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深度解析PVC-U異型材內(nèi)應(yīng)力

由于PVC-U異型材在擠出成型過(guò)程中要經(jīng)過(guò)加熱塑化和冷卻定型等熱交換過(guò)程，同時(shí)還要受擠出機(jī)的剪切、摩擦、定型模的冷卻收縮、真空吸附、牽引等各種力的作用，因此擠出成型過(guò)程中較容易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。這些內(nèi)應(yīng)力的存在是影響型材的成型尺寸、彎曲度、理化性能等品質(zhì)指標(biāo)的重要因素。

筆者根據(jù)多年的擠出模具設(shè)計(jì)、調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，分析了擠出模具對(duì)PVC-U異型材擠出成型過(guò)程中內(nèi)應(yīng)力生成的影響，提出了消除和減小內(nèi)應(yīng)力的解決方案。

產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力的原因

圖1　易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力的型材截面

截面結(jié)構(gòu)原因

圖1上所示的截面局部壁厚比其余部分厚，在冷卻定型過(guò)程中，壁厚較厚處與其余部分冷卻效率不同，因此冷卻收縮過(guò)程不同步，必然會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。

圖1下所示截面中單壁處兩側(cè)都與定型模接觸冷卻，定型效果較強(qiáng)，而腔體部分內(nèi)側(cè)與定型模不接觸，冷卻效果差，在離開定型系統(tǒng)後會(huì)繼續(xù)冷卻收縮，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。

定型模冷卻不均

型材在冷卻過(guò)程中，冷卻不平衡將導(dǎo)致型材各部分熱交換效率不同，型材各部分在冷卻定型過(guò)程中冷卻收縮快慢不同步會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，另外在型材離開冷卻定型系統(tǒng)後，各部分溫度存在差異，局部溫度較高的地方會(huì)繼續(xù)冷卻收縮，也會(huì)導(dǎo)致型材產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。

定型模具冷卻不均主要原因有兩個(gè)方面。1）截面結(jié)構(gòu)原因。如截面有壁厚不均勻現(xiàn)象或不容易冷卻到的溝槽以及其它影響冷卻均衡性結(jié)構(gòu)都會(huì)造成定型模冷卻不均。2）定型模冷卻水路設(shè)計(jì)不合理。

定型模阻力不平衡

圖2　門板截面

模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理有時(shí)會(huì)導(dǎo)致冷卻定型過(guò)程中各部分所受摩擦阻力不平衡，直接導(dǎo)致型材產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。

我們用圖2門板截面為例來(lái)分析。在冷卻定型過(guò)程中，高溫熔融的PVC型坯與帶冷卻水路的定型模之間要發(fā)生熱交換，在冷卻過(guò)程中型材各部分都會(huì)發(fā)生收縮。從截面分析，不難看出截面右側(cè)的凹槽冷卻收縮結(jié)果是與定型模之間產(chǎn)生抱緊趨勢(shì)；而左側(cè)凸臺(tái)部分冷卻收縮結(jié)果是與定型模產(chǎn)生分離趨勢(shì)。在這種情況下，定型模右側(cè)比左側(cè)容易產(chǎn)生更大的阻力，導(dǎo)致定型模阻力不平衡而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。

內(nèi)應(yīng)力對(duì)型材質(zhì)量的影響

型材彎曲

對(duì)本身剛性較差的小截面型材，內(nèi)應(yīng)力的存在將導(dǎo)致型材彎曲。圖1上圖所示截面，由于上方冷卻效率較差，離開定型模後將繼續(xù)冷卻收縮，導(dǎo)致型材產(chǎn)生收縮應(yīng)力，引起型材彎曲。圖2門板型材也會(huì)由于左右阻力不同產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力導(dǎo)致型材左右彎曲。

圖3　內(nèi)開扇截面

局部發(fā)生變形

圖3為一內(nèi)開扇截面，從截面特點(diǎn)分析，圓圈內(nèi)凹槽部分需要冷卻的單位面積大，冷卻效率較其余部分差，冷卻過(guò)程中容易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，在內(nèi)應(yīng)力作用下，圓圈內(nèi)容易發(fā)生變形。由于是截面自身結(jié)構(gòu)原因?qū)е吕鋮s效率不同產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力無(wú)法避免，所以為了消除內(nèi)應(yīng)力引起的局部變形問(wèn)題，需要在設(shè)計(jì)模具時(shí)，根據(jù)應(yīng)力變形趨勢(shì)進(jìn)行反向補(bǔ)償。

型材理化性能指標(biāo)

型材內(nèi)應(yīng)力的存在對(duì)理化性能尤其是低溫冷沖和加熱後尺寸變化率指標(biāo)影響重大。型材經(jīng)過(guò)低溫冷凍後在外力和內(nèi)應(yīng)力雙重力的作用下更容易破裂，導(dǎo)致低溫冷沖性能指標(biāo)不合格。在加熱後隨著內(nèi)應(yīng)力的釋放，型材各部分尺寸變化不同，導(dǎo)致加熱後尺寸變化率指標(biāo)不合格。

消除或減小內(nèi)應(yīng)力的措施

在截面設(shè)計(jì)和模具設(shè)計(jì)過(guò)程中，要根據(jù)內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的原因加以綜合分析，積極加以預(yù)防和控制，一旦內(nèi)應(yīng)力引起型材成型尺寸、理化性能等問(wèn)題，在調(diào)試過(guò)程中也可以通過(guò)模具返修調(diào)整進(jìn)行糾正。

改進(jìn)型材截面

在滿足型材結(jié)構(gòu)功能的情況下，截面設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則，可以很好地避免截面自身結(jié)構(gòu)原因產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力問(wèn)題。1）壁厚盡量均勻；2）盡可能避免腔體和單壁同時(shí)在同一截面中出現(xiàn)；3）盡可能避免制品有交叉重疊；4）截面形狀應(yīng)盡量簡(jiǎn)單對(duì)稱；5）內(nèi)筋結(jié)構(gòu)不宜太復(fù)雜、內(nèi)筋厚度不宜太厚。

改進(jìn)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖4　強(qiáng)化冷卻結(jié)構(gòu)

根據(jù)型材截面特點(diǎn)盡可能確保各部分冷卻效率相近，才能實(shí)現(xiàn)在冷卻定型過(guò)程中各部分熱交換效率相近，收縮率相似，避免內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生。因此針對(duì)型材截面冷卻薄弱的地方要想辦法強(qiáng)化冷卻。圖4所示局部根據(jù)具體情況增加Φ1~Φ3小水孔，達(dá)到加強(qiáng)冷卻的效果。

定型系統(tǒng)型腔尺寸

型材在冷卻定型系統(tǒng)內(nèi)，在真空吸附和冷卻作用下發(fā)生熱交換，溫度逐漸降低，發(fā)生線性收縮，因此型材與定型系統(tǒng)之間會(huì)產(chǎn)生摩擦阻力。型材各部分阻力不平衡的情況下將會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。優(yōu)化冷卻定型系統(tǒng)型腔尺寸就是根據(jù)PVC塑料收縮趨勢(shì)，合理設(shè)計(jì)型腔尺寸，避免局部收縮產(chǎn)生的阻力過(guò)大，引起牽引阻力不平衡。

如圖2截面，右側(cè)容易產(chǎn)生阻力，因此在定型模設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)收縮趨勢(shì)，定型模尺寸設(shè)計(jì)收縮梯度有效減小定型阻力，可避免內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生。

加熱釋放應(yīng)力

如圖1下側(cè)截面，單壁部分與腔體部分冷卻效率差異很大，很難通過(guò)模具自身的結(jié)構(gòu)優(yōu)化或其它方法來(lái)控制冷卻效率不同引起的內(nèi)應(yīng)力。這種情況下，可以通過(guò)外加熱的方法，將單壁部分加熱，使其局部溫度升高後再冷卻收縮，抵消腔體部分後冷卻收縮產(chǎn)生的應(yīng)力，從而達(dá)到平衡和矯正的內(nèi)應(yīng)力的目的。

但對(duì)于美式型材的翅膀或較大截面歐式型材一般加熱方式很難糾正型材彎曲，目前有些模具廠家利用定型臺(tái)尾部的吹亁風(fēng)機(jī)，自行研究出一種分段封閉式可調(diào)節(jié)熱風(fēng)溫度的專用校直機(jī)，效果較好。

重視水箱定型的細(xì)節(jié)研究

一般型材生產(chǎn)廠都認(rèn)為，型材的形狀主要是靠前面的幾節(jié)定型模、內(nèi)應(yīng)力跟機(jī)器用水溫度有關(guān)，而忽略了水箱定型的作用與水箱中的水溫。筆者通過(guò)觀察，水箱中的水溫調(diào)節(jié)特別是對(duì)冬季生產(chǎn)型材、工藝調(diào)整至關(guān)重要，一旦忽視了它，有時(shí)連後道工序鋸切都無(wú)法進(jìn)行。

筆者研究了一些高檔型材生產(chǎn)廠家，他們的水箱有三級(jí)，每節(jié)水箱上有一個(gè)大溫度表和兩個(gè)大表盤的負(fù)壓指示表，模具廠家刻意把表面值設(shè)計(jì)成mbar，便于操作人員直觀判斷。對(duì)定型模中出來(lái)的型材再進(jìn)行精細(xì)微調(diào)，修正局部變形，使得型材外觀質(zhì)量和配合精確進(jìn)一步提高。從他們的生產(chǎn)工藝卡上也可看出，水箱溫度±1℃。

綜上所述，PVC-U異型材擠出成型過(guò)程比較復(fù)雜，通過(guò)科學(xué)分析內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的原因，在截面設(shè)計(jì)階段和模具設(shè)計(jì)階段內(nèi)應(yīng)力問(wèn)題可以加以預(yù)防和控制。當(dāng)內(nèi)應(yīng)力嚴(yán)重影響到型材質(zhì)量的情況下則要通過(guò)調(diào)試返修、加熱釋放應(yīng)力和工藝控制等措施消除或減小內(nèi)應(yīng)力，保證型材制品質(zhì)量。

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