門窗用PVC-U異型材高性能擠塑?？谀Ａ鞯涝O(shè)計(jì)

1、門窗用PVCU異型材高性能擠塑?？谀Ａ鞯涝O(shè)計(jì)中國船舶重工集團(tuán)第716研究所周密摘要：從門窗用PVCU異型材制品截面設(shè)計(jì)、原料配方、擠出設(shè)備和模具設(shè)計(jì)的關(guān)系入手，探討了高性能PVCU異型材口模流道設(shè)計(jì)的原理及技巧。關(guān)鍵詞：PVCU異型材；口模流道；樹脂；熔體高性能擠塑口模是指能夠利用混配的PVCU物料，并充分發(fā)揮擠出設(shè)備潛力，最終以高效率、低能耗地獲取出料均勻、塑化良好的型胚的擠塑口模。其流道設(shè)計(jì)受制品截面、原料配方、擠出設(shè)備等諸多因素的影響。1口模流道設(shè)計(jì)前的技術(shù)準(zhǔn)備1.1考察制品截面的合理性優(yōu)秀的截面設(shè)計(jì)是成功設(shè)計(jì)擠塑模的先決條件。由于PVC樹脂具有熔融粘度大、加工溫度范圍窄、成型困難等特點(diǎn)

2、，為改善擠塑制品成型工藝性，其截面設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下條件：(1外壁厚(外應(yīng)盡量均勻。因制品功能需要而設(shè)計(jì)的加強(qiáng)筋(加數(shù)量不宜過多，其壁厚取值范圍參見式(1：1.1外/加1.6(1(2避免制品有交叉重疊(圖1； 圖1(3中空制品的中空部分不能過?。?4在可能的情況下，截面最好對稱設(shè)計(jì)。1.2掌握選定配方的流動特性純PVCU樹脂是一種熱穩(wěn)定性、抗沖擊性以及機(jī)械加工性皆較差的符合假塑性流體流動規(guī)律的聚合物，其物理化學(xué)性能的優(yōu)化靠多種助劑的合理添加而獲取。按不同配方混配的PVCU原料在相同異型流道中流動狀態(tài)的不一致性，決定了擠塑模對配方的依賴性。在模具設(shè)計(jì)前，可使用流變儀測定按選定配方混配的原料的流動參數(shù)

3、(n值和值，以便流道設(shè)計(jì)時(shí)的理論計(jì)算。1.3考查擠出機(jī)工作能力擠出機(jī)的最大塑化能力Q額、螺桿能承受的最大扭矩和口模阻力決定了指定異型制品的最大擠出速度及實(shí)際產(chǎn)量Q實(shí)。工程計(jì)算可參見公式(2：Q實(shí)=0.550.75Q額(2 K：口模阻力系數(shù)(K1K2K3n：螺桿轉(zhuǎn)速(n1n2n3圖2擠出機(jī)口模工作特性曲線如圖2所示，隨擠出壓力(口模背壓的升高，口模出料能力提高，但由于背壓的升高將造成螺桿輸送能力的降低(漏流和倒流量增加，擠出機(jī)產(chǎn)量明顯降低。因此，要實(shí)現(xiàn)高效率擠出，必須使設(shè)計(jì)的口模和擠出機(jī)的工作能力匹配良好，以便充分發(fā)揮擠出機(jī)的潛力。顯然，螺桿特性曲線與口模特性曲線的交點(diǎn)即為擠出機(jī)口模的最佳工作點(diǎn)

4、。若n 1為螺桿的最低工作轉(zhuǎn)速，n3為螺桿的最高工作轉(zhuǎn)速，則陰影部分為擠出機(jī)口模的最佳工作區(qū)域，也就是說口模的設(shè)計(jì)壓力范圍應(yīng)為P1P3。2口模流道設(shè)計(jì)2.1口模的作用(1將熔體的螺旋運(yùn)動轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動，并保證流動穩(wěn)定；(2高剪切場內(nèi)對熔體進(jìn)行良好的二次塑化；(3提供必要的成型壓力，保證制品密實(shí)； (4獲取所需要的型胚形狀，且型坯各點(diǎn)擠離口模時(shí)流速均勻一致。2.2口模流道設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)及基本原理由于PVC熔體的高粘度，其在加工過程中很少出現(xiàn)擾動。為簡化流道設(shè)計(jì)，以下假設(shè)在工程應(yīng)用中是切實(shí)可行的：(a熔體在狹縫和圓管中的流動為穩(wěn)定層流(見圖3；(b熔體不可壓縮；(c流動過程為等溫流動；(d熔體在流通

5、壁上速度為零；(e熔體粘度不隨時(shí)間變化1。 圖3流體在狹縫中的速度和應(yīng)力分布異型材斷面和PVC熔體流動的復(fù)雜性決定了異型口模流道設(shè)計(jì)的高難度。由于流體內(nèi)部粘滯力和縫壁摩擦力的存在，熔體沿圓管或狹縫的流動會引起壓力降和速度的變化。同時(shí)，流道本身截面形狀和尺寸的變化也會引起熔體壓力、流速分布和流量的變化，使得在工程設(shè)計(jì)中要得到流動的準(zhǔn)確的流變學(xué)和熱力學(xué)規(guī)律是非常困難的。通過大量實(shí)踐證明，將異型流道根據(jù)幾何形狀劃分為特征一致的單元(一般為狹縫流道和圓形流道進(jìn)行類比分析，是成功設(shè)計(jì)流道系統(tǒng)的有效手段。而要獲取均勻的口模出料，需要確保熔體流經(jīng)各單元流道的時(shí)間一致。要做到這一點(diǎn)，應(yīng)把握的原則是：若各單元流

6、道長度一致，則物料流經(jīng)它們的壓力降也應(yīng)一致，反之亦然。在工程應(yīng)用中，口模流道設(shè)計(jì)一般采用流線型長流道結(jié)構(gòu)。2.3口模道流實(shí)例2.3.1定型段長度L的確定定型段長度 L 的確定見經(jīng)驗(yàn)公式(3：L=35-45h (3注：h為口模間隙 圖4制品截面圖1.定型板1；2.定型板2；3.定型板3；4.壓縮板；5.分流板1；6.分流板2；7.連接頭圖5口模流道示意圖2.3.2定型段出口型腔尺寸的確定由于熔體離模膨脹(巴拉斯效應(yīng)、型胚收縮(冷卻收縮和牽引收縮及工藝條件波動的共同影響，致使口模間隙h、型腔尺寸不可能與制品壁厚和尺寸等同，具體計(jì)算方法參見下表： 制品尺寸ABCH口模尺寸1.031.05A1.031

7、.05B1.061.1C0.9H2.3.3壓縮比i和壓縮角的確定壓縮比即分流區(qū)最大過流截面(通常取壓縮段入口過流截面和口模出口過流截面之比，數(shù)值取i=38。由于熔體通過壓縮段時(shí)不但受到強(qiáng)剪切而且受到延伸，伸張應(yīng)力沿流動方向逐漸增大，當(dāng)伸張應(yīng)力超過臨界值，即發(fā)生熔體破裂現(xiàn)象，因此壓縮角不宜過大。又由于過小的壓縮角不宜消除因芯模支撐筋造成的熔接痕，根據(jù)大量工程實(shí)踐，壓縮角應(yīng)取20°30°。 2.3.4定型段的流道簡化和分區(qū)如圖6，設(shè)計(jì)限流筋將狹縫流道劃分為a、b、c、d四個(gè)單元，既限制了流道交匯引起的流動紊亂，又使得分別對各單元進(jìn)行壓力降計(jì)算成為可能。 圖6定型段狹縫流道分區(qū)非

8、牛頓流體在狹縫流道中的壓降：P=2n+1(n+2QLn/(KWhn+21/n非牛頓流體在等圓截面流道中的壓降：P=(2Ln(n+3Q/(KRn+31/n2式中：K：流動度(K=1/W ：狹縫寬度Q ：流量h ：狹縫縫高n ：流動常數(shù)R ：圓截面半徑可見，在穩(wěn)定的擠出工藝條件下，通過調(diào)整各單元L和h值，可保證熔體流經(jīng)各單元的壓力損耗一致，即Pa=Pb=Pc=Pd2.3.5分流段的流道簡化和分區(qū) 圖7分流段型腔示意圖如圖7，將分流段流道劃分為、四個(gè)幾何形狀一致的單元。顯然，只要四區(qū)的工藝條件相同，就可保證熔體流經(jīng)四區(qū)的壓力損耗一致，即P=P=P=P2.3.6發(fā)散段的簡化處理型芯尾錐和連接頭型腔的復(fù)

9、雜結(jié)構(gòu)，使得熔體通過該部分表現(xiàn)出復(fù)雜的二維流動，要對熔體的流動行為進(jìn)行科學(xué)、準(zhǔn)確的理論計(jì)算是非常困難的。通過大量的工程實(shí)踐，以下措施是切實(shí)可行的：(1在保證擴(kuò)張角60°、頭部倒圓R3的前提下，尾錐盡量短：(2減小入口角，增大發(fā)散段型腔長度L4。由于尾錐在連接頭的“大空間”流道中占的體積很小，因而尾錐對流經(jīng)發(fā)散區(qū)的熔體的影響也相對減小?？梢哉J(rèn)定，熔體各細(xì)小單元在發(fā)散段的壓力損耗是趨于一致的。3設(shè)計(jì)校正當(dāng)各單元流體流經(jīng)流道的長度誤差大于10%時(shí)，可通過加限流筋或阻尼塊調(diào)整流道阻力進(jìn)行平衡。4結(jié)論(1合理的截面設(shè)計(jì)是成功進(jìn)行流道設(shè)計(jì)的先決條件；(2對異型材口模流道設(shè)計(jì)，應(yīng)采用流線型的長流道結(jié)構(gòu)，使熔體各單元流經(jīng)口模的流程盡量接近；(