Nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng mô phỏng số trong thiết kế đầu đùn định hình chất dẻo
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.52 MB, 95 trang )
TRỊNH QUANG LONG
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
Trịnh Quang Long
CƠ ĐIỆN TỬ
NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VÀ ỨNG DỤNG MÔ PHỎNG SỐ
TRONG THIẾT KẾ ĐẦU ĐÙN ĐỊNH HÌNH CHẤT DẺO
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC (KỸ THUẬT)
CƠ ĐIỆN TỬ
KHOÁ 2009
Hà Nội – Năm 2012
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------Trịnh Quang Long
NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VÀ ỨNG DỤNG MÔ PHỎNG SỐ TRONG
THIẾT KẾ ĐẦU ĐÙN ĐỊNH HÌNH CHẤT DẺO
Chuyên ngành :
CƠ ĐIỆN TỬ
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CƠ ĐIỆN TỬ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
PGS.TS NGUYỄN VIỆT HÙNG
Hà Nội – Năm 2012
Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng mô phỏng số
trong thiết kế đầu đùn định hình chất dẻo
MỤC LỤC
Phần mở đầu
1. Lí do chọn đề tài………………………………………………………………..…4
2. Mục đích chọn đề tài………………………………………………………….......4
3. Phương pháp và phạm vi nghiên cứu……………………………………………..4
4. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài……………………………………………………….4
5. Giới thiệu chung về đề tài thiết kế…………………………………………….......5
Phần I. Tổng quan về chế tạo sản phẩm chất dẻo sử dụng công nghệ đùn……...6
Chương I. Công nghệ đùn………………………………………………………….…6
1.1 Những khái niệm cơ bản………………………………………………………....6
1.1.1.Cấu trúc của máy đùn một trục vít……………………………………............7
1.1.1.1Trục vít…………………………………………………………….……..12
1.1.1.2Xilanh…………………………………………………………………….13
1.1.2 Quá trình công nghệ đùn……………………………………………….........13
1.1.2.1Vùng cấp liệu………………………………………..................................14
1.1.2.2Vùng nén……………………………………………………....................14
1.1.2.3Vùng làm nóng chảy…………………………………...…………………14
1.1.2.4 Sự hình thành áp lực trong máy đùn…………………………………….15
1.2 Đầu tạo hình……………………………………………………………………17
Chương 2. Thiết kế đầu đùn định hình………………………………………………..20
2.1 Tính toán phân bố vận tốc và nhiệt độ trong đầu đùn…………………...……20
2.1.1 Các phương trình bảo toàn…………………………………………………20
1
Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng mô phỏng số
trong thiết kế đầu đùn định hình chất dẻo
2.1.2 Các giả thiết giới hạn và điều kiện biên……………………………..…..….30
2.1.3 Giải pháp giải tích cho mô phỏng của các phương trình bảo toàn…...…….33
2.1.4 Sự nghiên cứu ứng sử đàn nhớt của vật liệu……………………………..…40
2.1.5 Tính toán sự phồng lên của sản phẩm đùn sau khi ra khỏi đầu đùn………..41
2.2 Đầu đùn của sản phẩm định hình………………………………………………42
2.2.1 Thiết kế và áp dụng…………………………………………………………43
2.2.2 Thiết kế………………………………………………………………...........53
Phần II. Ứng dụng phần mềm POLYFLOW trong thiết kế đầu đùn định hình...65
Chương 1. Giới thiệu tổng quan về phần mềm……………………………………….65
1.1 Cấu trúc chương trình…………………………………………………………66
1.2 Các bước giải bài toán………………………………………...........................68
Chương 2. Bài toán thiết kế……………………………………………..……………70
2.1 Giới thiệu bài toán…………………………………………………...…………70
2.2 Các thông số chung của bài toán…………………………………...…………..73
2.3 Bài toán ngược – xác định mặt cắt đầu tạo hình………………………..……..74
2.3.1 Thiết lập bài toán ………………………………………………………74
2.3.2 Kết quả mô phỏng bằng POLYFLOW…………………………………76
2.3.3 Sử dụng kết quả…………………………………………………………78
2.3 Bài toán cân bằng dòng chảy……………………………………………..........79
2.4.1 Thiết lập bài toán ………………………………………………………80
2.4.2 Kết quả mô phỏng bằng POLYFLOW…………………………………82
2.4.3 Sử dụng kết quả…………………………………………………………84
2.4 Bài toán xuôi…………………………………………………………..………84
2.4.1 Thiết lập bài toán …………………………………………………….…85
2.4.2 Kết quả mô phỏng bằng POLYFLOW…………………………………86
2
Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng mô phỏng số
trong thiết kế đầu đùn định hình chất dẻo
2.4.3 Sử dụng kết quả…………………………………………………………88
2.6 Kết luận và hướng dẫn chung cho thiết kế đầu đùn……………….................90
KẾT LUẬN
3
Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng mô phỏng số
trong thiết kế đầu đùn định hình chất dẻo
Phần mở đầu
1. Lý do chọn đề tài
Trên thế giới, nghành sản xuất chất dẻo đã phát triển ở trình độ rất cao. Ở Việt Nam tuy
vẫn còn rất non trẻ nhưng cũng đang phát triển mạnh mẽ. Tuy nhiên, trong một vài lĩnh
vực của nghành sản xuất chất dẻo ở Việt Nam vẫn còn phát triển rất hạn chế. Điển hình
là trong thiết kế đầu đùn chất dẻo. Hầu như, đầu đùn sản phẩm chất dẻo hiện đang sử
dung đều được nhập khẩu từ nước ngoài.
Vì vậy, khi chọn đề tài tốt nghiệp chúng em đã chọn đề tài thiết kế đầu đùn, cố gắng
góp phần nhỏ bé của mình để phát triển nghành sản xuất còn rất nhiều tiềm năng này.
2. Mục đích chọn đề tài
Chúng em thực hiện đề tài này với mục đích thiết kế ra một đầu đùn chất dẻo cụ thể.
Với việc sử dụng mô phỏng số, chúng em muốn rằng việc thiết kế đầu đùn chất dẻo trở
thành một việc không quá khó khăn, sẽ tiết kiệm được thời gian, tiền bạc mà kết quả
vẫn tốt.
3. Phương pháp và phạm vi nghiên cứu
Với kiến thức chung về vật liệu chất dẻo, gia công và thiết kế đầu đùn, chúng em áp
dụng vào mô phỏng số để thực hiện việc thiết kế. Phạm vi nghiên cứu là thiết kế đầu
đùn định hình với một mặt cắt ngang cụ thể.
4. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Trước tiên, kết quả của đồ án sẽ tạo ra cơ sở để thiết kế đầu đùn của sản phẩm có mặt
cắt hình chữ U. Sau đó, người đọc có thể hiểu được những yếu tố ảnh hưởng trong
4
Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng mô phỏng số
trong thiết kế đầu đùn định hình chất dẻo
công nghệ chế tạo sản phẩm chất dẻo, từ đó có thể đưa ra những giải quyết cụ thể cho
vấn đề của mình. Gợi ý cho người đọc một công cụ cụ thể trong tính toán thiết kế đầu
đùn và gia công sản phẩm chất dẻo, để giảm thời gian, chi phí trong sản xuất mà chất
lượng vẫn cao.
5. Giới thiệu chung về đề tài thiết kế
Đề tài yêu cầu thiết kế đầu đùn sản phẩm có mặt cắt ngang hình chữ U. Ứng dụng mô
phỏng số để giải quyết bài toán đặt ra, cụ thể là áp dụng phần mềm mô phỏng số
POLYFLOW 3.11 . Ở đây, với sự mô hình hóa bài toán thực tế đã áp dụng vào phần
mềm POLYFLOW để thiết kế đầu đùn, và kiểm tra các điều kiện ảnh hưởng tới việc
gia công sản phẩm chất dẻo.
POLYFLOW là một phần mềm CFD (tính toán động học dòng chảy) dựa trên nền tảng
là phần tử hữu hạn trong phân tích gia công chất dẻo và tạo hình thủy tinh.
POLYFLOW đặc biệt nổi tiếng với thư viện rộng lớn mô hình chất lỏng đàn nhớt. Nhờ
vào khả năng thiết kế khuôn, khách hàng trên khắp thế giới có thể chế tạo khuôn nhanh
hơn rất nhiều hơn so với phương pháp truyền thống: chế tạo và kiểm tra. Sự thay đổi
này làm giảm chi phí và tiết kiệm thời gian.
5
Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng mô phỏng số
trong thiết kế đầu đùn định hình chất dẻo
Phần I. Tổng quan về chế tạo sản phẩm chất dẻo sử dụng công nghệ đùn
Chương 1. Công nghệ đùn
1.1. Những khái niệm cơ bản
Quá trình công nghệ đùn như sau: trục vít quay ở trong xilanh trục tròn được nung
nóng cố định và trong khe rãnh giữa trục vít và xilanh khối chất dẻo đã được định
lượng sẽ được làm nóng chảy, làm nhuyễn, được trục vít vận chuyển lên phía trước và
qua khe hở định hình của đầu đùn, nó được đẩy ra ngoài thành sản phẩm.
Máy đùn thực chất là một thành viên trong dây chuyền sản xuất. Một dây chuyền
sản xuất bao gồm thiết bị tạo hình, bộ phận chỉnh hình, bộ phận kéo sản phẩm , bộ
phận thu sản phẩm hoặc cắt sản phẩm thành từng đoạn nhất định
Hình 1.1. Sơ đồ khối của dây chuyền đùn
Đây là một quy trình nấu chảy và đẩy nhựa liên tục, chủ yếu để sản xuất đại trà các sản
phẩm có hình dạng: ống, thanh, sợi, tấm, màng, vỏ bọc dây điện… Để sản xuất những
sản phẩm kể trên người ta cần phải có một dây chuyền tập hợp nhiều máy móc có các
6
Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng mô phỏng số
trong thiết kế đầu đùn định hình chất dẻo
chức năng riêng biệt lại với nhau, gọi chung là dây chuyền thiết bị máy đùn chất dẻo
(nhựa).
1: Máy đùn nhựa
5: Bồn nước làm nguội
2: Đầu đùn tạo dạng ống
6: Hệ thống kéo và định dạng
3: Hệ thống điều chỉnh kích thước
7: Máy cắt
4: Kênh dẫn nước làm nguội
8: Ống nhựa
Hình 1.2. Sơ đồ một dây chyền thiết bị máy đùn sản xuất ống dẫn nước
1.1.1 Cấu trúc của máy đùn một trục vít
Các phần chính của máy đùn:
- Động cơ
- Hộp giảm tốc
7
Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng mô phỏng số
trong thiết kế đầu đùn định hình chất dẻo
- Trục vít và xilanh
- Bộ phận cung cấp liệu
Ở trên xilanh được xếp đặt nhiều vùng gia nhiệt, trên mỗi vùng có thể xác định nhiệt
độ cho trước một cách riêng biệt, đồng thời có thể điều chỉnh được.
Tuỳ từng trường hợp bên cạnh các vùng gia nhiệt người ta lắp thêm các bộ phận làm
lạnh, phục vụ cho việc sản xuất điều chỉnh nhiệt độ được linh hoạt hơn.
Khoang cấp liệu thì luôn được làm nguội để ngăn không cho chất dẻo bị cháy ở đó,
tránh làm ảnh hưởng tới việc cung cấp vật liệu cho máy.
Máy đùn nhựa là bộ phận quan trọng nhất trong dây chuyền thiết bị máy đùn, có nhiệm
vụ nấu chảy hạt nhựa từ trạng thái rắn sang trạng thái nhão lỏng thông qua các vòng
băng đốt nóng được điều chỉnh nhiệt độ từ thấp đến cao. Dưới tác dụng của nhiệt bên
ngoài và áp suất bên trong của xi-lanh, hạt nhựa nóng chảy dần cùng lúc được đẩy ra
phía trước bởi trục vít, cho đến phần cuối xi-lanh, nhựa hoàn toàn chảy lỏng và được
đẩy tiếp vào đầu đùn tạo dáng xuyên qua lưới lọc và bộ vỉ phân luồng.
8
Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng mô phỏng số
trong thiết kế đầu đùn định hình chất dẻo
Hình 1.3. Hình dáng bên ngoài của máy đùn chất dẻo
Hình dáng máy đùn nhựa rất đa dạng, thay đổi tùy theo nhà sản xuất, công suất và sản
phẩm. Tựu chung nhìn từ bên ngoài chúng ta có thể tạm chia máy đẩy nhựa gồm có 3
phần:
I - Đuôi máy: bao gồm bồn hình phễu, chứa hạt nhựa trước đó đã được sấy khô. Hạt
nhựa được cho vào bồn bằng tay hay bằng hệ thống điều khiển tự động thông qua ống
dẫn từ trung tâm chứa hạt nhựa. Hệ thống truyền lực nối liền động cơ điện và trục trục
vít.
II - Thân máy: bao gồm trục vít nằm bên trong một xi-lanh, bên ngoài xi-lanh được
bọc bởi những vòng băng điện trở để đốt nóng, xen kẽ giữa xi-lanh và vòng băng điện
trở là hệ thống làm nguội xi-lanh.
9
Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng mô phỏng số
trong thiết kế đầu đùn định hình chất dẻo
III - Đầu máy: bao gồm phần đầu của trục trục vít, tấm vỉ lọc, cùng với cơ phận tiếp
giáp với khuôn.
a. Trục vít
g. Hệ thống vòng bi đỡ trục trục vít
b. Bộ phận truyền lực trục trục vít
h. Hệ thống truyền lực
c. Xilanh
i. Động cơ điện
d. Vòng băng điện trở
k. Khung máy
e. Hệ thống làm nguội (không khí) cho xi-lanh
l. Miệng thông với bồn chứa hạt nhựa
f. Hệ thống làm nguội (nước) cho trục vít
m. Bộ phận nối vào khung máy
Hình 1.4. Máy đùn nhựa với các bộ phận bên trong
10
Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng mô phỏng số
trong thiết kế đầu đùn định hình chất dẻo
Thông thường có 2 loại máy đùn nhựa một trục vít được ứng dụng cho các dây chuyền
sản xuất:
1, Máy đùn một trục vít 3 vùng với vùng đưa vào đơn giản.
2, Máy đẩy một trục vít 3 vùng với vùng đưa vào trang bị thêm ống lót có rãnh.
Hình 1.5. Cấu trúc cơ bản của máy đùn và tên gọi các vùng của trục vít
Công suất của máy đùn nhựa phụ thuộc vào những yếu tố sau đây:
-
Loại và hình dạng khác nhau của trục vít, vùng đẩy phẳng hay vùng đẩy có cải
tiến với ống lót.
-
Chỉ số vòng quay (số vòng quay trong 1 phút) của trục vít.
-
Thuộc tính nhớt-đàn hồi và bám dính của nhựa nóng chảy.
11
Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng mô phỏng số
trong thiết kế đầu đùn định hình chất dẻo
-
Hình thể phần tiếp giáp thông với đầu đùn và áp suất tạo nên bởi đầu trục vít.
-
Nhiệt độ truyền bên trong xilanh và bên trong trục vít.
1.1.1.1 Trục vít
Một trong những chi tiết chủ yếu của máy đùn là trục vít, mà hình dạng hình học của
nó có ảnh hưởng một cách thực sự đến hoạt động của máy đùn, do đó chỉ rất ít dạng
trục vít có thể sử dụng được.
Các thông số đặc trưng quan trọng của trục vít cần chú ý là:
-
Chiều dài (L) , đường kính (D), tỷ lệ L/D, chiều sâu rãnh vít ở đầu đoạn trục và
ở cuối đoạn trục (h1, h2).
-
Bề dày của cánh vít (e).
-
Bước vít (t).
-
Góc nghiêng của cánh vít
Đường kính trục vít, cũng như tỉ lệ L/D ảnh hưởng lớn đến năng suất máy.
Hình 1.6. Các thông số hình học của trục vít
Các kích thước h1, h2 quyết định hệ số nén của trục vít.
Bước vít và bề rộng cánh vít cũng được xác định thông qua đường kính trục vít t =
D, và e = 0,1D.
12
Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng mô phỏng số
trong thiết kế đầu đùn định hình chất dẻo
1.1.1.2 Xilanh
Trục vít và xilanh tạo thành cụm làm dẻo hóa nhựa của máy đùn.
Thực chất xilanh là một ống có thành dày được đặt cố định trên một giá đỡ và có khe
định lượng.
Giữa thành xilanh và đầu cánh vít có khe hở khoảng vài dem, như vậy xilanh cùng với
trục vít không tiếp xúc với nhau. Trong quá trình quay thực tế trục vít ‘bơi’ trong khối
chất dẻo nóng chảy.
Việc sử dụng đoạn nhập liệu có rãnh và độ côn cho phép ta tăng năng suất vận chyển
vận liệu của máy đùn. Các rãnh này có dạng cắt ngang hình lòng mo hoặc thẳng góc.
Rãnh thẳng góc thường được dùng nhiều hơn (hình 1.7).
Hình 1.7. Đoạn nạp liệu của xilanh máy đùn trục vít được tạo độ côn và tạo rãnh.
1.1.2 Quá trình công nghệ đùn
Nhiệm vụ của máy đùn là vận chuyển, làm dẻo và làm nhuyễn vật liệu chất dẻo. Các
quá trình này được thực hiện trong khoảng không giữa trục vít và xilanh. Trục vít được
chia ra làm ba vùng cơ bản:
13
Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng mô phỏng số
trong thiết kế đầu đùn định hình chất dẻo
-
Vùng cấp liệu
-
Vùng nén
-
Vùng định lượng
1.1.2.1 Vùng cấp liệu
Trong máy đùn một trục vít đoạn cấp liệu vận chuyển vật liệu cứng. Việc vận chuyển
được thực hiện trên cơ sở lực ma sát được hình thành. Điều kiện cơ bản để vận chuyển
vật liệu của máy đùn là ma sát giữa vật liệu chất dẻo và trục vít phải nhỏ hơn ma sát
giữa chất dẻo và xilanh.
Như vậy hệ số ma sát giữa chất dẻo và trục vít càng nhỏ hơn hệ số ma sát giữa chất
dẻo và xilanh bao nhiêu thì việc vận chuyển chất dẻo trong máy đùn càng thuận lợi bấy
nhiêu. Ma sát giữa xilanh và chất dẻo phụ thuộc vào chất lượng bề mặt của xilanh và
chủng loại chất dẻo được vận chuyển trong xilanh, như vậy công suất vận chuyển cũng
bị hạn chế.
Công suất vận chuyển của máy đùn có đoạn cấp liệu được tạo rãnh và độ côn lớn hơn
bình thường, vì rãnh sẽ ngăn cản sự quay theo trục của chất dẻo, như vậy rãnh thể hiện
sự tác dụng giống như chúng ta làm tăng hệ số ma sát giữa vật liệu và xilanh.
1.1.2.2
Vùng nén
Vật liệu chất dẻo đã được nóng chảy được đùn qua khe tạo hình của đầu đùn ra ngoài
thành sản phẩm nhờ áp lực nhất định. Như vậy trong máy đùn cần phải tạo áp lực.
Cũng chính áp lực đó tạo điều kiện cho sự giải thoát không khí giữa các hạt cũng như
giữa các bột chất dẻo.
1.1.2.3 Vùng làm nóng chảy
14
Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng mô phỏng số
trong thiết kế đầu đùn định hình chất dẻo
Do kết quả nung nóng vật liệu, sự nóng chảy sẽ xảy ra trong vùng nén. Hiện tượng
nóng chảy bắt đầu khi các hạt vật liệu chất dẻo tiếp xúc với bề mặt thành xilanh được
nung nóng.
Nhờ áp lực và trục vít quay tạo ra dòng chảy tuần hoàn trong rãnh vít, dòng chảy này
sẽ làm tăng nhanh sự nóng chảy của vật liệu chất dẻo.
Hình 1.8. Đường cong áp lực của trục vít có đoạn thoát khí.
1.1.2.4 Sự hình thành áp lực trong máy đùn
Trong quá trình vận chuyển vật liệu bên trong máy đùn hình thành lực cản, lực cản này
dẫn tới sự tăng áp lực trong máy đùn.
15
Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng mô phỏng số
trong thiết kế đầu đùn định hình chất dẻo
Hình1. 9. Các dòng chảy đẩy, chảy khe, chảy xoắn trong rãnh vít.
Mức độ hình thành áp lực sẽ phụ thuộc vào độ lớn của sức cản theo phương của dòng
chảy, độ lớn của mô men quay có thể chất tải trên trục vít, mức độ của dòng chảy xoắn,
dòng chảy đẩy, dòng chảy khe.
Trong máy đùn hai trục vít có chiều quay ngược chiều nhau thì áp lực chỉ hình thành ở
các bước vít cuối cùng, như vậy áp lực cực đại sẽ ở vị trí gần cuối trục vít và đầu đùn.
Trong trường hợp hai vít quay cùng chiều thì áp lực được hình thành ngay tại vùng làm
nóng chảy, song áp lực lớn nhất trong trường hợp này cũng chỉ được hình thành tại khe
hở giữa trục vít và đầu đùn.
16
Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng mô phỏng số
trong thiết kế đầu đùn định hình chất dẻo
Hình 1.10. Quá trình tạo nên áp suất của trục vít bên trong máy đùn thông thường.
Hình 1.11. Sơ đồ quá trình của áp suất và dòng chảy / áp suất đối với đầu đùn của máy
đùn một trục vít.
1.2 Đầu tạo hình
Đầu tạo hình được lắp vào đầu đùn. Hình dáng hình học của nó phụ thuộc vào sản
phẩm cần sản xuất.
17
Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng mô phỏng số
trong thiết kế đầu đùn định hình chất dẻo
Yêu cầu quan trọng đối với đầu tạo hình là trên bất kì mặt cắt ngang đã cho dòng vật
liệu phải dịch chuyển với tốc độ không đổi và các vị trí thay đổi không được phép đột
ngột, bởi vì tại vị trí thay đổi dòng chảy có thể bị ngừng trệ và sự phân hủy chất dẻo có
thể xảy ra.
Để hình thành áp lực ở khoảng giữa đầu tạo hình và đầu trục vít phải lắp thêm chi tiết
tạo ra sức cản. Sức cản có thể có giá trị không đổi nếu thu hẹp mặt cắt ngang của dòng
chảy hoặc có thể lắp thêm tấm lọc - đĩa trụ tròn có khoan nhiều lỗ.
Ngoài ra, người ta còn đặt thêm bên cạnh chi tiết cản hệ lưới lọc với mục đích chính là
loại trừ các vật liệu cứng thô lẫn trong khối chất nóng chảy – làm sạch vật liệu, và đồng
thời phần nào làm tăng được sức cản với dòng chảy (hình 1.12).
Hình 1.12. Tấm lọc và xilanh đùn
Bên cạnh chi tiết tạo ra sức cản có giá trị không đổi, khi cần thiết có thể đặt thêm một
chi tiết tạo ra sức cản điều chỉnh được. Để đạt mục đích đó ở khoảng giữa đầu tạo hình
và đầu trục vít người ta thường lắp thêm chi tiết có khe hở làm lệch dòng chảy, mặt cắt
18
Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng mô phỏng số
trong thiết kế đầu đùn định hình chất dẻo
ngang của khe hở có thể thay đổi được. Hoặc có thể sử dụng sự dịch chuyển trục vít
theo phương dọc trục để thay đổi khoảng hở giữa trục vít và đầu đùn.
Trong đầu đùn (cả đầu tạo hình) có thể phân biệt một cách cơ bản 3 giai đoạn:
a) Giai đoạn chuyển dòng,
b) Giai đoạn tạo hình.
c) Giai đoạn là phẳng.
Giai đoạn chuyển dòng là giai đoạn mà chất dẻo nóng chảy được chuyển từ mặt cắt
ngang hình vành khăn sang mặt cắt ngang gần với biến dạng bề ngoài của profil sản
phẩm.
Nhiệm vụ của giai đoạn tạo hình là sao cho hình dạng của dòng chảy chất nóng chảy
tiếp nhận hình dạng mặt cắt ngang của sản phẩm cần sản xuất.
Còn giai đoạn là phẳng (chuốt) phải làm cho hình dạng của dòng chất dẻo nóng chảy
ổn định, như vậy sau khi ra khỏi đầu đùn (đầu tạo hình) sự trương nở (sự phồng) của
chất nóng chảy không gây ảnh hưởng làm xấu hình dạng của sản phẩm.
19
Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng mô phỏng số
trong thiết kế đầu đùn định hình chất dẻo
Chương 2. Thiết kế đầu đùn định hình
Một đầu đùn là một khẩu độ tạo hình được làm bởi một khối thép hoặc vật liệu kết cấu
thích hợp khác chống được mài mòn và sự ăn mòn. Chức năng của đầu đùn là tiếp
nhận dòng nóng chảy từ trục vít và tạo hình nó tới dạng yêu cầu. Trong một vài trường
hợp, đây là quá trình tạo hình cuối cùng, và trong trường hợp khác thiết bị tạo hình sau
sẽ hoàn thành sự tạo hình tới dạng được đòi hỏi.
Việc thiết kế đầu đùn đòi hỏi sự hiểu biết về đặc tính của riêng biệt của vật liệu chất
dẻo được gia công. Người thiết kế phải có hiểu biết về dòng chảy nhựa sẽ như thế nào
dưới áp suất. Từ hai thông tin – đặc tính vật liệu đem gia công và dòng chảy của nó
như thế nào – thiết kế kênh dẫn trong đầu đùn có thể tạo ra thử. Để tạo ra kích thước
chính xác, điều cần thiết là sự giảm áp suất dọc đường đi của dòng chảy trong đầu đùn
là cân bằng. Kết quả của thiết kế đúng sẽ là chính xác tốc độ tương đối của dòng chảy
ở tất cả mọi vùng ở miệng đầu đùn.
2.1 Tính toán phân bố vận tốc và nhiệt độ trong đầu đùn.
2.1.1 Các phương trình bảo toàn
Cơ sở của sự xử lý toán học thông thường của quá trình dòng chảy là các phương trình
cân bằng về khối lượng, động lượng và năng lượng. Dòng chảy chỉ có thể được miêu tả
đầy đủ vecto vận tốc và dữ liệu nhiệt động như áp suất, mật độ và nhiệt độ đã biết tại
một vài thời điểm và tại một số điểm của bề mặt của dòng chảy.
Để xác định các đại lượng của các phương trình bảo toàn được kết hợp với các phương
trình cơ bản (vật chất) - miêu tả sự tương quan giữa các thông số của sự di chuyển và
động lực trên một phương trình và giữa các thông số nhiệt động trên một phương trình
khác.
20
Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng mô phỏng số
trong thiết kế đầu đùn định hình chất dẻo
Để miêu tả đầy đủ dòng chảy đẳng nhiệt, những điều dưới đây được đòi hỏi:
-
Định luật của sự bảo toàn khối lượng (phương trình liên tục)
-
Định luật của sự bảo toàn động lượng (phương trình của sự dịch chuyển)
-
Một định luật lưu biến của vật liệu.
Nếu có những trường hợp bao gồm sự truyền nhiệt dọc dòng chảy, nó đòi hỏi một sự
miêu tả đầy đủ cho các mối quan hệ dưới đây được thêm vào các mối quan hệ ở trên.
-
Định luật của sự bảo toàn năng lượng (phương trình năng lượng)
-
Giai đoạn nhiệt động và phương trình cơ sở (ví dụ luật Fourier của sự truyền
nhiệt).
Phần dưới đây, các phương trình bảo toàn sẽ được giải thích vắn tắt. Các phương trình
được giải thích hoàn toàn trong hệ tọa đồ Đề Các.
a)
Phương trình liên tục
Với việc xem xét một sự cân bằng trọng lượng trên một thể tích nhỏ với kích thước
, chúng ta thu được:
(1)
Với tọa độ Đề Các, nó dẫn tới:
(2)
21
Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng mô phỏng số
trong thiết kế đầu đùn định hình chất dẻo
Đây là mối quan hệ mô tả sự thay đổi trong mật độ với thời gian tại một điểm tham
khảo cố định như một hàm của vecto dòng chảy khối
(vx, vy, vz là các thành phần
của vec tơ ). Viết dưới dạng kí hiệu, phương trình (2) trở thành :
(3)
Sử dụng quy tắc nhân của tính toán vi phân phương trình (2) có thể viết lại là:
(4)
Hoặc với kí hiệu vecto:
(5)
Biểu thức
được gọi là đạo hàm đầy đủ của mật độ. Điều này có nghĩa là sự thay đổi
phụ thuộc thời gian trong mật độ được miêu tả ở phương trình (4) và (5), khi nó được
xem xét bởi một người quan sát, người mà theo dõi sự chuyển động của dòng chảy.
Tuy nhiên phương trình (3) và (5) bao gồm các sự biểu hiện vật lí giống nhau. Sự giả
thiết của sự không nén được của dòng nóng chảy polymer (nghĩa là mật độ không đổi)
có thể được chấp nhận trong hầu hết các trường hợp. Trong trường hợp này, về phải
của phương trình (4) bằng 0 và phương trình liên tục được đơn giản hóa thành:
(6)
b) Các phương trình động lượng
Nếu một cân bằng dòng động lượng được tạo trên phần tử thể tích Đề Các cố định
thì ta có:
22
Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng mô phỏng số
trong thiết kế đầu đùn định hình chất dẻo
(7)
Lực bề mặt, cũng như động lượng, đã di chuyên cùng với dòng chảy trong không gian
cân bằng, và áp suất và trọng lực phải được đem ra xem xét. Thành phần dòng chảy
theo phương X, ví dụ, có thể tương ứng với phương trình dưới đây:
(8)
Đối với sự khai báo của các thành phần của sự đối xứng luôn luôn, được gọi là tensor
ứng suất dư xem hình 1.13. Chỉ số đầu tiên xác định trục của hệ thống tọa độ - cắt
xuyên qua mặt phẳng nơi mà ứng suất đang hoạt động. Chỉ số thứ 2 biểu thị hướng của
ứng suất.
23
