李 東，馬鵬濤，廖洋威

（金發(fā)科技股份有限公司 塑料改性與加工國家工程試驗(yàn)室，廣東 廣州 510663）

0 引 言

木塑復(fù)合材料（wood plastic composites，WPC）應(yīng)用廣泛，通常商業(yè)化WPC產(chǎn)品的木質(zhì)組分填充量超過50%，甚至還添加一些無機(jī)粉體。WPC熔體屬于高含量固體粒子填充非牛頓基體的懸浮體系，分散相和連續(xù)相相互作用，使熔體流變行為變得復(fù)雜。WPC熔體黏度隨木質(zhì)組分含量的增加而增加，但材料力學(xué)性能急劇下降，且高填充體系熔體對(duì)剪切速率的變化敏感[1,2]，造成加工時(shí)流動(dòng)性差、不穩(wěn)定等，表現(xiàn)為物料滯留、局部燒焦、尺寸超差、截面不均勻等問題，甚至滯留嚴(yán)重導(dǎo)致降解而停機(jī)。

擠出機(jī)塑化的熔體經(jīng)過模具分流、成型、定型和冷卻后得到產(chǎn)品。離模膨脹、拉伸變形和冷卻收縮效應(yīng)的綜合作用決定了產(chǎn)品成型質(zhì)量，這主要受擠出模的影響。設(shè)計(jì)合理的擠出模對(duì)提高產(chǎn)品成型質(zhì)量和生產(chǎn)效率具有重要意義。擠出模通常采用模流平衡系數(shù)方法對(duì)截面進(jìn)行子區(qū)域劃分，但該方法對(duì)形狀較復(fù)雜的異型材會(huì)存在設(shè)計(jì)缺陷。在擠出成型模的研究、開發(fā)和設(shè)計(jì)方面，流體仿真技術(shù)應(yīng)用越來越多，Polyflow在擠出成型板材、管材、異型材等的模擬與實(shí)際十分接近，能較好的指導(dǎo)并解決工程問題，提升擠出模的開發(fā)效率[3]。擠出成型模擬通常以熔體流速均勻分布為優(yōu)化目標(biāo)指導(dǎo)模具設(shè)計(jì)[4,5]。張振等[6]使用Polyflow軟件對(duì)功能塊流道的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究；王培劍[7]以模具流道出口處的流動(dòng)速度平衡性和流道內(nèi)最大壓力降為優(yōu)化指標(biāo)，通過模擬正交試驗(yàn)確定了優(yōu)化的模具結(jié)構(gòu)；陳林生等[8]運(yùn)用模擬技術(shù)輔助設(shè)計(jì)內(nèi)筋流道結(jié)構(gòu)參數(shù)，解決了擠出不穩(wěn)定問題；也有研究人員使用Polyflow逆向擠出功能對(duì)模具形狀和尺寸進(jìn)行數(shù)值預(yù)測[9,10]，仿真方法的應(yīng)用有效提高了擠出模的設(shè)計(jì)效率與質(zhì)量。

現(xiàn)使用Polyflow模擬分析PVC木塑復(fù)合材料異型材的擠出模流道出口處的流體流動(dòng)速度分布，結(jié)合產(chǎn)品截面的尺寸形狀和子區(qū)域的密度測試結(jié)果，以產(chǎn)品截面流動(dòng)平衡為目標(biāo)，研究擠出模流道關(guān)鍵結(jié)構(gòu)對(duì)擠出流場的影響，并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)，對(duì)比分析優(yōu)化前后的擠出效果，指導(dǎo)該P(yáng)VC木塑復(fù)合材料異型材的擠出模設(shè)計(jì)和修配，提升產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率和穩(wěn)定性。

1 模型建立

1.1 幾何模型

PVC木塑復(fù)合材料異型材產(chǎn)品的截面結(jié)構(gòu)及主要尺寸如圖1（a）所示，最大尺寸為100 mm×50 mm，其中一側(cè)面為卡扣，關(guān)鍵在于外形、內(nèi)筋和卡扣處的尺寸、密度要符合要求。該產(chǎn)品擠出模結(jié)構(gòu)模型和擠出流道結(jié)構(gòu)分別如圖1（b）、（c）所示。擠出時(shí)熔體先進(jìn)入一段圓柱形流道，圓柱形流道過渡成截面漸變的矩形流道，同時(shí)模芯對(duì)流體進(jìn)行分配，分別形成異型材的外框、卡扣和內(nèi)筋，經(jīng)成型段和定型段擠出產(chǎn)品。擠出模與定型冷卻模直接相連，采用熔體離模發(fā)泡的方式，不允許在擠出機(jī)內(nèi)和型腔內(nèi)發(fā)泡。

圖1 異型材擠出模和流道結(jié)構(gòu)

1.2 數(shù)學(xué)模型

成型過程中，考慮模具流道的復(fù)雜性，對(duì)擠出模中熔體的流動(dòng)進(jìn)行如下假設(shè)。

（1）擠出過程中熔體的溫度不變。

（2）熔體在側(cè)壁無滑移，在流道內(nèi)流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)層流。

（3）熔體為不可壓縮、密度不變的廣義牛頓流體，并且熔體在流道內(nèi)沒有發(fā)泡。

（4）熔體的慣性力和重力等體積力小于粘滯力，忽略不計(jì)。

（5）熔體在加工溫度和實(shí)際剪切范圍內(nèi)的黏度對(duì)剪切速率滿足Bird-Carreau模型。

在此假設(shè)的基礎(chǔ)上，熔體在擠出模中流動(dòng)的控制方程滿足連續(xù)性方程和動(dòng)量守恒方程。

1.3 材料參數(shù)

研究的PVC木塑復(fù)合材料異型材生產(chǎn)溫度為180℃，生產(chǎn)速度為0.88 m/min，產(chǎn)品規(guī)格為1 200 g/m，熔體體積流量為2.558 1×10-5m3/s。假設(shè)流場為等溫流場且不考慮重力及慣性力的影響，故僅需定義黏度對(duì)剪切速率的依賴關(guān)系。使用流變儀測得180℃下該熔體的黏度和剪切速率關(guān)系，擬合為滿足Bird-Carreau模型的曲線，進(jìn)行仿真求解。

2 數(shù)值模擬分析

使用ANSYS Workbench Mesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分，原則是靠近流道壁面的網(wǎng)格較密，流道中心附近的網(wǎng)格較疏，使其既能較準(zhǔn)確模擬，也能較快計(jì)算。該模具出口結(jié)構(gòu)上下對(duì)稱，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)有區(qū)別，故采用整體流道模型計(jì)算，所有模型均采用六面體網(wǎng)格。使用Polyflow軟件計(jì)算，將材料參數(shù)代入，采用Picard迭代法進(jìn)行求解。計(jì)算均假定壁面無滑移，即熔體在與模具的接觸壁面上速度為零，法向速度和切向應(yīng)力為零。

3 擠出型材的密度評(píng)估

對(duì)穩(wěn)定生產(chǎn)的擠出型材每間隔3 min進(jìn)行取樣，共取樣3次，使用鋸切將試樣截取截面整齊的4 cm長的樣段，再進(jìn)行圖2所示的分切，沿虛線分割和編號(hào)，使用密度計(jì)測試分割后樣品的密度，3次樣品密度的平均值為該區(qū)域樣品密度。

圖2 異型材樣品分切

4 擠出型材和模擬結(jié)果分析

使用原模具生產(chǎn)時(shí)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品尺寸偏差較大、內(nèi)筋彎曲且壁厚不足、產(chǎn)品截面密度波動(dòng)大，且生產(chǎn)約2 h后內(nèi)部碳化嚴(yán)重。對(duì)于上述問題，使用Polyflow進(jìn)行逐步優(yōu)化，修改模具的分流段、成型段和定型段，并根據(jù)實(shí)際產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行微調(diào)，最終確定模具結(jié)構(gòu)。為描述簡潔、清楚，將原模具的產(chǎn)品和仿真結(jié)果均記為Extrusion Mould 0，簡寫為EM0；優(yōu)化后的模具記為Extrusion Mould 1，簡寫為EM1。

4.1 優(yōu)化前后模具結(jié)構(gòu)對(duì)比

通過修改分流段、成型段的結(jié)構(gòu)參數(shù)，根據(jù)每次修改的分析結(jié)果進(jìn)行多次迭代優(yōu)化，最終獲得較優(yōu)的EM1。將EM0和EM1的流道提取，使用EM0流道減去EM1流道后剩余的3D模型表示優(yōu)化模具增補(bǔ)的部分，使用EM1流道減去EM0流道后剩余的3D模型表示優(yōu)化模具減去的部分，各模型如圖3所示。

圖3 優(yōu)化前后流道及其差減后模型

由圖3（a）、（b）可知，優(yōu)化前后的模具流道在過渡收斂區(qū)、成型段區(qū)域的長度及結(jié)構(gòu)、卡扣處結(jié)構(gòu)及近出口的上下框區(qū)域流道等發(fā)生明顯變化；由圖3（c）可知，優(yōu)化后的模具EM1相對(duì)于EM0，對(duì)流道截面收斂區(qū)、卡扣處的收斂區(qū)、成型段的上下框區(qū)域、內(nèi)筋區(qū)域以及卡扣處成型區(qū)域等位置進(jìn)行增補(bǔ)；由圖3（d）可知，優(yōu)化后的模具EM1相對(duì)于EM0，對(duì)不同區(qū)段的模具過渡區(qū)進(jìn)行平滑、使外框及內(nèi)筋的流道收斂時(shí)入口角度增大、兩豎框區(qū)域的寬度增加、卡扣處成型區(qū)的流道平滑過渡等。這些流道結(jié)構(gòu)的改進(jìn)目標(biāo)是擠出過程沒有死角、流道平滑過渡、分流時(shí)熔體分配合理、成型段和定型段壓力適中，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)時(shí)異型材成型并保持穩(wěn)定。

4.2 產(chǎn)品外觀

使用EM0和EM1擠出的樣品截面如圖4所示，由圖4可知，EM0擠出的WPC異型材截面的十字筋扭曲，尺寸偏離，并且內(nèi)筋和壁面相連的部分薄弱、缺料，截面上紋理不均（發(fā)泡不均勻），不滿足質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)Polyflow仿真優(yōu)化后的EM1擠出的產(chǎn)品十字內(nèi)筋均勻、尺寸和形狀準(zhǔn)確，豎筋豎直無扭曲，十字筋和壁面相連良好，連接處外觀密實(shí)、無缺料，卡扣側(cè)的豎邊厚度滿足要求，整個(gè)截面紋理較為均勻，產(chǎn)品合格。

圖4 異型材樣品截面

4.3 產(chǎn)品密度分布

按照定義的密度評(píng)估方法，分別對(duì)EM0和EM1擠出的異型材樣段進(jìn)行測試，結(jié)果如表1和圖5所示。

由表1和圖5可知，EM0擠出的產(chǎn)品截面小區(qū)域密度不均勻，且相差較大，卡扣位、拐角處密度較大，說明此處流速較快，在內(nèi)筋處的密度不均，且內(nèi)筋局部和相鄰位置外框的密度相差較大，在經(jīng)過定徑模時(shí)，該處的連接緊密不足，與圖4中所觀察到的現(xiàn)象一致。使用EM1擠出的產(chǎn)品的截面小區(qū)域密度也不均勻，但是相比EM0樣品，截面上的密度分布改善顯著，特別是內(nèi)筋局部區(qū)域的流速與其相鄰?fù)饪蛱幍乃俣冉咏巩愋筒牡慕Y(jié)構(gòu)得到保證，且內(nèi)筋均勻、密實(shí)?？厶幟芏认鄬?duì)其他位置較高，是為了保持較高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，以用于安裝固定。

表1 異型材樣品分切后區(qū)域密度 g/cm3

圖5 樣品分切后的區(qū)域密度分布

4.4 擠出流場分析

4.4.1 擠出出口處的速度分布

使用Polyflow分別對(duì)EM0和EM1擠出的異型材在相同條件下進(jìn)行仿真分析，其擠出出口時(shí)的速度分布云圖如圖6所示。由圖6（a）可知，使用EM0在擠出端面上的最大速度為9.454×10-2m/s，發(fā)生在卡扣區(qū)域的中間小區(qū)域；在研究條件下理論熔體平均流速為1.77×10-2m/s，外框流動(dòng)速度在大部分區(qū)域超過此值，而內(nèi)筋和靠近卡扣的豎邊均在其流道中心區(qū)域流速較快，最大速度接近理論平均流速；局部流道面積大、流動(dòng)阻力小，導(dǎo)致在外框的拐角處、內(nèi)筋的交叉處等區(qū)域流速較大；在內(nèi)筋局部和對(duì)應(yīng)的外框局部處流速相差較大，特別在豎筋處更為明顯，這與擠出產(chǎn)品的內(nèi)筋和外框相連處薄弱缺陷對(duì)應(yīng)。

圖6 擠出出口的速度分布云圖

由圖6（b）可知，使用EM1在擠出端面上的最大速度為7.546×10-2m/s，也發(fā)生在卡扣區(qū)域，但是卡扣較大區(qū)域的流速均比較快，有助于保證卡扣處的強(qiáng)度；產(chǎn)品的外框流動(dòng)速度略超過熔體的理論平均流動(dòng)速度，內(nèi)筋和豎框均在其流道中心區(qū)域流速較快，最大速度接近理論平均流速；外框和內(nèi)筋的流動(dòng)速度差小，有助于保持產(chǎn)品連接處的強(qiáng)度，這與產(chǎn)品結(jié)果一致。

對(duì)比圖6（a）、（b）可知，改進(jìn)后的模具最大流速降低，產(chǎn)品外框和內(nèi)筋的速度差更小，在外框和內(nèi)筋各自區(qū)域內(nèi)的流動(dòng)速度更均勻，卡扣處流速較大的區(qū)域布滿整個(gè)卡扣，且卡扣和外框、豎框相連區(qū)域流速也較大，有助于保持卡扣與本體的強(qiáng)度。由圖6（b）可知，雖然內(nèi)筋處的流速比外框略低，但是在穩(wěn)定生產(chǎn)時(shí)，由于螺桿的剪切作用使熔體溫度略高于設(shè)定溫度，導(dǎo)致實(shí)際的熔體黏度比計(jì)算假定黏度略低，流動(dòng)性略好，而外框區(qū)域受模具控溫系統(tǒng)（加熱和冷卻）影響更明顯，黏度與計(jì)算假定黏度接近。因此，中間筋的實(shí)際流速比計(jì)算結(jié)果偏大，減小了內(nèi)外流動(dòng)速度差，產(chǎn)品截面流速更均勻，產(chǎn)品形狀、尺寸和密度也更接近設(shè)計(jì)要求。在流動(dòng)平衡的原則下，結(jié)合實(shí)際情況，根據(jù)產(chǎn)品需求和模具結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)時(shí)使流速均勻。

4.4.2 近出口處的壓力流場

擠出過程的熔體壓力反映模具流道的情況，使用EM0和EM1仿真擠出時(shí)，為較好分析成型段、定型段的熔體流動(dòng)狀況，選取熔體壓力分別為3、2、1 MPa時(shí)的2種模具內(nèi)的壓力分布進(jìn)行對(duì)比分析，擠出出口前的壓力分布云圖如圖7和圖8所示。

由圖7和圖8可知，相同條件下，使用EM0的擠出壓力最大為7.268 MPa（螺桿末端），而使用EM1的擠出壓力最大為5.967 MPa，優(yōu)化后的模具擠出壓力更小，設(shè)備的負(fù)荷更低、更節(jié)能，這也意味著使用EM1達(dá)到EM0同等壓力時(shí)可以得到比EM0更高的產(chǎn)量，可在同樣配置條件下實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)。

圖7 EM0擠出壓力仿真結(jié)果

圖8 EM1擠出壓力仿真結(jié)果

對(duì)比EM0和EM1的仿真結(jié)果，EM1的等壓力分布面基本保持為垂直流動(dòng)方向的平面，而使用EM0的等壓力分布面較扭曲，說明在成型段到出口的過程中，EM0擠出時(shí)產(chǎn)品截面上的壓力沿?cái)D出方向出現(xiàn)較大變化，而EM1在擠出過程中產(chǎn)品截面上壓力平穩(wěn)降低，面內(nèi)壓力基本一致。壓力的沿程變化反映的是流動(dòng)穩(wěn)定性，成型段、定型段熔體壓力的突變使產(chǎn)品內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力、變形、破裂等，影響產(chǎn)品的外觀和內(nèi)在質(zhì)量。對(duì)于發(fā)泡的PVC木塑復(fù)合材料，成型過程中截面內(nèi)熔體壓力均衡降低有益于獲得均勻的產(chǎn)品截面密度和更好的質(zhì)量，這與實(shí)際產(chǎn)品的區(qū)域密度和外觀結(jié)果一致。

5 結(jié)束語

針對(duì)發(fā)泡型PVC木塑復(fù)合材料異型材擠出模，通過使用Polyflow數(shù)值模擬和實(shí)際結(jié)果結(jié)合的方法，以成型過程中的流場平衡、成型壓力均勻變化為目標(biāo)，結(jié)合異型材產(chǎn)品局部區(qū)域密度分布和外觀形貌進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)擠出模的分流段、成型段進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果表明，經(jīng)優(yōu)化后的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)穩(wěn)定性得到明顯提高，并且同等條件下，更低的擠壓力使更高的產(chǎn)量成為可能，同時(shí)提升產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。在較多假設(shè)前提的Polyflow理論指導(dǎo)下，與實(shí)際的工程問題結(jié)合的方法對(duì)類似復(fù)雜異型材、發(fā)泡異型材等擠出模設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。