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關于塑料發泡板機頭的機電一體化設計與研究
摘 要:用二次優化的計算方法對線性等錐角岐管和可調間隙衣架式機頭流道的幾何參數進行了優化計算,在此基礎上,通過更換口模、阻尼棒及口模調節裝置、溫度分區控制等機電一體化設計,成功開發了寬幅發泡擠出板機頭。
關鍵詞:衣架機頭;優化計算;發泡板材;擠出
0 前言
塑料板材或片材在各行各業及人們日常生活中的應用日益廣泛。而以往對板材成型的關鍵部件———擠板機頭的設計帶有一定的盲目性,多憑經驗設計(特別是流道) ,要付出較大的經濟代價,造成人力、物力和財力的浪費。
機頭設計時要考慮的因素很多,其目的就是如何保證聚合物熔體離開機頭時具有均勻一致的流動性、熔體壓力、溫度和泡核。要實現這一目標,必須對機頭流道的主要幾何參數進行優化計算和機電有機結合,從多方面進行調節,以便連續均勻地擠出各種發泡板材。
1 機頭流道幾何參數的優化計算
1.1 幾何模型衣架機頭流道形狀寬幅制品的擠板機頭多采用“衣架機頭”,在探討衣架機頭的優化計算時,選取成型工藝好、機械加工容易、應用較廣的線性錐形岐管式衣架機頭作為研究的幾何模型[1 ] 。其流道形狀如圖1 所示。
1.2 衣架部分幾何參數的優化計算如圖1 所示,衣架部分幾何參數包括:岐管始端半徑R0 、岐管末端半徑Rz 、扇形部分縫隙厚度H 和兩岐管間夾角2θA 。求解步驟如下:
(1) 按網格分析法將衣架機頭在Z 方向分割成N 等分微元,在X 方向分成8 個區段。
(2) 設岐管半徑按下面的線性方程變化[2 ]
根據經驗給出適當的約束條件,就可以編輯合適的優化計算程序。經優化計算后便可求出岐管始、末端半徑R0 和Rz ,扇形部分縫隙厚度H 和兩岐管的夾角2θA 。這樣,機頭衣架部分流道尺寸就被基本確定。
1.3 阻尼棒和模唇區幾何參數的二次優化計算式(10) 與物料的流變參數m , n ,η,γ0 ,γ有密切關系,用它作為目標函數求得的衣架部分最佳幾何參數受到一定的局限性。因為在實際成型加工過程中物料和工藝條件是不確定的,影響流變參數的因素很多, 從生產實際出發要求所設計的機頭流道參數有較強的通用性和較為廣泛的適應性。為此需要在上述衣架部分流道幾何參數優化計算的基礎上,對機頭其他部分流道尺寸(諸如阻尼棒區和模唇區的幾何參數) 進行二次優化計算,用此優化值設計或調節機頭其他部分參數,使之適合不同物料和工藝的要求。
2 設計中的機電一體化
發泡板機頭設計成衣架式結構所示,流道形狀像衣架形。發泡板機頭的基本要求是聚合物熔體沿流道寬度方向的流率均勻,能產生快速壓力降,出口模時沿寬度方向熔體溫度一致、壓力一致、發泡率一致。要滿足這一要求,在結構方面,除流道結構為衣架形外,對歧管的直徑、歧管張角和縫隙高度等尺寸要進行優化計算。如圖2 所示,模唇可以更換以適應不同厚度制品和不同發泡率需要,同時設計有口模調節裝置和阻尼棒及其調節裝置,使得阻尼棒和模唇處的流道尺寸設計成可調的,適時調節熔體沿寬度方向的流率分布。但是,熔體在流道中的流動性除了與流道的結構與尺寸有關外,還與溫度場分布密切相關。溫度場由加熱與冷卻裝置控制,考慮到模具和熔體在不同位置的傳熱和散熱程度的不同,應將機頭沿寬度方向分成多個加熱與冷卻區(本設計中1135m 寬機頭分為11 個區) ,另外就是在上下口模中引進恒溫油控制系統。實踐證明,機械結構上的單方面考慮,還不能滿足設計要求,只有機械設計方面的綜合考慮,結合電氣控制,才能有效地控制機頭流道中熔體的壓力分布和流速分布,實現連續均勻生產發泡塑料制品的需要。并能通過調節機械結構參數和電氣控制參數實現不同厚度制品不同發泡率的要求。
3 擠出制品泡孔結構
為了檢驗本設計機頭的實際應用情況,在擠出發泡生產線中反復調試,通過制品(發泡板材) 的發泡成型情況來檢驗,為此做制品橫斷面(沿寬度方向) 和縱向截面(沿流動方向) 的掃描電鏡如圖3 所示。圖3 (a) 和(b) 中的圖片是兩種螺桿轉速時橫斷面的泡孔結構,兩種螺桿轉速時橫斷面的泡孔結構。從圖中可以看出制品的泡孔為均勻分布的閉孔結構,說明該寬幅機頭的流動性是均勻的,而且當轉速較高些(如圖中的20rpm) ,即擠出壓力足夠大時,能得到均勻細密的微孔結構。
4 結論
(1) 計算中采用非等溫冪律流體的流動方程作為本構方程,這比以往等溫模型更接近實際。當然也使計算難度加大,但計算的精度提高。在機頭設計中,機頭寬度方向分為數個溫控區,各區溫度均可獨立控制,因而實際上流動是非等溫的。
(2) 采用半徑呈線性變化的衣架岐管 。這樣大大方便了衣架機頭的機械加工,便于在生產中推廣應用。
(3) 能適用多種物料的擠出加工。在設計中,設置了調節裝置。由于流道尺寸經過二次優化計算,加上實際擠出時還可通過調節裝置適當調節流道的尺寸,就使新研制的衣架機頭適合多種物料和制品的擠出,且能保證達到擠出制品的質量和產量。
(4) 能為工藝條件的制定提供科學依據。因為用數值計算法可以預測衣架機頭的壓力、速度、停留時間分布以及擠出量,這就為擠出工藝條件的制定提供了第一手可靠資料。
(5) 能適用不同厚度和發泡率發泡板材的成型。設計中機電有機結合,除了優化設計流道主要幾何尺寸外,通過調節口模調節裝置、阻尼棒及調節裝置、溫度分區控制、更換模唇、口模恒溫控制等多個環節,可滿足一定范圍內不同發泡制品的成型需要。
(6) 機頭的設計效果通過成型制品的泡孔結構得到了檢驗。
參考文獻
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[ 2 ] YUTAKA M1 Geometry design of a coat2hanger die with uniform flow rate and residence time across the die width1PES , 1979 , 19 (3) : 169 -172.
[ 3 ] TADMOR Z , GOGOS C G1Principles of polymer processing1New York : Wiley , 1979 :546 - 548.
[ 4 ] 許澍華,王 麗1 擠板機頭的優化設計[J ]1 北京化工大學學報,1997 , (4) :51 - 59.
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