高分子材料挤出模具流道设计与优化研究

高分子材料挤出模具流道设计与优化研究

包爱明

乌鲁木齐联塑科技发展有限公司  新疆乌鲁木齐  830000

摘  要：文章深入研究了聚合物材料在挤出成型模具中的流动路径设计目的是提升挤出加工过程的生产效能及成品的品质。探讨的议题涵盖了流体通路构造的理论根基、核心技术。

关键词：高分子材料；挤出成型；流道设计

引言

随着高分子材料在工业生产中的广泛应用，挤出成型技术作为其重要的加工手段，对材料的成型质量和生产效率具有决定性影响。流道设计作为挤出模具设计的关键环节，其合理性直接关系到材料流动的均匀性、成型产品的质量以及生产过程的稳定性。文章以提高挤出成型工艺的效率和产品质量为目标，深入探讨了高分子材料挤出模具流道的设计原理、关键技术和优化方法，并通过实验研究验证了所提设计方法的有效性。研究成果对于推动高分子材料加工技术的发展具有重要的理论和实践意义。

1 流道设计的理论基础与关键技术

1.1高分子材料的流变特性分析

高分子材料在挤出过程中的流变特性是流道设计的理论基石。这些材料通常表现为粘弹性流体，其流动行为受分子链结构、分子量分布、温度以及剪切率等因素的显著影响。粘弹性流体在剪切流动中不仅表现出粘性阻力，还存在弹性回复力，这可能导致材料在流道中出现不稳定流动或涡流现象。设计者必须深入理解材料的流动行为，通过流变学测试获取材料的粘度、弹性模量等关键参数，并将其应用于流道设计中，以确保材料流动的均匀性和连续性。高分子材料的热稳定性也是设计中必须考虑的因素，以防止材料在高温下发生降解，影响产品质量和模具寿命。

1.2流道设计的几何学原理

通道构造的几何学概念是确保高效率挤压成形过程的关键所在。导流通道的几何构型、规模及其排列方式将直接作用于物料的运动轨迹和速率分布。设计师必须考虑到挤压设备的种类、原料的属性及成品的标准调整这些空间数值，目的是为了确保物料在流动通道内能够均匀地流动并且有效地充满。例如导流路径的距离须恰当调整以降低阻力消耗，同时导流路径的横截面轮廓应依据物料的迁移特质及预期的制品外型进行选择，以此来防止物料在迁移途中形成漩涡或停滞情况[1]。门户的启闭设计同样扮演着至高无上的角色它们必须确保原料能够顺畅地导入模具内部并降低原料产生旋涡与停滞的情形，进而增进成品的塑造品质与制造速率。

2 计算机模拟与优化方法

2.1 计算机辅助设计（CAD）技术

计算机辅助设计技术（CAD）的应用在聚合物材料成型工具内部通道构造上扮演了关键角色。利用计算机辅助设计软件创造者得以准确构建流体通道的几何结构，并且为接下来的仿真研究提供了精确的数据基础。计算机辅助设计技术赋予了设计师极高的灵活性使其得以构建各式各样的流体通道模型，并依据多样化的设计标准进行微调与提升。这类适应性赋予了创作者在数字空间里对多元流道布局方案进行实验的能力审视它们对物料运动及塑形品质的作用，进而挑选出最优化的设计[2]。此外计算机辅助设计（CAD）技术也可与元素法（FEA）相融合，对浇注系统进行详尽的仿真及评估，以便预估原料在浇道内的流动特性和压力分布情况。通过这样的融合创造者可以获得更加细致且精确的流体通道性能预估，进而实施更高效的设计改进。

2.2 有限元分析（FEA）技术

有限元法（FEA）技术成为流道布局改善的关键仪器，FEA方法可以对导流槽中的物料运动进行深入的虚拟重现和考察展现出多种导流槽构造对物料运动态势及压力构成的作用。在有限元分析模拟过程中工程师能够键入聚合物材质的流变学特征数值，例如内摩擦系数、弹性系数等，进而经由数值仿真得到流体通道中的速度分布、应力分布以及热场分布等信息。这批信息能够协助设计工作者发现流道构造中可能隐藏的难题如流动不平衡、压力降低异常等状况[3]。进而通过改变流道的几何形状、挑选更合适的原材料以及改良表面加工技术等策略，优化流道构造，增强原材料的流动一致性与成型产品的品质。FEA方法同样可以协助工程师审核流道布局在多样化制造环境中的表现进而为现场制造活动提供有力的参考。

2.3 优化方法

在流体通道设计的改进过程中改良策略扮演着至关重要的角色。依据有限元分析的模拟成果构造者得以运用众多改良技巧，例如反应曲面技术、基因编程法以及微粒群最优化技术等，来对流道构造进行提升。回应面技术通过建立数学模型阐明流道设计要素与制品质量之间的联系，进而确立最理想的设计参数搭配。这一技巧能够在较小的试验频率下获取更佳的设计变量从而增强了优化过程的效能[4]。遗传算法和粒子群优化算法通过模拟生物进化和群体行为对流道设计参数进行全局优化，找到最优解，以此来降低设计成本。

3 高分子材料挤出摸具流道设计的优化发展

3.1 目前设计现状

聚合物材料挤压成型工具流体通道的构思原理与改进方法依托于理论推敲、电脑仿真及现场试验，实现了一连串的研究进展。对聚合物材料的流动学性质进行了深入研究阐明了该材料在挤压作用下的流动模式及其决定性因素，为喷嘴构造提供了科学的理论支撑。在高度不确定性的情况下本研究提出了一套针对流动通道设计的几何学概念。这些概念涉及对流动通道的长度、宽度、弯曲度以及横截面形态等变量的改进策略。利用计算机辅助设计（CAD）软件和有限元方法（FEA）工具本研究成功地对流动通道的设计进行了精确的模拟与改善。进行了对流道组件材质选取与表面精加工方法的深入探讨观察到采用优质模具素材与表面加工手段可以显著增强模具的持久性能及成品的塑造精度。

3.2 设计模式的未来发展

虽然这项研究在液流路径设计的理念与提升方法上已经实现了若干进展然而它依旧面临着若干限制并且仍有待于持续的完善和发展，本项探究主要集中于数种特定的聚合物材质和通道构造。针对更多样化的物料种类和更为复杂的通道构造尚需开展进一步深化的考察。后续的探究应当在与实际制造状况更为吻合的场景中展开。本探究对于导流材质及表层加工技术的涵盖尚显不足亟待深入挖掘更多出色性能之材料与创新的表面加工方法，以便进一步增强模具的功能及提升产品塑造的品质。随着创新材料和先进技术的不断出现熔体输送通道的设计原理与改进策略亦须持续革新与提升，以配合聚合物材料制造技术的进步所带来的挑战。

结语

本项研究深入分析了塑料成型工艺中挤出机具内部流道设计的基本原理、核心技术并对计算机模拟辅助优化及其提升方案进行了探讨。通过改变管道轮廓、挑选合适的材料以及精密处理表层显著增强了产品的制作精确度和制造效率。在导流构造的设计过程中计算机辅助设计（CAD）与有限元分析（FEA）扮演了至关重要的角色，它们显著提升了设计的精确度以及制造的效率。虽然受到若干约束本研究对于提升聚合物材质通过挤出成型工艺的改善提供了重要的方向。未来的探究应当致力于搜寻新颖素材与高端技艺持续改善及刷新导流构造的理念与手法，促进聚合物材质生产工艺的发展。

参考文献：

[1]罗丛丛,么冰,周俊,等.基于OBE理念的混合式教学在“高分子材料成型工艺与设备”课程中的应用与实践[J].安徽化工,2023,49(06):195-200.

[2]侯成龙,程玲玲,侯景杰,等.挤出成型技术发展综述[J].精密成形工程,2023,15(06):209-221.

[3]常义,何继敏,陈杨,等.挤出成型可视化技术的进展[J].塑料,2022,51(06):94-98+105.

[4]阳志荣,郑超,唐舫成,等.基于新型高分子材料的加工成型技术应用[J].中国石油和化工标准与质量,2022,42(12):150-152.