塑料擠出模具設(shè)計的分析
/ 2021/6/5 13:41:17
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一、引言
當(dāng)今市場上出售的
塑料制品中，擠出成形制品的種類日益增多。塑料管材、板材、薄膜和異形材等已在應(yīng)用中占有非常重要的地位。
擠出成形是對粉末狀或粒狀原材料加熱和熔融之后用擠壓方法賦形，然后進(jìn)行冷卻固化的連續(xù)成形方法。故擠出成形裝置必須具有熔融、賦形和固化這三種功能。
熔融功能由擠出機(jī)來承擔(dān)，賦形功能由擠出
模具和整形模具來承擔(dān)，固化功能則由整形模具和冷卻模具來承擔(dān)。作為完整的擠出裝置，為了對擠出物進(jìn)行整理還需設(shè)置牽引機(jī)、切斷機(jī)和卷曲機(jī)等輔助裝置。
擠出物外觀和品質(zhì)的好壞，在很大程度上取決于模具的品質(zhì)。此外，擠出機(jī)向模具中輸送熔料的均勻程度和熔料在模具內(nèi)的混合過程對擠出物的品質(zhì)也會產(chǎn)生影響。對于各種各樣斷面形狀的擠出物，一般沿擠出方向為同一形狀的斷面，但在某些特殊情況下，在模具后部設(shè)置特殊裝置或采用特殊的操作方法可改變其斷面形狀。如：壓花或吹塑成形。
近年來，除了單一材料擠出成形之外，又有多種塑料在模具內(nèi)或模具外作為一體擠出成形的共擠出成形法。還開發(fā)了與鋁、鐵、木料等其它材料共擠出成形工藝，使擠出模具的結(jié)構(gòu)也日益復(fù)雜化。
二、模具設(shè)計
在擠出成形裝置中占有重要地位的模具，由螺桿~3CMPa的壓力連續(xù)對它供給熔料，并由模具使熔料形成所需斷面形狀的擠出物。此過程是從圓柱形料筒中送出的圓形斷面熔料通過聯(lián)接器進(jìn)入具有圓形或矩形入口的模具中，在模具中改變形狀以后即從模具終端的縫隙中擠出所需斷面形狀的擠出物。為此，從圓形或矩形入口到變?yōu)榻咏诔尚挝飻嗝嫘螤畹某隹诓糠挚p隙之間的模具內(nèi)熔料流動路徑，需進(jìn)行保證此變化過程順暢和無滯留部位的流線形設(shè)計。
此外，由于所用塑料熔融物為非牛頓流體，所以在具有粘性特性的同時，還有彈性特性，因此對熔料流動的特性必須充分考慮彈性所起的作用。
因而在設(shè)計擠出模具時必須重點(diǎn)考慮下列方面。
1、模具內(nèi)熔料的流變特性對模具內(nèi)熔料流動特性的考察是為了便于以所需擠出量獲得符合品質(zhì)要求的擠出物，由此必須對模具內(nèi)的熔料流動路徑進(jìn)行設(shè)計。特別是模具終端的縫隙，在合理的壓力分布下，通過所需的擠出量，才能獲得形狀尺寸與模具縫隙形狀相同的高品質(zhì)擠出物。各類熔料所顯示的非牛頓流體特性和所具有的粘性特性、彈性特性不同。
2、模具結(jié)構(gòu)的問題擠出模具入口處和出口處的形狀不同。因而進(jìn)入擠出模具入口的熔料在向出口處流動的過程中，流動路徑斷面形狀發(fā)生變化。在設(shè)計這種斷面形狀的變化時，必須在考慮所用塑料流變特性的基礎(chǔ)上，保證其順暢和無滯留地流動，即按照流線形進(jìn)行設(shè)計。至于熔料進(jìn)入縫隙入口處的壓力，為了使擠出過程穩(wěn)定，應(yīng)能使各處均勻。
擠出模具的結(jié)構(gòu)共有四個部分：熔料分配部分一調(diào)整部分一緩沖部分一賦形部分為了便于分析討論，現(xiàn)以擠出板材的平板擠出模作介紹，應(yīng)使進(jìn)入擠出模的圓形或矩形斷面熔料擴(kuò)展成平板狀擠出物。要按照向?qū)χ行妮S的垂直方向分配熔料而設(shè)置熔料分配部分，在熔料向兩邊擴(kuò)展時，壓力也隨之下降，各部分的壓力也出現(xiàn)差異。即壓力與離開入口距離呈反比下降。因此，下一步驟必須對壓力進(jìn)行調(diào)整。熔料在不同壓力下所產(chǎn)生的軸向流動中，要按照壓力高的部分所遇到的流動阻力大，壓力低的部分所遇到的阻力小的原則設(shè)置調(diào)整部分以實(shí)現(xiàn)與中心軸垂直平面內(nèi)的壓力相等。但即使壓力值相同，熔料在上述情況下流動中所受剪切狀態(tài)也不相同。該部位出口處壓力相同，但由于熔料所受剪切經(jīng)歷不同。如果將這種狀態(tài)的熔料直接送入賦形部分，各處壓力雖相同但殘余剪切應(yīng)力卻不相同，所以從模具縫隙中被擠出物體各處的膨脹狀態(tài)不同，使擠出件形狀與模具縫隙形狀出現(xiàn)差異。
由此可見，進(jìn)入賦形部分的熔料不僅需要壓力相同，應(yīng)力狀態(tài)也應(yīng)該一樣。盡管壓力狀態(tài)不同可以通過賦形部分入口處形狀加以校準(zhǔn)，但實(shí)際上這種作法非常困難，在生產(chǎn)應(yīng)用中不穩(wěn)定。
為此，在賦形部分之前設(shè)置一緩沖部分，對具有不同剪切履歷的熔料進(jìn)行緩沖而成為應(yīng)力狀態(tài)一樣的熔融物。如果在分配部分和調(diào)整部分所受剪切在斷面內(nèi)是相同的，那就不必進(jìn)行緩沖處理。
如果熔料在賦形部分入口處的壓力一樣，且應(yīng)力狀態(tài)也一樣，則由賦形部分形狀使模具縫隙出口處的流速相同。
3、溫度調(diào)整在擠出模具上一般都要安裝帶形加熱器，因此，需對模具溫度進(jìn)行調(diào)整，使模具溫度保持在設(shè)定溫度士1°C的范圍內(nèi)。這種處理方法較簡單只要考慮成形塑料粘度與溫度的依賴關(guān)系，采用適當(dāng)?shù)恼{(diào)整溫度方式即可。
4、不同形狀斷面中的流動狀況對于基本斷面形狀的熔料流動路徑，可以用流速、壓力和流量的關(guān)系來顯示流動狀態(tài)。為求出這種關(guān)系，需作以下假設(shè)：熔料是一種非壓縮性物質(zhì)；熔料滿足冪函數(shù)關(guān)系式：即或t T――剪切應(yīng)力，kn――系數(shù)，n，n流動指數(shù)；流動壁面無熔料滑動，即壁面的流速v=0.同理，在上述基礎(chǔ)上，就可以引伸到定量分析和計算熔料在各種形狀斷面流動路徑中的流動狀態(tài)，確保擠出模具結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。
