專利名稱：橡膠制品擠出口模的數(shù)字化設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供一種模具的設(shè)計(jì)方法，特別涉及橡膠制品擠出口模的數(shù)字化設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)中，橡膠制品擠出口模的設(shè)計(jì)加工采用的是試差法(見圖1)，有以下幾個(gè)步驟組成口模設(shè)計(jì)(S1)、口模加工(S2)、產(chǎn)品試制(S3)、檢驗(yàn)產(chǎn)品形狀是否符合設(shè)計(jì)要求(S4)、修正口模(S5)。由于S1是憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行的，從S3到S5需要多次反復(fù)，因此產(chǎn)品試制時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、成本較高；S1的不合理還會(huì)造成生產(chǎn)成品率難以提高。
1997年西峰尚秀等人用有限元法(FEM)進(jìn)行塑料制品的熱收縮變形模擬，發(fā)明了在樹脂充分冷卻前從金屬模具中取出的樹脂制容器的金屬模具設(shè)計(jì)方法(中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?7190340.9)。此技術(shù)僅考慮材質(zhì)的熱傳導(dǎo)率和線膨脹系數(shù)等參數(shù)，主要用于塑料制品吹塑成型工藝分析。由于此技術(shù)沒有涉及出口脹大和璧面滑移等擠出特性，因而不能用來(lái)分析橡膠制品的擠出成型工藝分析。
2002年高橋昌平用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)技術(shù)開發(fā)了一種模具部件設(shè)計(jì)輔助方法(中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?2140024.5)，供給模具本體和模附屬部件等的專業(yè)廠商的標(biāo)準(zhǔn)部件數(shù)據(jù)內(nèi)置在模具設(shè)計(jì)輔助系統(tǒng)中，作為具有基于專業(yè)廠商的加工標(biāo)準(zhǔn)(尺寸、材質(zhì)、加工方法等)的各種屬性的形狀符號(hào)。此技術(shù)用CAD中間文件供給設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，選擇可使用的模具本體和模部件。此技術(shù)是CAD技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)特例，沒有涉及橡膠制品的擠出口模設(shè)計(jì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題與不足而做出的，其目的是提供一種橡膠制品擠出模的設(shè)計(jì)方法，用該方法制造的制品形狀，具有補(bǔ)償因擠出變形而產(chǎn)生的畸變形狀。本發(fā)明的另一目的是提供不依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行擠出口模設(shè)計(jì)的模具設(shè)計(jì)方法。
本發(fā)明基于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(以下簡(jiǎn)稱CAD)和計(jì)算機(jī)輔助工程(以下簡(jiǎn)稱CAE)技術(shù)，根據(jù)橡膠制品擠出成型的特點(diǎn)，提出了一種全新的模具數(shù)字化設(shè)計(jì)方法，得到所要求的制品外形同時(shí)獲得內(nèi)部結(jié)構(gòu)合理的高性能制品。與原有技術(shù)相比，增加了口模的計(jì)算機(jī)輔助工程分析，把CAD/CAE技術(shù)融合在一起。
為更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，對(duì)具體的實(shí)施方案作進(jìn)一步描述圖1是采用試差法對(duì)橡膠制品擠出口模進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程，一共有5個(gè)步驟，即口模設(shè)計(jì)(S1)、口模加工(S2)、產(chǎn)品試制(S3)、檢驗(yàn)產(chǎn)品形狀是否符合設(shè)計(jì)要求(S4)和修正口模(S5)。圖2為本發(fā)明的橡膠制品模具的數(shù)字化設(shè)計(jì)過(guò)程，與圖1所示的試差法相比，在S1和S2之間增加了口模CAE分析(S6)-判斷分析結(jié)果是否滿足設(shè)計(jì)要求(S7)-修正口模設(shè)計(jì)(S8)三個(gè)步驟，其中S6是本發(fā)明的關(guān)鍵步驟。S6可用圖3來(lái)具體描述，主要包括7個(gè)步驟，依次為設(shè)置數(shù)學(xué)模型參數(shù)(S61)，先根據(jù)橡膠材料的流變特性，選擇合適的流體本構(gòu)方程，再根據(jù)橡膠材料的流變實(shí)驗(yàn)擬合得到本構(gòu)方程中的參數(shù)；利用CAD技術(shù)根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)圖紙建立幾何模型(S62)；建立物理模型(S63)，把幾何模型導(dǎo)入FEM界面中，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，確定邊界條件類型；求解計(jì)算(S64)，選擇合適的有限元數(shù)值方法和計(jì)算參數(shù)，進(jìn)行求解計(jì)算；結(jié)果分析(S65)，把計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理分析，可進(jìn)行變形分析、應(yīng)力分析；在S65的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析，判斷所求口模形狀是否滿足要求(S66)，如果滿足要求計(jì)算結(jié)束；如果不滿足要求，進(jìn)行計(jì)算參數(shù)修正(S67)，重復(fù)S64-S66，直到滿足設(shè)計(jì)要求。
采用本發(fā)明不僅可以縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期，降低生產(chǎn)成本，而且可以優(yōu)化擠出生產(chǎn)工藝，提升產(chǎn)品性能與質(zhì)量。本發(fā)明可用于橡膠制品的新產(chǎn)品研發(fā)，也可用于現(xiàn)有產(chǎn)品性能的改進(jìn)，找到產(chǎn)品在加工過(guò)程中存在缺陷的原因，提出改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與加工工藝的措施，是一種有效和快捷的擠出口模的設(shè)計(jì)方法。


圖1為橡膠制品擠出口模試差法設(shè)計(jì)過(guò)程流程2為橡膠制品擠出口模的數(shù)字化設(shè)計(jì)過(guò)程流程3為橡膠制品擠出口模的CAE分析過(guò)程流程4為說(shuō)明橡膠制品二維幾何模型的5為說(shuō)明三維有限元分析模型和邊界條件的6為根據(jù)擠出口模預(yù)測(cè)的擠出物形狀7為根據(jù)產(chǎn)品形狀設(shè)計(jì)的模具形狀圖
具體實(shí)施例方式通過(guò)下面實(shí)施例，以進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著進(jìn)步，但不限制本實(shí)施例1參照?qǐng)D3說(shuō)明本發(fā)明根據(jù)模具的幾何形狀來(lái)計(jì)算擠出物的形狀，確定擠出物的變形規(guī)律。
1建立數(shù)學(xué)模型(S61)通常橡膠熔體可以簡(jiǎn)化為粘彈性不可壓縮流體，其流動(dòng)控制方程可表示為質(zhì)量守恒方程·v＝0動(dòng)量守恒方程Redvdt=-▿·p+▿·τ+f]]>其中v是速度，Re是Reynolds準(zhǔn)數(shù)，p為壓力，f為體積力，τ為粘彈性流體流動(dòng)時(shí)的偏應(yīng)力。
流體本構(gòu)方程橡膠熔體可以用微分型粘彈性本構(gòu)方程Phan-Thien-Tanner(PTT)模型表示，PTT模型是從網(wǎng)絡(luò)理論推導(dǎo)出來(lái)的，它同時(shí)包含兩個(gè)非線性項(xiàng)Fc(τ，D)和Fd(τ)。
Fc(τ，D)＝ξ(D·τ·DT)式中，D為形變速率張量，可表示為D=12(L+LT),]]>L為速度梯度張量，可表示為L(zhǎng)＝v。
Fc的引入能夠描述聚合物熔體的非仿射形變，式中0 ≤ξ≤2對(duì)大分子線團(tuán)的滑移程度有影響，能夠?qū)е氯垠w剪切變稀，ξ＝0和ξ＝2分別表示上隨體和下隨體導(dǎo)數(shù)，而ξ＝1則為共傳導(dǎo)數(shù)。
Fd(τ)與熔體線團(tuán)的產(chǎn)生和解纏的速率有關(guān)，它有兩種形式PTTa:Fd(τ)=eϵGtr(τ)]]>PTTb:Fd(τ)=1+ϵGtr(τ)]]>式中ε主要對(duì)穩(wěn)態(tài)拉伸有影響，導(dǎo)致拉伸粘度的減小。PTTa和PTTb的差別在于PTTa能夠預(yù)測(cè)拉伸速率下熔體的拉伸變稀特性，而PTTb只能得到一無(wú)窮拉伸粘度的平臺(tái)。
2建立口模的幾何模型(S62)由于產(chǎn)品的橫截面形狀比較復(fù)雜，首先利用CAD建立二維幾何模型。圖4為橡膠制品的二維CAD幾何模型。
3建立物理模型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)置邊界條件(S63)把二維CAD幾何模型導(dǎo)入有限元中，進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，得到三維有限元分析模型，如圖5所示。分析模型分兩個(gè)區(qū)域SD1為擠出口模區(qū)域，SD2為擠出物區(qū)域。
在分析中，設(shè)置四類邊界條件第一個(gè)邊界條件為入口流量，假設(shè)口模入口處為充分發(fā)展流動(dòng)，如Q0＝5000m3/s。
第二個(gè)邊界條件為擠出口模壁面，假設(shè)表面無(wú)滑移，所以可設(shè)為法向速度vn＝0和切向速度vs＝0。
第三個(gè)邊界條件為擠出物自由表面，滿足v·n＝0，其中n是表面法向矢量。
第四個(gè)邊界條件為出口，對(duì)于粘彈性流體，可設(shè)定為法向力fn＝0和切向力fs＝0，也可以加上一個(gè)拉伸速度，如vx＝0，vy＝0和vz＝58m/s。
5模型求解(S64)求解區(qū)域內(nèi)的數(shù)值模擬采用有限元數(shù)值方法進(jìn)行，采用Galerkin修正方法。計(jì)算參數(shù)采用進(jìn)化算法(Evolution)以解決自由表面引起的非線性問(wèn)題。
6計(jì)算結(jié)果分析(S65)圖6為根據(jù)擠出口模預(yù)測(cè)的擠出物形狀，擠出物在拉伸作用下，其形狀大小比擠出口模的形狀要小。
實(shí)施例2參照?qǐng)D3說(shuō)明本發(fā)明根據(jù)所期望的擠出物的形狀(即制品形狀)來(lái)計(jì)算模具的幾何構(gòu)型。
根據(jù)擠出物的形狀來(lái)計(jì)算模具的幾何形狀，其計(jì)算過(guò)程與實(shí)施例1基本相同，實(shí)施例1的計(jì)算步驟為S61-S65，實(shí)施例2的計(jì)算步驟增加了S66和S67。計(jì)算步驟S66為根據(jù)計(jì)算結(jié)果判斷所求口模形狀是否滿足設(shè)計(jì)要求，如果滿足要求計(jì)算結(jié)束，如果不滿足，則修正計(jì)算參數(shù)(S67)，重復(fù)S65，直到滿足設(shè)計(jì)要求。圖7為根據(jù)擠出物形狀計(jì)算出的模具形狀。
由于實(shí)施例2和實(shí)施例1的計(jì)算目的不同，因而他們的網(wǎng)格重置區(qū)域不同，區(qū)域設(shè)置見圖5。
(1)在實(shí)施例1中，根據(jù)擠出口模預(yù)測(cè)擠出物形狀，口模區(qū)域的位置是確定的，擠出物區(qū)域的位置是不確定的，因此只對(duì)擠出物區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格重置。
(2)在實(shí)施例2中，根據(jù)擠出物的形狀來(lái)計(jì)算模具的幾何形狀，由于口模和擠出物的位置均不確定，因此需要對(duì)擠出物區(qū)域和口模區(qū)域兩個(gè)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格重置。
實(shí)施例3圖3中的設(shè)置數(shù)學(xué)模型參數(shù)(S61)說(shuō)明不同橡膠材料的本構(gòu)模型參數(shù)的確定方法。
為了確定本構(gòu)模型參數(shù)，需要進(jìn)行下列流變實(shí)驗(yàn)(1)毛細(xì)管流變儀實(shí)驗(yàn)用來(lái)確定高剪切速率范圍內(nèi)剪切速率與粘度的關(guān)系；(2)旋轉(zhuǎn)流變儀實(shí)驗(yàn)用來(lái)確定低剪切速率范圍內(nèi)剪切速率與粘度的關(guān)系；把橡膠材料的流變實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)擬合就可得到本構(gòu)模型中的參數(shù)。表1為三元乙丙橡膠(EPDM)和丁苯橡膠(SBR)的PTT模型的材料參數(shù)，利用此參數(shù)可以進(jìn)行橡膠擠出過(guò)程的模擬計(jì)算。圖6和圖7是利用PTT模型根據(jù)表1的EPDM的材料參數(shù)得到的計(jì)算結(jié)果。
表1

實(shí)施例4參照?qǐng)D2說(shuō)明本發(fā)明橡膠制品模具的數(shù)字化設(shè)計(jì)過(guò)程的效果。與圖1所示的試差法相比，本發(fā)明的設(shè)計(jì)方法，在S1和S2之間增加了口模計(jì)算機(jī)輔助工程分析(S6)、判斷分析結(jié)果是否滿足設(shè)計(jì)要求(S7)和修正口模設(shè)計(jì)(S8)三個(gè)步驟。
實(shí)施例2說(shuō)明了根據(jù)擠出物的形狀計(jì)算模具的幾何形狀的步驟，在此基礎(chǔ)上判斷分析結(jié)果是否滿足設(shè)計(jì)要求(S7)，如果滿足要求計(jì)算結(jié)束，如果不滿足，則修正口模設(shè)計(jì)(S8)，重復(fù)S6，直到滿足設(shè)計(jì)要求。
根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行橡膠制品的擠出口模加工(S2)，然后進(jìn)行產(chǎn)品試制(S3)、修正口模(S5)，直到產(chǎn)品形狀滿足設(shè)計(jì)要求。表2為通過(guò)本發(fā)明進(jìn)行口模設(shè)計(jì)與試差法的效果比較。
表2

從表1可以看出，通過(guò)本發(fā)明進(jìn)行口模設(shè)計(jì)，口模修正次數(shù)、口模制造時(shí)間及口模調(diào)試費(fèi)用都比試差法減少了67％，產(chǎn)品開發(fā)周期縮短，成本降低，提高了產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。
權(quán)利要求
1.橡膠制品擠出口模的數(shù)字化設(shè)計(jì)方法，其特征在于比原來(lái)試差法的口模設(shè)計(jì)和口模加工之間增加了三個(gè)步驟，即口模的計(jì)算機(jī)輔助工程分析、判斷分析結(jié)果是否滿足設(shè)計(jì)要求和修正口模設(shè)計(jì)三個(gè)步驟，其中口模的計(jì)算機(jī)輔助工程分析包括七個(gè)步驟，依次是設(shè)置數(shù)學(xué)模型參數(shù)，先根據(jù)橡膠材料的流變特性，選擇合適的流體本構(gòu)方程，再根據(jù)橡膠材料的流變實(shí)驗(yàn)擬合得到本構(gòu)方程中的參數(shù)；利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)圖紙建立幾何模型；建立物理模型，把幾何模型導(dǎo)入有限元界面中，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，確定邊界條件類型；選擇合適的有限元數(shù)值方法和計(jì)算參數(shù)，進(jìn)行求解計(jì)算；把計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理分析，進(jìn)行變形分析、應(yīng)力分析；判斷所求口模形狀是否滿足要求；進(jìn)行計(jì)算參數(shù)修正。
2.如權(quán)利要求1所述的橡膠制品擠出口模的數(shù)字化設(shè)計(jì)方法，其特征在于口模形狀不包含因擠出膨脹和牽引力引起的變形或包含因擠出膨脹和牽引力引起的變形。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種橡膠制品擠出口模的數(shù)字化設(shè)計(jì)方法，在原來(lái)試差法的口模設(shè)計(jì)和口模加工之間增加了三個(gè)步驟，即口模的計(jì)算機(jī)輔助工程分析、判斷分析結(jié)果是否滿足設(shè)計(jì)要求、和修正口模設(shè)計(jì)三個(gè)步驟?？谀５挠?jì)算機(jī)輔助工程分析是本發(fā)明的關(guān)鍵步驟，主要包括選擇合適的熔體本構(gòu)方程，根據(jù)橡膠材料的流變實(shí)驗(yàn)擬合得到本構(gòu)方程中的參數(shù)；利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)建立幾何模型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，確定邊界條件；選擇有限元數(shù)值方法和計(jì)算參數(shù)，進(jìn)行求解計(jì)算，把計(jì)算結(jié)果進(jìn)行變形和應(yīng)力分析，判斷所求口模形狀是否滿足設(shè)計(jì)要求。這樣，口模的設(shè)計(jì)是在有限元的環(huán)境下完成的，可減少口模的修正次數(shù)，提高橡膠制品的成品率，同時(shí)，不依賴于經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行橡膠制品擠出口模的設(shè)計(jì)。
文檔編號(hào)G06F17/50GK1595404SQ20041002538
公開日2005年3月16日 申請(qǐng)日期2004年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月24日
發(fā)明者趙建才, 周持興, 王剛 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)