用于精密擠出成型的氣輔擠出口模設(shè)計(jì)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、氣輔擠出作為一種新型的聚合物材料成型工藝，通過(guò)在熔體和口模內(nèi)壁之間形成一層氣體輔助層，使熔體以完全滑移非粘著的方式擠出成型，可有效減小擠出脹大，因此在精密擠出成型方面有著潛在的應(yīng)用價(jià)值。國(guó)內(nèi)外的研究者在氣輔擠出成型方面開(kāi)展了多年的研究工作，利用數(shù)值模擬技術(shù)探討了氣輔擠出成型機(jī)理，并搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，取得了頗有成效的研究成果。但是要實(shí)現(xiàn)氣輔擠出的工業(yè)化應(yīng)用，還必須在以下幾方面展開(kāi)進(jìn)一步的研究：(1)穩(wěn)定氣輔擠出的工藝條件；(2)實(shí)驗(yàn)中擠出縮

2、小問(wèn)題；(3)口模入口部位的設(shè)計(jì)如何判定；(4)對(duì)精密擠出條件下口模滑移段長(zhǎng)度或工藝條件設(shè)定不能進(jìn)行預(yù)測(cè)/判斷。因此，圍繞上述四個(gè)方面繼續(xù)深入研究，進(jìn)一步改進(jìn)和提高擠出制品的徑向尺寸精度，對(duì)于氣輔擠出工藝、口模優(yōu)化設(shè)計(jì)和擠出過(guò)程智能控制，都具有非常重要的理論意義和工程價(jià)值。 首先采用有限體積法和Generalized Navier's slip law方程，建立了氣輔擠出口模內(nèi)熔體流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，并給出了控制方程組的Galerk

3、in有限元離散化形式，針對(duì)氣輔擠出過(guò)程高We數(shù)難收斂的問(wèn)題，提出采用EVSS/ SUPG混合有限元方法，同時(shí)結(jié)合漸變法和湯普森變換實(shí)現(xiàn)數(shù)值模擬的穩(wěn)定收斂。 實(shí)驗(yàn)研究了工藝參數(shù)對(duì)氣輔層穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，氣體壓力與熔體壓力大致相等是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定氣輔擠出的前提條件。當(dāng)氣體壓力過(guò)大時(shí)，氣體會(huì)穿透熔體，在熔體內(nèi)部形成氣泡，從而對(duì)制品質(zhì)量造成較大影響；反之，則不能形成氣輔層。氣體流量對(duì)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定氣輔擠出非常重要，大流量容易引起氣體紊流，使擠

4、出物表面產(chǎn)生波紋形狀，合理設(shè)置氣體流量，可獲得穩(wěn)定的氣輔擠出。 數(shù)值模擬研究了氣體和熔體在非等溫?zé)峤粨Q作用下的熔體的溫度場(chǎng)、黏度場(chǎng)。研究結(jié)果表明：當(dāng)氣體溫度低于熔體溫度時(shí)，聚合物熔體粘流活化能大的，口?；贫纬叽玳L(zhǎng)的，在氣輔擠出中相對(duì)容易出現(xiàn)半固態(tài)熔膜現(xiàn)象，從而堵塞口模通道，引起擠出縮小現(xiàn)象。提高氣體溫度使之等于熔體溫度，可在根本上消除半固態(tài)熔膜引起的擠出縮小現(xiàn)象。并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模擬結(jié)果。 針對(duì)直角形、圓錐形和圓弧形口

5、模入口結(jié)構(gòu)中存在不光滑的連接點(diǎn)，構(gòu)建了反向相切和三次高精度插值兩種流線(xiàn)形入口幾何構(gòu)型。對(duì)聚合物在五種不同入口氣輔口模內(nèi)的熔體流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，考察了各口模中壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和擠出脹大的特點(diǎn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)流線(xiàn)形口模擠出壓力小、流動(dòng)速度大、Ni應(yīng)力集中程度小、擠出脹大比小，成為非流線(xiàn)型口模強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)者。同時(shí)發(fā)現(xiàn)成型段L/D≥1且滑移段為成型段1/2的氣輔口模，離模后擠出脹大比與口模入口幾何結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)。 將氣輔擠出口模簡(jiǎn)化為圓

6、棒模型，對(duì)熔體在不同滑移段長(zhǎng)度的氣輔口模內(nèi)的流動(dòng)進(jìn)行模擬研究。考察了剪切速率、松弛時(shí)間對(duì)擠出脹大的影響，討論了滑移段長(zhǎng)度與壓力降、擠出脹大、應(yīng)力集中之間的關(guān)系。通過(guò)大量的數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，熔體在滑移段的停留時(shí)間與材料松弛時(shí)間之比與擠出脹大比之間存在指數(shù)衰減關(guān)系，其關(guān)系可用方程B=1+ Ae-t/λ表示。并通過(guò)其它文獻(xiàn)給出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)論證本文所提方程的有效性和可靠性，為滑移段長(zhǎng)度設(shè)計(jì)或工藝參數(shù)控制提供理論依據(jù)。 對(duì)HDPE、PP、A