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    塑料擠出模具設計的分析

    2021-07-19 19:47:37

    1 引言

    當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用中占有非常重要的地位。

    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。然后喜遷冷卻固化的連續成形方法。故擠出成形裝置必須具有熔融、賦形和固化這三種功能。

    熔融功能由擠出機來承擔,賦形功能由擠出模具和整形模具來承擔,固化功能則由整形模具和冷卻模具來承擔。作為完整的擠出裝置,為了對擠了物進行整理還需設置牽引機、切斷機和卷曲機等輔助裝置。

    擠出物外觀和品質的好壞,在很大程度上取決于模具的品質。此外,擠出機向模具中輸送熔料的均勻程度和熔料在模具內的混合過程對擠出物,一般沿擠出方向為同一形狀的斷面,但在某些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或模具外作為擠出成形的共擠出成形法,還開發了與鋁、鐵、木料等其它材料共擠出成形工藝,使擠出模具的結構日益復雜化。

    擠出模具

    2 模具設計

    在擠出成形裝置中占有重要地位的模具,由螺桿以3MPa-30MPa的壓力連續對它供給熔料,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接器進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成的擠出物。為此,從圓形或矩形入口變為接近于成形物斷面形狀的出口部分縫隙之間的模具內熔料流動路徑,需進行保證此變化過程順暢和無滯留部位的流線形設計。

    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。

    因而在設計擠出模具時必須重點考慮下列方面。

    2.1 模具內容熔料的流變特性

    對模具內熔料流動特性的考察是為了便于以所需擠了量獲得符合品德要求的擠出物、由此必須對模具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擠出物。各類熔料所顯示的非牛頓液體特性和所具有的粘性特性、彈性特性不同。

    2.2 模具結構的問題

    擠出模具入口處和出口處的形狀不同。因而進入擠出模具入口的熔料在向出口自流動的過程中,流動路徑斷面形狀發生變化。在設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上,保證其順暢和無滯留地流動,即按照流線形進行設計。至于熔料進入縫隙入口入的壓力,為了使擠出過程穩定,應能使各處均勻。

    擠出模具的結構共有四個部分:

        熔料分配部分----調整部分----緩沖部分----賦形部分

    為了便于分析討論,現以擠出板材的平板擠出模作介紹,應使進入擠出模的圓形或矩形斷面熔料擴展成平板狀擠出物。要按照向對中心軸的垂直方向分配熔料而設置熔料分配部分,在熔料向兩邊擴展時,壓力也隨之下降,各部分的壓力也出現差異。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行調整。熔料在不同壓力下所產生的軸向流動中,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置調整部分以實現與中心軸垂直平面內的壓力相等。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也不相同。該部分出口處壓力相同,但由于熔料所受剪切經歷不同。如果將這種狀態的熔料直接送入賦形部分,各處壓力雖相同但殘余剪切應力卻不相同,所以從模具縫隙中被擠出物體各處的膨脹狀態不同,使儕出件形狀與模具縫隙形狀出現差異。

    由此可見,進入賦形的熔料不僅需要壓力相同,應力狀態也應該一樣。盡管壓力狀態不同可以通過賦形部分入口處形狀加以校準、但實際上這種作法非常困難,在生產應用中不穩定。

    為此,在賦形部分之前設置一緩沖部分,對具有不同剪切履歷的熔料進行緩沖而成為應力狀態一樣的熔融物。如果在分配部分和調整部分所受剪切在斷面內是相同的,那就不必進行緩沖處理。

    如果熔料在賦形部分入口處的壓力一樣,且應力狀態也一樣。則由賦形部分形狀使模具縫隙出口處的流速相同。

    2.3 溫度調整

    在擠出模具上一般都要安裝帶形加熱器,因此,需對模具溫度進行調整,使模具保持在設定溫度+-1攝氏度的范圍內。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系,采用適當的調整溫度方式即可。

    2.4 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,壓力和流量的關系來顯示流動狀態,為求出這種關系,需作以下假設:

    (1)熔料是一種非壓縮性物質:

    (2)熔料滿足冪涵數關系式:即

                    

    試中:——剪切速率。亦稱應變速率,流變速率或速度梯度、

          ——剪切應力、

          k2η——系數、

          n2n;——流動指數;

    (3)熔料溫度一定;

    (4)流動壁面無熔料滑動,即壁面的流速ν=02   

     同理,在上述基礎上,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、確保擠出模具結構設計的合理性。 


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