聚合物多腔微管擠出成型理論與模具設(shè)計(jì)方法.pdf

1、在制造醫(yī)用介入導(dǎo)管、超細(xì)同軸電纜、新型微結(jié)構(gòu)光纖等制品的聚合物多腔微管擠出成型領(lǐng)域，聚合物在跨尺度粘彈性流動(dòng)和無約束冷卻收縮的共同作用下出現(xiàn)無法避免的型坯變形問題。型坯變形增大了模具設(shè)計(jì)難度，同時(shí)引起制品質(zhì)量缺陷，是微管擠出成型技術(shù)的關(guān)鍵問題之一。由于聚合物多腔微管擠出流動(dòng)和冷卻理論尚不成熟，缺乏對(duì)微管擠出成型過程中型坯形狀尺寸變化機(jī)理及規(guī)律的研究和掌握，微管擠出模具設(shè)計(jì)和工藝控制缺乏理論依據(jù)，制品成型質(zhì)量難以保證，無法滿足相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)

2、用要求。因此，本文以聚合物多腔微管的擠出成型為研究對(duì)象，通過建立聚合物跨尺度擠出流動(dòng)和無約束冷卻數(shù)學(xué)模型，對(duì)微管擠出成型過程中的型坯變形機(jī)理和規(guī)律進(jìn)行深入研究，在此基礎(chǔ)上形成基于型坯變形控制的微管擠出模具預(yù)補(bǔ)償設(shè)計(jì)方法。主要研究內(nèi)容如下:
　　首先，結(jié)合微管擠出流動(dòng)特點(diǎn)，建立了聚合物微管擠出成型的跨尺度粘彈性流動(dòng)數(shù)學(xué)模型。分析了微尺度效應(yīng)對(duì)流變測量的影響，提出毛細(xì)管流變儀微尺度粘度測量方法，獲得了一定剪切速率和尺度范圍內(nèi)四種不同聚

3、合物的粘度變化規(guī)律。根據(jù)模具流道特征尺寸逐漸減小時(shí)，尺寸變化對(duì)聚合物熔體流變特性的影響規(guī)律，通過引入尺寸因子的方法，建立了表征宏-微觀粘度變化的聚合物熔體跨尺度粘度模型和考慮跨尺度粘度效應(yīng)的粘彈性本構(gòu)方程。結(jié)果表明:當(dāng)流道特征尺寸由1000μm減小至350μm時(shí)，四種聚合物剪切粘度的平均降幅為9.9％～38.3％，微管擠出所涉及的宏-微觀尺度范圍內(nèi)所建跨尺度粘度模型可以定量描述聚合物粘度隨特征尺寸的變化。
　　其次，利用建立的微管

4、擠出流動(dòng)數(shù)學(xué)模型，采用數(shù)值分析方法，研究聚合物微管擠出流動(dòng)的模內(nèi)外場量分布和型坯形狀尺寸變化，揭示了跨尺度粘性流動(dòng)和彈性回復(fù)共同作用下的型坯變形機(jī)理，分析了聚合物粘彈性、模具成型段截面參數(shù)和成型工藝對(duì)型坯變形的影響規(guī)律。結(jié)果表明:多腔微管擠出成型過程表現(xiàn)出顯著的型坯軸向和徑向變形現(xiàn)象。聚合物跨尺度粘彈性對(duì)擠出脹大有明顯影響，彈性回復(fù)和粘性流動(dòng)分別是引起擠出脹大和型坯變形的主要原因，微尺度效應(yīng)增強(qiáng)了擠出脹大而減弱了輪廓變形。材料特性中，第

5、二法向應(yīng)力差系數(shù)增大將抑制輪廓脹大而增強(qiáng)壁厚脹大，分子鏈支化程度的影響與其相反，分子纏結(jié)程度越高壁厚脹大程度越小。模具成型段截面參數(shù)對(duì)型坯變形影響顯著，型坯變形程度與模具截面非對(duì)稱性參數(shù)之間存在非線性變化規(guī)律;型坯壁厚變形和輪廓變形分別由模內(nèi)軸向速度不均勻引起的模外速度重排和軸向速度重排引起的徑向速度分量導(dǎo)致。成型工藝中，微量注氣條件的變化對(duì)型坯影響顯著，在型坯壁厚滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，合理的注氣壓力可以改善型坯輪廓;螺桿轉(zhuǎn)速的增大會(huì)加劇擠出

6、脹大及其各向異性，小流量下瞬時(shí)脹大起主導(dǎo)作用，隨流量增大，延遲脹大對(duì)總體脹大程度的貢獻(xiàn)增大。提出了實(shí)時(shí)拍照與冷卻測量相結(jié)合的多腔微管擠出脹大測量方法，對(duì)雙腔微管的擠出成型過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。數(shù)值計(jì)算的型坯變形參數(shù)與實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果的差異小于6.3％，驗(yàn)證了所建微管擠出流動(dòng)數(shù)學(xué)模型可以定量表征擠出過程中的型坯變形程度。
　　然后，基于傳熱學(xué)理論，建立了多腔微管型坯冷卻過程數(shù)學(xué)模型，提出了型坯表面與冷卻介質(zhì)的對(duì)流換熱系數(shù)的計(jì)算方法，通過實(shí)

7、驗(yàn)測量了聚丙烯熱力學(xué)參數(shù)對(duì)溫度的依賴性，采用有限元方法，研究了雙腔微管和五腔微管的冷卻過程，揭示了型坯截面溫度變化和收縮變形規(guī)律，以及牽引速度對(duì)冷卻過程的影響規(guī)律。結(jié)果表明:微管型坯冷卻經(jīng)歷的時(shí)間很短，所需冷卻長度遠(yuǎn)小于常規(guī)擠出成型。冷卻過程中截面溫度分布不均勻，不同位置的相轉(zhuǎn)變不同步，冷卻所需時(shí)間不僅與型坯壁厚有關(guān)，同時(shí)還受型坯截面形狀的影響。牽引速度的增大可以縮短冷卻時(shí)間但降低溫度分布的均勻性，其影響程度逐漸減弱。由于微管擠出冷卻過

8、程中沒有外部約束，因此冷卻結(jié)束時(shí)型坯截面的收縮較為均勻。但是冷卻過程中，型坯內(nèi)外區(qū)域的熱變形不均勻，型坯內(nèi)部對(duì)相鄰區(qū)域的熱變形存在約束而引起熱應(yīng)力，因此冷卻后制品存在較大的內(nèi)應(yīng)力。
　　最后，基于型坯變形補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)思想，結(jié)合微管擠出成型流動(dòng)、脹大、冷卻、牽引全過程的型坯變形規(guī)律，建立了基于型坯變形控制的微管擠出模具預(yù)補(bǔ)償設(shè)計(jì)方法，提出了微擠出模具設(shè)計(jì)原則、預(yù)補(bǔ)償設(shè)計(jì)步驟和補(bǔ)償量計(jì)算方法。以均勻壁厚雙腔微管和非均勻壁厚五腔微管的擠出

9、模具設(shè)計(jì)為例，分別采用常規(guī)方法和預(yù)補(bǔ)償方法設(shè)計(jì)、制造相應(yīng)的微管擠出模具，進(jìn)行了擠出成型實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明:常規(guī)模具設(shè)計(jì)方法在進(jìn)行微管擠出模具成型段截面設(shè)計(jì)時(shí)缺乏理論依據(jù)，制品截面相對(duì)其設(shè)計(jì)截面會(huì)產(chǎn)生無法通過工藝參數(shù)調(diào)整來改善的輪廓、壁厚變形缺陷。而通過模具成型段截面補(bǔ)償量的定量計(jì)算，可以控制微管擠出成型過程中的型坯截面形狀、尺寸變化，利用預(yù)補(bǔ)償方法設(shè)計(jì)的微管擠出模具，通過注氣參數(shù)的微量調(diào)整即可得到符合設(shè)計(jì)要求的多腔微管制品，證明了該方法在工