噴嘴和螺桿頭結構對熔體速度和溫度的影響研究

劉闊，王立強，張紹恒

（沈陽化工大學機械與動力工程學院，沈陽 110020）

0 引言

注塑機也被叫作塑料注射成型機，它是使塑料加熱到熔融狀態下并注入模具成型制品的機械設備。按照外形結構特點可以分為角式注塑機、立式注塑機和臥式注塑機。按照塑化形式可以將注塑機分為螺桿式注塑機和柱塞式注塑機。按照驅動形式可以分為液電復合式注塑機、全電動注塑機及純液壓注塑機。由于現代科技技術的快速飛躍發展，現代注塑機的系統主要由控制系統、液壓系統、注射系統、加熱冷卻系統、合模系統、潤滑系統、安全監測系統及加料系統等組成。

為了更好地滿足人們生活所需，注塑機作為生產成型塑料的機器自從生產以來就被不停地進行改造，包括對電氣控制系統的智能改造[1]、傳動系統的伺服改造[2]、加熱冷卻系統的節能改造[3]，以及最為重要的注射系統改造，大部分注射系統的改造主要針對于螺桿，降低螺桿的塑化能耗和提升螺桿的塑化能力[4]，當前對螺桿頭和噴嘴流道的研究偏少。

螺桿頭做為螺桿的頭部，既有存儲和計量熔體的作用，又能防止螺桿頭前面的高分子熔體倒流，不同的物料可以安裝特定結構型式的螺桿頭，按照有無止逆環分為無止逆環型和止逆環型螺桿頭兩大類[5]，安裝有止逆環的螺桿頭表現出較高的塑化能力和穩定性，而且保證在螺桿預塑時計量行程準確，注射余料變動小，而沒有止逆環的螺桿頭表現出相反的結果。目前螺桿頭形狀有很多，比較常見的有尖頭型和鈍頭型，而尖頭型不同的錐角對熔體的注射容量、壓力、溫度、剪切速率、剪切力及噴嘴出口速度都有很大影響，其中螺桿頭部的軸向溫度直接影響熔體的密度和黏度[6]，從而影響制品的質量，其中陳晉南等[7]使用三維模擬仿真軟件模擬不同的錐角下螺桿頭流場，進行溫度場分析，優化熔體溫度的均化性。

噴嘴作為連接注塑裝置和模具的主要部分，在塑化過程中建立背壓，使物料壓實，去除料筒內的氣體，防止流延。在注射過程中與模具澆口連接，形成密閉流道，防止熔體外溢。注射過程中建立熔體壓力，增大剪切力，提高剪切速率和剪切熱，使熔體更加均化。除此之外噴嘴還可以承擔著調溫和斷料的作用。減少熔體在注射過程中進出口的湍流損失和黏彈效應。在保壓過程中方便給模具中補料，在冷卻的時候增加回流阻力，防止熔體從模具里回流[8]。常用的噴嘴是直通式噴嘴。直通式噴嘴是應用最為普遍的噴嘴，它主要的特點是噴嘴球面與模具主澆套球面直接接觸，在注射的時候熔體速度快，沿途壓力損失小而且制造和安裝也十分方便。噴嘴按照結構分類可分為錐形噴嘴結構、直孔噴嘴結構、螺旋噴嘴結構、組合式噴嘴結構和特種噴嘴。

熔體從計量室到噴嘴噴出，其中螺桿頭和噴嘴的結構不僅影響著一次注射量，也影響著其熔體在噴嘴射出速度大小、溫度均勻性等問題。因此優化其結構對制品的生產效果和質量具有非常重要意義。

熔體在注射的時候會出現制品質量低、密度不均勻、冷卻翹曲變形嚴重[9]等問題，可以通過優化錐形螺桿頭和噴嘴的錐角α解決這些問題。

基于PP熔體，為了降低熔體在噴嘴流道的徑向溫差、提高產品質量、降低壓力損失，在保持一次注塑量的情況下提高生產效率，將螺桿頭和噴嘴組合在一起研究，利用Fluent進行模擬分析。分析過程中，對常用的錐形螺桿頭和錐形噴嘴采取二維數值模擬4組不同的組合；為保證清料順利，令錐形螺桿頭和錐形噴嘴的錐角α相同，α角分別設置為15°、25°、35°、45°。通過對其流場模擬出噴嘴溫度、速度分布，以及流場切應力、剪切速率等分布情況，通過多種性能評價標準優化出最適合加工生產的錐形噴嘴和錐形螺桿頭錐角α。

1 模擬分析

Fluent 作為專業的流體仿真軟件，它是ANSYS Workbench平臺下的一個子模塊，Fluent對模擬流場有較高的準確度[10]。因此本文中將使用Fluent軟件仿真朗億的LYH680注塑機的噴嘴管處的流體，模擬分析不同錐角α下螺桿頭到噴嘴流場下的溫度場、速度場。考慮到螺桿頭到料筒間的間隙熔體無法估量其速度和壓力，因此本文對其忽略不計，對于熔體邊界也視為光滑墻壁，不考慮其粗糙度。注塑機螺桿頭和噴嘴的相關參數如下，螺桿頭底部到噴嘴出口處流道長度統一為262 mm、料筒直徑為32 mm，噴嘴出口處直徑統一為3 mm，噴嘴前端直流道長度為30 mm，設置4組不同的螺桿頭和噴嘴的組合，錐形螺桿頭和噴嘴的錐角α分別為15°、25°、35°、45°。實驗材料聚丙烯（PP）的熔體密度為770 kg/m3、熔點為170 ℃、熔體導熱系數為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）。并將PP熔體視為不可壓縮流體，在經過噴嘴處為湍流運動。

1.1 二維模型以及坐標系

二維模型及坐標系如圖1所示，以O點為原點建立直角坐標系，y方向為徑向，x為出口方向，即軸向。

圖1 模擬分析的坐標系

1.2 流體控制方程的建立

1）連續性方程。連續性方程是質量守恒定律對于運動流體的表達式，該方程表示在一個空間位置固定的無窮小的控制體中的總質量流率，等于流入與流出控制體的質量流率的差值，針對不可壓縮流體的定常流動，在進行穩態分析的時候，質點的密度在運動過程中可以簡化忽略掉，則連續性方程如下：

2）動量方程。動量方程是動量守恒對于運動流體的表達式，通常將聚合物熔體視為廣義牛頓流體，也被稱為不可壓縮黏性流體。

3）能量方程。能量方程是能量守恒定律對于運動流體的表達式，根據熱力學第一定律，對于流體內單位體積控制體微團模型，能量的變化率等于熱對流項、熱傳導項和黏性耗散項之和。

式中：V為速度，m/s; ρ為密度，kg/m3；pb為壓力，Pa；τ為切應力，Pa；Cp為比熱容，J/（kg·℃）；t為時間，s；T為溫度，℃；K為熱導率，W/（m·℃）；GT為黏性熱，W/m3。

但無論其連續方程、動量方程、能量方程都可用以下廣義通式來表示：

式中：η為黏度；φ為廣義物理變量；Γ為相應于φ的廣義擴散系數；S為廣義源項。

1.3 施加邊界條件

根據機器設備的工藝參數以及材料熱性能參數，邊界條件設定為：1）對螺桿頭邊界流體施加壓力P1=35 MPa；2）螺桿頭邊界施加速度V1=0.04 m/s，施加溫度473 K；3）對靠近料筒的熔體邊界施加溫度473 K；4）對噴嘴錐面施加溫度483 K；5）對噴嘴前直流道邊界施加溫度493 K。

1.4 仿真結果分析

1.4.1 速度分析

噴嘴出口處的速度影響著熔體的壓力損失和制品的生產效率，不同結構錐角α的錐形螺桿頭和錐形噴嘴對噴嘴出口處（x=0.262 m）的速度沿y 方向的分布影響如圖2所示。

圖2 噴嘴出口速度分布圖

通過對PP熔體仿真模擬可以看出，熔體速度從兩側到中間呈現遞增趨勢，這是由于熔體在噴嘴兩側受到剪切力過大，圖中的速度分布也符合牛頓平板規律，也進一步說明了仿真的準確性，隨著錐角α的不斷升高，熔體流動速度不斷減小，也說明錐角α越小越利于克服熔體流動過程中的阻力，這是因為錐形角越小螺桿頭截面受力面積越小，因此在壓強相同的條件下，所受的流動阻力也越小。

1.4.2 溫度分析

熔體溫度的均勻性影響著制品的質量，提高溫度的均勻性能使制品的質量精度得到保障，不同錐形角模擬出來的結果如圖3所示。

圖3 熔體溫度分布圖

由于熔體外部受到噴嘴的剪切作用，產生大量的剪切熱，使熔體外部溫度高于熔體內部溫度，導致噴嘴出口處（x=0.262 m）溫度從周邊到中間（徑向）逐漸降低（如圖3（a））；隨著螺桿頭和噴嘴錐角α的不斷上升，熔體的整體溫度也略微升高，但溫度均勻性在下降，這是由于速度降低（如圖2），受熱時間也更為充分。軸向的熔體溫度分布變化很小（如圖3（b）），進一步表明噴嘴的長度不影響溫度的軸向變化。隨著錐形角α的不斷上升，熔體軸向內部溫度變化不大，因此在設置結構和工藝參數過程中要盡可能地保證熔體徑向的溫度均勻性。

1.4.3 剪切速率分析

在脫模之后，經過一段冷卻時間后PP熔體最容易發生翹曲變形，是因為熔體在注射過程中，剪切速率增大或者剪切時間過長會使PP分子鏈纏結網絡逐漸被破壞，分子鏈發生解纏結并從纏結網絡中脫離，通過分子鏈中的C-C單鍵的內旋轉，逐漸形成沿流動方向的流動取向，因此熔體在冷卻脫模后分子鏈將被凍結在極度不穩定取向態，隨著PP分子鏈遷移和運動活躍性明顯降低，在形態上分子鏈將會發生明顯的彈性收縮，趨向于重新聚集成新的纏繞網絡，冷卻降溫的取向態分子鏈無法充分回復至初始的無規纏繞狀態，從而使在制品內部形成較大的翹曲變形。模擬分析注射過程中流道的軸向、徑向剪切速率分布情況如圖4所示。

如圖4（a）所示，從沿著噴嘴壁（y=0.0015 mm）處的軸向剪切速率隨著熔體x方向先不變后增大，在熔體進入噴嘴前端直流道后剪切速率逐漸增大，這是由于熔體與噴嘴內壁產生較大剪切力，使剪切速率增大。隨著螺桿頭和噴嘴錐角α的不斷增大，剪切速率降低。在低錐角區錐角的變化對剪切速率影響較大，在脫離低錐角區后，錐角對剪切速率的影響較小。而圖4（b）所示的徑向剪切速率在噴嘴出口處（x=0.262 m）的剪切速率從兩端到中間呈線性遞減趨勢，熔體中間剪切速率近乎為0，兩側受到剪切力，剪切力的大小由外向中心遞減，其曲線趨勢也符合牛頓流體流動定律，增加了仿真模擬的可靠性。

1.4.4 切應力分析

剪應力過大會使熔體發生降解，因此對剪切力的控制一直也是注塑領域重要的課題。根據非牛頓流變方程，剪切速率導致剪切應力發生變化，模擬結果如圖5所示，熔體進入噴嘴前端后噴嘴內側切應力迅速上升，在噴嘴出口處達到最大，與圖4（a）、圖4（b）的剪切速率在x=245 mm處曲線趨勢統一，隨著錐形螺桿頭和噴嘴錐角α的不斷增大，剪切速率逐漸減少，軸向剪切力也相應減小。

圖4 剪切速率軸向、徑向分布圖

圖5 y=0.0015 mm 處熔體x 方向分布圖

2 一次注射量

一次注射量影響著制品的生產能力和生產效率，將4種不同錐角α的螺桿頭和噴嘴導入SolidWorks進行熔體模型測量，一次注射量和錐角α的關系如圖6所示，隨著螺桿頭和噴嘴錐角α的不斷升高，PP熔體的一次注射量也相應升高，但升高的趨勢慢慢變緩，在低錐角區升高錐角能明顯使一次注射量增高，但在脫離低錐角時，升高錐角并不能使一次注射量顯著升高。因此在討論錐角對一次注射量的影響時應分段考量。

3 結論

根據模擬的仿真結果可以知道，隨著錐角的不斷增大，沿程損失越大，出口速度不斷減小，溫度均勻性降低，剪切速率減小；熔體軸向溫度不隨著噴嘴的長度而發生改變；注塑機螺桿頭和噴嘴錐角較低時，噴嘴出口處的速度升高，同時也能保證一定的溫度均勻性，但剪切速率過高，會使PP材料冷卻后翹曲變形更加嚴重，并且一次注射量較低，影響生產效率；隨著錐形螺桿頭和噴嘴錐角α的升高，一次注射量升高，保證了注塑機的生產能力；熔體剪切速率和剪切力降低，減小了制品冷卻后的翹曲變形；噴嘴出口速度以及溫度均勻性降低，考慮到熔體軸向溫度變化不大，徑向溫度均勻性在可接受的范圍，因此保證熔體壓力沿程損失小，有足夠的壓力注射模腔，綜合以上性能評價標準，LYH680注塑機加工PP原料適合使用錐角35°～45°之間的錐形螺桿頭和噴嘴。