塑料发泡板机头的机电一体化设计与研究

关于塑料发泡板机头的机电一体化设计与研究

　　摘　要:用二次优化的计算方法对线性等锥角岐管和可调间隙衣架式机头流道的几何参数进行了优化计算,在此基础上,通过更换口模、阻尼棒及口模调节装置、温度分区控制等机电一体化设计,成功开发了宽幅发泡挤出板机头。
　　关键词:衣架机头;优化计算;发泡板材;挤出
　　0 　前言
　　塑料板材或片材在各行各业及人们日常生活中的应用日益广泛。而以往对板材成型的关键部件———挤板机头的设计带有一定的盲目性,多凭经验设计(特别是流道) ,要付出较大的经济代价,造成人力、物力和财力的浪费。
　　机头设计时要考虑的因素很多,其目的就是如何保证聚合物熔体离开机头时具有均匀一致的流动性、熔体压力、温度和泡核。要实现这一目标,必须对机头流道的主要几何参数进行优化计算和机电有机结合,从多方面进行调节,以便连续均匀地挤出各种发泡板材。
　　1 　机头流道几何参数的优化计算
　　1.1 　几何模型衣架机头流道形状宽幅制品的挤板机头多采用“衣架机头”,在探讨衣架机头的优化计算时,选取成型工艺好、机械加工容易、应用较广的线性锥形岐管式衣架机头作为研究的几何模型[1 ] 。其流道形状如图1 所示。
　　1.2 　衣架部分几何参数的优化计算如图1 所示,衣架部分几何参数包括:岐管始端半径R0 、岐管末端半径Rz 、扇形部分缝隙厚度H 和两岐管间夹角2θA 。求解步骤如下:
　　(1) 按网格分析法将衣架机头在Z 方向分割成N 等分微元,在X 方向分成8 个区段。
　　(2) 设岐管半径按下面的线性方程变化[2 ]
　　根据经验给出适当的约束条件,就可以编辑合适的优化计算程序。经优化计算后便可求出岐管始、末端半径R0 和Rz ,扇形部分缝隙厚度H 和两岐管的夹角2θA 。这样,机头衣架部分流道尺寸就被基本确定。
　　1.3 　阻尼棒和模唇区几何参数的二次优化计算式(10) 与物料的流变参数m , n ,η,γ0 ,γ有密切关系,用它作为目标函数求得的衣架部分最佳几何参数受到一定的局限性。因为在实际成型加工过程中物料和工艺条件是不确定的,影响流变参数的因素很多, 从生产实际出发要求所设计的机头流道参数有较强的通用性和较为广泛的适应性。为此需要在上述衣架部分流道几何参数优化计算的基础上,对机头其他部分流道尺寸(诸如阻尼棒区和模唇区的几何参数) 进行二次优化计算,用此优化值设计或调节机头其他部分参数,使之适合不同物料和工艺的要求。
　　2 　设计中的机电一体化
　　发泡板机头设计成衣架式结构所示,流道形状像衣架形。发泡板机头的基本要求是聚合物熔体沿流道宽度方向的流率均匀,能产生快速压力降,出口模时沿宽度方向熔体温度一致、压力一致、发泡率一致。要满足这一要求,在结构方面,除流道结构为衣架形外,对歧管的直径、歧管张角和缝隙高度等尺寸要进行优化计算。如图2 所示,模唇可以更换以适应不同厚度制品和不同发泡率需要,同时设计有口模调节装置和阻尼棒及其调节装置,使得阻尼棒和模唇处的流道尺寸设计成可调的,适时调节熔体沿宽度方向的流率分布。但是,熔体在流道中的流动性除了与流道的结构与尺寸有关外,还与温度场分布密切相关。温度场由加热与冷却装置控制,考虑到模具和熔体在不同位置的传热和散热程度的不同,应将机头沿宽度方向分成多个加热与冷却区(本设计中1135m 宽机头分为11 个区) ,另外就是在上下口模中引进恒温油控制系统。实践证明,机械结构上的单方面考虑,还不能满足设计要求,只有机械设计方面的综合考虑,结合电气控制,才能有效地控制机头流道中熔体的压力分布和流速分布,实现连续均匀生产发泡塑料制品的需要。并能通过调节机械结构参数和电气控制参数实现不同厚度制品不同发泡率的要求。
　　3 　挤出制品泡孔结构
　　为了检验本设计机头的实际应用情况,在挤出发泡生产线中反复调试,通过制品(发泡板材) 的发泡成型情况来检验,为此做制品横断面(沿宽度方向) 和纵向截面(沿流动方向) 的扫描电镜如图3 所示。图3 (a) 和(b) 中的图片是两种螺杆转速时横断面的泡孔结构,两种螺杆转速时横断面的泡孔结构。从图中可以看出制品的泡孔为均匀分布的闭孔结构,说明该宽幅机头的流动性是均匀的,而且当转速较高些(如图中的20rpm) ,即挤出压力足够大时,能得到均匀细密的微孔结构。
　　4 　结论
　　(1) 计算中采用非等温幂律流体的流动方程作为本构方程,这比以往等温模型更接近实际。当然也使计算难度加大,但计算的精度提高。在机头设计中,机头宽度方向分为数个温控区,各区温度均可独立控制,因而实际上流动是非等温的。
　　(2) 采用半径呈线性变化的衣架岐管 。这样大大方便了衣架机头的机械加工,便于在生产中推广应用。
　　(3) 能适用多种物料的挤出加工。在设计中,设置了调节装置。由于流道尺寸经过二次优化计算,加上实际挤出时还可通过调节装置适当调节流道的尺寸,就使新研制的衣架机头适合多种物料和制品的挤出,且能保证达到挤出制品的质量和产量。
　　(4) 能为工艺条件的制定提供科学依据。因为用数值计算法可以预测衣架机头的压力、速度、停留时间分布以及挤出量,这就为挤出工艺条件的制定提供了第一手可靠资料。
　　(5) 能适用不同厚度和发泡率发泡板材的成型。设计中机电有机结合,除了优化设计流道主要几何尺寸外,通过调节口模调节装置、阻尼棒及调节装置、温度分区控制、更换模唇、口模恒温控制等多个环节,可满足一定范围内不同发泡制品的成型需要。
　　(6) 机头的设计效果通过成型制品的泡孔结构得到了检验。

　　参考文献
　　[ 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.
　　[ 2 ] 　YUTAKA M1 Geometry design of a coat2hanger die with uniform flow rate and residence time across the die width1PES , 1979 , 19 (3) : 169 -172.
　　[ 3 ] 　TADMOR Z , GOGOS C G1Principles of polymer processing1New York : Wiley , 1979 :546 - 548.
　　[ 4 ] 　许澍华,王　丽1 挤板机头的优化设计[J ]1 北京化工大学学报,1997 , (4) :51 - 59.

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