塑料擠出模具設(shè)計(jì)的分析
1引言
當(dāng)今市場(chǎng)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(duì)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(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(lái)承擔(dān)，賦形功能由擠出模具和整形模具來(lái)承擔(dān)，固化功能則由整形模具和冷卻模具來(lái)承擔(dān)。作為完整的擠出裝置，為了對(duì)擠了物進(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(guò)程對(duì)擠出物，一般沿?cái)D出方向?yàn)橥恍螤畹臄嗝妫谀承┨厥庋b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(lái)，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)日益復(fù)雜化。
2模具設(shè)計(jì)
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(xù)對(duì)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(guò)程是從圓柱形料筒中送出的圓形斷面熔料通過(guò)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成的擠出物。為此，從圓形或矩形入口變?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(dòng)路徑，需進(jìn)行保證此變化過(guò)程順暢和無(wú)滯留部位的流線形設(shè)計(jì)。
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(shí)，還有彈性特性，因此對(duì)熔料流動(dòng)的特性必須充分考慮彈性所起的作用。
因而在設(shè)計(jì)擠出模具時(shí)必須重點(diǎn)考慮下列方面。
2.1模具內(nèi)容熔料的流變特性
對(duì)模具內(nèi)熔料流動(dòng)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(duì)模具在合理的壓力分布下，通過(guò)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液體特性和所具有的粘性特性、彈性特性不同。
2.2模具結(jié)構(gòu)的問(wèn)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自流動(dòng)的過(guò)程中，流動(dòng)路徑斷面形狀發(fā)生變化。在設(shè)計(jì)這種斷面形狀的變化時(shí)，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(wú)滯留地流動(dòng)，即按照流線形進(jìn)行設(shè)計(jì)。至于熔料進(jìn)入縫隙入口入的壓力，為了使擠出過(guò)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(gè)部分：
熔料分配部分----調(diào)整部分----緩沖部分----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(shí)，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(duì)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(dòng)中，要按照壓力高的部分所遇到的流動(dòng)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(dòng)中所受剪切狀態(tài)也不相同。該部分出口處壓力相同，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，使儕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(guò)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(duì)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。
2.3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(duì)模具溫度進(jìn)行調(diào)整，使模具保持在設(shè)定溫度+-1攝氏度的范圍內(nèi)。這種處理方法較簡(jiǎn)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。
2.4不同形狀斷面中的流動(dòng)狀況
對(duì)于基本斷面形狀的熔料流動(dòng)路徑，可以用流速，壓力和流量的關(guān)系來(lái)顯示流動(dòng)狀態(tài)，為求出這種關(guān)系，需作以下假設(shè)：
(1)熔料是一種非壓縮性物質(zhì)：
(2)熔料滿足冪涵數(shù)關(guān)系式：即
試中：——剪切速率。亦稱應(yīng)變速率，流變速率或速度梯度、
——剪切應(yīng)力、
k2η——系數(shù)、
n2n;——流動(dòng)指數(shù)；
(3)熔料溫度一定；
(4)流動(dòng)壁面無(wú)熔料滑動(dòng)，即壁面的流速ν=02
同理，在上述基礎(chǔ)上，就可以引伸到定量分析和計(jì)算熔料在各種形狀斷面流動(dòng)路徑中的流動(dòng)狀態(tài)、確保擠出模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。
