PVC-U管材共用擠出機(jī)頭設(shè)計與分析

張王康，于玉真，荊孟杰，陳遠(yuǎn)晟，張長森

(鹽城工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇鹽城 224051)

由于硬質(zhì)聚氯乙烯(PVC-U)管材具有耐腐蝕性能優(yōu)良、力學(xué)強(qiáng)度高、流動阻力小、安裝方便、造價低等特點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在人們?nèi)粘Ｉ钪衃1]。中國是世界上最大的PVC生產(chǎn)國，年產(chǎn)量達(dá)到2 400萬t，根據(jù)Global Data公司預(yù)測，到2024年，全球的PVC年產(chǎn)量將由2019年的5 613萬t增加到6 560萬t[2]。PVC作為一種資源節(jié)約型、耐用、安全和可回收的材料，大量用在給排水管材上。管材的直徑系列有很多，生產(chǎn)不同直徑的管材一般需要不同的擠出模具，導(dǎo)致很多管材擠出模具投入大、制造周期長。因此，研究一種PVC-U管材機(jī)頭共用模具具有較大意義。

目前對擠出機(jī)頭的研究主要是利用數(shù)值模擬優(yōu)化管材機(jī)頭的結(jié)構(gòu)，但是對于共用擠出機(jī)頭的具體研究比較少。Huang等[3]在機(jī)頭分流器支架上設(shè)置了一個額外的應(yīng)力松弛區(qū)，減少了熔體在到達(dá)口模前應(yīng)力松弛的時間，從而提高了管材熔接痕附近的力學(xué)性能。張文明等[4]對螺旋式管材機(jī)頭內(nèi)的流道進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)由于螺旋分配器的存在可以降低壓縮段的設(shè)計要求。丁晚景等[5]提出了管材模具的可重構(gòu)設(shè)計，即在可重構(gòu)范圍內(nèi)，盡量少更換零件，構(gòu)成新的機(jī)頭模具。張友新[6]對共擠雙層復(fù)合管機(jī)頭進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，在芯棒處增設(shè)了雙阻流和緩沖槽裝置，提高了物料的塑化性能和料流的穩(wěn)定性。阮楊[7]使用POLYFLOW對PVC熔體在不同壓縮比和壓縮角的直角式機(jī)頭中的流動進(jìn)行數(shù)值模擬，優(yōu)化了機(jī)頭的設(shè)計變量，熔體在機(jī)頭中的流動性得到了改善。潘建武等[8]對雙層微管的擠出脹大進(jìn)行數(shù)值分析，得出了內(nèi)外層熔體的黏度和松弛時間的變化對微管尺寸的影響規(guī)律，對微型管材機(jī)頭的設(shè)計具有指導(dǎo)意義。

利用機(jī)頭經(jīng)驗設(shè)計公式，筆者設(shè)計了一種PVC-U管材共用擠出機(jī)頭，通過數(shù)值模擬的方法對機(jī)頭流道的壓力、速度和壁面剪切應(yīng)力分布等進(jìn)行分析，對管材共用擠出機(jī)頭的設(shè)計具有一定的指導(dǎo)作用。

1 管材共用擠出機(jī)頭的設(shè)計

1.1 機(jī)頭材料的選型

機(jī)頭材料的選擇要考慮到加工PVC-U的材料特性和機(jī)頭內(nèi)工作狀態(tài)。由于PVC-U材料具有流動性差、易分解且具有非結(jié)晶性[9]，同時機(jī)頭內(nèi)工作溫度非常高，選擇機(jī)頭的材料為38CrMoAL。38CrMoA是調(diào)質(zhì)鋼，耐磨性和耐腐蝕性較好[10]。

1.2 口模的設(shè)計計算

口模是成型管材外部輪廓的機(jī)頭零件，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，由于管材離開口模后會發(fā)生離模膨脹導(dǎo)致管材的斷面積增大[8]，且后續(xù)對管材的冷卻又會使其斷面面積減小，管材斷面積增大和縮小的結(jié)果很難在理論上進(jìn)行計算，通常是根據(jù)要求的管材截面尺寸，結(jié)合經(jīng)驗公式和拉伸比確定口模成型段內(nèi)徑[11]。

(1)口模內(nèi)徑。

口模內(nèi)徑(D)的計算公式為：

式中：D為口模內(nèi)徑，mm；d1為塑料管材外徑，mm；k為經(jīng)驗系數(shù)。

(2)口模成型段長度。

口模成型段長度(L1)計算公式為：

式中：L1為口模成型段長度，mm；d1為塑料管材的外徑，mm；t為管材壁厚，mm。

(3)壓縮區(qū)壓縮角。

為了使熔體流經(jīng)支撐板后得到充分的剪切與混合，需要對熔體在流經(jīng)成型段前，進(jìn)行一定比例的壓縮[3]。因此應(yīng)設(shè)有壓縮角，壓縮角的選取與熔體的黏度有關(guān)[12]。

由于考慮到口模的共用性，在口模壓縮段靠近成型段的部分將口模分成壓縮模套與成型模套，將口模分成兩段模套之后，可以在日后的生產(chǎn)活動中生產(chǎn)不同管徑的管材，只有當(dāng)尺寸影響到了拉伸比、壓縮比[13]等要求使其不在規(guī)定范圍內(nèi)再繼續(xù)更換壓縮模套。

1.3 芯棒的設(shè)計計算

芯棒是成型管材內(nèi)部輪廓的機(jī)頭零件，與壓縮模座通過螺紋聯(lián)接，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，PVC-U管材芯棒收縮角γ一般取30°～50°[14]。

圖2 共用芯棒結(jié)構(gòu)圖

芯棒的外徑d可按下式計算：

式中：D為口模內(nèi)徑，mm；δ為芯棒與口模的間隙，mm。

芯棒的內(nèi)部設(shè)置加熱棒，可以縮短加熱時間，減少管材內(nèi)外層溫度差[7]?？紤]到芯棒的共用性，在芯棒壓縮段靠近成型段的地方將芯棒分成兩部分，即壓縮模座與成型模芯，壓縮模座和成型模芯通過螺紋連接。生產(chǎn)不同壁厚的管材，只需要調(diào)換不同直徑的成型模芯。

壓縮模座的輪廓做成弧形過渡的形狀，當(dāng)PVC-U熔體通過壓縮模座時，流道橫截面積減小，物料被壓縮，管材密實度增加，塑化性能提升，可有效減少熔體流過分流器支架產(chǎn)生熔接痕的影響[15]。

1.4 分流錐和支撐板的設(shè)計計算

分流錐的主要作用是改變物料流動方向，同時將料層變薄，為物料的進(jìn)一步塑化做準(zhǔn)備，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，分流錐中軸穿過支撐板，與壓縮模座通過螺紋連接。

圖3 分流器及支架結(jié)構(gòu)圖

分流器的擴(kuò)張角α一般大于收縮角γ，α過大會使熔體流動阻力增加，甚至造成PVC-U物料分解；α過小，會使機(jī)頭過于笨重[14]。分流錐的長度一般按下式確定：

式中：D0為過濾板出口處的流道直徑。

為減少擠出管材熔接痕，支撐板上分流筋的輪廓應(yīng)設(shè)置成流線型[11]，以便熔體內(nèi)部應(yīng)力在支架段后端松弛，從而提高熔體在壓縮段內(nèi)的結(jié)合質(zhì)量[3]。

1.5 管材共用擠出機(jī)頭的特性

PVC-U管材共用擠出機(jī)頭由成型芯棒、成型口模、壓縮模套、壓縮模座、分流器支架、分流錐、機(jī)頭體和過濾板等組成，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 PVC-U管材共用擠出機(jī)頭結(jié)構(gòu)圖

管材共用擠出機(jī)頭使用性能的好壞取決于機(jī)頭流道設(shè)計參數(shù)，機(jī)頭參數(shù)一旦確定直接影響管材的擠出質(zhì)量，因此不能盲目地根據(jù)管材的管徑和壁厚更換不同的成型模套和成型模芯。比如說對于外徑90 mm，壁厚不同的PVC-U排水管，不只是更換不同直徑的成型模芯來獲得不同口模間隙的模具，且要根據(jù)其壓縮比和拉伸比的要求更換不同長度的成型模套和成型模芯，因此對于使用相同共用部分模具的管材進(jìn)行分組可以提高生產(chǎn)效率[5]。

2 機(jī)頭流道的數(shù)值模擬

為了驗證壓縮模座弧形過渡的PVC-U管材共用擠出機(jī)頭可以適用于 PVC-U管材的實際生產(chǎn)需求，以生產(chǎn)直徑90 mm且壁厚3.5 mm的PVC-U管材為例，選用ANSYS軟件中的FLUENT模塊對機(jī)頭內(nèi)的熔體流動進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析流道中的壓力、速度和剪切應(yīng)力的分布。

2.1 幾何模型

采用ANSYS中的Design Modeler模塊對PVC-U熔體流道按1∶1建模，如圖5所示。熔體通過過濾網(wǎng)從擠出機(jī)進(jìn)入機(jī)頭體，經(jīng)過分流錐由螺旋運(yùn)動轉(zhuǎn)為直線運(yùn)動，經(jīng)過壓縮段時，流道橫截面面積不斷減小，熔體在壓縮段充分熔融混合，塑化性能得到提升，最后進(jìn)入成型段充分均化，擠出高分子塑料管材。

圖5 管材機(jī)頭流道模型

2.2 網(wǎng)格劃分

用ANSYS軟件中的meshing模塊對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，使用狹縫控制函數(shù)對網(wǎng)格進(jìn)行總體尺寸控制，將擴(kuò)張段劃分為四面體單元，其余部分劃分為六面體單元，最后劃分好的網(wǎng)格如圖6所示，其中有321 510個單元，206 467個節(jié)點(diǎn)。

圖6 管材機(jī)頭流道網(wǎng)格劃分

2.3 數(shù)學(xué)模型

由于PVC-U熔體為擬塑性流體，采用冪律流體黏度模型來描述熔體的黏度[16]。為簡化實際工況并建立數(shù)學(xué)模型，在滿足工程要求前提下，做出如下假設(shè)[17]：①熔體為不可壓縮流體；②機(jī)頭內(nèi)熔體為等溫流動；③熔體在機(jī)頭內(nèi)的流動為定常流動；④機(jī)頭模腔壁面無滑移；⑤熔體在機(jī)頭內(nèi)為層流流動。

管材共用擠出機(jī)頭流道的熔體在流動過程中需要滿足連續(xù)性方程，力學(xué)運(yùn)動方程以及冪律流體本構(gòu)方程[7]。

2.4 邊界條件

管材所用的材料為PVC-U，它的密度為ρ=1 400 kg/m3，加工溫度為180℃，稠度m=14 000 Pa·s，冪律指數(shù)n=0.19。邊界條件如下：

入口邊界：流道入口壓力為11 MPa。

出口邊界：流道出口壓力為0 MPa。

壁面邊界：模腔壁面設(shè)置為無滑移邊界條件。

2.5 控制方程求解

由于所研究的PVC-U熔體為定常不可壓縮的黏性流體，控制方程是定常不可壓縮的納維-斯托克斯方程，采用SIMPLE算法(壓力耦合方程的半隱式算法)求解[18]。

3 模擬結(jié)果與分析

分別對管材機(jī)頭內(nèi)流道的壓力分布、速度分布和剪切應(yīng)力進(jìn)行分析，以驗證管材機(jī)頭設(shè)計的合理性，并對不合理的地方進(jìn)行改進(jìn)。

3.1 壓力分析

圖7所示為壓縮模座為弧形過渡的流道整體壓力分布圖。從圖7可以看出，壓力損失主要發(fā)生在成型段上，且沿著擠出方向壓力逐漸減小。

圖7 機(jī)頭流道壓力分布云圖

為了直觀地分析流道的壓力變化，取熔體中間層為研究對象，繪制沿著熔體沿擠出方向的壓力曲線，如圖8所示。

圖8 機(jī)頭流道壓力曲線

從圖8可以看出，機(jī)頭內(nèi)熔體的壓力從成型段入口附近開始沿著擠出方向呈線性下降，直至成型段出口壓力降為0 MPa。

3.2 速度分析

圖9為機(jī)頭流道截面的速度分布圖。從圖9可知，熔體在入口處以一定的初始速度進(jìn)入機(jī)頭，經(jīng)過分流錐時，速度減小，進(jìn)入壓縮段后開始加速，進(jìn)入成型段后速度趨于穩(wěn)定。

圖9 機(jī)頭流道速度分布云圖

為了更加直觀地分析機(jī)頭流道內(nèi)的速度分布，沿擠出方向取中間層熔體為研究對象，繪制速度曲線，如圖10所示。從圖10可知，PVC-U熔體在壓力作用下以一定的初始速度進(jìn)入機(jī)頭體，在流經(jīng)分流錐時速度逐漸下降，隨后以0.18 mm/s的速度緩慢流過分流器支架，熔體進(jìn)入壓縮段后，由于壓縮段橫截面面積沿擠出方向不斷減小，熔體在機(jī)頭流道內(nèi)各處流量一致，熔體流速不斷增加，再以穩(wěn)定的流速經(jīng)過成型段，流出機(jī)頭體。

圖10 機(jī)頭流道速度分布曲線

成型段的速度分布直接影響管材的擠出質(zhì)量，因此單獨(dú)繪制了機(jī)頭流道中間層熔體沿擠出方向的速度曲線，如圖11所示。從圖11可知，經(jīng)過弧形過渡的壓縮模座后，熔體進(jìn)入成型段，速度由2.665 mm/s降 低 到2.635 mm/s，再 以2.635 mm/s的速度平穩(wěn)地沿擠出方向流動，在靠近成型段出口附近，熔體速度進(jìn)一步減小到2.63 mm/s，最終以2.63 mm/s的速度流出成型段。從圖11可以看出，熔體在成型段內(nèi)速度基本穩(wěn)定，最大速度和最小速度僅僅相差0.035 mm/s，熔體經(jīng)過弧形過渡的壓縮模座后，在成型段內(nèi)的流速更加平穩(wěn)。

圖11 機(jī)頭流道成型段速度分布曲線

圖12為成型段上入口截面、中間截面和出口截面上熔體沿流道半徑方向上的速度對比圖。從圖12可以看出，熔體中間截面和出口截面上熔體沿半徑方向速度分布基本重合，由于熔體在入口截面上剛剛進(jìn)入成型段，流道橫截面上面積發(fā)生了變化，外壁面和內(nèi)壁面的壁面剪切速率不一樣，入口截面流速分布略有不同，整體上成型段上沿擠出方向各處的流速是均勻分布的。

圖12 成型段上不同截面的速度分布

3.3 壁面剪切應(yīng)力分析

圖13和圖14分別是機(jī)頭流道外壁面剪切應(yīng)力與內(nèi)壁面剪切應(yīng)力分布云圖。從圖13和圖14可以看出，內(nèi)壁面和外壁面剪切應(yīng)力變化基本一致，主要是從壓縮段后端開始明顯增大，隨后以最大的壁面剪切應(yīng)力流經(jīng)成型段，從機(jī)頭流道流出。

圖13 流道外壁面剪切應(yīng)力云圖

圖14 流道內(nèi)壁面剪切應(yīng)力云圖

為了更加直觀地看出壁面剪切應(yīng)力在機(jī)頭流道內(nèi)的分布情況，繪制了外壁面剪切應(yīng)力沿擠出方向的分布曲線，如圖15所示。從圖15可看出，壁面剪切應(yīng)力在壓縮段之前幾乎不變，從進(jìn)入壓縮段開始增大，到壓縮段后端沿擠出方向呈線性增大，熔體在成型段內(nèi)以穩(wěn)定的剪切應(yīng)力從機(jī)頭流道內(nèi)擠出。

圖15 流道外壁面剪切應(yīng)力分布曲線

由于成型段對管材的成型至關(guān)重要，因此單獨(dú)繪制了內(nèi)外壁面剪切應(yīng)力在成型段內(nèi)的分布曲線，如圖16所示。從圖16可以看出，外壁面剪切應(yīng)力在成型段入口從0.204 MPa下降到0.194 MPa，熔體在0.194 MPa的壁面剪切應(yīng)力的作用下經(jīng)過成型段，在成型段出口，剪切應(yīng)力值略有下降，在0.192 MPa的剪切應(yīng)力下流出成型段；內(nèi)壁面剪切應(yīng)力在成型段入口從0.182 MPa上升到0.198 MPa，熔體在0.198 MPa的作用下經(jīng)過成型段，在成型段出口，壁面剪切應(yīng)力值略有下降，在0.196 MPa的剪切應(yīng)力下流出成型段。

圖16 成型段壁面剪切應(yīng)力分布

從圖16還可以看出，外壁面與內(nèi)壁面剪切應(yīng)力在成型段中間段的剪切應(yīng)力非常平穩(wěn)，且內(nèi)外壁面的剪切應(yīng)力值僅僅相差0.004 MPa。剪切應(yīng)力是剪切速率的函數(shù)，成型段上高的剪切應(yīng)力意味著高的剪切速率。根據(jù)冪律流體的黏度模型，高的剪切速率意味著低的黏度，成型段壁面上熔體的黏度較低，從而熔體不容易在成型段壁面上發(fā)生粘滯，且擠出管材的壁面更加光滑。

4 結(jié)論

(1)結(jié)合管材機(jī)頭的經(jīng)驗設(shè)計公式，設(shè)計了一種壓縮模座弧形過渡的PVC-U管材共用擠出機(jī)頭?？梢栽趯嶋H生產(chǎn)中根據(jù)管材的尺寸，靈活地更換機(jī)頭的部件。

(2)對熔體在機(jī)頭流道內(nèi)的壓力進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)壓力在損失主要發(fā)生在成型段上，且沿擠出方向呈線性下降，壓力在機(jī)頭流道內(nèi)沒有明顯的波動。

(3)對熔體在機(jī)頭流道內(nèi)的速度進(jìn)行分析，熔體在成型段內(nèi)沿擠出方向流速平穩(wěn)，中間層熔體最大速度與最小速度相差僅僅0.035 mm/s，塑料熔體在成型段內(nèi)可以充分均化。

(4)對熔體在機(jī)頭流道內(nèi)的壁面剪切應(yīng)力分析，發(fā)現(xiàn)壁面剪切應(yīng)力在壓縮段后端開始明顯增加，在成型段內(nèi)剪切應(yīng)力保持穩(wěn)定，且成型段內(nèi)外壁面剪切應(yīng)力相差僅為0.004 MPa。成型段內(nèi)較大的壁面剪切應(yīng)力，意味著壁面上低的黏度，從而熔體不易在成型段發(fā)生粘滯，有利于提高管材表面質(zhì)量。