机头流道结构对管材挤出成型的影响

阮杨　宋稼祺

摘 要：直角挤出机头是生产纤维增强PVC软管、电缆包覆层的重要模具，其流道结构对熔体流动的稳定性和均匀性有着重要影响。本文基于流体动力学理论，利用POLYFLOW软件对流道进行了有限元分析，研究了机头入口与压缩段之间采用直线型过渡结构对熔体流动的影响。通过对比分析不同倾斜角度的直线过渡段的引起的速度、压力的变化，得到了直线过渡段倾斜角度对挤出机头流动的影响规律，仿真分析结果对直角挤出机头流道结构的设计和优化提供理论依据。

关键词：挤出成型；流动平衡；POLYFLOW；有限元

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.15.007

0 引言

熔体在流道中所经过的路径不同会引起流动不均匀，在设计和优化流道结构时，要尽量使其所经的路径距离相等[1]。在直角挤出机头的流道结构设计中，模具入口段与压缩段之间的过渡结构一般采用曲线过渡和直线型过渡这两种结构[2-4]。国内对于挤出机头流道的仿真分析主要是集中流道压缩段和成型段参数的优化[5-7]，本文应用polyflow有限元分析软件对直角挤出机头流道内熔体流动情况进行模拟，分析了直线型过渡结构倾斜角变化时对管材挤出成型的影响及规律，从而为改善直角挤出机头流道性能提供理论依据。

1 有限元模型的建立

1.1 数学模型

本文以生产纤维增强PVC软管的直角挤出机头为例，将入口段与压缩段之间的直线型过渡结构为研究对象，通过有限元分析软件对直线过渡段倾斜角度的不同引起的流道速度、压力等的变化规律进行分析。在本问题中根据研究聚合物熔体流动时通常采用的熔体不可压缩、层流、壁面无滑移、忽略惯性力等简化与假设，不考虑温度对流动的影响[8]，纤维增强PVC软管的生产材料为聚氯乙烯，其机头模具处温度为170 ℃～180℃[9]。分析过程中，采用 Bird-Carreau 等温非牛顿粘性模型进行流动状态的对比分析，其本构方程的形式为：

选取polyflow软件自带材料数据库中PVC的材料参数，由于n=0.292 （小于0.7），为了加快计算的收敛速度，仿真时采用Picard迭代。

1.2 几何模型

如图1所示，直角挤出机头主要由机头体、芯棒、口模、压盖等组成，机头流道则由机头体3、口模5的内壁、芯棒1的外壁组成。机头内部的流道一般分为四个部分，即成型段（区域Ⅰ）、压缩段（区域Ⅱ）、扩展区（区域Ⅲ）和歧管区（区域Ⅳ）。具有一定压力的熔体从入口处流经歧管区（区域Ⅳ）到达扩展区时，熔体由于芯棒的分流作用，流动横截面由圆形变成封闭的环状，由模具出口挤出时就形成了管材。

1-芯棒；2-机头入口；3-机头体；4-口模；5-压盖；α-倾斜角；Ⅰ-成型段；Ⅱ-压缩段；Ⅲ-扩展区；Ⅳ-歧管区；L1-定型段长度；L2-压缩段长度；L3-扩展区长度；L4-歧管区长度

1.3 有限元模型

直角擠出机头的流道是关于面对称的，在进行有限元分析时，通过只分析流道三维模型的一半，由分析的结果通过对称操作得到整个流道的结果，来降低计算量[10]。模型网格划分采用ANSYS workbench平台polyflow默认前处理网格划分软件ICEMCFD进行有限元网格划分，流道的模型尺寸如下图2所示。

1.4 边界条件

有限元网格划分完成后，在polydate建立一个有限元分析的稳态任务，子任务则选择generalized newtonian isothermal flow problem。模型只有一个计算域，计算时需要设定入口边界条件、出口边界条件、壁面边界条件和对称面边界条件，其具体设置分别为：

（a）入口边界条件：入口体积流量 Q =5cm3/s（真实值的一半）；（b） 出口边界条件：切向力和法向力为0；（c）壁面边界条件： 考虑无壁面滑移边界条件，即剪切速 度和法向速度均为零；（d）对称面边界条件： 自由挤出，在不考虑外力牵引的条件下，忽略重力和惯性的影响，即密封条熔体与口模壁面间的法向应力和剪切应力均为零。

2 结果分析

直线型过渡结构的倾斜角需要合理取值，设计角度过小会导致歧管区长度过长，使得整个挤出模具流道过长，熔体在流道内流经的距离增大，挤出所需的压力增大；如果设计角度过大，对于减小熔体质点在在流道中所经过的路径距离差距不能起到应有的效果。本次对倾斜角的取值设定在40°～60°之间。在流道模型压缩比、压缩角、成型段长度、入口直径以及模具整体长度等其他位置尺寸不变的情况下，对过渡段直线倾斜角以步长2.5°取值，经过9次计算，得出了各倾角下流场内的压力分布和速度分布。下面讨论直线型过渡段的倾斜角度对挤出速度和流场内压力分布的影响规律。

2.1 流道压力降分析

图3是直线型过渡段倾斜角度改变后，流道内沿x轴方向y-z平面的截面平均压力变化的情况。由图3可见，当直线型过渡段的倾斜角在40°～60°小范围变化时，对流道压力的影响很小，流道压力的变化曲线几乎重合。同一流道内的压力沿x轴方向不断的减小，平均压力曲线的斜率在压缩段（x=0.08～0.135m）较小，在成型段（x=0.135～0.17m）较大，说明流道压力在成型段下降的速率比压缩段大，流道的压力差产生的主要区域是成型段[11]。

由图4可见，在保持流道其他几何参数不变的情况下，随着直线型过渡段的倾斜角增大，流道整体压力降是呈现逐渐减小的趋势。倾斜角在40°～50°范围内，随角度增大，流道整体压力降下逐渐降低；在50°～60°范围内时，流道整体压力降的变化较小，趋于稳定。流道最大压力降较最小压力降大1.6%。

2.2 流道速度分析

由图5可见，直线型过渡段的倾斜角不同时，对熔体流动平均速度的影响较小，熔体在流道各区域的流动速度相差不大，平均流速的变化曲线基本重合。在流道内，熔体流动的平均速度沿x轴方向逐渐增大，在出口处速度达到最大值。熔体流动速度的增加主要在压缩段，在成型段逐渐趋于稳定，压缩段和成型段交汇附近是速度增长率最大区域。

由图6可见，熔体挤出的速度随着直线型过渡段倾斜角度的增大呈现周期性变化，挤出速度最大值比速度最小值大6.5%，倾角取值在45°、55°、60°附近时，挤出速度较大。

3 结论

（1）其他条件一定时，在一定角度范围内，增大直線型过渡结构倾斜角可以降低流道整体压力降，角度的变化对流道内压力的影响效果不大。

（2）其他条件一定时，在一定角度范围内，流道出口熔体挤出速度随着直线型过渡结构倾斜角的增大，呈现周期性变化，在45°、55°、60°附近时，挤出速度较大。

参考文献：

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[10]刘斌，王敏杰，刘耀中等.口模压缩段对塑料挤出流动影响的有限元分析[J].中国机械工程，2002，22（06）：79-82.

作者简介：阮杨（1991-），男，湖北京山人，硕士研究生在读，研究方向：机械设计及理论。