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塑料挤出模CAD 系统的研究
点击:33 日期:2017-5-3 12:04:34

          摘要: 针对塑料挤出模结构,工艺流程复杂,设计周期长且质量低下等问题,提出一种计算机辅助设计( CAD)
系统设计方案,目的是提高塑料挤出模设计水平。首先介绍了塑料挤出模基本构造及几何特点,并说明了三维参数化CAD 系统总体设计框架。提出了基于UG 软件的塑料挤出模CAD 系统设计平台及关键技术,包括口模图形设计、口模板设计、外形与流道设计、分流支架、型芯与分流锥设计。最后就塑料挤出模具设计中的实际应用过程进一步说明该系统的具体参数设计过程。
          塑料挤出成型工艺是指将塑料原料在挤出机内塑化成熔融状态,然后对其施以一定压力,使熔融塑料原料黏流通过模头口模并经过冷却定型,最终成为与模头口模形状相似的塑料制品的过程[1]。采用塑料挤出成型工艺完成的塑料制品种类繁多,广泛应用于电子、机械、建筑等多个行业,且近些年在国内外的需求量不断增大[2-3]。然而,树脂材料本身复杂的物理性质导致塑料挤出成型系统的设计较为复杂,包括挤出模头口模与挤出后定型模的结构设计,都具有要求高、流程复杂、工作量大等问题[4]。传统塑料挤出成型工艺设计过程中往往会使用一系列标准件,这样重复性的工作一方面增加了设计人员的工作量,降低其工作效率,另一方面工艺优化时需要经过多次试验且质量容易出现渗差不齐,影响生产过程、加大投入成本,严重制约行业发展[5-6]。计算机辅助设计( CAD) 是指在产品设计过程中,利用计算机及其相关设备,分担设计人员计算分析、信息存储、图像编辑等工作的技术[7]。CAD 系统改变了传统挤出模的设计模式,实现挤出成型系统的参数化设计,可直接利用多种在实际应用中调用的标准件,与不同物理参数共同实现三维实体建模与参数化设置,包括实体建模、表面建模与线框建模,避免了传统设计过程中依靠经验判断的弊端,减少人为因素干扰,成为了塑料挤出模发展的必然趋势[8-9]。
          CAD 系统将塑料挤出模划分为多个相互关联又具有独立属性的部分,分别进行的参数设定与标准件模板制作,进而减少设计人员工作量,大大缩短交付周期,节约设计成本并提高设计质量,对提高塑料挤出成型设计技术具有重要意义[10]。由于挤出成型技术需要考虑塑料复杂的热力学特性及其不同状态下在模具内的流动、凝固等过程的物理特性,因此CAD系统在挤出成型工艺过程中的应用还存在一定的障碍,尤其是我国在挤出模CAD 系统的研究上还不足以满足生产设计要求,因此,本文提出一种塑料挤出模CAD 系统的设计方案,以从根本上提高我国塑料挤出模生产水平
1 塑料挤出模CAD 系统总体设计框架
1. 1 塑料挤出模基本构造及特点
          塑料挤出成型设备是由机头与口模、挤出机、辅助机等组成,可根据原料熔体流动状态分为多板孔区、稳定流速区、分流区、分流支架区和收缩成型区。由于塑料制品的形状取决于塑料挤出成型设备成型区截面形状,因此在流道纵向截面的设计过程中,应保证口模板为流线型,纵向截面零件组成的界面平滑化,以及各流道和模块截面垂直交错; 而在流道横向截面的设计过程中,应考虑物料加热时的膨胀系数、冷却时的收缩系数、挤出差异性以及拉伸方向性。
          另外从塑料制件产品质量考虑,应保证以下几点: 1) 外观光洁。塑料型材重心线和挤出螺杆轴线平行,流道根据原料熔体的流动特点设计成渐变型,无突出零件,无熔体停滞区,表面抛光或镀铬,保证塑料制品表面光洁,同时具有一定压缩比,防止塑料制品产生气泡或缝合线; 2) 尺寸、形状准确。由于模具各部分功能不同,因此设定温度也不同,在确定流道构型时,应考虑原料熔体的热膨胀性、热分解性,同时单独设置口模区域温度,防止原料熔体发生衰减; 3) 满足机械性能要求。模具结构尽量简单,调节模具固定螺丝,满足塑料制品载荷分布要求,同时模具尺寸设计应满足塑料制品机械性能要求。
1. 2 塑料挤出模CAD 系统设计框架
          塑料挤出成型设备组成部件的属性及产品的物理性质是影响CAD 系统设计的主要因素,其CAD 系统需要在保持合理性与完善性的同时,寻求可扩充性、多轨道性及平行工程性质,最终的设计可以配合CAE 等其他技术的进行。本文提出一种基于UG 的三维参数化CAD 系统,只需要在每一次设计时根据需要调整参数,即可通过计算机进行模拟设计,极大地方便了参数的处理与参数合理值的确定。在设计过程中只要使用简单步骤更改参数设置即可更改模型以满足丰富多样的产品需求,能够全方位提高设计效率以及成品质量。一个完整的CAD 系统包括装配系统、建模系统及制图系统,其中建模系统分为多个模块。具体如图1 所示。


2 塑料挤出模CAD 系统设计平台及关键技术
2. 1 塑料挤出模CAD 系统设计平台
          本文选用美国EDS 公司开发的UG 软件作为实现塑料挤出模CAD 系统设计的平台,帮助缩短塑料挤出模CAD 系统设计二次开发时间,优化模具设计过程,提高用户体验。其中用户工具为二次开发提供了良好的交互式接口,能够控制UG 程序、宏文件、菜单文件等的操作; 可视化工具选用UG/Open UIStyler集成程序,方便用户通过对话窗口直接进行交互操作,能够实现对话文件的快速生成,对话窗口的接口式调用,回掉函数的多重调用以及UIObject 对象动态的控制; 用户界面选用UG/Open API 函数,能够实现Unigraphics 信息窗口的操作。
2. 2 塑料挤出模CAD 系统设计关键技术
          塑料挤出模CAD 系统建模包括口模板图形设计、口模板设计、外形与流道设计、分流、型芯与分流锥设计,具体设计过程关键技术包括以下几个方面:
          (1)口模设计。其中口模板形状决定着最终塑料制品的外形尺寸,是口模设计最重要的一环。同时原料熔体的黏滞度、密度、拉伸率、收缩率、出口膨胀比等参数可以反映其物理性质、挤出流程及流道结构对口模板的影响,为口模板设计提供参考依据。因此实际设计过程中,可分别采用内部、外部及局部特征参数将截面图形存储于程序中,然后进行分模块计算,这样得出的结果精确度较高,且方便修改。其中口模图形设计各参数范围如表1 所示。
          ( 2) 口模板设计。模头口模板可以分割成三个板块进行设计,分别为预成型板、压缩板与成型板,其中压缩板设计需要考虑压缩角这个特殊变量。设计塑料挤出模口模板时,可以将材料截面,即模头口模板形状分割为多个简单几何图形进行组合设计,提高设计质量与效率。


          ( 3) 挤出模流道设计。塑料挤出成型CAD 系统的设计重点在模具入口处,流道截面逐渐由圆形的输送管道截面过渡为与塑料制品形状相似的截面这一部分。此处需要考虑的因素有: 流量是否与模头各流道的截面内物料流动阻力相平衡; 选用的挤出速度与压力是否合适; 流道中物料的挤压程度是否合适; 由于分流而产生的缝隙是否容易愈合,即是否能够保证塑料制品质量; 流道压力降和平直段长度的问题。
          塑料挤出流道中各部位的压力降是否相等影响着挤出速度与最终成品质量,因此实际设计中,需要计算不同截面的流道压力降,并对比平直段长度等参数,然后综合分析主流道与分流道压力降的关系,然后反复核对调整,使二者相互匹配。其中圆形截面计算公式如下:
              Δp = [ 2m ( m+3) γ /φπRm+3 ] τm
式中,Δp-截面; m-流通指数; γ-剪切速率; τm -剪
切应力; φ-流通度; R-截面半径。矩形截面压力降
计算公式为:
              Δp = [ 2m+1 ( m+3) γ /φBHm+2 ] τm
式中,B-模具平直段宽度; H-模具平直段长度。
          (4)分流支架设计与型芯分流锥设计。分流支架是塑料挤出成型设备中从机颈到模腔的过渡部分,分流锥是固定在分流支架上的一部分。分流支架和分流锥的设计可以首先根据设计者的经验与理论设计原则进行,再命令计算机根据各参数值和参数合理范围进行逻辑运算,按逻辑运算关系选择合理方案,并确定其他有关参数,如联接螺栓的位置及半径、外轮廓结合处位置等。
3 塑料挤出模CAD 系统设计实例分析
          在UG 软件已有的可调用的挤出模模板基础上进行特定参数修改,可以实现快速自动化设计,减少设计人员的重复劳动,同时使用标准件时,可以加入不同泳道以将整体步骤分割为可装配的塑料挤出模三维造型,方便局部修改及多样化设计。本文对某企业塑料挤出过程进行CAD 系统设计优化,具体步骤为:1) 口模图形设计。首先输入口模图形参数,包括拉伸收缩率、出口膨胀比等,调用模板标准件。选择开始设计即可启动设计程序,设计完成后,保存口模图形。2) 挤出模各模块设计。压缩板与成型板设计参数不同,在设置好预成型板与成型板的参数后,需要另行设置压缩板的参数值,包括成型段长度及流道压力降,调用系统原始模板,运行并保存结果。在压缩板设计窗口,首先要修改前一步中的模板厚度,并输入压缩角参数值,一般取25° ~30°,压缩板的入口流道需提取轮廓线,实现垂直相交,并且此轮廓线可用于之后分流支架板的设计中。另外分流锥、支架、型芯的设计需要调整模板厚度,并使用轮廓线参考值来确定三个部位的位置与结构,同时通过分流方式,确定分流锥分流的角度。选择启动设计程序,保存结果,若遇到设计不合理处应返回上一步修改参数设置,直到满意为止。
4 结语
          介绍了塑料挤出成型技术以及物料在挤出成型过程中物理性质变化的复杂性,讨论了塑料挤出模结构繁杂、设计参数量大、涉及的标准件多、设计周期长且质量低下等问题。在此基础上,提出了采用基于UG 软件的CAD 系统来优化设计过程。详细解释了CAD 系统的总体框架中的建模系统及关键技术,包括口模图形设计、口模板设计、外形与流道设计、分流支架、型芯与分流锥设计,以此构成一个全参数化的塑料挤出模CAD 系统。最后用实例阐述如何采用UG 软件进行参数合理化设置,实现自动化设计,为今后的研究与应用提供参考。

 
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