技术领域
[0001] 本实用新型涉及模具设计技术领域，特别涉及一种直歧管衣架式模具。
相关背景技术
[0002] 衣架式模具广泛应用于塑料片材和流涎膜的挤出成型。为了保证制品横向厚度的均匀性，衣架式模具的流道设计要求熔体沿流道宽度方向出口流率均匀。基于熔体在流道宽度方向出口流率均匀以及熔体在歧管和阻流区中停留时间相等的原则，针对单一厚度阻流区对歧管尺寸及轨迹进行计算，所设计的衣架式模具的流道阻流区长度较大，难以用于宽幅片材和流涎膜的挤出成型。将熔体在歧管中的停留时间扩大到熔体在阻流区中的停留时间的数倍，对上述方法进行改进，可缩短流道阻流区的长度，但歧管半径增加，显著增加熔体在流道中的停留时间。采用该方法设计的歧管的半径及其轨迹较复杂，增加了模具制造的难度。
[0003] 工业生产中所用衣架式模具的流道大都采用直歧管和单一厚度阻流区的结构。由于缺乏设计理论的指导，工程中通常采用经验设计并通过试模和修模来改善熔体出口流率均匀性。在模具中加装阻流棒也是提高熔体出口流率均匀性的常用方法，但当流道结构设计不良时，即使调节阻流棒也难以使熔体出口流率均匀性达到成型要求。实用新型内容
[0004] 本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种阻流区长度短、熔体出口流率均匀性好的直歧管衣架式模具。
[0005] 本实用新型的技术方案为：一种直歧管衣架式模具，所述直歧管衣架式模具的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，所述阻流区包括沿流道长度方向设计的阻流I区和阻流II区，阻流I区和阻流II区的厚度不等，所述歧管为截面尺寸沿流道宽度方向不变的直歧管。
[0006] 所述阻流区中，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区的厚度和阻流II区的厚度沿流道宽度方向不变。
[0007] 所述阻流I区在流道对称面位置和流道末端与歧管之间设有间距，所述阻流II区在流道对称面位置和流道末端与松弛区之间设有间距；歧管的截面采用圆形，歧管半径沿流道宽度方向不变。
[0008] 一种直歧管衣架式模具平衡流道的流变学设计方法，适用于沿宽度方向对称的模具的流道设计，包括以下步骤：
[0009] 构建物理模型：假设a.熔体为不可压缩流体；b.熔体流动为稳态层流流动，忽略惯性力和体积力；c.熔体在流动过程中温度不变；d.熔体在歧管中仅沿歧管轴向流动，在阻流I区、阻流II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I区中的流动互不干涉；e.忽略流道末端两侧壁面对熔体流动的影响；
[0010] 构建流道几何模型：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；将阻流区沿挤出方向设计为阻流I区和阻流II区，阻流I区和阻流II区的厚度不等；将歧管设计为沿流道宽度方向截面尺寸不变的直歧管；
[0011] 利用流变学理论推演阻流I区和阻流II区分界曲线：构建坐标系。基于熔体沿流道宽度方向的出口流率均匀，计算歧管中沿流道宽度方向的熔体压力，计算熔体沿挤出方向流动时由阻流I区入口到阻流II区出口之间的压力降；根据歧管中的熔体压力与阻流I区入口处的熔体压力相等以及阻流II区出口处的熔体压力沿流道宽度方向不变，得到阻流I区和阻流II区的分界曲线在所述坐标系中的表达式。
[0012] 作为一种优选，构建流道几何模型中，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。
[0013] 作为一种优选，构建流道几何模型中，阻流I区和阻流II区的厚度沿流道宽度方向不变。
[0014] 作为一种优选，构建流道几何模型中，阻流I区的厚度小于阻流II区的厚度。
[0015] 作为一种优选，构建流道几何模型中，阻流I区的厚度大于阻流II区的厚度。
[0016] 作为一种优选，所述阻流I区在流道对称面位置和流道末端与歧管之间设有间距，所述阻流II区在流道对称面位置和流道末端与松弛区之间设有间距。
[0017] 作为一种优选，构建流道几何模型中，歧管截面采用圆形，歧管半径沿流道宽度方向不变。
[0018] 作为一种优选，构建流道几何模型中，松弛区和成型区的厚度和长度沿流道宽度方向不变。
[0019] 作为一种优选，流道宽度方向任一位置，歧管中的熔体压力与阻流I区入口处的熔体压力相等，阻流II区出口处的熔体压力沿流道宽度方向不变。
[0020] 作为一种优选，流变学理论的推演过程为：
[0021] 熔体在流动过程中温度不变，熔体的黏度采用幂律模型描述，即
[0022]
[0023] 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；
[0024] 根据流道在宽度方向的对称性，取流道一半进行分析。忽略入口区的影响，歧管截面采用圆形，以流道宽度方向为x轴，流道长度方向为y轴，歧管与阻流I区的交界线为z轴构建坐标系，如图2所示。
[0025] 熔体沿歧管流动的压力梯度为
[0026]
[0027] 式中，p(z)为歧管中熔体在z处的压力；Q(z)为歧管中熔体在z处的体积流率；R为歧管半径；
[0028] 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，则歧管中熔体沿歧管方向的体积流率为
[0029] Q(z)＝Q0(1‑zsinθ/W) (3)
[0030] 式中，W为流道宽度的一半；θ为阻流区扩张角的一半；
[0031] 式(3)代入式(2)并积分，设歧管末端的熔体压力为pE，有
[0032]
[0033] 根据所述坐标系，有
[0034] x＝z sinθ (5)[0035] p(x)＝p(z) (6)[0036] 式中，p(x)为歧管中熔体在x处的压力；
[0037] 式(5)～(6)代入式(4)，有
[0038]
[0039] 由于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时，阻流II区出口处的熔体压力沿流道宽度方向不变。取阻流区在流道对称面处的长度为L，阻流II区出口处(即y＝L)的熔体压力为pL，在流道宽度方向任一位置x处，熔体在阻流区中沿挤出方向流动时，阻流I区入口到阻流II区出口之间的压力降为[0040]
[0041] 式中，h1和h2分别为阻流I区和阻流II区的厚度；y为阻流I区和阻流II区的分界曲线，是坐标x的函数；
[0042] 在流道宽度方向末端，即x＝W时，y＝yE，p(x)＝pE，代入式(8)得[0043]
[0044] 由式(7)～(9)得
[0045]
[0046] 式(10)中的y即为阻流I区和阻流II区的分界曲线在所述坐标系中的表达式。
[0047] 作为一种优选，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，可用为熔体由歧管入口流动到歧管末端的压力降和流道末端熔体流经阻流区末端的压力降之和表示，即
[0048]
[0049] 作为一种优选，采用数值模拟软件对流道中熔体的流场进行数值模拟，定义熔体出口处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，进而验证分界曲线的可靠性。
[0050] 本实用新型的原理为：衣架式模具的流道中，熔体由入口区进入歧管后沿歧管流动的同时，一部分熔体进入阻流区并沿挤出方向流动进入松弛区和成型区。歧管中熔体压力沿流动方向非线性下降，即阻流区入口处的熔体压力沿流道宽度方向非线性下降。本实用新型在不改变入口区、松弛区和成型区截面形状的条件下，将阻流区设计为沿流道长度方向(挤出方向)厚度不同的两个区域(即阻流I区和阻流II区)，将歧管设计为截面尺寸沿流道宽度方向不变的直歧管，通过阻流I区和阻流II区分界曲线的设计，使熔体在阻流II区出口处的压力沿流道宽度方向不变，或者说，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，从而达到熔体出口流率沿流道宽度方向均匀的目的。
[0051] 本实用新型相对于现有技术，具有以下有益效果：
[0052] 本实用新型将衣架式模具的流道阻流区设计为两个厚度不同的区域(阻流I区和阻流II区)，将歧管设计为截面尺寸沿流道宽度方向不变的直歧管，通过对熔体在衣架式模具流道中的流动进行分析，以熔体出口流率沿流道宽度方向均匀为前提，根据流变学理论对流道结构和尺寸进行理论设计，推演出阻流I区和阻流II区的分界曲线。
[0053] 本实用新型对采用阻流I区和阻流II区分界曲线理论设计方法设计的衣架式模具流道中熔体的流动行为进行了数值模拟，验证了分界曲线可靠性，可用于指导直歧管衣架式模具流道的设计。
[0054] 本实用新型与现有的直歧管衣架式模具流道的设计方法相比，本实用新型提出的设计方法在满足熔体出口体积流率均匀的条件下，可以有效地减小阻流区长度进而进行流道的长度。
[0055] 本实用新型与现有的直歧管衣架式模具流道的设计方法相比，本实用新型可以根据成型要求，对歧管半径、阻流区的长度和扩张角、阻流I区和阻流II区的厚度及其分界形状曲线进行设计。
具体实施方式
[0063] 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。
[0064] 本实施例一种直歧管衣架式模具平衡流道的流变学设计方法，适用于沿宽度方向对称的模具的流道设计，包括以下步骤：
[0065] S1、构建物理模型：假设a.熔体为不可压缩流体；b.熔体流动为稳态层流流动，忽略惯性力和体积力；c.熔体在流动过程中温度不变；d.熔体在歧管中仅沿歧管轴向流动，在阻流I区、阻流II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I区中的流动互不干涉；e.忽略流道末端两侧壁面对熔体流动的影响。
[0066] S2、构建流道几何模型：如图1所示，模具流道包括沿熔体流向依次设置的入口区1、歧管2、阻流区、松弛区4和成型区5；将阻流区沿流道长度方向设计为厚度不等的阻流I区
31和阻流II区32，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区的厚度沿流道宽度方向不变；阻流I区在流道对称面位置和流道末端与歧管之间设有间距，阻流II区在流道对称面位置和流道末端与松弛区之间设有间距；将歧管截面设计为圆形，歧管半径沿流道宽度方向不变；松弛区和成型区的厚度和长度沿流道宽度方向不变。
[0067] S3、利用流变学理论推演阻流I区和阻流II区的分界曲线：构建坐标系，如图2所示，基于熔体沿流道宽度方向的出口流率均匀，计算歧管中沿流道宽度方向的熔体压力，计算熔体沿挤出方向流动时由阻流I区入口到阻流II区出口之间的压力降；根据阻流I区入口处的熔体压力与歧管中的熔体压力相等以及阻流II区出口处的熔体压力沿流道宽度方向不变，得到阻流I区和阻流II区分界曲线在所述坐标系中的表达式。
[0068] 流变学理论的推演过程为：
[0069] 根据流道宽度方向的对称性，取流道的一半进行分析。忽略入口区的影响，歧管截面采用圆形且沿流道宽度方向尺寸不变，其他形状可通过形状因子进行换算。以流道宽度方向为x轴，流道长度方向为y轴，歧管与阻流I区的交界线为z轴构建坐标系，如图2所示。
[0070] 采用幂律模型描述熔体的剪切黏度，即
[0071]
[0072] 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。
[0073] 熔体沿歧管流动的压力梯度为
[0074]
[0075] 式中，p(z)为歧管中熔体在z处的压力；Q(z)为歧管中熔体在z处的体积流率；R为歧管半径。
[0076] 假定熔体在流道入口处的体积流率为2Q0，熔体出口流率沿流道宽度方向均匀时，歧管中熔体沿歧管方向的体积流率为
[0077] Q(z)＝Q0(1‑zsinθ/W) (3)
[0078] 式中，W为流道宽度的一半；θ为阻流区扩张角的一半。
[0079] 式(3)代入式(2)并积分，设歧管末端的熔体压力为pE，有
[0080]
[0081] 根据所述坐标系，有
[0082] x＝z sinθ (5)[0083] p(x)＝p(z) (6)[0084] 式中，p(x)为歧管中熔体在x处的压力。
[0085] 式(5)～(6)代入式(4)，有
[0086]
[0087] 由于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时，阻流II区出口处熔体的压力沿流道宽度方向不变。取阻流区在流道对称面处的长度为L，阻流II区出口处(即y＝L)的熔体压力为pL，在流道宽度方向任一位置x处，熔体在阻流区中沿挤出方向流动时，阻流I区入口到阻流II区出口之间的压力降为[0088]
[0089] 式中，h1和h2分别为阻流I区和阻流II区的厚度；y为阻流I区和阻流II区的分界曲线，是坐标x的函数。
[0090] 在流道宽度方向末端，即x＝W时，y＝yE，p(x)＝pE，代入式(8)得[0091]
[0092] 由式(7)～(9)可得
[0093]
[0094] 式(10)中的y即为阻流I区和阻流I区的分界曲线在所述坐标系中的表达式。
[0095] 由式(10)可以看出，阻流I区和阻流II区分界曲线与流道宽度、歧管半径、阻流I区和阻流II区的厚度、阻流区长度及扩张角、熔体的幂律指数n有关，而与熔体的稠度和产量无关。
[0096] 当x＝0时，由式(10)可得阻流I区在流道宽度方向对称位置的长度为[0097]
[0098] 流道设计时，需要综合考虑流道各部分的尺寸，在流道宽度方向上任一位置，阻流I区和阻流II区在流道长度方向上留有适当间距以方便模具制造。
[0099] 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，可表示为[0100]
[0101] 式(12)右端第一项为熔体由歧管入口流动到歧管末端的压力降，第二项为流道末端熔体流经阻流I区和阻流II区的压力降。流道设计时，可以通过歧管半径、阻流I区和阻流II区的厚度、阻流区长度及扩张角的设计来调整挤出压力。
[0102] S4、验证：为了验证本实用新型推导的阻流I区和阻流II区分界曲线的可靠性，选择幂律指数不同的两种熔体进行流道设计，采用数值模拟软件对流道中熔体的流场进行计算。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，验证前述推导的阻流I区和阻流II区分界曲线的可靠性。
[0103] 片材宽度(2W)取2000mm，松弛区的厚度和长度分别取4mm和40mm，成型区的厚度和长度分别取2mm和20mm。采用幂律模型描述熔体的流变性能，分别取n＝0.4、K＝8000Pa·s‑0.6 ‑0.4和n＝0.6、K＝8000Pa·s 。歧管半径取15mm，阻流区的扩张角(2θ)取177°，在流道宽度对称面位置的长度取40mm，yE取34mm，阻流II区厚度取2.5mm，n为0.4和0.6时阻流I区厚度分别取1.2mm和1.6mm，由式(10)可计算得到阻流I区和阻流II区的分界曲线。采用三维设计软件对流道进行几何建模，根据流道宽度方向的对称性，取其一半进行计算。
[0104] 挤出产量(2Q0)取80000mm3/s(即挤出速度为40mm/s)，n为0.4和0.6时模拟计算得到的流道中熔体压力等值线分别如图3和图4所示。可以看出，当熔体离开阻流区时其压力等值线平行于流道出口，从而保证了熔体出口流率沿流道宽度方向的均匀性。n为0.4和0.6时，由数值模拟得到的熔体由歧管入口沿任一路径流经歧管和阻流区的压力降分别为4.91MPa和8.28MPa，与式(12)的计算结果一致。
[0105] 图5和图6分别为数值模拟得到的n为0.4和0.6时流道一侧沿其宽度方向的熔体出口无量纲流率。沿流道宽度方向熔体出口无量纲流率增加，距离流道末端约20mm处达到最大值，n为0.4时，熔体出口无量纲流率由0.995增加到1.005，n为0.6时，熔体出口无量纲流率由0.997增加到1.003；之后开始下降，仅在流道末端约10mm的范围内，熔体无量纲出口流率小于1，这是由于理论推导中忽略了流道侧壁对熔体流动的影响，而对熔体流场进行数值模拟时熔体与侧壁之间为无滑移边界，与实际生产一致。
[0106] 本实施例一种直歧管衣架式模具，如图1所示，直歧管衣架式模具的流道包括沿流向依次设置的入口区1、歧管2、阻流区、松弛区4和成型区5，所述阻流区包括沿流道长度方向设计的阻流I区31和阻流II区32，阻流I区和阻流II区的厚度不等，所述歧管为截面尺寸沿流道宽度方向不变的直歧管。阻流区中，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区的厚度和阻流II区的厚度沿流道宽度方向不变。阻流I区在流道对称面位置和流道末端与歧管之间设有间距，所述阻流II区在流道对称面位置和流道末端与松弛区之间设有间距；歧管的截面采用圆形，歧管半径沿流道宽度方向不变。
[0107] 除了上述实施例提及的方式外，针对其他截面形状的歧管，歧管中的熔体压力可通过形状因子进行换算，进而得出不同截面形状的歧管所对应的阻流Ⅰ区和阻流Ⅱ区的分界曲线。这些变换方式均在本实用新型的保护范围内。
[0108] 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Ⅰ区和阻流Ⅱ区的分界曲线，实质上是确定了流道宽度方向任一位置阻流I区和阻流II区的长度，因此，将阻流I区和阻流II区的位置在挤出方向对调或分解为多个区域的组合仍能保证出口体积流率均匀。这些变换方式均在本实用新型的保护范围内。
[0109] 除了上述实施例提及的方式外，阻流I区和阻流II区之间采用倒角或圆角过渡并不影响阻流I区和阻流II区的分界曲线。这些变换方式均在本实用新型的保护范围内。
[0110] 如上所述，便可较好地实现本实用新型，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。
