PVC-U管材共用挤出机头设计与分析

2022-02-25张王康于玉真荆孟杰陈远晟张长森

工程塑料应用 2022年2期

张王康，于玉真，荆孟杰，陈远晟，张长森

(盐城工学院机械工程学院，江苏盐城 224051)

由于硬质聚氯乙烯(PVC-U)管材具有耐腐蚀性能优良、力学强度高、流动阻力小、安装方便、造价低等特点，已经广泛应用在人们日常生活中[1]。中国是世界上最大的PVC生产国，年产量达到2 400万t，根据Global Data公司预测，到2024年，全球的PVC年产量将由2019年的5 613万t增加到6 560万t[2]。PVC作为一种资源节约型、耐用、安全和可回收的材料，大量用在给排水管材上。管材的直径系列有很多，生产不同直径的管材一般需要不同的挤出模具，导致很多管材挤出模具投入大、制造周期长。因此，研究一种PVC-U管材机头共用模具具有较大意义。

目前对挤出机头的研究主要是利用数值模拟优化管材机头的结构，但是对于共用挤出机头的具体研究比较少。Huang等[3]在机头分流器支架上设置了一个额外的应力松弛区，减少了熔体在到达口模前应力松弛的时间，从而提高了管材熔接痕附近的力学性能。张文明等[4]对螺旋式管材机头内的流道进行数值模拟，发现由于螺旋分配器的存在可以降低压缩段的设计要求。丁晚景等[5]提出了管材模具的可重构设计，即在可重构范围内，尽量少更换零件，构成新的机头模具。张友新[6]对共挤双层复合管机头进行优化设计，在芯棒处增设了双阻流和缓冲槽装置，提高了物料的塑化性能和料流的稳定性。阮杨[7]使用POLYFLOW对PVC熔体在不同压缩比和压缩角的直角式机头中的流动进行数值模拟，优化了机头的设计变量，熔体在机头中的流动性得到了改善。潘建武等[8]对双层微管的挤出胀大进行数值分析，得出了内外层熔体的黏度和松弛时间的变化对微管尺寸的影响规律，对微型管材机头的设计具有指导意义。

利用机头经验设计公式，笔者设计了一种PVC-U管材共用挤出机头，通过数值模拟的方法对机头流道的压力、速度和壁面剪切应力分布等进行分析，对管材共用挤出机头的设计具有一定的指导作用。

1 管材共用挤出机头的设计

1.1 机头材料的选型

机头材料的选择要考虑到加工PVC-U的材料特性和机头内工作状态。由于PVC-U材料具有流动性差、易分解且具有非结晶性[9]，同时机头内工作温度非常高，选择机头的材料为38CrMoAL。38CrMoA是调质钢，耐磨性和耐腐蚀性较好[10]。

1.2 口模的设计计算

口模是成型管材外部轮廓的机头零件，其结构如图1所示，由于管材离开口模后会发生离模膨胀导致管材的断面积增大[8]，且后续对管材的冷却又会使其断面面积减小，管材断面积增大和缩小的结果很难在理论上进行计算，通常是根据要求的管材截面尺寸，结合经验公式和拉伸比确定口模成型段内径[11]。

(1)口模内径。

口模内径(D)的计算公式为：

式中：D为口模内径，mm；d1为塑料管材外径，mm；k为经验系数。

(2)口模成型段长度。

口模成型段长度(L1)计算公式为：

式中：L1为口模成型段长度，mm；d1为塑料管材的外径，mm；t为管材壁厚，mm。

(3)压缩区压缩角。

为了使熔体流经支撑板后得到充分的剪切与混合，需要对熔体在流经成型段前，进行一定比例的压缩[3]。因此应设有压缩角，压缩角的选取与熔体的黏度有关[12]。

由于考虑到口模的共用性，在口模压缩段靠近成型段的部分将口模分成压缩模套与成型模套，将口模分成两段模套之后，可以在日后的生产活动中生产不同管径的管材，只有当尺寸影响到了拉伸比、压缩比[13]等要求使其不在规定范围内再继续更换压缩模套。

1.3 芯棒的设计计算

芯棒是成型管材内部轮廓的机头零件，与压缩模座通过螺纹联接，其结构如图2所示，PVC-U管材芯棒收缩角γ一般取30°～50°[14]。

图2 共用芯棒结构图

芯棒的外径d可按下式计算：

式中：D为口模内径，mm；δ为芯棒与口模的间隙，mm。

芯棒的内部设置加热棒，可以缩短加热时间，减少管材内外层温度差[7]。考虑到芯棒的共用性，在芯棒压缩段靠近成型段的地方将芯棒分成两部分，即压缩模座与成型模芯，压缩模座和成型模芯通过螺纹连接。生产不同壁厚的管材，只需要调换不同直径的成型模芯。

压缩模座的轮廓做成弧形过渡的形状，当PVC-U熔体通过压缩模座时，流道横截面积减小，物料被压缩，管材密实度增加，塑化性能提升，可有效减少熔体流过分流器支架产生熔接痕的影响[15]。

1.4 分流锥和支撑板的设计计算

分流锥的主要作用是改变物料流动方向，同时将料层变薄，为物料的进一步塑化做准备，其结构如图3所示，分流锥中轴穿过支撑板，与压缩模座通过螺纹连接。

图3 分流器及支架结构图

分流器的扩张角α一般大于收缩角γ，α过大会使熔体流动阻力增加，甚至造成PVC-U物料分解；α过小，会使机头过于笨重[14]。分流锥的长度一般按下式确定：

式中：D0为过滤板出口处的流道直径。

为减少挤出管材熔接痕，支撑板上分流筋的轮廓应设置成流线型[11]，以便熔体内部应力在支架段后端松弛，从而提高熔体在压缩段内的结合质量[3]。

1.5 管材共用挤出机头的特性

PVC-U管材共用挤出机头由成型芯棒、成型口模、压缩模套、压缩模座、分流器支架、分流锥、机头体和过滤板等组成，其结构如图4所示。

图4 PVC-U管材共用挤出机头结构图

管材共用挤出机头使用性能的好坏取决于机头流道设计参数，机头参数一旦确定直接影响管材的挤出质量，因此不能盲目地根据管材的管径和壁厚更换不同的成型模套和成型模芯。比如说对于外径90 mm，壁厚不同的PVC-U排水管，不只是更换不同直径的成型模芯来获得不同口模间隙的模具，且要根据其压缩比和拉伸比的要求更换不同长度的成型模套和成型模芯，因此对于使用相同共用部分模具的管材进行分组可以提高生产效率[5]。

2 机头流道的数值模拟

为了验证压缩模座弧形过渡的PVC-U管材共用挤出机头可以适用于 PVC-U管材的实际生产需求，以生产直径90 mm且壁厚3.5 mm的PVC-U管材为例，选用ANSYS软件中的FLUENT模块对机头内的熔体流动进行了数值模拟，分析流道中的压力、速度和剪切应力的分布。

2.1 几何模型

采用ANSYS中的Design Modeler模块对PVC-U熔体流道按1∶1建模，如图5所示。熔体通过过滤网从挤出机进入机头体，经过分流锥由螺旋运动转为直线运动，经过压缩段时，流道横截面面积不断减小，熔体在压缩段充分熔融混合，塑化性能得到提升，最后进入成型段充分均化，挤出高分子塑料管材。

图5 管材机头流道模型

2.2 网格划分

用ANSYS软件中的meshing模块对模型进行网格划分，使用狭缝控制函数对网格进行总体尺寸控制，将扩张段划分为四面体单元，其余部分划分为六面体单元，最后划分好的网格如图6所示，其中有321 510个单元，206 467个节点。

图6 管材机头流道网格划分

2.3 数学模型

由于PVC-U熔体为拟塑性流体，采用幂律流体黏度模型来描述熔体的黏度[16]。为简化实际工况并建立数学模型，在满足工程要求前提下，做出如下假设[17]：①熔体为不可压缩流体；②机头内熔体为等温流动；③熔体在机头内的流动为定常流动；④机头模腔壁面无滑移；⑤熔体在机头内为层流流动。

管材共用挤出机头流道的熔体在流动过程中需要满足连续性方程，力学运动方程以及幂律流体本构方程[7]。

2.4 边界条件

管材所用的材料为PVC-U，它的密度为ρ=1 400 kg/m3，加工温度为180℃，稠度m=14 000 Pa·s，幂律指数n=0.19。边界条件如下：

入口边界：流道入口压力为11 MPa。

出口边界：流道出口压力为0 MPa。

壁面边界：模腔壁面设置为无滑移边界条件。

2.5 控制方程求解

由于所研究的PVC-U熔体为定常不可压缩的黏性流体，控制方程是定常不可压缩的纳维-斯托克斯方程，采用SIMPLE算法(压力耦合方程的半隐式算法)求解[18]。

3 模拟结果与分析

分别对管材机头内流道的压力分布、速度分布和剪切应力进行分析，以验证管材机头设计的合理性，并对不合理的地方进行改进。

3.1 压力分析

图7所示为压缩模座为弧形过渡的流道整体压力分布图。从图7可以看出，压力损失主要发生在成型段上，且沿着挤出方向压力逐渐减小。

图7 机头流道压力分布云图

为了直观地分析流道的压力变化，取熔体中间层为研究对象，绘制沿着熔体沿挤出方向的压力曲线，如图8所示。

图8 机头流道压力曲线

从图8可以看出，机头内熔体的压力从成型段入口附近开始沿着挤出方向呈线性下降，直至成型段出口压力降为0 MPa。

3.2 速度分析

图9为机头流道截面的速度分布图。从图9可知，熔体在入口处以一定的初始速度进入机头，经过分流锥时，速度减小，进入压缩段后开始加速，进入成型段后速度趋于稳定。

图9 机头流道速度分布云图

为了更加直观地分析机头流道内的速度分布，沿挤出方向取中间层熔体为研究对象，绘制速度曲线，如图10所示。从图10可知，PVC-U熔体在压力作用下以一定的初始速度进入机头体，在流经分流锥时速度逐渐下降，随后以0.18 mm/s的速度缓慢流过分流器支架，熔体进入压缩段后，由于压缩段横截面面积沿挤出方向不断减小，熔体在机头流道内各处流量一致，熔体流速不断增加，再以稳定的流速经过成型段，流出机头体。

图10 机头流道速度分布曲线

成型段的速度分布直接影响管材的挤出质量，因此单独绘制了机头流道中间层熔体沿挤出方向的速度曲线，如图11所示。从图11可知，经过弧形过渡的压缩模座后，熔体进入成型段，速度由2.665 mm/s降低到2.635 mm/s，再以2.635 mm/s的速度平稳地沿挤出方向流动，在靠近成型段出口附近，熔体速度进一步减小到2.63 mm/s，最终以2.63 mm/s的速度流出成型段。从图11可以看出，熔体在成型段内速度基本稳定，最大速度和最小速度仅仅相差0.035 mm/s，熔体经过弧形过渡的压缩模座后，在成型段内的流速更加平稳。

图11 机头流道成型段速度分布曲线

图12为成型段上入口截面、中间截面和出口截面上熔体沿流道半径方向上的速度对比图。从图12可以看出，熔体中间截面和出口截面上熔体沿半径方向速度分布基本重合，由于熔体在入口截面上刚刚进入成型段，流道横截面上面积发生了变化，外壁面和内壁面的壁面剪切速率不一样，入口截面流速分布略有不同，整体上成型段上沿挤出方向各处的流速是均匀分布的。

图12 成型段上不同截面的速度分布

3.3 壁面剪切应力分析

图13和图14分别是机头流道外壁面剪切应力与内壁面剪切应力分布云图。从图13和图14可以看出，内壁面和外壁面剪切应力变化基本一致，主要是从压缩段后端开始明显增大，随后以最大的壁面剪切应力流经成型段，从机头流道流出。

图13 流道外壁面剪切应力云图

图14 流道内壁面剪切应力云图

为了更加直观地看出壁面剪切应力在机头流道内的分布情况，绘制了外壁面剪切应力沿挤出方向的分布曲线，如图15所示。从图15可看出，壁面剪切应力在压缩段之前几乎不变，从进入压缩段开始增大，到压缩段后端沿挤出方向呈线性增大，熔体在成型段内以稳定的剪切应力从机头流道内挤出。

图15 流道外壁面剪切应力分布曲线

由于成型段对管材的成型至关重要，因此单独绘制了内外壁面剪切应力在成型段内的分布曲线，如图16所示。从图16可以看出，外壁面剪切应力在成型段入口从0.204 MPa下降到0.194 MPa，熔体在0.194 MPa的壁面剪切应力的作用下经过成型段，在成型段出口，剪切应力值略有下降，在0.192 MPa的剪切应力下流出成型段；内壁面剪切应力在成型段入口从0.182 MPa上升到0.198 MPa，熔体在0.198 MPa的作用下经过成型段，在成型段出口，壁面剪切应力值略有下降，在0.196 MPa的剪切应力下流出成型段。

图16 成型段壁面剪切应力分布

从图16还可以看出，外壁面与内壁面剪切应力在成型段中间段的剪切应力非常平稳，且内外壁面的剪切应力值仅仅相差0.004 MPa。剪切应力是剪切速率的函数，成型段上高的剪切应力意味着高的剪切速率。根据幂律流体的黏度模型，高的剪切速率意味着低的黏度，成型段壁面上熔体的黏度较低，从而熔体不容易在成型段壁面上发生粘滞，且挤出管材的壁面更加光滑。