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塑料挤出模具设计的分析

2021-07-19 19:47:37

1 引言

当今市场上出售的塑料制品中,挤出成形制品的种类日益增多。塑料管材、板材、薄膜和异形材等已在应用中占有非常重要的地位。

成形是对粉末状或粒状原材料加热和熔融之后用挤压方法赋形。然后喜迁冷却固化的连续成形方法。故挤出成形装置必须具有熔融、赋形和固化这三种功能。

熔融功能由挤出机来承担,赋形功能由挤出模具和整形模具来承担,固化功能则由整形模具和冷却模具来承担。作为完整的挤出装置,为了对挤了物进行整理还需设置牵引机、切断机和卷曲机等辅助装置。

挤出物外观和品质的好坏,在很大程度上取决于模具的品质。此外,挤出机向模具中输送熔料的均匀程度和熔料在模具内的混合过程对挤出物,一般沿挤出方向为同一形状的断面,但在某些特殊装置或采用特殊的操作方法可改变其断面形状。如:压花或吹塑成形。

近年来,除了单一材料挤出成形之外,又有多种塑料在模具内或模具外作为挤出成形的共挤出成形法,还开发了与铝、铁、木料等其它材料共挤出成形工艺,使挤出模具的结构日益复杂化。

挤出模具

2 模具设计

在挤出成形装置中占有重要地位的模具,由螺杆以3MPa-30MPa的压力连续对它供给熔料,并由模具使熔料形成所需断面形状的挤出物。此过程是从圆柱形料筒中送出的圆形断面熔料通过联接器进入具有圆形或矩形入口的模具中,在模具中改变形状以后即从模具终端的缝隙中挤出所需断面形成的挤出物。为此,从圆形或矩形入口变为接近于成形物断面形状的出口部分缝隙之间的模具内熔料流动路径,需进行保证此变化过程顺畅和无滞留部位的流线形设计。

此外,由于所用塑料熔融物为非牛顿流体,所以在具有粘性特性的同时,还有弹性特性,因此对熔料流动的特性必须充分考虑弹性所起的作用。

因而在设计挤出模具时必须重点考虑下列方面。

2.1 模具内容熔料的流变特性

对模具内熔料流动特性的考察是为了便于以所需挤了量获得符合品德要求的挤出物、由此必须对模具在合理的压力分布下,通过所需的挤出量,才能获得形状尺寸与模具缝隙形状相同的高品质挤出物。各类熔料所显示的非牛顿液体特性和所具有的粘性特性、弹性特性不同。

2.2 模具结构的问题

挤出模具入口处和出口处的形状不同。因而进入挤出模具入口的熔料在向出口自流动的过程中,流动路径断面形状发生变化。在设计这种断面形状的变化时,必须在考虑所用塑料流变特性的基础上,保证其顺畅和无滞留地流动,即按照流线形进行设计。至于熔料进入缝隙入口入的压力,为了使挤出过程稳定,应能使各处均匀。

挤出模具的结构共有四个部分:

    熔料分配部分----调整部分----缓冲部分----赋形部分

为了便于分析讨论,现以挤出板材的平板挤出模作介绍,应使进入挤出模的圆形或矩形断面熔料扩展成平板状挤出物。要按照向对中心轴的垂直方向分配熔料而设置熔料分配部分,在熔料向两边扩展时,压力也随之下降,各部分的压力也出现差异。即压力与离开入口距离呈反比下降。因此下一步骤必须对压力进行调整。熔料在不同压力下所产生的轴向流动中,要按照压力高的部分所遇到的流动阻力大、压力低的部分所遇到的阻力小的原则设置调整部分以实现与中心轴垂直平面内的压力相等。但即使压力值相同,熔料在上述情况下流动中所受剪切状态也不相同。该部分出口处压力相同,但由于熔料所受剪切经历不同。如果将这种状态的熔料直接送入赋形部分,各处压力虽相同但残余剪切应力却不相同,所以从模具缝隙中被挤出物体各处的膨胀状态不同,使侪出件形状与模具缝隙形状出现差异。

由此可见,进入赋形的熔料不仅需要压力相同,应力状态也应该一样。尽管压力状态不同可以通过赋形部分入口处形状加以校准、但实际上这种作法非常困难,在生产应用中不稳定。

为此,在赋形部分之前设置一缓冲部分,对具有不同剪切履历的熔料进行缓冲而成为应力状态一样的熔融物。如果在分配部分和调整部分所受剪切在断面内是相同的,那就不必进行缓冲处理。

如果熔料在赋形部分入口处的压力一样,且应力状态也一样。则由赋形部分形状使模具缝隙出口处的流速相同。

2.3 温度调整

在挤出模具上一般都要安装带形加热器,因此,需对模具温度进行调整,使模具保持在设定温度+-1摄氏度的范围内。这种处理方法较简单,只要考虑成形塑料粘度与温度的依赖关系,采用适当的调整温度方式即可。

2.4 不同形状断面中的流动状况

对于基本断面形状的熔料流动路径,可以用流速,压力和流量的关系来显示流动状态,为求出这种关系,需作以下假设:

(1)熔料是一种非压缩性物质:

(2)熔料满足幂涵数关系式:即

                

试中:——剪切速率。亦称应变速率,流变速率或速度梯度、

      ——剪切应力、

      k2η——系数、

      n2n;——流动指数;

(3)熔料温度一定;

(4)流动壁面无熔料滑动,即壁面的流速ν=02   

 同理,在上述基础上,就可以引伸到定量分析和计算熔料在各种形状断面流动路径中的流动状态、确保挤出模具结构设计的合理性。 


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