U型件的气体辅助挤出成型工艺的数值模拟与实验研究

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2022.07.013

中国塑料 ›› 2022, Vol. 36 ›› Issue (7): 93-103.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2022.07.013

U型件的气体辅助挤出成型工艺的数值模拟与实验研究

黄雪梅¹, 柳和生¹^,²(), 黄兴元¹, 余忠³, 江诗雨¹

^1.南昌大学先进制造学院，南昌 330031
^2.华东交通大学机电与车辆工程学院南昌 330013
^3.上饶师范学院物理与电子信息学院，江西省塑料制备成型重点实验室，江西上饶 334001

收稿日期:2021-11-23 出版日期:2022-07-26 发布日期:2022-07-20
通讯作者: 柳和生（1965—），男，教授，主要从事材料成型和加工机电一体化方面的研究，hsliu@vip.163.com
E-mail:hsliu@vip.163.com
基金资助:
国家自然科学基金资助项目(21664002);江西省重点研发项目(20203BBE53065)

Numerical simulation and experimental study on gas⁃assisted extrusion process of U⁃shaped parts

HUANG Xuemei¹, LIU Hesheng¹^,²(), HUANG Xingyuan¹, YU Zhong³, JIANG Shiyu¹

^1.Advanced Manufacturing School，Nanchang University，Nanchang 330031，China
^2.School of Mechatronics and Vehicle Engineering，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China
^3.School of Physics and Electronic Information，Shangrao Normal University，Shangrao 334001，China

Received:2021-11-23 Online:2022-07-26 Published:2022-07-20
Contact: LIU Hesheng E-mail:hsliu@vip.163.com

摘要/Abstract

摘要：

应用Polyflow软件将气辅挤出成型引入U型件挤出成型过程中，建立了口模?气体?熔体的三相模型，在传热情况下，对口模温度、气体温度对口模内熔体的流动速度、温度及剪切速率等进行数值计算，用origin软件进行分析，通过传统挤出和气体辅助挤出成型对U型件进行挤出成型实验，选用聚丙烯（PP）材料挤出，均能顺利挤出，在达到挤出平衡后，气辅挤出时比传统挤出时更能使试样离膜下垂现象明显减弱。PP/10 %玻璃纤维在传统挤出成型时，有明显的挤出胀大现象，纤维在U型截面的侧壁与底面分布不均匀，在U型件拐角处分层分离现象严重；气辅挤出成型时，可以很好改善挤出胀大和纤维在侧壁与底面分布不均匀的现象，同时在U型件拐角处纤维分层分离的现象也能得到部分缓解。PP/20 %玻璃纤维在气辅挤出成型下挤出的U型件时，U型件壁厚变薄严重，试样中纤维分布比较均匀，拐角处无明显的纤维分层分离现象，但是试样表面有明显的纤维组织，且U型件的开口变形严重。结果表明，气辅挤出成型可以部分的减弱试样挤出后的下垂现象，也可以改善口模内熔体的温度场；传统挤出成型时候，口模内的U型件内外壁温度随着口模的变化而变化，气辅挤出成型时熔体高温区域集中在U型槽截面的中心线位置附近；气辅挤出成型与传统挤出时的剪切速率场分布发生了较大变化，气辅挤出成型时的剪切速率最大值比传统挤出时小很多。

关键词: 挤出成型, 纤维取向, U型件, 气辅挤出成型, 数值模拟

Abstract:

A die–gas–melt three?phase heat transfer model was established by introducing gas?assisted extrusion into the extrusion process of U?shaped parts. The simulation results indicated that the melt flow velocity was uniform in the same section of the die. The melt temperature field was seldom affected by the outside environment. The melt temperature range varied with the die wall temperature during the conventional extrusion process. The U?shaped parts were prepared through both conventional extrusion and gas?assisted extrusion. In the conventional extrusion， the PP melt could be stretched smoothly under certain technological conditions. However， the melt was affected by gravity in the gas?assisted extrusion molding process. After the extrusion process was balanced， the sample surface was transparent and smooth， and the droop from the die was reduced significantly. The PP composite with 10 wt% glass fiber showed significant extrusion swell in the traditional extrusion process. The fibers were not homogenously distributed on the side wall and bottom of the U?shaped part. The delamination was serious at the corner of the U?shaped part. In the gas?assisted extrusion process， the extrusion swell and the inhomogeneous distribution of fibers on the side wall and the bottom surface were improved， and the fiber delamination at the corner of the U?shaped part were also partially alleviated. The thickness of the U?shaped part became thinner the PP composites with 20 wt% glass fiber. The fiber distribution in the sample was more homogenous， and there was no significant fiber delamination at the corner. However， there was a remarkable fiber emergence on the sample surface， with serious opening deformation on U?shaped parts.

Key words: extrusion forming, fiber orientation, U?shape, gas?assisted extrusion, numerical simulation

中图分类号:

TQ320.66

黄雪梅, 柳和生, 黄兴元, 余忠, 江诗雨. U型件的气体辅助挤出成型工艺的数值模拟与实验研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(7): 93-103.

HUANG Xuemei, LIU Hesheng, HUANG Xingyuan, YU Zhong, JIANG Shiyu. Numerical simulation and experimental study on gas⁃assisted extrusion process of U⁃shaped parts[J]. China Plastics, 2022, 36(7): 93-103.

图/表 23

图1 气辅挤出成型系统示意图

Fig.1 Schematic diagram of the gas?assisted extrusion （GAE） forming system

材料

Ⅰ区

温度/

℃

Ⅱ区

温度/

℃

Ⅲ区

温度/

℃

口模

温度/

℃

牵引转速/

r∙min^-1

表1 实验材料及温度参数

Tab.1 Experimental materials and temperature parameters

图2 传统挤出成型时熔体和口模网格划分

Fig.2 Mesh of melt and die of conventional extrusion

图3 气辅挤出成型时熔体、气体层及口模网格划分

Fig.3 Mesh of melt， gas layer and die of gas?assisted extrusion

图4 传统挤出成型和气辅挤出成型时熔体速度图

Fig.4 Melt velocity of conventional and gas?assisted extrusion

图5 熔体上坐标原点，直线L1、L2的位置及各点坐标

Fig.5 The origin of the coordinates on the melt， the positions of lines L1，L2 and the points

图6 传统挤出与气体辅助挤出时出口处L1线上的速度曲线图

Fig.6 Velocity curve on L 1 line at the exit of conventional extrusion and gas?assisted extrusion

图7 传统挤出时不同口模温度下口模和熔体的温度分布

Fig.7 Temperature of die and melt for conventional extrusion at different die temperature

图8 气辅挤出成型时口模、气体和熔体不同温度下口模、气垫层和熔体的温度分布

Fig.8 Temperature of die， air cushion layer and melt for gas?assisted extrusion at different temperature

图9 传统挤出与气辅挤出时L2线上的温度曲线

Fig.9 Temperature profile on L2 line for conventional extrusion and gas?assisted extrusion

图10 不同口模及熔体温度下，气体辅助挤出时L2线上的温度曲线

Fig.10 Temperature curves on L2 line for gas?assisted extrusion at different temperature of die and melt

图11 挤出成型时出口处的熔体剪切速率图

Fig.11 Shear rate diagram of outlet melt during extrusion

图12 传统挤出与气辅挤出时L1线上的剪切速率

Fig.12 Shear rate diagram on L1 for conventional extrusion and gas?assisted extrusion

图13 挤出件截面

Fig.13 Extrusion section

图14 传统挤出

Fig.14 Conventional extrusion

图15 熔体温度较高时挤出

Fig.15 Extrusion at high temperature

图16 气辅挤出成型挤出时

Fig.16 Gas?assisted extrusion

图17 传统挤出成型时用PP/10 %玻璃纤维挤出

Fig.17 PP/10 % glass fiber prepared by conventional extrusion

图18 传统挤出成型时用PP/10 %玻璃纤维挤出试样的断面图

Fig.18 Sectional view of PP/10 % glass fiber by conventional extrusion

图19 气辅挤出成型挤出PP/10 %玻璃纤维试样

Fig.19 PP/10 % glass fiber by gas?assisted extrusion

图20 PP/10 %玻璃纤维挤出试样中的纤维取向现象

Fig.20 Fiber orientation phenomenon in PP/10 % glass fiber extruded parts

图21 气辅挤出成型挤出PP/20 %试样

Fig.21 PP/20 % glass fiber by gas?assisted extrusion

图22 PP/20 %挤出试样中的纤维取向现象

Fig.22 Fiber orientation phenomenon in PP/20 % glass fiber extruded parts

参考文献 31

1	杜瑞奎，刘亚青，张彦飞.纤维取向的研究进展及应用［J］.山西化工，2006，26（4）：41⁃43.
	DU R K， LIU Y Q， ZHANG Y F. Recent development and application of fibre arrangement direction［J］.Shanxi Chemical Industry，2006，26（4）：41⁃43.
2	钟明强.聚烯烃共混、纳米粒子复合及短纤维增强研究［D］.杭州：浙江大学，2001.
3	刘春阳.熔体热历史及挤出条件对聚乳酸结晶的影响［D］.郑州：郑州大学， 2015.
4	郑海丽，赵元旭，刘忠柱，等.近熔点挤出HDPE片材结晶结构的研究［J］.塑料科技， 2013， 41（7）：40⁃45.
	ZHENG H L， ZHAO Y X， LIU Z Z， et al. Investigation on crystal structure of HDPE sheets extruded near the melting point［J］.Plastics Science and Technology，2013， 41（7）：40⁃45.
5	李健，黄庆，李鑫.PGLA纤维力学性能与结晶和取向的关系［J］.化纤与纺织技术， 2010， 39（1）：1⁃4.
	LI J， HUANG Q， LI X. Relationship between mechanical properties of PGLA fiber and crystallinity and orientation［J］.Chemical Fiber ＆ Textile Technology，2010， 39（1）：1⁃4.
6	邱孝涛，高阳，王秀丽，等.碳纤维的长度与取向对聚醚醚酮基复合材料摩擦磨损性能的影响［J］.摩擦学学报， 2020， 40（2）：240⁃251.
	QIU X T， GAO Y， WANG X L， et al. Effects of carbon fiber length and orientation on the tribological properties of polyetheretherketone based composites［J］.Tribology，2020， 40（2）：240⁃251.
7	韩高峰，王建章，阎逢元.纤维取向对飞龙材料摩擦磨损行为的影响［J］.润滑与密封， 2016， 41（7）：1⁃8.
	HAN G F， WANG J Z， YAN F Y. Influence of fiber orientation on sliding tribology behavior of feroform composites［J］.Lubrication Engineering，2016， 41（7）：1⁃8.
8	吴泽斌，金昌，王丽珍，等.心包纤维取向对压缩性能的影响［J］.医用生物力学， 2019， 34（1）：21⁃26.
	WU Z B， JIN C， WANG L Z，et al. Effects from fiber orientations of bovine pericardium on its compression performance［J］.Journal of Medical Biomechanics，2019， 34（1）：21⁃26.
9	彭响方，瞿金平，曾慧.振动挤出对LDPE熔融结晶行为的影响［J］.合成树脂及塑料， 2000， 17（5）：19⁃25.
	PENG X F， QU J P， ZENG H. Influence of dynamic extrusion on melting and crystallization behaviour of LDPE［J］.China Synthetic Resin and Plastucs，2000， 17（5）：19⁃25.
10	梁基照.挤出过程中HDPE流动特性及结晶行为的研究［J］.合成树脂及塑料， 1994， 11（3）：37⁃41.
	LIANG J Z.A Study of the flow properties and crystallization behaviour of HDPE melt during extrusion［J］.China Synthetic Resin and Plastucs，1994， 11（3）：37⁃41.
11	徐睿杰.熔体拉伸流动场中聚合物的结晶行为及热处理过程研究［D］.广州：广东工业大学， 2015.
12	Malakane P B， Kadole P V，贺春霞.快速成纱工艺参数对纤维取向和粗纱强度的影响［J］.国际纺织导报， 2019， 12（12）：8⁃10.
	Prakash B M， Pradyumnkumar V K， HE C X.Effect of speed frame process parameters on fiber orientation and roving tenacity［J］.Melliand China，2019，12（12）：8⁃10.
13	孙显茹.PA6原位成纤复合改善PP的挤出流变性和力学性能［D］.青岛：青岛科技大学， 2012.
14	张育宁，姚瑞娟，王会平，等.有一定取向性的碳纤维增强尼龙6复合材料弹性模量的实验和理论研究［J］.复合材料学报， 2019， 36（2）：315⁃321.
	ZHANG Y N， YAO R J， WANG H P， et al. Experimental and theorrtical study on elastic modulus of oriented carbon fiber reinforced nylon 6 composites［J］.Acta Materiae Compositae Sinica，2019， 36（2）：315⁃321.
15	钱晓倩，李宗津.挤出成型GFRC板的纤维取向分布和轴拉性能［J］.复合材料学报， 2001， 18（3）：85⁃90.
	QIAN X Q， LI Z J. Fiber alignment and property direction dependency of GFRC extrudate［J］.Acta Materiae Compositae Sinica，2001， 18（3）：85⁃90.
16	刘岳新，徐樑华，张均，等.PAN分子取向程度与纤维结构性能的关系［J］.合成纤维工业， 2005， 28（1）：5⁃8.
	LU Y X， XU L H， ZHUANG J， et al. Rlaitonship between molecular orientaiton degree and structure and pro⁃perties of PAN［J］.China Synthetic Fiber Industry，2005， 28（1）：5⁃8.
17	段芳莉，金义矿，颜世铛.半晶态聚合物拉伸变形的微观机理［J］.力学学报， 2016， 48（3）：360⁃377.
	DUAN F L， JIN Y K， YAN S D. Microstructure evolution during tension deformation of semi⁃crystalline polymer［J］.Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics，2016， 48（3）：360⁃377.
18	颜世铛.半晶态聚合物拉伸变形行为的微观机理［D］.重庆：重庆大学，2013.
19	颜世铛，段芳莉.半晶态与非晶态聚合物的微观变形机理［J］.高分子材料科学与工程， 2014， 3（30）：100⁃104.
	YAN S D， DUAN F L. Microscopic deformation mechanisms of semi⁃crystalline and amorphous polymer［J］.Polymer Materials Science and Engineering，2014， 3（30）：100⁃104.
20	李利，王振鲁，边慧光，等.层叠式挤出机头对短纤维取向的对比实验研究［J］.橡塑技术与装备， 2015， 41（3）：5⁃10.
	LI L， WANG Z L， BIAN H G， et al. Study on short fiber orientation for cascading the extrusion head with contrast experiment［J］.China Rubber/Plastics Technology and Equipment，2015，41（3）：5⁃10.
21	谢海玲.拉伸流场作用下纤维取向的数值模拟及实验研究［D］.广州：华南理工大学，2016.
22	Liang R F， Mackley M R. The gas⁃assisted extrusion of molten polyethylene［J］.Journal of Rheology， 2001， 45（1）： 211⁃226.
23	黄兴元，柳和生，周国发，等.气体辅助挤出的实验研究［J］.中国塑料，2005，9（3）：17⁃19.
	HUANG X Y， LIU H S， ZHOU G F， et al. The experimental study of air⁃assisted extrusion of polymer［J］.China Plastics，2005，19（3）：17⁃19.
24	Ren Z， Huang X Y， Liu H S， et al. Numerical and experimental studies for gas assisted extrusion forming of molten polypropylene［J］. Journal of Applied Polymer Science， 2015， 132（42）：12 365⁃12 377.
25	REN Z， HUANG X Y， LIU H S， et al. Numerical simulation of polymer gas⁃assisted extrusion based on gas/liquid two⁃phase flow［J］. Polymer Materials Science & Engineering， 2016， 32： 102.
26	柳和生，何建涛，黄兴元，等.L型异型材气辅共挤胀大及变形的数值模拟和实验验证［J］.高分子材料科学与工程， 2014， 30（10）：113⁃116.
	LIU H S， HE J T， HUANG X Y， et al. Numericai simulation and experimental validation of die swell and deformation in l⁃shaped profile gas⁃assisted co⁃extrusion［J］.Polymer Materials Science and Engineering，2014， 30（10）：113⁃116.
27	徐磊，柳和生，黄兴元，等.T形异型材挤出口模的逆向数值模拟［J］.中国塑料，2010，24（1）：103⁃106.
	XU L， LIU H S， HUANG X Y， et al. Inverse numerical simulation of t⁃shape dies for the extrusion of plastics profiles［J］.China Plastics， 2010，24（1）：103⁃106.
28	何建涛.塑料异型材气辅共挤数值模拟与实验研究［D］.南昌：南昌大学， 2014.
29	李萍，马文琦，孙红镱.方型口模气辅挤出的数值模拟［J］.塑料，2010，39（4）：18⁃20.
	LI P， MA W Q， SUN H Y. The numerical simulation of square die gas⁃assisted extrusion［J］. Plastics， 2010， 39（4）：18⁃20.
30	宋建辉，黄兴元.方形口模气辅挤出成型的挤出胀大计算机模拟［J］.塑料，2013，42（3）：100⁃102.
	SONG J H， HUANG X Y. Computer simulation on die swell of gas⁃assisted extrusion from square die［J］.Plastics，2013，42（3）：100⁃102.
31	邓小珍.塑料异型材气体辅助共挤出成型的实验和理论研究［D］.南昌：南昌大学，2014，4.

[1]	赵鸿敬, 朱江. 微纳层叠天然橡胶/聚丙烯两相挤出的数值模拟研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(8): 110-114.
[2]	邓世欣, 王建, 杨卫民. 增强反应注射成型机混合头内流体高压高速对撞过程模拟与分析[J]. 中国塑料, 2022, 36(6): 130-136.
[3]	张庆弢, 毕超. 基于CFD⁃DEM的水下切粒装置水室内颗粒流动过程数值模拟[J]. 中国塑料, 2022, 36(6): 87-91.
[4]	班董董, 王丹华, 刘奎, 李亚楠, 李涵, 戴亚辉. 波状双螺杆元件混炼性能的数值模拟[J]. 中国塑料, 2022, 36(4): 95-101.
[5]	盛天阳, 谭晶, 张政和, 高晓东, 于景超, 程礼盛, 杨卫民. 微纳层叠聚丙烯腈凝胶流动特性的数值模拟研究[J]. 中国塑料, 2021, 35(7): 74-79.
[6]	王瑞喆, 柳和生, 黄兴元, 余忠, 江诗雨, 刘同科. 不同进气角度对片材气辅挤出成型的影响[J]. 中国塑料, 2021, 35(7): 80-86.
[7]	钟罗浩, 匡唐清, 赖家美, 柳和生, 赖德炜. 成型工艺对短玻璃纤维增强聚丙烯注塑管件的壁厚分布及玻璃纤维取向的影响[J]. 中国塑料, 2021, 35(5): 11-16.
[8]	卢京, 王伟. 低密度聚乙烯熔体毛细管挤出的数值模拟[J]. 中国塑料, 2021, 35(5): 79-85.
[9]	庄玮. 车用聚酰胺波纹管挤出成型工艺[J]. 中国塑料, 2021, 35(5): 92-96.
[10]	何家隆, 谷琳, 朱钰婷, 宋秀铎, 杨雪琴, 马玉录, 谢林生. 固体推进剂螺旋压伸挤出过程流变模型建立[J]. 中国塑料, 2021, 35(2): 58-62.
[11]	牛旭, 刘越, 张雅静. 导热油进口速度对造粒模板造粒带温度均匀性影响[J]. 中国塑料, 2021, 35(12): 76-80.
[12]	王贺祥, 彭炯, 葛震, 张永涛, 郭炳毅, 李忠山. 双螺杆挤出过程数值模拟研究进展[J]. 中国塑料, 2020, 34(9): 96-102.
[13]	刘良先, 冯志华, 呼春雪, 葛嵇南. 基于正交试验的PET瓶拉伸吹塑优化设计[J]. 中国塑料, 2020, 34(6): 73-79.
[14]	杨北京, 杨旭, 苏婧颖, 李海梅. 免喷涂注塑件的成型品质及应用概述[J]. 中国塑料, 2020, 34(6): 118-125.
[15]	张云青. 长玻璃纤维增强热塑性塑料纤维取向模型[J]. 中国塑料, 2020, 34(12): 103-109.

U型件的气体辅助挤出成型工艺的数值模拟与实验研究

Numerical simulation and experimental study on gas⁃assisted extrusion process of U⁃shaped parts

RichHTML

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 23

参考文献 31

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价