汽车橡胶密封条挤出成型过程的计算机模拟研究

摘要

汽车橡胶密封条由EPDM橡胶复合材料通过挤出加工成型。由于橡胶材料的挤出胀大特性，挤出体与挤出口型形状不一致，所以挤出口模设计需要根据所需产品断面修正。目前在生产中口模的设计主要是通过“试差法”不断调试修正来完成，效率低、成本高。如果能够通过计算机模拟橡胶挤出流动状态、预测挤出产品形状并优化设计口模结构，则可以大量节约产品调试成本和时间，这将对汽车橡胶密封件产业的发展具有重要意义。当前在橡胶产品挤出加工计算机模拟领域，公开发表的文献不多，而且多局限于简单形状产品流动状态的局部分析。即使在我公司所接触的世界知名汽车密封条企业，利用计算机模拟方法设计挤出口模也是一大难点，还未完全应用于生产中，出于保密原因，更是没有相关公开文献发表。本文结合企业需求，对汽车橡胶密封条挤出成型过程的计算机模拟进行了研究。应用POLYFLOW软件对EPDM橡胶密封条的挤出成型及口模设计进行分析，建立从材料流变性能测试、流变模型选择到挤出过程模拟分析和口型流道设计的方法，通过实际挤出验证，指导生产中口模设计与工艺优化。主要研究内容如下： ⑴采用RH7-2双筒毛细管流变仪和Gemini200平板旋转流变仪测试研究了EPDM混炼胶的流变性能。实验表明，在小振幅的动态剪切流场下，EPDM材料的储能模量远大于其损耗模量，说明材料以弹性响应为主，表现为类固体行为。在稳态流动条件下，材料弹性很弱，可以忽略。采用Bird-Carreau粘性模型可很好拟合EPDM60橡胶熔体的稳态剪切流场中得到的流变曲线。 ⑵通过不同结构橡胶密封条的挤出模拟详细地分析了壁面滑移、牵引速度、流量对挤出状态的影响。分析结果表明：壁面滑移对挤出状态影响很大，口模内壁表面越光洁，就越容易发生壁面滑移；牵引速度越大，挤出断面越小；流量越大，挤出断面越大。若要挤出得到相同大小的断面，流量和牵引速度的调整符合正比的线性关系，这点对实际生产调试具有重要指导意义。虽然PTT粘弹性模型比Bird-Carreau纯粘性模型更符合实际，但弹性引起的变化所占比例较小，所以在实际应用中，针对复杂的计算模型，由于计算方法、软硬件、时间与成本的限制，采用粘性模型更有实际意义。 ⑶结合流量平衡原理及正向模拟分析，提出了一套可以定量计算口模流道大小、形状及深度的设计方法。根据速度重分布原则，结合正向模拟和逆向模拟，提出了一套可以定量计算挤出口模口型形状和大小的设计方法。上述设计方法在实际操作中应用都很方便。此外，通过分析，发现变截面流道结构比单一截面流道结构好，挤出口模的压力小、能耗少。 ⑷将上述模拟方法用于解决企业的实际问题，取得了重要成果。如在小机头优化设计过程中，得到了速度、压力和流量更为平衡的流道结构；在解决机头焦烧问题过程中，找到了焦烧产生的位置和原因，提出了新的套筒结构；运用逆向设计方法设计的某头道密封条口模成功用于生产中；又如通过流量平衡准则，重新设计了一种新式结构的挤出机头，解决了机头焦烧、压力大、温度分布不均、挤出效率不高等问题，并应用在申雅公司的六号生产线上。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号说明

声明

第一章绪论

1.1 研究背景

1.2 橡胶制品挤出成型模拟的国内外研究现状

1.2.1 混炼胶流变性能测试及其本构模型的研究现状

1.2.2橡胶制品挤出成型模拟研究

1.2.3挤出口模设计分析

1.3研究意义、目的、内容及创新点

1.3.1研究意义

1.3.2研究目的

1.3.3研究内容

第二章EPDM橡胶流变性能的测试研究

2.1 引言

2.2 EPDM橡胶流变性能测试

2.2.1试验简介

2.2.2试验结果与分析

2.3 EPDM未硫化橡胶流变性的讨论

2.3.1未硫化橡胶胶料粘度的影响因素

2.3.2炭黑填充的未硫化橡胶胶料的弹性

2.4 EPDM橡胶挤出胀大测试研究

2.4.1挤出胀大实验条件

2.4.2挤出胀大实验结果

2.4.3挤出胀大现象分析

2.5 EPDM60橡胶熔体挤出流动本构方程的选择及参数的计算

2.6 小结

第三章 EPDM橡胶通过简单口型挤出过程的模拟研究及其实验验证

3.1 引言

3.2毛细管挤出过程模拟分析及其实验验证

3.2.1毛细管挤出胀大测试

3.2.2毛细管挤出流动模拟分析

3.3 矩形口模挤出过程模拟分析及其实验验证

3.3.1矩形口型的挤出试验

3.3.2挤出过程模拟分析(采用纯粘性Bird—Carreau模型)

3.3.3挤出过程模拟分析(采用粘弹性PTT模型)

3.4 小结

第四章 EPDM橡胶密封条挤出过程中工艺参数的影响分析

4.1 引言

4.2 复杂结构橡胶密封条挤出过程分析

4.2.1分析模型

4.2.2材料模型

4.2.3结果分析

4.3不同材料模型的比较分析

4.3.1 计算模型

4.3.2 材料模型

4.3.3 结果分析

4.4 小结

第五章 EPDM橡胶密封条挤出口模流道的正向设计分析及其实验验证

5.1 引言

5.2 挤出流道结构分析

5.2.1 1/4 口型的挤出流道模型分析

5.2.2实际应用

5.3 挤出流道结构设计i

5.3.1等截面直流道口模流动分析

5.3.2入口扩充流道设计

5.3.3扩充后流道挤出分析

5.3.4入口扩充流道深度h的影响分析

5.3.5扩充流道深度确定

5.3.6挤出压力比较

5.3.7挤出胀大比较

5.3.8试验验证分析

5.3.9设计方法总结

5.4小结

第六章 EPDM橡胶密封条挤出口型逆向设计分析及其实验验证

6.1 引言

6.2简单形状EPDM橡胶密封条挤出口型逆向设计分析

6.2.1计算模型

6.2.2材料模型

6.2.3计算分析及试验验证

6.3 复杂形状EPDM橡胶密封条挤出口型逆向设计分析

6.3.1逆向分析计算模型

6.3.2计算结果分析及讨论

6.4小结

第七章 橡胶密封条挤出模拟分析的应用

7.1引言

7.2某新式小机头流道优化设计

7.2.1 纯胶密封条产品胶料-I流道分析及其结构优化

7.2.2带骨架复合密封条产品实心胶流道分析及其结构优化

7.3 机头焦烧问题分析及其改进方案

7.3.1 问题描述

7.3.2采用分流器的解决方案分析

7.3.3 改进套筒和口模结构的解决方案分析

7.3.4试验验证

7.4 头道密封条挤出口型逆向设计分析的应用

7.4.1逆向口型计算

7.4.2正向挤出分析-I

7.4.3 口型放大分析

7.4.4 正向挤出分析-II

7.4.5试验验证

7.4.6牵引速度和挤出断面面积的关系

7.5某新式机头的设计及应用

7.5.1机头结构

7.5.2分析结果

7.5.3实际应用

7.6小结

第八章 全文总结

参考文献

致谢

攻读博士期间与研究课题相关论文

附 录