基于ANSYS的挤出跑步机塑料边条模具的设计及机头的加工仿真文库.docx

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基于ANSYS的挤出跑步机塑料边条模具的设计及机头的加工仿真文库

目录

1绪论2

1.1行业模具2

1.2国内外模具发展状况和趋势3

2挤出工艺与模具设计4

2.1挤出模具设计4

2.2机头设计5

2.3分流锥及其支架设计5

2.4冷却定径套设计6

2.4.1内定径芯模6

2.4.2压缩空气外定径套6

2.4.3真空外定径套7

2.5过滤部分（机头过滤体）8

2.6机头和挤塑机联接设计10

2.7机筒11

2.8模具内熔料的流变特性12

2.9挤塑模设计的理论基础12

3模具的装配和校核13

3.1塑料熔体在圆管内流动13

3.2口模联接螺钉的强度校核14

3.3口模尺寸15

3.3.1成形端长度15

3.4机筒材料16

3.5分流器支架的校核16

3.6PRO/E模具装配19

3.6.1绘制三维图19

3.6.2零件装配20

3.6.3装配爆炸图23

3.7ANSYS有限元静力分析26

3.7.1分析问题26

3.7.2建立模型26

3.7.3机头的底部施加位移约束27

4仿真加工35

4.1MasterCAM仿真加工35

4.1.1工艺性审查35

4.2.2加工仿真36

5结论44

参考文献45

致谢46

附录47

1绪论

当今市场上出售的塑料制品中,挤出成形制品的种类日益增多，塑料管材、板材、薄膜和异形材等已在应用中占有非常重要的地位。

其中异型材制品应用的范围最为广大，相应的异型材挤出机头的需求量也在增加。

挤出机头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。

流道设计是挤出机头设计的关键，其结构的合理性直接影响到挤出制品的质量和生产效率。

1.1行业模具

没有高水平的模具就没有高水平的产品。

模具生产水平的高低，已成为衡量一个国家产品制造水品高低的重要标志，因为模具在很大程度上决定着产品的质量、效益和新产品的开发能力，在电子、汽车、电机、电器、仪器、仪表家电和通信等产品中，大部分的零件都要依靠模具成型。

1.2国内外模具发展状况和趋势

我国模具工业从起步到飞跃发展，历经了半个多世纪，近几年来，我国模具技术有了很大发展，模具水平有了较大提高。

大型、精密、复杂、高效和长寿命模具又上了新台阶。

按照中国模具工业协会的划分，我国模具基本分为10大类，其中，冲压模和塑料成型模两大类占主要部分。

目前，我国以汽车覆盖件模具为代表的大型挤压模具的制造技术和软件，实现了CAD（计算机辅助设计）/CAE（计算机辅助试验）一体化，提高了挤压模具的设计开发和制造能力，缩短了模具的生产周期。

国内的模具企业也在充分抓住现代工业所带来的发展契机，加大设备、产品、生产规模的升级步伐，积极开拓国内外市场。

然而，我国模具制造技术与工业发达国家的差距还很大，挤出模具CAD/CAE/CAM技术的开发手段比较落后、技术的普及率不高，应用不够广泛，仅有约10%的模具在设计中采用了CAD技术，距抛开绘图板还有漫长的一段路要走，在应用CAE进行模具方案设计和分析计算方面，也才刚刚起步，在应用CAE技术制造模具方面，由于缺乏先进适用的制造装备和工艺设备，只有5%左右的模具制造设备被应用于这项工作。

精密加工设备在模具加工设备中所占比重较低，工艺设备落后，直接影响国产模具质量的提高。

我国模具工业现有生产能力只能满足需求量的60%左右，大部分模具厂的模具加工设备陈旧，在役期长、精度差、效率低，还不能适应国民经济发展的需要。

生产挤出模具的专用技术尚未成熟，大多仍还处于试验摸索阶段，如模具的表面涂层、表面热处理技术、导向副润滑技术、型腔传感及润滑技术、去应力技术、抗疲劳及防腐技术等未完全形成生产能力，走向商品化。

一些关键、重要的技术缺少知识产权的保护。

模具标准件标准化程度及使用覆盖效率较低，在塑料制造业中被大量使用的模具是挤压模具。

近几年来，塑料模具标准的使用覆盖率尽管有了较大，已从20世纪末的25%～30%提高到目前的45%。

但这种增长距国际先进水平（一般在70%以上，中小模具在80%以上）差距还很大。

这是模具交货期长，也是我国成为模具进口大国的重要原因之一。

目前模具技术的发展趋势模具CAD/CAE/CAM正向集成化、三维化、智能化和网络化方向发展；模具检测、加工设备向精密、高效和多功能方向发展；快速经济制模技术的广泛应用；模具材料及表面处理技术的研究；模具研磨抛光将向自动化、职能化方向发展；模具标准件的应用将日渐广泛；压铸模、挤出模及粉末锻模比例增加；模具工业新工艺、新理念和新模式。

还有模具工业新工艺、新理念和新模式，在成型工艺方面，主要是挤出模具功能复合化，模具加工系统自动化等。

另一方面，随着先进制造技术的不断发展和整体制造水平的提高，在模具行业提出新的设计、生产、管理理念与模式。

主要有：

适应模具单件生产特点的柔性制造技术；创造最佳管理和效益的团体精神；提高快速应变能力的并行工程、虚拟制造及全球敏捷制造、网络制造等新的生产哲理；广泛采用标准件通用件的分工协作生产模式；适应可持续发展和环保要求的绿色设计与制造等。

我所设计的制件是跑步机塑料边条，如图1-1。

图1-1跑步机塑料边条

2挤出工艺与模具设计

2.1挤出模具设计

在挤出成形装置中占有重要地位的模具,由螺杆以3MPa～30MPa的压力连续对它供给熔料,并由模具使熔料形成所需断面形状的挤出物。

此过程是从圆柱形料筒中送出的圆形断面熔料通过联接器进入具有圆形或矩形入口的模具中,在模具中改变形状以后即从模具终端的缝隙中挤出所需断面形状的挤出物。

为此,从圆形或矩形入口到变为接近于成形物断面形状的出口部分缝隙之间的模具内熔料流动路径,需进行保证此变化过程顺畅和无滞留部位的流线形设计。

此外,由于所用塑料熔融物为非牛顿流体,所以在具有粘性特性的同时,还有弹性特性,因此对熔料流动的特性必须充分考虑弹性所起的作用。

因而在设计挤出模具时必须重点考虑下列方面。

2.2机头设计

机头材料一般分为两部分，对于和塑料直接接触的零件，多选用较好的钢材制作。

通常使用镍铬钢、不锈钢，工具钢等，并要进行淬火处理、表面抛光、镀铬，硬度可达HRC60～62。

表面镀层厚度为0.01～0.02毫米左右。

对于组成机头的结构零件，通常选用一般钢材既可。

在一般情况下，对于聚氯乙烯等熔融黏度高的塑料，多使用硬度高的材料。

在挤出过程中成为高压的弯管挤头，或者偏心的、容易变形的机头，必须注意材料的使用。

机头都是以螺纹连接在机头法兰上，而机头法兰是螺栓与机筒法兰连接固定的。

一般的安装次序是先松动螺栓，打开机头法兰，清理干净后，将栅板装入机筒部分（或装在机头上），再将机头安装在机头法兰上，最后闭合机头法兰，紧固螺栓即可。

机头与挤出机的同心度是靠机头的内径和栅板的外径配合，因为栅板的外径是与机筒有配合的，因此保证了机头与机筒的同心度要求。

安装时栅板的端部必须压紧，否则会漏料。

塑料熔体在机头中的停留时间对制品质量影响很大。

在挤出过程中,熔体的停留时间应控制在松驰时间和热稳定时间之间。

停留时间过短,则模头膨胀比较大,挤出的制品就会有较大的残余应力;停留时间过长,则物料会因为受热产生热降解而影响挤出制品的质量。

2.3分流锥及其支架设计

典型的分流锥、支架和芯棒的组合很普见。

分流锥与多孔板之间的空腔起着汇集和稳定料流的作用，因此其顶尖与多孔板端面距离不宜过小，以免出料不均匀。

但也不宜过大，否则物料停留时间过长易分解。

一般取10～20mm，或等于螺杆直径的1/5～1/10。

扩张角α，对于低黏度不易分解的物料取α=45°～80°为宜，对于高黏度易分解物料取α=30°～60°为宜。

分流锥支架也叫辐架，其主要作用是支承分流锥和芯棒，另一个作用是搅拌物料的作用。

在小机头中，分流锥和分流锥支架可以做成一个整体。

为了及时消除物料通过分流锥后形成的结合线，分流锥上的分流筋应做成流线型，在机械强度足够的前提下，其厚度和长度应尽量小些。

出料端的角度应小于进料端的角度。

为了增加塑料通过分流锥和支架后的熔接强度，支架上分流筋断面做成流线型，在满足强度要求的情况下，其宽度和长度应尽可能小些，出口端的尖角应小于入口端的尖角，分流筋的数量以3～8根为宜。

分流锥的筋数应尽量减少，小型机头应采用3根筋、中型机头原则上采用4根筋、大型机头可采用6根筋或8根筋。

筋数不宜选择太多，太多造成物料不易汇合，影响管子的质量。

筋的数目与断面积大小，在必要时需根据芯棒承受轴向力的大小进行强度校验确定。

分流锥支架筋上设有进气孔和导线孔，用以通入压缩空气和穿入内加热装置的导线。

分流锥体长L，一般取（1～1.5D），D为螺杆直径。

分流锥头部圆角取R=0.5～2mm，圆角越大越容易停料。

多数情况下将分流锥和支架做成一体，再通过螺纹与芯棒组合在一起，在小型机头中也有做成整体式的，见图2-1。

图2-1分流机头

有时分流锥支架设有进气孔（在数根筋中任选一根钻孔）和导线孔，进气孔通入压缩空气使型材内外壁温度均匀一致。

2.4冷却定径套设计

2.4.1内定径芯模

内定径是采用一段能进行冷却水循环的芯模来定径，芯模安装在机头口模之外，直径连接在芯模上，但应与芯棒绝热也要与芯棒绝热，以免降低芯棒的温度，这种定径法适用于直角机头、斜角机头或旁侧机头，因为这几类机头结构方便冷却水管的进出。

塑料管在芯棒上冷却时会因为收缩而产生较大的包紧力，这时应配以强有力的牵引机。

产品经芯模冷却直至完成定型，再经牵引机和锯割装置锯成一定长度的成品。

外定径的方法是目前国内最常采用的方法，它又因施压方式不同而分为压缩空气定径（内压定径）和真空定径两种形式。

2.4.2压缩空气外定径套

如果是压缩空气定径的定径套（定型模），这时需通过分流锥支架的分流筋导入一定压力（0.03～0.25MPa）的压缩空气，为了保持管内气压需用一个与内壁滑动配合的橡皮塞堵在管内防止漏气，该塞子用链条拉在机头芯棒上。

如果机头芯棒因压缩空气的导入而降温，致使管子内壁不光滑，则应采用经预热的压缩空气。

定径套有冷却水夹套，将与定径套内壁紧密接触的塑料管冷却，异芯材出定径套后进入冷却水槽继续冷却。

低温的定径套和口模相连接，两者之间采用空气间隙或绝热材料绝热。

由于型材从口模挤出后有一定的出模膨胀，为了型材能顺利进入定径套，避免产生过大的阻力，直径100mm以下的管子定径套内径比口模内径大0.5～0.8mm,直径100～300mm的管子约长1mm，型材在进一步冷却时直径还会减小，对RPVC而言减小约1%，以此来设计定径套的内径。

2.4.3真空外定径套

真空定径是在定径套内壁上开有抽真空的小孔或窄缝，使管材通过定径套紧贴于定径套内壁，同时在定径套上设冷却水夹套或向外壁喷淋冷却水的结构。

真空定径套又分为与真空冷却水槽连成一体的真空定径套和单独的真空定径套，后者只需与普通的冷却水槽配合使用，见图2-2。

若连接在真空冷却水槽上的定径套，在定径套管壁上开有许多小孔或窄缝（孔径或缝宽小于0.8mm，孔间距约10mm）的一段薄壁金属管，冷却水从四周喷淋在定径套管壁上，由于密闭的真空冷却水槽内保持有真空，而塑料管内通大气，因而使高温管紧贴在定径套内壁上被迅速冷却。

冷却定径套的结构尺寸各工厂一般凭经验确定。

外径定径套的内径过大会降低成品的光洁度，内径过小挤出阻力大，使其不易出来或引起制品变形。

对于挤出较小尺寸的制品，其定径套的内径应比口模内径大0.5～1毫米；对于挤出较大尺寸的制品，其定径套的内径应经口模内径应比口模内径大1～1.5毫米左右。

但准确的数值还要视工艺条件而定。

此外，冷却定径套必须具备足够的长度，以保证制品能够冷却定型，进入水槽后就会变