论文总字数：20713字

摘 要

本文主要介绍了挤出成型相关背景，可变几何模具在挤出成型中的应用，挤出成型的工艺过程和影响挤出成型质量的因素以及聚氯乙烯的相关物理化学性质，其中物理性质包括密度，比热容，粘度分析，流变特性，稳定性等等；设计出了可以实现挤出横截面发生变化的模具，建立其3维模型并通过Ansys仿真验证了其在挤出成型过程中的可行性。相比传统挤出模具，可变模具最明显的特征就是模具出口可变，这可以增加挤出成型的灵活性，生产横截面更加复杂的连续产品。

受实验条件和经费所限，本次的可变模具的设计没有做实物并实验分析验证，而是采用的三维建模和基于Ansys仿真的理论分析。设计步骤主要包括设计可变模具的运动副，设计挤出成型模具，模型修改得到聚合物几何模型，对流体域和模具划分网格，设置参数仿真等等，以分析所设计的模具是否具有可行性。通过一段时间的设计与分析，最终设计出一种可达到设计要求的模具并且其可行性以及挤出效果都在可接受范围内。

关键词：挤出成型；模具；聚合物 ；变形机构

Abstract

This paper mainly introduces the extrusion forming background, the application of variable geometry die in extrusion molding, extrusion molding process and the factors affecting the quality of extrusion molding and related physical and chemical properties of polyvinyl chloride (PVC), in which the physical properties including density, specific heat, viscosity analysis, rheological properties, stability, etc. The die which can realize the change of the cross section of extrusion is designed, its 3d model is established and its feasibility is verified through Ansys simulation. Compared with traditional extrusion dies, the most obvious feature of variable die is variable die outlet, which can increase the flexibility of extrusion molding and produce more complex continuous products with cross section.

Subject to the experimental conditions and funds, the design of the variable mold was not verified in real-life and experimental analysis, but was used in three-dimensional modeling and theoretical analysis based on Ansys simulation. The design steps mainly include designing the movable pair of the variable mold, designing the extrusion molding mold, and simulating whether the designed mold is feasible or not. Through a period of design and analysis, the final design of a mold that can meet the design requirements and its feasibility and extrusion effects are within acceptable limits.

KEY WORDS: Extrusion molding; extrusion die; polymer; shape-changing mechanism

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 2

1.1 介绍 2

1.2 挤出成型现状 2

1.3 挤出成型工艺过程 2

第二章 模具的设计 4

2.1 模具关节的设计 4

2.1.1 已有常用关节设计^[20] 4

2.1.2 设计和改进关节 6

2.2 模具的设计 9

第三章 PVC挤出成型分析 12

3.1 PVC简介 12

3.2 挤出成型影响因素 14

3.2.1 温度影响 14

3.2.2 聚合物流速影响 15

3.2.3 压力影响 15

3.2.4 牵引速度影响 15

3.3 Ansys仿真分析 15

3.3.1 流体几何体 16

3.3.2 流体网格划分 17

3.3.3 设定边界条件及模型 19

3.3.4 仿真分析结果 19

3.3.5 结果分析 24

第四章 模具受压形变分析 26

4.1 受压分析 26

4.2 形变分析 27

4.3 总结 29

致谢 30

参考文献 31

绪论

介绍

本文介绍了可变几何模具的发展，可以挤出具有不同横截面的塑料部件。挤出占所有制造塑料部件的40％，因为它是一种相对低成本和高生产率的工艺。然而，常规的聚合物挤出技术限于固定模具，其产生由模具出口轮廓限定的恒定横截面的连续塑料产品。变形模具允许挤出部分的横截面在沿长度方向上改变，由此引入比注塑更快速并且工具成本更低的能力。本文介绍了针对可变模具的关节设计说明，包括旋转和移动关节等等的细节以及泄漏问题。同时在此基础上对转动关节进行了改进，并且利用改进的关节设计了一种可实现横截面变化的模具，并利用Ansys软件对其进行仿真分析以验证其可行性。

在过去的40年里，聚合物加工的商业重要性大大增加，塑料消费量每年增长5.6%^[1]。这是钢的十倍以上，是铝的两倍多。在生产过程中，40%的塑料部件的生产采用的是挤出成型方法，主要是因为挤出成型的成本相对较低，生产效率更高^[2]。一个普通单螺杆挤出机的产量每小时可超过4吨塑料制品^[3]。相比之下，单个注塑机的最大生产速度仅为每小时227 kg左右，因为循环次数取决于固化零件所需的时间，而这个时间又取决于材料和尺寸^[4]。除了成本外，挤压成型的其他优点还包括将不同材料粘合在一起的能力，使部分部件具有不同的性能和应用涂层来选择外部表面的区域。

挤出成型现状

挤出成型技术是一种将聚合物先加热熔融成粘流态然后通过具有特定形状的模具得到与模具出口相同横截面的塑件最后冷却得到成品的生产方法。挤出成型技术并不是一项新技术，相反它已经出现100多年了。经过这么长时间的发展和优化，挤出成型技术在塑料产品的生产中占据了大量的份额。从技术的出现到现在，挤出成型技术不论是理论还是技术都得到了极大程度的发展，挤出成型技术的适用范围和所得产品的几何结构与形式都越来越丰富。同时，挤出成型的设备也不断得到改进，换代，设备朝着更加多样化，精密化，特殊化，节能化和高效化的方向发展，同时，计算机的应用使挤出成型技术的成型质量和控制水平不断提高^[5]。

挤出成型设备有两大类分别是螺杆式挤出机以及柱塞式挤出机，螺杆式挤出机为连续式挤出，柱塞式挤出机为间歇式挤出。螺杆式挤出机可分为单螺杆挤出机，双螺杆挤出机和排气式挤出机以及多螺杆挤出机等等。其中，单螺杆挤出机是目前实际生产中用得最多的，也是最基本的挤出机。双螺杆挤出机在近年来发展的很快，其应用也逐渐广泛。柱塞式挤出机主要用于高粘度物料的成型，如聚四氟乙烯，超高相对分子质量聚乙烯等等。

挤出成型工艺过程

根据高分子物理学相关知识可知，高聚物一共有三种不同的物理状态，包括玻璃态，高弹态以及粘流态，高聚物的这三种物理状态在满足一定条件时是可以相互转化的^[6]。

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