史民強(qiáng)

（哈爾濱市新農(nóng)天豐塑料有限公司，黑龍江 哈爾濱 150038）

塑料擠出機(jī)多層螺旋模頭設(shè)計(jì)分析

史民強(qiáng)

（哈爾濱市新農(nóng)天豐塑料有限公司，黑龍江 哈爾濱 150038）

根據(jù)粘性流體流變學(xué)理論，在充分學(xué)習(xí)和借鑒國外農(nóng)膜生產(chǎn)裝備的基礎(chǔ)上，分析了國產(chǎn)螺旋模頭的設(shè)計(jì)方法和注意事項(xiàng)，對高質(zhì)、高效、低耗生產(chǎn)農(nóng)膜具有借鑒作用。

塑料擠出機(jī)；螺旋模頭；粘性流體流變學(xué)；農(nóng)膜

1 前言

目前市場對塑料農(nóng)膜質(zhì)量的要求越來越嚴(yán)苛，為達(dá)到高品質(zhì)和高生產(chǎn)率的目的，勢必推動擠出模頭設(shè)計(jì)理論及研究水平的提高。在當(dāng)前國內(nèi)模頭設(shè)計(jì)理論不是很成熟情況下，憑借經(jīng)驗(yàn)定性設(shè)計(jì)模頭的方法，已無法適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)的要求。國外塑料工業(yè)飛速發(fā)展，模頭設(shè)計(jì)理論不斷深入和創(chuàng)新，尤其隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，借助流體動力學(xué)分析軟件模塊PolyFlow，在流體動力學(xué)四大方程——質(zhì)量守恒連續(xù)方程、動量守恒運(yùn)動方程、能量守恒方程、本構(gòu)方程基礎(chǔ)上，利用CAD/CAM設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)出多層螺旋模頭，提高了塑料薄膜的產(chǎn)量、均勻度和光亮透明度。為發(fā)展中國民族塑料工業(yè)，必須在認(rèn)真學(xué)習(xí)、借鑒國外經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，腳踏實(shí)地，埋頭苦干，加強(qiáng)理論研究和試驗(yàn)分析，把研究成果及時(shí)市場化，產(chǎn)生良性循環(huán)，使我國的塑料工業(yè)在較短的時(shí)間內(nèi)，接近和超過國外先進(jìn)水平。

2 設(shè)計(jì)軟件的應(yīng)用

運(yùn)用現(xiàn)有的軟件進(jìn)行不投料的動畫模擬，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程模擬演示，使設(shè)計(jì)者直觀了解塑料成型過程中熔體的流動變化規(guī)律，以期獲得最佳模頭結(jié)構(gòu)，然后運(yùn)用Master CAM軟件編制刀具路徑，通過后置處理轉(zhuǎn)換成CNC程序，再傳送到五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床（CNC）仿真加工，將兩種軟件各自的功能特點(diǎn)配合使用，有效提高模頭設(shè)計(jì)及數(shù)控加工的精度和效率，使螺旋槽和分流道孔一次裝夾加工完成（一刀活）。

經(jīng)過以上程序操作，使螺旋模頭加工呈現(xiàn)以下顯著的特點(diǎn)：柔性化、流線型和斜分流道孔，可以防止流體經(jīng)直角轉(zhuǎn)變處產(chǎn)生流動突變，減小壓力降△P，提高熔體流動的均速穩(wěn)定性。螺旋槽從起始點(diǎn)經(jīng)過圓角過渡，增加熔體均勻流動性，避免熔體溫度差所形成的分層效應(yīng)，使熔料在?？谘貓A周方向上的壓力、溫度、速度分布基本達(dá)到均衡，保證薄膜厚度均勻度公差較小。

3 多層螺旋模頭分析

吹塑薄膜擠出系統(tǒng)見圖 1。根據(jù)熔體的流動性能，選用多層螺旋復(fù)合模頭，能基本滿足農(nóng)膜工藝要求，適用于不同熔體指數(shù)（MI）和粘度范圍較寬的物料。多層螺旋復(fù)合模頭高度低，壓力損失小，自潔時(shí)間短，具體特點(diǎn)如下：

圖1 吹塑薄膜擠出系統(tǒng)

（1）沒有分流架，不會出現(xiàn)熔接痕。

（2）使熔體在流道中得到進(jìn)一步充分有效的混合，在?？谘貓A周方向上的壓力、溫度和速度分布基本達(dá)到均勻一致，從而保證薄膜厚度和強(qiáng)度均勻。

（3）能生產(chǎn)超薄的膜。

（4）由于熔體的壓力在流道圓周方向平衡后，沿軸向流動時(shí)芯模受力均衡，不會產(chǎn)生偏中現(xiàn)象，密封性能好。

（5）模頭安裝操作方便，壽命長。

模頭的效率主要在模芯結(jié)構(gòu)，要求模頭呈螺旋流線型，這樣可以使熔體流阻最小化；非流線型靠近上下壁面的轉(zhuǎn)角處速度變化較大，并有熔體堆積在內(nèi)外表面，而流線型則相反。為保證螺旋芯棒的設(shè)計(jì)質(zhì)量，需對熔體在其中的流動情況進(jìn)行詳細(xì)的分析。

3.1 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

（1）芯棒的外徑。

（2）螺旋槽頭數(shù)（Z）。

（3）出料口的環(huán)形間隙。

（4）螺旋升角及環(huán)形流道芯棒錐角β。

3.2 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對流體分布的影響

三種參數(shù)對流體分布有強(qiáng)烈的影響。

3.2.1 螺旋槽頭數(shù)Z

數(shù)量越多，熔體流動波動越小，均勻性越好。熔體流動波動幅度近似與流道數(shù)量平方成反比，如圖 2。而流道深度的增加，可以減小壓力降△P，使流體分布均勻性得到改善。

3.2.2 螺旋末端的環(huán)形間隙

出料口初始間隙加大，增加了流道體積，可以降低壓力損失。如果軸向漏流太多，相當(dāng)一部分熔體根本不參與螺旋槽中的螺旋流動，只是在軸向上形成了一環(huán)形流動，降低混合效果，形成熔接痕，使熔體產(chǎn)生滯流，引起熱降解結(jié)垢。間隙值太小，會增加壓力降(△P)，降低擠出機(jī)產(chǎn)量，使摩擦溫度升高，模頭溫度難以控制，熔體成型困難，因此要優(yōu)選一個(gè)最佳值，使螺旋槽末端走勢盡可能平緩，保證高度方向的制造精度。

3.2.3 螺旋升角和芯棒錐角

螺旋升角減小使熔體流動變化率降低，均勻性提高，如果太小，會增加芯棒區(qū)的壓力降。芯棒錐角β和模套體內(nèi)錐度角一般在1°～ 2°間選擇。

螺旋芯棒分二個(gè)區(qū)段，預(yù)分流區(qū)和螺旋分流區(qū)， 二個(gè)區(qū)段功能不一樣。

預(yù)分流區(qū)：在芯棒中心部位采用水平分流孔，流體經(jīng)直角處產(chǎn)生流動突變，不利于流動，國外早已采用斜孔。

螺旋分流區(qū)：芯棒是模頭的核心部件，決定著模頭出口橫截面上熔體分配的質(zhì)量。

圖2 不同流道數(shù)量的體積漏流曲線

4 多層復(fù)合模頭設(shè)計(jì)原則

（1）復(fù)合模頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。模頭部件盡可能減少密封面，防止泄漏，縮短組裝和清洗時(shí)間。

（2）模頭零件材料的合理選擇至關(guān)重要，材料選鉻鉬合金鋼（CrMo），剛度好且耐壓、耐熱，有足夠的表面硬度，熱處理變形小，而且在200℃時(shí)，此合金鋼線膨脹系數(shù)小，對流道體幾何形狀影響小，滿足使用要求。

（3）流道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)符合高分子材料的流變學(xué)理論。

①流道光滑呈流線型，不得有突變區(qū)，更不能有死角滯留區(qū)。熔體粘度越高，流道變化越平緩，對各層芯棒形成的環(huán)隙應(yīng)同心，因此要求定位準(zhǔn)確，配合間隙采用斜面配合保證加工精度。

②各流道設(shè)計(jì)如不匹配，則各料流匯合疊層時(shí)會產(chǎn)生嚴(yán)重的流動不均衡，影響擠出穩(wěn)定性，很難保證各層料流復(fù)合時(shí)的均衡，見圖 3。 只有對流變性能進(jìn)行優(yōu)化，才能確定更精確的邊界值，確保擠出穩(wěn)定的層流邊界層，即使層的粘度和厚度相差很大也是如此。截面大的區(qū)域，即流速低（熔體滯留時(shí)間長）的區(qū)域，可能引起聚合物的降解。對于這種情況，應(yīng)按最小流道體積原理，采取縮小分配流道，減小軸向長度，可以很好地解決流動不均衡現(xiàn)象，如圖 4 所示。

Design analysis of multilayer spiral die head for plastic extruder

Shi Minqiang
(Harbin Xinnong Tianfeng Plastic Co.,Ltd., Harbin 150038, China)

According to viscous fl uid rheology theory, based on full study and use for reference from foreign agricultural fi lm production equipment, the design method of domestic spiral die head and precautions are analyzed, so as to have reference for high-quality, high eff i ciency, low consumption agricultural fi lm.

plastic extruder; spiral die head; viscous fl uid rheology; agriculture fi lm

TQ325.1

B

1672-4852（2014）01-0047-02

2013-08-31.

史民強(qiáng)（1955-），男，工程師.