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PVC-U异型材内应力分析 |
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作者：连云港杰瑞模具技术有限公司 吴正华 杨立江 来源：CPRJ中国塑料橡胶 |
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由于PVC-U异型材在挤出成型过程中要经过加热塑化和冷却定型等热交换过程，同时还要受挤出机的剪切、摩擦、定型模的冷却收缩、真空吸附、牵引等各种力的作用，因此挤出成型过程中较容易产生内应力。这些内应力的存在是影响型材的成型尺寸、弯曲度、理化性能等品质指标的重要因素。
笔者根据多年的挤出模具设计、调试经验，分析了挤出模具对PVC-U异型材挤出成型过程中内应力生成的影响，提出了消除和减小内应力的解决方案。
产生内应力的原因
截面结构原因
图1上所示的截面局部壁厚比其余部分厚，在冷却定型过程中，壁厚较厚处与其余部分冷却效率不同，因此冷却收缩过程不同步，必然会产生内应力。
图1下所示截面中单壁处两侧都与定型模接触冷却，定型效果较强，而腔体部分内侧与定型模不接触，冷却效果差，在离开定型系统後会继续冷却收缩，产生内应力。
图1 易产生内应力的型材截面
定型模冷却不均
型材在冷却过程中，冷却不平衡将导致型材各部分热交换效率不同，型材各部分在冷却定型过程中冷却收缩快慢不同步会产生内应力，另外在型材离开冷却定型系统後，各部分温度存在差异，局部温度较高的地方会继续冷却收缩，也会导致型材产生内应力。
定型模具冷却不均主要原因有两个方面。1）截面结构原因。如截面有壁厚不均匀现象或不容易冷却到的沟槽以及其它影响冷却均衡性结构都会造成定型模冷却不均。2）定型模冷却水路设计不合理。
定型模阻力不平衡
模具结构设计不合理有时会导致冷却定型过程中各部分所受摩擦阻力不平衡，直接导致型材产生内应力。
我们用图2门板截面为例来分析。在冷却定型过程中，高温熔融的PVC型坯与带冷却水路的定型模之间要发生热交换，在冷却过程中型材各部分都会发生收缩。从截面分析，不难看出截面右侧的凹槽冷却收缩结果是与定型模之间产生抱紧趋势；而左侧凸台部分冷却收缩结果是与定型模产生分离趋势。在这种情况下，定型模右侧比左侧容易产生更大的阻力，导致定型模阻力不平衡而产生内应力。
图2 门板截面
内应力对型材质量的影响
型材弯曲
对本身刚性较差的小截面型材，内应力的存在将导致型材弯曲。图1上图所示截面，由于上方冷却效率较差，离开定型模後将继续冷却收缩，导致型材产生收缩应力，引起型材弯曲。图2门板型材也会由于左右阻力不同产生内应力导致型材左右弯曲。
局部发生变形
图3为一内开扇截面，从截面特点分析，圆圈内凹槽部分需要冷却的单位面积大，冷却效率较其余部分差，冷却过程中容易产生内应力，在内应力作用下，圆圈内容易发生变形。由于是截面自身结构原因导致冷却效率不同产生的内应力无法避免，所以为了消除内应力引起的局部变形问题，需要在设计模具时，根据应力变形趋势进行反向补偿。
图3 内开扇截面
型材理化性能指标
型材内应力的存在对理化性能尤其是低温冷冲和加热後尺寸变化率指标影响重大。型材经过低温冷冻後在外力和内应力双重力的作用下更容易破裂，导致低温冷冲性能指标不合格。在加热後随着内应力的释放，型材各部分尺寸变化不同，导致加热後尺寸变化率指标不合格。
消除或减小内应力的措施
在截面设计和模具设计过程中，要根据内应力产生的原因加以综合分析，积极加以预防和控制，一旦内应力引起型材成型尺寸、理化性能等问题，在调试过程中也可以通过模具返修调整进行纠正。
改进型材截面
在满足型材结构功能的情况下，截面设计应遵循以下原则，可以很好地避免截面自身结构原因产生的内应力问题。1）壁厚尽量均匀；2）尽可能避免腔体和单壁同时在同一截面中出现；3）尽可能避免制品有交叉重叠；4）截面形状应尽量简单对称；5）内筋结构不宜太复杂、内筋厚度不宜太厚。
改进冷却系统设计
根据型材截面特点尽可能确保各部分冷却效率相近，才能实现在冷却定型过程中各部分热交换效率相近，收缩率相似，避免内应力的产生。因此针对型材截面冷却薄弱的地方要想办法强化冷却。图4所示局部根据具体情况增加Φ1~Φ3小水孔，达到加强冷却的效果。
图4 强化冷却结构
定型系统型腔尺寸
型材在冷却定型系统内，在真空吸附和冷却作用下发生热交换，温度逐渐降低，发生线性收缩，因此型材与定型系统之间会产生摩擦阻力。型材各部分阻力不平衡的情况下将会产生内应力。优化冷却定型系统型腔尺寸就是根据PVC塑料收缩趋势，合理设计型腔尺寸，避免局部收缩产生的阻力过大，引起牵引阻力不平衡。
如图2截面，右侧容易产生阻力，因此在定型模设计时，根据收缩趋势，定型模尺寸设计收缩梯度有效减小定型阻力，可避免内应力的产生。
加热释放应力
如图1下侧截面，单壁部分与腔体部分冷却效率差异很大，很难通过模具自身的结构优化或其它方法来控制冷却效率不同引起的内应力。这种情况下，可以通过外加热的方法，将单壁部分加热，使其局部温度升高後再冷却收缩，抵消腔体部分後冷却收缩产生的应力，从而达到平衡和矫正的内应力的目的。
但对于美式型材的翅膀或较大截面欧式型材一般加热方式很难纠正型材弯曲，目前有些模具厂家利用定型台尾部的吹亁风机，自行研究出一种分段封闭式可调节热风温度的专用校直机，效果较好。
重视水箱定型的细节研究
一般型材生产厂都认为，型材的形状主要是靠前面的几节定型模、内应力跟机器用水温度有关，而忽略了水箱定型的作用与水箱中的水温。笔者通过观察，水箱中的水温调节特别是对冬季生产型材、工艺调整至关重要，一旦忽视了它，有时连後道工序锯切都无法进行。
笔者研究了一些高档型材生产厂家，他们的水箱有三级，每节水箱上有一个大温度表和两个大表盘的负压指示表，模具厂家刻意把表面值设计成mbar，便于操作人员直观判断。对定型模中出来的型材再进行精细微调，修正局部变形，使得型材外观质量和配合精确进一步提高。从他们的生产工艺卡上也可看出，水箱温度±1℃。
综上所述，PVC-U异型材挤出成型过程比较复杂，通过科学分析内应力产生的原因，在截面设计阶段和模具设计阶段内应力问题可以加以预防和控制。当内应力严重影响到型材质量的情况下则要通过调试返修、加热释放应力和工艺控制等措施消除或减小内应力，保证型材制品质量。(end)
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(3/17/2011) |
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