PVC-U轴向中空壁管挤出成型工艺优化与数值模拟.pdf

塑料工业 第 卷第 期 年 月 轴向中空壁管挤出成型工艺优化与数值模拟郭泽元 胡少伟 金文粲 潘福渠 叶宇霄(.广西大学土木建筑工程学院 广西 南宁 .郑州大学黄河实验室 河南 郑州.山东东信塑胶科技有限公司 山东 聊城 .河海大学水利水电学院 江苏 南京)摘要:根据聚氯乙烯()混配料的黏度温度特征 进行了 管径的硬聚氯乙烯()轴向中空壁管的非等温挤出过程数值模拟 研究了温度对管材挤出过程的影响 优化了 轴向中空壁管的挤出工艺 研究结果表明:温度梯度对管材的挤出速度有较大影响 而温度对管材的压力降影响不大 在合流段、扩张段、压缩段、成型段和出口段温度分别为、时 管材的挤出压力和速度的均匀性达到最佳水平 对挤出工艺的加工温度进行优化设置后 生产的管材拉伸屈服强度为 、断裂伸长率为 环刚度为 /较优化前性能分别提高了 、和 关键词:硬聚氯乙烯管材 挤出工艺优化 数值模拟 黏度温度特征中图分类号:文献标识码:文章编号:():/开放科学(资源服务)标识码():(.):()()./.:硬聚氯乙烯()管材具有质量轻、抗腐蚀、水流阻力小、造价低的特点 因此被广泛应用于城市给排水工程 相对于实壁 管材 中空壁管在确保性能的前提下 具有自重更轻、造价更低便于运输等优势 更适用于城市排水等关键性市政工程中完善的挤出成型工艺是确保 管材力学性能的关键 通过数值模拟对中空管材的挤出成型过程进行优化 可以节省设备改进成本 提高成型管材的力学性能 于玉真等对挤出机头流道尺寸对熔体重庆市自然科学基金创新群体科学基金项目()重庆市技术创新与应用发展专项重点项目()国家自然科学基金重点项目()重庆大学项目()通信作者:胡少伟 男 年生 教授 博导 主要从事混凝土结构与组合结构研究与工程应用 作者简介:郭泽元 男 年生 硕士研究生 主要从事硬聚氯乙烯管道力学模拟研究 第 卷第 期郭泽元 等:轴向中空壁管挤出成型工艺优化与数值模拟均匀性的影响进行了模拟和优化 许电研究了 管材挤出过程中的温度控制方法 毛玉等研究发现提高挤出成型段温度可以改善管材成品表面的光亮度 张王康等通过数值模拟的方法设计了一种可以生产不同管径管材的共用挤出机头 然而现有研究大多针对于实壁管的挤出成型模拟与优化缺乏中空壁管挤出工艺的模拟优化 且现有研究没有充分考虑混配料的黏度温度特征对挤出成型工艺的影响 存在理论模型与实际生产之间存在较大差异导致现有模型无法准确指导实际的挤出生产图 为本次实验所用的 混配料的温度黏性曲线 如图可知:在挤出工艺温度区间()内 黏度温度曲线呈现非线性下降趋势这与已有的研究相符 而温度变化造成的黏性变化会影响管材的挤出生产:温度降低会导致物料黏度升高 造成较大的主机负荷、降低扭矩稳定性 进而影响生产效率 同时 黏度的变化还会导致挤出压力发生变化 因此 在数值模拟中必须考虑 混配料的温度黏度属性 才能实现对 管挤出成型工艺的准确模拟图 混配料的温度黏度特征 为优化现有 管材的成型工艺 解决实际生产过程中存在的管材密实度不均匀、物料挤出速度不稳定、塑化效率不高等问题 本文基于数值模拟开展了中空壁管成型工艺优化相关研究 基于现有通用机头设备 研究了挤出机头内不同熔体温度变化对压力降、熔体流速、流动均匀性、成型管材力学性能的影响 提出了用于挤出工艺的新型非等温模型 基于 软件模拟了轴向中空壁管挤出过程 并对优化后生产的管道的拉伸性能、环刚度进行了测试 测试结果表明 成型管道的性能得到了提升 轴向中空壁管挤出成型数值模拟为了简化数值模拟 可采取如下假设:设置 混配料流体为不可压缩非牛顿流体 建模中忽略分流段的分流器支架 忽略流体的惯性力与重力等体积力 认为机头流道壁面无滑移(模壁接触面上熔体的速度为)流动为层流流动 在上述假设的基础上 利用 的 平台设计流体模型 并利用 对模型进行分析 模型的建立中空管道的挤出机头采用最常用的直通式挤出机头 由入料口、分流器、分流器支架、调节螺钉、芯模、口模等部分组成 而其内部流道则分为合流段、扩张段、分流段、压缩段、成型段 其实物图如图 所示 本次模拟用于生产 (环刚度 /)轴向中空壁管的挤出机头 机头的尺寸如图 所示图 挤出机头外部尺寸()()图 挤出机头内部流道分布 图 为挤出机头内流道的设计分布 实际生产中 熔体经过合流段和过滤网进入扩张段并在塑 料 工 业 年 扩张段降速 随后通过分流段 使熔体流动方式从螺旋运动变为直线运动 然后通过压缩段对熔体施加压力 使其塑性得以提高 最后通过成型段 使熔体的流速进一步放缓 并最终挤出为各类型号的成品管材 挤出机挤出管材截面形式如图 所示图 出口截面设计 网格划分网格划分以四面体网格为主 如图 所示 经过测试 在单元数量为 万时 出现局部网格畸变在单元数量为 万时 畸变问题得到解决 单元数量升至 万时 计算结果与 万相近 因此 选用 万单元的划分方式图 网格划分 材料属性与边界条件边界壁面采用考虑法向温度传递的薄壁导热模型 该模型相较于通用的壁面固体网格划分模型的优点在于可避免因壁面较薄(通常 即可)而导致的网格过多 同时相较于壳导热模型的优势在于无需计算不同温度设置区域壁面单元间的温度传递 壁面模拟的外部设备通过温度控制器调节监测温度 因此无需考虑挤出设备自身单元间的热传递 另一方面 对于 直径的中空管的挤出模型而言 其流道厚平均约为 (远小于直径)且内部壁面也设有温度加热传递(实际生产也有内部加热)因而该模型能保证熔体的温度与壁面设计温度一致 可避免熔体中心温差的出现壁面设置为无滑移 壁厚 入口边界采用压力入口 入口压力为 出口边界采用压力出口 出口压力为 熔体流入温度为 从合流段到成型段采取逐步升高的梯度温度设定 其中 为保证制品的光亮度 出口的模具的内芯温度设定高于成型段模拟设置 混配料流体密度为 /黏度采用哈尔滨哈普电器技术有限公司生产的高压毛细管流变仪对混配料进行黏度温度测试并选取 的数据进行曲线拟合 如图 所示图 材料黏度温度特性 模拟方法本次模拟一共分为九组 如表 所示 第 组为未加热对照组 在其壁面温度设置为室温 的情况下进行数值模拟 第 组为未升温对照组 其各段壁面的温度皆和熔体从料筒进入挤出机头时的温度相同 为 组则是在不同温度下对模型进行分析计算表 各组温度设定 单位:合流段温度扩张段、分流段温度压缩段温度成型段温度出口内芯温度第 组第 组第 组第 组第 组第 组第 组第 组第 组 模拟结果与分析数值模拟的结果如图、所示 结果表明挤出过程的压降主要发生在成型段 该结论与已有研究结果相符各组的出口界面速度如图 所示 各组出口截面压力如图 所示 由图、可知:处于室温的第第 卷第 期郭泽元 等:轴向中空壁管挤出成型工艺优化与数值模拟 组的熔体流动速度为 /要远小于其余各组 其出口截面压力最大值与平均值的差值为 要远大于其余各组 这表明在不加热的情况下 高温熔体在挤出过程中会通过机体导热至空气中而快速降温 使得挤出机头内熔体黏性剧烈升高 从而增加熔体扭矩 降低挤出速率和均匀性 严重的情况下还可能造成机器的损坏 因此 在管材挤出过程中加热维持其熔体温度十分必要图 第 组模拟结果图压力 图 第 组模拟结果图速度 图 出口截面速度分布 通过对比图 中第 组可以发现:出口截面速度随着机头的温度升高而增大 该趋势表明:机头的逐步升温可以明显增强熔体的流动性能 随着温度设定的不断升高 熔体流动速度显著提高 较高的熔体流速可以提高管材的生产效率各组的出口截面压力如图 所示 由图中 组可知:温度的升高显著改善了出口截面的压力分布 增强了熔体的挤出均匀性 而 组的现象说明第 组的温度设置已经实现均匀的挤出 后续的升温对挤出均匀性不再有所提升图 出口截面压力 各组的机头入口和出口间的压力降如图 所示由图可知 当入口压力为 的情况下 出口压力均在 左右 这表明温度调整对挤出过程的压降影响较小 因此 综合 材料的热分解特性和加热成本考虑 第 组设置的温度梯度设计较为合理 适用于管材的大批量生产图 机头入口和出口间的压力降 管材挤出成型优化性能试验验证为监测机头挤出过程中的温度 设立了 个温度测量控制点 其中 号温度测量控制点为机头成型段内部的测控点 这些测量装置同时具有对温度的实时测量和调节功能 如图、所示塑 料 工 业 年 图 测温仪器安装和控制 图 温度测量点示意图 按照数值模拟设计的各组温度进行实际管材生产 并对各组成型的管材进行力学性能试验 测量并对比了管材的环刚度、拉伸性能 拉伸性能根据/和/制作了标准的机械加工类型试样的 拉伸片材各组片材均在管材上随机截取 个样本 并在测试后取 个样本的平均值 测试采用承德市金建检测仪器有限公司生产的 万能试验机 加载速率设置为 /图 为 组加工温度设置条件下所生产的管材的部分片材实物拉伸试验结果 各编号为对应温度设置组号 应力应变曲线对比如图 如图可知:随着温度的升高 管材拉伸性能呈现先升高后降低的变化 组的结果表明随着温度的提高 管材的拉伸性能也逐步提升 且第 组的管材性能最佳 而 组的现象说明:过高的生产温度使得材料黏性过低、挤出速度过快 造成了管材密实度下降 导致了拉伸屈服强度和断裂伸长率的降低(图、表)该结果与模拟的结论相吻合 因此 设置适宜的熔体温度是保质保量生产管材的关键图 片材拉伸结果 图 应力应变曲线 表 为 组加工温度设置条件下所生产的管材拉伸性能试验结果的平均值及其误差范围 结果说明:影响弹性模量的因素主要是材料种类、微观晶体的结构和取向 第 组在挤出过程中未进行加热 使得料温降低而影响了熔体的塑化程度 最终导致弹性模量的大幅降低 而在 混配料充分塑化的情况第 卷第 期郭泽元 等:轴向中空壁管挤出成型工艺优化与数值模拟下 热加工温度的变化对弹性模量的影响较小 因此其余各组的弹性模量变化相差不大 基本都在的区间内(以 为标准)且都大于 满足规范要求表 管材拉伸性能 拉伸屈服强度/弹性模量/断裂伸长率/第 组 第 组 第 组 第 组 第 组 第 组 第 组 第 组 第 组 环刚度采用 承 德 市 金 建 检 测 仪 器 有 限 公 司 生 产 的 环刚度试验机 根据/热塑性塑料管材 环刚度的测定进行测试根据规范 各组管材皆截取 段 长度为 压缩速率为 /压缩度为 压缩位移的测量为内径测量图 环刚度测试 如图 第 组的环刚度依次为 、/其变化趋势与模拟结果和拉伸性能变化趋势相同 都在 组性能提升 组出现性能下降 因此 第 组的温度设定为最优解表 优化后的管材性能 拉伸屈服强度/弹性模量/断裂伸长率/环刚度/(/)标准要求 优化前性能 优化后性能 如表 所示 对挤出过程进行优化设计后的管材环刚度和拉伸性能得到了提高 且总体性能满足/埋地排水用硬聚氯乙烯()结构壁管道系统第 部分:中空壁管材的要求 结论)温度对管材挤出过程中的速度、压力均匀性都有较大影响 提高温度可以增大熔体流动速率 提高生产效率 挤出过程的温度对压力降的影响较小)对挤出过程采取从合流段到成型段逐步升温的梯度温度设定 可以保证产品力学性能以及外观光亮度 同时合理控制能源的消耗)应结合所用混配料的黏度温度特征对挤出温度进行设计 不适宜的温度既会造成挤出的不均匀、管材的变色 也会提高生产成本参 考 文 献 于玉真 王璐 李伟亮.管材挤出机头的发展现状及趋势.机械工程与自动化 ():.():.于玉真 赵博 邸海宽 等.挤出机头各参数对熔体流动的影响.工程塑料应用 ():.():.于玉真 王璐 邸海宽 等.管材挤出机头流道优化设计.工程塑料应用 ():.():.许电.管材挤出过程中物料温度的控制.化学建材 ():.塑 料 工 业 年 .():.毛玉 杨宁 万仕成.影响 挤出制品表面亮度的因素分析.塑料工业 ():.():.张王康 于玉真 荆孟杰 等.管材共用挤出机头设计与分析.工程塑料应用 ():.():./.():.():.():.():./.:():.().:./.:.():.():.():.吉玉碧 王醴均 刘星峰 等.不同生产方法 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