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注塑螺杆的结构设计及塑化过程数值模拟研究 摘要 注塑是塑料加工中重要的成型方法之一。注塑件质量的好坏不仅与注塑 过程息息相关,也与塑料的塑化质量有着密不可分的关系。而螺杆是往复式 单螺杆注塑机的关键塑化部件:此外,不同种类的塑料,其比热容、导热性、 稳定性及粘度都存在差异,因此,研究螺杆结构并设计新型专用注塑螺杆逐 渐成为改善塑料塑化效果的新趋势。本文对注射成型塑化过程的理论基础及 其影响因素,螺杆设计方法,采用流动模拟软件优化螺杆设计参数进而设计 专用注塑螺杆等方面进行了研究,主要工作如下: 首先分析了注塑螺杆塑化过程中的理论基础,包括固体输送理论,熔融 理论和熔体输送理论;进而详细讨论了影响物料塑化效果的因素:在工艺参 数方面,讨论了螺杆转速、料筒各段加热温度、背压、成型周期等对塑化效 果的影响;在注塑螺杆方面,讨论了螺杆的长径比、计量段长度、计量段螺 槽深度、螺杆与料筒间隙等多个参数对塑化效果的影响,并考虑了螺杆头部 结构对注射过程的影响;分析了在螺杆计量段( 或压缩段) 添加混炼剪切 元件,可以弥补注塑螺杆相比于挤出螺杆固有的不足,提高物料塑化的均一 性。 还提出了衡量一根注塑螺杆设计是否成功的标准:在满足塑化温度均一 性、组分均一性和计量精度的前提下,追求大的塑化能力;归纳并总结了常 用注塑螺杆结构设计时参数取值的经验公式,介绍了目前出现的多种新型注 塑螺杆的结构。 接着讨论了两种简化形式下建立的塑化计量段流体流道模型,分析了影 响熔融流体粘度的四个因素,在此前提下,讨论了在a d i n a 流体分析模块中 模拟塑化过程时应该采用的边界条件和熔融流体的粘度本构方程。 最后,以硬质p v c 为例,利用所总结的经验公式初步设定了p v c 专用 注塑螺杆的部分结构参数范围,进而采用正交试验法在a d i n a f 中进行了塑 化模拟分析,通过观察熔体在计量段的剪切应力场、压力场和速度场,优选 了计量段参数和塑化p v c 的螺杆转速,最终设计了p v c 专用注塑螺杆,并 进行了三维建模。 关键词:注射成型,螺杆,结构设计,数值模拟 o ns t r u c t u r ed es i g na n dp l a s t i c i z a t i o n p r o c e s sn u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h e i n j e c t i o ns c r e w a b s t r a c t i n j e c t i o nm o l d i n gi s o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tm e t h o d st om a n u f a c t u r e p l a s t i cp r o d u c t s t h eq u a l i t yo ft h ep r o d u c t si sn o to n l yr e l a t e dt ot h ei n je c t i o n p r o c e s s ,b u t a l s or e l a t e dt ot h ep l a s t i c i z a t i o nq u a l i t y s c r e wi st h ek e y p l a s t i c i z a t i o n c o m p o n e n to fi n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n e w i t hr e c i p r o c a t i n gs c r e w ; b e s i d e s ,d i f f e r e n tp o l y m e rh a sd i f f e r e n ts p e c i f i ch e a t ,h e a tt r a n s f e ra b i l i t y , h e a t s t a b i l i t ya n dv i s c o s i t y , s os t u d y i n gt h es t r u c t u r eo fi n j e c t i o ns c r e wa n dd e s i g n s p e c i a li n je c t i o ns c r e wf o rd i f f e r e n tp o l y m e ri sb e c o m i n ga l lu s e f u lm e a n s t o i m p r o v et h ep l a s t i c i z a t i o nq u a l i t ya n dp r o d u c t sq u a l i t y i nt h i sd i s s e r t a t i o n ,t h e t h e o r e t i c a lp r i n c i p l ea n di n f l u e n c ef a c t o r so fp l a s t i c i z a t i o np r o c e s s ,t h ew a yt o d e s i g na ni n j e c t i o ns c r e w , t h ep a r a m e t e r s s i m u l a t i o no p t i m i z a t i o no fi n j e c t i o n s c r e wi nc f ds 0 1 a r ea l ea l lt o t a l l yd i s c u s s e d ,f o l l o w i n g sa r et h ed e t a i l s : f i r s t l y , t h ep l a s t i c i z a t i o np r o c e s s t h e o r e t i c a lp r i n c i p l eo fi n je c t i o ns c r e wi s a n a l y z e d ,i n c l u d i n gs o l i df e e d i n gt h e o r y , m e l t e dt h e o r ya n df u s e dm a s sf e e d i n g t h e o r y t h ei n f l u e n c e f a c t o r so fp l a s t i c i z a t i o n p r o c e s sa r et a l k e d a b o u ti n s u c c e s s i o n :i na s p e c to fp r o c e s sp a r a m e t e r s ,e f f e c to ft h er o t a t i o ns p e e do fs c r e w , t h et e m p e r a t u r ei ne a c hp a r to f t h eb a r r e l ,b a c kp r e s s u r ea n di n j e c t i o nc y c l et ot h e p l a s t i c i z a t i o nq u a l i t ya r ed i s c u s s e d ;i na s p e c to fs c r e ws t r u c t u r e ,e f f e c to ft h e r a t i oo fs c r e wl e n g t ht or a d i u s ,l e n g t ho fm e a s u r i n g p a r t ,d e p t ho fs c r e wt r o u g h i n m e a s u r i n g p a r ta n dd i s t a n c e b e t w e e nb a r r e la n di n je c t i o ns c r e wt ot h e p l a s t i c i z a t i o nq u a l i t ya r ed i s c u s s e d t h ew a y t os e tu pm i x i n g | s h e a rc o m p o n e n t s i nm e a s u r i n g - p a r t ( o rc o m p r e s s i o n - p a r t ) i sa n a l y z e dc o u l dc o m p e n s a t ef o rt h e i n h e r e n ts h o r t c o m i n g so fi n j e c t i o nm o l d i n gs c r e wa n di m p r o v et h eu n i f o r m i t yo f m a t e r i a l sp l a s t i c i z a t i o n as t a n d a r dt oa p p r a i s et h ed e s i g no fi n j e c t i o ns c r e wi sa l s op r o p o s e di nt h i s d i s s e r t a t i o n :u n d e rt h ep r e m i s eo fs a t i s f i e da t p l a s t i c i z a t i o nt e m p e r a t u r e h o m o g e n e i t y ,c o m p o s i t i o nh o m o g e n e i t ya n dm e a s u r e m e n ta c c u r a c y ,p u r s u i n g l a r g ep l a s t i c i z a t i o nc a p a c i t y ;s u m m a r i z et h ep a r a m e t e r s e m p i r i c a lf o r m u l at h a t i i i c o m m o n l yu s e df o rd e s i g ni n j e c t i o nm o l d i n gs c r e w ;i n t r o d u c eav a r i e t yo fn e w i n j e c t i o nm o l d i n gs c r e w t h e nt w o s i m p l i f y m o d e lo f p l a s t i c i z e r f l u i df l o wc h a n n e li n m e a s u r e m e n t p a r tt h a ts e tu pw i t hp r e d i g e s t i o na r ed i s c u s s e d f o u rf a c t o r st h a t a f f e c tf l u i dv i s c o s i t ya r ea n a l y z e d ,a tt h e s ep r e m i s e s ,b o u n d a r yc o n d i t i o n sa n d v i s c o s i t yc o n s t i t u t i v ee q u a t i o no fm o l t e nf l u i dt h a ts h o u l db ea d o p t e dd u r i n g s i m u l a t i n gp l a s t i c i z ep r o c e s si na d i n a a r ed i s c u s s e d f i n a l l y ,p u tr i g i dp v c a sa ne x a m p l e ,u s i n gt h ee m p i r i c a lf o r m u l a ,s o m eo f t h ep v ci n j e c t i o ns c r e w ss t r u c t u r ep a r a m e t e r sa r es e tu pp a r t l y ,a n dt h e n s i m u l a t et h ep l a s t i c i z ep r o c e s si na d i n a fw i t ho r t h o g o n a lt e s t ,b yo b s e r v i n gt h e s h e a rs t r e s sf i e l d ,p r e s s u r ef i e l da n dv e l o c i t yf i e l d ,o p t i m i z et h es t r u c t u r eo ft h e m e a s u r e m e n t - p a r ta n dt h er o t a t i o ns p e e do fs c r e w ,as p e c i a lp v ci n j e c t i o ns c r e w i sd e s i g n e da n di t s3 dm o l di sa l s os e tu pu l t i m a t e l y k e y w o r d s :i n j e c t i o nm o l d i n g ,s c r e w , s t r u c t u r ed e s i g n ,n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i v 注塑螺杆的结构设计及塑化过程数值模拟研究 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明 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 研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。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责任 由本人承担。 论文作者签名:亟通堇鱼 日 期: 2 q q 翌生旦 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解陕西科技大学有关保留、使用学位论文的规定,同意学校 保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅 和借阅;本人授权陕西科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进, f 亍- g k 索,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学 位论文全文数据库,并通过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名:亟强堑导师签名:壁:! 日期:2 q q 刍生物 r、p 注塑螺杆的结构设计及塑化过程数值模拟研究 1 绪论 1 1 课题研究意义 注射成型是塑料先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 塑料加工中重要的成型方法之一。 如今,注塑产品在全部塑料制品生产中占据着重要地位,无论是国际国内都潜在着 巨大的消费市场。而注塑件质量的好坏不仅与注塑过程息息相关,也与塑料的塑化质量 有着密不可分的关系。不同种类的塑料,其比热容、导热性、稳定性及粘度都存在差异; 此外,制品的形状大小、厚度等也对物料的塑化提出了不同的要求。因此,不同的物料, 不同的制品都有一个理想的塑化工艺条件,如螺杆转速、背压( 塑化压力) 、料筒加热温 度、螺杆后退速度等。 不同的物料,除过对塑化工艺的要求不同外,对塑化过程的关键部件螺杆的结 构设计,自然也就提出了不同的要求。目前,普遍使用的往复式注塑机的塑化部件主要 由螺杆、螺杆头、料筒和注射喷嘴等组成。其中螺杆的作用是对塑料进行输送、压实、 塑化和施压。螺杆塑化是注塑技术的一个重要特征。注塑螺杆的几何参数,如直径、长 径比、各段长度比例、螺槽深度及压缩比等,对螺杆的工作特性均有重大的影响。以往 设计人员只是根据经验和挤出机的塑化理论来确定螺杆结构参数,而实际上注塑螺杆具 有间歇工作、轴向运动、物料瞬时熔融的特性,这些都是有别于挤出螺杆的。随着物料 种类的不断增加以及人们对注塑制品质量要求的不断提高,系统深入地研究注塑螺杆显 得日益重要和紧迫。 另外,为避免熔料的回流,还应当考虑螺杆头部的结构。 因此,为提高生产率,得到高质量的制品,应当根据各种塑料熔体的特性,对螺杆 的结构参数进行深入分析,并借助专业的流动模拟软件进行数值模拟量化分析,在常用 三种螺杆( 渐变型、突变型和通用型) 的基础上,对螺杆结构进行合理设计,研究开发 注塑机专用螺杆,进一步提高物料的混合及塑化效果,以得到温度均匀、混合均匀的熔 融塑料。若配合注射系统加料装置、料筒和喷嘴的合理设计,一定会使注塑机具有塑化 能力高、均一作用好、材料降解程度低、产品质量好、加工性能稳定、能量消耗低等优 点,因此,此项研究具有很好的应用前景,对提高注塑机螺杆设计水平、提高注塑产品 质量具有重要的意义。 1 2 课题研究发展现状 陕两科技大学硕士学位论文 为方便读者理解本节内容,先简单介绍一下往复式螺杆的基本结构及其塑化过程。 1 2 1 螺杆结构及塑化过程简介 如下图所示,注塑螺杆一般由三段构成:加料段、熔融段、计量段( 也称均化段) , 如图1 1 所示。 加睾j l 段熔融段计量羧 翻 0 端, l 一 |露 i - 舞黧i i骚睫潮强疆熬疆 l - _ 石_ z 二_ 誓- 刍_ _ 舀0 _ 噍二_ o ,竺:旌:旌旌i 幽囊 i 圈, _ 一一一一一匿 j i 图1 - 1 注塑螺杆 f i g 1 1t h ei n j e c t i o ns c r e w 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 ) 螺杆边旋转边后退,即进行计量; ( 2 ) 螺杆后退到计量所要求的位置后停止旋转和后退; ( 3 ) 快速向前,以高速完成注射过程。 在螺杆旋转并后退的过程中,聚合物经历了一系列不同的变化。在螺槽的开始阶段, 聚合物由于螺杆旋转输送作用而变得紧密,形成了固体塞;在螺杆中段,由于机筒的外 部加热产生热传递、依靠剪切及摩擦过程使驱动螺杆的机械能向热能转换及粘性耗散的 综合作用,聚合物发生熔融;当聚合物完全熔融时,在螺槽末端出现了熔体输送,如图 1 2 所示: 1 2 2 螺杆塑化过程的研究内容 由于高分子材料的多样性,使其特性相差甚远,各种塑料制品的形状千百态,应用 领域变化万千,加之新型材料的不断涌现等诸多原因,使得对注塑成型中物料的塑化效 果要求越来越高,因此,对于塑化过程的研究一直都是注塑成型的研究重点和难点所在。 目前,对于塑化过程的研究,主要集中在以下几个方面: 首先,对塑化理论的研究及修正 主要指针对挤出螺杆理论包括固体输送理论、熔融理论和熔体输送理论进行深入研 究探讨及修正,寄希望于得出适用于注塑螺杆的固体输送理论、熔融理论和熔体输送理 论。 其次,对塑化工艺条件的实验研究和优化 2 注塑螺杆的结构设计及塑化过程数值模拟研究 ) 圈瞄僦 _ - _ c 籍壤形成 _ _ - 图l - 2 聚合物塑化过程 f i g 1 2t 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 螺杆塑化过程中,工艺条件对物料塑化质量的影响非常大,包括料筒各段的加热温 度、螺杆转速、计量时螺杆的后退速度、背压等。目前有大量的实验研究都是针对塑化 工艺条件的,主要研究针对不同的塑化物料或不同的塑件,优选出最佳的塑化工艺条件。 再次,对螺杆结构的改进及实验研究 螺杆结构同样对物料的塑化质量有着巨大的影响,针对不同的塑料,为提高塑化质 量和熔融效率,利用实验及传统经验设计新型及专用螺杆的趋势近年来不断加强。比如, 粘度对剪切敏感的塑料,可以在计量段增设混炼剪切元件,这样可以获得低温熔体,从 而降低制品的内应力。 最后,对塑化过程的数值模拟探索研究 随着数值模拟技术的提高和专业流动模拟软件的应用,部分研究采用专业的流动模 拟软件对塑化计量段的流场进行了模拟,但是,相比于注射成型充模过程的模拟研究, 这些模拟都还处于探索阶段,很不成熟。 可见,对于塑化螺杆及塑化过程数值模拟的研究还有很大的发展空间,并且这两个 方面必将是未来对于塑化研究的重点所在,因此,下面详细介绍一下这两个方面的研究 进展。 1 2 3 螺杆结构设计研究进展 在注射成型中,注塑螺杆的几何结构直接影响熔体温度均匀性及熔体混合效果的好 陕西科技大学硕士学位论文 坏,而熔体温度均匀性及熔体混合效果又会影响物料塑化效果,进而影响注射制品最终 质量。借助可视化实验装置,可观测螺槽内的熔体流动情况,凭借自身经验优化设计螺 杆。 在国外【2 】: 1 9 8 9 年,v e r b r a a k 等在螺杆上安装梨形或m a d d o c k e g a n 混和元件,或是设置一两 节阻碍段,或是在管道上或喷嘴处安装静止混合器,或是把这几类元件相互组合来进行 试验。结果表明,多波段的m a d d o c k 螺杆具有最好的混合性能;温度测量表明带有阻碍 元件的螺杆具有最好的塑化性能,并能缩短加工成型周期。实验还表明,改善螺杆的设 计比提高背压具有更好的效果脚。 1 9 9 1 年,a m i n o 等研究了一种能够准确测量注塑成型中流动聚合物温度的新方法。 借助这种方法设计的螺杆,具有塑化效率高,融化温度均,混合效果好的特点1 4 。同 年,d o n t u l a 等利用红外传感器测量了螺杆转速、背压、注射行程、熔体粘度对熔体温度 分布的影响【5 1 。 1 9 9 6 年,m a s a y o s h i 等为了更好的注塑成型酚类混合物,设计了一种有助于提高混 合物的温度,降低其粘度的头部带有阻碍元件的螺杆【6 】。 2 0 0 4 年,s p a l d i n g 等在d m 2 的高性能螺杆头上安装了勾形混合元件,与普通的螺 杆相比,降低了注射成型周期、破碎率,提高了熔融量和混合效果川。 在国内: 1 9 9 1 年,王兴天等建立了波状螺杆三维流动的理论模型,将背压作为一个重要变量 予以考虑,求解了等温幂律流动的速度场、压力场和应力场,进一步分析了波状螺杆几 何参数、操作工艺条件和物料流变参数对熔体输送总流率、压力降、槽向压力分布及扭 矩和能耗的影响 s l 。 1 9 9 8 年,王喜顺等采用了二维非等温流动数学模型,首次研究了b m c 材料在注射 螺杆螺槽内的温度分布规律,找出了温度分布与注射成型加工参数的关系【9 i 。 2 0 0 2 年,冯良为等根据注射螺杆在塑化时的受力情况,应用可靠性设计原理,将非 对称循环的变应力近似地简化为对称循环应力,再按等效应力的疲劳强度计算,最后验 算依常规强度设计所得的螺杆结构尺寸的可靠度【- 0 1 。同年,陈剑平等引入了压力的计算 公式,使塞流固体输送流率可直接计算求解,分析了注塑螺杆工作时加料段塑料颗粒的 流动特性【l l l 。 2 0 0 3 年,金志明等通过实时计算机采集系统来记录实验情况,测量了不同工艺条件 和螺杆几何参数时螺杆的轴向温差,讨论了轴向温差的形成机理及其与加工工艺条件和 螺杆参数之间的关系1 1 2 1 。同年,金志明开发了一个用于研究注射成型塑化过程的可视化 实验装置,并利此装置动态观察和记录了物料在螺杆内的熔融和输送过程,对物料在注 4 注塑螺杆的结构设计及塑化过程数值模拟研究 射螺杆内的塑化过程进行了系统的可视化研究,研究表明注射成型的熔融过程是一个非 稳态过程f 1 3 】。 2 0 0 5 年,金志明等利用自行开发的可视化实验装置对注射成型的塑化过程进行了系 统的观察,着重讨论了不同的工艺条件对塑化性能的影响,同时借助示踪粒子对塑化过 程的重要参数一固相速度进行了测量。实验所取得的数据为注射成型熔融模型的建立和 对模型的验证提供了依据,同时也是注射螺杆优化设计的基础数据f 1 4 j 。同年,金志明等 通过可视化实验和在线数据测控系统,研究了m a d d o c k 注塑螺杆的熔融、温度均匀性、 塑化能力等性能。与三段式通用螺杆相比,m a d d o c k 注塑螺杆的性能有较大的提司- s 】。 2 0 0 7 年,张友根对注射螺杆的主要技术进展,从理论和实践上作了比较具体的分析 研究,提出了螺杆主要技术参数及主要结构为进一步适应制品科技进步的设计的原则,并 举例进一步加以说明【1 6 】。 1 2 4 螺杆塑化数值模拟研究进展 模拟往复式注射螺杆计量段螺槽中流动的分析方法有解析法和数值法。由于螺槽中 流动非常复杂,解析法很难进行。近年来多采用数值法求解,如f d m ( 有限差分) 、f e m ( 有限元) 等,两种方法都是把求解域离散成网格,用网格节点上的温度值来代表整个 区域的温度分布。求解温度场就是求解所有节点的温度值。有限差分法的网格形状是矩 形或网格线相互正交( 也可以是三角形,但要作适当变换) ;有限元法的网格形状是三角 形。在计算方法上,有限差分法从微分方程出发,在求解域经过离散处理后近似地用差 分、差商分别替代微分、微商,使微分方程和边界条件转化为线性代数方程组,然后以 计算机为工具求出整个区域内的温度分布。有限元法则是从泛函出发选择一试探函数, 通过变分计算找到符合微分方程和边界条件的近似分析解,这种方法首先应用于弹性力 学,现已推广应用于求解传热问题。两种方法中用的最多的是f e m 。 早期的螺纹流场计算主要是沿机筒展开的简化二维模型,采用螺杆静止、机筒运动 的边界条件,并假设流体为牛顿流体。这种模型的流道、边界条件及流体的性质过于简 化,计算结果与实际相差较大。近年来,随着计算机和计算技术的迅猛发展和普及,计 算机辅助设计和制造被广泛应用于注塑螺杆设计中,一些成熟的三维流体力学软件包也 得到了广泛的应用,并且经取得了一定成果。 2 0 0 2 年,k u n g 等认为注塑成型机可看作往复式挤出机的一种,提出了瞬态熔融模 型,基于此模型进行的模拟很好地解释了那些稳态熔融模型不能解释的实验现象t 7 】。 2 0 0 4 年,戴晓静考虑熔料在同一螺槽中与圆体床相对分离的现象,根据瞬态熔融理 论用a n s y s 软件建立了注塑螺杆计量段的参数化三维非等温数学物理模型,开发了螺杆 的参数化模块用于优化螺杆的几何参数,从而减少了热传递中能量的损失,提高了螺杆 的塑化能力【1 8 】。同年,李长勇等用有限元分析软件动态模拟分析了螺杆计量段塑化过程, 5 陕西科技大学硕士学位论文 得到了沿螺槽方向上纵截面的速度场,计算了注塑机的塑化能力,优化设计了螺杆的几 何参数,并与标准螺杆进行对比试验,结果表明优化设计的螺杆性能优于标准螺杆。 同年,张谦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,实现了注塑螺杆优化的模块化设计洲。同年,陈志俭等建立了组合式注塑螺杆均 化段物料二维等温流动模型,结合实验验证分析探讨了注塑螺杆结构对p v c 塑化效果的 影响【2 1 1 。 2 0 0 5 年,马德君,陈晋南等利用p o l y f l o w 软件对往复螺杆式塑料注射成型机的 计量流道建立三维有限元模型,采用机筒静止、螺杆旋转并进行周期性往复运动的实际 运转条件,进行三维等温流场的数值模拟,求解除了流道内的速度场、压力场、剪切速 率场和剪切应力场,为注塑螺杆的设计提供了一定的理论依据。 2 0 0 6 年,马德君等使用聚合物流动分析软件p o l y f l o w 软件,数值研究了注塑螺 杆头部无螺纹和有螺纹的螺杆头熔料在塑化和注射过程中三维等温流场,求解和分析了 两种螺杆流道的y z 和x y 截面上不同时刻的速度场、压强场、粘度场和剪切应力场。计 算结果表明,注塑螺杆头部螺纹加强了头部熔料的剪切稀化作用,使熔料粘度降低,并 且在注射过程中阻碍了后方熔料向前流动,使得螺杆螺槽中熔料的速度梯度和压强降低, 粘度增加,剪切稀化作用减弱【扭刎。同年,王明丽等使用聚合物流动分析软件p o l y f l o w , 模拟分析了注塑机止逆螺杆头与无止逆螺杆头中熔体的三维等温流场,结果表明塑化时 熔体速度和剪切应力的最大值均出现在沟槽处:注射时,止逆螺杆头沟槽处熔体的回泄 量和回泄速度较无止逆环螺杆头小得多,且沟槽处回泄的熔体到达止逆环时已被完全消 除,因此,止逆环的存在可以有效地防止熔体回泄1 2 5 1 。同年,武停启等采用基于交错网 格的有限体积法( f v m ) 离散了4 大方程,给出了能量方程的全三维离散格式,运用 s i m p l e 算法求解了矩形截面流道内熔体的速度场和压力场,并采用了c a r r e a u 流变模 型,并给出了作为温度函数的流动指数甩的解析表达式,通过耦合动量方程和能量方程, 进而得到整个机头流道内的温度分布。模拟结果表明:在入口区,熔体从近壁面区域向 流道的中心区域汇集,进入全展流区后,熔体的流场不再变化。熔体内温度分布较复杂, 影响因素众多 2 6 1 。同年,高欣,杨于光等使用流体计算软件p o l y f l o w ,对往复注射螺 杆计量段进行符合其轴向运动特点的三维流动分析。通过计算得出剪切速率场、压力场、 速度场的分布结果,并对分布结果进行分析。通过不同工艺条件变化引起的流场变化, 得到流场内部变化的部分规律,并建立了符合注射螺杆工作特点的模拟分析方法【2 7 】。 2 0 0 8 年,刘菊等运用基于有限元的c f d 分析软件p o l y f l o w ,并根据注塑机的实 际工作状态对适合u p v c 注塑的3 种螺杆构型计量段流道中的熔体进行三维瞬态模拟, 其中包括普通螺杆、销钉混炼头螺杆和波状螺杆;对模拟结果进行后处理得到熔体的压 6 注塑螺杆的结构设计及塑化过程数值模拟研究 力场、速度场、剪切速率场、剪切应力场和粘度场,通过分析这些场量来比较3 种不同 螺杆构型对u p v c 注塑混合效果的影响;从而优选出最适合u p v c 注塑的螺杆构型例。 总之,与挤出机的有关螺杆设计数值模拟及优化研究的丰硕成果相比,当前注塑机 塑化成型过程的数值模拟技术研究和应用则主要集中在模具的设计方面,并且由于注塑 的塑化过程理论的不完善,相关的塑化物理模型还不成熟,目前对塑化过程的数值模拟 研究还未充分展开,对它的研究主要还是借鉴挤出机的挤出理论和数值模拟。在那些对 注塑螺杆有很高要求的场合,这种简单的借鉴就显得不合适了,需要对注塑机塑化过程 做新的理论和模拟技术研究。 1 3 本课题研究的目的和内容 1 3 1 本课题的研究目的 到目前为止,关于注塑成型塑化的理论还不是很完整,所以关于塑化的研究一直围 绕在对塑化理论的建立和塑化工艺条件的实验研究上。相对来说,虽然关于专用螺杆的 研究和设计不少,但是基本都是凭借设计人员个人的知识和经验,螺杆设计、加工完毕 后,需要花费大量的时间和经费进行修改和调试,螺杆研制的成本高、效率低。随着人 们对注塑制品质量要求的不断提高,单纯地依靠实验手段来研究设计螺杆已不能满足需 求。本文通过分析注塑工艺条件和螺杆几何参数对物料塑化质量的影响,对专用塑化螺 杆的结构设计将进行比较全面的研究和讨论,并利用a d i n a 中的流体模块对塑化过程进 行数值模拟分析,为专用螺杆的结构设计提供支持,最终期望采用数值模拟分析的方法 对螺杆结构参数和塑化工艺条件进行优化,从而提高螺杆设计的效率和注塑成型生产的 质量,这也将是未来注塑螺杆设计的发展趋势。 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 ) 分析注塑螺杆塑化加料段、压缩段和计量段的理论研究基础,进而分析工艺条 件和螺杆参数对塑化效果的影响; ( 2 ) 提出评定螺杆设计优劣的标准,总结并归纳注塑螺杆结构设计的一般步骤和参 数取值的经验公式,同时考虑螺杆头部结构; ( 3 ) 对影响塑化物料粘度的剪切速率、剪切应力、温度和压力等因素进行分析,进 而对在模拟过程中所要采用的流体材料模型和粘度的本构方程进行讨论。 ( 4 ) 利用所总结的螺杆设计经验公式设计一根直径为6 0 m m 的p v c 注塑专用螺杆, 通过模拟分析软件a d i n a ,分析螺杆转速、螺距、计量段长度、计量段螺槽深度等对计 量段熔体压力场、剪切应力场和速度场的影响,进而优化计量段参数,并最终完成p v c 专用螺杆的设计和三维建模。 7 注塑螺杆的结构设计及塑化过程数值模拟研究 2 注塑螺杆塑化过程的理论基础及其影响因素 在讨论影响螺杆塑化的因素之前,先介绍一下螺杆的结构参数和螺杆塑化的理论基 础。因为有关塑化理论的计算公式将有助于分析工艺参数和螺杆结构参数对塑化质量的 影响。 2 1 螺杆结构参数简介 目前工厂广泛使用的是三段式( 加料段、压缩段和计量段) 螺杆,分为渐变型、突 变型和通用型。图2 1 所示为一根三段式通用螺杆,图中,三为螺杆的有效长度;三卜 幻、工3 依次为螺杆加料段、压缩段和计量段长度。 图2 - 1 通用螺杆 f i g 2 - 1t h e c o l n m o ni n j e c t i o ns c r e w 螺杆的具体结构及参数如图2 2 所示: 图2 - 2 螺杆结构参数 f i g 2 - 2t h e s t r u c t u r ep a r a m e t e r so fi n j e c t i o ns c r e w 三段式螺杆的结构参数可以分为以下三大类【“2 9 l : ( 1 ) 一般情况下,在螺杆全长上保持不变的参数:螺杆直径d 、导程t ( 一般情况 下,螺杆头数p 为1 ,故筒) 、螺距文法向螺棱宽度e 、机筒内径d b 和螺杆与料筒内 壁间隙6 ( 6 般很小,o 1 0 7 m m ,图中为了标注有些放大) 。在特殊情况下r 和s 可 9 奄 陕西科技大学硕士学位论文 能在螺杆全长上发生变化,例如变距螺杆,但并不常见。 ( 2 ) 在螺杆轴向长度上发生变化的参数:螺槽深度h 。在加料段,螺槽深度为h ,; 在计量段,螺槽深度为协( h 3 o o 时, 固体物料的初始温度是; ( 4 ) 忽略对流产生的热量,并设薄膜压力集中于横向方向( 即x 方向) 。 ( 5 ) 假设固体的密度和熔体的密度是一样的。 该理论的主要计算公式如下:固一液接触面的能量平衡公式为: 一七吼= j i = 肌c r ) ( 矿+ 瓦d h ) 协5 , 式中。 厶严- 加溶解薄膜的厚度( m ) ; 乙r 一料筒表面温度( ) 。 死r 固体物料的初始温度( ) 。 如硼量传递函数; 卜比热熔( j ( k g ) ) o 矿 墙度( k g m 3 ) : 1 3 陕西科技大学硕士学位论文 肛- 熔解热( j ) ; 卜固体下降速度( 州s ) ; 法向力平衡: 目= 4 p g ,z 脚 该理论的主要计算公式为: 砸) = p c ) 1 h y o ) = 象p c ) 3 ,4 ( ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 其中,b = - ( 护) ( p ( 2 + c z 5 丁) ) ,c _ ( 2 f ) ( 3 p r 4 ,r ) 这即是物料与料筒摩擦产生瞬态熔融的数学表达式。它们清楚的反映了法向力风 所做的功,固体初始温度和熔解点的区别,比热容、瞬时相对速率与熔融膜厚度的关系 以及熔解速率( 即固体下降速率) 。从公式中可以看出,固体物料的温度和相对运动速率 值越高,法向力和比热容的数值就越小,于是,熔解的速率就越快,熔膜的厚度就越厚。 2 2 3 熔体输送理论 根据注射螺杆的工作特点,利用牛顿流体在注射螺杆的螺槽中作等温条件下的流动 模型,而建立起来的注射螺杆的熔体输送理论【,可以用来描述注射螺杆的塑化能力q s , 它表征单位时间内注射螺杆可能提供塑料熔体的最大能力,即: g = 竿( x d n c o s 舢恻,一等 协9 , 式中: 卜螺杆直径( m m ) 5 厅r 计量段螺槽深度( m m ) ; 卜螺纹升角 ,卜_ 螺杆转速( d m i n ) ; 略一计量时螺杆的后退速度( m s ) ; p 6 一螺杆背压( m p a ) ; ,卜塑料熔体在计量段的粘度( 其大小与温度、剪切速率、压力都有关系,p a s ) ; 三r 螺杆计量段长度( n u l l ) 。 上式表明,注塑螺杆的塑化能力与螺杆几何尺寸、塑化工艺条件及物料性能( 如流 动性) 等参数有关。 2 3 工艺参数对塑化效果的影响 1 4 注塑螺杆的结构设计及塑化过程数值模拟研究 根据上面对塑化的理论研究和实际经验表明,直接对螺杆注射装置中物料塑化有影 响的工艺参数主要是料筒各段温度分布、螺杆的转数、背压、成型周期等【3 2 l 。 2 3 1 料筒温度 料简温度是保证塑化质量的主要工艺参数之一,它的选择与所加工的物料特性有着 直接的关系。由于物料品种、牌号的不同,其粘流温度( 或熔点温度) 、分解温度、熔解 温度等特性均有较大差异。对于粘流温度至分解温度区间范围小的物料,料筒温度可比 粘流温度稍高,反之,料筒温度可稍低1 3 3 1 。 料筒温度的分布原则,通常从料斗到喷嘴温度由低到高,使塑料逐步加热、熔化。 为了使料筒达到符合工艺要求的温度分布,需要对料筒的加热进行分段控制。控制段3 5 d ( 螺杆直径) ,温控精度一般不超过5 。对于剪切敏感的物料,由于螺杆的剪切热有 助于塑化,料筒前段温度可适当低于中段,以防止熔料的过热分解阱l 。 2 3 2 螺杆转速 螺杆转速是指物料在塑化时,可供调节的最低转速至最高转速范围。它影响注塑物 料在螺杆中输送和塑化的热历程和剪切效应,因此它是影响塑化能力、塑化效果和成型 周期等因素的重要参数。 首先,螺杆转速与塑化后熔体温度的均匀性有很大的关系,随着螺杆转速的增加,熔 体温度不均匀性变大。在较低的螺杆转速下,物料由于剪切产生的热量较少,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,一方面,由于熔体沿螺槽方向倒流和剪 切增加,使计量段的熔体有较大的温升。另一方面,当螺杆转速提高,来不及充分预热的物 料被向前推进,低温的物料在此段形成的熔体温度较低,因此在螺杆行程的后半段,熔体 温度下降更为明显【,】。 其次,螺杆转速影响螺杆的塑化能力。增加螺杆转速可提高螺杆的剪切速率峰值, 进而提高塑化能力。但是,转速的提高会受到物料剪切性能的限制:经整理计算,当螺 杆转速不变时,剪切速率平均值仅约为剪切速率峰值的1 1 6 左右。p p 的剪切速率范围 为1 0 0 - 4 0 0 0 s ,由此推论,当平均剪切速率达到2 5 0 s 时,剪切速率峰值就会上升到4 0 0 0 s ,从而引起物料的降解。为了保证剪切速率峰值不超过物料所能承受的剪切速率上限, 则必须保持较低的螺杆转速。可见,对于剪切敏感的塑料来说,在物料的塑化过程中, 螺杆剪切生热所起的作用有限,主要靠外加热。对于大多数塑料来说,由于其熔体是热 的不良导体,靠外加热使塑料熔融必定导致熔体温度均匀性较差,影响塑化质量。所以, 在螺杆计量段安排能够保证剪切速率峰值不过分上升的情况下,提高剪切速率整体水平 的螺杆结构,可以更加有效的提高螺杆的塑化能力【1 6 】。 现在还普遍认为螺杆转速是一个与机械有关的基本的过程参数,并用其作为建立操 作点的一个输入变量。然而,与熔体质量有关的是螺杆的线速度【3 ,】。螺杆转速根据注塑 陕西科技大学硕士学位论文 条件有以下几种选择方法p 6 】: 第一种方法是根据注塑机的额定螺杆转速来确定。对注塑p s 时,以额定塑化量的 5 0 - 一6 0 来标定所要加工物料的塑化能力和螺杆转速。 第二种方法是根据聚合物所允许的最大线速度v 来确定螺杆转速: 矿 刀= 一 x d ( d 为螺杆直径) ( 2 1 0 ) 第三种方法是根据聚合物所允许的剪切速率旯来确定,可将上式中的v 换成旯后再 确定。 但无论选用哪种方法,速度范围最好能满足以下三个要求之一: ( 1 ) 高流速,以最大转速成型p s 、p e 以及p p 等薄壁包装产品,螺杆圆周速度为 v = 0 4 1 5 m j : ( 2 ) 中等流速,加工工程产品,即工程塑料,螺杆圆周速度为y = 0 2 0 4 m s : ( 3 ) 低流速,以最低转速加工热固性塑料和橡胶,矿= o 0 5 0 2 m s 。 在进行螺杆转速调整时,要从较低转速开始,向较高转速逐渐调试。 2 3 3 塑化压力( 背压) 注塑机在塑化时,计量室中熔体的压力称为塑化压力,也叫背压。预塑时,只有当 螺杆头部的熔体压力克服了螺杆后退时的系统阻力之后,螺杆才能后退。塑化压力大小 对熔体实际温度、塑化效率及成型周期等均有影响【,7 l 。 在通用塑料的注射成型过程中,背压实际上是一个不可忽视的工艺参数。背压的存 在,有助于螺槽中物料的密实、排除物料中的气体、加速粒料间的传热。背压还使螺槽 中的物料在前进方向上的速度减缓,延长了物料在螺杆中的热历程、提高了塑化质量, 有利于颜色等混合效果的改善。 在注塑常用的背压范围内( 约0 4 9 2 9 m p a ) ,正流的增加值大于压力流和漏流的增 加值之和,所以塑化量呈上升趋势,当背压增至2 4 5m p 左右时塑化量达到最大值,然 后呈下降趋势。但熔体温度又在剪切作用下呈上升趋势,这时易出现过量注塑情况,造 成注塑件脱模不顺,甚至顶裂现象。若背压过大,则塑化量下降会导致注塑不足即缺料 现象。 背压对不同塑料塑化量的影响曲线不同,如图2 4 所示,对非结晶型的a b s ,其背 压曲线呈较平滑的上升而后下降趋势,且预塑时间增加不如结晶型塑料p p 那么大。在 相同料位下,a b s 背压从0 4 9m p a 增至2 4

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