關(guān)于塑料發(fā)泡板機頭的機電一體化設計與研究

　　摘　要:用二次優(yōu)化的計算方法對線(xiàn)性等錐角岐管和可調間隙衣架式機頭流道的幾何參數進(jìn)行了優(yōu)化計算,在此基礎上,通過(guò)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(kāi)發(fā)了寬幅發(fā)泡擠出板機頭。
　　關(guān)鍵詞:衣架機頭;優(yōu)化計算;發(fā)泡板材;擠出
　　0 　前言
　　塑料板材或片材在各行各業(yè)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(guān)鍵部件———擠板機頭的設計帶有一定的盲目性,多憑經(jīng)驗設計(特別是流道) ,要付出較大的經(jīng)濟代價(jià),造成人力、物力和財力的浪費。
　　機頭設計時(shí)要考慮的因素很多,其目的就是如何保證聚合物熔體離開(kāi)機頭時(shí)具有均勻一致的流動(dòng)性、熔體壓力、溫度和泡核。要實(shí)現這一目標,必須對機頭流道的主要幾何參數進(jìn)行優(yōu)化計算和機電有機結合,從多方面進(jìn)行調節,以便連續均勻地擠出各種發(fā)泡板材。
　　1 　機頭流道幾何參數的優(yōu)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(yōu)化計算時(shí),選取成型工藝好、機械加工容易、應用較廣的線(xiàn)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(yōu)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(wǎng)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(gè)區段。
　　(2) 設岐管半徑按下面的線(xiàn)性方程變化[2 ]
　　根據經(jīng)驗給出適當的約束條件,就可以編輯合適的優(yōu)化計算程序。經(jīng)優(yōu)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(yōu)化計算式(10) 與物料的流變參數m , n ,η,γ0 ,γ有密切關(guān)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(shí)際成型加工過(guò)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(chǎn)實(shí)際出發(fā)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(yōu)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(jìn)行二次優(yōu)化計算,用此優(yōu)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(fā)泡板機頭設計成衣架式結構所示,流道形狀像衣架形。發(fā)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(chǎn)生快速壓力降,出口模時(shí)沿寬度方向熔體溫度一致、壓力一致、發(fā)泡率一致。要滿(mǎn)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(jìn)行優(yōu)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(fā)泡率需要,同時(shí)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(shí)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(dòng)性除了與流道的結構與尺寸有關(guān)外,還與溫度場(chǎng)分布密切相關(guān)。溫度場(chǎng)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(gè)加熱與冷卻區(本設計中1135m 寬機頭分為11 個(gè)區) ,另外就是在上下口模中引進(jìn)恒溫油控制系統。實(shí)踐證明,機械結構上的單方面考慮,還不能滿(mǎn)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(shí)現連續均勻生產(chǎn)發(fā)泡塑料制品的需要。并能通過(guò)調節機械結構參數和電氣控制參數實(shí)現不同厚度制品不同發(fā)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(shí)際應用情況,在擠出發(fā)泡生產(chǎn)線(xiàn)中反復調試,通過(guò)制品(發(fā)泡板材) 的發(fā)泡成型情況來(lái)檢驗,為此做制品橫斷面(沿寬度方向) 和縱向截面(沿流動(dòng)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(shí)橫斷面的泡孔結構,兩種螺桿轉速時(shí)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(shuō)明該寬幅機頭的流動(dòng)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(shí),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(dòng)方程作為本構方程,這比以往等溫模型更接近實(shí)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(gè)溫控區,各區溫度均可獨立控制,因而實(shí)際上流動(dòng)是非等溫的。
　　(2) 采用半徑呈線(xiàn)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(chǎn)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(jīng)過(guò)二次優(yōu)化計算,加上實(shí)際擠出時(shí)還可通過(guò)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(zhì)量和產(chǎn)量。
　　(4) 能為工藝條件的制定提供科學(xué)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(shí)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(fā)泡率發(fā)泡板材的成型。設計中機電有機結合,除了優(yōu)化設計流道主要幾何尺寸外,通過(guò)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(gè)環(huán)節,可滿(mǎn)足一定范圍內不同發(fā)泡制品的成型需要。
　　(6) 機頭的設計效果通過(guò)成型制品的泡孔結構得到了檢驗。

　　參考文獻
　　[ 1 ] 　CHAN I C ,DWIGHT T L1Design of coat - hanger type extrusion die dor isothermal power law fluids1 In :SPE33 Annual Technical Conference1Atlanta :SPE ,1975 :363 - 365.
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　　[ 4 ] 　許澍華,王　麗1 擠板機頭的優(yōu)化設計[J ]1 北京化工大學(xué)學(xué)報,1997 , (4) :51 - 59.

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