基于Polyflow仿真的PVC木塑復合材料異型材擠出模優化

李 東，馬鵬濤，廖洋威

（金發科技股份有限公司 塑料改性與加工國家工程試驗室，廣東 廣州 510663）

0 引 言

木塑復合材料（wood plastic composites，WPC）應用廣泛，通常商業化WPC產品的木質組分填充量超過50%，甚至還添加一些無機粉體。WPC熔體屬于高含量固體粒子填充非牛頓基體的懸浮體系，分散相和連續相相互作用，使熔體流變行為變得復雜。WPC熔體黏度隨木質組分含量的增加而增加，但材料力學性能急劇下降，且高填充體系熔體對剪切速率的變化敏感[1,2]，造成加工時流動性差、不穩定等，表現為物料滯留、局部燒焦、尺寸超差、截面不均勻等問題，甚至滯留嚴重導致降解而停機。

擠出機塑化的熔體經過模具分流、成型、定型和冷卻后得到產品。離模膨脹、拉伸變形和冷卻收縮效應的綜合作用決定了產品成型質量，這主要受擠出模的影響。設計合理的擠出模對提高產品成型質量和生產效率具有重要意義。擠出模通常采用模流平衡系數方法對截面進行子區域劃分，但該方法對形狀較復雜的異型材會存在設計缺陷。在擠出成型模的研究、開發和設計方面，流體仿真技術應用越來越多，Polyflow在擠出成型板材、管材、異型材等的模擬與實際十分接近，能較好的指導并解決工程問題，提升擠出模的開發效率[3]。擠出成型模擬通常以熔體流速均勻分布為優化目標指導模具設計[4,5]。張振等[6]使用Polyflow軟件對功能塊流道的設計進行了研究；王培劍[7]以模具流道出口處的流動速度平衡性和流道內最大壓力降為優化指標，通過模擬正交試驗確定了優化的模具結構；陳林生等[8]運用模擬技術輔助設計內筋流道結構參數，解決了擠出不穩定問題；也有研究人員使用Polyflow逆向擠出功能對模具形狀和尺寸進行數值預測[9,10]，仿真方法的應用有效提高了擠出模的設計效率與質量。

現使用Polyflow模擬分析PVC木塑復合材料異型材的擠出模流道出口處的流體流動速度分布，結合產品截面的尺寸形狀和子區域的密度測試結果，以產品截面流動平衡為目標，研究擠出模流道關鍵結構對擠出流場的影響，并結合實際生產，對比分析優化前后的擠出效果，指導該PVC木塑復合材料異型材的擠出模設計和修配，提升產品質量、生產效率和穩定性。

1 模型建立

1.1 幾何模型

PVC木塑復合材料異型材產品的截面結構及主要尺寸如圖1（a）所示，最大尺寸為100 mm×50 mm，其中一側面為卡扣，關鍵在于外形、內筋和卡扣處的尺寸、密度要符合要求。該產品擠出模結構模型和擠出流道結構分別如圖1（b）、（c）所示。擠出時熔體先進入一段圓柱形流道，圓柱形流道過渡成截面漸變的矩形流道，同時模芯對流體進行分配，分別形成異型材的外框、卡扣和內筋，經成型段和定型段擠出產品。擠出模與定型冷卻模直接相連，采用熔體離模發泡的方式，不允許在擠出機內和型腔內發泡。

圖1 異型材擠出模和流道結構

1.2 數學模型

成型過程中，考慮模具流道的復雜性，對擠出模中熔體的流動進行如下假設。

（1）擠出過程中熔體的溫度不變。

（2）熔體在側壁無滑移，在流道內流動為穩態層流。

（3）熔體為不可壓縮、密度不變的廣義牛頓流體，并且熔體在流道內沒有發泡。

（4）熔體的慣性力和重力等體積力小于粘滯力，忽略不計。

（5）熔體在加工溫度和實際剪切范圍內的黏度對剪切速率滿足Bird-Carreau模型。

在此假設的基礎上，熔體在擠出模中流動的控制方程滿足連續性方程和動量守恒方程。

1.3 材料參數

研究的PVC木塑復合材料異型材生產溫度為180℃，生產速度為0.88 m/min，產品規格為1 200 g/m，熔體體積流量為2.558 1×10-5m3/s。假設流場為等溫流場且不考慮重力及慣性力的影響，故僅需定義黏度對剪切速率的依賴關系。使用流變儀測得180℃下該熔體的黏度和剪切速率關系，擬合為滿足Bird-Carreau模型的曲線，進行仿真求解。

2 數值模擬分析

使用ANSYS Workbench Mesh進行網格劃分，原則是靠近流道壁面的網格較密，流道中心附近的網格較疏，使其既能較準確模擬，也能較快計算。該模具出口結構上下對稱，但內部結構有區別，故采用整體流道模型計算，所有模型均采用六面體網格。使用Polyflow軟件計算，將材料參數代入，采用Picard迭代法進行求解。計算均假定壁面無滑移，即熔體在與模具的接觸壁面上速度為零，法向速度和切向應力為零。

3 擠出型材的密度評估

對穩定生產的擠出型材每間隔3 min進行取樣，共取樣3次，使用鋸切將試樣截取截面整齊的4 cm長的樣段，再進行圖2所示的分切，沿虛線分割和編號，使用密度計測試分割后樣品的密度，3次樣品密度的平均值為該區域樣品密度。

圖2 異型材樣品分切

4 擠出型材和模擬結果分析

使用原模具生產時發現產品尺寸偏差較大、內筋彎曲且壁厚不足、產品截面密度波動大，且生產約2 h后內部碳化嚴重。對于上述問題，使用Polyflow進行逐步優化，修改模具的分流段、成型段和定型段，并根據實際產品質量進行微調，最終確定模具結構。為描述簡潔、清楚，將原模具的產品和仿真結果均記為Extrusion Mould 0，簡寫為EM0；優化后的模具記為Extrusion Mould 1，簡寫為EM1。

4.1 優化前后模具結構對比

通過修改分流段、成型段的結構參數，根據每次修改的分析結果進行多次迭代優化，最終獲得較優的EM1。將EM0和EM1的流道提取，使用EM0流道減去EM1流道后剩余的3D模型表示優化模具增補的部分，使用EM1流道減去EM0流道后剩余的3D模型表示優化模具減去的部分，各模型如圖3所示。

圖3 優化前后流道及其差減后模型

由圖3（a）、（b）可知，優化前后的模具流道在過渡收斂區、成型段區域的長度及結構、卡扣處結構及近出口的上下框區域流道等發生明顯變化；由圖3（c）可知，優化后的模具EM1相對于EM0，對流道截面收斂區、卡扣處的收斂區、成型段的上下框區域、內筋區域以及卡扣處成型區域等位置進行增補；由圖3（d）可知，優化后的模具EM1相對于EM0，對不同區段的模具過渡區進行平滑、使外框及內筋的流道收斂時入口角度增大、兩豎框區域的寬度增加、卡扣處成型區的流道平滑過渡等。這些流道結構的改進目標是擠出過程沒有死角、流道平滑過渡、分流時熔體分配合理、成型段和定型段壓力適中，以實現生產時異型材成型并保持穩定。

4.2 產品外觀

使用EM0和EM1擠出的樣品截面如圖4所示，由圖4可知，EM0擠出的WPC異型材截面的十字筋扭曲，尺寸偏離，并且內筋和壁面相連的部分薄弱、缺料，截面上紋理不均（發泡不均勻），不滿足質量標準。經Polyflow仿真優化后的EM1擠出的產品十字內筋均勻、尺寸和形狀準確，豎筋豎直無扭曲，十字筋和壁面相連良好，連接處外觀密實、無缺料，卡扣側的豎邊厚度滿足要求，整個截面紋理較為均勻，產品合格。

圖4 異型材樣品截面

4.3 產品密度分布

按照定義的密度評估方法，分別對EM0和EM1擠出的異型材樣段進行測試，結果如表1和圖5所示。

由表1和圖5可知，EM0擠出的產品截面小區域密度不均勻，且相差較大，卡扣位、拐角處密度較大，說明此處流速較快，在內筋處的密度不均，且內筋局部和相鄰位置外框的密度相差較大，在經過定徑模時，該處的連接緊密不足，與圖4中所觀察到的現象一致。使用EM1擠出的產品的截面小區域密度也不均勻，但是相比EM0樣品，截面上的密度分布改善顯著，特別是內筋局部區域的流速與其相鄰外框處的速度接近，使異型材的結構得到保證，且內筋均勻、密實。卡扣處密度相對其他位置較高，是為了保持較高結構強度，以用于安裝固定。

表1 異型材樣品分切后區域密度 g/cm3

圖5 樣品分切后的區域密度分布

4.4 擠出流場分析

4.4.1 擠出出口處的速度分布

使用Polyflow分別對EM0和EM1擠出的異型材在相同條件下進行仿真分析，其擠出出口時的速度分布云圖如圖6所示。由圖6（a）可知，使用EM0在擠出端面上的最大速度為9.454×10-2m/s，發生在卡扣區域的中間小區域；在研究條件下理論熔體平均流速為1.77×10-2m/s，外框流動速度在大部分區域超過此值，而內筋和靠近卡扣的豎邊均在其流道中心區域流速較快，最大速度接近理論平均流速；局部流道面積大、流動阻力小，導致在外框的拐角處、內筋的交叉處等區域流速較大；在內筋局部和對應的外框局部處流速相差較大，特別在豎筋處更為明顯，這與擠出產品的內筋和外框相連處薄弱缺陷對應。

圖6 擠出出口的速度分布云圖

由圖6（b）可知，使用EM1在擠出端面上的最大速度為7.546×10-2m/s，也發生在卡扣區域，但是卡扣較大區域的流速均比較快，有助于保證卡扣處的強度；產品的外框流動速度略超過熔體的理論平均流動速度，內筋和豎框均在其流道中心區域流速較快，最大速度接近理論平均流速；外框和內筋的流動速度差小，有助于保持產品連接處的強度，這與產品結果一致。

對比圖6（a）、（b）可知，改進后的模具最大流速降低，產品外框和內筋的速度差更小，在外框和內筋各自區域內的流動速度更均勻，卡扣處流速較大的區域布滿整個卡扣，且卡扣和外框、豎框相連區域流速也較大，有助于保持卡扣與本體的強度。由圖6（b）可知，雖然內筋處的流速比外框略低，但是在穩定生產時，由于螺桿的剪切作用使熔體溫度略高于設定溫度，導致實際的熔體黏度比計算假定黏度略低，流動性略好，而外框區域受模具控溫系統（加熱和冷卻）影響更明顯，黏度與計算假定黏度接近。因此，中間筋的實際流速比計算結果偏大，減小了內外流動速度差，產品截面流速更均勻，產品形狀、尺寸和密度也更接近設計要求。在流動平衡的原則下，結合實際情況，根據產品需求和模具結構，設計時使流速均勻。

4.4.2 近出口處的壓力流場

擠出過程的熔體壓力反映模具流道的情況，使用EM0和EM1仿真擠出時，為較好分析成型段、定型段的熔體流動狀況，選取熔體壓力分別為3、2、1 MPa時的2種模具內的壓力分布進行對比分析，擠出出口前的壓力分布云圖如圖7和圖8所示。

由圖7和圖8可知，相同條件下，使用EM0的擠出壓力最大為7.268 MPa（螺桿末端），而使用EM1的擠出壓力最大為5.967 MPa，優化后的模具擠出壓力更小，設備的負荷更低、更節能，這也意味著使用EM1達到EM0同等壓力時可以得到比EM0更高的產量，可在同樣配置條件下實現增產。

圖7 EM0擠出壓力仿真結果

圖8 EM1擠出壓力仿真結果

對比EM0和EM1的仿真結果，EM1的等壓力分布面基本保持為垂直流動方向的平面，而使用EM0的等壓力分布面較扭曲，說明在成型段到出口的過程中，EM0擠出時產品截面上的壓力沿擠出方向出現較大變化，而EM1在擠出過程中產品截面上壓力平穩降低，面內壓力基本一致。壓力的沿程變化反映的是流動穩定性，成型段、定型段熔體壓力的突變使產品內部產生應力、變形、破裂等，影響產品的外觀和內在質量。對于發泡的PVC木塑復合材料，成型過程中截面內熔體壓力均衡降低有益于獲得均勻的產品截面密度和更好的質量，這與實際產品的區域密度和外觀結果一致。

5 結束語

針對發泡型PVC木塑復合材料異型材擠出模，通過使用Polyflow數值模擬和實際結果結合的方法，以成型過程中的流場平衡、成型壓力均勻變化為目標，結合異型材產品局部區域密度分布和外觀形貌進行評價，對擠出模的分流段、成型段進行了優化。結果表明，經優化后的產品質量和生產穩定性得到明顯提高，并且同等條件下，更低的擠壓力使更高的產量成為可能，同時提升產品質量和生產效率。在較多假設前提的Polyflow理論指導下，與實際的工程問題結合的方法對類似復雜異型材、發泡異型材等擠出模設計具有指導意義。