CN216211023U

CN216211023U - 一种变阻流区厚度的t型模具

Info

Publication number: CN216211023U
Application number: CN202122391285.4U
Authority: CN
Inventors: 麻向军; 王臻
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2021-09-30
Filing date: 2021-09-30
Publication date: 2022-04-05
Anticipated expiration: 2031-09-30

Abstract

本实用新型公开一种变阻流区厚度的T型模具，T型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，以流道宽度方向的对称面为中心，所述歧管截面尺寸沿流道两侧逐渐减小，阻流区的厚度沿流道宽度方向逐渐增加。变歧管半径和变阻流区厚度的流道可以显著降低挤出压力和熔体停留时间。通过对歧管尺寸和形状的设计，在不显著增加挤出压力的情况下能够显著降低熔体停留时间，而通过阻流区长度和厚度的设计，在不增加熔体停留时间的情况下调整挤出压力以适应不同的成型要求。

Description

一种变阻流区厚度的T型模具

技术领域

本实用新型涉及模具设计技术领域，特别涉及一种变阻流区厚度的T型模具。

背景技术

T型模具常用于热塑性塑料片材和流涎膜的挤出成型，其流道设计的关键是熔体沿流道宽度方向出口流率要均匀一致，熔体在流道中的停留时间尽可能短。T型模具的流道由入口区、歧管、阻流区、松弛区和成型区组成，其中歧管截面和阻流区尺寸沿流道宽度方向不变。熔体进入歧管后，沿歧管向流道两侧流动的同时，一部分熔体进入阻流区并沿挤出方向流动，歧管中熔体的体积流率逐渐减小，熔体停留时间长；熔体沿歧管向流道两侧流动时压力逐渐下降，特别是流道宽度较大时，歧管中熔体的压力下降较大，采用等阻流区厚度的流道时，熔体沿流道宽度方向的出口流率相差大。受模具长度的限制，通常采用增加歧管半径以减小熔体在歧管中的压力降和减小阻流区厚度以提高熔体在阻流区中的压力降来提高熔体出口流率均匀性。增加歧管半径会显著增加熔体停留时间，而减小阻流区厚度会显著增加挤出压力。

从流道几何形状和模具结构方面提高熔体出口流率均匀性的措施有变阻流区长度、变阻流区厚度和加装阻流棒。变阻流区长度是保持歧管截面和阻流区厚度不变，沿流道两侧减小阻流区长度，但该结构难以应用于实际生产；变阻流区厚度是保持歧管截面和阻流区长度不变，沿流道两侧增加阻流区厚度，但熔体停留时间长；加装阻流棒的结构在成型时通过调节阻流棒进而改变阻流区的局部间隙来提高熔体出口流率均匀性，但增加了模具的制造成本，设计不良的流道即使调节阻流棒也难以使熔体出口流率均匀性达到理想状态。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能够降低挤出压力和熔体停留时间的变阻流区厚度的T型模具。

本实用新型的技术方案为：一种变阻流区厚度的T型模具，所述T型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，以流道宽度方向的对称面为中心，所述歧管截面尺寸沿流道两侧逐渐减小，所述阻流区的厚度沿流道宽度方向逐渐增加，松弛区和成型区的截面尺寸沿流道宽度方向不变。

作为一种优选，所述阻流区的长度沿流道宽度方向不变。

作为一种优选，所述歧管的截面采用圆形。

一种变阻流区厚度的T型模具流道设计方法，包括以下步骤：

构建物理模型：假设a.熔体为不可压缩流体；b.熔体流动为充分发展的稳态层流流动，忽略惯性力和体积力；c.熔体在歧管中仅沿歧管轴向流动，在阻流区、松弛区和成型区中仅沿挤出方向流动，且熔体在歧管中的流动和在阻流区中的流动互不干涉；d.忽略由于歧管半径变化引起的拉伸对歧管中熔体流动的影响；e.忽略流道宽度方向两侧末端壁面对阻流区、松弛区和成型区中熔体流动的影响；

构建几何模型：模具流道包括沿流向依次设置的入口区、歧管、阻流区、松弛区和成型区；

基于对流道中熔体流动的分析，采用变阻流区厚度的结构降低挤出压力，采用变歧管半径的结构减小熔体停留时间，在满足沿流道宽度方向熔体出口流率均匀的条件下，利用流变学理论推导了阻流区厚度沿流道宽度方向变化的微分方程，对该方程进行数值求解并拟合可得到阻流区厚度。

作为一种优选，设计歧管截面尺寸沿流道两侧逐渐减小。

作为一种优选，歧管的截面采用圆形。

作为一种优选，以流道宽度方向的对称面为中心，阻流区厚度沿流道宽度方向逐渐增加。

作为一种优选，阻流区的长度沿流道宽度方向不变，松弛区和成型区的截面尺寸沿流道宽度方向不变。

作为一种优选，流变学理论的推演过程为：

熔体在流动过程中温度不变，熔体的剪切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；

以歧管和阻流区的交界线为x轴，流道宽度方向的对称面为y轴构建坐标系，熔体沿歧管流动时的压力梯度为

式中，p(x)为歧管中熔体在x处的压力；Q(x)为歧管中熔体在x处的体积流率；r(x)为x处的歧管半径；

假定熔体在流道入口处的体积流率为2Q₀，要求熔体出口流率沿流道宽度方向均匀，则

式中，W为流道宽度的一半；

式(3)代入式(2)，有

沿流道宽度方向单位宽度的熔体出口流率均匀时，流道宽度方向任一位置x处，熔体在阻流区中沿挤出方向的压力降为

式中，Δp_D(x)为x处熔体在阻流区中的压力降；h(x)为阻流区在x处的厚度；L为阻流区的长度；

松弛区和成型区的截面尺寸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，则熔体在阻流区出口处的压力沿流道宽度方向不变；流道宽度方向任一位置x处，阻流区入口处的压力与歧管中熔体的压力相等，因此，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)得

式(7)即为阻流区厚度在所述坐标系中的微分方程，边界条件为

x＝W，h(x)＝h_E (8)

式中，h_E为阻流区在流道末端的厚度。

作为一种优选，采用ANSYS Polyflow软件对流道中熔体流动进行数值模拟，定义熔体出口处沿流道宽度方向某一位置单位宽度的体积流率与平均单位宽度的体积流率的比值为熔体出口无量纲流率，用以反映熔体出口流率的均匀性，进而验证变歧管半径下阻流区厚度微分方程可靠性。

本实用新型的原理为：熔体进入歧管后，沿歧管向流道两侧流动的同时，一部分熔体进入阻流区并沿挤出方向流动，歧管中熔体的体积流率逐渐减小，因此，将歧管截面尺寸沿流道两侧逐渐减小以提高熔体的流速，从而降低熔体在歧管中的停留时间。另一方面，熔体沿歧管向流道两侧流动时压力逐渐下降，即熔体在阻流区入口处的压力逐渐下降，因此，将阻流区厚度沿流道两侧逐渐增加，使熔体流经阻流区的压力降沿流道两侧降低，以降低挤出压力。

本实用新型相对于现有技术，具有以下有益效果：

本实用新型变阻流区厚度的T型模具及其流道设计方法采用变歧管半径和变阻流区厚度的流道结构，基于熔体出口流率均匀的条件，推导了阻流区厚度沿流道宽度方向变化的微分方程，对该方程进行数值求解，可用于变歧管半径和变阻流区厚度的T型模具的流道设计。

本实用新型采用数值方法求解阻流区厚度的微分方程并建立流道几何模型，利用数值模拟对所设计流道的熔体出口流率进行了验证，表明所推导的阻流区厚度的微分方程是可靠的。

与等歧管半径和等阻流区厚度的流道相比，变歧管半径和变阻流区厚度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，可以显著降低挤出压力和熔体停留时间。

与等歧管半径和等阻流区厚度的流道相比，本实用新型通过对歧管尺寸和形状的设计，在不显著增加挤出压力的情况下能够显著降低熔体停留时间，而通过阻流区长度和厚度的设计，在不增加熔体停留时间的情况下调整挤出压力以适应不同的成型要求。

附图说明

图1为变阻流区厚度的T型模具流道示意图。

图2为实施例中变阻流区厚度的T型模具流道设计模型。

图3为实施例流道中熔体的压力云图。

图4为实施例熔体出口无量纲流率沿流道宽度方向的变化。

图5为实施例歧管半径变化规律对阻流区厚度的影响。

图6为实施例阻流区在流道末端的厚度对阻流区厚度的影响。

图7为实施例阻流区长度对阻流区厚度的影响。

其中，图中所示，1为入口区，2为歧管，3为阻流区，4为松弛区，5为成型区。

具体实施方式

下面结合实施例，对本实用新型作进一步的详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例

本实施例一种变阻流区厚度的T型模具流道设计方法，适用于沿宽度方向对称的模具的流道设计，包括以下步骤：

S1、构建物理模型：假设a.熔体为不可压缩流体；b.熔体流动为充分发展的稳态层流流动，忽略惯性力和体积力；c.熔体在歧管中仅沿歧管轴向流动，在阻流区、松弛区和成型区中仅沿挤出方向流动，且熔体在歧管中的流动和在阻流区中的流动互不干涉；d.忽略由于歧管半径变化引起的拉伸对歧管中熔体流动的影响；e.忽略流道宽度方向两侧末端壁面对阻流区、松弛区和成型区中熔体流动的影响；f.熔体在流动过程中温度不变，熔体的剪切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；

S2、构建几何模型：如图1所示，模具流道包括沿流向依次设置的入口区、歧管、阻流区、松弛区和成型区；歧管截面尺寸沿流道两侧逐渐减小，歧管的截面采用圆形；阻流区长度沿流道宽度方向不变，以流道宽度方向的对称面为中心，阻流区厚度沿流道宽度方向逐渐增加；松弛区和成型区的截面尺寸沿流道宽度方向不变。

S3、基于对流道中熔体流动的分析，采用变阻流区厚度的结构来降低挤出压力，采用变歧管半径的结构减小熔体停留时间，在满足沿流道宽度方向熔体出口流率均匀的条件下，利用流变学理论推导阻流区厚度沿流道宽度方向变化的微分方程，对该方程进行数值求解并拟合可得到阻流区厚度。

流变学理论的推演过程为：

考虑到流道在宽度方向的对称性，取流道的一半进行分析。为便于分析，忽略入口区的影响，歧管截面选取圆形，其他形状可通过形状因子进行换算。以歧管和阻流区的交界线为x轴，流道宽度方向的对称面为y轴构建坐标系，如图2所示。

熔体沿歧管流动时的压力梯度为

式中，W为流道宽度的一半；

式(3)代入式(2)，有

由式(4)～(6)得

x＝W，h(x)＝h_E (8)

式中，h_E为阻流区在流道末端的厚度。

由式(7)可以看出，阻流区的厚度与歧管半径沿流道宽度方向的变化、阻流区长度、流道宽度及熔体的幂律指数有关，与熔体的稠度和产量无关。流道宽度由产品规格确定，熔体的幂律指数是熔体的材料参数，确定歧管半径尺寸及其变化规律后，可根据式(7)对阻流区的厚度进行设计。

由式(7)可以看出，h(x)是x的单调函数，阻流区厚度沿流道宽度方向单调增加。歧管半径沿流道宽度方向减小且末端尺寸不为0时，式(7)难以得到解析式，可采用数值方法求解并拟合得到阻流区沿流道宽度方向的厚度。

熔体由歧管入口沿任一路径流经歧管和阻流区的压力降相等，可用流道对称面处熔体在阻流区中的压力降计算，即

式中，h_C为阻流区在流道对称面处的厚度。

熔体在歧管中由入口流动到任一位置x处的停留时间t(x)为

歧管半径沿流道宽度方向减小且末端尺寸不为0时，式(10)需要采用数值方法求解，其边界条件为：

x＝0,t(x)＝0 (11)

S4、验证：采用ANSYS Polyflow软件对流道中熔体流动进行数值模拟，定义熔体出口处沿流道宽度方向某一位置单位宽度的体积流率与平均单位宽度的体积流率的比值为熔体出口无量纲流率，用以反映熔体出口流率的均匀性，进而验证变歧管半径下阻流区厚度微分方程可靠性。

以ABS片材挤出为例，采用幂律模型描述ABS在220℃时的流变性能，K＝7496.8Pa·s^-0.514，n＝0.486。片材宽度取2500mm，松弛区长度和厚度分别取40mm和4mm，成型区长度和厚度分别取20mm和1.5mm，阻流区长度取50mm，在流道末端的厚度取2mm，流道对称面和末端处的歧管半径分别取20mm和8mm，沿流道宽度方向按指数减小，即

R＝R_E+(R_C-R_E)(1-x/W)^m (12)

式中，R_C为流道对称面处的歧管半径；R_E为流道末端的歧管半径；m为指数。

取m＝0.7，采用四阶显式Runge-Kutta法求解阻流区厚度的微分方程(7)，采用样条曲线拟合阻流区沿流道宽度方向的厚度，利用三维设计软件进行流道建模。考虑到流道在宽度方向的对称性，取其宽度方向的一半进行计算。为提高计算精度，采用六面体单元划分流道，在流道壁面边界和尺寸突变位置采用较小尺寸的网格，流场求解时速度采用二次插值，压力采用线性插值。

图3和4是数值模拟得到的挤出速度为30mm/s时的熔体压力云图和熔体出口无量纲流率沿流道宽度的变化。可以看出，当熔体离开阻流区时，熔体的压力等值线平行于流道出口。模拟计算得到的熔体在歧管中的压力降与采用四阶显式Runge-Kutta法求解歧管中压力梯度微分方程(4)得到的压力降一致，流道末端处熔体在阻流区的压力降与采用式(5)计算的压力降一致。沿流道宽度方向，熔体出口无量纲流率逐渐增加，在流道末端约10mm的范围内，熔体出口无量纲流率小于1。流道对称面处熔体出口无量纲流率为0.989，最大熔体出口无量纲流率为1.018，这是由于在理论推导中假定熔体在阻流区中仅沿挤出方向流动造成的。尽管阻流区出口处熔体压力沿流道宽度方向相等，但阻流区入口处熔体沿流道宽度方向的压力梯度不为零，造成熔体出口流率沿流道宽度方向增加。但是，阻流区中的熔体沿流道宽度方向的压力梯度远小于沿挤出方向的压力梯度，因此，熔体出口无量纲流率沿流道宽度的变化很小。另一方面，理论推导中忽略了流道宽度方向两侧末端的侧壁对熔体流动的影响，而模拟计算时考虑到实际生产中熔体与流道侧壁之间为无滑移边界，存在流动边界层，边界层中熔体出口无量纲流率小于1。尽管熔体出口流率沿流道宽度方向存在一定的差异，但其差异很小，说明本文的假设和理论推导是合理的，采用本实用新型的设计方法能够满足工程要求。

S5、讨论流道结构参数的影响

T型模具的流道设计不仅要求熔体出口流率沿流道宽度方向要均匀一致，而且要求熔体流经整个流道的压力降要适中，熔体在流道中的停留时间尽可能短。熔体由歧管入口沿任一路径流经歧管和阻流区的压力降对T型模具流道设计具有重要影响，该压力降由歧管尺寸及其沿流道宽度方向的变化规律和阻流区长度及其在流道末端的厚度共同决定。当歧管尺寸及其变化规律和阻流区长度及其在流道末端的厚度确定后，采用四阶显式Runge-Kutta法求解式(7)可得到阻流区沿流道宽度方向的厚度，进而通过式(9)可计算熔体流经歧管和阻流区的压力降。另一方面，靠近流道宽度方向两侧，熔体在歧管中的停留时间远大于熔体离开歧管后的停留时间，因此，熔体停留时间主要取决于歧管尺寸及其沿流道宽度方向的变化规律。为便于比较，选择歧管中距离歧管入口0.98W处的熔体停留时间进行比较。

针对上文中的片材规格、挤出速度和材料，在保持松弛区和成型区尺寸不变的情况下，采用等歧管半径和等阻流区厚度进行流道设计，以及采用不同的歧管半径变化规律、不同的阻流区在流道末端厚度及阻流区长度进行流道设计，对熔体流经歧管和阻流区中的压力降及熔体停留时间进行比较。

S5.1、等歧管半径和等阻流区厚度的流道

对于等歧管半径和等阻流区厚度流道，设计时通常采用熔体出口流率均匀性指数UI作为校核依据。均匀性指数定义为熔体在流道宽度方向末端与对称面处单位宽度体积流率之比，UI与流道尺寸和材料参数的关系为

式中，n为幂律指数；H为阻流区厚度；L为阻流区长度；R为歧管半径；W为流道宽度的一半。

阻流区长度取50mm，厚度分别取0.7mm和0.9mm时，要使UI≥0.95，歧管半径不小于33mm和40mm，熔体在阻流区中的压力降分别为26.65MPa和16.24MPa，歧管半径为33mm和40mm时，熔体在歧管中的压力降分别为0.60MPa和0.37MPa，熔体停留时间分别为297.4s和437.0s。

S5.2、歧管形状的影响

阻流区长度取50mm，在流道末端的厚度取2mm，歧管在流道对称面和末端处的半径分别取20mm和8mm，歧管半径沿流道宽度方向按式(12)减小，m取0.4、0.7和1时，采用四阶显式Runge-Kutta法求解式(7)得到阻流区厚度沿流道宽度方向的变化如图5所示。随着m增大，流道宽度方向任一位置阻流区的厚度减小，熔体流经歧管和阻流区的压力降增加，m为0.4、0.7和1时，该压力降分别为6.45MPa、7.42MPa和8.42MPa。采用四阶显式Runge-Kutta法求解式(10)得到的熔体停留时间分别为56.0s、42.5s和35.6s。

与等歧管半径和等阻流区厚度的流道相比，本文的设计方法无论是熔体流经歧管和阻流区的压力降还是熔体停留时间都得到显著下降。此外，即使歧管在流道对称面和末端的尺寸相同，亦可以通过改变歧管沿流道宽度方向的变化规律来调整挤出压力和熔体停留时间，为流道设计提供了较大的灵活性。

S5.3、阻流区尺寸的影响

歧管在流道对称面和末端处的半径分别取20mm和8mm，在流道宽度方向按式(12)变化且m＝0.7，分析阻流区长度和阻流区在流道末端的厚度对熔体流经歧管和阻流区的压力降的影响。

阻流区长度取50mm，阻流区在流道末端的厚度h_E取1.6mm、2.0mm和2.4mm时，采用四阶显式Runge-Kutta法求解式(7)得到的阻流区厚度沿流道宽度方向的变化如图6所示。随着h_E增加，流道宽度方向任一位置阻流区的厚度增加，熔体流经歧管和阻流区的压力降减小，当h_E为1.6mm、2.0mm和2.4mm时，该压力降分别为9.28MPa、7.42MPa和6.41MPa。

阻流区在流道末端的厚度取2mm，阻流区长度L取40mm、50mm和60mm时，采用四阶显式Runge-Kutta法求解式(7)得到的阻流区厚度沿流道宽度方向的变化如图7所示。随着L增加，流道宽度方向任一位置阻流区的厚度增加。由于阻流区长度增加，熔体流经歧管和阻流区的压力降增加，当L为40mm、50mm和60mm时，该压力降分别为6.75MPa、7.42MPa和8.10MPa。

采用本文的设计方法，在歧管尺寸和形状不变即熔体停留时间不变的情况下，可以通过减小阻流区长度或增加阻流区在流道末端的厚度来降低挤出压力，即可以根据成型要求进行流道设计。

一种变阻流区厚度的T型模具，所述T型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，以流道宽度方向的对称面为中心，所述歧管的截面采用圆形，歧管截面尺寸沿流道两侧逐渐减小，阻流区的长度沿流道宽度方向不变，厚度沿流道宽度方向逐渐增加，松弛区和成型区的截面尺寸沿流道宽度方向保持不变。

该模具根据所需制品的规格、挤出速度和材料，保持阻流区的长度沿流道宽度方向不变，松弛区和成型区的截面尺寸沿流道宽度方向不变的情况下，利用上述模具设计方法确定阻流区的厚度制作流道。

除了上述实施例提及的方式外，针对其他形状的歧管，歧管中的熔体压力降可通过形状因子进行换算，进而得出不同截面形状歧管的模具流道所对应的阻流区沿流道宽度方向的厚度尺寸。这些变换方式均在本实用新型的保护范围内。

除了上述实施例提及的方式外，歧管半径沿流道宽度方向采用其他形式变化，进而得出不同的歧管管径沿流道宽度方向变化时的模具流道所对应的阻流区沿流道宽度方向的厚度尺寸。这些变换方式均在本实用新型的保护范围内。

除了上述实施例提及的方式外，针对由上述设计方法计算出阻流区厚度后，流道中不同区域之间采用倒角或圆角过渡并不影响阻流区沿流道宽度方向的变化。这些变换方式均在本实用新型的保护范围内。

除了上述实施例提及的方式外，针对阻流区厚度微分方程的求解，可采用其他数值方法求解并采用其他合理方法拟合。这些变换方式均在本实用新型的保护范围内。

上述实施例仅为本实用新型的较佳实施例，并非用来限定本实用新型的实施范围；即凡依本实用新型内容所作的均等变化与修饰，都为本实用新型权利要求所要求保护的范围所涵盖。

Claims

1.一种变阻流区厚度的T型模具，其特征在于，所述T型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，以流道宽度方向的对称面为中心，所述歧管截面尺寸沿流道两侧逐渐减小，阻流区的厚度沿流道宽度方向逐渐增加。

2.根据权利要求1所述一种变阻流区厚度的T型模具，其特征在于，所述阻流区的长度沿流道宽度方向不变，所述松弛区和成型区的截面尺寸沿流道宽度方向不变。

3.根据权利要求1所述一种变阻流区厚度的T型模具，其特征在于，所述歧管的截面采用圆形。