分析了縫型和圓環型口模內聚合物擠出過程；合肥工業大學王曉楓、朱元吉等［4［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及口模設計；劉斌［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，全面地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［8］等引出了另一種擠出口模機構優化設計的方法，指出最優化設計變量依靠遺傳算法來導引，而最優值的求解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。從這些研究結果可看出以往研究的重點在于有關口模特征幾何參數，如壓縮段長度、定型段長度等。

本章以粘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滑移段長度、口模壁厚和口模截面積與壓力降、擠出速度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技術與氣輔擠出實驗研究得到的經驗，確定出口模尺寸及結構。

3　口模幾何模型

口模截面尺寸為:截面積為20mm×20mm，14mm×14mm的方管型材，由于對稱結構，則取方管的1/4口模為研究對象，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30mm；2-2截面為氣體入口位置，2-3為有氣輔擠出段，長度為25mm；3-3截面為熔體出口位置，3-4為自由擠出段，長度為50mm。在傳統擠出中，1-3段為傳統擠出段。圖1為方管1/4截面尺寸圖。

圖2為取其1/4截面進行網格劃分，本文采用正六面體方法進行網格劃分，并在速度、壓力及剪切應力等參數變化較大的口模入口、氣體入口及氣體出口等處進行了網格加密，其中有限元網格模型如圖2所示。

4　不同氣輔段長度對各場量的影響

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，分析其壓力降、擠出速度及剪切速率等參數的變化規律。其中，口模氣輔段長分別取L2-3=（20，25，30，35）mm而無氣輔段和自由擠出段長度都不變。（其中:Q=6×10-7m3/s）。

圖3所示為不同氣輔段長度與擠出壓降的關系，由圖可知，當粘附段和自由段不變時，當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4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，由圖得出，當氣輔段L2-3=25mm時擠出速度最大，L2-3=35mm時擠出速度最?。粓D5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z向剪切速率，也隨之增大，但在氣輔段L2-3=25mm時最大剪切速率最小。由以上模擬分析得出結論增加氣輔段長度有利于減小口模壓力降，并且當氣輔段相對長時能明顯降低擠出速度。

但有研究表明［5］，該段若太長，氣墊膜層的穩定性就會越差，進而就破壞了穩定的氣輔擠出過程，所以滑移段不宜太長，會導致熔體和擠出口模壁面粘連，影響氣輔膜層的穩定性；有氣輔段長度越短，熔體在該擠出段停留時間也越短，熔體的恢復時間也相比越短，這樣容易導致擠出脹大和熔體破裂等缺陷，所以有氣輔段的最佳長度應該滿足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:有氣輔段最佳長度應該取L2-3=25mm，此時即消除的擠出脹大又保證能建立穩定的氣墊膜層。

5　不同口模壁厚對各場量的影響

圖6、7和8是不同口模壁厚與各場量之間的關系圖（其中，是指在口模）處各場量沿z軸方向上的z向分布，i=1，2，3，4）。由圖6、7和8可知，口模壁厚越厚則擠出壓力降、剪切速率和口模）處沿z軸方向擠出速度uz越小，且當口模壁厚σ1=2mm時擠出壓力及剪切速率值遠大于σ2=3mm、σ3=4mm和σ4=5mm的值，且壁厚σ1=2mm的軸向速度在氣體入口處出現突變，先迅速增大又立刻減小，出現波動較大。（其中:入口流量為Q=6×10-7m3/s）。

由以上的分析得出結論:口模壁厚取值最好在3-5mm之間，且取σ2=3mm擠出過程最穩定，制品精度更高。

6 不同口模截面積對各場量的影響

當口模有氣輔段長度及壁厚不變時，取口模截面積分別為: S1=144mm2，S2=180mm2，S3=204mm2和S4=252mm2，分析取不同口模截面積時擠出物的變化及在口模內流動行為。

圖9、10和11是口模截面積大小變化時對擠出物壓力降、剪切速率及沿z軸方向速度uz的影響（是指在口模（1.5，1.5）處各場量沿z軸方向上的z向分布），由圖可知，口模截面積越大其擠出壓降、剪切速率及沿z軸方向擠出速度uz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:入口流量為Q=6×10-7m3/s）。

壓力降、剪切速率及擠出速度uz的大小對實際生產有重要的意義，在實際擠出中，壓力降小，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口模幾何尺寸。

7 結語

（1）增加滑移段長度有利于減小口模壓力降和剪切應力集中，并且當滑移段相對長時能明顯降低擠出速度。

（2）口模壁厚越厚則擠出壓力降、剪切速率和沿z軸方向擠出速度uz越小，當口模壁厚σ1=2mm時擠出壓力及剪切速率值最大。

（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，其中，口模截面積越大其擠出壓降、剪切速率及沿z軸方向擠出速度uz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，有氣輔段最佳長度應該取L2-3=25mm，此時保證能建立穩定的氣墊膜層；口模壁厚取值最好在3-5m m之間，且取σ2=3mm時制品精度更高；口模截面積取S3=204mm2，此截面積隨流量的增大擠出現象波動非常小。

［1］P.Jay，J M Piau.The reduction of viscous extrusion stresses and extrudate swell computation Using slippery exit surfaces［J］.Non-Newtonian Fluid Mech，1998，5（79）：99-617.

［2］W.Michaeli，S.Kaul，T.Wo1ff.Computer-aided optimization of extrusion dies［J］.Journal of Polymer Engineering，2001，21（2）：225-237.

［3］涂志剛，熊洪槐，柳和生.縫隙口模中熔體受力歷史分析［J］.塑料，1999，28（6）：20-24.

［4］王曉楓，朱元吉.塑料異型材擠出模中的壓力分布［J］.中國塑料，1996，4（10）：69-72.

［5］黃興元.聚合物氣體輔助擠出成型的理論及實驗研究［D］.南昌：南昌大學，2006.

［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］.南昌大學（碩士學位論文），2007.

［7］劉斌，王敏杰，劉耀中等.基于數值分析的塑料擠出模優化設計方法研究［J］.機械工程學報，2003，39（3）：139-144.

［8］J.S.Chung，S.M.Hwang.Application of a genetic algorithm to the optimal design of the die shape in extrusion［J］.Journal of Materials Processing Technology，1997，72（l）：69-77.

Die as an important position in the field of polymer extrusion processing， it's die design related to the quality of extrusion products and cost. In the thesis， use the module of inverse extrusion of polyflow software with PTT Viscoelastic model to analysis the change rules of the geometry of the die and flow fields in the die（such as change the length of slip， die thickness and cross-sectional area of the die to observe the change of extrusion pressure， speed and shear stress）.Worked out the shapes and sizes of section extrusion die， then design the square tube gas-assisted extrusion die，thereby improving the quality of extrusion products and accuracy of the die design， and reduce production costs.

gas-assisted extrusion； die swell； numerical simulation； die design

任銀娥（1986—），女，碩士，技術員，主要從事壓力容器設計研究。