基于CAE的木塑包覆口模設計及共擠模擬

        摘要: 為了降低生產(chǎn)成本，提高設計效率和設計精度，結合木塑復合材料特殊的性能，借助CAE 軟件對共擠出模頭進(jìn)行輔助設計。并由制件尺寸逆向模擬口模定型段尺寸、口?？谛统叽绲扔绊懼破焚|(zhì)量的關(guān)鍵性參數，然后對異型材擠出流道的整體結構進(jìn)行設計，最后采用正向模擬對共擠模頭進(jìn)行流場(chǎng)分析，檢驗其可靠性。
        隨著(zhù)木塑材料的廣泛應用，對其制品的質(zhì)量和產(chǎn)量的要求也在不斷的增加。一般情況下，木塑異型材截面形狀比較復雜，表面質(zhì)量和配合尺寸精度要求比較高，在不考慮原料配比及成型工藝參數的情況下，機頭流道的結構尺寸及形狀是決定型材制品尺寸及形狀的重要因素。
        傳統的模頭是依據生產(chǎn)經(jīng)驗、材料的性能和原始參數、擠出制品的幾何形狀和尺寸以及大量的實(shí)驗驗證而來(lái)。通過(guò)這種傳統的試錯法設計的口模具有很大的盲目性，缺少科學(xué)依據。近些年來(lái)，國外引入了一種流體力學(xué)軟件( CFD) 軟件用于口模擠出成型的數值模擬，很大程度上促進(jìn)了此類(lèi)行業(yè)的發(fā)展，而Polyflow 就是其中專(zhuān)用于黏彈性流體模擬的一個(gè)軟件［1－4］。通過(guò)該軟件的逆向模擬結果可以看出其變形趨勢，縮短口模設計周期，降低設計成本，對口?？谛偷脑O計有極大的指導作用。
        本工作開(kāi)始通過(guò)CAE 軟件對制件進(jìn)行逆向模擬設計出口?？谛?，接著(zhù)對包覆型材的擠出流道結構進(jìn)行設計，最后運用正向模擬對設計的模頭進(jìn)行流場(chǎng)分析，檢驗其可靠性［5］。
1 包覆型材模頭口型設計
        逆向擠出過(guò)程依據出口處流體速率重新分布的原理，為了避免邊長(cháng)中部區域因速率大產(chǎn)生擠出膨脹而不能獲取所需形狀，必須盡可能降低該區域的尺寸，計算出擠出口型的形狀［6］。對于包覆型材的擠出成型，主要是計算出可達到生產(chǎn)要求的口模內部尺寸。
1.1 建立有限元模型

        采用Creo 軟件建立幾何模型，對其進(jìn)行逆向擠出模擬，整體分為兩個(gè)計算域。圖1 為制件截面尺寸和形狀，取模型的四分之一進(jìn)行分析，再將其導入Workbench 中進(jìn)行有限元網(wǎng)格的劃分。通過(guò)建立定型段和自由段模型，應用逆向擠出技術(shù)對其口模進(jìn)行設計。
1. 2 建立分析任務(wù)
        在逆向擠出模擬中，將計算區域劃分兩個(gè)子區域，一是存在滑動(dòng)壁面且位于口模內的流體區域1，另一個(gè)是位于口模外的自由表面擠出物區域2，計算區域見(jiàn)圖2。

1. 3 設置材料參數及邊界條件
        文章選用的冪律本構模型［7］，設定該木塑材料的零剪切黏度是7 000 Pa·s，非牛頓指數n = 0. 45。松弛時(shí)間λ 取默認值1。并假設: 1) 流場(chǎng)是等溫穩定的層流流場(chǎng); 2) 可自動(dòng)忽略重力和慣性力等體積力; 3) 流體是黏性不可壓縮的; 4) 機筒內側壁面的物料沒(méi)有滑移。
        本模型邊界條件如上圖2，其中，邊界1 為流動(dòng)入口，體積流速Q = 1. 6 × 10－6 m3 /s ( 真實(shí)流速的1 /4) ; 邊界2 和邊界3 為對稱(chēng)面; 邊界4 為口模壁面，選用漸變函數為［8］: f ( s) = 1 /s; 邊界5 為自由表面，初始位置為邊界4 與邊界5 的交界線(xiàn)，還需要指出自由表面出口位置［7］; 邊界6 為流動(dòng)出口。
        運用網(wǎng)格重置技術(shù)，選擇的網(wǎng)格重置技術(shù)為Optimesh. 3D［9］。完成上述設置后，輸出Iges file 和CFD-Post 格式文件，運行進(jìn)行求解。
1. 4 結果分析
        運行后處理模塊CFD-Post 來(lái)顯示計算生成的分析結果。制品出現了離模脹大現象，出口處的尺寸需略小于制件尺寸，如圖3 所示。
        1) 流體速度分布
        此型材在各個(gè)橫截面上軸對稱(chēng)，截取Z 軸截面流速分布如圖4 所示。從口模入口處開(kāi)始，速度是完全發(fā)展的，而口模壁面的速度基本為零，當流體流出口模后，速度逐漸過(guò)渡到最后成為一個(gè)恒定值?？谀Ｖ兴椒较虻乃俣瘸蕭佄锞€(xiàn)分布，流體的速度分布整體和入口的速度分布一致，當熔體流出口模時(shí)，速度會(huì )發(fā)生突變，出現垂直于熔體流動(dòng)方向的速度，隨之趨于恒定。

        另外，流體在口模出口之前20 mm 處的流速是完全發(fā)展的，而在距離口模出口后10 mm 的地方流速趨于恒定，在此之間的區域為過(guò)渡區域，所以在設計口模時(shí)，長(cháng)度應該大于20 mm。

        2) 口模設計結果
        流體從口模擠出會(huì )產(chǎn)生擠出脹大現象，而此逆向擠出功能能針對這種現象對口模提供補償，依據分析計算的數據來(lái)設計我們所需口模的形狀［9］。

        通過(guò)逆向分析計算得出的制件與口模的形狀對比見(jiàn)圖5?？梢钥闯?，所需的斷面形狀與按照所設計口型擠出的斷面形狀很接近，誤差相對較小，是可以被用在實(shí)際應用中［6］。測量其內部幾何尺寸，得到合理的口模三維圖，如圖6 所示。二維的截面圖如圖7所示。

2 模頭整體結構設計
        口模設計過(guò)程中，首先需要了解木塑材料的性能，木塑材料的特殊性使得需加大其壓縮比，提升熔體的壓力［10］，且需控制口模平直段長(cháng)度，避免木纖維因停留時(shí)間過(guò)長(cháng)發(fā)生降解。由于木塑材料的流動(dòng)性比較差，所以口模設計時(shí)擴張角和壓縮角都不能太大，避免存在或者產(chǎn)生滯留區。此外，木塑材料具有較強的熱敏感性，因此設計時(shí)，為了增加熱容量應選擇比較大的結構尺寸，來(lái)加強口模各處溫度的均勻性和穩定性。
        口模內部尺寸由以上逆向擠出分析得出，如圖7所示。由于制件尺寸較小，但必須滿(mǎn)足逆向計算出的口模長(cháng)度要大于20 mm 的要求。平流段段長(cháng)度過(guò)大會(huì )增大料流的阻力，故取L1為30 mm。
        共擠出口寬度L4由Ployflow 逆向擠出功能得出，L4 = 49. 1 mm，芯層流道寬度為L(cháng)5 = 47. 6 mm。壓縮段的長(cháng)度L2由經(jīng)驗取得: L2 = 65 mm。皮層熔體在入口的流道直徑D= 19. 2 mm。

        壓縮區錐角α 一般在10° ～60°范圍內選取。對于低黏度材料可選取較大值，反之，取較小值。由于木塑黏性較高，壓縮區的錐角α 選擇23°。匯流段有效長(cháng)度L3由經(jīng)驗公式得到: L3 = 121 mm。流道設計成光滑的流線(xiàn)型，無(wú)滯留區，無(wú)突變區，避免擴張且要保證穩定持續的壓縮［11－13］。流道定型段要求與口模的長(cháng)度相等，所取各值均在合理范圍之內。模頭流道的整體結構示意圖如圖8 所示。
3 共擠模擬結果分析
        Cross-Law 模型相對于冪律模型更適用于低剪切速率下的流體模擬，與擠出加工成型的實(shí)際狀況比較符合［14］。故表層選用Cross-Law 模型來(lái)分析對模頭流道內的流體。剪切黏度η 為:

式中，η0－零剪切黏度，取值為85 000 Pa·s; λ－0. 2s; γ· －剪切速率，s－1 ; m－稠度系數，0. 3。由于m =0. 3 ( 小于0. 75) ，為了防止計算發(fā)散，選用Picard迭代［15］。模型相對來(lái)說(shuō)有點(diǎn)復雜，為了減少計算量，故取1 /2 模型來(lái)進(jìn)行計算。
3. 1 共擠過(guò)程壓力場(chǎng)分布

        在CAE 軟件里面設置邊界條件并進(jìn)行計算，最后用CFD-POST 進(jìn)行后處理。圖9 為共擠過(guò)程中殼層物料的壓力變化云圖，圖10 所示為共擠過(guò)程中芯層物料的壓力變化云圖，可以看出，壓力從入口到出口逐漸減小，入口處壓力最高。芯層入口處壓力為0. 418 MPa，出口處壓力為0. 035 MPa。由圖可見(jiàn)，壓力的分布相對比較合理。
3. 2 共擠過(guò)程速度場(chǎng)分布
        圖11、12、13 所示分別為口模入口，復合部分以及口模出口處物料的速度變化云圖，由三幅圖可以看出，物料的流速呈現一定趨勢，從2. 273×10－3 m·s－1到2. 273×10－2 m·s－1 不等; 流速等值線(xiàn)是以對稱(chēng)軸為中心的環(huán)狀分布。物料在匯合前，保證橫截面橫向、豎向速度流場(chǎng)趨勢均勻，芯層和殼層的速度趨勢均為中間大而兩邊小，其中芯層中部區域速度最大，而殼層最大速度位于兩角中心部分。

        機頭復合部分速度場(chǎng)也大體滿(mǎn)足這個(gè)趨勢，中間部分速度大而邊緣速度小，流速等值線(xiàn)滿(mǎn)足以對稱(chēng)軸為中心的環(huán)狀分布，另外，芯層和殼層界面處的速度值也在逐漸接近，且各個(gè)方向速度基本均勻。

        到口模出口處，皮層和芯層界面速度基本趨于一致，為3. 527×10－3 m/s，能基本實(shí)現從口模中同速擠出。由整個(gè)速度場(chǎng)看出，流速的分布相對來(lái)說(shuō)是均勻合理的［15］。
3. 3 共擠界面剪切速率分布
        復合界面的剪切速率云圖如圖14 所示，可以看出，在復合界面處，口模內的剪切速率大于口模外的，且中間值較大而兩邊較小，由于界面受到剪切應力的作用會(huì )出現如圖所示的波浪紋等一些擠出不穩定現象的可能性，從口模內到口模外剪切速率的數值也在逐漸減小，界面相對來(lái)說(shuō)比較穩定，能實(shí)現我們所需的效果。

4 結語(yǔ)
        借助CAE 軟件逆向擠出功能對機頭定型段進(jìn)行模擬，確定口模尺寸，然后進(jìn)行共擠模頭整體結構設計，最后采用正向計算分析所設計模頭中物料的壓力和流動(dòng)狀況，確定所設計機頭的合理性以及共擠界面的穩定性。通過(guò)采用逆向和正向流動(dòng)場(chǎng)模擬相結合，極大提高了設計精度和效率，減少了人力和物力浪費。