螺旋芯棒式三層共擠管材模具幾何參數(shù)的設(shè)計與計算分析

螺旋芯棒式三層共擠管材模螺旋芯棒式三層共擠管材模具 幾何參數(shù)的設(shè)計與計算分析 DessiDessignandcommpuutattionalanalysisisofgeometrtricparameterrsofspiiralmandrelththreeelayerco--extrxtrudedpipemold〔1.寧波方力集團，浙江 寧波 315155；塑料機械及塑料工程研究所，北京 100029〕摘要：螺旋芯棒式模具廣泛應(yīng)用于多層共擠管材成型加工。本文詳細(xì)介紹了螺旋芯棒式模具的結(jié)構(gòu)與幾何參數(shù)。分析了不同預(yù)分流裝置結(jié)構(gòu)的工作特點及適用范圍。介紹了各螺旋體幾何參數(shù)的設(shè)計過程，通過迭代計算得出模具出口流量。文章分析了迭加層數(shù)、流道數(shù)量、螺旋芯棒工作高度、螺旋升角、流道深度、漏流空隙等模具幾何參數(shù)對模具功能及最終制品性能的影響。并通過舉例計算，分析了螺旋芯棒式模具幾何參數(shù)設(shè)計選取的原那么。關(guān)鍵詞：螺旋芯棒式模具；幾何參數(shù)；計算分析中圖分類號：TQ320 文章編號：1009-797X〔2021〕12-0033-06 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B多層共擠塑料成型管材是通過復(fù)合的共擠層結(jié)構(gòu)，使具有不同特性的物料在擠出過程中彼此復(fù)合，使管材制品兼有幾種不同材料的優(yōu)良特性，用于滿足管材的特殊需求，最大限度地發(fā)揮各層材料的優(yōu)良性能。此外，它可以大幅度的降低制品本錢、簡化流程、減少設(shè)備投資。當(dāng)前已成為最先進(jìn)的塑料管材成型加工方法之一。三層共擠管材是多層共擠塑料管材之中最常見的品種。普通的單層管材擠出生產(chǎn)通常使用縱向進(jìn)料模具。主要種類有：分流支架式模具，篩籃式模具和螺旋芯棒模具。相對于其它形式的模

具螺旋芯棒模具具有以下優(yōu)點：①熔體沿口模的圓周均勻分布，在制品外表不易產(chǎn)生結(jié)合線，制品在圓周方向上各種性能各性均勻。②模具內(nèi)壓力降和流動阻力較低，在較高的產(chǎn)量下擠出物的溫度較低。③機械應(yīng)力和熱應(yīng)力較低，制品有良好的機械性能。④芯棒中心易制成通孔，便于安裝冷卻裝置，用以提高產(chǎn)量和降低熔體溫度。也正是由于以上特點，螺旋芯棒模具被廣泛運用于三層共擠模具之中[1，2]。作者簡介：王忠(1968-)，男，高級工程師，主要從事塑料機械設(shè)計與制造工作。收稿日期：2021-02-20螺旋芯棒模具的工作原理為來自擠出機的塑料熔體被預(yù)分流裝置均勻地分成假設(shè)干股，沿進(jìn)料孔流入芯棒外圓上的螺旋槽中；螺旋槽流道的深度沿螺旋方向逐漸變淺；螺槽間的螺棱面逐漸變寬，相應(yīng)的螺槽寬度逐漸變窄；螺棱面與機頭內(nèi)壁間的環(huán)隙那么沿軸向逐漸增大；從而熔體在螺旋槽內(nèi)流動的同時，局部熔體從槽內(nèi)溢出而形成軸向漏流，這些漏流在環(huán)隙內(nèi)逐漸疊加而形成了純軸向流動，并從口模擠出。純軸向流動消除了由熔體流動歷程的差異而產(chǎn)生的影響制品質(zhì)量的縱向“合流線〞。1 模具參數(shù)的選擇與設(shè)計螺旋芯棒式三層共擠管材模具的結(jié)構(gòu)與幾何參數(shù)主要包括：預(yù)分流裝置結(jié)構(gòu)、各螺旋體的幾何參數(shù)等。1.1預(yù)分流裝置幾何參數(shù)的選擇來自擠出機的塑料熔體通過預(yù)分流裝置能按要求被均勻地分成假設(shè)干股進(jìn)入螺旋流道，而且既不會產(chǎn)生滯留，又不會產(chǎn)生過大的壓力降和過高的剪切速率，常用的預(yù)分流裝置的結(jié)構(gòu)有以下幾種：圖1〔a〕為星型結(jié)構(gòu)，其特點是熔體從心部進(jìn)入模具。在模具的中心部位有具有一定角度要求的斜孔通向各個螺旋通道，熔體經(jīng)由這些斜孔進(jìn)入各自對應(yīng)的螺旋通道。此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于熔體在各螺槽內(nèi)分布均勻，模具連接和拆裝較簡單。但對于共擠模具由于每一個單層都有獨立的預(yù)分配系統(tǒng)，每一層的斜孔都會交錯開來，因此為防止相互干預(yù)，會出現(xiàn)空間狹小的問題。由此為模具內(nèi)部的加熱冷卻線路、管路的連接增加了難度。圖1〔b〕為外環(huán)形分配結(jié)構(gòu)，其特點是熔體從模具側(cè)面進(jìn)料孔進(jìn)入開設(shè)在螺旋體外圓上的弓形流道中心，分別向弓形流道的兩側(cè)流動。在弓形流道末端，流道變向并與設(shè)在下一截面上的弓形流道相通。變向的流道設(shè)在下一截面上的弓形流道的中心，流到此處的熔體又一次被均勻地分開，由兩股變?yōu)樗墓?。由此熔體就會被不斷分流，變?yōu)榘斯?，十六股等?/p>

圖1預(yù)分流裝置結(jié)構(gòu)圖圖1〔c〕為衣架式分流歧管結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)克服了外環(huán)形分配結(jié)構(gòu)只能以一供二的缺點。采用衣架式分流歧管給螺旋流道供料，每一螺旋流道不用分開供料，塑料熔體沿螺旋流道四周流進(jìn)螺槽。從而預(yù)分流流道數(shù)量可以大大減少，熔體流經(jīng)的路徑大大縮短。圖1〔d〕為環(huán)形空隙供料結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)類似于迭層式模具。它是在徑向的平面上設(shè)置的環(huán)形空隙中進(jìn)行熔體分配。熔體經(jīng)由的路徑結(jié)構(gòu)與環(huán)形分配結(jié)構(gòu)相似。其優(yōu)點在于可以將模具的中心部位空出，用于模具內(nèi)部的加熱冷卻線路、管路的連接。非常適用于作為共擠出模具。1.2各螺旋體幾何參數(shù)的設(shè)計三層共擠螺旋模具中，螺旋芯棒是模具的核心構(gòu)件，其決定了每層出口橫截面上熔體的分配質(zhì)量。螺旋芯棒模具不能僅依照出口特定的流量分布來設(shè)計其幾何形狀和參數(shù)。在螺旋芯棒設(shè)計中還應(yīng)考慮滯留時間變化和沿螺旋方向的漏流等情況。因此通過計算直接確定幾何參數(shù)是不可能的，必須進(jìn)行模擬驗證。先給定幾何參數(shù)，然后進(jìn)行流動模擬，由此可以獲得沿螺旋線和出口縫隙的熔體分配情況。根據(jù)Walter.

此可知：

圖2螺旋芯棒分配器展開圖[4]圖3螺旋分配器中平衡關(guān)系圖Michaeli的研究理論，計算中做如下假設(shè)[3]：①在螺旋線和環(huán)形縫隙中的流動被展開，并且兩者互不影響；②離開螺旋槽的漏流對槽中的料流沒有影響；③模芯彎曲率的影響不計〔由于模芯直徑比流道直徑和環(huán)形縫隙大得多，所以該假設(shè)是可行的〕；④為了便于計算，將螺旋槽分段，根據(jù)等壓線與出口縫隙平行的假設(shè)可知：ΔP縫隙=ΔP螺旋由圖2中可知，沿環(huán)縫和螺旋槽的壓力梯度關(guān)系為：dp/dy│縫隙=dp/dl│螺旋〔1/sinφ〕本文使用螺線斜率、流道尺寸和環(huán)縫高度為描述螺旋芯棒的幾何參數(shù)。為了便于建立各段之間的關(guān)系，將位置H(θ)、寬度b(θ)和深度t(θ)用周向角度表示，而將環(huán)縫高度h(y)用模芯高度來表示。計算中令各段流量平衡如圖3，由

Vsp(n)+Vsl(n)=Vsp(n+1)+Vsl(n+N0)N0=(360°/NSP)·〔1/Δθ〕式中Vsp表示螺槽中流量，Vsl表示縫隙中流量。螺槽的漏流量對應(yīng)于縫隙出入流量的差為：VL=Vsl(n+N0)-Vsl(n)螺旋流道中的壓力損失：│dp/dl│螺旋=f[Vsp，b，t，η(γ)]式中Vsp=[Vsp(n)+Vsp(n+1)]/2綜上可求出成形區(qū)的壓力損失，由壓力損失又可進(jìn)一步求得縫隙中的流量：V(n+N0)=f[│dp/dy│縫隙，h，η(γ)]螺旋流道中的壓力損失與縫隙中的流量兩方程均不能用解析法求解，必需采用迭代計算。計算從螺旋槽起點開始，通過螺槽的流量〔由擠出機進(jìn)入的流量除以螺旋槽頭數(shù)〕和通過縫隙的流量是的〔直到首次迭加，也就是遇到第二條螺旋槽開始前其值為零〕即：Vsl(n)=0(1≤n≤N0)據(jù)此，可以計算出N0+1≤n≤N0時的縫隙流量Vsl(n)。將上一步計算出的流量作為下一步輸入的流量，重復(fù)上述過程直至最后一個螺槽，此時的漏流量即為模具的出口流量。2 模具幾何參數(shù)的影響影響螺旋芯棒功能的幾何參數(shù)很多：螺旋流道的工作高度、流道數(shù)量、流道迭加層數(shù)、流道寬度、流道起始深度、流道深度的變化、起始空隙高度、空隙高度的變化、螺旋槽的斜率等等。這些幾何參數(shù)的選擇對模具使用過程中能否形成適當(dāng)機頭壓力，制品壁厚是否均勻，制品外觀是否產(chǎn)生流動痕跡等都會產(chǎn)生影響。在以上的幾何參數(shù)中，需重點考慮的是：迭代層數(shù)、流道數(shù)量、螺旋芯棒工作高度、螺旋升角、流道深度、漏流空隙等。2.1迭代層數(shù)迭層數(shù)也就是一個熔體層在流過螺旋芯棒時被另一熔體層迭加的次數(shù)。原那么上講，迭加層數(shù)越多，分流效果越好。但在實際生產(chǎn)中，假設(shè)少于4層迭代，那么在出口處體積分流效果難以均勻一致，并且不同時刻分流效果有波動。迭代層數(shù)還可以改良流動條件流道深度。2.2流道數(shù)量迭代層數(shù)與流道數(shù)量緊密相關(guān)，假設(shè)流道數(shù)增加，那么迭代層數(shù)增加，每個流道的體積流量降低。如果所有其它幾何參數(shù)、工藝參數(shù)保持穩(wěn)定不變，那么流道內(nèi)的剪切速率將降低。由此將導(dǎo)致壁面剪切應(yīng)力下降、體積分流變化，而壁面剪切應(yīng)力下降那么使產(chǎn)生積垢的危險性增大。剪切速度降低的原因是由于流道內(nèi)流動的熔體和接合面流動的熔體之間的黏度差受到了影響。2.3螺旋芯棒工作高度影響迭代的另一個關(guān)鍵因素是螺旋芯棒的工作高度，它受到可利用的空間的限制，不可以隨意改變。如果其它幾何參數(shù)保持不變，那么芯棒工作高度增加，分流質(zhì)量愈好，壓力損失愈小。

2.4螺旋升角設(shè)計時要求沿芯棒上螺旋升角恒定不變，只在出口處通過螺旋折彎來防止接合面的過分加寬。假設(shè)螺旋升角愈小，那么接合面寬度愈小，流道就愈長。從而使得更多的熔體從流道的起始處就流過接合面。最終導(dǎo)致體積漏流曲線發(fā)生了重大變化。由此可知一旦螺旋升角改變，就再不可從理論上描述分流質(zhì)量。因此，在螺旋芯棒的系統(tǒng)設(shè)計過程中，螺旋升角要提前確定。2.5流道深度流道深度由起始深度和深度變化值所確定。無需改變接合面寬度，僅通過改變起始深度和深度變化值就可影響漏流曲線的形狀。同時，這兩參數(shù)的改變亦可使流道的剪切速率得到改善，使總壓力損失變化。起始深度愈大，那么出口體積流愈均勻一致。最大流道深度確實定應(yīng)保證不出現(xiàn)積垢。通過適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計完全可以防止流道底部和流道開始部位形成滯流。實踐經(jīng)驗說明，較簡單的流道結(jié)構(gòu)形式，即整個螺旋芯棒的螺旋升角都保持一致，所生產(chǎn)的制品效果會較理想。2.6漏流空隙漏流空隙幾何尺寸和形狀對漏流曲線和螺旋芯棒末端的體積分流效果的影響最大。漏流空隙幾何形狀的改變對流動性狀和總壓力損失有顯著影響。在確定起始漏流空隙時必須考慮到起始流道深度。如果漏流空隙選擇太大，那么物料在流道中會過早地溢流，使得流道內(nèi)熔體層交換將不能實現(xiàn)。同時徑向流分量會很小，結(jié)果會造成螺旋芯棒的功能無法實現(xiàn)，并且物料在模具中的停留時間會大幅度延長。3 模具幾何參數(shù)的計算分析為了進(jìn)一步研究螺旋芯棒幾何參數(shù)對生產(chǎn)工藝的影響，舉例對螺旋芯棒模具各項幾何參數(shù)之間的相互影響進(jìn)行了進(jìn)一步分析計算。設(shè)定使用原料為HDPE，MI，冪律指數(shù)n，操作溫度T=200℃；擠出量設(shè)定為400kg/h，設(shè)定螺旋芯棒直徑：D=300mm，螺旋角θ以螺距表征：〔θ=tg-1AD，其中：A=Z/πD，Z為螺旋槽頭數(shù)；D為螺旋芯棒直徑〕；對于其他參數(shù)首先進(jìn)行了篩選：進(jìn)入螺旋槽熔體的剪切速率限制了螺旋槽的截面積范圍，在允許的剪切速率范圍內(nèi)對螺旋槽進(jìn)口的截面積進(jìn)行預(yù)算，鑒于加工工藝和預(yù)分流裝置布置約束，流道數(shù)量選擇8、10、12、16四種。由于螺旋槽形狀為上端封閉的U形結(jié)構(gòu)，在不同流道數(shù)量下螺旋槽初始當(dāng)量面積允許范圍如表1。 表1螺旋槽初始當(dāng)量面積表 流道數(shù)量最小當(dāng)量面積/mm最大當(dāng)量面積/mm8266721102276151220153116167452將螺旋角θ設(shè)定為20°，結(jié)合機械加工工藝的操作性，預(yù)選16mm、18mm、20mm和22mm四種螺距，并針對這四種螺距選定了12mm、14mm、16mm和18mm四種螺槽寬度。根據(jù)螺槽寬度和當(dāng)量面積的計算可以計算出初始螺槽的最大和最小深度。計算過程中出現(xiàn)的大于螺槽寬度5倍的螺槽深度，考慮到加工工藝性，不予采取，最大深度按螺槽寬度5倍選取。計算結(jié)果如表2。表2初始螺槽深度表流道數(shù)量8101216螺槽寬度最小最大最小最大最小最大最小最大122960246021 6017 60142470207017 6514.5 50162080176015.5 4713.5 38181858164714.5 3812.5 31根據(jù)計算結(jié)果，初步設(shè)定以20mm為起點，直至50mm，共設(shè)7組槽深為計算點。迭代層數(shù)從6層起始，共設(shè)6、8、9、12四個計算點。計算結(jié)果包含熔體在螺旋槽處的壓力損失，螺旋芯棒出口處的流量差，以及熔體在螺

旋芯棒處產(chǎn)生的最高剪切速率[5]。由于HDPE擠出過程中產(chǎn)生的剪切速率不能大于30s-1。按螺槽寬度分組，將每組中計算結(jié)果最優(yōu)的組合列于表3。表3迭加計算結(jié)果表螺槽寬度12141618流道數(shù)量16161212起始深度40303030迭代層數(shù)12988芯棒工作長度192162160176熔體壓力降/MPa熔體流量差/±%最高剪切速率/kPa計算結(jié)果說明：選擇流道數(shù)量為16，迭代層數(shù)為12，螺距為16mm，螺槽寬度為12mm，螺槽起始深度為40mm的螺旋芯棒結(jié)構(gòu)，可得到最正確的擠出效果。應(yīng)盡量采用流道頭數(shù)較多，螺槽起始深度較深，迭代層數(shù)較多的設(shè)計方案[6]。為了驗證起始漏流空隙高度對擠出效果的影響，我們在以上最正確計算結(jié)果的根底上改變起始空隙高度，進(jìn)一步計算，所得結(jié)果見表4。表4起始空隙影響結(jié)果表螺槽寬度1212121212起始空隙012流道數(shù)量1616161616起始深度4030303030迭加層數(shù)1212121212芯棒工作長度192192192192192熔體壓力降/MPa熔體流量差/±%最高剪切速率/kPa隨著起始空隙的增大漏流量逐漸減少。假設(shè)產(chǎn)生過早地溢流，那么流道內(nèi)熔體層交換將不可能實現(xiàn)[7]。同時徑向流分量會很小，會造成螺旋芯棒的功能無法實現(xiàn)，并且物料在模具中的停留時間會大幅度延長。4結(jié)論三層共擠管材機組需要三個具有螺旋芯棒模具的擠出機緊密組合為一體。螺旋芯棒模具的幾何參數(shù)選擇亦應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化，由計算得出的幾何參數(shù)必須有相應(yīng)的工藝條件配合使用。在設(shè)計過程中應(yīng)著重考慮迭代層數(shù)、流道數(shù)量、螺旋芯棒工作高度、螺旋升角、流道深度、漏流空隙等重要幾何參數(shù)對模具性能及最終制品性能的影響。通過文章中對螺旋芯棒式三層共擠管材模具的幾何參數(shù)舉例進(jìn)行計算分析可知在螺旋芯棒直徑、擠出量、擠出原料等參數(shù)不變時，應(yīng)盡量采用流道頭數(shù)較多，螺槽起始深度較深，迭代層數(shù)較多的設(shè)計方案。并且合理的選擇起始空隙有利于降低熔體壓力和剪切速率。

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