挤出成型是将原料加入料筒中，利用螺杆旋转运动将固体原料挤压传送到挤出机，同时进行加热将原料转化成熔融状态，连续转动的螺杆将熔融状态下的原料推入机头，通过机头口模将原料挤出，最后经过冷却定型得到与口模截面形状相同的制件[1-3]。线槽属于塑料异型材，其形状复杂，口模制造难度大，为满足市场需求，需要对机头口模进行优化设计[4-5]。制件质量是挤出成型过程的核心问题，由于加工设备运行状态不同，模具的型腔结构各异，物料的流变特性不同等因素的影响，制件的表面质量及内在质量可能存在一些缺陷[4]，因此设计能够保证产品质量的模具尤为重要。目前设计口模的主要方法是试错法，即模具加工出后，经过大量的实际生产试验以验证其是否符合生产要求，若不合格，需对模具进行修正，多次反复修正会耗费大量的成本及时间[6-7]。目前对于形状复杂的口模，可通过使用Polyflow软件进行逆向模拟，得出口模的合理形状。刘红彬等[8]利用Polyflow软件模拟分析胶料在挤出过程中速度场、压力场的分布状况。杨佳黎等[9]通过Polyflow逆向挤出功能提前预测T型材挤出口模变形倾向，提高口模设计的一次性成功率，缩短口模的开发周期，降低成本。许祥等[10]应用Polyflow软件进行挤管机头内流动场分析和口模逆向设计。通过Polyflow能够预测熔体在机头内复杂的流动，并且利用其逆向挤出功能可以提高口模设计的一次成功率。朱伟林等[11]运用Polyflow软件对挤出发泡环形口模内的压力场和剪切场进行数值模拟。结果表明：相较于减小出口间隙，减小收敛角和增设平直段更有助于控制口模流道内的剪切速率，避免剪切生热过大，对挤出发泡成型产生不利影响。蒋卫鑫等[12]基于Polyflow田字形网格食品托盘挤出成型分析，在Polyflow中采用190 ℃聚乳酸流体进行仿真分析，得到正常口模和经过逆向挤出设计口模的流场模拟结果。结果表明：经过逆向挤出设计的口模内流速分布更为均匀，口模内流体速度先略有上升后不断下降并趋近于一个稳定值，产品最终截面形状符合要求。边洋震等[13]与方坤等[14]都对Polyflow逆向求解对模具优化进行了相关研究。本实验利用模拟软件Polyflow，模拟不同黏度参数、挤出速率及口模长度对挤出成型的影响。通过逆向模拟出口模的截面形状，设计最佳的口模截面形状，从而降低口模的制造成本及难度。1研究方法1.1几何建模及有限元模型边界定义图1为线槽模型的截面形状尺寸及边界位置定义。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.11.020.F001图1线槽模型的截面形状尺寸及边界位置定义Fig.1Section shape size and boundary position definition of trunking modelPolyflow逆向挤出是以直接挤出为基础，根据预设制件最后成型的形状，反向求出口模形状的过程。主要是利用有限元法，将复杂的模型进行有限的网格划分，且逆向过程中挤出物自由表面的末端形状固定，其余部分均为未知情况[15]。由于线槽截面是轴对称图形，只选其中的一半进行模拟分析，通过对称得出整体的结果。通过使用ANSYS的Mesh模块，对三维实体进行网格划分并定义边界名称，边界名称包括口模入口边界(inlet)、对称面(symmetry)、模具表面(die wall)、熔体自由表面(free surface)、熔体出口边界(outlet)。1.2模型分析任务的建立是在Polydata中进行，采用三维渐变有限元的模型，渐变模型应用于由流动参数导致非线性而存在收敛问题，通过连续设置功能让流动参数从一个初始值向满意值逐渐接近。逆向挤出功能中，由于设置口模壁面滑动边界条件时，动态方程引入的非线性使得模拟过程难以收敛，因此要对滑动系数采用渐变法，促使模拟过程的收敛[16]。在Polydata子任务模块中，包括广义牛顿流动、黏弹性流动和热传导等，可以根据不同的流体选择相应的模块类型[9]。本实验采用广义牛顿流动模型。子任务是针对模型整体进行分析。图2为子任务区域及网格划分。选择的分析区域分成两个部分进行计算，可以提高计算的精度，能够更加精确地描述出口模的截面形状。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.11.020.F002图2子任务区域及网格划分Fig.2Sub-task area and grid division1.3材料物性参数设置在实际的工程生产中常用的材料参数包括重力、密度、热传导、热膨胀系数、流动黏度、微分和积分黏弹性模型等[17-18]。由于异型材几何形状及聚合物熔体流动状态具有复杂性，难以精确描述其流动行为，现进行简化和假定：（1）流体为黏性不可压缩流体，稳定层流。（2）压力在横截面上的梯度为零。（3）由于熔体的高黏性，其惯性力和重力相对于黏性力很小，故忽略不计。（4）流场为等温场，且熔体密度、导热系数与比热容均恒定。幂律模型通常用于描述高剪切速率聚合物流体，幂律本构模型的计算公式为：η=Κλγ˙n-1 (1)式（1）中：η为黏度，Pa·s；K为黏度系数；λ为松弛时间，s；γ˙为剪切速率，s-1；n为非牛顿指数。1.4边界条件设置边界定义的类型包括切向及法向速度、切向和法向力、流动入口、流动出口、对称面、滑动边界、自由表面等[15]。边界条件定义如下：边界1：inflow流动入口，定义入口挤出材料的速度为Q=10 cm3/s。边界2：symmetry对称面，选择对称平面，切向力为0，法向速度为0。边界3：die wall口模壁面，设置口模壁面的条件为法向速度和剪切速度为0。边界4：free surface自由表面，选择自由表面设置在移动表面边界条件，将其设置为对于边界3是无约束条件，并指出计算区域的进出口。边界5：outlet熔体出口，设置其切向力及法向力均为0。1.5重新生成网格的设定在模拟挤出过程中，自由表面由于变形较大，网格会出现较大畸形。为了避免网格过度变形而导致模拟结果不收敛，需对整个计算域进行网格重划分[17, 19]。重新生成网格的功能是根据变形过后的实体边界各点位置变化，对其内部各点位置进行重新定义。重新生成网格的区域为图2a的挤出线槽部分。1.6模拟挤出结果分析图3为速度分布、压力分布和挤出前后形状对比模拟挤出结果。从图3a可以看出，流体在口模内的流速分布特点是由内向外逐渐降低，挤出线槽部分速度分布比较均匀，总体流速沿着挤出方向逐渐降低。从图3b可以看出，压力沿着挤出方向逐渐降低，并且熔体在离开口模后，压力趋于平稳值。从图3c可以看出，在挤出成型过程中会产生膨胀变形现象。由此可知，通过模拟数据可以预测挤出成型的趋势，观察其变形情况，有利于掌握塑料挤出状况。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.11.020.F003图3速度分布、压力分布和挤出前后形状对比模拟挤出结果Fig.3Simulation extrusion results of velocity distribution， pressure distribution and shape comparison before and after extrusion2影响直接挤出制件质量的因素Polyflow软件通过拟定口模形状，进行网格划分与设定各项参数，模拟材料挤出后的形状，从而确定产品质量是否合乎设计要求。2.1黏度对挤出成型的影响黏度影响熔体内部所受阻力，增大黏度，剪切速率增大，膨胀程度增大[20]。K、n值是影响黏度的重要因素。保持挤出速率为10 cm3/s和口模长度为20 mm不变，改变K、n值组合控制黏度情况，表1为不同黏度模拟参数组合。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.11.020.T001表1不同黏度模拟参数组合Tab.1Different viscosity simulation parameter combinations变量参数1参数2参数3K305080n0.750.780.80图4为不同黏度参数下挤出后流体速度分布。从图4可以看出，流体速度随黏度增大而增大，不利于定型。图5为不同黏度参数口模挤出前后的截面形状对比。从图5可以看出，黏度越大，挤出膨胀现象随之明显。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.11.020.F004图4不同黏度参数下挤出后流体速度分布Fig.4Fluid velocity distribution of extrusion under different viscosity parameters10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.11.020.F005图5不同黏度参数口模挤出前后的截面形状对比Fig.5Comparison of cross-sectional shapes of die with different viscosity parameters before and after extrusion2.2挤出速率对挤出成型的影响挤出速率是指单位时间内挤出制件的体积。当挤出速率增大时，制件的生产效率提高，但是挤出速率过大时，物料在口模中流动不稳定，离模胀大加剧；若挤出速率较小，使得物料长时间受热，使其分解，降低制件的物理性能[18]。图6为不同挤出速率的流体速度分布。从图6可以看出，口模部分流速由内向外逐渐减小，并且与口模壁直接接触的部分速度为零，挤出部分的速度比较均匀。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.11.020.F006图6不同挤出速率的流体速度分布Fig.6Velocity distribution of fluid with different extrusion rates图7为不同挤出速率下挤出前后截面形状对比。从图7可以看出，随着挤出速率的增大，挤出流体速度也增大，挤出胀大也随之增大。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.11.020.F007图7不同挤出速率下挤出前后截面形状对比Fig.7Comparison of cross section before and after extrusion with different extrusion rates2.3口模长度对挤出成型的影响口模长度对挤出成型有一定的影响，口模长度越长，挤出成型物的变形和挤出膨胀程度减小[21]。图8为不同口模长度的流体速度分布。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.11.020.F008图8不同口模长度的流体速度分布Fig.8Velocity distribution of fluid with different die length从图8可以看出，不同口模长度情况下，其速度变化大致相同，速度变化最大的区域集中在口模部分，挤出线槽部分的速度比较均匀，并且随着口模长度的增加，其最大速率会降低。图9为不同口模长度下挤出前后截面形状对比。从图9可以看出，口模长度越长，流体在口模中的定型越稳定，因此口模长度越长，挤出膨胀的现象逐渐减弱。由此判断，适当提高口模长度可以有效改善离模胀大现象。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.11.020.F009图9不同口模长度下挤出前后截面形状对比Fig.9Comparison of cross section before and after extrusion with different die length3逆向挤出与直接挤出模拟结果对比分析在实际应用中，使用Polyflow软件模拟直接挤出的过程，但通过模拟结果可以看出，每组模拟数据都出现制件变形现象，为了能够得到形状与尺寸都更加接近预设的制件，可通过Polyflow逆向挤出功能设计更合理的口模。Polyflow逆向挤出的过程与直接挤出步骤相似，但在对模型网格进行重新划分时，其与直接挤出区别在于逆向挤出需对图2a两个区域进行重划分网格设置。原因是在逆向模拟过程中，自由表面和口模壁面具有不确定性。3.1速度分布对比图10为逆向挤出与直接挤出速度分布截面对比。从图10可以看出，口模部分的流速变化较大，由内向外逐渐减小，而挤出线槽部分，速度相对较平稳，没有太大变化。但直接与口模壁相接触的部分速度最小并且为零，而逆向挤出不为零。由此可知逆向挤出的流体速度比直接挤出大。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.11.020.F010图10逆向挤出与直接挤出速度分布截面对比Fig.10Cross section comparison of velocity distribution between reverse extrusion and direct extrusion3.2压力分布对比图11为逆向挤出和直接挤出压力分布。从图11可以看出，压力沿着挤出方向逐渐减小，且直接挤出过程中的压力比逆向挤出要大。图12为逆向挤出和直接挤出压力分布截面对比。从图12可以看出，在挤出过程中每个截面的压力情况是一样的，但是逆向挤出的压力明显比直接挤出的大得多。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.11.020.F011图11逆向挤出与直接挤出压力分布对比Fig.11Comparison of pressure distribution between reverse extrusion and direct extrusion10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.11.020.F012图12逆向挤出与直接挤出压力分布截面对比Fig.12Cross section comparison of pressure distribution between reverse extrusion and direct extrusion3.3挤出形变对比图13为逆向挤出和直接挤出的变形图。从图13可以看出，两者在材料离开口模的部分所发生的变形最大。图14为逆向和直接挤出前后截面形状对比图。从图14可以看出，逆向挤出的口模截面壁厚会变小，两边会往外扩，挤出制件的壁厚和形状都是理想状态。直接挤出刚好相反，口模截面形状及尺寸都是理想状态，而挤出制品形状发生改变，且壁厚会出现胀大。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.11.020.F013图13逆向挤出与直接挤出变形情况对比Fig.13Deformation comparison of reverse extrusion and direct extrusion10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.11.020.F014图14逆向挤出与直接挤出前后截面形状对比Fig.14Comparison of cross-sectional shape before and after reverse extrusion and direct extrusionPolyflow直接挤出成型的过程中会出现挤出胀大现象，而逆向挤出能为挤出膨胀现象提供补偿，可以有效地模拟出口模的形状，并能根据预测制品形状设计合理的口模，减少设计和修模时间。4模具设计4.1模具形状确定在直接挤出过程中，由于离模膨胀的原因，材料从口模中被挤出后会出现不同程度的胀大现象，因此为得到形状与尺寸均符合要求的制件，可以根据口模与制品形状的关系确定所需口模的形状。图15为模拟口模截面形状及制件形状对比与口模截面部分尺寸。从图15可以看出，线槽口模截面形状的壁厚要比成型制品壁厚小，总长度要比成型制品长。原因是在挤出过程中物料会产生弹性变形，若按照原长度进行设计，待其冷却后将会有收缩现象，使得长度有所缩小，在当物料离开口模后会发生弹性恢复，使制品膨胀，因此要把口模截面的壁厚减小。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.11.020.F015图15模拟口模截面形状及制件形状对比与口模截面部分尺寸Fig.15Simulation of die cross section shape and part shape comparison and die cross section size5.2口模长度设计口模长度越长，挤出胀大的现象越弱。因此要设计合适的口模长度，尽量减小其对挤出成型后的影响。口模长度计算常用经验公式为[22]：L=(20~40)×β （2）式（2）中：L为口模长度，mm；β为模口间隙尺寸，mm。模口间隙尺寸一般取断面壁厚的0.9~0.95，本实验PVC线槽壁厚为1.5 mm，选用口模成型段长度为30 mm，符合上述公式。最终根据模拟结果，分别设计出连接头机颈、压缩板和口模，图16为接头机颈、压缩板和口模三视图。对于异型材模具，机头流道设计应该是光滑流线型，其截面必须由圆形平滑过渡为异型材要求的截面形状[23]，因此每块板的截面形状都相同。图17为模头的基本机构设计。图16接头机颈、压缩板和口模三视图Fig.16Three view of joint neck， compression plate and die10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.11.020.F16a1(a)连接头机颈三视图10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.11.020.F16a2(b)压缩板三视图10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.11.020.F16a3(c)口模三视图图17PVC线槽模头基本结构图Fig.17Basic structure diagram of PVC trunking10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.11.020.F17a1(a)主视图10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.11.020.F17a2(b)俯视图5结论利用Polyflow软件模拟不同黏度参数、挤出速率及口模长度对挤出成型的影响，并通过逆向模拟出口模的截面形状，设计最佳的口模截面形状。（1）当K和n参数分别为30和0.75、50和0.78、80和0.8时，即黏度变大，流体剪切速度增大，挤出胀大现象加剧。（2）当挤出速率增大，材料在口模中定型的时间越短，其变形越大。（3）口模长度越长，越有利于制件形状接近预设口模形状。（4）逆向挤出过程对口模长度以及定型模设计进行合理优化，产品长度尺寸20 mm，底部可设计19.8 mm，开口由于变形设计25.9 mm，口模膨胀产品截面厚度为1.5 mm时，对应的模具截面厚度为1.3 mm。