[发明专利]一种橡塑挤出模具优化设计方法

说明书

本发明公开了一种橡塑挤出模具优化设计方法，依次完成挤出模具的流动平衡优化设计和几何精度优化设计，计算出挤出模具的几何精度最优解；首先，通过实验数据拟合确定材料流变模型及其参数；接着，建立模内流动有限元模型，采用流动平衡优化设计方法，得到流动平衡最优解和流动平衡设计空间；然后，以流动平衡最优解来建立模内和模外流动有限元模型，通过实验验证有限元模型的有效性；最后，基于实验验证后的模内和模外流动的有限元模型，采用几何精度优化设计方法，得到几何精度最优解。本发明充分结合了流动平衡优化设计方法的高效率和几何精度优化设计方法的高精度，在实现口模出口流动平衡的基础上，显著提高了挤出制品的几何精度。

技术领域

本发明涉及橡塑材料加工领域，具体涉及一种橡塑挤出模具优化设计方法。

背景技术

随着精密挤出成型、微挤出成型等的发展，对聚合物挤出成型精度提出了越来越高的要求，例如在医疗、通信等领域，挤出制品的尺寸精度已趋近于微米级。挤出胀大及其引起的挤出形变对挤出制品的几何精度的影响进一步凸显，这对挤出模具的设计与制造提出了全新的挑战。一个设计良好的挤出模具能够制造出精度高、性能好的挤出制品，其中挤出制品横截面的尺寸精度尤为重要。传统的挤出模具设计采用试错法，如果挤出制品的几何精度未满足设计要求，则需要反复试模和修模以获得所期望的挤出制品几何精度。

现有的橡塑挤出模具优化设计方法主要是基于流动平衡原则，以挤出模具口模的出口速度均匀性为优化设计目标。挤出模具优化设计的设计变量主要包括挤出模具流道的几何参数，特别是预成型段和成型段的几何参数。目标函数的形式多样，如基于数值分析的塑料挤出模优化设计方法研究(刘斌,王敏杰,刘耀中,宋满仓.基于数值分析的塑料挤出模优化设计方法研究[J].机械工程学报,2003(05):139-144.)以口模出口处型材截面上各子区域平均流速相等为优化目标。又如“一种轮胎橡胶挤出机机头流道优化设计方法”(申请号201711309716.X；申请日2017.12.11)，将胶料流动速度偏度值作为优化设计目标函数。在挤出模具的优化设计中，主要通过增加低速区的流量供给，减少高速区的流量供给或增设阻流块，从而使得不同子区域具有相同的平均速度。

对于复杂塑料异型材挤出模具的设计，口模出口处的流动平衡是必要条件，但并不充分，挤出制品仍存在由于挤出胀大各向异性所引起的挤出形变。也就是说，即使口模出口处的流动充分平衡，其仍属于泊肃叶流动，聚合物熔体离开口模后将转变为平行流动，产生速度重分布和不均匀的挤出形变，从而使得挤出制品的几何精度较低。

发明内容

本发明提出了一种以口模出口处的流动平衡和挤出制品横截面的几何精度为优化目标的挤出模具优化设计方法，来解决现有的优化设计方法所得到的挤出制品几何精度偏低的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种橡塑挤出模具优化设计方法，包括以下步骤：

步骤一：橡塑材料流变模型的确定及其参数拟合；采用流变仪测试得到橡塑材料的流变实验数据，采用数据分析软件对流变实验数据进行最小二乘法回归拟合，找到拟合决定系数最大的流变模型及其流变参数；

步骤二：模内流动有限元模型的建立；根据挤出制品的截面几何和目标尺寸，在三维建模软件中建立挤出模具流道的参数化几何模型；将模具流道的参数化几何模型导入到网格划分软件中进行参数化网格离散，得到参数化网格模型；基于参数化网格模型，在CFD软件采用步骤一中所得到的流变模型及其流变参数来定义材料参数，并定义计算域和边界条件，生成模内流动有限元模型；对模内流动有限元模型进行CFD求解可以得到挤出模具口模出口处的速度分布、挤出模具的压力损失(口模压力降)和聚合物熔体在模具内的停留时间；