（机械设计及理论专业论文）基于遗传算法的注塑机螺杆优化设计.pdf

摘要浙江= ： = = 学硕k 学位论文 摘要 提高注塑机螺杆设计水平对提高注塑机加工质量具有重要的意义，而注塑机 螺杆的复杂几何结构以及工作性能受众多工艺参数影响，导致其设计一直是个棘 手的问题。本文对注塑机螺杆工作原理做了深入的分析，在塑化理论研究的基础 上，利用固体输送理论推导出螺杆工作过程的数学模型，基于此数学模型，提出 了螺杆优化设计的目标函数和约束条件。综合优化目标函数和约束条件构造了遗 传算法的适应度函数，改进了遗传算法的选择算子运算规则，利用改进的遗传算 法实现了注塑机螺杆优化设计。最后，给出了注塑机螺杆参数优化设计系统的应 用实例。本文的工作克服了注塑机螺杆传统设计方法中的盲目性，为螺杆的设计 改进提供了一种新方法。 第一章，首先介绍了注塑机系统和注塑机螺杆系统，讨论了注塑机螺杆优化 设计项目研究背景和意义，综述了注塑机螺杆研究现：i 犬。分析螺杆设计中存在的 问题与不足，最后阐述了本文的研究内容与总体框架。 第j 二章，以流变学理论为基础，从注塑机螺杆加工过程的特殊性出发，借鉴 挤出机螺杆的模型，经过分析得出注塑机螺杆工作的物理模型固体输送模 型，为建立下一章的螺杆工作数学模型提供了理论依据。 第三章，根掘螺杆固体输送模型，推导出机简内熔膜厚度沿螺杆轴向的分却 函数，并分析了塑料母料在螺杆中的停留时间，给出了塑料加工质量重要指标 一纵向混合度和层状剪切混和度的表达式。综合分析纵向混合度和层状剪切混和 度之后，构造出均匀度矢量。基于均匀度矢量，提出均匀度质量函数作为优化目 标函数，确定了合理的优化约束条件。 第四章，首先分析了采用传统优化设计方法的工程设计中存在的若干缺陷， 为尽量避免这些缺陷，提出采用遗传算法进行注塑机螺杆优化设计。改进了遗传 算法中选择算子的运算规则，对遗传算法算子采用实数化编码。确定了遗传算法 优化中各个参数，综合均匀度质量函数和优化约束条件，构造了遗传算法的适应 度函数，并利用改进的遗传算法实现了典型注塑机螺杆的优化设计。实验对比结 果表明，较之采用传统优化设计方法( 网格法) ，基于改进的遗传算法的螺杆优 化设计显示了很大的优越性。 第五章，利用v b 开发工具、s q ls e r v e r 2 0 0 0 数据库技术和改进的遗传算法 实现了注塑机螺车t 参数优化设计系统，并给出了其应朋实例。 最后，对本文所做的工作进行了总结，并展望了本课题今后的发展。 关键词：注塑机螺杆固体输送模型优化设计遗传算法均匀度质量函数 适应度函数 a b s t r a c t 浙江大学硕十学位论文 a b s t r a c t i ti sav e r y 。i n t r a c t a b l ep r o b l e mt o o p t i m i z ei n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n e ( i m ) s c r e wf o ri t sc o m p l e x g e o m e t r i c a ls t r u c t u r ea n di t sp e r f o r m a n c ei n f l u e n c e db yp l a s t i c m a c h i n i n gt e c h n i q u e a f t e rp r o c e d u r eo fp l a s t i cm a c h i n i n gb yi m s c r c wi ss t u d i e d t h e o r e t i c a l l y , b ym e a n so ft h em o l dt h e o r y , s e v e r a lr e s t r i c t i o n sa n da no p t i m i z a t i o n o b j e c t f u n c t i o n t h e q u a l i t yu n i f o r m i t y f u n c t i o na r e p r o p o s e d b a s e d o n c h a r a c t e r i s t i co fi s s u e ，g e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) i sa m e l i o r a t e d t h ei m p r o v e dg a i s u s e dt oo p t i m i z e do f i m s c r e w , a i m i n g t om i n i m i z ev a l u eo ft h eu n i f o r m i t yf u n c t i o n s ot h et y p i c a ld e s i g no fi m s c r e wb e c o m e st i t l e t h et e s tr e s u l ts h o w st h eo p t i m i z e d d e s i g no ni m s c r e wu s i n gg a c a na c c o r dw i t ht h es t a n d a r do f p e r f o r m a n c e i nc h a p t e rl ，i n t r o d u c i n gt h es y s t e mo fi ma n dt h es c r e wo fi m ，b a s e do nt h e b a c k g r o u do f i mr e s e a r c h t h ea c t u a l i t yo ft h es c r e wo fi mh a v eb e e nl o o k e db a c kt o a t i e rt h em e a n so ft h ed e s i g no ft h ei m s c r e wa n a l y s e d ，t h ed e f i c i e n c yi sp o i n t e do u t i nt h e m a t1 a s tt h en e wi d e a so fw a yt od e s i g nt h es c r e wa r ep u tf o r w a r d a n dt h e s c r e w o p t i m i z e dd e s i g ns y s t e mi sg i v e n i nc h a p t e r2 ，i no r d e rt op u tf o r w a r dt h ei d e a so ft h eq u e s t i o n ，t h et h e o r yo ft h e d e s i g ni s f i r s ti n t r o d u c e d t h e o r yo fr h e o l o g y ，a n de d u c e dt h er u n n i n go fs c r e w p a r a m e t e r s i nv i r t u eo ft h ef o r m e ro fe x t r u s i o n t h er u n n i n gi m ss c r e wo fo r i g i n a l m o d e l s o l i dt r a n s p o r t a t i o nt h e o r yi sa n a l y z e d i nc h a p t e r3 ：f i r s t ，m e l t e dp l a s t i c d i s t r i b u t i n gi nt h r e es e g m e n to fs c r e ww a s a n a l y z e d ；s e c o n d t h et i m eo fm e l t e dp l a s t i cs t i c k i n ga r o u n di nb a r r e i i se d u c e d ； t h i r d ，t h er a d i a ld e g r e eo fm e l t e dp l a s t i c b l e n d i n gi sd i s c u s s e d b a s i n go nt h e m ，t h e q u a l i t yu n i f o r m i t yf u n c t i o ni sb r o u g h tf o r w a r da so p t i m i z a t i o no b j e c tf u n c t i o n a tt h e s a m et i m e s e v e r a lr e s t r i c t i o n sa r ea s c e r t a i n e d t h ed e g r e eo fm e l t e dp l a s t i c e f f i c i e n t i n j e c t i o na n dh i g hi n t e n s i t yo fs c r e w i n c h a p t e r4 ，t h e t r a d i t i o n a lm e a n so fd e s i g ni s i n t r o d u c e d ，c o n s i d e r i n gt h e r a v e l l i n go u tt h em a t t e r si ns c r e w o fi m if a l lb a c ko nt h ea r i t i f i c i a li n t e l l i g e n c ef a i ) g a b a s e do nc h a r a c t e r i s t i co fi s s u e g ai sa m e l i o r a t e d t h ei m p r o v e dg ai su s e d t oo p t i m i z ei m s c r e w ，a i m i n gt om i n i m u mv a l u eo ft h eu n i f o r m i t yf u n c t i o n s ot h e t y p i c a ld e s i g no f i m s c r e wb e c o m e st r u e t h et e s tr e s u l ts h o w st h eo p t i m i z e dd e s i g n o ni m s c r e wu s i n gg ac a na c c o r dw i t ht h es t a n d a r do f p e r f o r m a n c e i nc h a p t e r5 ，u s i n gt h ev b ，s q ls e r v e r2 0 0 0a n dr e f o r m a t i v eg e n e t i ca l g o r i t h m ， t h es c r e wo p t i m i z e dd e s i g ns y s t e mi sd e s i g n e d a n dt h es c r e wo p t i m i z e dd e s i g n s y s t e m i sg i v e n t h er e m a i n d e ro ft h i sd i s s e r t a t i o ns u m m a r i z e st h er e s e a r c hw o r ka n dg i v e st h e f u t u r ew o r ko f t h i sr e s e a r c h k e y w o r d s ：o p t i m i z i n gd e s i g n s o l i dt r a n s p o r t a t i o nt h e o r y u n i f o r m i t yf u n c t i o ni n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n e ( i m ) s c r e w g e n e t i ca l g o r i t h mf i t n e s sf u n c i t o n 第一章鳍论 浙江大学碳士学位论文 第一章绪论 【本章摘要】提高注塑的质量和效率，关键取决于如何科学设计注塑机螺杆。 为展开对螺杆设计的研究，本章首先介绍了注塑机系统和注塑机螺杆系统，分析 了注塑机螺杆优化设计项目的背景和意义，综述了注塑机螺杆研究现状。指出注 塑机螺杆设计中存在的问题与不足，提出了解决问题的方法。最后阐述了本文的 研究内容与总体框架。 1 1 注塑机系统和注塑机螺杆系统的简介 一台通用的注塑机主要包括：注塑系统、合模系统、加热冷却系统、液压控 制和电气控制系统、润滑系统、安全保护与监测系统f 5 3 】。如图1 1 ： 1 1 1 注塑机系统简介 图1 1 注塑机系统示意图 1 1 1 1 注塑系统 它的主要作用是“吃进”塑料，使塑料均匀地塑化成熔融状态，并以足够的 压力和速度将一定量的熔料注塑到模腔内。因此注塑装置必须具有塑化良好、计 量精确等性能，并且在注塑时对熔利能够提供足够的压力和速度。注塑装置一般 由塑化装置、注塑装簧、螺杆传动装置、计量装置、注塑动作装胃、注塑座以及 整体移动和螺杆驱动装簧、行程限位装置以及料斗等组成。 塑化装置由螺杼和加热料筒组成，在螺丰t 头部装有防止熔体倒流的上逆环和 各种剪切或混炼元件。螺杆驱动装置主要由减速装置、轴承支架、主轴套和螺杆 驱动电机或油马达组成。预塑化时，动力通过主轴套和轴承支架上的减速装置带 动螺杆旋转。 注塑装薰主要由注塑油缸和活塞及喷嘴组成。在注塑时，油压产生注塑推力， 第一章绪论浙江人学7 i ! ； i 。学位论史 通过主轴推动螺杆向头部熔体施加高压，使熔体通过喷嘴充入模腔。喷嘴是连接 料筒和浇1 ：3 的针状物，喷嘴的温度主要耿决于模具的温度。在料筒推进行程时， 喷嘴直径和浇口的直径相配合在定位环处形成密封。 计量装置是由支架和行程挡块组成的装置，它与螺孝t 预塑后退动作相联系， 起塑化和计量作用。 注塑座是一个可以在机身上移动的基座，塑化装置、注塑装罱以及计量装置 和料斗都固定在注塑座上。注塑座在油缸作用下，可以做整体前进或后退，使喷 嘴与模具接触或离开。 机身( 机架) 是一个稳固的焊接构件。在机身左面安嚣合模机架，右面安放 注塑部件。在机身内部设置油箱、油冷却器、蓄能器、液压管路以及阀类、油泵 和油泵电机零部件。在机架的正面安放注塑机的操纵箱和控制箱以便于操作。 料斗的作用是将小晶粒状的塑料母料放进料筒内，母料由自身的重力作用， 通过漏斗的喉部进入螺杆和料筒系统。 螺杆的作用是对塑料母料的压缩、熔融和运输，螺杆通常包括三段：加料段， 压缩段熔融段。当螺杆的外部直径恒定时，螺纹与料筒的相对运动使塑料母料 受挤压产生剪切热，从而导致塑料母料的熔融。判筒的外面加热翻使塑料母料保 持在熔融状态。典型的注塑机有三个或三个以上的加热圈配置在不同的螺纹段。 1 1 1 2 合模系统 合模系统的作用是固定模具，使动模板灵活地完成丌启和闭合动作，同时锁 紧模具。注塑时，进入模腔中的熔料还具有一定的压力，这就要求合模装置给予 模具以足够的合紧力( 通常称之为合模力或锁模力) ，以防止模具在熔料的压力 作用下松开，从而导致制品溢边或制品的精度下降。合模装置主要由模板、拉杆、 合模机构、制品顶出装置和安全门等组成。它是由四根拉杆和螺母把前后模板联 结起来形成整体刚性框架。动模板在合模油缸的作用下以四根拉柯为导向柱能顺 利完成启闭动作。模具的动模装在动模板上，定模装在前固定模板上。当模具闭 合后，在合模油缸压力作用下，产生额定合模力，锁紧模具，防止注入高压熔体 时模具型腔胀开。当合模时，模具拉杆和前、后模板形成力的封闭系统达到平衡 状态。 合模框架的前后侧设有安全罩，安全门以及液压、机械安全保护装置。在靠 近安全门及安全罩的机架上设有限位开关及其调节装置，以便控制制动模板启闭 模的限位和在运动中压力与速度的切换。顶出装置的项出或退出均有限位丌关。 1 1 1 3 加热、冷却等其他系统 加热系统其作用是加热料筒及注塑喷嘴的。注塑机料简一般采用加热电阻和 加热圈，套在料简外部并用热电偶分段检测。热量通过筒壁向内传热，为塑料母 第一章绪论 浙江人学硕+ 0 学位论文 料塑化提供热源。冷却系统，是用来冷却液压油、料口以及模具的。 1 1 4 液压、电气控制和润滑、安全保护与监测等辅助系统 液压和电气是为了保证注塑机按工艺过程预定的要求( 压力、速度、温度、 时间) 和动作程序准确无误地进行工作而设震的动力和控制系统。液压部分主要 有动力油泵、方向阀、流量计以及压力控制阀、附属装置、管路和箱体( 机架) 等部分。电气部分主要有动力、动作程序控制和加热控制等组成。 液压系统是注塑机的“水液”循环系统，是为注塑机的各种执行机构( 工作 油缸) 提供压力和速度的回路。 电气系统是注塑机的“中枢神经”系统，它控制着注塑机的各种程序及其动 作，对时间、位景、压力、速度和转速等进行控制和调节。 电控系统与机械液压系统相结合对注塑机的工艺程序进行精确而稳定的控 制。 润滑系统是为注塑机的动模板、调模装簧、连杆铰链等处有相对运动的部分 提供润滑条件的回路，以便减少能耗和提高零件寿命。 注塑机的安全装置主要是用来保护人、机安全的装置。 监测系统主要对注塑机的油温、料温、系统超载，以及工艺和设备故障进行 监测，发现异常情况进行指示或者报警。 1 1 2 注塑机工作过程 图1 2 注塑机示意图 图l 一2 标出了下文提及的部件名称。注塑机主机的主要工作过程如下所述。 注塑机工作的原始状态是动模板在开启位置使模具的动模和定模分开，注塑 座在后退位j i i ! ，料筒的喷嘴和定模呈非接触状态。注塑周期开始后，动模板在合 第一章绪论 浙江人学删i 。学位论义 模机构的作用下向前移动，使模具的动模与固定在前模板上的模具定模相闭合， 此一过程称闭模程序。当限位行程丌关确认闭模到位后，即发出信号使注塑座向 定模板方向移动；使料筒上的喷嘴和模具的主浇套相接触，于是就接通了喷嘴一 模具浇道一成型模型系统的通道，这一过程称整体( 注塑座) 前进程序。当注塑 座到位，喷嘴与主浇套压紧后，行程丌关或位移检测装置就发出信号，便接通注 塑程序。这时，液压系统向注塑油缸提供高压油，推动注塑活塞并连同螺杆向前 运动将螺杆头部的塑料熔体注入模腔中，并将模腔中的气体从模具分型面驱赶出 去，这一过程称为注塑充模程序。注塑程序完成后，整个模腔被熔体所充满，注 塑螺杆已行至最前位鬣，为了防止模腔中的熔体反压倒流和补偿收缩作用，注塑 油缸内必须继续保持一定压力，推动螺杆持续向模具中的熔料施加压力一直到浇 口处熔体冷却封口为止，这一过程称保压程序。从注塑到保压程序的切换常用螺 杆前进的位置、时间、油缸压力或模腔压力来控制，而保压程序多用时间或模腔 压力来控制。保压时间一到，就要接通驱动装罱拖动螺杆进行旋转，将塑料母料 沿螺槽向前输送。塑料母料在螺杆剪切热与料筒加热圈的同时供热下很快塑化并 熔融，转变成粘流体存贮在螺杆前部的存贮室内，与此同时，螺杆在塑料母料反 作用力的推动下，边旋转边向后移动，使注塑活塞回程，把注塑进油腔的工作油 压回油箱，这一过程称计量程序，又称预塑程序。当螺杼后退到所设定位置时， 计量程序结束由位移检测装罱发出信号接通注塑座后退程序，当后退至限位时， 发出信号使程序进入定型阶段。合模油缸的回油腔进压力油使动模板回程，开始 启模。 锁模 装置 塑料 功 能 特 点 图1 3 注塑机工作过程图 所以注塑周期主要出闭模、注塑座前进、注塑保压、注塑计量、冷却、丌模、 顶出制品等程序组成，其示意图如图1 3 。 箍藿! 第一章绪论 浙江大学硕士学位论文 注塑制品加工过程主要是在注塑机上完成的，“注塑过程”包括预塑、计量、 注塑充模、冷却定型等过程。预塑、计量是高分子在料筒中进行塑化的过程，是 把固体颗粒或粉料经过加热、压实、混和、从玻璃态转化为均化的粘流体。注塑 质量的好坏与储料室的熔体质量有直接关系，并由预塑过程的质量及计量精度所 决定。注塑制品十分强调精度和计量作用，因此预塑过程又成为“计量过程”。 注塑充模是把计量室中预塑好的熔体注入到模具型腔里面去的过程，这是聚合物 经过喷嘴、流道和浇口向模腔流动的过程。 可见，注塑机加工质量好坏很大程度上取决于注塑机螺杆，下面我们重点来 研究螺杆。 1 1 3 注塑机螺杆系统简介 图1 - 4 螺杆示意图 图1 - 5 螺秆尺寸不薏图 图1 4 是所示的注塑机螺杆其中一段的形状，d 为螺杆的名义童径。上述典 型的注塑机螺杆分为三段，如图1 5 所示。加料段0 - 。) 作用是产生足够的压力， 保证稳定的固体输送并将边界面上的塑料预热到熔融所需要的温度。压缩段( l k ) 使塑料母料加快熔融。计量段( l m ) 使塑料母判继续熔融并均匀熔化塑料母料。 加料段底径较小，主要作用是输送原料给压缩段，因此主要是输送能力 问题，参数( l e ，h 1 ) ，h i = ( 0 1 2 o 1 4 ) d 。 压缩段底径变化，主要作用是压实、熔融塑料母料，建立压力。主要参 数有压缩比= h l i - 1 3 、l k 和渐变度a = ( h 1 - - h 3 ) l 2 。 均化段( 计量段) 将压缩段已熔塑料母料定量定温地挤到螺杆最前端、 第一章绪论斯江大学硕士学位论文 参数( l m ，h 3 ) ，h 3 = ( o 0 5 - - 0 0 7 ) d 。 在螺杆的工作过程中，塑料母料借助旋转螺杆的输送作用，不断沿螺槽向前 运动，同时以塑料为参照物，螺杆也是在不断沿螺槽向前运动。塑料在运动过程 中，经受着外加热和螺杆剪切热的共同作用，逐步软化，最终达到熔融粘流状态。 螺杆在预塑时，不仅有旋转运动而且还兼有后退的直线运动，螺杼边旋转边后退， 做的是复合运动。螺杆后退的直线运动是螺杆在旋转时，处于螺槽中的塑料母料 和螺杆头部的熔体对螺杆进行反推的结果。在螺杆头部的熔料因具有定的压 力，此力要推回螺杆，但螺杆能否退回以及退回速度的大小，显然取决于螺杆退 回时所附加的各种阻力的大小，如各种摩擦阻力以及注塑油缸内工作油的回泄阻 力等。若改变工作油回泄阻力( 俗称螺轩背压) ，即改变了螺卡t 塑化时头部的压 力，这将会导致螺纹槽内的塑料流动状况的改变，从而使塑料的塑化情况得到相 应的调整。 聚合物在料筒中从后部( 入料口处) 到前部( 喷嘴处) 出于热历程不同，塑 料母料也有三种状态：后部是玻璃念( 硬脆状态) ，前部是粘流态，中倒是高弹 态( 橡胶弹性状态) 。与之相对应的标准螺杆也分为三段：后部固体输送段( 加 料段) 、前部均化段( 计量段) 、中间段是压缩段( 熔融段) 如图1 6 所示。 囝1 6 螺轩分段及其在整个注塑系统中的示意图 所以螺杆的作用是：输送、熔化、均化塑料母料。 1 2 研究背景及意义 1 2 1 研究的背景 注塑机借助于金属压铸机的原理，在1 9 世纪中出现金属压铸机( 1 8 4 9 年 s t u r g i s s ) 的基础上逐渐形成。最初主要用来加工纤维紊硝酸酯和醋酸纤维一类 的塑料。直到1 9 3 2 年，才由德国弗兰兹布劳恩( f r a n zb r a u n ) 生产出全自 动柱塞式卧式注塑机并推广到各国。上个世纪4 0 年代后，由于石油化工的发 展，促进了塑料工业的发展，其中热塑性塑料无论在品种或者是数量方面增长都 6 第一章绪论 浙江人学蝴1 冉 位论文 很突出，这就要求发展相适应的加工技术和机械设备。1 9 4 8 年在注塑机上- 丌始 使用螺杆塑化装置，并于1 9 5 6 年世界上出现了第一台往复杆式注塑机，表明注 塑机工艺技术方面的一重大突破，从而使更多的塑料，通过比较经济的注塑成型 技术，加工成各种塑料制成件成为可能。 由于注塑成型具有能一次成型出外形复杂、尺寸精确或带有嵌件的塑料制 件，对各种塑料加工的适应性强，机器率高以及易于实现自动化生产等特点，所 以注塑成型技术及其注塑机得到极为广泛的应用，现在已经成为塑利加工和塑半4 机械业中的一个重要组成部分。注塑机在国内塑料机械中占主导地位，一般占整 个塑料机械产基和产值的3 5 v o 幂d5 5 左右。我国塑料机械起始于五十年代末期， 1 9 5 8 年我国第一台注塑机在上海诞生，揭丌了我国自己制造塑料机械新的一页。 但当时生产的注塑机技术含量较低，只能用通用塑料来生产技术要求较低的同用 品，如塑料盒、塑料桶等。随着我国石油化学工业的发展，塑料机械工业亦逐步 形成了一个独立的工业部门，并初具规模，是国家机械工业的重要组成部分，特 别是改革开放以来，我国塑料机械工业得到了长足的发展。目前我国已能生产的 塑料机械，基本上能满足一般高分子合成材料的加工与成型的需求。我国注塑机 的制造水平总体上与中国香港、台湾地区相当，有些已接近或达到了工业发达国 家的水平，个别世界领先。但我国塑料机械产品的品种、规格以及技术水平，与 工业发达国家的差距还有很大，远远满足不了我国塑料原材料工业、塑料制品加 工工业发展的需要。 相对于只益发展的塑料行业柬讲，注塑机性能、效率、耗能的方面的研究还 是远远不够的，而注塑机的核一心部件是螺丰丁，螺杆设计是注塑机设计的关键技术 之一，在整个注塑机设计过程中螺杆设计是最能体现设计师经验、智慧、创造性 的优化设计过程，它在很大程度上决定着注塑机的技术水平和经济效益，所以迫 切需要我们在这个方面开展科研工作。 1 2 2 研究的意义 就技术而言，注塑机设计理论( 包括螺杆设计) 几乎都是根据挤出理论衍变 而来的，所以研究挤出理论和回顾挤出机螺杼设计，对注塑机螺杆设计很有必要。 由分析可知整机的性能好坏主要依赖其螺秆的形状，螺杆加料段、压缩段、计量 段的分布。 对整条螺杆而吉，长径比l d 与转速a ，是衡量螺杆塑化能力及效果的重要 参数。长径比大则塑料母料在机筒罩停留时间长，有利于塑化，同时压力流、漏 流减少，提高了塑化能力，同时对温度分布要求较高的塑判母料有利。但长径比 过大，对制造、装配、使用方面有很大的负面影响。般长径比为l8 2 0 ，但 目前有加大的趋势。 螺秆升角由对塑化能力有影响，一般来说中大一些剩输送速度快一些因此 第一章绪论浙江大学删：l 学位论文 塑料母料形状不同，其中也有变化。“粉料”可取中= 2 5 。左右，“圆柱料”取中 = 1 7 。左右，“方块料”取中；l5 。左右，但巾的不同，对螺杆加工而言，也比较 困难，所以一般咖取1 7 。4 0 。 棱宽e ，对粘度小的塑料母料而言，e 尽量耿大一些，e 过小易漏流。但过 大会增加动力消耗，易过热。一般取e = ( o 0 8 o 1 2 ) d 。 由于螺杆加工聚合物的过程涉及到固体力学、流变学、传热学和高分子物理 学等多种学科。众多的工艺参数、复杂的螺秆几何结构和塑料母料的加工性能， 到现在还没有找较理想的定量公式来进行螺杆设计，所以要设计出普通适用的最 佳螺杆十分困难。 不同构型的螺杆，可完成各种预定的聚合物加工操作，如塑化、混炼、输送 等。通常采用类比方法或凭经验确定螺杆的几何结构参数，由于分析和计算手段 以及时间和费用的限制，可供选择的设计方案有限，而且也不能保证从中选出最 佳方案。所以需要进一步的研究更科学的螺杆设计方法，而对螺杆进行优化设计 具有实际意义。 1 3 国内外研究现状 注塑机螺轩在注塑机中地位十分重要，所以近年来许多学者对其进行了研 究。 比较成熟的方法就是：运用聚合物流变理论根据经验性的公式来设计螺杆， 制造出试验螺轩，根据试验结果再修正螺杆，这样反复设计试验，直至符合 要求为止。虽然此方法能设计出符合要求的螺幸t ，但却未必达到最佳设计，而反 复的设计势必增加螺杆设计的成本，故此传统方法有两大缺点：不容易得到最优 螺杆方案、设计成本居高不下。 德国的h 徽坦特教授在上个世纪8 0 9 0 年代，提出并总结了挤出工程中的 系列数学模型，特别是在对挤出螺杆向注塑螺打理论转换和修f 方面，做出了 很大的贡献。在挤出机螺杆方面，提出了一系列计算公式和算予。由于前面叙述 了挤出和注塑有很大的关联，本文的大量公式很多都是引用h 波坦特教授提出 的公式，或者就是在对公式进行修正后的基础上做了一些改进，运用到注塑机螺 杆的计算过程中【1 7 。 c o m p u p l a s t ，i n c 发布的f l o w 2 0 0 0 c a e 软件是一种很成熟的软件，集螺杆的 设计分析和机筒等注塑机的辅助设备分析于大成。是国际上比较有名的挤出机 c a e 软件。但是不足的是没有注塑机专门的部分，只有挤出机。不过我们可以 参考其软件设计思想，来指导我们注塑机螺杆设计软件的编写。 针对螺杆加工塑料的过程，朱复华提出的三段七区物理模型，即非塞流固体 输送区、塞流固体输送区、延迟区、熔融区( 环流区) ，固相漂移区及熔体输送 第一章绪论浙江人学硕士学位论义 区( 计量区) 。这7 个区段各自具有独立的功能，机理各异：每一区段均有各自 的理论支撑和相应的边界条件及基本假设、质量方程、流动方程、传热方程等。 区段之间的衔接必须满足产量、温度、压力、功率、扭矩及轴向力的自然过渡。 每个区段什么条件开始什么条件结束决定于操作条件、塑料母料性能、螺杆参数 及前一区段的计算结果| 6 1 1 。 王建华研究了单螺杆挤出过程，提出用数值模拟的方法来研究螺杆加工塑料 的过程。该研究可以预测固体床的分布、沿螺杆塑料母料的温度和压力，以及局 部速度、温度、应力、剪切速率和热传导等。从而更好地理解挤出过程中各参量 的相互影响关系，优化蠊杆设计，检测挤出机的相关性能如；螺杆转速、料筒温 度分布、材料性能等，对螺杆设计给出了很好的参考1 5 。 杨兆福通过对注塑螺秆熔融行为和轴向温差的研究，较成功地开发了注塑螺 杆的优化设计软件，并通过实验验证了所采用理论模型的可靠性。在一个注塑成 型周期内，注塑螺打加工塑料母料的熔融过程是一个非稳态过程，通过对母料在 塑化、停留、注塑、保压各阶段熔融机理的分析，讨论了螺杆参数、加工工艺条 件等对熔融分布和轴向温差的影响。针对不同的阶段，采用不同的计算模型，计 算了螺杆的熔融分布曲线，并对轴向温差进行了计算。在此摹础上，以螺杆末端 的塑料母料固体含量作为优化目标，产量、轴向温差等作为约束条件，利用最优 化方法一复合形法，开发了三段式注塑螺杆的优化设计软件。从而可得到指定的 塑料母料和加工工艺条件下的优化螺杆尺寸。在对螺杆参数进行优化的同时，利 用c 语言编制了a d s 程序，实现了注塑螺丰t 零件图在a u t o c a d 环境下的自动 输出 矧。 华南理工大学的彭红毅开发了注塑螺秆的优化设计的c a d 系统。针对泣塑 螺杆与挤出螺杆的工况不同，对固体输送段物理模型进行了探讨，为螺杆设计参 数和预先设定工艺条件提供了比较实用的计算模型，同时分析了塑化的过程，提 出了螺杆固相分布的计算机动态模拟的数学模型，实现了螺杆优化c a d 系统【6 9 。 王丽等人对梯形嫘槽同向和异向旋转双螺杆三维实体造型进行了研究，并对 其中双螺杆设计、双螺杆中物料流动分析中的应用进行了探讨。为各种双螺杆几 何参数的合理选择以及科学设计提供了强有力的工具( 7 ”。 陈金泉利用计算机辅助设计系统研究开发化纤螺杆c a d ，综合考虑螺杆加 工的过程，提出闭环设计的软件设计思路，实现了化纤螺杆的c a d ，加快了化 纤螺杆的设计进程【7 8 】。 注塑螺轩是注塑机的一个关键零件。生产中的大量实际例子表明：螺杆设计 的好坏。对制品的产重和质量及能量消耗等有着极大的影响。螺杆设计显得很重 要，但是相关的科研工作还远远不够，因此进一步开展注塑机螺杆设计是非常必 要的。 第一章鳍论 浙江夫学瑚 j 学位论立 1 4 本文的研究内容及总体框架 1 。4 1 本文的研究内容 本文从优化设计的角度进行注塑机螺杆设计，先利用螺杆加工塑料固体输送 理论，将其转化为实用的数学模型，创造性地提出了优化设计目标函数均匀 度质量函数，并对其增加了合适的约束条件。利用遗传算法作为在目标域上的搜 索工具，对算法中的编码做了实数化的改进，基于此实现了螺杆的优化设计系统。 即本文分四大部分；螺杆塑化物理模型的建立；螺杆塑化数学模型的建立： 螺杆优化设计目标函数的建立：螺杆主要参数的优化及螺槽中温度、熔融等参数 的可视化优化系统的实现。 第一及第二部分主要是进行理论的研究和分析，在注塑理论的基础上建立物 理模型，为了得出便于计算机上实现的公式，在建立的物理模型，考虑到注塑与 挤出的差别，对一些条件进行了简化的假设，建立了注塑机螺杆加工数学模型。 在得出的计算公式基础上，以熔融状态、压力分布、生长率和螺杆强度为约束条 件，构造了优化设计目标函数一均匀度加工质量函数。 第三部分，对优化设计方法应用于注塑机螺杆优化设计作了对比，最终选择 了遗传算法作为优化设计方法，并结合实际问题对其遗传算法中的选择算子运算 规则作了一些改进，同时选择实数化编码技术来改善遗传算法的运算精度。综合 分析了前述部分提出优化设计目标函数和优化约束条件后，构造了遗传算法的适 应度函数，最后实现了基于遗传算法的注塑机螺杆优化设计。 第四部分，给出了注塑机螺杆优化设计系统应用实例，一、计算输入部分， 主要是输入螺杆的初始条件。二、螺杆优化运算部分，即经过运算，得出螺杆的 详细尺寸。三、输出部分。对结果进行文本、图形输出同时对螺杆加工塑料过程 中的部分物理量进行可视化显示。 1 4 2 本文的总体框架 本文从注塑机螺杆加工原理出发，先阐述了固体输送理论模型，根据该模型 结合注塑机的实际，对该模型做了进一步的简化，给出了螺杆工作的数学模型。 基于此数学模型提出了均匀度质量函数作为控制目标一一优化目标，在搜索域 中用遗传算法来运算，最终实现了注塑机螺杆优化设计系统，本文的总体框架如 图1 ，7 。 1 5 本章小结 注塑机加工塑料母料，是一个非常繁杂的过程，而要提高注塑的质量和效率， 关键之一取决于注塑机螺杆的设计科学程度出于这个考虑，先从注塑机螺杆存在 第一章绪论 浙江人学i i ：| l ：学位论立 的系统注塑机丌始研究。所以本章先介绍了注塑机系统和注塑机螺杆系统； 从研究背景和意义出发回顾了注塑机螺杼研究现状，分析了注塑机螺杆在注塑机 中存在的问题与不足：最后阐述了本文的研究内容与总体框架。 优化设计始于五十年代末而普及应用于七十年代，它是以数学规划理论为 基础，以计算机为辅助工具的一种设计方法。在螺杆设计阶段采用优化设计方法， 将优化技术应用于螺秆设计过程中，最终获得较理想的设计参数。实践证明优化 设计可以明显地提高螺杆设计质量及速度，为进一步改进螺杆的设计方法展示了 广阔的前景。 作者主要是对通用型螺杆进行优化设计，进行软件开发后，经过实例设计， 验证优化出来的螺杆参数与实际比较吻合，平均设计时间比较短，大大加快了注 塑螺杆的的设计速度，且能根据参数结果适当调节工艺条件。通过注塑机螺杼加 工塑料时所涉及的参数显示，可以直观地了解注塑机的工作情况，为螺杆的生产 和设计提供了一定的依据。 圈1 7 本文结构示意图 第二章螺杆塑化i 耐体输送模型分析浙江大学硕士学位论文 第二章螺杆塑化固体输送模型分析 【本章摘要】本章首先介绍了流变学理论和螺杆旋转阶段所涉及到的物理 量，从注塑机螺杆工作过程的特殊性出发，借鉴挤出机螺杆的模型，分析了注塑 机螺杆工作的固体输送物理模型。 很明显，注塑机的质量好坏很大程度上取决于预塑质量的好坏，所以研究塑 化过程对提高注塑质量很有意义。影响预塑过程的重要因素是热能输入和转换条 件。预塑计量过程的热能来源有三种输入方式p 副： ( 1 ) 料筒通过电热元件从外部加热，料筒内的塑料母料通过热交换和热传导 吸收外部的供热，使其软化和熔融。 ( 2 ) 料筒没有外部加热，塑料母料只靠螺卡t 旋转作用，通过剪切机理和摩擦 机理，使机械能转换为热能，加热自身，使其熔融。 ( 3 ) 热能输入方式( 1 ) 、( 2 ) 的结合。塑化时筒内塑料母料一部分靠外部加热， 一部分靠螺杆旋转通过机热转换供热。 我们重点研究情形( 3 ) 的塑化过程。在条件( 3 ) 下塑料母料开始熔融，变成近 似流体，最终变成符合工艺要求的熔融流体。我们下面主要讨论螺秆加工塑料的 物理模型。 2 - 1 螺杆塑化过程理论基础 2 1 1 螺杆塑化的流变学理论 螺杆加工塑料是一个复杂的物理过程。螺杆作为粒状、粉状塑料母料输送、 熔化、均化的主要设备，工作机理十分复杂。但是其加工的塑料作为一种流体和 固体的混和物，有其固有的特性，符合一般的流体规律。 一般情况下，流体、固体和黏弹体( 塑料加热) 时，受应力后如图2 - 1 的变形。 初始的形状t i m e = a t ( 施加剪切应力) ( a ) 募鞣 ( b ) 瓣 c 。) 檠馨篌 熔体 囫级 t i m e = 2 x 出 最终形状 ( 剪成力下的移动) 砭：。砭：。 缓砭：，颦：。 圈2 1 几种流体受剪切应力时流动变形示意圈 在纯粘性流体中，流体形变所消耗的能量立即消散，而且是不可复原的。纯 囫 第二二章螺杆塑化脚体输送模型分析 浙江大学碗：k 学位论文 粘性流体的变形，而且有固体的形体恢复，即兼具弹性固体和粘性流体的特性”。 表示式( 2 1 ) 。其中剪切速率表示为户= d v ：a ；，其流场可以用形变速率张量d 描 v ：= 户y ，v ，= v ，= 0 ( 2 - 1 ) 归忙矧 沼z ， 对单轴拉伸其速度场如式( 2 3 ) 。v ：= 厂( z ) 以= v ，0 ( 2 - 3 ) 忱 oo 11 应变张量如式q 4 所示一p i i 2 【i ：一；胆一z ：0 娌- 4 其中，。称为拉伸速率，。= d v 。出。 的拉伸速率为：如= d v ：出= d v ，出 叱= ，( = ) ，v ，= 厂( y ) ，叱0 ( 2 - 5 咿叫鼹一曼。0 匕= ，( z ) ，v y = 厂( y ) ，k 0 ( 2 _ 7 咿炉限：。驯 沼 九= 咖：出，六= d r y 出。其中式( 2 7 ) 中u ，v ，v ：为x ，y ，z 方向上的分速度。 除了少数的有机物之外，大多数有机物熔体都是非牛顿流体。非牛顿流体中。 第二章螺杆塑化同体输送模型分析浙江大学碗士学位论文 形式有多种多样，如宾哈流体、膨胀性流体、复合流体和假塑性流体( 黏弹体) 。 我们涉及的熔融流体主要是假塑性流体。 假塑性流体的流动特点是流变曲线有三个区段：低剪切速率区，中剪切速率 区和高剪切速率区。在低剪切速率区和高剪切速率区，聚合物熔体均表现了牛顿 流体，流动形式如图2 1 a 所示。中剪切速率区，聚合物熔体流动表现为黏弹体 性质，即假塑性流体的性质，形式如图2 1 c 所示。 假塑性流体的流变方程如式( 2 9 ) 所示。，= ( f ) ( 2 9 ) 其中r 为流体剪应力，p 为流体的剪切速率，r t 为流变指数，k 熔体的稠度 系数。 2 1 2 螺杆旋转阶段基本概念的介绍 螺杆旋转时塑化近似于稳定挤出。除了固体输送段输送塑料母料外，螺杆的 主要功能是熔化送进的塑料母料。 塔德莫尔和克莱恩对熔化机理首先提出了简化的牛顿分析。结果显示对给定 的固态层宽度x ，单位螺槽距离上的固体床熔化速率u 可表达为式( 2 1 0 ) 。式( 2 1 0 ) 中c 0 为沿螺槽单位长度熔化速率，x 为固相宽度，o 用式( 2 1 1 ) 求得【6 6 】。 ：中i( 2 1 0 ) 中_ 避器r 沼 在式( 2 1 1 ) # 0 ，v j 为机简相对于固体层的运动速度，风为熔体密度，k 。为 熔体导热性能，仉为熔体( 牛顿的) 粘度，c 。为固体比热，t b 为机简温度，t 。 聚合物熔化温度，t 。进料温度。 另外，熔膜的厚度方程如式( 2 一1 2 ) ，当x = w 时，熔膜厚度占取最大值。 占= f i2 k 。( 瓦一l ) 十仉呼i x 、f p 。 c ( ，一i ) + 五 ( 2 1 2 ) 我们一般取熔膜的平均厚度如式( 2 1 3 ) 所示。孑= 点，彳 ( 2 。1 3 ) 螺槽固相分布函数可分为两种情况，第一种是当螺槽深度保持不变即h 为 常量h o 时，第二种是螺槽深度按一定规律变化时。 ( 1 ) 当螺槽深度h 为常量时，固相分布函数如式( 2 1 4 ) 所示。 兰：f 。一丝巫 2 l 2 0 j ( 2 ) 当螺杆深度为变量时 ( 2 1 4 ) 即在熔融段时，固相分布函数如式( 2 1 5 ) 所示。 第二章螺杆塑化同体输送模型分析 浙j 工大学明士学位论文 羔：互 甲，( 划 一心舡甜 ( 2 一 5 ) 2 2 固体输送模型的建立 基于螺杼塑化的流变学理论，考虑到螺杆式注塑机的预塑化过程很类似螺杆 式挤出机，因此注塑机的研究可以借鉴挤出机的研究成果，但我们必须认识到两 者还有很大的不同注塑机的特点具体如下。 ( 1 ) 螺杆具有塑化和注塑两种功能： ( 2 ) 注塑螺杆在旋转时作轴向位移，因此螺杆的有效长度是变化的： ( 3 ) 注塑螺杆的长径比和压缩比较小，塑化中塑料承受的压力是靠调整背压 来实现的。 ( 4 ) 注塑螺杆由于具有注塑功能，因此其均化段螺槽深度一般较大，以得到 较高的生产率，并保证塑化质量。 ( 5 ) 注塑螺杼有轴向位移，因此加料段较长，以保证有效的加料段长度。 注塑机螺杆有其很大的特点，各段螺槽中塑料母料状态是不同的。螺杆具有 恒定转速时，沿螺槽母料要形成稳定状态的熔融分布区，具体所示如图2 2 螺槽 展开图。 c 1 螺棱 b 1a 10 c 2 7 b 1a 1 ， li ll ”矗：。