注塑機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)塑化能力和表觀黏度的影響研究

劉闊，王立強(qiáng)，張邵恒

（沈陽(yáng)化工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110142）

0 引言

注塑機(jī)是塑料模塑成型的主要設(shè)備，主要由注射系統(tǒng)、合模系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、液壓傳動(dòng)系統(tǒng)、加熱及冷卻系統(tǒng)、安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等組成。為提高產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率、降低能耗，人們對(duì)其進(jìn)行深入研究。

對(duì)注塑機(jī)的研究是多方面的，包括電氣控制系統(tǒng)的智能改造[1]、傳動(dòng)系統(tǒng)的伺服改造[2]、加熱冷卻系統(tǒng)的節(jié)能改造[3]、塑化能力的螺桿結(jié)構(gòu)改造[4-6]等。螺桿是注塑機(jī)核心部件，其參數(shù)決定了注射機(jī)的注射量，研究者對(duì)其研究較多。螺桿的塑化均勻性越好代表著制品的的重復(fù)精度和計(jì)量精度越高，表現(xiàn)塑化均勻性的性能參數(shù)為表觀黏度，其中改造螺桿結(jié)構(gòu)有助于降低熔體的表觀黏度，螺桿能力由螺桿結(jié)構(gòu)以及螺桿轉(zhuǎn)速、壓力、速度、溫度等決定，是衡量螺桿性能的主要參數(shù)。王喜順等[7]對(duì)注塑螺桿的熔體輸送進(jìn)行了理論分析。李政等[8]研究了溫度和背壓對(duì)螺桿塑化能力的影響。塑化能力代表著注塑機(jī)生產(chǎn)的效率，提高螺桿的塑化能力對(duì)于企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益很有必要，螺桿的塑化能力是指單位時(shí)間注塑機(jī)螺桿塑化物料的質(zhì)量，而物料存儲(chǔ)的質(zhì)量由計(jì)量室決定，螺桿均化段出口處與計(jì)量室相連，可以通過(guò)測(cè)得螺桿均化段出口處的體積通過(guò)率來(lái)測(cè)定螺桿的塑化能力。

在物料的選擇上采用黏度受剪切速率影響較大、溫度敏感性低的聚丙烯，以便于檢測(cè)和觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果。本文將通過(guò)Fluent軟件對(duì)于螺桿均化段的PP熔體進(jìn)行流場(chǎng)分析，采用實(shí)驗(yàn)與理論分析相結(jié)合的研究方法，探討螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)不同螺槽深度下的溫度、表觀黏度、速度及塑化能力的影響，分析螺桿均化段出口處的體積通過(guò)率，從而優(yōu)化螺桿轉(zhuǎn)速的注塑機(jī)生產(chǎn)工藝參數(shù)。

1 理論分析

本文中將用Fluent仿真朗億的LYH680注塑機(jī)的均化段管道流體，設(shè)置不同的螺桿的轉(zhuǎn)速，分析均化段管道聚丙烯流體均化段出口處的體積通過(guò)率，進(jìn)而求得不同轉(zhuǎn)速下PP熔體的表觀黏度和螺桿的塑化能力。注塑機(jī)的相關(guān)參數(shù)為：螺桿均化段長(zhǎng)度為80 mm,均化段料筒溫度設(shè)定為220 ℃, 均化段熔體壓力為1.5 MPa, 螺槽深度為2.2 mm,螺桿螺旋角度為17.66°,螺桿長(zhǎng)徑比為19.6,螺桿直徑為32 mm；實(shí)驗(yàn)材料聚丙烯（PP）的熔體密度為770 kg/m3,熔點(diǎn)為170 ℃,熔體導(dǎo)熱系數(shù)為0.182 W/（m·℃）,熔體比熱容為2900 J/（kg·℃）,熔體黏度為421 Pa·s（453 K）/320 Pa·s（463 K）/250 Pa·s（473 K）。在實(shí)際工程，考慮流體的密度的變化不大，由于熔融聚合物在注塑機(jī)預(yù)塑時(shí)剪切速率小于10-3m/s，此時(shí)熔體位于非牛頓流變區(qū)的第一區(qū)域，在此區(qū)域可將熔融聚合物看成是牛頓流體，因此在理論和實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析中將PP熔體視為不可壓縮層流運(yùn)動(dòng)的牛頓流體。

1.1 坐標(biāo)系建立

物料通過(guò)的原來(lái)旋轉(zhuǎn)型的通道拉伸為長(zhǎng)方體通道，以原點(diǎn)構(gòu)建的空間三維模型如圖1～圖3所示。

圖1 熔體展開坐標(biāo)圖

圖2 y-z截面速度分布圖

圖3 均化段出口處x-y截面速度分布云圖

1.2 流體控制方程的建立

式（2）即為黏性流體的動(dòng)量平衡方程（N—S方程），螺槽內(nèi)流體視為等溫流動(dòng)；黏度場(chǎng)和密度場(chǎng)是均勻的；螺槽寬度比螺槽深度大很多，忽略其螺棱側(cè)壁的影響；熔體沿螺槽進(jìn)行充分展開的流動(dòng)，忽略其入口和出口的流動(dòng)影響，但是會(huì)考慮其反向背壓的作用。通過(guò)上述條件將N—S方程簡(jiǎn)化：

式中：h為均化段螺槽深度，m；θ為螺桿的螺旋升角，（°）；L為均化段長(zhǎng)度，m；N為螺桿轉(zhuǎn)速，rad/min；D為螺桿直徑，m。

1.3 理論塑化能力的計(jì)算

通過(guò)式（5）可以看出螺桿的塑化能力受螺桿直徑、螺槽升角、熔體壓力以及螺槽深度等多種工藝參數(shù)影響。其中螺桿轉(zhuǎn)速越高，則塑化能力越強(qiáng)；熔體表觀黏度升高，則螺桿塑化能力也增強(qiáng)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其模擬分析

2.1 模擬分析及結(jié)果

1）模擬分析的條件設(shè)定。

入口端面：由熔體z方向的流速分布狀態(tài)函數(shù)（如式（4））可知均化段進(jìn)口處的速度隨y值改變而改變，現(xiàn)將N=120、140、160、180 rad/min分別代入求得Vz，通過(guò)函數(shù)自定義Fluent自帶編程語(yǔ)言UDF，確定均化段進(jìn)口處沿螺槽方向的初始模擬速度，即模擬與實(shí)測(cè)條件下的初速度；進(jìn)口處由于熔體壓力遠(yuǎn)低于螺桿頭部壓力，所以均化段進(jìn)口處壓力為0；依據(jù)PP材料及設(shè)備的工藝參數(shù)，進(jìn)口處的熔體溫度設(shè)置為465 K。

左右側(cè)壁：y-z平面（x=0）、（x=3.2×10-2m）作為均化段螺槽壁的兩側(cè)設(shè)置為無(wú)滑移墻壁，熔體溫度為螺桿溫度，依據(jù)PP材料特性及設(shè)備的實(shí)際狀況設(shè)為473 K。

上下側(cè)壁：x-z平面（y=0）、（y=2.2×10-3m）作為均化段螺槽的下、上兩側(cè)，下側(cè)視為無(wú)滑移墻壁，熔體溫度為螺桿溫度，依據(jù)PP材料特性及設(shè)備的實(shí)際狀況設(shè)為473 K；均化段螺槽上側(cè)作為熔體與料筒的接觸面，熔體流速為最大，熔體溫度等于料筒加熱器溫度，依據(jù)PP材料的生產(chǎn)條件設(shè)置為493 K。

出口端面：x-y平面（z=0.264 m）作為均化段的出口處，采用壓力出口邊界，此處壓力與z方向相反，此處的壓力設(shè)置為匹配實(shí)驗(yàn)設(shè)備，便于分析比較，設(shè)定為背壓為-1.2 MPa。

2）模擬分析結(jié)果。

對(duì)x=0.01，均化段出口處速度、溫度、黏度隨螺槽深度變化的曲線圖如圖4～圖6所示。

從圖4中我們可以看出,隨著螺桿轉(zhuǎn)速的提高，均化段出口處的速度也隨之提高，隨著螺槽深度的上升，速度先減小后增大，這是由于螺槽上下表面受到的剪切力大及黏性的作用，符合聚合物流體在平板之間的變化。

圖4 螺槽寬度位置x=0.01 處，均化段出口處速度變化曲線

溫度在徑向方向的變化如圖5 所示，PP 熔體在底面與螺桿接觸（y=0）、上面與螺桿接觸（y=0.0022 m）發(fā)生熱傳導(dǎo)，熱量分別從底部、上部傳入熔體內(nèi)部，溫度從兩側(cè)向內(nèi)呈降低趨勢(shì)，形成了凹形溫度曲線。隨著螺桿轉(zhuǎn)速的提高，速度升高，在流道加熱時(shí)間減少，形成溫度隨著轉(zhuǎn)數(shù)的提升而降低的現(xiàn)象。

圖5 螺槽寬度位置x=0.01 處，螺槽深度溫度變化曲線

如圖6所示，隨著螺槽高度的上升，熔體的表觀黏度先上升、后下降，和溫度曲線恰好相反，在熔體溫度最高的上面表觀黏度最低，在熔體溫度最低的中間處表觀黏度最高，隨著螺桿轉(zhuǎn)速的上升，熔體的表觀黏度也越來(lái)越高，表觀黏度均勻性下降。由此可見(jiàn)PP熔體的表觀黏度和溫度成反比，這說(shuō)明仿真的準(zhǔn)確性。

從圖6 中可以看出在Fluent 模擬中黏度不是固定的，因此在我們這里取x=0.01 時(shí)的均化段出口處的平均黏度，因?yàn)橥ㄟ^(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)此處黏度變化最接近理論計(jì)算的黏度。

圖6 螺槽寬度位置x=0.01 處，均化段出口處表觀黏度變化曲線

2.2 塑化能力的測(cè)量與分析

將注塑機(jī)預(yù)熱后，將聚丙烯原料放入漏斗進(jìn)行塑化，對(duì)螺桿轉(zhuǎn)速參數(shù)分別設(shè)置轉(zhuǎn)速120、140、160、180 r/min，均化段料筒溫度設(shè)定220 ℃、均化段熔體壓力設(shè)定1.2 MPa，用秒表記錄每一個(gè)轉(zhuǎn)速條件下的儲(chǔ)料時(shí)間t，然后對(duì)空進(jìn)行注射，等噴射物冷卻后，收集、測(cè)量噴射物質(zhì)量m，通過(guò)mps=1000m/t，求得實(shí)際塑化能力mps，與相同條件下理論塑化能力mpt的比較結(jié)果如圖7所示。

圖7表明，螺桿理論塑化能力和螺桿轉(zhuǎn)速近似一次函數(shù)關(guān)系，隨著螺桿轉(zhuǎn)速提升，螺桿塑化能力增強(qiáng)，而實(shí)際螺桿塑化能力要低于理論塑化能力，本臺(tái)注塑機(jī)在轉(zhuǎn)速120～180 rad/min之間的實(shí)際塑化能力占理論塑化能力的82%～86%，說(shuō)明本臺(tái)注塑機(jī)螺桿塑化能力在平均水平以上。

圖7 螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)實(shí)際與理論塑化能力的影響

2.3 誤差分析

螺桿實(shí)際塑化能力和理論塑化能力存在差異，無(wú)外乎這幾點(diǎn)：1）塑化過(guò)程中一部分物料形成熔膜，造成物料的泄漏；2）本文在理論塑化能力分析中沒(méi)有考慮螺棱壓力的泄漏，致使一部分物料停留在螺棱上；3）物料除了得到料筒加熱器傳導(dǎo)的熱量，更多的來(lái)自于螺桿的剪切熱以及物料之間的摩擦，造成一部分物料熱分解。

隨著螺桿轉(zhuǎn)速提高，實(shí)際塑化能力上升趨勢(shì)減緩，有以下幾點(diǎn)：1）隨著螺桿轉(zhuǎn)速的提高，螺桿的剪切熱越來(lái)越多，造成一部分物料的熱分解；2）溫度升高使物料黏度降低，反向壓力增大，阻礙物料前進(jìn)速度，造成實(shí)際塑化能力上升趨勢(shì)減緩。

3 結(jié)論

通過(guò)Fluent的仿真分析可以發(fā)現(xiàn)，在螺桿轉(zhuǎn)速一定的時(shí)候，隨著螺槽深度增加，溫度和表觀黏度均勻性降低，實(shí)驗(yàn)證明塑化能力升高，但制品質(zhì)量精度降低；在螺槽深度一定的情況下，隨著螺桿轉(zhuǎn)速升高，塑化能力增強(qiáng)，但溫度和表觀黏度均勻性降低；提升螺桿的溫度，有助于促進(jìn)表觀黏度均勻性，提高制品質(zhì)量精度；為保證制品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，應(yīng)對(duì)螺槽深度、溫度及螺桿轉(zhuǎn)速進(jìn)行優(yōu)化。