趙 峰,薛 平＊,苗立榮,劉天濤,方曉鐘

(1.北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,北京100029;2.安徽國(guó)風(fēng)木塑科技有限公司,安徽合肥230011)

基于正交試驗(yàn)與數(shù)值模擬的木塑異型材擠出機(jī)頭流道設(shè)計(jì)方法

趙 峰1,薛 平1＊,苗立榮1,劉天濤1,方曉鐘2

(1.北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,北京100029;2.安徽國(guó)風(fēng)木塑科技有限公司,安徽合肥230011)

建立了一種基于正交試驗(yàn)與數(shù)值模擬的木塑異型材擠出機(jī)頭流道的設(shè)計(jì)方法,其主要原理是:在結(jié)合木塑復(fù)合材料流變行為的基礎(chǔ)上,將異型材擠出機(jī)頭流道的主要幾何參數(shù)定義為正交試驗(yàn)因素,利用正交設(shè)計(jì)方法對(duì)這些幾何參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)安排;使用Inventor軟件三維參數(shù)化尺寸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流道模型的迅速建立;通過(guò)專業(yè)計(jì)算流體力學(xué)有限元分析軟件Polyflow完成機(jī)頭流道內(nèi)熔體的模擬計(jì)算和仿真分析;選擇適當(dāng)?shù)脑u(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行正交優(yōu)化,最終獲得機(jī)頭流道的合理參數(shù)。依據(jù)這種方法,對(duì)立柱木塑異型材進(jìn)行了機(jī)頭流道的設(shè)計(jì),最終得到理想的設(shè)計(jì)結(jié)果。

正交試驗(yàn);數(shù)值模擬;異型材;機(jī)頭;流道;木塑復(fù)合材料

0 前言

隨著木塑復(fù)合材料在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用,異型材制品的種類越來(lái)越多,市場(chǎng)對(duì)其品質(zhì)的要求也越來(lái)越高。一般來(lái)說(shuō),木塑復(fù)合材料異型材的截面形狀非常復(fù)雜,配合尺寸和精度要求較高,在機(jī)頭各模板幾何尺寸基本確定的情況下,機(jī)頭的流道、構(gòu)造及加工精度是決定異型材形狀、尺寸精度及表觀質(zhì)量的主要因素。在傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)中,擠出機(jī)頭的設(shè)計(jì)一般采用“Trial and Error”的方法,該方法需要反復(fù)試模、修模來(lái)達(dá)到預(yù)期效果,導(dǎo)致制造周期長(zhǎng)[1],制造成本提高。隨著計(jì)算科學(xué)及CAD/CAE/CAM技術(shù)的不斷發(fā)展,形成了多種以數(shù)值模擬為手段的機(jī)頭設(shè)計(jì)方法,其中包括數(shù)值計(jì)算方法、機(jī)頭CAD設(shè)計(jì)系統(tǒng)及將機(jī)頭內(nèi)熔體的流動(dòng)狀態(tài)與機(jī)頭流道參數(shù)相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法,并取得了豐富的研究成果[2-6]。但是,前人研究的數(shù)值計(jì)算方法主要應(yīng)用在常規(guī)塑料擠出機(jī)頭和一些斷面幾何形狀較簡(jiǎn)單的異型機(jī)頭上,而對(duì)斷面復(fù)雜和特殊物料的異型機(jī)頭研究相對(duì)較少。為了能夠更好地指導(dǎo)異型材機(jī)頭的設(shè)計(jì),縮短設(shè)計(jì)周期,優(yōu)化流道結(jié)構(gòu),就需要找到一套應(yīng)用方便、理論與經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合,在企業(yè)中易于使用的木塑異型材機(jī)頭流道設(shè)計(jì)方法。因此,本文展開(kāi)了對(duì)一種基于正交試驗(yàn)與數(shù)值模擬的木塑復(fù)合材料異型材機(jī)頭流道設(shè)計(jì)方法的研究。

1 擠出機(jī)頭流道設(shè)計(jì)方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法

試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法主要討論如何合理地安排試驗(yàn)以及對(duì)試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)如何分析等問(wèn)題[7-8]。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法具有如下特點(diǎn):(1)完成試驗(yàn)要求所需的實(shí)驗(yàn)次數(shù)少;(2)數(shù)據(jù)點(diǎn)的分布很均勻;(3)可用相應(yīng)的極差分析方法、方差分析方法、回歸分析方法等對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,得出許多有價(jià)值的結(jié)論。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法利用規(guī)格化的正交表合理安排實(shí)驗(yàn),在多因素多水平試驗(yàn)中選擇有代表性的搭配,以較少的實(shí)驗(yàn)次數(shù)即可了解到全面的情況,從而避免全面試驗(yàn),高效地獲得最優(yōu)方案。因此,這種方法日益受到研究工作者的重視,在實(shí)踐中獲得了廣泛的應(yīng)用。

1.2 計(jì)算機(jī)輔助分析

塑料模具CAE技術(shù)主要是利用高分子材料學(xué)、流變學(xué)、傳熱學(xué)、計(jì)算力學(xué)和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等基本理論,建立塑料成型過(guò)程的數(shù)學(xué)和物理模型,構(gòu)造有效的數(shù)值計(jì)算方法,實(shí)現(xiàn)成型過(guò)程的動(dòng)態(tài)仿真分析。它使人們對(duì)塑料成型過(guò)程的認(rèn)識(shí)從宏觀進(jìn)入微觀、從定性進(jìn)入定量、從靜態(tài)進(jìn)入動(dòng)態(tài),為優(yōu)化模具設(shè)計(jì)和控制制品成型過(guò)程,獲得理想的最終產(chǎn)品,提供科學(xué)依據(jù)和設(shè)計(jì)分析手段。

1.3 流道設(shè)計(jì)方法

使設(shè)計(jì)者和工程技術(shù)人員在模具加工前完成試模工作,使生產(chǎn)操作人員預(yù)測(cè)工藝參數(shù)對(duì)制品外觀和性能的影響,有目的地修正設(shè)計(jì)方案和工藝條件,多快好省地進(jìn)行新產(chǎn)品、新工藝的研究開(kāi)發(fā),成為現(xiàn)階段模具CAE技術(shù)的熱點(diǎn)問(wèn)題。根據(jù)安徽國(guó)風(fēng)木塑科技有限公司國(guó)家級(jí)企業(yè)技術(shù)中心項(xiàng)目的要求,針對(duì)生產(chǎn)的具體木塑異型材產(chǎn)品,建立了木塑復(fù)合材料加工特性參數(shù)、CAD參數(shù)化設(shè)計(jì)、Polyflow逆向擠出口模設(shè)計(jì)技術(shù)及正交試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的異型材擠出機(jī)頭流道計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)。通過(guò)該系統(tǒng),可以仿真木塑復(fù)合材料熔體在異型材機(jī)頭流道內(nèi)的流動(dòng)狀況,獲得流道中的速度分布、壓力分布及剪切速率分布等流場(chǎng)數(shù)據(jù),并結(jié)合正交試驗(yàn)優(yōu)化方法進(jìn)行優(yōu)化,最終得到較理想的流道結(jié)構(gòu)。本文建立的基于正交試驗(yàn)優(yōu)化的木塑異型材擠出機(jī)頭CAE設(shè)計(jì)方法的流程圖如圖1所示。

圖1 木塑異型材擠出機(jī)頭流道的計(jì)算機(jī)輔助分析及優(yōu)化流程圖Fig.1 Design procedure charts of profile die runner based on numerical simulation and orthogonal test

從圖1可以看出,本文采用了具有三維參數(shù)化尺寸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及獨(dú)特的自適應(yīng)技術(shù)的Autodesk Inventor Professional軟件進(jìn)行機(jī)頭流道仿真模型的建立,通過(guò)直接對(duì)參數(shù)表中的參數(shù)進(jìn)行更改、公式編輯和注釋等,只要公式合理和參數(shù)變化在合理的范圍內(nèi),三維實(shí)體都將根據(jù)變化后的參數(shù)值而改變,這樣可以有效提高建模效率,節(jié)省大量時(shí)間。本文所建立的機(jī)頭流道設(shè)計(jì)方法還運(yùn)用了Polyflow軟件“逆向擠出”技術(shù),通過(guò)Polyflow重新生成網(wǎng)格功能和漸變法對(duì)制品自由表面和口模內(nèi)的固定部分及自適應(yīng)部分進(jìn)行設(shè)定,并對(duì)其進(jìn)行反復(fù)迭代計(jì)算以得到合適的口模形狀和尺寸,對(duì)逆向擠出的口模結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)圓整和修正,最終確定該異型材制品擠出機(jī)頭的口模尺寸。

2 實(shí)例研究

為了驗(yàn)證基于正交試驗(yàn)的木塑異型材擠出機(jī)頭流道設(shè)計(jì)CAE方法的可行性,選擇了木塑復(fù)合材料立柱異型材制品的機(jī)頭進(jìn)行流道的CAE仿真分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.1 立柱木塑異型材制品截面形狀

圖2所示的是立柱木塑異型材制品及其截面形狀。該木塑立柱異型材制品的特點(diǎn)是表面有凹槽,中心存在十字加強(qiáng)筋。從圖2可以看出,制品截面中心位置熔體流通面積最大,4個(gè)角及4個(gè)棱邊與十字加強(qiáng)筋交匯的T形位置流通面積次之,加強(qiáng)筋截面面積最小。在考慮到木塑復(fù)合材料流變數(shù)據(jù)特殊性的前提下,怎樣確保出口流速均勻,成為設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。

圖2 立柱制品外觀及截面尺寸Fig.2 Appearance and section geometry size of pillar products

2.2 本構(gòu)方程及假設(shè)條件

根據(jù)本文所建立的設(shè)計(jì)方法,使用Instron3211毛細(xì)管流變儀對(duì)立柱木塑異型材制品所用材料進(jìn)行流變參數(shù)測(cè)量。從測(cè)試結(jié)果可以看出,木塑復(fù)合材料的黏度相對(duì)較低,在其加工范圍內(nèi)呈現(xiàn)較標(biāo)準(zhǔn)的假塑性流體性質(zhì),又知其彈性較小,因此該種木塑復(fù)合材料適用于冪律模型,如式(1)所示。

式中 K——黏度系數(shù),通常為聚合物熔體的零切黏度,Pa·s

λ——松弛時(shí)間,s

n——非牛頓指數(shù)˙

γ——剪切速率,s-1

該木塑復(fù)合材料在170℃時(shí)熔體的零切黏度是7000 Pa·s,在擠出機(jī)剪切速率范圍內(nèi)的非牛頓指數(shù)為n=0.385。松弛時(shí)間λ在這里不考慮,取默認(rèn)值1。

為了便于計(jì)算,同時(shí)使所研究的流動(dòng)過(guò)程能滿足工程近似的要求,根據(jù)機(jī)頭流道的特點(diǎn)和物料的特性,作出如下假設(shè):(1)流場(chǎng)為等溫穩(wěn)定層流流場(chǎng);(2)慣性力和重力等體積力忽略不計(jì);(3)熔體為黏性不可壓縮流體;(4)物料在機(jī)筒內(nèi)壁面無(wú)滑移。

2.3 邊界條件

(1)入口邊界條件設(shè)定為體積流量,根據(jù)SZSJ-80/156型錐形雙螺桿擠出機(jī)產(chǎn)量的80%計(jì)算得到入口流量為 Q=9.174×10-5m3/s;

(2)出口設(shè)為壓力邊界,設(shè)定出口壓力為零;

(3)根據(jù)壁面無(wú)滑移的假設(shè),與壁面接觸的熔體層速度為零。

2.4 流道建立及流場(chǎng)模擬

根據(jù)上文所建立的基于正交試驗(yàn)與模擬的異型材擠出機(jī)頭流道設(shè)計(jì)方法,本文建立了定型段和自由段的模型,并應(yīng)用Polyflow逆向擠出技術(shù)進(jìn)行機(jī)頭口模設(shè)計(jì)。將所得口模的尺寸進(jìn)行圓整后,用于整體流道幾何模型的建立。以機(jī)頭出口熔體流速均勻性為優(yōu)化目標(biāo)建立流道幾何模型,分別建立了模型1、模型2和模型3。其流道幾何結(jié)構(gòu)及速度場(chǎng)仿真結(jié)果如圖3、圖4、圖5所示。

從模型1的機(jī)頭流道幾何結(jié)構(gòu)可以看出,該機(jī)頭結(jié)構(gòu)是企業(yè)中常見(jiàn)的、典型的組合式機(jī)頭流道,該流道分流型芯的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,主要作用是對(duì)進(jìn)入機(jī)頭中的熔體進(jìn)行擴(kuò)張、壓縮及定型。從模型1的速度場(chǎng)可以看出,熔體通過(guò)分流型芯后,速度分布不均勻,沿?cái)D出方向的速度梯度大。從機(jī)頭口模出口熔體流動(dòng)的等速線圖可以看出,加強(qiáng)筋十字中心的熔體速度要遠(yuǎn)高于型材四角及 T形交匯區(qū)域的速度。這說(shuō)明,傳統(tǒng)的分流型芯只是簡(jiǎn)單地對(duì)熔體進(jìn)行分配,只能保證熔體能夠充滿整個(gè)制品截面,但不能保證熔體達(dá)到均勻分布的效果,擠出將出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。因此,針對(duì)此種模型需要在中心區(qū)域增加阻流元件,來(lái)減小中心熔體的流動(dòng)速度。

圖3 模型1的流道結(jié)構(gòu)及流場(chǎng)仿真結(jié)果Fig.3 Runner structure and analysis results of model 1

圖4 模型2的流道結(jié)構(gòu)及流場(chǎng)仿真結(jié)果Fig.4 Runner structure and analysis results of model 2

圖5 模型3的流道結(jié)構(gòu)及流場(chǎng)仿真結(jié)果Fig.5 Runner structure and analysis results of model 3

從模型2的機(jī)頭流道幾何結(jié)構(gòu)可以看出,在模型1流道幾何結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,在型材中心位置增加了1根梭形阻流塊,該阻流元件伸出的4個(gè)側(cè)壁對(duì)過(guò)渡段加強(qiáng)筋流道中的熔體進(jìn)行分流,使過(guò)渡段熔體速度分布更加均勻。從模型2的速度場(chǎng)可以看出,雖然熔體速度分布較均勻,但熔體流入機(jī)頸段后存在一定的湍流現(xiàn)象,由于分流板對(duì)十字加強(qiáng)筋的阻流作用,導(dǎo)致了十字加強(qiáng)筋流道中熔體的流動(dòng)速度相對(duì)減小。從模型2口模出口的熔體流動(dòng)等速線圖可以看出,模型2的速度均勻性相對(duì)模型1有了明顯的提高,但中心位置和四角位置熔體的流動(dòng)速度還略高于其他位置,速度梯度還有待進(jìn)一步的改善,需要對(duì)中心阻流塊的位置及十字加強(qiáng)筋流道的尺寸進(jìn)行改進(jìn)。

從模型3的機(jī)頭流道幾何結(jié)構(gòu)可以看出,中心阻流塊的尺寸有所增大,且與分流型芯擴(kuò)張段相連接,取消了過(guò)渡段加強(qiáng)筋中分流板的設(shè)置。從模型3的速度場(chǎng)可以看出,沿?cái)D出方向熔體的速度梯度相對(duì)較小,且速度分布比較均勻,機(jī)頸段的湍流區(qū)域有所改善。從模型3的口模出口熔體流動(dòng)的等速線圖可以看出,十字加強(qiáng)筋部分的熔體流速有所提高,機(jī)頭口模截面的熔體速度分布更加均勻。

通過(guò)對(duì)3個(gè)模型的比較可知,模型3的熔體速度分布更為均勻,流道結(jié)構(gòu)較理想。下面按照本文所建立的CAE設(shè)計(jì)方法確定模型3的影響參數(shù),并進(jìn)行正交優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.5 正交試驗(yàn)

根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法及對(duì)3種不同幾何結(jié)構(gòu)的分析,本文確定了7個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)作為影響熔體流動(dòng)情況的主要因素:定型段長(zhǎng)度(A)、收縮角正切值(B)、擴(kuò)張角正切值(C)、型芯壓縮段截面定位尺寸(D)、型芯壓縮段截面尺寸(E)、型芯擴(kuò)張角正切值(F)、型芯定型段中心阻流塊長(zhǎng)度(G),其位置示意如圖6所示。每個(gè)因素取3個(gè)水平,采用 L18(37)正交表,共產(chǎn)生18個(gè)模型,分別定義為M1～ M18,其因素與水平值如表1所示。

圖6 立柱機(jī)頭流道試驗(yàn)因素位置圖Fig.6 Locations of experimental factors for column-shaped extrusion die

表1 立柱機(jī)頭流道因素與水平表Tab.1 Factor and levels of pillar die runner

本文采用立柱口模對(duì)稱中心線上熔體速度的標(biāo)準(zhǔn)偏差、立柱口模對(duì)稱中心線上熔體最大速度與最小速度的差值、機(jī)頭壓力的最大值和剪切速率的最大值作為模型的優(yōu)化指標(biāo)進(jìn)行模擬數(shù)據(jù)的采集,通過(guò)正交試驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行分析比較,得到了針對(duì)不同優(yōu)化指標(biāo)的最優(yōu)方案,優(yōu)化方案如表2所示。

表2 立柱機(jī)頭流道的優(yōu)化方案Tab.2 Optimized solutions for pillar die runner

根據(jù)表2中不同評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)得到的優(yōu)化方案,對(duì)7個(gè)因素進(jìn)行縱向分析,可得到以下結(jié)論:

(1)隨著定型段長(zhǎng)度的增加,機(jī)頭口模處熔體速度的均勻性逐漸降低,機(jī)頭壓力逐漸增加,剪切速率先增加后降低。由于在木塑復(fù)合材料的擠出過(guò)程中,較高的機(jī)頭壓力可以保證獲得表面質(zhì)量好、性能優(yōu)異的制品,故隨著定型段長(zhǎng)度的增加,制品的尺寸更加穩(wěn)定,且隨定型段長(zhǎng)度的增加,熔體速度均勻性降低的不很明顯。綜合考慮,定型段長(zhǎng)度取160 mm較合適,機(jī)頭流道結(jié)構(gòu)較合理。

(2)隨著收縮角正切值的增加,速度均勻性明顯增加,但機(jī)頭壓力隨之降低,剪切速率小幅增加。即隨著收縮角的增加,機(jī)頭壓力逐漸降低,但速度均勻性升高,剪切速率變化不明顯。綜合考慮,收縮角正切值取0.6時(shí),機(jī)頭流道結(jié)構(gòu)較合理。

(3)隨著擴(kuò)張角正切值的增加,機(jī)頭口模處熔體速度的均勻性、機(jī)頭壓力及剪切速率逐漸增大。雖然剪切速率有所增大,但其仍在該物料的加工工藝限制的剪切速率范圍內(nèi)。綜合考慮下,擴(kuò)張角正切值取0.7時(shí),機(jī)頭流道結(jié)構(gòu)較合理。

(4)隨著型芯壓縮段截面定位尺寸的增加,對(duì)口模處熔體速度的均勻性和機(jī)頭剪切速率的影響不大,而機(jī)頭壓力隨著它的增加而有所降低。綜合考慮下,型芯壓縮段截面定位尺寸取23 mm時(shí),機(jī)頭流道結(jié)構(gòu)較合理。

(5)型芯壓縮段截面尺寸對(duì)機(jī)頭壓力,出口速度均勻性和剪切速率的影響都不大,考慮到速度均勻性的要求,型芯壓縮段截面尺寸取23 mm時(shí),機(jī)頭流道結(jié)構(gòu)較合理。

(6)隨著型芯擴(kuò)張角正切值的增加,機(jī)頭口模處熔體速度均勻性、機(jī)頭壓力、機(jī)頭剪切速率都明顯降低。綜合考慮下,擴(kuò)張角正切值取0.2時(shí),機(jī)頭流道結(jié)構(gòu)較合理。

(7)隨著型芯定型段中心阻流塊長(zhǎng)度的增加,機(jī)頭出口速度均勻性得到明顯的改善,機(jī)頭壓力有一定的增加,而剪切速率則先減小后顯著增大。綜合考慮下,型芯定型段中心阻流塊長(zhǎng)度取50 mm時(shí),機(jī)頭流道結(jié)構(gòu)較合理。

通過(guò)以上對(duì)正交優(yōu)化結(jié)果的綜合分析可知,該立柱異型材擠出機(jī)頭流道的最終優(yōu)化方案為:A3/B3/C3/D1/E3/F1/G3。根據(jù)該優(yōu)化方案,建立新的流道模型進(jìn)行模擬計(jì)算,其流道結(jié)構(gòu)及模擬結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出,口模出口熔體速度分布、壓力分布等都達(dá)到了非常理想的效果。

圖7 優(yōu)化模型的流場(chǎng)仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results of the optimized scheme

3 結(jié)論

(1)采用Inventor軟件三維參數(shù)化尺寸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了幾何模型的迅速建立;利用專業(yè)有限元分析軟件Polyflow完成了黏彈性流體的數(shù)值計(jì)算;采用正交試驗(yàn)方法對(duì)機(jī)頭參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)安排及優(yōu)化,使盡快有效地獲得最優(yōu)方案;

(2)基于以上特點(diǎn),此種方法能夠快速有效地完成復(fù)雜斷面的木塑異型材機(jī)頭流道的設(shè)計(jì);

(3)依據(jù)這種基于正交試驗(yàn)的木塑異型材擠出機(jī)頭流道設(shè)計(jì)CAE方法,對(duì)立柱制品進(jìn)行了機(jī)頭流道的優(yōu)化設(shè)計(jì),最終得到了理想的機(jī)頭流道幾何結(jié)構(gòu)及流場(chǎng)仿真結(jié)果,驗(yàn)證了這種方法的合理性和可行性。

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Design Method of Die Runners for WPC Profiles Based on Numerical Simulation and Orthogonal Test

ZHAO Feng1,XUE Ping1＊,MIAO Lirong1,LIU Tiantao1,FAN G Xiaozhong2
(1.School of Mechanical and Electrical Engineering,Beijing University of Chemical Technology,Beijing 100029,China;2.Anhui Guofeng Wood-plastic Composite Co,Ltd,Hefei 230011,China)

In this paper,a design method for a profile die runner was developed based on orthogonal test and numerical simulation.The procedure was as follows:the main parameters of the extrusion flow were defined as the experimental factors,a simulation model was formulated using Inventor software,and the situation of plastic melt flowing in the profile dies was simulated through Polyflow as a finite element analysis software.The appropriate criterion was selected to evaluate the results of orthogonal test and the parameters were optimized repeatedly,then the reasonable parameters were gained.Based on this method,column-shaped extrusion die for wood-plastic composite was designed and optimized,and eventually the ideal design results were obtained.

orthogonal test;numerical simulation;profile;die;runner;wood-plastic composite

TQ320.66+3

B

1001-9278(2010)10-0094-06

2010-05-15

2009年北京市教委共建項(xiàng)目

＊聯(lián)系人,xuepmail@263.net