方型口模气辅挤出的数值模拟(2)

* 收稿日期:2009-10-12基金项目:辽宁省教育厅重点实验室项目(2008s 025)。

作者简介:李萍(1983-),女,在读硕士研究生。

E ma i :l li p i nggz @yahoo .cn 。

通信联系人:孙红镱(1970-),男,副教授,研究方向:1.材料成型新工艺及数值模拟技术;2.模具CAD /CAE /CAM 技术;3.输油输气管道技术。

方型口模气辅挤出的数值模拟*李 萍1,马文琦2,孙红镱3(1.大连海事大学机电与材料工程学院,辽宁,大连 116026;2.哈尔滨理工大学材料科学与工程学院,黑龙江,哈尔滨 150080;3.哈尔滨学院科研处,黑龙江,哈尔滨 150086)摘要:以方型口模为例,建立描述其成型过程的理论模型,运用P olyflo w 软件,对方型材传统口模和气辅口模挤出成型过程分别进行三维等温数值模拟分析。

通过模拟分析,得出速度场、温度场分布图。

结果表明:气辅挤出过程中聚合物熔体各点的速度和压力趋于一致,能有效减小挤出过程中的挤出胀大,有利于控制产品的形状和尺寸,提高产品精度。

关键词:气辅挤出;挤出成型;Po l y fl ow ;数值模拟;方型口模中图分类号:TQ 320.663 文献标识码:A 文章编号:1001-9456(2010)04-0018-03The Nu m er ical Si m ulati o n of Square D ie Gas A ssisted ExtrusionL I P i ng 1,M A W en qi 2,S UN H ong y i3(1.E lectr i ca lM echan i ca l&M ate rials Eng i neering Coll ege ,D ali an M ariti m e U nivers it y ,D a lian ,L iaon i ng 116026,Chi na ;2.M ater i a l Sc i ence &Eng ineer i ng Co llege ,H arb i n U n i versity o f Sc ience and T echno l ogy ,H arb i n ,H e il ong ji ang 150080,Ch i na ;3.T he D epart m ent o f Sc ientific R esearch ,H arb i n U n i versity ,H arbi n ,H e ilong jiang 150086,Chi na)Abstract :A theo re tica lm ode l for the m o l d i ng process of the traditi ona l square die ,taken as an examp l e w as estab lished and w it h t he u tiliza tion of so ft wa re Po lyflo w,the nu m er i ca l si m ulation of three d i m ensi ona l i sothe r ma l analysis for the trad iti ona l d i e and gas assisted d ie extrusi on processes w as also carr i ed out .D iag ra m s of ve l oc ity fi e l d and te m perature fi e l d w ere acqu ired through the si m ulati on ana l y si s .T he resu lts show ed t hat the po l ym er m e lts ve l oc ity and pressure po i nts w ere consistent i n the gas ass i sted extrusi on process ,wh ich cou l d e ffecti ve l y reduce s w e lli ng duri ng t he process and was favorable f o r the contro lli ng o f t he shape and size o f the product so as to i m prove its accuracy .K ey word s :gas assisted extrusi on ;ex trusi on ;Po lyfl ow;nume rica l si m ulati on ;square d i e挤出成型是塑料成型加工的重要成型方法之一,大部分热塑性塑料都能用此方法进行加工。

它具有连续生产、生产效率高、应用范围广等特点,挤出成型产品广泛应用于各行各业,与人们的日常生活密切相关。

但由于聚合物熔体的高黏性、黏弹性,传统挤出成型时存在挤出胀大、挤出口模压降大、挤出物表面缺陷等缺点。

以上三大难题严重影响挤出制品精度,限制挤出速度提升,导致挤出能耗高。

解决传统挤出成型工艺的关键是口模与熔体之间的减黏降阻,气辅挤出技术通过气体控制系统和气辅挤出口模使挤出过程中在口模内壁与挤出熔体之间形成气垫膜层,使挤出由非滑移粘着挤出方式转换成完全滑移非粘着挤出方式,挤出物呈柱塞状挤出,这是一种不同于传统挤出的全新口模挤出成型机理。

文章对三维结构的方形截面制品的传统口模和气辅口模挤出进行数值模拟研究[1]。

1 基本方程首先,在进行模拟之前做如下假设[2]:1)聚合物熔体在口模中是稳态流动,聚合物熔体为等温的非牛顿流体;2)聚合物熔体在口模型腔中完全充满;3)聚合物熔体是不可压缩的;4)由于聚合物熔体的高黏性,忽略惯性力和重力。

在以上假设条件下,描述流场的连续性方程、动量方程和本18 李 萍等 方型口模气辅挤出的数值模拟塑 料2010年 39卷 第4期构方程为:v =0(1)- p + +f = a(2) =2 D(3)式中:! 速度矢量;p 压力; 应力张量;f 体积力; 密度;a 加速度;D 形变速率张量;表现黏度,随剪切速率!变化。

黏度模型选择C ross 模型,其方程为:=1+(∀!)m(4)式中: 0 零剪切速率黏度;∀ 松弛时间;m 非牛顿指数。

聚合物熔体选择高密度聚乙烯(HD PE ),其物性参数为: 0=85000Pa s ,∀=0.2s ,m =0.3。

2 方型口模的建立和边界设置2.1 方型口模模型口模截面尺寸为10c m !10c m,由于结构对称,截取口模体积四分之一作为模拟模型。

熔体从A A 面进入口模,A B 为无气辅段,长度为15mm 。

B B 为气体入口位置,B C 段为气辅段,长度为15mm 。

该段由于口模壁面形成气垫膜层,口模壁面对挤出熔体的摩擦阻力降到最低限度,模拟时以口模壁面剪切应力为零的边界条件代替气垫膜层的作用。

C C 为熔体出口,C D 为自由表面部分,长度为25mm 。

在传统挤出中,A C 为传统挤出口模段[3-4],如图1所示。

图1 方型口模的几何模型2.2 边界条件设置边界条件如下:口模入口:入口流量为1000mm 3/s 口模壁面:气辅挤出时:A B 段v s =0,v n =0;B C 段v n =0,f s =0;C D 段为自由表面。

传统挤出时:A C 段v s =0,v n =0;C D 段为自由表面。

对称面:f s =0,v n =0。

式中:v s 切向速度;v n 法向速度;f s 切向力。

3 模拟结果分析3.1 挤出胀大分析图2中(a)、(b)分别为气辅口模挤出成型过程三维形貌模拟结果,其挤出胀大比为1.004637。

图2(b)为传统口模挤出成型过程三维形貌模拟结果,其挤出胀大比为1.246855。

由于气辅挤出时挤出由非滑移粘着挤出方式转换成完全滑移非粘着挤出方式,口模壁面对熔体的剪切阻力减小,熔体呈柱塞状流动,口模内壁阻力导致的剪切变形基本消除,入口收缩变形而导致的弹性恢复在气辅段就基本完成。

由此可见,气体辅助挤出成型基本消除熔体的挤出胀大现象,有利于提高制品加工精度。

(a )气辅挤出;(b)传统挤出。

图2 挤出胀大三维形貌图3.2 速度场分析图3中(a)、(b)分别为气体辅助挤出和传统挤出口模内聚合物的速度场矢量图,从图中可以看出,气辅挤出口模中非气辅段熔体的速度分布基本保持入口处的分布,只在气体入口位置附近速度分布发生变化,在气辅段熔体的流速逐渐趋向一致,在口模出口处恒定,表明熔体以柱塞状挤出,熔体内各点速度不(a)气辅挤出;(b)传统挤出。

图3 挤出时口模内聚合物流动矢量图19 李 萍等 方型口模气辅挤出的数值模拟塑 料2010年 39卷 第4期同造成的剪切变形速率趋于零,因而弹性恢复引起的挤出胀大也基本消除;而传统挤出在口模出口处熔体的速度分布发生变化,基本还是按抛物线分布,而离开口模后熔体速度才趋向一致,因此出口处熔体的剪切变形导致了挤出胀大的产生[5]。

3.3 压力分布图4中(a)、(b)分别为气辅挤出和传统挤出口模内聚合物熔体流动的压力分布图。

从图中可以看出,气辅挤出过程中压力变化主要发生口模入口A 点到气体入口位置B 点,在口模出口处C 点时,熔体内压力基本没有变化,在口模出口时熔体内各点的压力相同,处于平衡态,因而离开口模后熔体没有挤出胀大;而传统挤出中压力变化主要发生在口模入口A 点到口模出口的C 点,离开口模后压力才趋于平衡态,导致产生挤出胀大现象。

由以上分析可以看出,传统挤出过程中熔体的速度、压力在(a)气辅挤出;(b)传统挤出。

图4 挤出时口模内压力分布图口模出口处变化最大。

由于速度、压力的变化,熔体的应力和变形也将很大,导致挤出后产生挤出胀大,严重时会产生挤出物的表面缺陷。

而气辅挤出中熔体经过气辅段后到口模出口时速度、压力均趋向一致,这时熔体内的应力也肯定相同,因而可以断定气体辅助挤出的产品除可以减小挤出胀大外,产品的内应力也会减小,产品的变形也将减小。

4 结论用Po lyflo w 软件对HDPE 气辅挤出成型进行了数值模拟得到了以下结论:1)采用气辅挤出时基本消除了挤出胀大现象,挤出物和口模截面形状一致,从而可以大大提高挤出制品的精度。

2)气辅挤出时在口模内壁和挤出熔体之间形成气垫膜层,从而将口模内壁对熔体流动的阻力降到最低,挤出由传统的非滑移粘着剪切挤出方式转换为完全滑移非粘着剪切挤出方式,口模压降也会降低,利于减小挤出时的能量消耗。