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摘要 变深计量段注射螺杆的研究 摘要 注射成型是塑料加工中重要的成型方法之一。随着科技进步，人 们对高分子化合物认识的深化，注塑螺杆的技术也有了很大的进展。 作为塑化装置的重要零部件，注塑螺杆兼顾物料塑化和注射两项功 能，其设计合理与否将直接影响塑化能力和制品质量。 本文提出了一种新型的注塑螺杆结构型式，利用注塑过程模拟软 件i m p ( i n j e c t i o nm o l d i n gp l a s t i f i c a t i o n ) 、正交设计、标准偏差法对螺 杆进行正交分析。在正交分析后得到的一组螺杆结构参数的基础上， 再利用小步长搜索法对变深计量段注射螺杆参数进行优化。借助i m p 软件分析工艺参数中机筒温度及背压对变深计量段螺杆出口处物料轴 向温度的影响。 利用优化螺杆对不同物料进行实验研究，通过分析沿螺杆轴向分 布测点所采集的温度数据，结果表明变深计量段螺杆在轴向温差、轴 向温度标准偏差、单测点波动等几个方面有明显改善，从而提供了一 种新颖的注塑螺杆结构。 关键词：注塑螺杆，正交试验设计，实验研究 v a r i e dd e p t hm e t e r i n gc h a n n e ls c r e w r e s e a r c h a b s t r a c t i n j e c t i o nm o l d i n gi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tm o l d i n gm e t h o d si n p l a s t i cp r o c e s s i n g w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g ya n dr e a l i z a t i o nf o r p o l y m e r , s c r e wr e s e a r c ha l s oh a sar e m a r k a b l ed e v e l o p m e n t a so n eo f s i g n i f i c a n tp l a s t i cp a r t s ，s c r e wh a sf u n c t i o n so fp l a s t i c i z i n ga n di n j e c t i o n t h e r e f o r e ，t h ed e s i g no fs c r e wh a sg r e a t i n f l u e n c e so np l a s t i c i z i n g c a p a b i l i t ya n dp r o d u c tq u a l i t y t h i sr e s e a r c hi n t r o d u c e san e ws t r u c t u r eo fi n j e c t i o ns c r e ww i t hv a r i e d d e p t hm e t e r i n gc h a n n e l t h es c r e wp a r a m e t e r sa r ed e f i n e db yi n j e c t i o n m o l d i n g p l a s t i f i c a t i o n s o f t w a r e ，o r t h o g o n a la n a l y s i s ，a n d s t a n d a r d d e v i a t i o nm e t h o d b a s e do nt h er e s u l to fo r t h o g o n a l d e s i g n ，s c r e w p a r a m e t e r sw e r eo p t i m i z e dt h r o u g hs m a l lp a c es e a r c hm e t h o d b yi m p s o t t w a r e ，t h ee f f e c to fp r o c e s sc o n d i t i o n ss u c ha sb a r r e lt e m p e r a t u r ea n d b a c kp r e s s u r eo nt e m p e r a t u r eo f p o l y m e r m e l t sw e r ea n a l y z e di nt h i sp a p e r b yu s i n go p t i m i z e ds c r e w sp r o c e s sp o l y m e rm a t e r i a l sa n da n a l y z i n g t h et e m p e r a t u r ed a t af r o mm e a s u r i n gp o i n t sa l o n gs c r e wd i r e c t i o n ，t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ed e e pm e t e r i n gc h a n n e ls c r e wh a sb e t t e r p e r f o r m a n c e si nd e c r e a s i n gt h ea x i a lt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e ，s t a n d a r d d e v i a t i o n ，s i n g l em e a s u r i n gp o i n t sf l u c t u a t i o n t h e r e f o r e ，i tp r o v i d e sa 北京化工大学硕士学位论文 n o v e li n j e c t i o ns c r e ws t r u c t u r e k e y w o r d s ：i n j e c t i o ns c r e w , o r t h o g o n a le x p e r i m e n t a ld e s i g n ， 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：日期：丝! 呈! 丝 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名： 导师签名： 日期：垄! 里：! 鲨 日期：丝鲤：羔：踅 第一章绪论 第一章绪论 1 1 注塑成型机结构及工作原理 塑料注射成型设备即通常所说的塑料注射成型机，简称注射机或注塑机。一 台通用型注塑机主要包括射系统、合模系统、液压控制系统和电气控制系统四部 分，如图1 1 所剥。注射成型又称注射模塑，是塑料加工成型中重要的方法之 一。塑料成型技术是把粉、粒状或液状树脂及添加剂等原料加工成具有一定使用 价值制品的一种技术【2 】，而最终注塑制品的质量与注射成型机的塑化功能关系密 切。 图1 - 1 注射成型机 r i g a - ii n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n e l 、注射装置 主要作用是使塑料均匀地塑化成熔融状态，并以足够的压力和速度将熔料注 射入模具中，主要由机筒、螺杆或柱塞、喷嘴等塑化部件、马达及传动装置，注 射油缸、注射座移动油缸、料斗等组成。注射螺杆兼顾物料塑化和注射两项功 能，其设计是否合理直接关系到注射部件的性能【3 】。 2 、合模装置 是保证成型模具可靠的闭合和实现启闭模动作以及取出制品的部件，主要包 括固定模板、移动模板、后板、连接前后模板用的拉杆、合模油缸、顶出油缸、 调模装置等。由于熔料以很高的压力注入模腔中，为了锁紧模具而不致使制品产 生飞边或影响制品质量，就要对模具施加足够的锁紧力( 即合模力) 。 3 、液压系统 提供注射成型各动作所需要的动力并顺序完成注塑成型各动作。注射成型过 程是一个循环生产过程，包括塑料熔融、模具闭合、注射入模、制品固化、开模 取出制品等工序。液压和电气保证了注射成型机按工艺要求( 压力、速度、温度、 时间及位置) 和动作程序准确无误完成工作。 北京化工大学硕士学位论文 4 、控制系统 控制系统控制注塑周期的顺序( 顺序控制) 及维持过程温度、时间、压力及速 度于设定值( 过程控制) 。电气部分主要由动力、动作程序和过程程序控制等组 成。一个注射成型循环从模具闭合开始，闭合后物料在机筒内随螺杆旋转，不断 沿螺槽向前运动。在运动过程中，物料受到机简外加热和螺杆剪切热的共同作 用，逐步软化最终成为熔融粘流状态。待螺杆回退至一定位置，即预塑计量完 毕，螺杆停转，准备下次注射。随后，当再次合模，螺杆借助油缸推力，进行轴 向移动，将前端经计量好的储存熔料注出。等制品充分冷却，模具打开，顶出制 品。由此可见，注射机螺杆是在周期性转动过程中，同时发生螺杆的轴向移动， 因此形成了非稳定的螺杆塑化过程【4 j 。非稳定性塑料熔融过程使得塑化后的熔料 存在较大的轴向温差，而这将直接关系到制件的质量。在模腔中，进行熔料充模 与成型过程，模腔压力成为有效控制制品质量的重要手段。注射机工作时序如图 1 2 所示。 项出螺栓顶出板动板拉杆固定板止逆阀( 闭合) 螺杆 ， 驱动杆顶出杆型腔席4 晶梗具 f 顶出杆喷嘴 庄射装置( 后退) 图l - 2 注射成型循环步骤 f i g 1 - 2i n j e c t i o nm o l d i n gs t e p s 图1 3 中显示了，循环时间主要取决于制品在型腔内部的冷却时间。整个循 环时间可用下式计算得到： t 循环= t 合模+ t 冷却卜t 顶出 2 第一章绪论 循环结束桶环开始 图l - 3 注射成型循环示意图 f i g 1 - 3i n j e c t i o nm o l d i n gc y c l e 1 2 注塑螺杆的研究及设计 1 2 1 注塑螺杆在注塑成型中的重要性【5 】 注塑成型加工是塑料工业中被广泛应用的一种加工方法，生产过程由塑料 固体变为熔体的塑化过程和熔体注入熔模的注射过程组成，具有周期性特点。螺 杆参数决定了注塑机的塑化过程和注塑过程，设计合适的螺杆参数将极大地提高 注塑机的性能，如螺杆的有效长度长，则固体物料能有足够的熔融路径进行熔 融；长径比大的螺杆，可以得到低温均质的熔体且塑化能力高；小压缩比有利于 提高塑化能力，而剪切塑化效果则较差，对背压调节反映却比较敏感；不同的加 工物料，其物料熔融特性不同，对螺杆的长径比、压缩比等方面要求也不同，例 如，a b s 经过7 d 路径达到熔融，p s 经过1 0 d 路径达到熔融，p p 经过2 3 d 路径 后熔融过程仍未结束，若用长径比小的螺杆加工p p ，则不能达到良好的熔融质 量。针对不同物料特性而设计的专用螺杆，克服了通用螺杆性能的不足，并且满 足了提高制品性能的要求。 1 2 2 注射螺杆研究的现状及理论基础 注射螺杆对塑料起输送、塑化、计量和施压等作用。通常注射螺杆在长度上 的分段与挤出螺杆近似，o p e n 料段、压缩段、计量段【6 】。注塑螺杆设计理论是根 据挤出螺杆理论演变而来，挤出螺杆理论包括固体输送理论、熔融理论和熔体输 3 北京化工大学硕士学位论文 送理论 7 1 。1 9 5 3 年，c a r l e y 研究了熔体输送理论，人们开始对熔体在螺槽中的流 动及传热进行了大量的研究。几年后，d a m e l l 和m o l 最早提出了螺杆挤出塞流固 体输送理论。不久，m a d d o c k 就定量地描述了熔融机理。谳( t a d m o r ) 8 】提出 了著名的挤出熔融过程的三区模型；接着，相继有学者提出了粘性牵附理论和能 量平衡理论。 不少研究学者利用实验获得的数据进行螺杆研究。d o n o v a n 9 1 利用冷却实验 的方法首次研究了注塑成型的熔融过程，指出熔融过程伴随着固相破碎的现象， 发现热传导对注射成型的熔融过程具有重要作用；高福荣【i o j 等人利用可视化的实 验手段研究了注射成型的熔融过程。金志明等人【l l 】借助自行开发的可视化实验装 置和在线参数测控系统，系统研究了m a d d o c k 注塑螺杆、分离型注塑螺杆和 销钉注塑螺杆等新型注塑螺杆的性能，发现加入新型元件能提高螺杆的塑化效果 和熔融效率。此外，金志明( 1 2 】等人在可视化实验装置的基础上，利用示踪粒子对 固相速度进行测量，了解螺杆设计和加工工艺条件对熔融性能的影响，他们的研 究成果为今后注射螺杆优化设计的研究提供了基础数据。 随着科技进步，人们对高分子聚合物认识的深化，注射螺杆的研究有了很 大的进展。研究人员在设计注塑螺杆时，根据加工物料特性以及注塑螺杆自身工 作的特点等，不断创新研制各类新型螺杆。美国杜邦公司为了满足注射成型加工 时混炼塑化的均匀性、快速性，用于加工p a 、p e t 、p b t 、液晶聚合物等工程塑 料，研究开发了一种高混炼型螺杆( e l c e e ) f l 了于螺杆设计注重了加强混炼时的剪 切力，能够达到高速熔融混炼，于是极大缩短了成型材料的预塑化时间，缩短了 成型周期时间，提高了生产效率，并降低了成本。有研究表明在高性能螺杆头上 安装勾形混合元件，与普通螺杆相比，能降低注射成型周期、破碎率，提高了熔 融量和混合效烈1 3 】。邹国华【1 4 】从注塑机用螺杆工作条件及失效机理出发，研究了 影响螺杆使用寿命的主要因素。借助c f d 有限元技术、正交设计、遗传算法等 先进科学方法，更加科学高效的对螺杆性能，熔体流场等进行分析研究。李长勇 【1 5 】等人，建立注塑机计量段熔体输送模型，运用有限元分析，计算出注塑螺杆的 塑化性能，并对螺杆的计量段进行优化设计。刘菊【1 6 】等人，基于p o l y f l o w 软 件对适合u p v c 注塑的三种螺杆计量段流道中的熔体进行三维瞬态模拟，通过比 较不同螺杆的混合效果，优选出最适合u p v c 注塑的螺杆构型。张谦1 1 7 】等人，在 塑化理论的基础上建立了均匀度目标函数，结合待求解问题的特点对遗传算法做 了改进，实现了典型注塑机螺杆的优化设计。 螺杆的研究设计的基础理论包括以下三个方面【i g j ： 1 、固体输送理论 固体输送理论通过螺杆加料段螺槽中固体物料的运动分析和受力分析，了解 螺槽中固体输送的本质，求出各种工作条件下固体输送生产率。在固体输送区 中，塑料与机筒内壁间的拖拽力是输送驱动力，总能量消耗部分都通过摩擦转变 4 第一章绪论 成热能。为了增强固体输送作用， 如下方法提高固体输送率【1 9 】： ( 1 ) 减少螺杆表面的摩擦力， 短等； 必须增大固体塞与机筒间的摩擦系数，可通过 可使用低摩擦因素的涂层，加料区导程不能太 ( 2 ) 提高机筒表面粗糙度，降低螺槽表面与聚合物的摩擦，可通过调整机筒 温度，或机筒表面加工凹槽等； ( 3 ) 增加加工物料颗粒的容积密度。 2 、熔融理论 在挤出螺杆中的熔融物理模型，描述了稳定挤出状态下物料的熔融过程，即 在传导热及剪切热的综合作用下，固相逐渐消失，液相从无到有最后充满螺槽的 过程。与挤出螺杆熔融模型不同的是，注射螺杆存在轴向移动所产生的熔融滞后 现象，会对塑料熔融过程起显著的扰动作用，因此注射螺杆的熔融模型是一个非 稳态的熔融模型。根据熔融机理可以得到影响熔料轴向温差的因素。 3 、熔体输送理论 通过建立模型，对熔体在计量中的流动状态、生产率、压力分布及螺杆参数 对螺杆的熔体输送效率等进行了研究。为了提高混合效果和改善均化作用，可在 注射螺杆计量段末端增设混合元件 6 1 。 1 2 3 注射螺杆的分类及基本参数 螺杆式塑化部件如图1 4 所示，主要由螺杆、料筒、喷嘴、加热圈、止逆 环、加料斗等组成，塑料在旋转螺杆的连续推进过程中，实现物理状态的变化， 最后呈熔融状态而被注入模腔。因此，塑化部件是完成均匀塑化，实现定量注射 的核心部件。 图i 一4 螺杆式塑化部件结构图 1 喷嘴，2 螺杆头，3 止逆环 4 料筒，5 螺杆，6 加热圈，7 冷却水圈 r i g 1 - 4s c r e w - t y p es t r u c t u r eo f p l a s t i c sp a r t s 1 - n o z z l e ，2 - s c r e wt i p ，3 - n o n - r e t u r nv a l v e ， 4 一b a r r e l ，5 - s c r e w , 6 - h e a t i n gl a p s ，7 - c o o l i n gl a p s 注塑螺杆作为塑化部件的重要组成部分，其参数与构型对塑化能力和塑化质 量起着关键作用，也会影响到注射成型制品的质量和注塑成型机的性能水平。 s 北京化工大学硕士学位论文 l 、螺杆的分类 注塑螺杆按其对塑料的适应性，可分为通用螺杆和特殊螺杆，通用螺杆又称 常规螺杆，可加工大部分具有低、中黏度的热塑性塑料，结晶型和非结晶型的民 用塑料和工程塑料，是螺杆最基本的形式，与其相应的还有特殊螺杆，是用来加 工用普通螺杆难以加工的塑料。 按螺杆结构及其几何形状特征，可分为常规螺杆和新型螺杆，常规螺杆又称 为三段式螺杆，是螺杆的基本形式，新型螺杆形式则有很多种，如分离型螺杆、 分流型螺杆、波状螺杆、无计量段螺杆等。 根据加工塑料性质不同，又分成渐变型螺杆( 压缩段较长，根径渐变) 和突变 型螺杆( 压缩段较短，根径突变) 两大类，以及介于二者之间的通用型螺杆，如图 1 5 所示【1 4 1 。 n 5 a 渐变型螺杆b 突变型螺杆 图1 - 5 渐变型螺杆与突变型螺杆 f i g 1 - 5g r a d u a lc h a n g es a 踟a n d m u t a n ts a 嗍 2 、螺杆的基本参数幽，2 1 1 典型的螺杆由三个区段组成，每段有其特定的功能。 ( 1 ) 加料段( 输送段) ：螺槽较深，物料由此开始压实、软化并连续不断地输送 到下一个区段。 ( 2 ) 压缩段( 熔融段) ：螺槽深度逐渐减小，进一步压缩、塑化、混合物料。 ( 3 ) 均化段( 计量段) ：螺槽深度较浅， 以加大输送承压力完成熔融均化，达 到计量输送到储料室的目的。 3 、新型元件【2 2 】 新型元件能帮助螺杆在增加转速提高生产率的同时不降低塑化质量，还能加 强添加剂的分散性，改善混合效果、温度波动等。因此，在螺杆的适当位置设置 各类新型元件就显得意义重大了，如图1 6 所示。 屏障型元件：通过能量转换、剪切摩擦影响温升t 和单产能耗，同时增强混 合作用，如m a d d o c k 元件、t o r e s t e r 型螺杆； 分离型元件：能使固体床和熔池分离，既提高热传导的效率，又有效地防止 固体床的破裂，提高熔融效率，如m a i l l e f e r 螺杆【2 3 】等； 分流型元件：通过增加附加的阻力，产生了剪切与摩擦，有助于塑料的融 化。在螺杆的头部设置了混炼剪切段，增加了物料混炼作用，其熔融效果远好于 通用螺杆，同时提高了颜料混合的均匀性，如销钉元件等。 6 第一章绪论 孚舔 蕺一一一 r 分漉槌型 c 夹角剪切元f m 1 i k 腋r 型 图1 6 高剪切元件的类型 f 嘻l k i n d so f h i g h - s h e a r i n ge l e m e n t 1 3 影响物料塑化温度的因素分析 1 3 1 加工物料 塑料根据受热时的行为分为热塑性和热固性。聚丙烯和聚碳酸酯都属于热塑 性，但聚丙烯流动性能好，聚碳酸酯流动性能差。聚丙烯相对于聚碳酸酯对剪切 敏感，而聚碳酸酯对温度及压力较为敏感。聚碳酸脂还是一种水敏性塑料，只要 含有少量水，在高温高压下受热容易分解，所以在成型前必须干燥。不同的加工 物料其物理性能差别较大，这决定了加工工艺参数的设定，如图1 7 所示。 形 变 t g t 。t ft d t 图1 7 温度与形变的关系 f i g 1 - 7r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt e m p e r a t u r ea n dd e f o r m a t i o n 对于结晶型塑料聚丙烯来说，融化温度t m 是p p 成型加工温度的下限，超过 t m 聚合物形变值增大。而对于无定型塑料聚碳酸酯来说，在t 2 至t f 间呈现高弹 态，因此，玻璃化温度1 r g 是其工作温度的上限，流动温度t f 是p c 成型加工温度 的下限，超过t f 温度物料呈黏性流动。聚合物超过分解温度t d 则分子链发生明 7 北京化工大学硕士学位论文 显降解。不同物料的比热容、传热系数不同。在同样工艺条件下，对于黏度大， 热物理性能差的树脂，其温差较大，可以通过利用针对不同物料而设计的新型螺 杆和改善加工工艺条件的方法，减小轴向温差。 1 3 2 螺杆结构 注射螺杆的结构形式和参数是影响注射熔体轴向温差的主要因素之一。螺杆 头部熔体的轴向温差直接影响到熔体的黏度、密度以及其加工工艺参数如熔体流 率等，熔体温度大小也影响到喷嘴和模腔压力、冷却时间长短，从而最终影响生 产效率。一般来说，长径比小、压缩比小的普通螺杆温差大。 螺杆的基本结构如图1 8 所示，主要由有效螺纹长度l 和尾部的连接部分组 成。 图1 _ 8 螺杆的基本参数图 f i g 1 - 8p a r a m e t e r so f s c r e w d 一螺杆外径。螺杆直径直接影响塑化能力的大小，也就直接影响到理论注 射容积的大小。 加一螺杆长径比。l 是螺杆螺纹部分的有效长度，螺杆长径比越大，说明 螺纹部分长度越长，直接影响物料在螺杆中的热历程及熔料温度均匀性。因此， l d 直接影响到物料的熔融效果和熔体质量。但如果u d 太大，能量消耗随传递 扭矩加大增加，同时也增加了熔融物料降解的可能性。 l l 一加料段长度。加料段又称输送段或进料段，为提高输送能力，螺槽表面 一定要光滑，l l 的长度应保证物料有足够的输送长度。过短的l i 难以保证稳定 压实的输送条件，也就难以保证螺杆以后各段的塑化质量和塑化能力。 h l 一加料段的螺槽深度。h l 深，则容纳物料多，提高了供料量和塑化能力， 但会影响物料塑化效果及螺杆根部的剪切强度，一般h i - - ( 0 1 2 - 0 1 6 ) d 。 l 3 一计量段长度。计量段又称均化段，熔体在l 3 段的螺槽中得到进一步的均 化，温度均匀，组分均匀，形成较好的熔体质量，l 3 有助于减少熔体压力在螺槽 中的波动，有稳定压力的作用，使物料以均匀的料量从螺杆头部挤出，所以又称 计量段，一般l 3 = ( 4 5 ) d 。 h 3 一计量段螺槽深度，h 3 小，螺槽浅，提高了塑料熔体的塑化效果，有利于 熔体的均化，但h 3 过小会导致剪切速率过高，以及剪切热过大，引起分子链的降 解，影响熔体质量；反之，如果h 3 过大，由于预塑时，螺杆背压产生的回流作用 8 第一苹绪论 增强，会降低塑化能力。 l 2 一熔融段( 压缩段) 螺纹长度。物料在此锥形空间内不断地受到压缩、剪切 和混炼作用，物料从l 2 段入点开始，熔池不断地加大，到出点处熔池已占满全螺 槽，物料完成从玻璃态经过黏弹态向黏流态的转变，即此段，塑料是处于颗粒与 熔融体的共存状态。一般l 2 - - ( 6 - - 8 ) d 。对于结晶型的塑料，物料熔点明显，熔融 范围窄，l 2 可短些，一般为( 3 - - 4 ) d ，对于热敏性塑料，此段可长些。 s 一螺距。其大小影响螺旋角，从而影响螺槽的输送效率，常用s - - d 。 一压缩比。几何压缩比- - h l 弛，即加料段螺槽深度h l 与熔融段螺槽深度 h 3 之比。注射螺杆常用压缩比，对于结晶型塑料，如聚丙烯一般为3 0 - - - 3 5 ；对 于较高粘度的塑料，如聚碳酸酯、有机玻璃等，约为1 4 - - 2 5 。 1 3 3 工艺条件 l 、螺杆背压 螺杆塑化时其头部熔料压力，是注塑成型工艺中控制熔料质量及产品质量的 重要参数之一，合适的压力对于提高产品质量有着重要的作用。在塑料、塑化过 程中，熔料不断移向料筒前端( 计量室内) ，且越来越多，逐渐形成一个压力，推 动螺杆向后退。背压通过调节注射液压缸的回油阻力来控制的。 螺杆背压对螺杆塑化能力和塑化温度的影响，如图1 - 9 所示。提高背压增大 了熔体的内压力，增加了剪切效果；同时，压实了熔料，改善其均化程度，缩小 温差，提高熔料塑化质量；缺点是熔料温度被提高易产生过热，过大的背压增加 了料筒计量室内熔体的反流和漏流，螺杆的输送能力将下降，增加了能耗。 穴 龊 葚 剁 背压 蜊 赠 蒸 竣 背压 图1 9 螺杆背压与塑化能力及塑化温度的关系 f i g 1 - 9r e l a t i o n s h i pb e t w e e nb a c kp r 嚣s u r e ，p l a s t i c i z i n gc a p a c i t ya n dt e m p e r a t u r e 2 、螺杆转速【2 4 】 螺杆转速是影响塑化能力、塑化质量和成型周期的一个重要参数，物料在螺 杆中的热历程及剪切效应都与转速相关。螺杆转速越高，塑化能力越强。在物料 塑化过程中，螺杆转速低则机简加热提供了主要热源，这样有助于熔融。但当转 9 北京化工大学硕士学位论文 速提高时，黏性生热成了主要热源，此时提高机筒温度反而会影响熔融的效果。 通常情况下，在较低的螺杆转速下，熔体由于螺杆转速产生的温度差别较小。当 螺杆转速提高时，来不及充分预热的物料被向前推进，物料的热历程缩短，因此 在螺杆行程的后半段，熔体温度下降较明显。因此，随着螺杆转速的增加，熔体 轴向温差变大。 3 、塑化行程 塑化时，随螺杆后退，螺杆的有效长度逐渐降低。经历不同热历程的熔体不 断进入储料室，造成螺杆沿轴向的熔体温度分布变得不均匀。塑化行程越大，轴 向的温度越不均匀。 因此，对于引起轴向温差的主要原斟2 5 】有以下几点：塑化时，注射螺杆是边 旋转边后退，其轴向位移和工作的间歇性，会造成非稳态的熔融过程；产生的熔 融滞后作用，使进入储料室内的熔体温度不均匀。轴向温差的大小关系到塑化质 量的好坏，并直接影响到制件的质量，因此，本文从改良螺杆结构设计方面对螺 杆轴向温差进行研究，分析减小注射螺杆熔料轴向温差的有效办法。 1 4 研究的意义与内容 1 4 1 研究的意义 注射塑化部件是注塑机的四大部件之一，螺杆及相关件的设计合理与否直接 关系到塑化部件的性能。随着塑料制品的科技进步，对塑化部件性能的要求，也 越来越高。衡量一个塑化部件主要技术性能是塑化质量、计量精度，其次是塑化 速率及能耗等。 随着注塑成型技术的不断发展、物料种类的不断丰富、物料组分的不断复杂 以及对注塑制品质量要求的提高，通用三段式螺杆已不能满足生产的要求，各种 新型螺杆开始被应用于注塑过程。高黏度透明高聚物的加工，对制品透明度、颜 色等方面要求较高，但制品时常出现黑点、杂质等缺陷。通过对新型螺杆在熔 融、熔体温度均匀性、塑化性能、混合性能和低温熔融等方面的研究，我们可以 从中得到各种高性能螺杆和专用螺杆。这些专用螺杆的开发是提高注塑机性能和 避免制品缺陷的最有效手段之。 由于往复式螺杆注射成型机，后移量过大，塑料的塑化受到限制，螺杆外径 与机筒内径之间的间隙大，易导致漏流和逆流的产生，致使部分塑料反复停留， 易产生焦烧，同时注射压力也受到限制。因此，研究本课题的意义在于，通过研 究改变螺杆的计量段结构，分析其对螺杆轴向温度分布产生的影响，找到一种适 合加工透明高黏度塑料的螺杆。 1 0 第一章绪论 1 4 2 主要研究内容 物料在注射成型机中塑化时，熔体在注射螺杆螺槽中的流动是拖曳流动及压 力流动的综合性结果。在相同的成型条件及相同的螺杆尺寸条件下，注射螺杆的 混合、均化等作用都比挤出螺杆差，并且注射螺杆沿轴向存在的温差，将直接影 响物料的塑化质量及制品质量。如何减小螺杆塑化时输出熔料的轴向温差，以提 高注塑制品的质量就成为本课题的主要研究内容。 为了提高塑化能力，一般通过提高螺杆转速的方法。但透明高黏度高聚物加 工，对制品透明度要求很高。当螺杆在机筒内的剪切速率超过最大限度时，物料 也会发生降解，且负面结果造成未熔融物料进入计量段增多，物料混合度减小， 物料的均质性变差【2 6 1 。因此，本课题的研究内容是： ( 1 ) 为了提高混合效果和改善均化作用，将研究在注射螺杆计量段进口端增 设混合元件以及改变计量段槽深所产生的效果和作用，分析螺杆塑化过程中物料 的轴向温度分布。 ( 2 ) 从轴向温差、单测点温度波动方面分析变深计量段螺杆结构对轴向温度 的影响。 ( 3 ) 采用理论分析和实验相结合的研究方法，探索比现有传统塑化螺杆更有 利于减少塑化过程中物料轴向温差的螺杆结构与参数。 1 5 研究路线与方法 小步长搜索法 第二章熔体非等温流场分析模型及i m p 软件介绍 第二章熔体非等温流场模型及i m p 软件简介 2 1 引言 高聚物的流场分析通常运用p o l y f l o w 软件，对于一般等温的流场模型分 析能较顺利的得到结果，但对于非等温流场模型，模拟过程中却存在很多困难。 l 、对于非等温状态、非牛顿流体模型，其运动微分方程十分复杂。如果速 度场解不出结果，如：流率q ，剪切速率场厂，剪切应力场t ，压力场p ，则对于 温度场t 和能耗e 方程也无法得出结果。即使稍简单的模型，计算量也很大，整 个计算过程非常耗时【2 7 1 。 2 、在边界条件设定时，需要根据方程输入多个参数。各参数值的设定，需 在能使方程可求解出结果的值的范围内，否则设定值偏大或偏小都不能求解出结 果。在进行反复迭代计算时，每次计算的输出结果能作为下一次的输入结果，才 能使多个方程耦合得出结果。这需要研究者对非等温高黏度有丰富数值计算方面 的经验。 3 、在进行非等温状态、非牛顿流体模型的计算时，对计算机性能要求也比 较高。 分析产生熔体温度不均匀的原因，涉及到流道内非等温流场的研究，采用 p o l y f l o w 分析软件很难实现。因此，改变常规螺杆结构设计思路，从螺杆计 量段结构出发，以减小轴向温差为目的，利用蹦v ( i n j e c t i o nm o l d i n gp l a s t i f i c a t i o n ) 软件分析得出最佳的螺杆参数和工艺条件就成为一种优化螺杆的新途径。 2 2 熔体非等温流场模型 对于高聚物非等温流场的分析，为了简化模型以便分析，一般需要做如下假 设汹】： 1 、聚合物熔体为广义非牛顿流体，且是不可压缩流体； 2 、流体在螺槽中的流动是稳定的和充分发展的； 3 、惯性力、重力等体积力远小于黏滞力，可忽略不计，也不计螺纹侧面及 曲率的影响； 4 、螺杆头部存料区熔体压力的大小等于螺杆的背压； 5 、螺杆静止不动，机筒相对螺杆运动，即流道壁面无滑移。 根据以上假设，结合高聚物熔体在加工过程中表现出的连续性、动量守恒、 能量守恒以及物料在流道流动过程的物理模型，引入求解的本构方程，建立流道 内流体的数学模型。 1 3 北尿化上大字坝士字位论又 l 、在直角坐标系下连续性方程为： 冬+ 篓+ 冬：0 ( 2 - d 瓠执a z 2 、动量方程： x 分量：一呈+ ( 冬+ 冬+ 冬) ：0 ( 2 - 2 ) t 2 r o 卯宓 y 分量：一i o p + ( 冬+ 孥+ 冬) ：0 ( 2 - 3 ) 卵蹴卯 院 z 分量：一宅i - ( 冬+ 冬+ 冬) ；0 ( 2 - 4 ) 宓劣卯陇 3 、能量方程： 解l 罢+ _ 考+ 屹罢 怪+ 詈+ 誓 + 矿 q 嘞 a 7 式2 5 中：吼= 一k 兰( f = 1 , 2 ，3 ) 4 、表观黏度与剪切速率的关系： 广泛应用的幂律模型，由于适用的剪切速率范围较窄，不能预测很低或很高 剪切速率下聚合物呈现出来的牛顿特性。c a r r e a u 模型，如图2 1 既反映了高剪切 速率下材料的假塑性，又反映了低剪切速率下出现的牛顿特性，如公式2 - 6 ： r 2r m + ( 刀。一r m ) ( 1 + 牙夕2 ) 2 ( 2 6 ) 式2 - 6 中：仉无限大剪切速率黏度，通常对聚合物熔体取零； 吼零剪切黏度( 当尹斗0 时，r 的极限值) ； 见自然时间( 流体从牛顿行为变为幂律行为时剪切速率的倒数) ； n - 幂律指数。 图2 - 1c a r r e a u 模型 f i g 2 1b i r d - c a r r e a ul a wf o rv i s c o s i t y 1 4 第二章熔体非等温流场分析模型及i m p 软件介绍 与之相类似的是c r o s s 模型，如图2 - 2 所示。 纵舻”瑞 ( 2 7 ) 大多数聚合物的m 在0 6 6 1 0 之间，单分散聚合物的m = 1 0 。 图2 - 2 c r o s s 模型 f i g 2 - 2c r o s sl a wf o rv i s c o s i t y 由图2 - 1 和图2 2 可见，c a r r e a u 模型适用于更宽的剪切速率范围，既能反映 高剪切速率下材料的假塑性，又能反映低剪切速率下的牛顿性，可以得出时夕专0 的黏度值【2 9 j 。 5 、表观黏度与温度的关系 在非等温的研究中，是聚合物熔体的表观黏度7 7 除了跟剪切速率7 有关外， 还与温度t 有关。表观黏度与温度的关系符合l e i l i u s 方程，如图2 3 ： 11 刚耻e x p 烈高一卉妇( 2 - 8 ) 式2 8 中：口活化能速率； 疋为h ( 驴1 时的参考温度； 瓦为非绝对温度，如果用摄氏度，则瓦一2 7 3 1 5 。 图2 - 3a r r h e n i u s 模型 f i g 2 - 3a r r h e n i u sl a wf o rv i s c o s i t y 对于近似a r r h e n i u s 模型： 日( 丁) = e x p 一口仃一疋) 】 ( 2 9 ) 1 5 北京化工大学硕士学位论文 与a r r h e n i u s 模型不同之处在于： ( 1 ) 式2 - 9 中口为泰勒展开式的第一级系数，又称为黏度的修正系数【3 0 】 ( 2 ) t l 的温差值不是很大 一般模拟时，采用近似a r r h e n i u s 模型来描述二者之间的关系。 2 3 注射过程模拟i m p 软件简介 2 3 1 基本介绍 c o m p u p l a s t i n j e c t i o nm o l d i n gp l a s t i f i c a t i o np r o g r a m 6 2 注塑机塑化系统模拟 软依以下简称i m p 软件) ，是一款注塑机塑化系统的模拟软件，用来描述注塑机 的固体输送、熔融和熔体输送过程，适用于多种类型注塑螺杆和机筒的分析和设 计，可以预测固体床分布，压力和温度沿螺杆方向的变化，质量流率，局部流 率、温度、应力、剪切速率等。通过这款软件的应用可以实现：注塑机螺杆类型 的设计；检验螺杆转速、机筒温度等注塑成型工艺条件对于塑化过程的适应性； 物料对于注塑螺杆及工艺条件的适应性；对螺杆综合性能进行评价。 i m p 软件是目前唯一的一套商业化注射螺杆模拟软件，其内核为捷克科学家 开发，基于经典的d a n e l l m o l 固体输送、t a d m o r 熔融和经典熔体输送理论模 型，并将三种模型进行有机的结合，采用解析方法求解，通过后处理实现可视化 的结果输出。尽管该软件还很不完善，如可适用的螺杆结构、物料体系的本构方 程以及结果的准确程度等还有很大的改善空间，但对于趋势的分析结果与工程实 践吻合较好。 2 3 2i m p 软件用户界面 该软件包括如下用户界面： 创建i m p 工程项目( i m pp o r j e c t ) 塑化模拟( p l a s t i f i c a t i o ns u m u l a t i o n ) 设置注射螺杆几何参数( s c r e wg e o m e t r y ) 设置工艺条件( p l a s t i f i c a t i o np r o c e s s ) 材料数据库( m a t e r i a ld a t a b a s e ) 计算和分析结果( r e s u l t s ) 生成分析报告( r e p o r t ) 如图2 4 、2 5 、2 6 所示。 1 6 第= 章熔件非等溢流塥分析模型i m p 软件升镕 c o m p u p l a s t e i n j e c t l o nm o l d i n g # a s f l f i c a u o np r o g 怕h ， n 黑西黔 翟 ；= 圈2 一i m p 软件i 界丽 f i 啦一i m p u 泔i m e r t 们e d 图2 - 5 沿螺杆轴向的温度分析结果示虑图 f i 蚪5 a x i a l t e m p e r a t u r er e s u l t o f s c r e w 鲨葛篙蒜：竺巍到业 圈2 - 6 压力结果示意嗍 f i g 2 - 6 f k s u mr e s u l t 北京化t 大学硕i j 学位论义 2 3 3i m p 软件塑化流动分析 i m p 软件塑化流动分析程序如下所示。 输入一分析一输出 螺杆参数 对机筒内 沿螺杆轴向：固体床比例、熔体 工艺条件熔体进行温度、平均压力、剪切速率、剪 材料数据 分析 切应力、能量通量、螺杆温度 沿螺槽径向：温度、剪切速率、 剪切应力、速度、黏度 1 8 第三章变深计量段螺杆几何参数的正交设计 3 1 引言 第三章变深计量段螺杆几何参数的正交设计 在螺杆设计中包含许多可变的几何参数，其中有些关键参数对螺杆加工高聚 物的性能有重大影响。且注射螺杆及注射成型过程也属于多因素的影响过程，需 要通过合理的方法对模拟及实验进行简化，减少模拟及实验的次数。正交设计是 一种能在最少实验次数的基础上寻求最佳有效结果的科学方法。 3 2 正交试验法简介 在2 0 世纪4 0 年代后期，日本统计学家田口玄一博士( d r g e n i c h it a g u c h i ) 使 用了设计好的正交表安排实验，这种方法简单易行，从此正交设计在世晃范围内 普遍推广使用。正交设计是多因素的优化实验设计方法，也成正交试验设计。它 能从全面实验的样本点挑出部分有代表性的样本点做实验，这些代表点具有正交 性。其作用是只用较少的实验次数就可以找出因素水平间的最优搭配或由实验结 果通过计算推断出最优搭配【3 1 1 。正交试验法中有如下几个较为常见的名词： 1 、指标 在试验中需要考察的目标，即试验目的。例如，试验目的是提高采收率，则 采收率就应该是试验考察指标；由于试验的目的不同，因此所对应的指标也会不 相同。 2 、因素 因素也称因子，试验中将对指标产生影响的各种原因或要素，由于各种因素 的变化将从不同程度上影响指标的变化，因此，是试验中重点要考察的内容。所 取因素数目要适中，通常用大写英文字母a 、b 、c 等来表示。一个字母表示一 个因素。 3 、水平 试验中选定因素的状态和条件成为水平或位级。在试验允许范围内，因素的 水平要尽量多取，例如1 个因素可以分为2 水平、3 水平、4 水平乃至更多水 平，但水平的间隔大小需与实际生产中控制和测量精度密切相关。 4 、极差 反映试验中各因素对指标的影响大小。极差越大，表明该因素对指标的影响 大，通常是重要因素；反之，极差小，表明该因素对指标的影响小，通常是不重 要因素。 1 9 北京化工大学硕士学位论文 正交表一般记法为k ( 柳，其中p 是表的列数，n 是表的行数，表中的数字都 由1 到a 个数构成。例如正交表l 9 ( 3 4 ) ，其中字母l 表示正交，实际上是引用了 拉丁方的名称；数字4 表示试验中要考虑4 种因素( 这里没有考虑因素间的交互作 用) ；数字3 表示每个因素有3 种可能的取值( 水平) ，数字9 表示该表有9 行，对 应于9 个试验方案，每个试验方案的效果用试验效果值来表征。从正交表b ( 3 4 ) 中可以得到，按正交试验设计法只需要做9 次试验，而按全组合法需要做3 4 - 8 1 次试验。可见，正交试验设计法大大减少了试验次数，且因素数和水平数越大， 该方法的优越性就越明显【3 2 1 。常见的正交表有l 4 ( 2 3 ) 、l 8 ( 2 7 ) 、l 1 6 ( 2 1 5 ) 、 k 7 ( 3 ) 、l 1 6 ( 4 ) 等。 3 2 1 正交试验设计的基本步骤 l 、确定研究目标、选定因素( 包括交互作用) 、确定水平； 2 、选用合适的正交表，应选取与因素水平相同的正交表，因素的个数不能 超过正交表的列数，允许有空白列； 3 、设计正交表的表头，确定试验方案； 4 、组织实施试验； 5 、试验结果分析。 3 2 2 正交试验结果分析 1 、因素的主次关系。在影响产品指标的众多因素中，哪个是主要的、次要 的、或是影响甚微的。 2 、指标与因素的关系。指标的多个影响因素中，随着每个因素取不同水平 时是怎样变化