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木塑复合材料注塑与挤出成型专用螺杆的设计与研究 摘要 注塑成型与挤出成型是木塑复合材料的重要成型手段。因热塑性塑料与 植物纤维存在相容性较差，分散不均匀等问题不能通过改变材料物理化学性 能得到有效解决，于是近年对改善木塑复合材料成型性能的研究转向了对其 成型设备方面的研究，通过研发新型高效装备，克服材料混合、难成型问题。 注塑与挤出成型机械对木塑复合材料成型性能的影响多集中在其关键部件 螺杆上，因此，研究木塑复合材料在螺杆中的塑化性能，设计新型木塑 复合材料成型专用螺杆成为提高木塑复合材料成型性能的新方法。 本文对注射成型和挤出成型的基础理论及影响塑化能力的因素做了简 要介绍，采用流动模拟软件优化螺杆几何参数，进而对设计木塑复合材料专 用成型螺杆方面进行了研究，主要工作如下： 首先，介绍了注塑机螺杆的基本结构，分析注塑成型的三大基础理论， 利用三维建模软件p r o f _ , 中的关系和参数命令，对三种注塑机螺杆进行了参 数化建模，避免了在螺杆设计研究中重复建模。 其次，讨论了影响螺杆塑化能力的工艺参数及几何参数，提出衡量注塑 机和挤出机螺杆性能优劣的标准，讨论了简化的计量段流体模型，在此基础 上，分别给出a d i n a 和a n s y s 流体分析模块中模拟注塑和挤出塑化过程应 采用的边界条件和流体本构方程，并对塑化段流体模型进行数值模拟，采用 正交实验法寻得计量段螺杆优化参数。并给出了木塑复合材料专用注塑机螺 杆的几何参数。 最后，以挤出造粒用同向双螺杆挤出机的双螺杆计量段为例，根据求得 的木塑复合材料( 竹粉p p ) 的相关特性参数，结合双螺杆的运动原理，给 出合理的计量段熔体模型的边界条件，利用有限元分析软件a n s y s ，对同 向双螺杆的塑化段熔体模型进行数值模拟，得出木塑复合材料在同向双螺杆 中塑化段的运动特性。 关键词：螺杆几何参数，木塑复合材料，注塑成型，挤出成型，参数优化， 数值模拟 d e s i g na n dr e s e a r c ho nt h ei n j e c t i o na n d e x t r u s i o nm o l d i n gs c r e wf o rt h e w o o d p l a s t i cc o m p o s i t e s a bs t r a c t i n j e c t i o nm o l d i n ga n de x t r u s i o nm o l d i n ga r et h em o s ti m p o r t a n tw a y st o s h a p ew o o dp l a s t i cc o m p o s i t e s b e c a u s eo ft h ep o o rc o m p a t i b i l i t yb e t w e e n t h e r m o p l a s t i c sa n dp l a n tf i b e r s ，o n l yc h a n g i n gt h eh e t e r o g e n e o u sp h y s i c a la n d c h e m i c a lp r o p e r t i e sc a n n o te f f e c t i v e l yr e s o l v et h ei s s u e s i nr e c e n ty e a r st h e d i r e c t i o nh a st u r n e dt of o r m i n ge q u i p m e n t t h r o u g ht h ed e v e l o p m e n to fm o r e e f f i c i e n te q u i p m e n t ，m a t e r i a lm i x i n ga n d m o l d i n gp r o b l e m sh a v eb e e no v e r c o m e h o w e v e r ，t h es t r u c t u r eo ft h ei n je c t i o nm o l d i n ga n de x t r u s i o nm o l d i n gm a c h i n e s a r ec o m p l e x ；w p cm a t e r i a lf o r m i n g p r o p e r t i e sa r em o s t l yc o n c e n t r a t e di ni t sk e y c o m p o n e n t s t h es c r e w t h e r e f o r e ，r e s e a r c hn e e d st ob ed o n ei n t ot h eb e h a v i o r o fw p cm a t e r i a l sd u r i n gs c r e wp l a s t i c i z i n g an e ws p e c i a ls c r e ws h o u l db e d e s i g n e dt oi m p r o v ep l a s t i c i z i n gp e r f o r m a n c eo f v a r i o u sm a t e r i a l s i nt h i st h e s i s ，t h ef a c t o r st h a ta f f e c tt h ep l a s t i c i z i n gc a p a c i t yo fi n je c t i o n m o l d i n ga n de x t r u s i o nw e r eb r i e f l yi n t r o d u c e d t h ef l u i da n a l y s i sm o d u l eo ft h e s i m u l a t i o ns o f t w a r ew a su s e dt oo p t i m i z et h eg e o m e t r i cp a r a m e t e r so f t h es c r e w ； t h e nt h e p r o c e s s o fd e s i g n i n gt h e s p e c i a l s c r e wf o rw p cm a t e r i a lw a s d i s s c u s s e d f i r s t ，t h eb a s i cs t r u c t u r eo ft h ei n j e c t i o ns c r e ww a si n t r o d u c e d ；t h r e eb a s i c t h e o r i e so ft h e i n j e c t i o nm o l d i n gw e r ea n a l y z e d ；t h et h r e eb a s i ct h e o r i e s e s t a b l i s h e dt h eo r d e ro fp a r a m e t e r sa n dr e l a t i o n s h i p s t h e n ，t h r e e d i m e n s i o n a l m o d e l i n gs o f t w a r e ( p r o e ) w a su s e dt op a r a m e t r i c a l l ym o d e lt h et h r e et y p e so f i n j e c t i o ns c r e w s ；1 1 1 i sf a c i l i t a t e dp o s t - s i m u l a t i o na n dp r o d u c t i o n ，a n da v o i d e d t h ew a s t eo fh u m a na n df i n a n c i a lr e s o u r c e s n e x t ，t h et h e s i sd i s c u s s e dt h ep r o c e s sp a r a m e t e r sa n dg e o m e t r i cp a r a m e t e r s w h i c hi n f l u e n c et h ep l a s t i c i z i n g c a p a c i t y t h es t a n d a r d f o rm e a s u r i n gt h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fi n je c t i o nm o l d i n gs c r e wa n de x t r u d e rm o l d i n g p e r f o r m a n c e sw e r ed e c i d e d t h ef l u i dm o d e lo ft h em e t e r i n gs e c t i o nw a sa l s o e a t a b l i s h e d b a s e do nt h ea b o v ew o r k ，b o u n d a r yc o n d i t i o n sa n dt h ef l u i d i i i c o n s t i t u t i v ee q u a t i o no f p l a s t i c si n j e c t i o nm o l d i n ga n de x t r u s i o nw e r ei n p u t e d i n t ot h ef l u i da n a l y s i sm o d u l eo fa d i n aa n da n s y s s i m u l a t i o n sf o rt h ef l u i d m o d e lo ft h ep l a s t i c ss e g m e n tw e r ed o n e ；t h e nt h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n t a l m e t h o dw a su s e dt of i n do p t i m a lp a r a m e t e r sf o rm e a s u r e m e n to ft h es c r e w , w h i c hg a v et h eg e o m e t r i c a lp a r a m e t e r so ft h ei n je c t i o nm o l d i n gs c r e wf o rw p c m a t e d a l s f i n a l l y , b a s e do nt h es p e c i a lp a r a m e t e r so f t h ew o o d p l a s t i cc o m p o s i t e m a t e r i a l s ( b a m b o op o w d e rlp p ) a n dt h em o v e m e n tt h e o r yo ft h et w i ns c r e w e x t r u d e r , t a k et h em e t e r i n gs e c t i o no ft h et w i ns c r e we x t r u d e ra sa ne x a m p l e ，a r e a s o n a b l eb o u n d a r yc o n d i t i o n so ft h em e l tm e t e r i n gs e c t i o nw a sg i v e nf o r s i m u l a t i n g t h ew o o d - p l a s t i cc o m p o s i t em a t e r i a lb yu s i n gt h ef i n i t ee l e m e n t a n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s t h er o dm o t i o nc h a r a c t e r i s t i c sf o rt h ep l a s t i c i z i n g s e c t i o no ft h et w i ns c r e we x t r u d e rw a so b t a i n e d k e yw o r d s ：t h eg e o m e t r i cp a r a m e t e ro f t h es c r e w , w p c ，i n j e c t i o nm o l d i n g ， e x t r u s i o nm o l d i n g ，o p t i m i z a t i o n ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i v 木塑复合材料注塑与挤出成型专用螺杆的设计与研究 1 绪论 1 1 课题的研究意义 木塑复合材料，英文名w o o dp l a s t i cc o m p o s i t e ( 简称w p c ) 是一种新型的绿色环保 复合材料，是将现有的各类塑料与木屑、竹屑及农业剩余物，如植物秸秆、稻壳、麦秸、 大豆皮、花生壳、甘蔗渣等低附加值的材料以一定比例，添加特制助剂，经高温高压处理后 制成结构型材。近年随全球资源日趋枯竭，社会环保意识日见高涨，木塑产品以其使用 环保化，安全性能高，成本经济化、原料资源化，回收再生化，制品可以替代钢、铝、 水泥、塑料等其他材料的优点，近年来得到广泛的关注和重视。 当前，木塑材料以优异的综合使用性能使得消费需求迅速增长，木塑材料的加工设 备也在随着飞速发展，无论是国际国内都潜在巨大的消费市场，以往采用普通的塑料成 型设备来成型木塑制品的加工方式，由于出现了各类问题，既浪费材料，又生产不出合 格的产品。从w p c 的生产工艺不难得出，w p c 材料中木粉纤维与塑料的相容性和易混 性较差，这就要求加工木塑材料的设备能够满足这一要求。生产木塑产品的方式为注塑、 挤出和模压成型。现有的成型设备是针对普通塑料生产设计，木塑复合材料在成型的过 程中，遇到的问题严重影响了制品的质量：在挤出成型过程中，以往的塑料加工混合主 要靠摩擦或螺杆的正位移，将各组分混合均匀，其塑炼能力无法满足木塑复合材料的塑 炼过程，加之木粉填充聚合物使得熔体黏度变大，流动性变差，挤出产品质量受到影响， 物料在料筒停留时间过长容易烧焦，同时，排气效果也不理想。在木塑材料的注塑成型 过程中，若使用普通注塑设备，因为木粉蓬松、易吸水、易降解、填充量大的特点，木 塑复合材料在挤出过程中存在易架桥、流动性差等缺点，所以研究适合木塑复合材料的 工艺和设备非常必要。由于木粉的敏感性，木塑材料在料筒的塑化过程中，也容易烧焦 影响塑化效果。所以，我们不能借用以往的经验来对木塑材料进行加工，这就需要我们 重新设计出针对木塑材料进行生产的专用设备以适合木塑复合材料制品的生产。 在现有生产设备的基础上，考虑到成本和周期，我们仅对挤出设备和注塑设备中， 影响木塑产品性能的关键部件进行重新设计。经过对木塑材料的成型工艺进行分析，不 难得出，塑化阶段是决定性环节，而螺杆是影响塑化的关键因素，故而我们在兼顾其他 机器组成( 包括机头、料筒、冷却装置) 的前提下，集中对螺杆参数改进设计，保证物 料塑化质量，最大限度的延长木塑产品的使用寿命，提高产品质量，提高木塑产品的使 用性能。 1 2 木塑复合材料及其设备研究现状 为方便读者理解本节内容，将就木塑复合材料研究现状、木塑复合材料专用螺杆的 陕西科技大学硕士学位论文 研究现状、螺杆计量段熔体塑化进行数值模拟研究现状三个方面介绍课题研究的发展状 况。 1 2 1 木塑复合材料研究现状 2 0 世纪初，木塑复合材料问世，最早在欧美兴起【- 】。这种材料主要是用各类塑料或 塑料废弃物与各类植物纤维复合而成。这类材料最早应用于变速器的生产制造，基于最 早的复合材料因植物纤维和塑料的相容效果不理想，所以没有被广泛推广和应用1 2 1 。1 9 6 3 年，b r i d g e f o r d 改善了植物纤维和聚合物的相容性。此后不久，美国著名学者耶尔发表 了催化加热法制造这种材料的论文1 3 l ，美国的一家公司将这种技术用于生产木塑复合 材料，并且使用这种材料加工台球杆0 4 1 。9 0 年代初，t r e x 公司开始生产p e 木粉的复 合材料，并将其应用于地板、盖板生产。1 9 9 7 年，d o r o u d i a a is 等人采用低压聚乙烯和 木粉等植物纤维混合，实现了这种材料的注射成型1 6 1 。近几年，有名的辛辛那提公司制 造出一系列的挤出机，使木塑复合材料的定型速度得到有效提高川。北美是目前世界 w p c 产量和市场最大、发展最早、最快的地区，2 0 0 1 年产量为3 2 0k t ，到2 0 0 5 年达 到了6 8 0k t ，其中美国t r e x 公司的产量2 0 0 6 年将超过3 0 0k t ，而占美国总产量的比 重却从7 0 左右下降至不到5 0 ，这说明美国的木塑工业总体的发展速度在加快。北 美和欧洲2 0 0 2 年消费的w p c 达到6 8 万t ，预计到2 0 1 0 年分别将以1 4 和1 9 的速 度增长，远高于同期塑料工业的总体增长率i s l 。 国内，从1 9 8 0 年开始，就已经不断地有人对木塑复合材料的制备和成型进行了探索： 福建林学院的教授将植物纤维与废弃的聚合物进行混合制造，这是国内在研究这种材料 所迈出的有力的一步例。紧接着，中国林科院也展开了木塑复合材料的研究，并取得成 就o ，。上海交大的材料研究所也展开了偶联剂对木塑复合材料影响的研究，并分析了材 料的相容性机理i l l l 。中科院在广州的研究所呲，使用化学改性的方法，对木塑复合材料进 行改性测试木塑材料的力学性能。刘慧伦等研究了植物纤维与天然橡胶共混，对其与聚 氯乙烯的木塑复合材料的材料性能作出的分析1 1 3 1 。刘如燕1 1 4 等采用红外光谱探究了材料 不同界面对材料性能的影响。除此以外，全国其他各个大学的材料学院或研究所均对木 塑复合材料的性能做了相应的研究以方便解决w p c 成型时所面临的各种问题。总之从 国内情况看，木塑复合材料的应用以汽车内衬材料的使用尤为突出。这样的应用在国外 汽车工业已有2 0 多年的使用历史，但是在我国仍属起步阶段。同时，国外使用的轿车门 衬板在国内仍是空白，这也将是我国民族工业亟待开发的领域。 1 2 2 木塑复合材料成型设备的研究现状 木塑复合材料的成型方法与普通塑料成型方法无异，主要有注射成型、模压成 型和挤出成型等方法。在工业上生产木塑复合材料的设备主要有以下三种： a 注塑机 2 木塑复合材料注塑与挤出成型专用螺杆的设计与研究 木塑复合材料的注射成型是一个较新的研究领域。注射成型的优点是生产速度 快、效率高、易实现自动化生产，且能成型形状复杂的制品。但是木粉和塑料相容性 差，而且塑料的成型温度较高，容易引起木粉的分解，注射成型木塑复合材料制品 的方法已经流行，但是其产品并未得到推广与应用。德国每年会消耗大量的木塑复 合材料，但是仅有很小的一部分材料被用于注射成型生产，。根据p r i n c i p i a 的市场 调研统计，注射成型制品在市场上的销售量仅占3 ，但是该机构预测在未来的几 年内木塑复合材料的注塑产品将会大幅增长1 1 6 1 。英国的a l i c h e m 国际有限责任公司 开发出了一种新型植物纤维与塑料的复合材料，这种材料采用通用注塑机成型。这 种在不改进设备而完成成型生产的办法将会是木塑复合材料在注塑方面的一大进 步，不但节省了生产成本，同时也减轻了企业购买新设备的压力。 b 挤出成型机 对于成型木塑复合材料的挤出设备主要为三种，其主要区别在于成型的关键部 件螺杆的个数和结构的不同，即单螺杆挤出机、锥形双螺杆挤出机、平行双螺 杆挤出机。首先介绍单螺杆挤出机：单螺杆挤出机的螺杆成型机理主要是对物料的 摩擦。木塑复合材料中，植物纤维相对密度小，质地疏松，再加上这两种材料之间 导热系数都较低，所以这种材料的塑化时间过长将会导致木粉过热分解，最终降低 产品质量。介于单螺杆挤出机的结构，它在塑化过程中混炼和对物料的排气效果均 不理想，但是目前单螺杆挤出机仍然被厂家应用于木塑复合材料的成型主要优势在 于其结构相对于其他两类简单，维修成本低且方便。因此，目前国内外研究人员均 在对单螺杆挤出机的部件进行改进，以达到木塑制品的使用要求。单螺杆挤出机在 成型木塑复合材料方面做的改进目前主要是针对该设备的关键部件螺杆。北京 化工大学特种挤出中心自行开发研制出一种可以生产木塑复合材料并且将单螺杆 挤出机的缺点进行改善的成型设备一一串联式磨盘螺杆挤出机。这种挤出设备是在 单螺杆挤出机的基础之上，组合了磨盘挤出机的结构。这样的科学组合不仅功能强 大，而且成型效率有所提高，特别适用于粘度较高的塑料和植物纤维复合的材料的 成型f 1 7 l 。 双螺杆挤出机最初出现在2 0 世纪3 0 年代，意大利的r o b w e r t oc o l o m b o 公司在1 9 3 0 年研制了第一台同向旋转双螺杆挤出机，紧接着异向旋转双螺杆挤出机在c a r l op a s q u e t t i 公司诞生。m l l a c r o n 公司在双螺杆挤出机机筒上增设了第2 个排气口，采用垂 直加料式物料输送装置连续预混各种原料，靠预混热排除残存水分，然后把预混料 加入锥型或平行双螺杆挤出机，以改进脱水效果，提高产量i i 。i 。同时真空脱气区后 串联着双螺杆啮合机和异向双螺杆挤出机，物料熔融温度比一般双螺杆机加工时低1 0 - 2 0 。这种改进使得挤出机能耗降低，产量提高，并改善了传统设备进料不均匀 3 陕西科技大学硕士学位论文 的弊病，并能适应不同熔体粘度和熔融温度的原料配混要求日本c t e 公司 1 9 1 研制出 配混用h t m 型双螺杆连续啮合挤出机，提出了制备w p c 时可以不用预干燥木粉和 塑料。另外，配混木粉和塑料的比例中，木粉的比例高达7 5 。平行双螺杆挤出机也 在拓展其加工范围：采用平行双螺杆挤出机，先对物料进行前期脱水，进而再加入其 他添加剂。这种挤出机的优势在于温控范围小，温度低，避免烧结现象的发生，同 时有利于木粉混合的均匀性和精确控制木粉与塑料的配比。 锥形双螺杆挤出机在木塑复合材料的加工中具有能耗低、停留时间短、温控好 等优势，利于对剪切敏感和温度敏感的材料加工，也能够消除木粉的过热分解现象。 锥形双螺杆挤出机螺杆转速较低，益于植物纤维和塑料的互相混合、塑化以及互相 浸润。另外，介于锥形螺杆的直径从进料段到计量段逐渐变小，这样的过渡利于熔 料进入机头。锥形双螺杆挤出机与与平行双螺杆挤出机相比，解决了平行双螺杆挤出 机传动系统中传动装置的布置问题，同时它自身加料段传热面积大、螺槽容积沿着螺杆 轴向逐渐减小的优势有利于物料的加热和压缩；又因为其计量段螺杆直径小，则轴向推 力减小，如此同等生产水平下，锥形双螺杆挤出机不但能耗小而且机器寿命长1 2 0 l 。美国 m i l a e r o n 的e x t r u s i o nt e c k 分部是世界上主要w p c 挤出机供应商，该公司的锥形双螺杆 挤出机长径比高达2 7 ：1 ，可降低木屑湿气含量，提高物料混合均匀度。s m sp l a s t i c s t e c h n o l o g y 生产的t i t a nf 系列螺杆计量段长度短，既利于熔体流动，也缩短材料在计 量段停留时间，缩短材料劣化率。其加工处理材料的木质含量高达9 0 ，复合材料弹 性模量在4 0 0 0n r a m 2 8 0 0 0 n m m 2 之间。 随着挤出技术的不断发展，可视化技术已作为研究成型设备有效的手段被引入木塑 复合材料加工领域，可以对双螺杆挤出机啮合区和非啮合区的物料挤出状态进行可视化 分析。 1 2 3 螺杆对熔体的塑化过程数值模拟研究现状 数值模拟技术的运用是木塑复合材料成型加工以及模具设计发展中的一个重要飞 跃。它的使用避免了设计人员的盲目性，同样方便生产操作人员预测工艺参数对制品加 工性能的影响。木塑复合材料成型加工的数值模拟依然利用材料学、流变学、传热学、 计算力学、计算机图形学这一系列理论，建立木塑复合材料成型过程中数学模型和物理 模型的有效数值计算方法。近年来使用的数值模拟方法主要是f d m ( 有限差分) 法和 f e m ( 有限元) 法。这两种方法均把求解域离散成网格，采用以点代域的温度替代方法。 这种方法使我们在求解熔体的温度场的过程中，只需要求解每个网格节点的温度就能满 足要求。f d m 法与f e m 法的网格形状亦有所不同，一个是通过正交的网格线变换成三 角形，一个则既可以是三角形，也可以是四边形。在螺杆对熔体塑化过程数值模拟研究 中，多采用f e m 法。接下来分别就注塑机螺杆塑化段和挤出成型螺杆塑化段的数值模 4 木塑复合材料注塑与挤出成型专用螺杆的设计与研究 拟进展做简要介绍。 a 挤出机挤出过程数值模拟 螺杆是挤出机成型的关键部件。螺杆的性能直接决定了产品的产量、挤出熔融物料 出口的温度、熔体质量、熔融物料的混合均匀性以及产品产量和能耗等问题。利用数值 模拟分析可以预测固体床的分布，沿着螺杆轴向上物料的温度和压力、单位体积变化率， 同时也可以查看局部温度、速度、应力、剪切速率以及热传导等。通过数值模拟可以对 螺杆参数进行优化设计，得到料流温度分布、材料性能结果。目前挤出机的理论发展的 相对完善，数值模拟所应用的数学物理模型都相对成熟，很多挤出机模拟分析的商业软 件1 2 1 1 都可模拟常规挤出机的挤出过程，而且还能模拟带混炼单元的螺杆、多级螺杆等的 挤出过程。a n t o n i o ：2 1 用f d m 法和遗传算法对挤出机螺杆进行分析和优化设计。m a n a b kd m l 通过实验验证单螺杆挤出机螺杆计量段熔体的热传递过程。国内对挤出过程的模拟 主要是根据朱复华1 2 4 1 的三段七区物理模型，对单螺杆挤出过程进行数值模拟：王建华1 2 5 1 和孙静t 2 6 ，开发了单螺杆挤出过程的数值模拟软件；孙秉忠在挤出机挤出理论挤出上开发 p e x 软件；林武r 2 7 1 等人给出了单螺杆挤出机螺杆计量段熔体模型，并对其流动状况进行 数值模拟，完成了螺杆计量段参数的优化。邢应生例根据非塞流固体输送理论，建立简 化的三层模型对挤出机固体输送段进行数值模拟，结果表明非塞流输送理论的三层模型 法与有限元计算方法接近，并应用于塞流固体输送理论。除此以外，解析法的应用也较 为广泛，以华南理工大学梁基照的约束坐标轮换法分别求解优化挤出机单螺杆三段参数 的成就最为突出。 b 注塑机螺杆塑化物料过程数值模拟 当前对注塑机螺杆塑化物料过程的数值模拟研究理论主要建立在挤出理论的基础之 上，然注塑机塑化过程的模拟技术研究却在新理论的不断改善中充分展开。2 0 0 2 年。 k u n g t 2 , ，利用往复式挤出机川模型，对注塑机进行改进，采用瞬态熔融，理论建成模 型，对熔体塑化进行模拟，解释了稳态熔融不能解释的塑化现象。戴晓静1 3 2 1 同样利 用此理论，建立了螺杆的第三段的三维非等温模型，并对螺杆进行了参数化开发。 她的研究降低塑化过程中热量损失，提高塑化能力。同年，李长勇1 3 3 1 根据注塑基本理 论利用有限元分析软件建立了注塑机螺杆计量段能量消耗模型，分析了计量段塑化过程， 优化了螺杆计量段的参数，并将优化结果与标准螺杆进行实验对比，表明优化螺杆性能 优于标准螺杆。张谦1 3 町利用固体输送理论推导出螺杆工作过程的数学模型，提出了螺杆 优化设计的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，完成对注塑机螺杆的优化设计。陈志俭1 3 5 1 建立了组合式注塑机螺杆的 熔融段物料的等温二维物理和数学模型，结合实验，得出了螺杆结构对聚氯乙烯塑化的 影响。2 0 0 5 年，马德君，陈晋南等1 3 6 ”3 5 1 对注塑机的部件建立三维模型，进行了等温数 陕西科技大学硕士学位论文 值模拟，为后期注射螺杆的设计提供理论支持。他们同样针对螺杆头进行了数值模拟， 以分析螺杆头上的螺纹对塑化的影响。结果表明螺杆头螺纹可以降低融料速度，提高熔 料粘度。王明丽等m 一使用流体流动分析软件p o l y f l o w ，就注塑机螺杆头有无止逆环， 建立熔体模型进行分析，得出止逆环可以防止熔体回流的结论。武停启等m 采用f v m 离 散出方程给出注塑机螺杆塑化过程中的能量方程，运用简单算法求解，得出熔体内部温 度分布复杂的结论。高欣，杨于光等i 对注塑机螺杆第三段中的熔体进行了三维流场分 析，得到了流场的变化规律，建立了注塑机螺杆的模拟分析方法。刘菊等i 北】根据注塑机 的工作状态，对适合硬聚氯乙烯成型的集中螺杆结构的计量段熔体做了数值模拟，通过 对分析场量的比较，分析不同结构对塑化硬聚氯乙烯的塑化效果影响，从而择优选择其 螺杆结构。 总之，在螺杆的设计和优化研究方面，注塑机与挤出机相比，其研究多在融料的后 期成型模具方面。注塑机成型不论是成型普通塑料还是复合材料，它的基础理论还 有待进一步完善，目前大多数关于注塑机螺杆的优化设计借鉴于挤出机螺杆。所以，关 于注塑机的螺杆的理论和成型模拟仍需要不断的研究。 1 3 本课题研究的目的和内容 1 3 1 本课题的研究目的 本课题作为陕西省科学技术研究发展计划项目“农业生物质资源利用技术研究及产 品开发一农业废弃纤维废弃塑料复合材料产品的研究与开发 、陕西省教育厅自然科学 专项科研项目“玉米秸秆p p 界面相容机理及复合材料性能的研究”、咸阳市科技计划项 目“废弃塑料秸秆复合材料产品的研究与开发、陕西科技大学机电工程学院与浙江味老 大工贸有限公司的合作项目“竹粉塑料复合材料注塑成型技术的研究与开发 中的一部 分，主要开展注塑与挤出成型螺杆的塑化过程的研究。课题希望能够建立注塑机螺杆参 数化模型：利用有限元分析软件，分别对注塑机、单螺杆挤出机、同向双螺杆挤出机的 螺杆的计量段熔体运动特性进行数值模拟，对注塑机和挤出机螺杆的参数进行优化，以 提高木塑复合材料注塑与挤出成型中螺杆的塑化能力及其产品的质量。 1 3 2 本课题的研究内容 本课题主要包括以下研究内容： ( 1 ) 以注塑机螺杆为例，通过使用p r o e 软件中关系和参数命令对注塑机三种类型 螺杆进行参数化建模设计，利用参数化界面，改变选定的参数，进而生成螺杆的模型。 避免了因设计人员个人知识经验在螺杆设计、测试方面大量修改模型和参数。 ( 2 ) 本文分析了w p c 的成型工艺，分析了成型设备中的重要部件螺杆的参数 以及工艺条件对w p c 塑化效果的影响；对木塑复合材料专用螺杆的结构将进行分析， 6 木塑复合材料注塑与挤出成型专用螺杆的设计与研究 利用有限元分析软件a d i n a ，建立螺杆塑化段熔体的模型，模拟注塑用螺杆对物料塑化 过程，最终对螺杆结构参数进行优化，设计出能够提高注塑成型产品质量的专用螺杆。 ( 3 ) 总结单螺杆挤出机挤出过程及其基本理论，提出衡量单螺杆挤出机螺杆优劣的 标准，采用数值模拟的方法，建立符合单螺杆计量段运动规律的的数学模型及物理模型， 利用有限元分析软件a n s y s 中的流体模块模拟计量段熔融物料的流动，求解出熔体的 压力、熔体流动速度，根据给出的优化指标优化计量段参数，为挤出机单螺杆的优化设 计提供支持。 ( 4 ) 分析总结双螺杆挤出机螺杆的结构特点及工作原理，以啮合型同向双螺杆为例， 根据其物料输送机理给出双螺杆熔体输送段熔体的数学和物理模型，通过有限元软件 a n s y s 流体模块模拟对熔体输送过程进行数值模拟，求解出熔体的速度场和宏观压力 场。 7 木塑复合材料注塑与挤出成型专用螺杆的设计与研究 2 注塑机螺杆的参数化设计 注射成型是塑料在注塑机的加热料筒中受热熔融，而后由往复式螺杆将熔体推挤到 闭合模具的模腔中成型的一种方法。它不仅可在高生产率下制得高精度，高质量的制品， 而且可加工的塑料品种多，产量大( 约为塑料总量的1 3 ) 和用途广，因此，注塑是w p c 重要的成型方法之一。要提升产品质量，则需要根据材料性能，对成型部件的结构进行 研究，可以尝试借助一些软件辅助完成。以期达到合理设计螺杆结构的目的1 4 3 1 。 2 1 注塑机螺杆结构参数简介 2 1 1 螺杆结构 目前工厂广泛使用的注塑机螺杆主要有三种类型：渐变型、突变型和通用型。这三 种螺杆根据每段的作用与结构的不同，又分为加料段( l i ) 、压缩段( l 2 ) 、计量段( l 3 ) 和螺杆头四段。 图2 1 所示为一根三段式螺杆，其中，l 为螺杆的总长度；l l 是螺杆加料段的长度， l 2 是螺杆压缩段的长度，l 3 为螺杆计量段的长度。h 1 为加料段螺槽深度；h 3 为计量段 螺槽深度；d 。为螺杆外径；s 为螺纹导程；e 为螺棱法向宽度；0 为螺杆螺纹升角；6 为 螺杆与料筒内壁的间隙。 图2 - 1 注塑机螺杆结构h q f i g 2 - 1t h es t r u c t u r eo f t h ei n j e c t i o ns c r e w 注塑机螺杆的结构参数主要分为如下几类f 2 2 1 ： ( 1 ) 螺杆长度方向一直保持不变的参数：主要指螺杆直径d 、导程丁( 一般情况下， 螺杆头数尸为1 ，故硝) 、螺距s 、法向螺棱宽度口、机筒内径d b 和螺杆与料筒内壁间 隙6 ( 6 一般0 1 0 7 m m ，) 。特殊情况下，如变距螺杆的导程和螺距会在螺杆全长上发 生变化。 ( 2 ) 螺杆轴向长度上的变化参数：变化参数主要是螺槽深度。对于渐变螺杆而言， 螺杆的三段螺槽深度皆不相同。其中螺杆加料段的螺槽深度为h j ，计量段的螺槽深度为 胁，通常情况下都是加料段螺槽深度大于计量段螺槽深度。而渐变型螺杆的螺槽深度则 9 陕西科技大学硕士学位论文 是由h ，线性减小到协。 ( 3 ) 螺槽法向宽度形和螺纹升角p ：这两个参数沿着螺杆的直径不断变化，通常 取值方式： 形：坠坠p = 垒生 2 ： 2 ( 2 1 ) 除此以外，螺杆的参数满足关系：s = 死d t g o 。只要确定其中任意两个，另一个也就 确定。 最后，介绍一下几何压缩比和其他参数之间的关系： 。( d - h a ) h , ( d 一坞) 呜 ( 2 2 ) 2 1 2 注塑机螺杆头的结构 在注塑成型过程中，螺杆头也会对物料的塑化和均匀性起到作用，比较常用的螺杆 头主要有以下几类： 锥形螺杆头：锥形螺杆头的锥角一般为2 0 0 3 0 0 ，其类型分为两种，一种是光滑圆 锥形，另一种是在锥形处加工出螺纹。两种螺杆主要差异在于头部有螺纹的螺杆，其螺 杆头附近会因引起较大剪应力而容易是熔体稀化，最终粘度降低。 止回环螺杆头：止回环型螺杆头主要用于中低粘度的塑料，主要作用是为了提高注 射效率。其结构如图2 2 所示。通常情况下止回环分为独立止回环、与螺杆同步旋转止 回环、双止回环。这三种止回环的功能相似，只是双止回环密封效果好，使用寿命长。 行程 滑动环( 前位) 图2 - 2 止回环螺杆头工作原理l f i g 2 - 2b a s i cp r i n c i p l eo fi n j e c t i o ns c r e w h e a dw i t hs t o pr i n g 止逆球螺杆头：该螺杆头的工作原理与止回环型螺杆头相似，所不同的是这种结构 对物料不会产生附加剪切作用，对剪切敏感的物料适用。 2 1 3 螺杆对物料的输送作用 在一次注射成型过程中，往复式注塑机螺杆的塑化过程由以下几个动作组成： ( 1 ) 注塑机螺杆在螺杆头前段充满融料时，受融料的压力旋转着后退； 1 0 木塑复合材料注塑与挤出成型专用螺杆的设计与研究 ( 2 ) 螺杆在后退的过程中对螺杆头前端的融料进行计量： ( 3 ) 受后方液压驱动，向前快速完成融料的注射。 木塑复合材料在螺杆的输送中经历了一系列的变化，如图2 3 所示：首先，从料斗 进入的料在螺杆螺槽中开始堆积压实，形成固体塞；其次，物料被料筒的外加热器所传 递的热量以及料筒和螺杆之间的摩擦、剪切等作用产生的热量是物料由固态转变成熔融 状态的主要热量来源：最后，物料全部变成熔融状态并且在螺杆的作用下均匀分布，并 准备开始注射。 c ) 熔腰形成 _ m m a , m a o ) 熔化进行过程 d ) 熔池形成 图2 - 3 聚合物塑化过程撕1 f i g 2 - 3t h ep o l y m e rp l a s t i c i z a t i o np r o c e s s 2 2 注塑机螺杆塑化理论简介 2 2 1 固态物料输送原理 非塞流与塞流是注塑机在工作时物料所需要经过的阶段。物料从料筒加入，在螺杆 的加料段不断被压实，将其假设为塞流随着螺杆的运动向前输送，而在这种假想的塞流 形成之前的阶段统称为非塞流阶段。下面简单介绍一下塞流固体输送理论和非塞流固体 输送理论。塞流固体输送理论假设物料在螺杆中形成固体塞，与螺槽表面接触，且其受 力仅仅沿着螺槽方向变化，所受到的重力等忽略不计，并且假设螺杆静止，料筒相对旋 转。非塞流固体输送理论则是由朱复华教授提出的一种对物料的分层分析方法。非塞流 的简化物理模型与塞流假设相似，所不同是，在非塞流理论中，料粒之间存在相对滑动 陕西科技大学硕士学位论文 的力作用。 2 2 2 熔融理论 目前应用最广泛的熔融理论主要是k l y u n g 提出的瞬态熔融理论。其模型如图2 - 4 所示： y z x 图2 - 4 固体输送段的颗粒熔融模型 f i g 2 - 4t h em e l tm o d e lo fp l a s t i cg r a n u l ei ns o l i df e e d i n g - p a r t 这一理论主要建立在这样的假设条件下：颗粒半径趋于无穷，且物料在溶解的过程 中熔体薄膜始终停留于液态层；初始时刻物料的温度即料筒内壁的温度且温度值在数值 上等于物料的溶解温度；忽略物料对流生热，并假设熔体薄膜的压力方向是图中所示的 x 方向；假设溶解过程中密度不发生改变。 2 2 3 熔体输送理论 注塑机螺杆的输送理论是通过在螺杆螺槽中做等温流动的物料熔体建立的。其中， 该等温流体被假设为牛顿流体。该理论可以用来表征注塑机螺杆所能提供的熔融物料的 最大塑化能力q s ，即： g = 芋( r , d n c o s 啪旷乎 亿3 ， 式中： d 一一螺杆直径( m m ) o h ，一一计量段螺槽深度( i 衄) 5 p 一一螺纹升角 n 一一螺杆转速( r m i n ) ： k 一一计量段螺杆的后退速度( m s ) ； r 一一螺杆背压( m p a ) ； j l l 一一塑料熔体在计量段的粘度( 其大小与温度、剪切速率、压力有关系，p a s ) ； 1 2 木塑复合材料注塑与挤出成型专用螺杆的设计与研究 厶一一螺杆计量段长度( m m ) 。 从式2 3 可以看出，螺杆的结构参数、成型工艺条件、材料的性能参数都会对q s 产生影响 2 3 注塑机螺杆的参数化设计 2 3 1 螺杆基础模型建立 4 7 1 介于通用型螺杆应用最为广泛且通用型螺杆的压缩段长度是介于渐变型和突变型螺 杆之间的；故而以通用型螺杆为原始模型进行建模。基于p r 0 e 的螺杆三维建模主要有 两种方法来完成：一是通过自顶向下，先建立实体结构，再对各尺寸变量进行参数赋值， 以参数驱动来实现不同型号的螺杆。另一种方法是自底向上的方法，根据螺杆结构和工 作原理，基于草绘的参数化设计绘制出相应的螺旋线轨迹，主要方法是以笛卡尔坐标或 柱坐标建立曲线方程如： 笛卡尔坐标系下的螺旋线： x = 口c o s ( t ( b x 3 6 0 ) ) y=口sin(tx(bx360)(2-4) z = c f 式中a 、b 、c 为螺旋线结构尺寸变量。由于螺杆螺槽为渐变型，曲线方程难于建立相对 于第二种方法，第一种比较直观简便，因此我们采用第一种方式进行螺杆的结构设计。 2 3 2 基于p r o e 注塑机螺杆的参数化建模 在p r o e 的“工具命令里，利用“关系 和“参数命令，通过对螺杆的可变参 数进行提取，对不变参数进行关系约束，完成螺杆的参数化，最终实现螺杆的参数化设 计。而注塑机三种类型螺杆的差异在于螺杆压缩段的长度不同；同时，螺杆的螺槽深 度根据螺杆有效直径发生变化，螺杆各段长度受螺杆的有效总长影响。这是参数化的难 点。 建立螺杆螺纹方法主要是利用p r o e 插入命令里的“切口 和“伸出项：“切 口”是在现有模型上面切除材料获得螺纹；“伸出项 是在现有模型上面添加螺纹。选 择不同的建模方式则螺杆的有效直径将发生变化。 注塑机螺杆的螺槽深度将是一个变值：加料段螺槽深度用h l 来表示，是个定值； 计量段h 3 一般也是个定值，压缩段的螺槽深度是变化的，用h 2 表示。故而在建立压缩 段扫引轨迹时，对扫引轨迹进行关系转化，即压缩段扫引轨迹末端点到中心线的距离关 系： a = h 1 一h 3 + d s 2 。 ( 2 5 ) 而螺杆螺纹通过切除螺槽材料来实现，故而切除的螺槽材料轴向宽度关系： 陕西科技大学硕士学位论文 w = $ - - e ( 2 6 ) 利用参数化建模最终建模基础模型如图2 5 所示，对螺杆的参数提取如图2 - 6 所示。 一一p ，5 一 !t一 一一一j 分o ? o ? ! e7 图2 5 螺杆模型建立 f i