T型挤出模具及其设计方法技术

涉及一种T型挤出模具，其流道包括沿熔体的流动方向依次设置的入口区、歧管、阻流区、松弛区和成型区；歧管的管径沿熔体的流动方向逐渐减小；阻流区包括厚度不等的阻流I区和阻流II区，靠近歧管的区域为阻流I区，靠近松弛区的区域为阻流II区，阻流I区和阻流II区的分界面是沿阻流区厚度方向的曲面。该挤出模具能够使得熔体沿流道宽度方向的出口流率均匀一致，熔体流经整个流道的压力降适中，熔体在流道中的停留时间更短。还涉及该挤出模具的设计方法，针对该挤出模具的流道设计，使熔体沿模具宽度方向的出口流率均匀，利用流变学理论基于变化的歧管管径推演阻流I区和阻流II区的分界形状曲线的微分方程。

T-type extrusion die and its design method

【技术实现步骤摘要】
T型挤出模具及其设计方法
本专利技术涉及模具设计领域，具体地说是T型挤出模具及其设计方法。
技术介绍
热塑性塑料片材、流涎膜挤出成型采用平缝型挤出模具，其流道设计的关键问题包括熔体沿流道宽度方向出口流率要均匀一致，熔体流经整个流道的压力降要适中，以及熔体在流道中的停留时间尽可能短。采用T型挤出模具成型热塑性塑料制品时，为提高制品横向厚度的均匀性，采用传统设计方法时，由于受模具长度的限制，通常会增加歧管截面尺寸或减小阻流区厚度来提高熔体出口流率均匀性即制品横向厚度的均匀性。增加歧管半径虽有利于降低挤出压力，但会显著增加熔体停留时间(特别是歧管中靠近模具宽度末端的熔体停留时间)，容易造成熔体的热降解；而减小阻流区厚度会显著增加挤出压力，通常会增加挤出难度，降低挤出产量。通常还需要采用阻流棒和柔性模唇等辅助措施，但造成模具结构复杂，制造成本增加。工程上亦采用将阻流区设计为厚度不同的两个区域来降低熔体停留时间和挤出压力，但由于缺乏设计理论的指导，仍需要加装阻流棒或/和采用柔性模唇并在试模时通过局部调节来提高熔体出口流率的均匀性。设计不良的流道即使通过调节阻流棒和柔性模唇也难以使熔体出口流率沿流道宽度方向的均匀性达到理想的状态，而且容易造成熔体滞留。
技术实现思路
针对现有技术中存在的技术问题，本专利技术的目的是：提供一种既可以显著降低挤出压力，又能够显著降低熔体停留时间的T型挤出模具。本专利技术的另一目的是提供一种上述T型挤出模具的设计方法。为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：<br>T型挤出模具，所述挤出模具的流道包括沿熔体的流动方向依次设置的入口区、歧管、阻流区、松弛区和成型区；歧管的管径沿熔体的流动方向逐渐减小；阻流区包括厚度不等的阻流I区和阻流II区，靠近歧管的区域为阻流I区，靠近松弛区的区域为阻流II区，阻流I区和阻流II区的分界面是沿阻流区厚度方向的曲面。作为一种优选，分界面在流道宽度对称面位置与歧管之间、分界面在流道宽度方向的末端与松弛区之间分别存在间距。作为一种优选，阻流I区的厚度大于阻流II区的厚度时，以流道宽度方向的对称面为中心，阻流I区的长度沿流道宽度方向逐渐增大，阻流II区的长度沿流道宽度方向逐渐减小。作为一种优选，阻流I区的厚度小于阻流II区的厚度时，以流道宽度方向的对称面为中心，阻流I区的长度沿流道宽度方向逐渐减小，阻流II区的长度沿流道宽度方向逐渐增大。T型挤出模具的设计方法，针对所述挤出模具的流道设计，使熔体沿模具宽度方向的出口流率均匀；(1)将歧管截面尺寸沿熔体在歧管中的流动方向逐渐减小以提高熔体的流速，从而降低歧管中熔体的停留时间；(2)将阻流区设置为厚度不同的阻流I区和阻流II区，保持阻流区总长度不变，通过改变阻流I区和阻流II区的相对长度沿流道宽度两侧的变化，使熔体流经阻流区的压力降沿流道宽度两侧降低，以提高熔体出口流率的均匀性；(3)基于变化的歧管截面尺寸，利用流变学理论推演阻流I区和阻流II区的分界形状曲线的微分方程。流变学理论的推演过程为：熔体在流动过程中温度不变，熔体黏度采用幂律模型描述，即式中，η为熔体黏度；K为稠度系数；为剪切速率；n为幂律指数；以歧管和阻流I区的交界线为x轴、以模具的对称面为y轴构建直角坐标系，熔体沿歧管流动时的压力梯度表示为式中，P为歧管中熔体在x处的压力；Q为歧管中熔体在x处的体积流率；R为x处的歧管半径；假定熔体在模具入口处的体积流率为2Q0，要求熔体沿模具宽度方向的出口体积流率均匀时，有Q＝Q0(1-x/W)(3)式中，W为流道宽度的一半；将式(3)代入式(2)，有在任一位置x处，熔体在阻流I区和阻流II区中沿挤出方向流动时的压力降可表示为式中，ΔPD为阻流区中的压力降，h1和h2分别为阻流I区和阻流II区的厚度；LD为阻流区的总长度，y为阻流I区和阻流II区分界形状曲线的坐标；流道的松弛区和成型区的厚度和长度沿流道宽度方向不变，要求熔体出口流率沿流道宽度方向均匀，则熔体在阻流II区出口处的压力沿流道宽度方向不变，即熔体在歧管中沿流动方向的压力梯度与熔体在阻流区中的压力降沿流道宽度方向的梯度相等，有由式(4)～(6)可得式(7)即为阻流I区和阻流II区分界形状曲线在图3所示坐标系中的微分方程，其边界条件为：x＝0，y＝LC(8)式中，LC为分界形状曲线在流道对称面位置与阻流I区和歧管的交界线之间的距离；阻流I区和阻流II区的厚度沿流道宽度方向不变，而歧管半径沿流道宽度方向减小且其末端尺寸不为0时，式(7)难以得到解析式，需要采用数值方法求解并拟合得到阻流I区和阻流II区的分界形状曲线。作为一种优选，歧管的截面为圆形时，歧管的半径按线性减小。作为一种优选，在流变学理论的推演时，忽略歧管中由于歧管半径变化引起的拉伸对熔体流动的影响及流道两侧壁面对熔体流动的影响。作为一种优选，采用ANSYSPolyflow软件对熔体在流道中的流动进行数值模拟，通过计算熔体的出口体积流率验证了分界形状曲线的可靠性。本专利技术的原理为：基于对熔体在流道中流动特点的分析，保持阻流区的总长度不变，将阻流区设计为厚度不同的阻流I区和阻流II区且其相对长度沿流道宽度方向变化以降低挤出压力，采用管径沿熔体的流动方向逐渐变小的歧管以减小熔体的停留时间，在满足熔体沿流道宽度方向出口流率均匀的条件下，利用流变学理论推导阻流I区和阻流II区分界形状曲线的微分方程，进而采用数值方法对其求解和拟合。与传统设计方法相比，采用管径沿熔体的流动方向逐渐变小的歧管和厚度不同的阻流I区和阻流II区的流道既可以显著降低熔体的停留时间，又能够显著降低挤出压力。总的说来，本专利技术具有如下优点：1.本专利技术T型挤出模具的流道采用管径沿熔体的流动方向逐渐变小的歧管，将阻流区设计为两个厚度不同的区域，基于熔体出口流率均匀的条件，推导出阻流I区和阻流II区分界形状曲线的微分方程，根据分界形状曲线制作阻流I区和阻流II区的分界面。对该微分方程进行数值求解，可用于流道歧管半径、阻流I区和阻流II区的厚度及其分界形状曲线的设计。2.采用数值方法求解阻流I区和阻流II区分界形状曲线的微分方程并建立流道几何模型，利用数值模拟对设计的流道进行了验证，表明所推导的分界形状曲线微分方程是可靠的，能够指导T型挤出模具的流道设计。3.与歧管半径和阻流区厚度不变的流道相比，采用管径变化的歧管和两个不同厚度阻流区的流道在满足熔体出口流率沿流道宽度方向均匀的条件下，既可以显著降低熔体在流道中的停留时间，又能够显著降低模具的挤出压力。4.该挤出模具能够使得熔体沿流道宽度方向出口流率均匀一致即保证能够得到横向厚度均匀的制品，熔体流经整个流道的压力降适中，熔体在流道中的停留时间更短。附图说明图1为实施例中的T型挤出模具的流道结构示意图。图2为图1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.T型挤出模具，其特征在于：所述挤出模具的流道包括沿熔体的流动方向依次设置的入口区、歧管、阻流区、松弛区和成型区；歧管的管径沿熔体的流动方向逐渐减小；阻流区包括厚度不等的阻流I区和阻流II区，靠近歧管的区域为阻流I区，靠近松弛区的区域为阻流II区，阻流I区和阻流II区的分界面是沿阻流区厚度方向的曲面。/n

【技术特征摘要】
1.T型挤出模具，其特征在于：所述挤出模具的流道包括沿熔体的流动方向依次设置的入口区、歧管、阻流区、松弛区和成型区；歧管的管径沿熔体的流动方向逐渐减小；阻流区包括厚度不等的阻流I区和阻流II区，靠近歧管的区域为阻流I区，靠近松弛区的区域为阻流II区，阻流I区和阻流II区的分界面是沿阻流区厚度方向的曲面。


2.按照权利要求1所述的T型挤出模具，其特征在于：分界面在流道宽度方向对称面位置与歧管之间、分界面在流道宽度方向的末端与松弛区之间分别存在间距。


3.按照权利要求2所述的T型挤出模具，其特征在于：阻流I区的厚度大于阻流II区的厚度时，以流道宽度方向的对称面为中心，阻流I区的长度沿流道宽度方向逐渐增大，阻流II区的长度沿流道宽度方向逐渐减小。


4.按照权利要求2所述的T型挤出模具，其特征在于：阻流I区的厚度小于阻流II区的厚度时，以流道宽度方向的对称面为中心，阻流I区的长度沿流道宽度方向逐渐减小，阻流II区的长度沿流道宽度方向逐渐增大。


5.T型挤出模具的设计方法，其特征在于：针对所述挤出模具的流道设计，使熔体沿模具宽度方向的出口流率均匀；
(1)将歧管截面尺寸沿熔体在歧管中的流动方向逐渐减小以提高熔体的流速，从而降低歧管中熔体的停留时间；
(2)将阻流区设置为厚度不同的阻流I区和阻流II区，保持阻流区总长度不变，通过改变阻流I区和阻流II区的相对长度沿流道宽度两侧的变化，使熔体流经阻流区的压力降沿流道宽度两侧降低，以提高熔体出口流率的均匀性；
(3)基于变化的歧管截面尺寸，利用流变学理论推演阻流I区和阻流II区的分界形状曲线的微分方程。


6.按照权利要求5所述的T型挤出模具的设计方法，其特征在于，流变学理论的推演过程为：
熔体在流动过程中温度不变，熔体黏度采用幂律模型描述，即



式中，η为熔体黏度；K为稠度系数；为剪切速率；n为幂律指数；
以歧管和阻流I区的交界线为x轴、以模具的对称面为y轴构建直角坐标系；
熔体沿歧管流动时的压力梯度表示为



式中...

【专利技术属性】
技术研发人员：麻向军，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44