陶瓷材料挤出成型过程的变形研究

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在现代陶瓷工业中,挤出成型技术主要用于生产具有恒定横截面的陶瓷产品,已成为最主要的成型和改性方法,在各领域有日益广泛的应用。但在实际生产过程中仍然有不少问题存在,可塑性陶瓷泥料在挤出成型过程中容易出现翘曲、扭曲等变形缺陷,无法达到产品需要的几何形状,生产过程随后工艺也无法顺利进行。挤出坯体内应力过大和横截面挤出速度不一致会导致陶瓷制品变形。陶瓷泥料挤出成型过程实质是粘性流体的层流流动,挤出坯体内部应力表现为层与层之间的速度差。采用ANSYS CFX对陶瓷棒材挤出成型过程进行数值模拟,得出整个横截面速度分布的变化规律。以出口横截面三个方向速度差达到极小值为优化目标,研究各挤出参数对挤出坯体内应力状态和挤出速度一致性的影响,确定挤出参数合理的组合方式使挤出坯体达到最佳的应力状态和稳定一致的挤出速度。主要完成的研究工作包括:(1)对进口压力、含水率、定型段长度、挤出锥角和压缩比5个影响因素进行单因素分析,得到挤出坯体内应力状态和挤出速度一致性随之的变化规律。确定进口压力、含水率、定型段长度和挤出锥角为主要因素,压缩比为次要因素。针对主要因素选择合理的因素水平,进行正交试验设计,通过正交试验结果分析,得出4个影响因素的主次顺序和最优组合。最优组合的CFD模拟结果表明,挤出坯体已达到较优应力状态和稳定一致的挤出速度。(2)针对不同含水率泥料,采用ANSYS Workbench中的优化设计模块对挤出成型工具(压力头和机口模具)的几何参数进行设计。建立合理的求解数学模型,使得挤出坯体达到最佳的应力状态和稳定一致的挤出速度的同时生产能力达到最大化。并根据挤出坯体内应力状态和挤出速度一致性随压缩比的变化规律,可利用优化设计的结果实现不同直径陶瓷棒材的挤出。(3)在芯棒处于中心位置的条件下,采用上述优化设计的方法对陶瓷管材的挤出成型工具的几何参数进行优化设计,同样可使挤出的管材坯体达到较优的应力状态和稳定一致的挤出速度。对不同壁厚管材的挤出成型过程进行数值模拟,研究管材壁厚对挤出坯体的影响。在实际生产中,芯棒经常出现偏心、倾斜的情况,分析了芯棒偏心程度和倾斜程度对挤出坯体的影响,并给出偏心情况下的定位精度。
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