塑料擠出流動數值分析及其模具結構的設計優化分析

鄧力軍 廣東省梅州市磁性材料廠

塑料擠出流動數值分析及其模具結構的設計優化分析

鄧力軍 廣東省梅州市磁性材料廠

塑料擠出流動；數值分析；模具結構設計；優化

前言

與其他塑料成型模具設計相比，擠出模設計的難度更高。擠出模設計質量會對模具壽命及模具成本等方面產生較大影響，因此，設計人員應該注重優化擠出模設計。在傳統的設計過程中，人們通常采用Trial and Error法進行設計，這種設計方法需要的成本較高。應用數值分析法通過擠出模結構參數的獲得對擠出模設計優化具有一定的現實意義。

1.擠出模理論

Wilczynski針對單螺桿擠出成型過程提出一個計算機模型，并將該模型命名為SSEM。該模型能夠將擠出成型的整個過程全部模擬出來，并根據已知的工藝參數對其流動特性進行合理預測。在實驗過程中，實測數據與SSEM模擬結果數據之間的差異處在4%～9%范圍中，該差異范圍表明SSEM模型的模擬效果具有一定的可靠性［1］。

2.塑料擠出流動數值分析及其模具結構的設計優化

2.1 塑料擠出流動數值分析

NGUYEN THIEN T等人針對非線性粘彈性流體提出一種流動分析的改進邊界元法。在擠出異型材確定的情況下，可以運用這種方法求解擠出模的計算問題，這種方法的應用優勢在于既可以被應用在塑料擠出流動數值分析中，也可以被應用在塑料擠出的反問題中。與傳統的邊界元法相比，運用這種該機邊界元法進行分析時，CPU的計算時間發生顯著縮短，在該方法得到良好運用的情況下，實際計算時間可以縮短至原本時間的70%。何紅運用有限差分法對擠出流道中橡膠彎管膠料的流場進行計算。在這種方法中，通過雙圓柱坐標系將偏心圓環域中冪律流動膠料的軸向層流流動計算有效轉換成難度較低的矩形域流動計算。結合這種方法對速度場進行計算，可以將彎管窄隙位置和寬隙位置之間的膠料流速比值計算出來，通過實際實驗結果與運用該方法進行計算得出的計算結果進行比較可以發現，這種計算方法的計算結果具有較高的準確性［2］。

2.2 擠出模內場量分布

在擠出模中存在多種不同的場量分布，如溫度場以及壓力場等。這些場可以將熔體在模頭內的實際流動情況真實的反映出來。在擠出螺桿設計的優化過程中，首先需要對流道內壓力降的具體大小進行確定，對此，可以通過Botten等人提出的預報單螺桿擠出的壓力擴展模型來實現相關功能。王曉楓等人通過對塑料異型材擠出模頭典型流道結構的分析，得出了不同流道的壓力降解析公式，運用這種公式計算可以有效促進計算時間的縮短，促進計算效率的提升［3］。

2.3 設計擠出模的原則

在實際設計過程中為了保證設計出的擠出模符合相關使用標準，需要按照以下幾種原則進行設計：第一，保證擠出機螺桿軸線與擠出型材截面重心位置的重合。第二，為了保證流道作用的有效發揮，應該使流道具有一定的壓縮比，進而對制品的密實度產生相應的保障作用。第三，模頭體積的大小會對模頭作用的發揮產生相應的影響、通常情況下，模頭體積越小，相關作用的發揮效果越好。因此在實際設計過程中，設計人員應該在保證強度達到使用要求的情況對，采取相關措施盡量縮小模頭體積。第四，為了保證擠出模的設計質量符合相關標準，設計人員應該對零件的加工工藝性加以重視。第五，就熔體而言，加速的穩定性有利于模頭成型質量的提升。因此，設計人員需要注重熔體在整個過程加速的穩定性，并盡量減少或避免減速現象的發生［4］。

2.4 模具結構設計的優化

在對模具結構設計進行優化的過程中，主要涉及設計變量、目標函數等概念。其中，設計變量是指從所有的參數化模型中選出全部參數集或部分參數集。可以將設計變量看成是自變量中的一種。在實際的優化過程中，需要通過對設計變量數值的相應變化，得出最終的優化結果。目標函數則是指人們對性能或指標期望達到的最高值。在實際應用過程中，設計變量實際數值的變化，會引發目標函數數值的變化。首先需要對擠出模具流道結構進行合理的功能劃分，通過這種劃分建立流道的三維參數化模型。將最優化設計理論引入基于三維有限元數值分析中，在這個過程中，設計變量應該是模具不同功能段各個主要的結構參數，并將約束變量定為流道壓力降的最大值。在將優化目標函數定為模頭出口處型材截面不同子區域流速平均值的均方差之后，根據設計變量等相關參數完成優化數據模型的建立。該模型的建立是優化模具結構設計的基礎。在實際應用過程中，設計人員需要根據具體的工程要求，對研究對象的幾何區域進行相應的變動。在選擇優化工具的過程中，設計人員應該以實際的研究目的為主要參考。為了保證整個優化過程的順利進行，需要運用同一種數據庫技術對該過程的各個階段進行處理。當得出優化分析結果之后，該結果可以被直接映射到參數流道模型中。隨著設計參數的不斷變化，優化目標函數也會發生相應的變化，進而促進擠出模CAE/ CAD雙向集成的實現［5］。

3.結論

對于模具生產企業而言，擠出模設計質量的提升能夠降低模具生產成本，使得模具生產企業獲得更多的經濟利潤，進而促進企業市場競爭力的提升。由于傳統的擠出模設計方法需要花費的成本較高，因此可以通過塑料擠出流動數值分析，結合流道三維參數化模型的建立，對模具結構設計進行合理優化。

［1］ 劉斌.塑料擠出流動數值分析及其模具結構設計優化研究［D］.大連理工大學，2003.

［2］ 秦升學.異型材聚合物擠出與鋼塑共擠過程的有限元模擬關鍵技術及其機理研究［D］.山東大學，2006.

［3］ 趙丹陽.塑料異型材擠出成型過程數值模擬及其模具設計優化［D］.大連理工大學，2007.

［4］ 劉斌，江開勇，上官寧.塑料擠出流動數值分析及其模具結構的設計優化［J］.華僑大學學報（自然科學版），2008，04：481-489.

［5］ 孫雪梅.復雜鋁合金型材擠壓過程數值建模與模具優化設計方法研究［D］.山東大學，2014.

在塑料擠出成型過程中，擠出模設計質量直接對模具成本、模具生產效率等多個方面產生影響。為了保證成型過程的順利進行，對模具結構設計進行優化具有一定的必要性。本文從擠出模設計理論入手，對塑料擠出流動數值分析及其模具結構的設計優化進行研究和分析。