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挤塑管材成型的计算机优化研究
点击:216 日期:2017-11-14 14:12:31

        ●摘要: 在塑料管材的成型加工中使用计算机辅助技术,能够极大提高生产效率和产品质量。本文结合力学、流变学对塑料管材成型过程进行了计算机模拟优化。首先在理论上简单分析了挤出过程中各功能段的数学模型,并模拟了熔体在挤出机中的流动情况,同时分析了塑料管材生产过程中的熔接痕问题。
1 挤塑管材成型
        挤出成型作为塑料成型加工的重要方法之一,可以满足绝大多数热塑性塑料和少数热固性塑料的成型要求。由挤出成型加工制作的产品广泛应用于工业、农业、交通、化工、电子、建筑、医疗卫生等各个领域。其中塑料管材是挤出成型加工的最主要产品。其加工过程为:首先在挤出机中加入塑料颗粒(或粉料),在机筒内的高温作用下,物料熔融并被螺杆推送到管体成型机头处的环形通道,熔融物料在通道中迅速填充形成管状分布,然后经冷却定型及切割得到标准规格的塑料管材。该过程中,物料主要流经的各种设备(或装置)依次为:挤出机→管体成型机头→定径套→冷却水箱→牵引装置→切割装置[1]。
        按硬度分类,塑料管材可分为硬管和软管两种,其材质一般为聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物(ABS)和聚碳酸酯等。同金属管相比,塑料管具有以下优势:密度低,仅为钢材的18%;具有优越的耐化学腐蚀性,可以用来输送各种酸、碱性溶液;没有明显的导电性,电气绝缘性能好;耐磨性好;遇水不生锈,不会发生不良化学物理反应[2]。
2 挤塑管材成型的计算机模拟技术
        传统的塑料制品设计研发及制作过程中,模具设计师的绝大多数时间和精力都放在设计制图及参数修改上,更多地依靠个人的工作经验等来控制产品质量,而且在修模阶段的工作量也相当庞大。另外,在成型过程中所涉及的影响挤塑管材成型效率和质量的各种因素,如熔体的温度、压力、速度分布等都没有得到很好的控制,难以对熔体的流变性能进行定量分析。在挤塑管材的成型加工过程中全面引入计算机模拟技术,能够从根本上解决上述问题,从而保障产品的质量和生产效率。
        挤塑管材成型过程的计算机模拟又称CAE技术(即计算机辅助工程技术),此项技术是计算机辅助设计/计算机辅助制造(CAD/CAM)技术在纵深方向的延伸和发展,其融合了数值计算技术、数据库、计算机图形学、工程分析与仿真等技术,重在体现工程问题的模型化和数值实现。作为CAE技术的基础,CAD/CAM技术的发展和应用水平提高将为CAE技术的发展提供足够动力。CAE技术发展的必要条件是能够通过高性能计算机及图形显示设备直观表现分析对象[3]。有限元法、边界元法及结构优化设计等计算方法作为CAE技术的核心基础理论正得到不断应用和验证。
        CAE技术在计算机上的应用,相当于用计算机对制品的成型过程进行试验。通过相关试验内容,能够验证模具结构和成型工艺参数的准确性,并不断提出修正数据,以期实现设计结构的最优化,以保证一次试模成功,进而有效缩短产品的开发周期,同时确保塑料制品的质量稳步提高,并实现生产成本同步降低。随着计算机技术的不断发展,塑料加工行业全面实现对各类塑料制品成型过程的计算机模拟已经成为必然趋势。
3 挤出机中物料变化状态优化
        挤出机的挤出过程,可以通过描述挤出机工作螺杆的基本职能以及物料在挤出机固体输送段、熔融段和熔体输送段的状态变化来体现。
3.1 通过计算机描述螺杆的基本职能
        塑料挤出机的性能在很大程度上取决于螺杆设计和操作条件。螺杆可以分为普通型和特殊型
两种。普通型螺杆自身一般存在着三段不同几何形状的螺纹分布,即包括一个深层加料段,一个浅层加料段和一个呈锥形分布的压缩段。
        挤出机的管材生产能力直接受到螺杆几何形状的影响。这些几何参数主要包括螺杆直径、长径
比、螺槽深度、螺距、螺纹头数及螺棱宽度等。螺杆直径一定程度上反映了挤出机能够挤出的最大物料量,属于挤出机的重要参数。运用计算机技术,能够避免出现因螺杆设计不当而导致的物料输送不均衡及机体运行不稳定的问题。通过计算机模拟,整个螺杆的基本职能、设备参数等都能直观反映在螺杆设计阶段的逻辑运算中,因此可及时对设计方案进行修改优化,进而大幅度节省人力、物力。
        特殊型螺杆的出现,主要是为解决普通螺杆容易出现的熔融速度慢,塑化不均匀,温度、压力、产量波动大,生产率低等缺点。其中分离型螺杆作为一种特殊型螺杆,克服了普通螺杆容易在同一螺槽中共存固液态物料的技术难点,通过追加一条螺纹于熔融段,使得固液态物料在螺槽区域能够自动落于不同堆积区(所追加螺纹的外径应小于主螺纹)。分离型螺杆具有很强的塑化能力,同时其产量、压力及温度波动都比较小。
3.2 运用计算机构建固体输送区数学模型
3.2.1 固体输送理论
        挤出机料斗中所加入的固体聚合物粒子(包括粒料和粉料)随后进入到固体输送区。一般情况下,由于重力的作用,料斗中的固体聚合物粒子进入螺槽,并在固体输送区中被推挤压实,整个压实的部分就可看成是一个位于螺槽上方滑动的整体,称为固体塞(由螺槽中受热后黏结在一起的固体粒子和未塑化冷固体粒子构成)。该固体塞并不是静止不动的,其仍以一定速率向挤出方向移动。由固体输送理论(基于固体对固体摩擦力的静平衡)可知,挤出机的螺杆旋转时产生向前的轴向分力,推动固体塞沿着螺槽的方向向着机头前进。另外,固体塞与机筒内壁之间的摩擦力必须大于固体塞与螺杆间的摩擦力,否则固体塞将随螺杆一起转动。
3.2.2 数学模型
        运用计算机软件构建固体输送区数学模型首先需要确定以下假设条件:(1)固体床具有稳定的温度,同时固体塞匀速向前移动;(2)忽略螺棱与机筒内壁之间的间隙;(3)螺槽深度为固定值;(4)物料形成的固体床与机筒内壁、螺槽等紧密接触。
        根据作用在固体塞微元上的力和力矩的平衡原理,可以推导出固体输送区压力(p)的表达式:


        以上各式中:p0为固体床在螺杆起始部位所具有的压力;Zb为固体输送区中机筒内表面沿螺槽的旋线长度;fb为固体床与机筒内表面的摩擦系数,fs为固体床与螺杆表面的摩擦系数;H为整个螺杆的螺槽平均深度;Wa为平均螺槽宽度,Wb为机筒内表面处的螺槽宽度,Ws为螺杆进料段根径处的螺槽宽度;θa和θb分别为机筒内表面处和螺杆根径处的螺纹升角;Db为螺杆外径或者机筒内径,Da为螺杆直径;为固体塞的整体移动方向与螺杆中轴线垂直面之间的夹角。
3.3 运用计算机构建熔融区数学模型
3.3.1 熔融理论
        熔融区的理论研究中,首先须假设螺杆静止不动而机筒对螺杆作相向的切向运动,且机筒中存在着均匀连续的固体床。另外,假设螺杆上的螺槽内截面为矩形分布,而机筒中的粒状、粉状或其他形状的固体粒子都是在固液分界面上进行熔化的。当固体床在机筒内表面所形成的熔膜厚度超过螺杆与机筒内表面之间的间隙时,熔膜被螺棱的推进面刮到螺槽中,并逐渐汇集形成熔池,同时固体床以恒定的速度移向分界面,并形成新的熔膜。随着螺杆的转动,来自料筒的外加热和熔膜的剪切热不断传至固体床,使得与熔膜接触的固体粒子熔融。在沿螺槽向前移动的过程中,固体床的宽度不断减小,熔池的宽度不断增加,当固体床全部熔融,整个熔融过程完成。
3.3.2 数学模型
        建立熔融理论模型,主要是为了预测挤出机中固体床的分布情况,以及固体床从开始熔融到完全消失的总长度(熔融区长度)。从数学角度看,固体床的宽度相当于以螺杆为轴所作的曲线[4]。通过合理的数学理论模型,能够对螺杆设计以及挤出机的运作条件起到十分重要的指导作用。熔融速率的理论公式如下所示:


        式(2)中:ω为熔融速率;Φ为固相熔融速率系数;表示固体床与熔膜界面之间熔膜的温度变化;y为熔膜的有效界面厚度;X为固体床的宽度;Vbx为机筒内表面相对应螺杆的切向速度在垂直螺槽方向的速度分量;ρm为熔体的密度;δ为熔融总长度(从开始熔融到固体床宽度降为0时的长度)。另外,固相熔融速率系数Φ可由下式计算得到:

         
        式(3)中:km为熔体的导热系数;T1为聚合物的熔融温度,T2为远离界面处的固体床温度,T3为熔膜的平均温度;Cp,s为聚合物固体的比热,Cp,m为聚合物熔体的比热。固体床分布理论模型如式(4)所示:
            

        式(4)中,ρsVsz为固体聚合物的密度与固体床沿螺槽方向的速度之积。由式(2)、式(4)可得到固体床分布情况。
3.4 运用计算机构建熔体输送区数学模型
        物料在挤出机熔体输送区的流动属于具有恒定密度黏性流体的运动,物料在受到螺杆挤压作用
的同时还受到来自机头口模的反压力作用,因此这一阶段物料的流动较为复杂。
        在运用计算机构建熔体输送区数学模型时,应该考虑组合运用质量守恒、动量守恒、能量守恒方程,通过有限差分法来求解,从而得到物料沿螺槽输送以及溢出螺槽时的速度、温度和压力分布情况。
4 计算机优化对熔接痕的影响
        塑料成型加工中,塑件表面容易因两股料流相互接触而产生类似一条线的表面缺陷,被称之为熔接痕。而现在“熔接痕”多是指两股熔融状态的塑料流体相接触后所形成的形态、结构和力学特质不同于塑件其他部分的三维区域。
4.1 熔接痕的产生及危害
        塑料管材挤出成型加工中,多孔板中流出的熔融塑料进入机头后,沿着分流器流动,由于分流器为鱼雷状,使得流体经过分流器外表面的分流筋时自动被分成若干股,而熔体通过分流筋后又重新熔合。这个分流又熔合的过程导致了塑料管材中产生熔接痕[2]。
        熔接痕的存在首先影响了制品的表面质量,另外对制品的力学性能影响很大。熔接痕的存在同时也限制了包括液晶高聚物、增强型塑料和多相高聚物在内的塑料材料的开发和应用。
4.2 分流筋形状的优化
        一般情况下,塑料熔体可通过设置在分流器外表面的三种不同形状的分流筋产生不同的流动效果。通过计算机模拟可看出分流筋形状对熔接痕的影响。模拟前需要假设:(1)高分子聚合物不可压缩;(2)熔体可以在内壁上黏附;(3)熔体为稳态等温流动。在本次模拟中,笔者采用经过修正的柯西模型来描述聚合物熔体黏度和剪切速率之间的关系,见公式(5)。

      
        式(5)中:η0为零切黏度;λ为时间常数;n为幂律指数;γ为剪切速率。
        通过计算机模拟,可得到包含速度、黏度、剪切速率等参数在内的彩色分布图。在进行相应工艺优化时,通过该图能够形象地观察熔体流经分流筋时的各项参数,从而对分流筋形状进行调整。
4.3 模腔压缩比的优化
        挤出管材用成型模具的压缩比,是指成型模腔内流道的最大截面(即分流锥出料端流道截面)与口模成型管坯处截面的比值。
        物料在经过分流筋后再次熔合,熔体的流动性越好,熔合的速度就越快。通过计算机模拟可知,为消除物料经过支架时形成的分流痕迹,需确保机头内物料的停留时间不小于它的松弛时间。而降低松弛时间,就需要通过控制管材机头模腔的压缩比来实现。机头越小,所需的压缩比越大,物料停留时间越短;而机头越大,所需的压缩比就越小,物料停留时间越长[3]。
        综上可知,为降低挤塑管材成型中的熔接痕影响,可以通过计算机优化机头几何参数,如分流筋形状及合适的压缩比等,以确保制品熔接痕处的力学性能。
5 结语
        通过计算机软件模拟技术,建立了挤出机中固体输送区、熔融区、熔体输送区的数学模型,从而得到沿螺杆轴向的压力分布、温度分布以及固体床分布情况;同时通过计算机模拟机头分流筋形状、压缩比等参数对熔接痕的影响,对挤塑管材成型过程中的工艺进行优化,从而有效提高管材质量。

 
版权所有:绍兴市四维塑胶工程有限公司