最新基于Creo木塑踢脚线挤出成型模具的数字化设计毕业设计Word下载.docx

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机电工程学院材料成型及控制工程专业班级学生：

基于Creo木塑踢脚线挤出成型模具的数字化设计

毕业设计（论文）

课题的意义及培养目标：

挤出成型是塑料制品的三大成型方法之一，其几乎适用于所有的热塑性塑料及部分热固性塑料，而挤出模具是挤出成型过程得以实现的关键。

模具结构的合理与否，不仅影响产品的经济性，也是保证良好的成形工艺条件和稳定的成形质量的决定性因素。

本课题主要是通过查阅相关文献、书籍资料，设计一套适用于木塑材料的异型材挤出模具，同时应用Creo对其进行三维建模，应用流体分析软件对其进行流动模拟分析。

通过本课题的研究，使学生具备查阅文献资料的能力；

使学生进一步巩固所学的各类知识，特别是塑料成型工艺学与塑料成型模具这两门主干课程；

同时提高学生独立思考、设计和研究、解决问题的能力。

通过使用Creo软件进行三维建模，进一步了解产品的设计方法和完整的设计过程，最后可以独立设计、开发，为后续工作打下坚实的基础。

设计（论文）所需收集的原始数据与资料：

《画法几何及机械制图》、《塑料成型工艺学》、《塑料成型模具》、《机械零件手册》、《互换性与技术测量》等相关书籍；

挤出模具设计的相关文献及资料；

木塑材料的相关资料；

课题的主要任务（需附有技术指标分析）：

1.了解木塑材料的性能和挤出模具的工作机理及组成；

2.设计挤出模具的截面形状及流道并对其进行分析；

3.设计出挤出模具并对其运用Creo进行三维建模设计

设计（论文）进度安排及完成的相关任务（以教学周为单位）：

周次

设计（论文）任务及要求

1-2

了解课题及查找相关资料，学习Creo软件；

3-5

制定设计计划并且完成截面形状及流道的设计；

6-8

设计挤出成型模具，对挤出模具进行三维建模；

9-12

应用分析软件对流道进行分析；

12-14

设计输出模具的全套工程图；

14-16

撰写毕业论文，准备答辩

学生签名：

指导教师：

教研室主任：

基于Creo木塑踢脚线挤出成型模具的数字化设计

摘要

木塑复合材料作为新兴的的环保节能型材料，近年来的得到了非常快速的发展，随着木塑复合材料在建筑和装饰行业的应用越来越广泛，对木塑复合材料挤出成型技术的要求也越来越高。

木塑复合材料的发展在一定程度上取决于模具的质量，挤出模具是挤出成型的关键设备，其主要作用是将塑料熔体分布于流道中，以使物料以均匀的速度从机头中挤出，形成所需要的端面形状和尺寸的制品。

模具结构的合理与否，不仅影响产品的经济性，也是保证良好的成型工艺条件和稳定的成型质量的决定性因素。

本文根据传统的设计方法对踢脚线异型材挤出模具结构和尺寸进行设计。

综合考虑口模膨胀效应、拉伸形变效应、冷却收缩效应三方面对挤出口模尺寸的影响，进行制品挤出机头的设计，并通过Creo进行三维建模，最后利用AnsysFluent对挤出模具的流道进行分析。

关键词：

PVC木塑，机头，流道，有限元分析

TheDigitalDesignofaWoodPlasticCompositesExtrusionToolingforbaseboardBasedonCreo

ABSTRACT

WoodplasticComposites（WPC）isanewenvironmentallyfriendlyenergy-savingmaterialwhichhasbeendevelopingrapidlyinrecentyears.WithWPCinconstructionanddecorativesheetmetalindustryhavebeenwidelyused,theextrusiontechnologyrequirementshavebeenheightened.Extrusiondieisthekeyequipmentofextrusion,madetheplasticdistributeintherunner,sothatletthematerialextrudefromdieheadasauniformvelocity,formedtheneededshapeandsizeoftheproduct.Thedevelopmentofwoodplasticcompositesdependsonthequalityofthedie,thestructureofdie,notonlyaffecttheeconomyofproduct,butalsothedecisivefactorinensuringthequalityofmoldingprocessmoldingconditionsandgoodstability.

Inthispaper,basedonthetraditionaldesignmethod,theauthorpreliminarydesignedthestructureandsizeofthebaseboardprofileextrusiondie.Consideringthethreefactorsofdieswelleffect、stretchingdeformationeffect、thecoolingeffect.Thendesigntheextrusiondieand3DmodelingbyCreo,analyzeflowchannelbasedonAnsysFluent.

KEYWORDS:

PVC/WF,diehead,flowchannel,Ansys

1绪论

1.1木塑复合材料概述

进入20世纪以来，随着人们生活水平的日益提高，对各种类型建筑材料包括刨花板、硬质纤维素、汽车装饰板、墙体装饰板的需求量逐年增加，另一方面，国家森林保护法的实施加强，造成木材的供应量大幅度减少，因此迫切需求开发新型环保节能型材料来代替，传统的木质建筑、装饰板材，以满足社会需求的日益增长。

我国是农业大国，每年农作物秸秆类剩余物（包括麦秸、稻草、高粱杆、麻杆、棉花杆、烟草等）达到10亿多吨，这是一种巨大的可再生资源，如果能将这些资源合理利用，将给社会带来巨大的经济效应。

我国同样也是塑料产量的大国，2009年塑料制品的产量达到了4479万吨，但是废旧塑料的回收利用问题，是困扰塑料行业深入发展的大问题。

全行业商议如何将这一农业上的资源优势转化为经济优势是现代科技工作者正在努力解决的问题。

因此开发复合板生产工艺是人造板材中非常有前途的研究，这也是当前急需的工业化综合利用条件。

木塑复合材料（WoosPlasticComposites），英文缩写为WPC，它是利用木质纤维填料（包括木粉，秸秆，稻壳等）和热塑性塑料（熔点在200℃以下，主要的热塑性塑料有聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）和聚苯乙烯（PS）、PVC）为主要材料，添加

加工助剂（硬脂酸，石蜡等），经过热挤出成型加工而制得的复合材料。

木塑复合材料制造主要包括原料选取，原料处理、原料搭配、混炼塑化、造粒这几个生产流程，如图1所示：

造粒

混炼塑化

原材料预处理

原材料配混

图1木塑复合材料生产程序

（1）原材料的预处理：

为了使木质纤维与塑料更好的融合，在两者混合之前，需要经过一些预处理。

木质纤维原料的预处理：

木质纤维通过粉碎，得到10~30mm的碎料，再经过进一步的研磨处理，得到纤维材料的粒径在20~200目，长径比一般在（2:

1）~（20:

1）之间。

如果挤出成型的木质纤维过长或者过粗，容易导致复合材料难以聚合，造成复合材料的力学性能下降。

木质纤维原料内部含有较多的水分，为了避免在挤出过程中，水蒸气的挥发导致成品空隙，木质纤维原料还需经过干燥脱水处理、。

一般的干燥方式有烘箱式干燥、微波干燥、真空干燥、高温气流干燥等。

使用偶联剂对木质纤维原料进行预处理，改变木纤维表面的状态，使木质纤维与塑料基质之间形成化学键，可以极大提高木纤维与塑料的相容性。

塑料原料的预处理：

木塑复合材料往往采用回收的废旧塑料作为原料，这就需要对回收的废旧塑料进行必要的加工处理。

塑料的粉碎一般有剪切粉碎和冲击粉碎。

剪切粉碎时靠刀具之间往复啮合运动来剪切物料。

冲击粉碎靠装在中心轴上高速旋转的锤强有力的冲击作用而粉碎物料。

为了适应木材的表面状态，更好的与木材融合，同样需要对塑料原料进行改性处理。

一般有塑料合金、塑料表面接枝共聚、塑料表面氧化处理等方式。

（2）配料混合：

配料混合是将木粉和热塑性塑料混合，然后添加各种助剂，按照一定的比例混合均匀，通常对固态物料混合的步骤是按塑料、稳定剂、着色剂、木粉和润滑剂按一定比例，先后加到混合设备中，混合一定时间后，对物料加热使润滑剂熔化，便于将塑料、木粉等物料均匀混合。

（3）混炼塑化：

木塑复合材料的混炼是在原料混合基础上，提高混合温度，使物料在高温和剪切了的作用下熔融，获得剪切混合的作用，进一步除去其中的水分和挥发物，使各组分分散更趋于均匀。

（4）造粒：

为了便于储存和运输，必须将塑化后的物料进行造粒处理。

造粒的方法一般有开炼机轧片造粒、挤出冷却造粒、基础热切造粒。

WPC这种新型的材料综合了木质纤维材料和聚合物材料的双重优势，消除了木质材料的缺点，具有热塑性塑料的加工性，木塑复合材料主要特点可以归纳如下：

（1）结实耐用、防水、防潮、有类似木质外观；

（2）物理性质稳定，比普通木材尺寸稳定性好，不容易产生裂缝、弯曲变形；

（3）加工方便，和普通热塑性塑料的加工方法一样，用一般塑料挤出加工设备或稍加结构改造便可进行成型加工；

（4）能重复使用和回收再利用，节约能源，保护环境；

（5）表面光滑、平整和坚固，可压制出立体图案和其他形状；

（6）无木材的缺点，如：

斜纹理、结疤、腐朽等；

（7）可加入各种着色剂，制成彩色产品；

（8）不怕虫蛀，耐腐蚀性好；

（9）耐热性能好；

（10）耐候性好；

木塑复合材料在各个领域的应用已经非常普及。

主要作为建筑和装饰材料，如木塑门、地板、衣柜、户外地板、木塑护栏、园林护栏、阳台护栏、百叶窗等、此外木塑材料还可以用来制造汽车的装饰板材。

1.1挤出成型概述

挤出成型是指借助于螺杆或柱塞的挤压作用，使塑化均匀的塑料强行通过口模而成为具有恒定界面的连续制品的成型方法。

热塑性塑料的挤出成型就是，粒状或粉状塑料通过料斗，在旋转的螺杆的推动下，塑料沿螺杆的螺槽向前方输送。

在此过程中，不断地接受外加热和物料与物料之间的剪切摩擦热，逐渐熔融呈粘流态。

然后，在螺杆的推动下，塑料熔体通过具有一定形状的挤出模具（机头）口模以及一系列辅助装置（定型、冷却、牵引、切割装置），从而获得所需截面形状的塑料型材。

图1-1双螺杆挤出异型材生产示意

挤出过程实际上可以划分为两个阶段。

第一阶段是成型材料的塑化（变为粘流态）和赋形阶段（在压力作用下通过口模获得与口模形状及尺寸相似的制品）；

第二阶段是挤出的连续体的定型阶段（通过各种途径从粘流态转变为可以使用的玻璃态或结晶制品）

挤出成型工艺的特点：

（1）挤出成型可实现连续化、自动化生产。

生产操作简单，工艺控制容易，生产效率高，产品质量稳定；

（2）可以根据产品的不同要求，改变产品的断面形状。

该工艺可以生产管材、棒材、片材、板材、薄膜、电缆、中空制品和异型材等产品；

（3）生产的连续操作，特别适合生产较长尺寸的制品。

其生产率的提高比其他成型方法快；

（4）应用范围广。

只要改变螺杆和辅机，就能适用于多种塑料和多种工艺过程。

例如：

可以加工大多数热敏性塑料及部分热固性塑料，也能用挤出法进行共混改性、塑化、造粒、脱水和着色等；

（5）设备成本低，投资少，见效快，占地面积少，生产环境清洁；

（6）可以进行综合性生产。

挤出机与压延机配合，可以压延薄膜；

挤出机与压机配合，可以生产各种压制制件。

可见，挤出成型在塑料工业中占有相当重要的位置，并且伴随着塑料工业的迅速发展，还将具有更广泛的应用前景。

木塑复合材料挤压成型中，热挤出设备自然是核心和关键技术，而热挤出模具处于至关中重要的的位置，木塑复合材料挤出模具的设计不合理导致：

（1）熔体在模腔流道中滞留，降低产品力学性能；

（2）模具寿命过低，生产成本过高；

（3）挤出模的装卸，对接不容易实现；

（4）产品出现裂纹、端口、增加废品率。

本设计主要针对热挤出模具进行设计，并优化合理模具结构，方便易拆装，能提高生产效率、降低运行成本，提高模具的使用价值。

1.2木塑复合材料的发展

国外

木塑复合材料的产业化推广始于20世纪80年代,最初是将木粉作为改性塑料的填料来使用的,随着技术水平的不断提高,逐渐发展成一类性能优良的新材料。

目前,各类木塑制品在美国、加拿大、德国、英国、荷兰、日本和韩国等国家已得到较为广泛的应用,形成了比较规范的产业和市场。

北美是目前世界上木塑复合材料市场最大的地区,其中铺板（包括平台、路板、站台、垫板）用量占总量的60%以上。

天然纤维复合材料的各种优势吸引了美国和加拿大政府众多大学、研究机构、军方以及企业的大量资金和研究方面的投资。

在美国,已形成一个从研发、原材料收集、设备制造、模具、制成品到市场营销的完整产业链。

几家最大的木塑复合材料公司,如TREX公司等都在纽约证券交易所上市。

TREX的年营业额已超过5亿美元。

加拿大安大略省的材料和制造中心一直坚持与美国国家森林实验室一起主办木塑复合材料会议并资助研究人员和公司。

经过10多年的努力,在加拿大也形成了有10多家企业为主体,年产量4万t的木塑复合材料企业。

在欧洲,尽管目前WPC用量不大,但由于欧共体有可能以法规形式严格地限制使用PVC,所以存在木塑窗框替代PVC窗框的巨大潜在市场和机会。

WPC产业在欧洲的突出特点是应用于汽车工业,欧洲的汽车公司,包括大众、沃尔沃、奥迪、宝马等,在其生产的汽车里均采用了WPC,2005年,欧洲汽车工业消费的WPC达到7万t。

由于汽车报废新法规的颁布,汽车厂家普遍对WPC良好的回收性表现出浓厚兴趣。

在欧洲,汽车的年产量在1600万辆左右,如果全部采用WPC,其需求量将达到8万～16万t/a。

国内：

WPC在欧美等发达国家经过近30年的发展正向成熟期过渡,而在我国还是一个相对新兴的行业。

我们国家从2000年以后才开始研发和产品制造,发展历史不足10年,但其强劲的发展势头颇为引人注目。

据不完全统计,截至2007年底,全国直接从事木塑复合材料研发、生产的企事业单位已逾160家,生产能力大幅度提高,木塑制品年产量已接近15万t,年产值可达20亿元人民币。

木塑企业集中分布在珠三角和长三角地区,东部远远超过中、西部。

东部个别企业工艺水平较为领先,南方企业则占有产品数量和市场的绝对优势。

行业内主要技术代表企业的试验样品已达到或超过国际先进水平。

尽管如此,与国外相比我国对木塑复合材料的开发及应用还存在很大差距。

国家已经意识到发展这种绿色环保材料的重要性,从2002年开始国家科技部“863”项目和国家林业局“948”计划都将木塑复合材料列入了生物质重组课题;

2001～2007年国家发展和改革委员会将木塑复合材料项目列入“国家高科技产业化新材料专项”;

北京奥组委早在2006年9月就推荐WPC作为部分场馆、设施建设的专用材料;

北京奥运会世奥森林公园破例为WPC指定了一处近2000㎡的空地搭建实验建筑。

目前,上海世博会也采用WPC作为建设用材。

所有这些都体现出我国政府对WPC行业的重视与支持。

1.3木塑复材料挤出模具发展

欧美国家木塑挤出模具发展起步早，其挤出模具的设计制造技术比较成熟，通过不断地研究和摸索，理论结合实践，在挤出模具基础速度和挤出质量方面有非常丰富的理论体系。

成型方式也主要以双螺杆挤出成型为主。

双螺杆挤出成型的主要优点有：

可以免去造粒，直接添加混合粉料，加工速度快，排气速度好，螺杆相互啮合，依靠剪切力的作用使物料混合的更加均匀，更容易塑化。

欧美发达国家挤出模具在主型材生产挤出时，挤出速度一般能达到4m/min,有的平行双螺杆挤出速度甚至超过了6m/min，在追求高速挤出的同时，挤出成品的质量也不会受到明显的影响。

国内

国内木塑复合材料挤出模具发展比较晚，木塑挤出模具发展初期，主要是单螺杆挤出，这种挤出成型方式效率低，成型速度慢，难以实现连续、大量的工业化生产。

最近几年，由于木塑复合材料挤出成型技术得到了极大地重视，我国异性材挤出模具发展迅速，生产能力有了大幅度的提升。

国内挤出成型方式逐步从单螺杆发展成锥形双螺杆和平行双螺杆交替发展的过程。

挤出速度和国外的先进水平还是有不少的差距，国内的生产水平一般也就3m/min。

挤出成品质量方面，国内挤出成型模具在高速挤出，大规模生产时，容易出现成品尺寸较大的波动，次品率较高，并且在实际的生产中，换线生产时后，次品率大幅度增加。

近十年来国内挤出模具发展仅仅追随者国外先进水平，但是高速挤出高质量的成品时，对于挤出模具的要求较高时，国内的挤出模具与国外的挤出模具之间差距还是很大的。

主要问题还是出现在设计理论和技术方面。

如何从以往仅仅依赖经验的设计方式改为将挤出模具设计经验与聚合物流变学和床热学等相关理论结合，不断完善木塑复合材料的挤出模具的设计理论，并且如何更充分得借助计算机模拟仿真技术，从而提高模具设计效率，优化模具结构，是国内挤出模具行业进一步发展的必要途径

2木塑复合材料挤出模具设计理论基础

挤出模具设计时，被加工的木塑复合材料材料流变数据占有非常重要的地位，只有了解了材料的流变特性以及流体运动控制方程后，才能为挤出模具结构设计技工有力理论基础。

2.1聚合物熔体流变特性

在挤出模具设计中，被加工的材料的流变学特征占据了关键性的地位，木塑复合材料的加工成型和使用性能在很大程度上取决于其流变行为。

木塑复合材料属于聚合物范畴，所以了解聚合物的材料流变特征，对于挤出模具的设计具有指导性意义。

2.2聚合物熔体的粘性特征

聚合物熔体在通常的加工工程中，常用“粘度”来描述聚合物的流动性。

粘度的产生主要是物料在流道中产生流线收敛，在流动方向上具有速度梯度，使得熔体在流动过程中受到拉伸、剪切等应力作用。

牛顿在研究低分子流体的流动时，发现剪切应力和剪切速率存在着线性关系，可表示为;

这就是著名的牛顿粘性定律

（2-1）

式中：

——剪切应力；

——单位时间内的剪切应变，也称之为剪切速率；

——比例常数，称为牛顿粘度，其大小取决于流体本身的固有性质，流体的粘性越大，其值越大。

聚合物流体流动时，剪切应力

剪切速率

呈线性关系，我们将这种流体统称为牛顿型流体。

由于聚合物流体在实际的流动过程中，会受到温度、压力、剪切速率、分子量等因素影响，聚合物熔体的粘度并不是固定不变的，所以大部分的聚合物的剪切应力与剪切速率呈现非线性关系。

本文研究的木塑复合材料聚合物也属于非牛顿流体范畴。

根据非牛顿流体流动时，剪切应力与剪切速率之间呈现的关系，可以将非牛顿流体分为粘性系统、时间依赖系统的粘弹性系统三大类。

挤出模具设计中，木塑复合材料体表现出来的特征大部分是粘性系统。

这类流体是根据剪切力与剪切应变之间的函数关系不同可以分为：

宾汉型流体、塑性流体和胀型流体三种。

他们所表征的流动曲线是非线性的，具体特征曲线如图2-1所示

1.宾汉型流体2.胀塑性流体3.假塑性流体4.牛顿流体

图2-1不同流体的曲线图

（1）宾汉型流体宾汉型流体在静止时，由于内部有凝胶结构，当剪切应力超过流体运动最小剪切应力

y时，流体凝结性结构被打破，流体材开始流动。

所以宾汉流体的流变特性可用Vinogrador-Malkin模型表示为：

-

y=

（2-2）

宾汉型流体模型主要适用于浓溶液和凝胶型聚合物的流变特性。

（2）胀塑性流体这种流体饿流变特征曲线是一条向上弯的曲线。

该流体的粘度系数随剪切速率的增大而增加。

这种流体模型适用于固体颗粒含量较多的聚合物的流变特性。

（3）假塑性流体这种流体表征的流动曲线也是非线性的，流体的粘度随着剪切速率的增加而减小，随着剪切应力的增加，剪切速率增加的速度比剪切应力更快，与胀塑性流体刚好相反，曲线呈向上弯曲，该曲线可以用幂律函数方程式来表示：

=

（2-3）

式中

0非牛顿型流体的表观粘度。

幂律函数方程式在数学上很简单，但只适用于简单流体，实际工程中一般选用Bird-Carreau模型表示假塑性流体的流动特征：

（2-4）

式中

0——零剪切粘度；

n——幂律指数；

——时间常数

假塑性流体模型是聚合物流体中最常见的，研究证明木塑复合材料聚合物流体特征也属于假塑性流体，所以在研究木塑复合材料流体时，一般选用Bird-Carreau模型来表示流体流动特性。

2.2.1影响流体粘性流动的因素

聚合物熔体的粘度是描述聚合物流变行为最重要的因素，详细的讨论聚合物熔体的粘度及其影响因素是非常有必要的。

分子结构、温度、压力、剪切速率、添加剂等是影响聚合物熔体粘度的主要因素。

对于假塑性流体来说，造成粘度下降的本质原因是受到剪切应力作用，聚合物大分子之间缠结点被解开，随着缠结点被打开数量的增加，聚合物内部分子在剪切应力作用下，发生相对运动时，内摩擦力就变小，直接导致了流体粘度下降，所以分子量大的聚合物，缠结点多的聚合物，往往粘度就大，聚合物熔体的粘度随分子量的增加呈指数关系增大。

温度对于聚合物流体粘度的影响

温度对粘度有非常重要的影响，温度升高，分子出现热涨现象，导致分子间的空隙加大，分子间的相互作用力变小，聚合物的流体粘度降低。

假塑性流体可以用阿雷尼厄斯（Arrhenius）方程表示温度与粘度的关系

（2-5）

式中A——与材料有关的常数;

R——为气体常数;

T——绝对温度;

E——聚合物熔体活化能。

添加剂对于聚合物流体粘度的影响

添加剂对于聚合物流体粘度的影响，在聚合物挤出成型之前，为了改善流动性，一般会在聚合物中加入润滑剂，润滑剂的加入降低了聚合物分子之间作用力，使得聚合物流体粘度下降，所以在考虑聚合物流动性能的同时，还要兼顾考虑聚合物流体的粘度。

过低的聚合物流体