鹽城工學院本科生畢業設計說明書 2008 目目 錄錄 1 緒論 2 1 1 行業模具 2 1 2 國內外模具發展狀況和趨勢 3 2 擠出工藝與模具設計 4 2 1 擠出模具設計 4 2 2 機頭設計 5 2 3 分流錐及其支架設計 5 2 4 冷卻定徑套設計 6 2 4 1 內定徑芯模 6 2 4 2 壓縮空氣外定徑套 6 2 4 3 真空外定徑套 7 2 5 過濾部分 機頭過濾體 8 2 6 機頭和擠塑機聯接設計 10 2 7 機筒 11 2 8 模具內熔料的流變特性 12 2 9 擠塑模設計的理論基礎 12 3 模具的裝配和校核 13 3 1 塑料熔體在圓管內流動 13 3 2 口模聯接螺釘的強度校核 14 3 3 口模尺寸 15 3 3 1 成形端長度 15 3 4 機筒材料 16 3 5 分流器支架的校核 16 3 6 PRO E 模具裝配 19 3 6 1 繪制三維圖 19 3 6 2 零件裝配 20 3 6 3 裝配爆炸圖 23 3 7 ANSYS 有限元靜力分析 26 3 7 1 分析問題 26 3 7 2 建立模型 26 3 7 3 機頭的底部施加位移約束 27 4 仿真加工 35 4 1 Master CAM 仿真加工 35 4 1 1 工藝性審查 35 4 2 2 加工仿真 36 5 結論 44 參考文獻 45 致 謝 46 附 錄 47 鹽城工學院本科生畢業設計說明書 2008 1 1 緒論 當今市場上出售的塑料制品中 擠出成形制品的種類日益增多 塑料管材 板 材 薄膜和異形材等已在應用中占有非常重要的地位 其中異型材制品應用的范圍 最為廣大 相應的異型材擠出機頭的需求量也在增加 擠出機頭是擠出成型的關鍵 設備 其主要作用是將塑料熔體分布于流道中 以使物料以均勻的速度從機頭中擠 出 形成所需要的端面形狀和尺寸的制品 流道設計是擠出機頭設計的關鍵 其結 構的合理性直接影響到擠出制品的質量和生產效率 1 1 行業模具 沒有高水平的模具就沒有高水平的產品 模具生產水平的高低 已成為衡量一 個國家產品制造水品高低的重要標志 因為模具在很大程度上決定著產品的質量 效益和新產品的開發能力 在電子 汽車 電機 電器 儀器 儀表家電和通信等 產品中 大部分的零件都要依靠模具成型 1 2 國內外模具發展狀況和趨勢 我國模具工業從起步到飛躍發展 歷經了半個多世紀 近幾年來 我國模具技 術有了很大發展 模具水平有了較大提高 大型 精密 復雜 高效和長壽命模具 又上了新臺階 按照中國模具工業協會的劃分 我國模具基本分為 10 大類 其中 沖壓模和塑料成型模兩大類占主要部分 目前 我國以汽車覆蓋件模具為代表的大 型擠壓模具的制造技術和軟件 實現了 CAD 計算機輔助設計 CAE 計算機輔助 試驗 一體化 提高了擠壓模具的設計開發和制造能力 縮短了模具的生產周期 國內的模具企業也在充分抓住現代工業所帶來的發展契機 加大設備 產品 生產 規模的升級步伐 積極開拓國內外市場 然而 我國模具制造技術與工業發達國家的差距還很大 擠出模具 CAD CAE CAM 技術的開發手段比較落后 技術的普及率不高 應用不夠廣泛 僅有 約 10 的模具在設計中采用了 CAD 技術 距拋開繪圖板還有漫長的一段路要走 在 應用 CAE 進行模具方案設計和分析計算方面 也才剛剛起步 在應用 CAE 技術制造 模具方面 由于缺乏先進適用的制造裝備和工藝設備 只有 5 左右的模具制造設備 被應用于這項工作 精密加工設備在模具加工設備中所占比重較低 工藝設備落后 直接影響國產模具質量的提高 我國模具工業現有生產能力只能滿足需求量的 60 左右 大部分模具廠的模具 加工設備陳舊 在役期長 精度差 效率低 還不能適應國民經濟發展的需要 生 產擠出模具的專用技術尚未成熟 大多仍還處于試驗摸索階段 如模具的表面涂層 表面熱處理技術 導向副潤滑技術 型腔傳感及潤滑技術 去應力技術 抗疲勞及 防腐技術等未完全形成生產能力 走向商品化 一些關鍵 重要的技術缺少知識產 基于 ANSYS 的擠出跑步機塑料邊條模具的設計及機頭的加工仿真 2 權的保護 模具標準件標準化程度及使用覆蓋效率較低 在塑料制造業中被大量使用的模 具是擠壓模具 近幾年來 塑料模具標準的使用覆蓋率盡管有了較大 已從 20 世 紀末的 25 30 提高到目前的 45 但這種增長距國際先進水平 一般在 70 以上 中小模具在 80 以上 差距還很大 這是模具交貨期長 也是我國成為模具進口大 國的重要原因之一 目前模具技術的發展趨勢模具 CAD CAE CAM 正向集成化 三維化 智能化和網 絡化方向發展 模具檢測 加工設備向精密 高效和多功能方向發展 快速經濟制 模技術的廣泛應用 模具材料及表面處理技術的研究 模具研磨拋光將向自動化 職能化方向發展 模具標準件的應用將日漸廣泛 壓鑄模 擠出模及粉末鍛模比例 增加 模具工業新工藝 新理念和新模式 還有模具工業新工藝 新理念和新模式 在成型工藝方面 主要是擠出模具功能復合化 模具加工系統自動化等 另一方面 隨著先進制造技術的不斷發展和整體制造水平的提高 在模具行業提出新的設計 生產 管理理念與模式 主要有 適應模具單件生產特點的柔性制造技術 創造最 佳管理和效益的團體精神 提高快速應變能力的并行工程 虛擬制造及全球敏捷制 造 網絡制造等新的生產哲理 廣泛采用標準件通用件的分工協作生產模式 適應 可持續發展和環保要求的綠色設計與制造等 我所設計的制件是跑步機塑料邊條 如圖 1 1 圖 1 1 跑步機塑料邊條 鹽城工學院本科生畢業設計說明書 2008 3 2 2 擠出工藝與模具設計擠出工藝與模具設計 2 1 擠出模具設計 在擠出成形裝置中占有重要地位的模具 由螺桿以3MPa 30MPa 的壓力連續對 它供給熔料 并由模具使熔料形成所需斷面形狀的擠出物 此過程是從圓柱形料筒 中送出的圓形斷面熔料通過聯接器進入具有圓形或矩形入口的模具中 在模具中改 變形狀以后即從模具終端的縫隙中擠出所需斷面形狀的擠出物 為此 從圓形或矩 形入口到變為接近于成形物斷面形狀的出口部分縫隙之間的模具內熔料流動路徑 需進行保證此變化過程順暢和無滯留部位的流線形設計 此外 由于所用塑料熔融 物為非牛頓流體 所以在具有粘性特性的同時 還有彈性特性 因此對熔料流動的特 性必須充分考慮彈性所起的作用 因而在設計擠出模具時必須重點考慮下列方面 2 2 機頭設計 機頭材料一般分為兩部分 對于和塑料直接接觸的零件 多選用較好的鋼材制 作 通常使用鎳鉻鋼 不銹鋼 工具鋼等 并要進行淬火處理 表面拋光 鍍鉻 硬度可達 HRC60 62 表面鍍層厚度為 0 01 0 02 毫米左右 對于組成機頭的結構 零件 通常選用一般鋼材既可 在一般情況下 對于聚氯乙烯等熔融黏度高的塑料 多使用硬度高的材料 在 擠出過程中成為高壓的彎管擠頭 或者偏心的 容易變形的機頭 必須注意材料的 使用 機頭都是以螺紋連接在機頭法蘭上 而機頭法蘭是螺栓與機筒法蘭連接固定的 一般的安裝次序是先松動螺栓 打開機頭法蘭 清理干凈后 將柵板裝入機筒部分 或裝在機頭上 再將機頭安裝在機頭法蘭上 最后閉合機頭法蘭 緊固螺栓即 可 機頭與擠出機的同心度是靠機頭的內徑和柵板的外徑配合 因為柵板的外徑是 與機筒有配合的 因此保證了機頭與機筒的同心度要求 安裝時柵板的端部必須壓 緊 否則會漏料 塑料熔體在機頭中的停留時間對制品質量影響很大 在擠出過程中 熔體的停留時 間應控制在松馳時間和熱穩定時間之間 停留時間過短 則模頭膨脹比較大 擠出的 制品就會有較大的殘余應力 停留時間過長 則物料會因為受熱產生熱降解而影響擠 出制品的質量 2 3 分流錐及其支架設計 典型的分流錐 支架和芯棒的組合很普見 分流錐與多孔板之間的空腔起著匯 集和穩定料流的作用 因此其頂尖與多孔板端面距離不宜過小 以免出料不均勻 但也不宜過大 否則物料停留時間過長易分解 一般取 10 20mm 或等于螺桿直徑 基于 ANSYS 的擠出跑步機塑料邊條模具的設計及機頭的加工仿真 4 的 1 5 1 10 擴張角 對于低黏度不易分解的物料取 45 80 為宜 對于高黏度易 分解物料取 30 60 為宜 分流錐支架也叫輻架 其主要作用是支承分流錐和芯棒 另一個作用是攪拌物 料的作用 在小機頭中 分流錐和分流錐支架可以做成一個整體 為了及時消除物料通過分流錐后形成的結合線 分流錐上的分流筋應做成流線 型 在機械強度足夠的前提下 其厚度和長度應盡量小些 出料端的角度應小于進 料端的角度 為了增加塑料通過分流錐和支架后的熔接強度 支架上分流筋斷面做 成流線型 在滿足強度要求的情況下 其寬度和長度應盡可能小些 出口端的尖角 應小于入口端的尖角 分流筋的數量以 3 8 根為宜 分流錐的筋數應盡量減少 小型機頭應采用 3 根筋 中型機頭原則上采用 4 根筋 大型機頭可采用 6 根筋或 8 根筋 筋數不宜選擇太多 太多造成物料不易匯合 影響管子的質量 筋的數目與 斷面積大小 在必要時需根據芯棒承受軸向力的大小進行強度校驗確定 分流錐支架筋上設有進氣孔和導線孔 用以通入壓縮空氣和穿入內加熱裝置的 導線 分流錐體長 L 一般取 1 1 5D D 為螺桿直徑 分流錐頭部圓角取 R 0 5 2mm 圓角越大越容易停料 多數情況下將分流錐和 支架做成一體 再通過螺紋與芯棒組合在一起 在小型機頭中也有做成整體式的 見圖 2 1 圖 2 1 分流機頭 有時分流錐支架設有進氣孔 在數根筋中任選一根鉆孔 和導線孔 進氣孔通 入壓縮空氣使型材內外壁溫度均勻一致 2 4 冷卻定徑套設計 2 4 1 內定徑芯模 鹽城工學院本科生畢業設計說明書 2008 5 內定徑是采用一段能進行冷卻水循環的芯模來定徑 芯模安裝在機頭口模之外 直徑連接在芯模上 但應與芯棒絕熱也要與芯棒絕熱 以免降低芯棒的溫度 這種 定徑法適用于直角機頭 斜角機頭或旁側機頭 因為這幾類機頭結構方便冷卻水管 的進出 塑料管在芯棒上冷卻時會因為收縮而產生較大的包緊力 這時應配以強有 力的牽引機 產品經芯模冷卻直至完成定型 再經牽引機和鋸割裝置鋸成一定長度 的成品 外定徑的方法是目前國內最常采用的方法 它又因施壓方式不同而分為壓縮空 氣定徑 內壓定徑 和真空定徑兩種形式 2 4 2 壓縮空氣外定徑套 如果是壓縮空氣定徑的定徑套 定型模 這時需通過分流錐支架的分流筋導 入一定壓力 0 03 0 25MPa 的壓縮空氣 為了保持管內氣壓需用一個與內壁滑 動配合的橡皮塞堵在管內防止漏氣 該塞子用鏈條拉在機頭芯棒上 如果機頭芯棒 因壓縮空氣的導入而降溫 致使管子內壁不光滑 則應采用經預熱的壓縮空氣 定 徑套有冷卻水夾套 將與定徑套內壁緊密接觸的塑料管冷卻 異芯材出定徑套后進 入冷卻水槽繼續冷卻 低溫的定徑套和口模相連接 兩者之間采用空氣間隙或絕熱 材料絕熱 由于型材從口模擠出后有一定的出模膨脹 為了型材能順利進入定徑套 避免 產生過大的阻力 直徑100mm以下的管子定徑套內徑比口模內徑大0 5 0 8mm 直徑 100 300mm的管子約長1mm 型材在進一步冷卻時直徑還會減小 對RPVC而言減小 約1 以此來設計定徑套的內徑 2 4 3 真空外定徑套 真空定徑是在定徑套內壁上開有抽真空的小孔或窄縫 使管材通過定徑套緊貼 于定徑套內壁 同時在定徑套上設冷卻水夾套或向外壁噴淋冷卻水的結構 真空定 徑套又分為與真空冷卻水槽連成一體的真空定徑套和單獨的真空定徑套 后者只需 與普通的冷卻水槽配合使用 見圖2 2 若連接在真空冷卻水槽上的定徑套 在定徑套管壁上開有許多小孔或窄縫 孔 徑或縫寬小于0 8mm 孔間距約10mm 的一段薄壁金屬管 冷卻水從四周噴淋在定 徑套管壁上 由于密閉的真空冷卻水槽內保持有真空 而塑料管內通大氣 因而使 高溫管緊貼在定徑套內壁上被迅速冷卻 冷卻定徑套的結構尺寸各工廠一般憑經驗確定 外徑定徑套的內徑過大會降低 成品的光潔度 內徑過小擠出阻力大 使其不易出來或引起制品變形 對于擠出較 小尺寸的制品 其定徑套的內徑應比口模內徑大 0 5 1 毫米 對于擠出較大尺寸 的制品 其定徑套的內徑應經口模內徑應比口模內徑大 1 1 5 毫米左右 但準確 的數值還要視工藝條件而定 此外 冷卻定徑套必須具備足夠的長度 以保證制品 能夠冷卻定型 進入水槽后就會變形 冷卻定徑套也不能選擇得太長 太長阻力增 大 牽引的功率也就增大 原則上 冷卻定徑套的長度約為口模內徑的 3 倍左右 基于 ANSYS 的擠出跑步機塑料邊條模具的設計及機頭的加工仿真 6 也可按下式進行估算 聚烯烴管 圖 2 2 冷卻定徑裝置 通常由冷卻水孔總長度和定型模上的真空孔數及其布局來確定 但由于冷 W L 卻水量和真空度均可調節 故定型模總長度的確定 并非十分嚴格 實踐表明 當 異型材壁厚達2 5 3 5 左右 這將給加工帶來極大困難 為此 常將長定型模分 成多段制造 然后組裝使用 其分段依據表2 1可供參考 表2 1 異型材定型模分段參考依據 異型材截面尺寸 壁厚高 寬 定型模總長度 可分段數 1 50以上40 200以上500 13001 2 1 5 3 080 300以上1200 22002 3 3 00以上80 300以上2000以上3以上 2 5 過濾部分 機頭過濾體 多數情況下 機頭入口與口模出口斷面形狀差異很大 目前擠出機機筒都是圓 形的 那么必須有一個從圓形逐漸變為口模近似形狀的部分 包括入口部分 這是 異型材機頭很重要的一部分 設計該部分時 應能使離開濾板的熔融物料無滯留的 向口模輸送 為口模流道中物料均速流動創造條件 對于制品高度小于機筒直徑 其寬度大于機筒直徑中的中空異型材機頭 過濾 部分的擴展角盡量控制在70 以下 對于成型條件要求嚴格的物料如HPVC等應盡量 控制在60 左右 當然 對于蓮花瓣和歧管流道模塑的PE SPVC等物料機頭不在此 例 對于非中空異型材機頭擴展角可放大 中空異型材物料進入口模前必須要經過分流部分 這部分對熔融物料成型坯帶 來很大不利條件 可是沒有這部分不行 對于中空異型材是不能跨越的 所以 在 鹽城工學院本科生畢業設計說明書 2008 7 滿足強度要求的前提下 這部分越短越好 而且分流的支承筋斷面越小越好 這是 考慮分散的物料再匯合容易 易于消除結合線 因此為了很好消除結合線 往往分 流部分有效流道斷面比口模流道斷面大 即形成了所謂的機頭壓縮比 分流板的結構要求 1 分流板要與螺桿頭部形狀吻合好 不能產生積料 2 分流板與機筒的對中性要好 3 要使物料流經分流板后 各點速度相同 且不能使物料流動阻力過大 4 結構盡量簡單 制造方便 裝拆更換容易 依據上述要求 分流板的設置不能距螺桿頭部太遠 對熱敏性物料 如硬聚氯 乙烯 距離要小 以防止積料產生熱分解 但也不可因距離設置過小而使物料的 螺旋運動來不及轉變為直線運動 導致縱向流動不穩定 一般應使分流板至螺桿頭 部的容積為小于或等于均化段一個螺槽的容積 其距離為 0 1D 目前 國產擠出機 多用結構簡單 制造方便的平板形分流板 為保證物料流經分流板后速度一致 分 流板的孔眼數目設計為中間疏 旁邊密 但孔眼的尺寸一般相等 對熱敏性物料 也可設計孔眼尺寸為中間孔眼直徑大而稀疏 以降低流動阻力 避免熱分解 國產 擠出機分流板的設計尺寸及孔眼尺寸可參考表 2 2 表 2 2 國產擠出機分流板尺寸參數 螺桿直徑 mm 孔眼直徑 mm 開孔率 分流板尺寸 mm 分流板至螺桿頭 距離 mm 302 53110 4523512 65445 815 90 4 5 39 442010 5 120 4 中間 4 8 38 5 中間 24 外緣 32 150 5 4 5 3930 12 8 200 5 4 5 393520 孔眼尺寸的大小及板的厚度取決于螺桿直徑 螺桿直徑大 孔眼尺寸相應增加 孔眼的分布為同心圓或六角形 孔眼分布如圖 2 3 所示 分流板孔道結構設計應光滑無死角 以便物料的流動及清理 所以 孔道的進 料端要倒斜角 或從進料端到出料端加工成錐形 以便清理并增加物料壓力 基于 ANSYS 的擠出跑步機塑料邊條模具的設計及機頭的加工仿真 8 圖 2 3 柵板 分流板的材料一般用不銹鋼 132 r C133 r C 異型材通過定型模的速度視定型模的長度和異型材的壁厚而定 對于1mm壁厚 的異型材通過速度可達3 4 5m min 厚4m者通過速度為0 5 0 7m min 2 6 機頭和擠塑機聯接設計 機頭與擠塑機聯接裝置稱為聯接器 聯接器的結構有好幾種類型 我采用的螺紋式聯接 機頭與擠塑機料筒之間一般均以法蘭盤對接 機頭法蘭 盤與機頭之間采用大直徑的螺紋聯接 機筒法蘭盤與機筒間也用螺紋聯接 兩法蘭 盤對接時采用4 6個或更多的螺釘緊固 但為了裝拆方便多采用螺栓聯接 將機頭 法蘭盤上的螺栓孔做成帶缺口的 裝拆時無需將螺母擰下 只需擰松到一定程度即 可翻轉該螺栓 中 小型機頭的法蘭盤上有兩個螺栓孔不開穿 在開啟機頭時用該 螺栓作為機頭支撐與螺紋相聯接見圖2 4 在機頭與料筒之間夾入柵板 多孔板 柵板的外徑分別與機頭的臺階孔內徑 和料筒的臺階孔內徑相配合 使達到同軸同心的要求 夾緊時柵板兩平行端面與臺 階孔的環形端面分別壓緊 保證不漏料 柵板的作用是支撐不銹鋼絲過濾網 調節 機頭阻力并使物料通過柵板后將螺旋運動轉變為直線運動 螺紋聯接器尺寸如表2 3所示 鹽城工學院本科生畢業設計說明書 2008 9 表2 3 擠塑機螺紋聯接器的尺寸 擠塑機型號符 號 SJ 45SJ 65SJ 65SJ 90SJ 120SJ 150 符號意義 MM80 43M110 23M110 2M140 3M180 3M180 3 機頭與機頭法蘭聯 接尺寸 D 55 80 90 110 160 175 柵板外徑 d 70 70 90 120 150 柵板開孔處直徑 mM18 T22T24 螺栓直徑 B303535456868 機頭法蘭厚度 H 1515203238 柵板厚度 h8578 14 柵板伸入機筒厚度 L1104170181 86210340348 螺栓聯接 L2104115105120205205 中心距 圖 2 4 螺紋聯接器 2 7 機筒 機筒是擠出機重要的部件之一 機筒的結構設計是否合理 影響到擠出機的熱 量傳遞的穩定性及均勻性 機筒的加料段設計直接影響固體輸送效率 機筒的加工 與裝配影響到擠出機的工作性能及機器壽命 所以 對于擠出機機筒涉及到其結構 形式的選擇 機筒加料口形式的確定 機筒各段及其與機頭的連接等問題 機筒的結構類型有多種 但主要有整體式 分段式 雙金屬和軸向開槽結構形 式 整體式機筒結構其特點是長徑比大 零件數目少 加工精度容易滿足 裝配誤 差小 機筒受熱均勻 設置外加熱器不受限 整體式機筒對加工設備及技術要求較 高 而且磨損后修復困難 所以 一般對于長徑比較小的螺桿 才配以整體結構的 機筒 基于 ANSYS 的擠出跑步機塑料邊條模具的設計及機頭的加工仿真 10 2 8 模具內熔料的流變特性 對模具內熔料流動特性的考察是為了便于以所需擠出量獲得符合品質要求的擠 出物 由此必須對模具內的熔料流動路徑進行設計 特別是模具終端的縫隙 在合理 的壓力分布下 通過所需的擠出量 才能獲得形狀尺寸與模具縫隙形狀相同的高品質 擠出物 各類熔料所顯示的非牛頓流體特性和所具有的粘性特性 彈性特性不同 異形機頭主要用于成型非圓形斷面的型材 異形機頭在擠出過程中 其工藝難 以控制 不但各點的流速難以控制 薄厚也不容易控制 如何使機頭出口斷面上各 點的料流速度一致 是設計異形機頭流道的主要問題 不管擠出什么異形材料 一 般都由圓形流道逐漸過濾到所需要的截面形狀 在一過渡是十分重要的 絕對不允 許有明顯的死角和停滯區 由擠出機擠出的物料經分流錐后 隨即匯合成管狀 再 由管狀形逐漸過渡到所需之形狀 這一過度 其流道的斷面積逐漸變小 當然物料 也受到越來越大的壓縮和壓力 當物料擠到定型區時 產品基本密實 在經過水槽 也就基本定型 由圓形流道過渡到所需要的形狀 其過渡處必須圓滑 不得有死點 其表面粗 糙度參數 Ra 值不得大于 0 63 m 同時芯棒必須具備足夠的機械強度和耐腐性 更 不能存在明顯的加工痕跡 一般塑料型材擠出成型模具應包括兩部分 機頭 口模 和定型模 套 擠 出成型模具中機頭的作用是 當粘流狀態的塑料在機出機的高壓作用下 通過機頭 流道時即形成與流道斷面大體相同的連續體 再通過定型模從而形成連續的塑料型 材 制品 中空異型材的定型模需要安裝在輔機的定型裝置上 機頭和定型模 套 的一 些技術數據的確定都要依據擠出機組的參數 因此擠出成型模具設計與所用的擠出 機機組關系十分密切 在設計機頭和定型模時 應詳細了解擠出機機組的技術范圍 才能設計出合乎要求的機頭和定型模 套 異型材擠出成型模具包括機頭和定型模 但是生產實心的硬質異型材根據產品 情況可以不用真空定型模 用定型套代替 生產軟質制品的非中空異型材可以不用 定型模或定型套 采用極為簡單的水冷方法既可 2 9 擠塑模設計的理論基礎 機頭設計要解決機頭內流道設計 機頭剛強度和結構設計以及加熱控溫方式設 計三方面的問題 塑料熔體在管道內流動時 沿橫斷面和沿流動方向的流速的分布有幾種形式 1 一維流動 流道沿流動方向的斷面尺寸不變 平行流動 在橫截面上各點 的流速分布僅沿一個方向變動 這樣口模內任意點的流速只需用一個垂直于流向的 坐標來表示 物料在圓管中流動 其橫截面上等速線分布是以孔為中心的一些同心 圓 各點速度可以用一個通過中心的坐標軸來表示 此外熔體在無限寬扁縫內的流 動將兩頭除外也屬于一維流動 2 二維流動 流速分布需用兩個坐標來描述的叫二維流動如矩形斷面流道 鹽城工學院本科生畢業設計說明書 2008 11 物料做平行流動 但在橫截面上流速分布必須用垂直于流動方向的x y兩個直角坐 標來表示 除矩形外塑料熔體在橢圓形 三角形 梯形 多邊形等截面內的平行流 動都屬于二維流動 3 三維流動 流道橫截面上的流速分布必須用兩個坐標來表示 同時流道尺 寸沿流動方向也有變化 即流速的分布要用三個坐標來表示 壓力降與流動速度之 間的解析關系對于一維流動而言 即使是非牛頓流體也能求解 對于二維流動只能 對牛頓流體中的三角形 矩形 橢圓形等幾種簡單形狀求解 對于非牛頓流體只能 求得近似解 對于三維流動 其解析解更復雜 但可借助于計算機對它做優化計算 對于多數的擠塑成品 管 板 棒 膜 薄壁異型材等 對成型起決定作用的是口 模的平直部分 3 3 模具的裝配和校核模具的裝配和校核 在塑料擠出模具設計中校核起著重要作用 倘若校核這一環節不過關 模具的質 量就會受到重要的影響 甚至整個模具設計功虧一簣 塑料擠出模具的校核主要是 對分流器支架和聯接螺釘進行校核 這是因為分流器支架主要用來支撐芯膜和分流 錐 它是模具中強度最低的部分 而聯接螺釘承擔著絕大部分的粘滯力和芯模所受的 壓縮力 塑料擠出機頭主要分為中心進料式機頭和直角機頭 3 1 塑料熔體在圓管內流動 設圓管兩端距離為 L 兩端壓差 在圓管中取一微元體 其半徑為 r 長度為p 作用在微元體兩端壓力差為 表面所受剪應力為 其力平衡式如下 1 1 dLdp dprrdL r 2 2 1 1 dLdp r r 2 設沿管軸壓力均勻下降 1 2 LpdLdp 在管壁處當時 Rr 1 3 L Rp w 2 式中 管壁處的剪應力 w 對非牛頓流體可按冪律原理 指數定律 將剪切速率與剪應力之間的關系表示 如下 基于 ANSYS 的擠出跑步機塑料邊條模具的設計及機頭的加工仿真 12 1 4 m kdydv 式中 非牛頓指數 牛頓流體 1 非牛頓流體 1mmm 對于圓管形流道而言 半徑r處的速度隨半徑r改變 則有 1 5 m kdrdv 將以上兩式帶入 并認為在管壁處的流速為零 求其積分得到任意半徑處的流 速 1 6 12 11 m rR L p kv mm m r 熔體在圓管中的總體積流率為 1 7 drvrq R O rv 2 在將以上兩式合并并積分得 1 8 32 3 mL pRk q m mm v 對牛頓流體 此時有 1 m 1 9 L pRk qv 8 4 即式中稱為牛頓剪切速率 L Rp k R qv 2 4 3 3 4q R v 一般的塑料熔體都是非牛頓流體 通常是利用毛細管流變儀通過實驗作出流動 曲線 再求式中的和 但一般來說實驗流動曲線一般用毛細管壁處的剪應力km 與機頭強度計算 LRp2 異型材機頭流道的壓力降 P較大 正常生產一般在50kg cm 150kg cm 但 是 新的機頭在初試車情況下 由于成型工藝條件控制不嚴格 通常 P最高可達 到250kg cm 以上 所以對機頭強度計算是不可忽視的 經常出現口模的聯接螺釘 鹽城工學院本科生畢業設計說明書 2008 13 和分流柵板的分流筋等變形及破壞現象 3 2 口模聯接螺釘的強度校核 口模聯接螺釘承受熔融物料流動方向的作用力 其作用力等于垂直于物料流動 方向上的分流柵板處流道投影面積乘以流道內的壓力降 螺釘工作條件是屬受軸向 拉伸的緊螺釘聯接 作用在螺釘上的總負荷為管壁處牛頓剪切速率作出 3 4Rqv 的 3 3 口模尺寸 實際上 異型材壁厚既有厚壁一致的 也有各部分厚壁要求不一致的 因此 要區別情況作不同的設計 壁厚各處不一致者 情況相當復雜 對此 須視具體條 件 作出若干簡化處理 即便如此 要做出恰如其分的設計 也會有很大程度的難 度 甚至存在有不可能實現的特殊情況 因此 可以預見異型材塑模 仍包含有很 大程度的經驗性 3 3 1 成形端長度 當壁厚為均勻一致的異型材時 各截面均可視為是一狹縫形模口 其口模成形 段長度可按下式計算確定式中的幾何參數 的計算 12 62 n n H q W k p L io RRH W 方法如下 材料冪律參數 值 其中異型流道n K L Wh K 12 3 幾何參數的計算方法 W 圓環 1 10 ioio RRRRW 14 3 半圓環 1 11 ioio RRRRW 57 1 2 有端部的直角形 1 12 21 WWW 沒有端的四角環 1 13 io RRW 4 沒有端的多邊形 1 14 io RRW 46 3 基于 ANSYS 的擠出跑步機塑料邊條模具的設計及機頭的加工仿真 14 直角三角形 1 15 321 WWWW 封閉半圓環 1 16 io RRW57 3 57 1 封閉小半圓環 1 17 iosio RRRRRW 2cossin 半圓直角組合 1 18 21 57 3 57 1 WWRRW io 封閉圓薄縫隙組合 1 19 1 14 3 WRRW io 雙封閉半圓組合 1 20 io RRW14 5 14 3 圖形參考 新型塑料擠出機頭設計 40 頁 工藝參數值 視塑料品種及異型材截面復雜程度不同 一般可在 P MPa10 間選取 體積流量可由經驗公式計算確定 MPa35Q 1 21 om QQ 243 0 scm 3 式中 為預先設定的機頭的型材產量 h 為塑料在室溫下的密度 g m Q o 3 cm 當材料冪律參數不可得時 口模成型段長度 也可由表中的經驗數據估算確L 定 見表 3 1 但無論用何方法取值 的最大長度不應超過 80 90 L 表 3 1 異型材擠塑模設計經驗數據 塑料名稱CAECPERPVCSPVC其它 L H H H S A A S 17 22 0 70 0 90 1 05 1 15 4 1014 20 0 85 0 90 0 85 0 95 20 50 1 10 1 20 0 80 0 93 5 11 0 83 0 90 0 80 0 90 30 40 鹽城工學院本科生畢業設計說明書 2008 15 B B S 0 80 0 950 75 0 900 90 0 970 70 0 85 確定口模徑向尺寸難度較大 因為口模膨脹 牽引和工藝條件波動等因素的影 響 致使口模間隙不可能是異型材壁厚 中空異型材高度 寬度與其相H s H s B s A 應的口模徑向尺寸和亦均有差別 由于理論計算難度很大 在設計時將表作為BA 參考然后結合經驗確定 3 4 機筒材料 機筒材料用氮化鋼 也可采用其他材料 內孔表面處理 對氮化鋼氮化 深度 0 4mm 硬度不抵于 700HV GB T11354 規 定的脆性不大于 2 級 對采用其他材料 其使用要求應低于氮化鋼相應指標 機筒內孔的表面粗糙度不低于 a Rm 6 1 機筒內孔極限偏差而符合表的規定 機筒兩孔軸線距離的誤差應在 0 08 之內 3 5 分流器支架的校核 分流器支架主要用來支撐分流錐及芯模 同時使料流分束以加強均勻攪拌作用 分流器支架上的分流筋做成流線型 是為了消除物料通過分流器支架時形成的結合 線 由于分流器支架主要用來支撐芯模和分流錐 它是模具中強度最低的部分 設計 時需進行強度計算 確定分流筋的數量和截面尺寸 1 剪切強度計算公式如下 1 22 nf PF 式中材料許用剪切應力 MPa 分流筋所受剪切應力 MPa 分流錐在物料流動方向的面積 F 2 mm 分流筋縱向截面積 f 2 mm 機頭壓力 pMPa 分流筋數量 n 對于塑性材料 1 2 1 5 s s s n n 0 6 0 8 基于 ANSYS 的擠出跑步機塑料邊條模具的設計及機頭的加工仿真 16 機頭壓力12 分流錐最大外徑 分流筋數量 分流筋 PMPammRa24 4 n 截面形狀及幾何尺寸如圖 2 1 與圖 3 1 分流器支架采用 4Cr13 鋼 對于 4Cr13 鋼 MPa s 355 圖 3 1 錐頭 則該分流器支架的每個分流筋所用剪切應力為 MPa nf PF 40736 43 2 710 2 1810 4 2414 312 2 而即 s s n MPa273 3 1 355 0 6 0 8 MPa1912737 0 可知 故分流筋強度足夠 2 聯接螺釘的校核 壓環周圍的六個內六角螺釘 聯接機體與壓環 承擔著絕大部分的粘滯力 Fs 和 芯模壓縮力 Fp 流道壁上的粘滯力 按定義式為 1 23 NSFs i i i 5 1 式中任意段流道表面積 i S 壁面上的剪應力 i Pa 對于圓環隙流道有 1 r R k k R r L PR 0 2 0 0 1ln2 1 2 鹽城工學院本科生畢業設計說明書 2008 17 24 式中環隙外半徑 為外壁面力 00 R Rr 環隙內半徑 為內壁面力 ii RRr 0 RRk i 對芯模的壓縮力 可表示為 1 NPRF ap 2 25 式中分流錐最大截面半徑 a Rm 熔體壓力 PPa 系數 通常取1 6 2 0 口模熔體壓力降 機頭 60 3 24 6 27 50 mmLmmRmmR i 26 108mNP 壓力 分流錐最大截面半徑 塑料制品為 PVC 制品 聯接螺MPaP12 mmRa24 釘承受定型區 壓縮區 分流區 芯模及分流器支架的粘滯力和料流對分流錐產生 的壓縮力 而分流區外表面所受的粘滯力由機體所承受 所以只考慮分流區內表面 a 定型區 88 0 6 27 3 24 60 3 24 6 27 50 kLRR i 外表面 Pa mS 5 26 1 226 1 1016 2 88 0 1 ln2 88 0 1 1 602 10 6 27 1004 1 1060 6 2714 3 2 內表面 226 2 1004 1 1060 6 2714 3 2mS Pa 5 26 2 10232 2 3 24 6 27 88 0 1 ln2 88 0 1 6 27 3 24 602 108 6 27 22111 SSF 5252 10232 2 1004 11016 2 1004 1 N7488 其余粘滯力計算過程與以上類似 不同的是 壓力降由公式求出 由于流P 基于 ANSYS 的擠出跑步機塑料邊條模具的設計及機頭的加工仿真 18 道計算較復雜 必要時可作近似計算 計算出 2 F 3 F NSF i i iS 4374 5 1 b 壓縮力 由可計算 8 1 MPaPRa12 24 NFp 6 390661012102414 3 8 1 662 c 校核 聯接螺栓選用六個的 35 號正火鋼螺釘 其受載荷時軸向許用載荷8012 M NF25000 NFFF ps 6 43440 6 390664374 3 6 PRO E 模具裝配 Pro ENGINEER 除了設計三維造型以外還可以進行零件裝配 3 6 1 繪制三維圖 首先利用 Pro ENGINEER 將 AutoCAD 中的二維零件圖和部件圖畫成三維圖 見圖 3 2 這是其中一個 其他部件可參考三維零件裝配圖冊 圖 3 2 零件圖 3 6 2 零件裝配 鹽城工學院本科生畢業設計說明書 2008 19 A 新建一個裝配文件并設置模型樹的顯示目錄 a 單擊新建按鈕 彈出 新建 對話框 b 在 類型 選項組中選擇 組件 單選項 在 子類型 選項組中選擇 設 計 單選項 輸入組件名稱為 zhuangpei 單擊 使用缺省模板 復選項以不使 用默認模板 單擊 確定 按鈕 c 在出現的 新文件選項 對話框中 從 模板 選項組中選擇 mmns asm design 單擊 確定 按鈕 建立一個組件文件 d 在導航區的模型樹選項卡中 單擊模型樹上方的 設置 按鈕 從出現的下 拉菜單中選擇 樹過濾器 選項 打開 模型樹項目 對話框 e 勾選 特征 復選框和 放置文件夾 復選項 單擊 應用 按鈕 f 單擊 關閉 按鈕 此時 在裝配模型樹中便顯示基準平面 基準坐標系等 B 裝配第一個零件 JITOU4 PAT a 在工具欄中單擊 將元件添加到組件 按鈕 或者從菜單欄中選擇 插入 元件 裝配 命令 b 在出現的 打開 對話框中 查找到原文件 JITOU4 PAT 單擊 打開 按鈕 c 在出現的操控板中 從約束類型下拉列表框中選擇 缺省 選項 見圖 3 3 圖 3 3 口模模型導入 基于 ANSYS 的擠出跑步機塑料邊條模具的設計及機頭的加工仿真 20 C 裝配第二個零件 JTOU3 PAT a 在工具欄中單擊 將元件添加到組件 按鈕 或者從菜單欄中選擇 插入 元件 裝配 命令 b 在出現的 打開 對話框中 查找到原文件 JITOU3 PAT 單擊 打開 按鈕 c 在出現的操控板中 從約束類型下拉列表框中選擇 匹配 選項 設置匹配 的偏移類型為 定向 見圖 3 4 d 分別選擇匹配參照的兩個面 e 單擊操控板上的 放置 選項按鈕 進入放置上滑面板 f 在 放置 上滑面板中 單擊 新建約束 處 開始定義第 2 放置約束 選 擇約束類型為 對齊 偏移類型為 重合 然后在圖形窗口中選擇 JITOU3 PAT 的軸線 JITOU4 PAT 的軸線 g 單擊 新建約束 處 開始定義第 3 放置約束 選擇約束類型為 匹配 偏移類型為 重合 分別選擇兩個參照面 h 單擊操控板中的 完成 按鈕 完成第二個零件的裝配 圖中隱藏了該零件 的基準特征 裝配成型后如圖 3 5 圖 3 4 裝配設置 鹽城工學院本科生畢業設計說明書 2008 21 圖 3 5 組裝完畢 3 6 3 裝配爆炸圖 裝配爆炸圖其實是組件的分解視圖 建立表達清晰的裝配爆炸圖 有助于分析 產品結構 規劃零件以及給生產工藝的指導工作帶來方便等 利用爆炸圖來輔助說 明產品的組成或者裝配順序 A 打開裝配圖 打開 Pro ENGINEER 后從文件中點擊 打開 按鈕 選出裝配好的圖 如圖 3 6 所示 基于 ANSYS 的擠出跑步機塑料邊條模具的設計及機頭的加工仿真 22 圖 3 6 總體裝配效果圖 B 編輯爆炸圖 選擇 視圖 分解 分解視圖 命令 此時得到的是默認的爆炸圖如圖 3 7 所示 由系統自動產生的爆炸圖往往顯得有些凌亂 還需要做進一步的位置調節 以 獲得滿意的爆炸狀態 a 從菜單欄中選擇 視圖 分解 編輯位置 命令 如圖 3 8 所示的 分解位置 對話框 b 在 運動類型 選項組中 選擇 平移 單選項 從 運動參照 選項組的 列表框中選擇 平面法向 選項 定義運動類型和運動參照 鹽城工學院本科生畢業設計說明書 2008 23 圖 3 7 系統分解 c 在圖形窗口中選擇 ASM RIGHT 基準平面來定義方向參照 d 單擊要移動的元件并釋放鼠標按鍵 在 ASM RIGHT 基準平面的法向上移動鼠 標 在適合的位置單擊鼠標左鍵 便完成了選定元件的位置調整 以同樣的操作 調整其他元件的位置 e 單擊對話框中的 優先選項 按鈕 則打開 優先選項 對話框如圖 3 9 默認的選項為 移動一個 可供選擇的移動選項還有 移動多個 和 隨子項移 動 f 調整爆炸圖中的各元件位置 單擊 分解位置 對話框的 確定 按鈕 如 圖 3 10 所示編輯好位置的爆炸圖 基于 ANSYS 的擠出跑步機塑料邊條模具的設計及機頭的加工仿真 24 圖 3 8 分解位置 圖 3 9 優先選項 圖 3 10 編輯好位置的爆炸圖 鹽城工學院本科生畢業設計說明書 2008 25 3 7 ANSYS 有限元靜力分析 3 7 1 分析問題 考查口模在工作時發生的變形和產生的應力 口模在底面的四周邊界不能發生 上下運動 即不能發生沿軸向的位移 在底面的 18 個圓周上不能發生任何方向的 運動 在小軸孔的孔面上分布有的壓力 在大軸孔的孔臺上分布有的Pae61Pae71 壓力 在大軸孔的鍵槽的一側受到的壓力 Pae51 3 7 2 建立模型 建立模型包括設定分析作業名和標題 定義單元類型和實常數 定義材料屬性 建立幾何模型 劃分有限元網格 在進行一個新的有限元分析時 通常需要修改數據庫名 并在圖形輸出窗口中 定義一個標題來說明當前進行的工作內容 另外 對于不同的分析范疇 結構分析 熱分析 流體分析 電磁場分析等 ANSYS 所用的主菜單的內容不盡相同 為此 我們需要在分析開始時選定分析內容的范疇 以便 ANSYS 顯示出與其相對應的菜單 選項 其具體步驟為 a 從實用菜單中選擇 Utility Menu File Change Jobname 命令 將打開 Change Jobname 修改文件名 對話框 b 在 Enter new jobname 輸入新的文件名 文本框中輸入文字 example5 5 為分析的數據庫文件名 c 單擊 Add 按鈕 完成文件名的修改 d 從實用菜單中選擇 Utility Menu File Change Title 命令 將打開 Change Title 修改標題 對話框 e 在 Enter new title 輸入新標題 文本框中輸入文字 static analysis of rod 分析的標題名 f 單擊 OK 按鈕 完成對標題名的指定 g 從實用菜單中選擇 Utility Menu Plot Replot 命令 指定的標題 static analysis of rod 將顯示在圖形窗口的左下腳 h 從主用菜單中選擇 Main Menu Preference 命令 將打開 Preference of GUI Filtering 菜單過濾參數選擇 對話框 選中 Structural 復選框 單擊 OK 按鈕確 定 在進行有限元分析時 首先應根據分析問題的幾何結構 分析類型和所分析的 問題精度要求等 選定適合具體分析的單元類型 a 從主菜單中選擇 Main Menu Preprocessor Element Type Add Edit Delete 命令 將打開 Element Type 單元類型 對話框 b 單擊 OK 按鈕 將打開 Library of Element Type 單元類型庫 c 然后在左邊的列表中選擇 Solid 選項 選擇實體單元類型 d 在右邊的列表框中選擇 Tet 10Node 92 單元選項 選項十節點四面體實體結 構單元 Tet 10Node 92 基于 ANSYS 的擠出跑步機塑料邊條模具的設計及機頭的加工仿真 26 e 單擊 OK 按鈕 將 Tet 10Node 92 單元添加 并關閉單元類型對話框 同時 返回到第一步打開的單元類型對話框 f 該單元不需要進行單元選項設置 單擊 Close 按鈕 關閉單元類型對話框 結束單元類型的添加架 g 從主菜單中選擇Main Menu Preprocessor Meshing MeshTool命令 打開 Mesh Tool 網格工具 h 單擊Line域Set按鈕 打開線選擇對話框 要求選擇定義單元劃分數的線 i ANSYS會提示線劃分控制的信息 No of element divisions 文本框中輸入 10 單擊OK j 在對話框中 選擇Mesh域中的 Volumes 單擊Mesh 打開體選擇對話框 要求 選擇要劃分數的體 單擊Pick All按鈕 k ANSYS 會根據進行的線控制劃分體 如圖 3 11 圖 3 11 劃分后的體 3 7 3 機頭的底部施加位移約束 a 從主菜單中選擇 Main Men Solution Loads Apply Structural Displacement on Lines b 拾取底面的所有外邊界線 單擊 OK c 選擇 UZ 作為約束自由度 單擊 OK d 從主菜單中選擇 Main Menu Solution Loads Apply Structural Displacement on Lines 鹽城工學院本科生畢業設計說明書 2008 27 e 拾取基座底面的圓周線 單擊 OK 選擇 All DOF 作為約束自由度 單擊 OK 3 7 4 進行求解 a 從主菜單中選擇 Main Menu Solution Solve CurrentLS 命令 打開一個確 認對話框和狀態列表 要求查看列出的求解選項 b 查看列表中的信息確認無誤后 單擊 OK 按鈕 開始求解 c 求解完成后打開如圖 3 12 所式的提示求解結束對話框 圖 3 12 提示求解完成 3 7 5 查看結果 A 查看變形 三維實體需要查看三個方向的位移和總的位移 a 從主菜單中選擇 Main Menu General Postproc Plot Result Contour Plot Nodal Solu命令 打開Contour Nodal Solution Data對話框 b 在Item to be contoured 等值線顯示結果項 域的左邊的列表框中選擇 DOF soulition 自由度解 選項 c 在右邊的列表中選擇Translaton UX X向位移 選項 d 選擇Def undef edge 變形后和未變形輪廓線 單選按鈕 e 單擊OK按鈕 在圖形窗口中顯示出變形圖 包含變形前的輪廓線 如圖3 13 所示 圖中下方的色譜表明不同的顏色對應的數值 帶符號 基于 ANSYS 的擠出跑步機塑料邊條模具的設計及機頭的加工仿真 28 圖3 13 X方向的位移 f 用同樣的方法查看Y方向的位移 如圖3 14所示 圖3 14 Y方向的位移 鹽城工學院本科生畢業設計說明書 2008 29 g 用同樣的的方法查看Z方向的位移 如圖3 15所示 圖3 15 Z方向的位移 h 用同樣的的方法查看總的位移 如圖3 16所示 圖3 16 總的位移 基于 ANSYS 的擠出跑