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精诚模具:宽幅流涎膜衣架式挤出模头

    目前,常用于高分子材料板、平膜挤出成型的模头有鱼尾式模头、T型模头、衣架式模头和分配模头等,其中衣架式模头由于对不同物料的适应性强,挤出质量好,能够适应宽幅板材或平膜的挤出,应用最为广泛。

    传统挤出模头设计时,根据以往设计经验来设计和制造模头,在试模过程中经过多次修模,使模头符合要求。因此,传统设计方法造成设计制造周期长,试模和修模过程中耗费大量的人力、物力和财力。随着计算流体动力学(CFD)和计算机软硬件技术的发展,越来越多的CFD软件用于挤出模头的模拟,通过分析熔体流动特性来指导挤出模头的优化设计,进而缩短设计和制造周期,提高设计质量,降低成本。

    挤出过程中模具变形造成的“哈壳”现象普遍存在于平缝型模头。只有考虑熔体流场和模具变形的耦用,才能获得整个流道表面的变形趋势,反映模具变形对熔体流动的影响。由于实际模具的有限元模型极其复杂,数值模拟计算量很大,目前尚未检索到实际模头的三维熔体流场和模具变形耦合数值模拟方面的文献。

    浙江精诚模具机械有限公司作为中国最具影响力的挤出平模头生产商,与华南理工大学聚合物新型成型装备国家工程研究中心合作,就衣架式模头流道结构参数和模具结构对熔体分配效果的影响机理开展基础性研究,以推动国内挤出模头设计的技术水平,促进我国挤出平模头设计和制造水平的提升。

    1.2项目研究内容

    本项目选择一种幅宽为1000mm的流涎薄膜模头,利用计算流体动力学软件Polyflow进行熔体流场与模具变形的流固耦合数值模拟,开展如下研究工作:

    (1)研究熔体在模具中的流动特性,分析影响熔体出口流率均匀性的主要因素;

    (2)研究挤出产量对模具变形、熔体流场及熔体出口流率均匀性的影响;

    (3)研究模具厚度对模具变形、熔体流场及熔体出口流率均匀性的影响;

    (4)研究扇形区高度对模具变形、熔体流场及熔体出口流率均匀性的影响。

    2计算模型与方法

    2.1几何模型

    图1为精诚模具设计的幅宽为1000mm的

    流涎膜衣架式模头三维模型图。

图1 T流涎膜衣架式模头三维模型图。

    在进行数值模拟时既要对模具的细节结构进行简化,又要保证模具简化不影响计算结果的可靠性。本项目分析中,对螺栓位置进行了简化,同时,考虑到模具的对称性,计算中取1/2模型,简化后的模具和流道三维模型如图2所示,其中流道未做任何简化。流道包括入口段、岐管、扇形区、调节区、模唇区5部分,如图3所示。本项目模拟计算的模头主要参数为:流道宽度1000mm,扇形区厚度2mm,模唇区狭缝厚度1.8mm,模具厚度220mm,宽度1110mm,挡板厚度55mm。     

图2 简化后的模具和流道1/2模型    

图3 衣架式模头流道各部分示意图

    2.2 模具变形的数学模型

    挤出成型中,模具变形为线弹性变形。忽略体积力作用时,其控制方程如下。

(1)

    本构方程:

(2)

    式中: E为弹性模量;V为泊松比;ε为应变张量;I为单位张量。

    几何方程:

(3)

    式中: d为位移向量。

    2.2 模具变形的数学模型

    挤出成型中,模具变形为线弹性变形。忽略体积力作用时,其控制方程如下。

(1)

    本构方程:

(2)

    式中: E为弹性模量;V为泊松比;ε为应变张量;I为单位张量。

    几何方程:

(3)

    式中: d为位移向量。

    8 结论

   (1) 衣架式模头的扇形区出口处压力和模具变形后狭缝的实际厚度沿模具宽度方向的均匀性共同决定了熔体出口流率均匀性。而模具变形后的狭缝实际厚度取决于模具的厚度、挤出压力,扇形区出口压力均匀性取决于狭缝的长度和厚度。

   (2) 本项目分析的模具流道中,不考虑模具变形时,扇形区出口处的压力在模具宽度方向逐渐增加,而且压力变化较大,造成熔体出口流率均匀性较差。

   (3) 增加挤出量和减小模具厚度增加了模具对称面附近的狭缝厚度,但由于挤出压力小,模具变形小,狭缝的厚度变化较小,而扇形区出口处的压力分布基本不变,因此,熔体出口流率均匀性未得到明显改善。

   (4) 增大扇形区高度明显改善了扇形区出口压力均匀性,由于挤出压力低,模具变形差别不大,从而使熔体出口流率均匀性得到明显改善。也可以通过增大歧管张角的方法提高熔体出口流率均匀性。

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