注塑機螺桿轉速對塑化能力和表觀黏度的影響研究

劉闊，王立強，張邵恒

（沈陽化工大學 機械與動力工程學院，沈陽 110142）

0 引言

注塑機是塑料模塑成型的主要設備，主要由注射系統、合模系統、電氣控制系統、潤滑系統、液壓傳動系統、加熱及冷卻系統、安全監測系統等組成。為提高產品質量、生產效率、降低能耗，人們對其進行深入研究。

對注塑機的研究是多方面的，包括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]、塑化能力的螺桿結構改造[4-6]等。螺桿是注塑機核心部件，其參數決定了注射機的注射量，研究者對其研究較多。螺桿的塑化均勻性越好代表著制品的的重復精度和計量精度越高，表現塑化均勻性的性能參數為表觀黏度，其中改造螺桿結構有助于降低熔體的表觀黏度，螺桿能力由螺桿結構以及螺桿轉速、壓力、速度、溫度等決定，是衡量螺桿性能的主要參數。王喜順等[7]對注塑螺桿的熔體輸送進行了理論分析。李政等[8]研究了溫度和背壓對螺桿塑化能力的影響。塑化能力代表著注塑機生產的效率，提高螺桿的塑化能力對于企業的經濟效益很有必要，螺桿的塑化能力是指單位時間注塑機螺桿塑化物料的質量，而物料存儲的質量由計量室決定，螺桿均化段出口處與計量室相連，可以通過測得螺桿均化段出口處的體積通過率來測定螺桿的塑化能力。

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，以便于檢測和觀察實驗結果。本文將通過Fluent軟件對于螺桿均化段的PP熔體進行流場分析，采用實驗與理論分析相結合的研究方法，探討螺桿轉速對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率，從而優化螺桿轉速的注塑機生產工藝參數。

1 理論分析

本文中將用Fluent仿真朗億的LYH680注塑機的均化段管道流體，設置不同的螺桿的轉速，分析均化段管道聚丙烯流體均化段出口處的體積通過率，進而求得不同轉速下PP熔體的表觀黏度和螺桿的塑化能力。注塑機的相關參數為：螺桿均化段長度為80 mm,均化段料筒溫度設定為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°,螺桿長徑比為19.6,螺桿直徑為32 mm；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）。在實際工程，考慮流體的密度的變化不大，由于熔融聚合物在注塑機預塑時剪切速率小于10-3m/s，此時熔體位于非牛頓流變區的第一區域，在此區域可將熔融聚合物看成是牛頓流體，因此在理論和實驗測試分析中將PP熔體視為不可壓縮層流運動的牛頓流體。

1.1 坐標系建立

物料通過的原來旋轉型的通道拉伸為長方體通道，以原點構建的空間三維模型如圖1～圖3所示。

圖1 熔體展開坐標圖

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

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

1.3 理論塑化能力的計算

通過式（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影響。其中螺桿轉速越高，則塑化能力越強；熔體表觀黏度升高，則螺桿塑化能力也增強。

2 實驗結果及其模擬分析

2.1 模擬分析及結果

1）模擬分析的條件設定。

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

左右側壁：y-z平面（x=0）、（x=3.2×10-2m）作為均化段螺槽壁的兩側設置為無滑移墻壁，熔體溫度為螺桿溫度，依據PP材料特性及設備的實際狀況設為473 K。

上下側壁：x-z平面（y=0）、（y=2.2×10-3m）作為均化段螺槽的下、上兩側，下側視為無滑移墻壁，熔體溫度為螺桿溫度，依據PP材料特性及設備的實際狀況設為473 K；均化段螺槽上側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PP材料的生產條件設置為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，此處的壓力設置為匹配實驗設備，便于分析比較，設定為背壓為-1.2 MPa。

2）模擬分析結果。

對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）發生熱傳導，熱量分別從底部、上部傳入熔體內部，溫度從兩側向內呈降低趨勢，形成了凹形溫度曲線。隨著螺桿轉速的提高，速度升高，在流道加熱時間減少，形成溫度隨著轉數的提升而降低的現象。

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，隨著螺桿轉速的上升，熔體的表觀黏度也越來越高，表觀黏度均勻性下降。由此可見PP熔體的表觀黏度和溫度成反比，這說明仿真的準確性。

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 時的均化段出口處的平均黏度，因為通過數據對比發現此處黏度變化最接近理論計算的黏度。

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 塑化能力的測量與分析

將注塑機預熱后，將聚丙烯原料放入漏斗進行塑化，對螺桿轉速參數分別設置轉速120、140、160、180 r/min，均化段料筒溫度設定220 ℃、均化段熔體壓力設定1.2 MPa，用秒表記錄每一個轉速條件下的儲料時間t，然后對空進行注射，等噴射物冷卻后，收集、測量噴射物質量m，通過mps=1000m/t，求得實際塑化能力mps，與相同條件下理論塑化能力mpt的比較結果如圖7所示。

圖7表明，螺桿理論塑化能力和螺桿轉速近似一次函數關系，隨著螺桿轉速提升，螺桿塑化能力增強，而實際螺桿塑化能力要低于理論塑化能力，本臺注塑機在轉速120～180 rad/min之間的實際塑化能力占理論塑化能力的82%～86%，說明本臺注塑機螺桿塑化能力在平均水平以上。

圖7 螺桿轉速對實際與理論塑化能力的影響

2.3 誤差分析

螺桿實際塑化能力和理論塑化能力存在差異，無外乎這幾點：1）塑化過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的熱量，更多的來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。

隨著螺桿轉速提高，實際塑化能力上升趨勢減緩，有以下幾點：1）隨著螺桿轉速的提高，螺桿的剪切熱越來越多，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，阻礙物料前進速度，造成實際塑化能力上升趨勢減緩。

3 結論

通過Fluent的仿真分析可以發現，在螺桿轉速一定的時候，隨著螺槽深度增加，溫度和表觀黏度均勻性降低，實驗證明塑化能力升高，但制品質量精度降低；在螺槽深度一定的情況下，隨著螺桿轉速升高，塑化能力增強，但溫度和表觀黏度均勻性降低；提升螺桿的溫度，有助于促進表觀黏度均勻性，提高制品質量精度；為保證制品質量，提高生產效率，應對螺槽深度、溫度及螺桿轉速進行優化。