螺桿柱塞式注塑機(jī)注射單元內(nèi)熔體流動(dòng)的數(shù)值模擬

陳士宏，王之磊，崔同偉，陳智勇，馬秀清＊，劉文靜

（1.北京工商大學(xué)材料與機(jī)械工程學(xué)院，北京100048；2.北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京100029）

0 前言

螺桿柱塞式注塑機(jī)兼有柱塞式和螺桿往復(fù)式注塑機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，由于塑化螺桿無(wú)止逆環(huán)，在降低滯料的同時(shí)亦能大幅提高物料的塑化質(zhì)量和塑化效率，而柱塞在注射時(shí)漏料小，具備高精度注射的優(yōu)點(diǎn)。注射單元的設(shè)計(jì)是螺桿柱塞式注塑機(jī)的關(guān)鍵，熔體在注射單元內(nèi)的流動(dòng)對(duì)最終制品的性能有很大的影響。成志強(qiáng)等［1］在不同壁面滑移條件下對(duì)微注射成型過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，并與實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)行了對(duì)比。對(duì)比發(fā)現(xiàn)：采用滑移邊界條件的微注射模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，說(shuō)明微注射中存在邊界滑移速度。宋新等［2］采用 Moldflow軟件對(duì)共注射過(guò)程進(jìn)行了模擬分析，研究不同的注射速度對(duì)前沿突破現(xiàn)象和芯層材料厚度的分布及均勻性的影響。研究表明：隨著注射速度的增加，充填過(guò)程中追趕距離變小的趨勢(shì)減弱，不易發(fā)生前沿突破現(xiàn)象。趙松等［3］在一個(gè)螺桿往返式注塑機(jī)通用模型的基礎(chǔ)上，給出了注塑機(jī)速度模糊控制系統(tǒng)的一般性設(shè)計(jì)方法：輸入輸出量定義域的選擇，隸屬度函數(shù)的形狀，使用相位面分析設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)，前饋控制器的設(shè)計(jì)。通過(guò)仿真說(shuō)明了該方法設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)能有效地跟蹤快速變化的速度設(shè)定曲線，在模型參數(shù)發(fā)生變化時(shí)也能夠得到良好的控制效果。翟明等［4］采用反饋控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了模糊控制器對(duì)注塑機(jī)液壓系統(tǒng)伺服閥的輸入電流進(jìn)行控制，使塑料熔體按照期望的注射速度進(jìn)行充模，保證了制品質(zhì)量。本文以螺桿柱塞式注塑機(jī)注射單元為例，其在高壓或高速注射時(shí)，熔體在注射單元內(nèi)的流動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，其流動(dòng)速度和壓力不斷變化，通過(guò)模擬熔體在注射單元內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)，為注塑機(jī)控制系統(tǒng)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 數(shù)值模擬

1.1 熔體在注射單元中的流動(dòng)模擬

熔體在注射單元中的流動(dòng)受溫度、注射壓力和注射速度等因素的影響，本文采用熔體流動(dòng)模擬軟件Polyflow模擬熔體在螺桿柱塞式注塑機(jī)中高速注射和高壓注射時(shí)的流動(dòng)情況。

1.2 注射單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)及計(jì)算域

本文所用到的螺桿柱塞式注塑機(jī)注射單元的結(jié)構(gòu)及計(jì)算域如圖1所示，注射單元由液壓驅(qū)動(dòng)，主要由噴嘴、注射機(jī)筒前體、注射單元連接體、注射機(jī)筒、襯套和柱塞組成，其最大注射速度為1000mm／s，最高注射壓力為300MPa，最大注射行程為135mm，柱塞直徑為12 mm，噴嘴出口直徑為3mm，注射機(jī)筒前體內(nèi)徑為8mm。

圖1 注射單元的結(jié)構(gòu)及計(jì)算域Fig.1 The construction of the injection unit and the computational domain

1.3 基本假設(shè)

根據(jù)熔體在圓管和錐管內(nèi)的壓力流，為了簡(jiǎn)化熔體流場(chǎng)，設(shè)熔體在注射單元內(nèi)流動(dòng)時(shí)滿足以下基本假設(shè)：

（1）熔體流動(dòng)時(shí)為層流流動(dòng)；

（2）熔體為非牛頓流體；

（3）熔體等溫流動(dòng)，且不可壓縮；

（4）壁面近似于完全滑移。

1.4 物性參數(shù)

流動(dòng)模擬時(shí)采用的物料為聚碳酸酯（PC），對(duì)應(yīng)的牌號(hào)為Makrolon 6485，熔體溫度為280℃，此時(shí)物性參數(shù)如表1所示。

1.5 最大注射速度下熔體流動(dòng)的數(shù)值模擬

一般而言，在注射過(guò)程中注射速度是不斷變化的，從零迅速增加到最大注射速度，然后隨著模腔的不斷充滿再逐漸變?yōu)榱悖谧畲笞⑸渌俣认拢⑸鋲毫ψ畹汀?/p>

表1 物性參數(shù)Tab.1 Parameters of the melt performance

1.5.1 幾何模型

幾何模型的精確與否直接影響模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，在充分考慮到控制系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間后，假定注射行程為5mm時(shí)，注射速度達(dá)到最大值，忽略柱塞頭部錐角對(duì)模擬結(jié)果的影響，根據(jù)注射單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和幾何尺寸建立如圖2所示的流道幾何模型。

圖2 最大注射速度下流道的幾何模型Fig.2 The geometric model of the runner in the maximum injection speed

1.5.2 邊界條件

在該模擬分析中，設(shè)定3個(gè)邊界條件，即入口邊界、出口邊界條件和熔體外表面邊界，入口設(shè)定為最大注射壓力下的流量，出口設(shè)置為默認(rèn)的出口流量，熔體流動(dòng)時(shí)與壁面近似完全滑移，已知最大注射速度為1000mm／s，柱塞直徑為12mm，則入口流量為1.131×10-4m3／s。

1.5.3 模擬結(jié)果

模擬結(jié)果如圖3所示，圖3（a）為最大注射速度下的壓力云圖，圖3（b）為沿注射方向最大注射速度下不同截面上的壓力分布，從圖中可知，沿著注射方向熔體壓力不斷降低，其中入口壓力最大，最大壓力為18.6MPa，噴嘴出口壓力最小，最小壓力為3.1MPa，此外，熔體流經(jīng)噴嘴時(shí)壓力急劇減小。

圖3 最大注射速度下熔體的壓力Fig.3 The pressure of the melt under the maximum injection speed

1.6 最大注射壓力下熔體的流動(dòng)

1.6.1 幾何模型

注射壓力最大時(shí)，模具的模腔基本充滿，制品被壓實(shí)，柱塞微量前移，保壓補(bǔ)縮，據(jù)此，結(jié)合注射單元的結(jié)構(gòu)尺寸建立如圖4所示的流道幾何模型。

圖4 最大注射壓力下流道的幾何模型Fig.4 The geometric model of the runner in the maximum injection pressure

1.6.2 邊界條件

熔體流動(dòng)模擬時(shí)設(shè)置3個(gè)邊界條件，即入口壓力，出口壓力和熔體外表面滑移條件，設(shè)入口壓力為最高注射壓力300MPa，出口壓力根據(jù)噴嘴出口壓力（認(rèn)為近似等于模腔壓力）設(shè)定，制品壓實(shí)過(guò)程中，模腔壓力不斷變化，為得到模腔壓力變化的趨勢(shì)，分別取80%、70%、60%和50%的最高注射壓力為模腔壓力，并將該壓力值設(shè)置為噴嘴出口處壓力，即出口邊界壓力為240、210、180、150MPa，并認(rèn)為熔體流動(dòng)時(shí)與壁面近似完全滑移，出入口邊界條件如表2所示。

表2 入口和出口的邊界條件Tab.2 The boundary of inlet and outlet

1.6.3 模擬結(jié)果

最大注射壓力下，不同出口壓力下對(duì)應(yīng)的熔體壓力分布云圖如圖5所示，從圖5中可知，噴嘴出口壓力越大，熔體在流道內(nèi)的壓力就越大，并沿注射方向逐漸減小。圖6為最大注射壓力時(shí)，不同出口壓力下熔體沿注射方向的流動(dòng)速度，從圖6中可知，熔體的流動(dòng)速度沿注射方向越來(lái)越大，由于假定熔體不可壓縮，熔體流經(jīng)噴嘴時(shí)流動(dòng)速度驟增。

圖5 不同出口壓力下熔體流動(dòng)的壓力云圖Fig.5 The pressure image of melt flow under different outlet pressure

圖6 不同出口壓力下熔體的流動(dòng)速度Fig.6 The flow speed of melt under different outlet pressure

根據(jù)注射原理可知，熔體軸向位移的流動(dòng)速度近似等于柱塞的注射速度，熔體在模腔內(nèi)壓實(shí)時(shí)，補(bǔ)縮量很小，柱塞移動(dòng)距離亦很小。根據(jù)圖6的結(jié)果，不同出口壓力下注射速度如圖7所示，從圖7中可以看出，注射速度隨模腔壓力的增大而減小，從1.04mm／s逐漸遞減到0.09mm／s，這種注射速度減小的趨勢(shì)與實(shí)際注射過(guò)程中注射速度變化的趨勢(shì)相一致。

圖7 不同出口壓力下的注射速度Fig.7 The injection speed under different outlet pressure

2 結(jié)論

（1）注塑機(jī)在最大注射速度下對(duì)空注射時(shí)，熔體流經(jīng)噴嘴時(shí)的壓力損失很大；

（2）熔體在最高注射壓力下流動(dòng)時(shí)，隨著模腔壓力的增大，注射速度減小，但熔體流經(jīng)噴嘴時(shí)，速度驟增。

［1］成志強(qiáng)，Barriere T，柳葆生，等.微注射成型實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，54（4）：635-638.Cheng Zhiqiang，Barriere T，Liu Baosheng，et al.Micro Injection Molding Experiment and Numerical Simulation［J］.Journal of Southwest Jiaotong University，2010，54 （4）：635-638.

［2］宋 新，盧松濤.注射速度對(duì)共注射成型制品質(zhì)量的影響［J］.煤炭技術(shù)，2012，31（7）：193-195.Song Xin，Lu Songtao.Injection Rate on the Total Quality of Injection Molding Products［J］.Coal Technology，2012，31（7）：193-195.

［3］趙 松，張培仁，鄧 超.注塑機(jī)注射速度的模糊控制及其仿真［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2008，20（2）：349-352.Zhao Song，Zhang Peiren，Deng Chao.Fuzzy Control for Velocity Tracking in Injection Molding and Its Simulation［J］.Journal of System Simulation，2008，20（2）：349-352.

［4］翟 明，顧元憲，申長(zhǎng)雨.注射成型充模過(guò)程的注射速度控制［J］.中國(guó)塑料，2002，16（5）：52-54.Zhai Ming，Gu Yuanxian，Shen Changyu.Injection Velocity Control in Filling Process of Injection Molding［J］.China Plastics，2002，16（5）：52-54.