摘要：本文針對目前擠出平模頭的設(shè)計和加工的弊端進行分析，主要分析和討論了如何通過流體仿真模擬分析、結(jié)構(gòu)仿真模擬分析和一體化加工等方法，來提高模頭設(shè)計的合理性，加工的精準性，從而為客戶提供高品質(zhì)的模頭。
關(guān)鍵詞：CAE模頭流體仿真模擬分析 結(jié)構(gòu)仿真模似分析 一體化加工
擠出（extrude)這個詞由拉丁文“ex”(離開）和“trudere"(推）組成，形象地描述了"施加壓力驅(qū)使材料通過模具成型”的擠出過程。
模頭是擠出生產(chǎn)的核心部分，它設(shè)計的合理性直接影響著生產(chǎn)效率、制品精度、模具壽命等諸多方面，因而研究擠出模頭設(shè)計尤為重要。
傳統(tǒng)模頭設(shè)計
目前，國內(nèi)的許多模頭制造企業(yè)還停留在簡單的模仿階段，企業(yè)在設(shè)計模頭時主要依靠測繪、經(jīng)驗和簡單的人工計算，設(shè)計出的模頭缺乏理論數(shù)據(jù)的支撐，從而導(dǎo)致模頭在試模過程中需經(jīng)過多次修模，才能使模頭符合生產(chǎn)要求，情況嚴重的，會直接導(dǎo)致模頭報廢，造成時間和經(jīng)濟上的損失。
因此傳統(tǒng)的設(shè)計方法不僅延長了模具的設(shè)計制造周期，而且在試模和修模過程中耗費大量的人力、物力和財力。
傳統(tǒng)模頭加工
在傳統(tǒng)的模頭加工企業(yè)中，模頭外形和流道的加工，主要依靠三軸加工中心，其主軸最高轉(zhuǎn)速一般在3000~6000轉(zhuǎn)/分鐘，這種加工方式技術(shù)比較成熟，但因為機床條件限制，加工結(jié)構(gòu)稍復(fù)雜的模體時，至少需要人工翻多個角度加工，從而導(dǎo)致產(chǎn)品精度差、表面光潔度差等缺點。
模頭的加熱棒孔、孔和螺紋的加工，主要依靠普通鉆床。這種加工方式帶來孔徑公差大、表面光潔度差、垂直度差等缺點，容易出現(xiàn)螺紋滑絲、加熱不均勻等現(xiàn)象，導(dǎo)致模頭漏料、螺釘卡死、加熱棒容易燒壞等嚴重后果。
在模頭的表面處理方面，還停留在單一的鍍鉻，雖然它有加工成本低、傳統(tǒng)工藝成熟、維修退鍍方便等優(yōu)點，但是缺點也非常明顯：表面有網(wǎng)紋結(jié)構(gòu)，模唇尖角處理條件一般，在生產(chǎn)中模唇容易掛料，而且不容易調(diào)節(jié)制品的厚薄。
綜上所述，傳統(tǒng)的設(shè)計和加工方法，缺少自己核心的技術(shù)和數(shù)據(jù)支持，僅適用于要求不高的低端產(chǎn)品或技術(shù)相對成熟的產(chǎn)品。
模頭設(shè)計的優(yōu)化
在新材料應(yīng)用呈井噴發(fā)展的今天，傳統(tǒng)的設(shè)計和加工方式已無法適應(yīng)其發(fā)展需求，就目前的發(fā)展情況來看，我國正積極進行著工業(yè)轉(zhuǎn)型升級，以自動化、數(shù)字化為基礎(chǔ)的智能化生產(chǎn)逐步被關(guān)注和應(yīng)用。
國內(nèi)也只有個別具有前瞻意識的企業(yè)，率先引進了歐美、日本等國先進的設(shè)備和分析軟件，如原材料分析儀、有限元分析軟件、五軸高速加工中心、精密磨床等，來提升模頭設(shè)計的合理性和加工的精準性。
塑料原料的檢測
因為模頭的設(shè)計主要是由塑料原材料的特性所決定的，所以首先必須全面了解塑料原料的屬性。只有對其粘度、剪切速率、加工工藝溫度、熱傳導(dǎo)率及膨脹系數(shù)等進行一個有效的分析和技術(shù)掌控，才能研制出完全符合生產(chǎn)需求的模頭。
許多制品廠家在生產(chǎn)過程中存在一個誤區(qū)，認為同一套模具可以生產(chǎn)多種原料，其實每一套定制的模頭都具有唯一性，如果用不同原料進行生產(chǎn)，將導(dǎo)致制品達不到既定的質(zhì)量要求，情況嚴重的將損壞模頭。
流道的模似分析
流道是平模頭的心臟，流道設(shè)計的合理性，直接決定了產(chǎn)品的質(zhì)量。理想的設(shè)計方法是根據(jù)塑料原料特性，以及對制品厚度與線速度的要求，對比歧管式、衣架式、魚尾式等流道的優(yōu)缺點，利用有限元分析軟件，設(shè)計出最小停滯時間、最適合的壓力、最均勻的流速曲線以及避免產(chǎn)生剪切熱的流道。
雖然在進行流道模擬分析時有數(shù)據(jù)的結(jié)果，但是要在各項數(shù)據(jù)中提取最優(yōu)化的配比，就需要技術(shù)全面的工程師，既要全面的了解塑料原料的各項特性，又要精通最終產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝。
模頭結(jié)構(gòu)的優(yōu)化分析
當我們開始模頭設(shè)計時，先是根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求來確定結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的合理性對模頭使用的穩(wěn)定性、壽命等有很大的影響。不合理的結(jié)構(gòu)，可能出現(xiàn)模頭變形、漏料、加熱不均等現(xiàn)象。因此模頭結(jié)構(gòu)的設(shè)計也需要深入地分析：
①結(jié)構(gòu)剛度的分析：由于制品的生產(chǎn)是一種高壓擠出生產(chǎn)工藝，特別是生產(chǎn)PVC發(fā)泡板、PVC保鮮膜等模頭，其生產(chǎn)的模腔壓力通常會達到20-40Mpa，為了保證模頭的質(zhì)量，必須通過剛度的分析，以免模頭變形導(dǎo)致的出料不均和漏料的情況。
②材料疲勞的分析：一般平模頭都帶彈性微調(diào)裝置，如圖1所示，其A處的數(shù)值，對調(diào)節(jié)的靈敏性以及穩(wěn)定性起決定性作用。若數(shù)值過小，微調(diào)靈敏性過高，造成模頭出料不穩(wěn)定且容易造成此處塑性變形；若數(shù)值過大，則模唇開口可調(diào)節(jié)范圍減少，操作費力。只有通過模擬分析，才能得出最適合的數(shù)值。
③熱傳導(dǎo)的分析：以前的設(shè)計往往忽略了加熱均勻性對塑料的影響（特別是熱敏性材料），合理的加熱棒功率和排布間隔，既能夠穩(wěn)定地給塑料所需的熱量，又能避免熱能損耗（節(jié)能，降低生產(chǎn)成本）。
模頭鋼材選擇和熱處理
模頭是由鋼材加工而成，選擇鋼材的重要性就不言而喻，一般在選擇時主要考慮鋼材是否滿足模頭的工作條件、是否具有良好的加工性以及經(jīng)濟性等指標。
現(xiàn)在再加上模頭結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果和塑料原料的特性，設(shè)計師在選擇鋼材時有了數(shù)據(jù)的引導(dǎo)，更能得心應(yīng)手。
為了使金屬工件具有所需要的力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能，除合理選用材料和各種成形工藝外，熱處理工藝往往是必不可少的，同一種金屬采用不同的熱處理工藝，可獲得不同的組織，從而具有不同的性能。
因此，熱處理是機械制造中的特殊工藝過程，也是質(zhì)量管理的重要環(huán)節(jié)，在選擇模具鋼時也必須考慮鋼材的熱加工處理帶來的質(zhì)量問題。
模頭的精密加工
擠出平模頭的結(jié)構(gòu)相對比較簡單，但在精度和表面光潔度方面要求比較高，所以對加工設(shè)備也提出了很高的要求，這里將詳細介紹模頭流道、外形、孔類以及流道“精密柔性拋光”的一體化加工方式。
五軸高速加工中心一體，化此加工方式整合了銑、鉆、磨功能，機床主軸轉(zhuǎn)速可以達到15000~20000轉(zhuǎn)/分鐘，并可以任意角度旋轉(zhuǎn)，可以充分利用銑刀最佳切削區(qū)域進行加工，并無需人工對工件進行位置調(diào)整，適合各種外形及流道的加工，所以無論是加工精度、表面光潔度和加工效率都能得到很大提升。
這里我們還將提出一個全新的概念--精密柔性拋光，這一技術(shù)在流道由銑刀精加工后，可直接換成裝有砂輪頭帶柔性的特制夾頭，其最高轉(zhuǎn)速可達50000轉(zhuǎn)/分鐘，用此方法加工得到的表面光潔度可達Ra0.2~0.3，可以減少70~80%拋光工作量；直線度和平整度是手工拋光的2~3倍。
模頭上所有的孔（除加熱棒孔）都由加工中心承擔加工任務(wù)，能得到高垂直度與高精度的孔和螺紋孔，從而克服傳統(tǒng)加工方式產(chǎn)生的弊端。
模頭表面的處理
在傳統(tǒng)的鍍鉻基礎(chǔ)上，增加碳化鎢和納米鉆石合金處理技術(shù)，以滿足不同的使用需求。
模唇碳化鎢處理加工技術(shù)，是針對模唇定型部位進行碳化鎢噴涂，并通過精密磨床及專用磨具進行精密磨屑。其優(yōu)點是：表面硬度可達HV1100—1300，模唇尖角R0.01mm，表面摩擦系數(shù)非常小。此項技術(shù)適合于涂復(fù)模頭，特別是接觸式涂復(fù)模頭，模唇口的高耐磨性，延長了模頭的使用壽命。
納米鉆石合金表面處理技術(shù)，屬于多層復(fù)合涂覆技術(shù)，涂層成分包括鎳、硼、麟、納米鉆石等組成。其優(yōu)點是：表面沒有網(wǎng)紋現(xiàn)象，耐磨性和耐腐蝕性是鍍硬鉻的2~3倍。此項技術(shù)適合于生產(chǎn)高端薄膜的模頭，即便是經(jīng)常性的清理模唇和模腔時，也不會劃傷模頭流面，延長了模頭的使用壽命。
綜上所述，優(yōu)化后模頭的設(shè)計流程（如圖2），根據(jù)客戶提供的材料，分析其數(shù)據(jù)，再經(jīng)過反復(fù)模擬分析，最后得出最優(yōu)的設(shè)計方案。此方法有大量的理論數(shù)據(jù)支撐，避免傳統(tǒng)設(shè)計存在的各種弊端，并通過一整套精密的加工方式和完善的質(zhì)量檢測體系，保證了設(shè)計方案得到完美的實現(xiàn)。
當然，模頭的生產(chǎn)周期也是一項重要的指標，經(jīng)過前期所做的大量的設(shè)計準備工作、加工各環(huán)節(jié)的緊密配合，在確保產(chǎn)品質(zhì)量前提下，一般需要60~70天；一些模內(nèi)復(fù)合模頭，生產(chǎn)周期則需要90~100天左右。
只有最優(yōu)化的設(shè)計和精密加工的配合，才能根據(jù)客戶的需求量身定制，并快速地為客戶提供更穩(wěn)定、更高效、更節(jié)能、更優(yōu)質(zhì)的模頭，最終讓客戶迅速占領(lǐng)市場先機，創(chuàng)造更大的價值。
