方管聚合物气辅挤出口模设计

任银娥　谢品平

（乌鲁木齐市隆盛达环保科技有限公司，新疆乌鲁木齐 830032）

方管聚合物气辅挤出口模设计

任银娥谢品平

（乌鲁木齐市隆盛达环保科技有限公司，新疆乌鲁木齐 830032）

挤出口模在挤出成型中发挥着重要作用，其口模设计的是否合理关系着挤出制品的质量和挤出成本。因此本文应用polyflow软件，采用PTT粘弹本构，分析方管口模几何尺寸与气辅挤出口模内外的各场量之间的变化规律（如改变滑移段长度、口模壁厚及口模截面积观察挤出压降、速度及剪切速率的变化）。确定出方管挤出口模的合理几何结构和尺寸，设计出方管型气辅挤出口模，从而提高口模设计精度和产品的质量，并降低生产成本。

气辅挤出 挤出胀大 数值模拟 口模设计

1　引言

挤出成型装置中最重要的组成部分是挤出口模，而挤出口模设计的关键点和难点是模具流道的设计，因为挤出口模直接决定着挤出物的形状和质量。传统挤出口模的设计主要采取不断的试模和修模方法，此法不仅在生产加工中耗费大量的时间且成本高。采用数值模拟方法来估算所要挤出制品的口模形状和尺寸，分析熔体在口模中的流动情况从而优化口模结构，这对异型材挤出口模设计具有重大意义。通过分析挤出口模中不同几何参数下的流动情况，得出这些几何参数及工艺条件与挤出结果之间的变化规律，可以通过计算机模拟来改进口模结构与尺寸精度，从而提高了口模设计精度和产品的质量，并降低了生产成本。

2　挤出口模研究进展

1998年Jay等［1］应用Polyflow有限元软件，对口模的内壁取不同长度的滑移段，模拟并分析了壁面滑移现象对聚合物熔体挤出胀大的影响，结果表明，壁面滑移能够减小挤出胀大和挤出过程中产生的应力；Michaeli［2］等研究了一种较复杂挤出模具优化设计方法，此方法利用有限元和网络理论加速了设计优化过程，研究结果表明，在口模哪部位并如何修改流道结构以达到最佳速度分布；南昌大学柳和生、涂志刚等［3］设计并分析了缝型和圆环型口模内聚合物挤出过程；合肥工业大学王晓枫、朱元吉等［4［5］设计并通过实验研究了方型口模并得出相关结论；卢臣［6］研究了T型口模气辅挤出工艺过程及口模设计；刘斌［7］应用有限元分析和最优化设计理论方法，以挤出流动均匀性为指标，以参数化建模和有限元模拟结果的优化设计法作为分析研究工具，全面地总结了挤出模具结构对异型材聚合物挤出流动均匀性的影响规律；Chung［8］等引出了另一种挤出口模机构优化设计的方法，指出最优化设计变量依靠遗传算法来导引，而最优值的求解基于有限元分析模型过程，在对模具结构进行优化时，可利用不同的目标函数。从这些研究结果可看出以往研究的重点在于有关口模特征几何参数，如压缩段长度、定型段长度等。

本章以粘弹性高分子熔体为研究对象，利用数值模拟方法分析方管型气辅挤出滑移段长度、口模壁厚和口模截面积与压力降、挤出速度及剪切速率之间的内在关系和影响规律。通过全面的数值模拟技术与气辅挤出实验研究得到的经验，确定出口模尺寸及结构。

3　口模几何模型

口模截面尺寸为:截面积为20mm×20mm，14mm×14mm的方管型材，由于对称结构，则取方管的1/4口模为研究对象，熔体从1-1截面进入口模，1-2段为无气辅挤出段，其长度为30mm；2-2截面为气体入口位置，2-3为有气辅挤出段，长度为25mm；3-3截面为熔体出口位置，3-4为自由挤出段，长度为50mm。在传统挤出中，1-3段为传统挤出段。图1为方管1/4截面尺寸图。

图2为取其1/4截面进行网格划分，本文采用正六面体方法进行网格划分，并在速度、压力及剪切应力等参数变化较大的口模入口、气体入口及气体出口等处进行了网格加密，其中有限元网格模型如图2所示。

4　不同气辅段长度对各场量的影响

应用Polyflow软件模拟不同气辅段长度对气辅挤出口模内聚合物熔体流动的影响，分析其压力降、挤出速度及剪切速率等参数的变化规律。其中，口模气辅段长分别取L2-3=（20，25，30，35）mm而无气辅段和自由挤出段长度都不变。（其中:Q=6×10-7m3/s）。

图3所示为不同气辅段长度与挤出压降的关系，由图可知，当粘附段和自由段不变时，当气辅段越长时挤出压力越小，且都在气体入口处降到最小；图4所示是当气辅段长度变化时在口模（1.5，1.5）处沿z轴方向上的速度uz分布情况，由图得出，当气辅段L2-3=25mm时挤出速度最大，L2-3=35mm时挤出速度最小；图5可看出，随着气辅段长度的增大口模（1.5，1.5）处沿z轴方向上的z向剪切速率，也随之增大，但在气辅段L2-3=25mm时最大剪切速率最小。由以上模拟分析得出结论增加气辅段长度有利于减小口模压力降，并且当气辅段相对长时能明显降低挤出速度。

但有研究表明［5］，该段若太长，气垫膜层的稳定性就会越差，进而就破坏了稳定的气辅挤出过程，所以滑移段不宜太长，会导致熔体和挤出口模壁面粘连，影响气辅膜层的稳定性；有气辅段长度越短，熔体在该挤出段停留时间也越短，熔体的恢复时间也相比越短，这样容易导致挤出胀大和熔体破裂等缺陷，所以有气辅段的最佳长度应该满足保证熔体的弹性变形和弹性应力能够全面恢复的前提下尽可能短。由以上分析得出:有气辅段最佳长度应该取L2-3=25mm，此时即消除的挤出胀大又保证能建立稳定的气垫膜层。

5　不同口模壁厚对各场量的影响

图6、7和8是不同口模壁厚与各场量之间的关系图（其中，是指在口模）处各场量沿z轴方向上的z向分布，i=1，2，3，4）。由图6、7和8可知，口模壁厚越厚则挤出压力降、剪切速率和口模）处沿z轴方向挤出速度uz越小，且当口模壁厚σ1=2mm时挤出压力及剪切速率值远大于σ2=3mm、σ3=4mm和σ4=5mm的值，且壁厚σ1=2mm的轴向速度在气体入口处出现突变，先迅速增大又立刻减小，出现波动较大。（其中:入口流量为Q=6×10-7m3/s）。

由以上的分析得出结论:口模壁厚取值最好在3-5mm之间，且取σ2=3mm挤出过程最稳定，制品精度更高。

6 不同口模截面积对各场量的影响

当口模有气辅段长度及壁厚不变时，取口模截面积分别为: S1=144mm2，S2=180mm2，S3=204mm2和S4=252mm2，分析取不同口模截面积时挤出物的变化及在口模内流动行为。

图9、10和11是口模截面积大小变化时对挤出物压力降、剪切速率及沿z轴方向速度uz的影响（是指在口模（1.5，1.5）处各场量沿z轴方向上的z向分布），由图可知，口模截面积越大其挤出压降、剪切速率及沿z轴方向挤出速度uz越小，且都在气体入口处出现最小值，并在气辅段达到稳定值。（其中:入口流量为Q=6×10-7m3/s）。

压力降、剪切速率及挤出速度uz的大小对实际生产有重要的意义，在实际挤出中，压力降小，生产能耗就小，不仅能够节省生产成本，而且对减小制品的内应力和变形，提高挤出制品的质量都有重要意义。所以，在口模设计过程中要合理选择口模几何尺寸。

7 结语

（1）增加滑移段长度有利于减小口模压力降和剪切应力集中，并且当滑移段相对长时能明显降低挤出速度。

（2）口模壁厚越厚则挤出压力降、剪切速率和沿z轴方向挤出速度uz越小，当口模壁厚σ1=2mm时挤出压力及剪切速率值最大。

（3）当口模截面积变化时挤出胀大率也发生不同程度的波动，其中，口模截面积越大其挤出压降、剪切速率及沿z轴方向挤出速度uz越小，且都在气体入口处出现最小值，并在气辅段达到稳定值。

其中，有气辅段最佳长度应该取L2-3=25mm，此时保证能建立稳定的气垫膜层；口模壁厚取值最好在3-5m m之间，且取σ2=3mm时制品精度更高；口模截面积取S3=204mm2，此截面积随流量的增大挤出现象波动非常小。

［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］涂志刚，熊洪槐，柳和生.缝隙口模中熔体受力历史分析［J］.塑料，1999，28（6）：20-24.

［4］王晓枫，朱元吉.塑料异型材挤出模中的压力分布［J］.中国塑料，1996，4（10）：69-72.

［5］黄兴元.聚合物气体辅助挤出成型的理论及实验研究［D］.南昌：南昌大学，2006.

［6］卢臣.塑料异型材气辅挤出口模流动的理论与实验研究［D］.南昌大学（硕士学位论文），2007.

［7］刘斌，王敏杰，刘耀中等.基于数值分析的塑料挤出模优化设计方法研究［J］.机械工程学报，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

任银娥（1986—），女，硕士，技术员，主要从事压力容器设计研究。