摘要 : 本文提出了功能块设计的一条新思路 : 经验总结，数据验证，软件辅助设计。
    关键词 : 功能块 ; 设计
    目前，在各种类型的建筑中，随处可以看到各种形状的塑料挤出制品做成的产品，塑料门窗由于其具有良好的隔热、保温、隔声等性能，而受到广泛运用并获得迅猛发展。塑料门窗种类较多，其中大部分为 PVC U 塑料异型材门窗。目前在 PVC U 门窗异型材中，绝大部分还是单一熔体挤出的异型材，而且都是薄壁型材。
    塑料异型材是通过挤出成型来加工的，挤出模是异型材挤出生产中的关键设备之一，挤出模具设计与制造水平的高低决定了型材制品的质量，而功能块设计又是挤出模具设计难点，功能块设计的优劣直接影响挤出模具的设计制造水平。目前功能块设计还主要依赖于以往的设计经验，本文在对功能块各段截面图形的设计进行经验总结的基础上，结合测绘数据进行了验证，并利用 F1ow2000 软件进行了一些辅助设计。
1 功能块简介
    在挤出模的设计过程中，为了设计的方便，常常将整个流道分成若干部分，包括主框和功能块，其中主框又可以分为外壁和内筋。
功能块，即在型材中执行某种功能的特定结构。
    图 1 为两个型材的组装示意图，其中功能块 1 为毛条槽，功能块 2 用来安装五金件，功能块 3 为集水槽，功能块 4 为玻璃压条和玻璃压条槽的配合，功能块 5 为密封条槽。
    可以看出，功能块对于型材的安装、拆卸和使用，以及能否实现塑料门窗良好的隔热、保温、隔声等性能，具有重要作用。功能块结构比较复杂，准确成型较困难，在挤出模设计中经验成分较大。功能块结构设计的好坏，影响到挤出模的准确成型以及功能块是否能够实现所要求的功能。
    图 1 型材组装示意图
2 功能块的分类
    总的来说，功能块种类不多，不同种类的功能块设计方法有所不同。按照其功能进行分类，功能块可大致分为以下几类 : 搭接功能块、和五金件配合的功能块、和墙体连接的功能块、毛条槽、密封条槽、集水槽、定位功能块，其中搭接功能块、和五金件配合的功能块具体种类较多。
3 功能块的设计内容
    挤出模主要由模头和定型模两大部分组成。为了减少聚合物在流动过程中粘弹性带来的影响，以及出于工艺可行性和经济合理性的要求，将模头和定型模分为若干部分，总体呈流线型结构，各部分流道形状和截面尺寸不尽相同。如模头有成型板、预成型板、压缩板、过渡板、分流支架、机颈等几部分组成 ; 定型模可分为第一节定型模、第二节定型模、第三节定型模等。
    挤出模中功能块与主框一样，在挤出模各段中，分别具有不同的设计参数和形状，即每段需要进行相应的变形。因此，功能块的结构设计包括各段截面图形的设计以及平直段长度的计算。
    在挤出模头的设计时，通常对于挤出模头流道有一些基本要求:
    (1) 必须保证型材坯料从模头的口模均匀地挤出，即在口模出口处，料流截面各部分的平均流速相等。否则，在同一速度下的牵引将会使离开口模后的型坯各部分的形状产生不同的变化，这样就很难保证我们对异型材截面形状的设计了。
    ( 2) 要有正确的口模出口形状。根据聚合物熔体的流变特性，材坯挤出口模后，将会产生离模膨胀，并受到牵引拉伸和冷却收缩等方面的作用而改变尺寸和形状。
    (3) 坯料在离开挤出模头口模之前应该有足够的纯剪切流动过程。
    (4) 模头需要产生合理的背压，其大小主要是由料流通过模头流道时产生的压力降所决定。
    功能块作为异型材的一个局部，其流道设计也应该满足以上的要求。从前两点可以看出，正确设计功能块在各段中截面图形具有重要的意义。
    根据长期的功能块结构设计的经验，通过对大量设计图纸的数据分析，对国内挤出模生产厂家和异型材生产厂家的调研，模具制造及使用的信息反馈，以及对国外先进挤出模具和国内几家相关模具厂家生产的挤出模进行实际测绘，结合功能块的成型特点和特定的功能要求，笔者对功能块提出了一种设计方法，主要有三个方面 : 经验总结、测绘数据验证、软件辅助设计。
4 举例说明
    下面以搭接槽为例，说明这种设计方法。
4.1 经验总结
    图 2 为搭接槽功能块的结构设计。其中 (1) 为制品图形， ( 2) 为口模尺寸， (3) 为预成型板尺寸， ( 4) 为第一节定型尺寸， (5) 为第二节定型尺寸， ( 6) 为第三节定型尺寸。其设计方法适用于双勾类功能块。
    功能块在各段中的截面图形相对于制品图形的尺寸变化如下:
    口模尺寸 : 确定两爪子的中心线尺寸 ( 随主框变化 ) ，爪子勾杆总长 +0 .3 ，勾杆厚度尺寸一 0.15 ，勾头厚度尺寸不变，勾头总长度 +0 .175 ，两个爪子相同;
    预型尺寸 : 与外壁关联的尺寸增大或缩小 0 .1 ，与口模相比勾拐拉直除去锐角，并设计单独供料;
    一节定型 : 两爪子的中心线尺寸 +0 .1 ，勾杆总长 +0 .2 ，勾杆厚度尺寸 +0 .2 ，与主框平齐的一边不扩，向外拉斜 0 .2 ，勾头厚度尺寸 +0 .3 ，勾头总长度 +0.2;
    二节定型 : 勾头部分简化成方型，总长 +0.2, 勾头厚度尺寸 +0 .3 ，勾头总长度 +0 .4 ，向外拉斜的勾头为 0 .3 ，勾杆厚度尺寸 +0 .4 ，与主框平齐的一边不扩，向外拉斜 0 .1;
    三节定型 : 两爪子的中心线尺寸不变，简化成方型，外围最大尺寸与二节定型相同，与主框平齐的一边不扩，向外拉斜 0 .05 0
    图 2 搭接槽的结构设计
4 .2 测绘数据验证
    表 1 为图 3 中 x3 尺寸的口模测绘数据。对比图 2 和表 1 中搭接槽的测绘数据，表 1 中口模的 x3 和制品的 x3 相比，减小量分别为 0.38mm,0.39mm ,0.37 mm 和 0 .46 日 ; 图 2 中口模的刀比制品小 0.35mm ，和测绘数据的误差有 3 个在 0. 1mm 范围内，只有 1 个误差大于 O.lmmo
    从以上功能块口模图形尺寸的对比可以看出，根据前面提出的经验总结的设计方法得到的功能块设计尺寸和测绘数据的变化趋势是一致的，大部分的误差在允许的范围 ( 士 0 .10 日 ) 之内，只有很少一部分设计尺寸和测绘数据的误差大于 0 .1 日，原因可能是测绘数据带来一定的误差。因此，可以用来指导功能块的口模形状设计。功能块在其它段中的设计，在实际生产设计中都得到了很好的验证，可以用于指导功能块的设计。
4 .3 软件辅助设计
    对于图 2(3) 中的变形，常常可以借助软件进行辅助设计。下面以图 2(3) 中的钩头的变形为例进行说明。
图 4 三种变形模拟结果
    在这里借助 F1ow2000 软件进行辅助设计， F1ow2000 软件采用有限元计算法，可以对结构形状比较复杂的功能块流道设计进行分析。 F1ow2000 软件是一个两维模拟软件，因为功能块部分的熔体在挤出模头成型区流道中的流动可以近似为两维流动，即厚度方向和流速方向上流速发生变化。所以，应用 F1ow2000 软件可以很好地模拟其实际流动情况。通过这个软件的模拟，我们可以得到成型过程中，挤出模流道单位长度的压力降值、速率、相对速率、剪切速率、剪切应力等结果。
    钩头的变形可以有很多形式，如何确定哪一种变形最为合理，下面列出 3 种变形进行比较说明。
    如图 4 为三种变形模拟结果及其单位长度的压力降值。在挤出模头流道设计中，常常要保证功能块部分的流道和整个型材部分的流道压力降相等，假设功能块流道平直段长度为 x ，功能块没有变形部分的单位长度压力降为 pi ，功能块变形部分的单位长度压力降为 p2 ，整个挤出模截面流道的单位长度压力降为 p ，成型区长度为 60 ，利用 F1ow2000 计算获得 :1 一 245 .90kPa/ mm ， : 一 209 .36 kPa/ m m 。
由压力降平衡有:
pi ‘ x+p2" (60 一 x) 一 60 p
将已知数据代入公式后，计算结果如表 20
表 2 三种变形平直段计算结果
变形。 z( kPa/ m m) x(m m)
变形 1 332 .95 85.8
变形 2 153 .78 36
变形 3 192 .61 18
    对以上三种变形计算结果进行分析，第一种变形计算的平直段长度太长，不符合挤出模头流道的基本要求 ; 第二种变形计算的平直段长度较长，不利于修模 ; 只有方法三计算的结果和实际做法比较符合。因此，可行的功能块变形为第三种变形。当然，实际的变形也可能有其它方法，通过上述方法，我们可以对其进行验证，以确定变形是否合理。
5 总结与展望
    当然，以上的设计方法并不是固定不变的，往往还要在指导生产的过程中进行检验，通过不断积累试模和设计使用中的成功经验，逐步完善以保证挤出模的设计成功率。尤其是在软件辅助设计方面，还需要进一步研究，以尽可能实现将功能块设计从经验设计上升到理论设计的高度。