基于流动平衡的五腔塑料微管挤出模具设计
摘要：传统的塑料挤出成型技术也正朝着微型化方向发展,出现了塑料微挤出成型技术。成型出的微小截面塑料制品应用在许多重要领域，如塑料光纤、介入导管、汽车油管等。塑料微管以其独有的物理性能、化学性能、力学性能和加工性能在材料领域发挥着无以替代的作用。因此，研究基于流动平衡的塑料微管挤出模具设计具有非常重要的现实意义和广阔的应用价值。
关键词：微挤出；流道结构；流动平衡；模具设计 一、聚合物微挤出模具概述
塑料管材挤塑成形模具，简称管材模或挤管模，俗称挤管机头。
(一)挤出模具的作用
(1)将来自于挤出机料筒的塑料熔体由螺旋运动转变为直线运动，因此它必须有一定的长度。
(2)使熔体在流向口模时有一定的压力，以致制品密实，因此它的通路截面积必须是由大到小。
(3)保证塑料在到达机头内时塑化完成。
(4)通过定型段口模后，获得所要求截面形状的连续体。
(二)挤出模具的分类
挤出模具的机头按塑件出口方向分类，有直向机头和横向机头两种，其中直向机头有称直通式机头，它的料流方向和螺杆方向一致；横向机头又称为直角式机头，它的料流方向与螺杆周成为90度夹角。直向机头主要用于挤出薄壁管材，其结构简单，易于制造，因此我们在条件允许的情况下要尽量选用直向机头。直通式挤管机头的分流器和分流器支架设计成一体，拆装方便，适用于挤出小直径管材，如聚乙烯、聚酞胺、聚碳酸酯等塑料。
二、聚合物挤出模具流道结构设计
模具流道结构设计是设计的重点和难点。目前还没有成熟的理论可以指导微挤出模具的流道结构设计。因此我们选择使用ANSYS有限元分析软件的流体流动分析模块，在计算机上模拟出熔体在流道内的真实流动情况，得出速度场分布，通过对速度场的分析，设计出流动均匀性较好的挤出模具。流道结构中各参数的设计是保证流体流动平衡的重要条件，只有合理的优化设计各影响参数，才能使出口流动速度均匀平衡。
(1)流道结构设计原则
①机筒内的流道应呈光滑的流线型，流道中不允许有任何死区或死角，即尽量避免流道横截面急剧的突然变小、变大或转向。而且流道中的所有半径必须大于3mm。
②流道横截面大的区域，通常会导致热敏性塑料，如聚氯乙烯的热分解。对使用这类物料的挤塑模设计，应遵循“最小流道体积”原则。
③在设计机头成形区时，其截面形状必须要正确，应尽量减少离模膨胀效应和收缩效应的影响，保证塑料件截面形状满足设计要求。由于塑件的挤出胀大效应，使塑件在长度方向收缩而在截面形状尺寸上发生胀大，这样塑件的形状和尺寸与模口的形状尺寸在横截面的方向上出现偏差，因此，在设计机头时，一定要确定合理的流道尺寸，另外要对口模进行适当的形状和尺寸补偿，控制口模成形长度(塑料件截面形状的变化与成形时间有关)，从而保证了塑料件正确的截面形状和尺寸。
④应有足够的压缩比，压缩比是口模和芯棒在成形区的环隙截面积与流道型腔内最大料流处横截面积之比，它反映了熔融状塑料在挤出成形过程中的压实程度，为了使塑料件密实，根据塑料和塑料件种类的不同，应设计足够的压缩比。
⑤流道表面需抛光或研磨。若有必要也可镀铬。光滑的流道表面可减少熔体粘附流道表面的倾向、缩短熔体在模内的停留时间。
⑥无论是生产半成品或加工原材料，应设有平直的口模成形区，以使熔体的可逆形变在流道末端衰减至最小，且此处的温度应能单独控制。
⑦对于聚酯和聚酰胺这类聚合物熔体，在选择模具时，通常首选高强度高硬度，耐腐蚀钢材，因为此类材料冷却时在模壁上会产生巨大拉拔力，其力量会撕下镀铬层，而耐蚀钢只需硬化和抛光即可。
根据上述要求，本文选用的模具钢牌号为420SS，国标牌号为4Crl3。为耐烛塑料
模具钢，马氏体不锈钢。该模具钢具有优良的机械加工性能，经热处理后(淬火及回火)后，硬度可达到50HV，高硬度、高强度、耐腐烛性良好，适合制造高硬度、高耐磨性、耐腐烛性的塑料模具、透明塑料制品用模具等。
(2)结合上述流道设计原则，设计出如下图所示流道结构，如图1:
①此模具所要挤出的管材为五腔微管，如前所述，为了保证挤出管材的尺寸和形状精度达到要求，我们需要采用真空定径法，即在挤出过程中，在五腔微管的五个内腔中通气，所以我们需要从芯棒头中引出五个通气管。基于以上结构要求，直通式挤出机头已经不再适用，因此此处我们采用弯机头，即直角式机头。
角式机头的特点:结构比较复杂，制造困难;熔接痕(接合缝)只有一条;管子内部应力分布比较均匀;溶体流动阻力小，成形质量较高。
②因为采用的是直角式机头，所以流道中塑料熔体的流动行程长短不一，接近流道入口处流动行程较短，远离流道入口处流动行程较长。结合塑料熔体在宽流道处流动逨度快，在窄流道处流动速度慢的流动特点，为了使熔体在挤出过程中达到流动平衡(即在模具出口处横截面上各处速度相等)，我们采用芯棒中心线相对于口模中心线具有一定偏心量的流道结构设计方案(具体的偏心量值由后续的流动平衡分析确定)。并且将流道横截面设计为由两个偏心圆围成，以使流道从近入口处到远入口处逐渐过渡，由窄变宽。流道横截面图如图2所示。
③出于流道设计的流线型原则，即流道中不允许有任何死区或死角，尽量避免流道横截面急剧的突然变小、变大或转向，我们在流道入口和主流道的连接处采用椭圆弧过渡，并且将芯棒头设计成偏心形式，以便其与芯棒尾呈流线型衔接。
④流道不宜过长，如果流道较长;，则流道中的塑料熔体在流道中的存留时间较长，容易发生热分解，因此在保证熔体流动平衡的前提下，流道总长度越短越好，流道设计应遵循流道总长最小原则。
图1五腔微管挤出模具流道简图
图2 流道横截面图
⑤在入口流道与主流道衔接处(即流道拐角处)设有缓冲槽，有利于提高熔体在流道内的流动均匀性。
⑥考虑到本文采用的是正交试验法进行模具设计，需要选取相应的几个变量来进行正交试验。这就要求选取的变量在取值发生变化时不会影响其他变量的值，且变量在取值发生变化时，流道内部结构要产生实质性的变化。综合考虑各变量之间的相互制约和内在联系，同时又要将各个重要因素都体现在正交试验中，我们设计出了如上的流道结构。
三、挤出模具结构设计
(一)总体设计方案