螺杆轴向移动对塑化流场均匀性影响的三维仿真研究

黄晓栋，王克俭＊，颜 悦，厉 蕾

（1.北京化工大学机电学院，北京100029；2.北京航空材料研究院，北京100095）

0 前言

在塑料精密成型过程中，熔融塑化质量和塑化系统稳定性影响制品质量和精度。螺杆塑化包括将固体熔融、混合并输送的过程，后两者往往在计量段完成。螺杆往复式注塑机塑化物料时，螺杆除旋转外，在储料段熔体反作用和驱动控制下还要作轴向后退；挤出塑化时螺杆只作旋转运动。这个差异造成注塑螺杆和挤出螺杆的塑化熔体流动情况和质量不同［1］。目前，针对注塑机塑化过程的大多研究是基于挤出塑化理论，考虑螺杆往复运动影响进行简化一维或二维进行分析，忽略了环向流场分布［2］。本文采用聚合物流体力学仿真软件模拟相同工艺条件下往复式注射螺杆和挤出螺杆塑化过程中流道内熔体的三维流场分布并对两者塑化效果进行分析比较分析。

1 几何模型和边界条件

普通3段式螺杆，外径为38mm，计量段螺杆根径32mm、长120mm。采用Polyflow 软件模拟时，将计量段终点截面圆心作为X、Y 坐标原点，以螺杆轴线为z轴建立直角坐标系。采用4面体单元网格划分螺杆，采用6 面体单元网格划分机筒，使用网格叠加技术（mesh superposition technique）来生成有限元网格减少因螺杆运动而重复进行网格划分的工作量［3］。

仿真工艺条件：塑化时螺杆转速为70r／min，注射螺杆轴向移动速度为0.005m／s，塑化时间3s，流道进口流率为5×10－6m3／s，出口压强为5 MPa；熔体进入计量段的温度为483K，机筒和螺杆壁面温度保持恒定，为483K。

2 数学模型

螺槽内熔体是非稳定层流、三维非等温流动，假设为不可压缩流体；忽略高黏性聚合物熔体的惯性力和重力；全充满流道内熔体无壁面滑移。对连续性方程、运动方程和能量方程进行简化，采用Carreau模型描述黏度随剪切速率的变化，用近似Arrheniuss式分析黏度随温度变化，两方面乘积形式描述聚苯乙烯（PS）熔体的本构方程为：

其中，参考温度T0＝483K，松弛时间λ＝2.15s，指数n＝0.25，零切黏度η0＝8859Pa·s，温度系数β＝0.02K－1。模拟时定压比容Cp＝1880J／kg·K、密度ρ＝924kg／m3和热传导系数k＝0.15 W／m·K。

3 数值计算结果与讨论

塑化熔体的温度、压强和速度在径向和轴向往往是分布不完全均匀的，直接影响到熔体的黏度、密度以及其他的加工工艺参数，最终影响制品的最终质量。下面重点分析2种塑化系统在不同塑化时刻流场的数值模拟结果。先分析计量段出口截面流场均匀性，然后分析计量段螺槽中距离螺槽底面1.5mm 上流场轴向分布。下面分析的注射螺杆处在旋转的同时向后移动状态，而挤出螺杆仅环向旋转。

3.1 计量段出口截面流场分布

螺杆塑化的熔体将供给挤出模具或一阶注射的储料区，计量段末端流出熔体速度在断面上是不均匀的，在计量段出口截面熔体流场分布的均匀性将影响后续操作的质量。图1给出了塑化3s时螺杆计量段出口横截面熔体温度、压力和轴向速度XY 截面投影分布云图，计量段末端流出熔体速度在截面上是不均匀的。

从图1看出，温度分布主要体现在径向不均匀，这是机筒加热向内传热形成的；压力不均匀主要体现在环向，这是螺旋输送效应；由于这两方面因素，熔体轴向速度在2 个方向都显著不均匀。在距离螺杆根径1.5mm 的挤出螺槽深度（这为等径圆）上，从螺棱前侧面向后侧面的环向（顺时针）上温度、压力和熔体轴向速度略微提高，这与熔融段螺槽内固体近螺棱前侧面而熔体近螺棱后侧面现象一致；注射螺杆由于前后移动使其分布复杂，图中圆周方向上距离螺棱最远处，即螺槽中央部位温度最高而轴向速度最小。统计上，挤出螺槽内熔体温度、压力和流动速度的波动程度比注射的小；但注射螺杆螺槽内熔体速度比挤出的略微高，即注射螺杆塑化系统正流量大于挤出螺杆的，这是螺杆后移提高熔体输送能力所致。实际上，整体塑化中，注射螺杆还有前移和停止的阶段，会降低塑化产量。

图1 塑化3s时螺杆计量段出口横截面熔体温度、压力和轴向速度投影分布云图Fig.1 Melt pressure，temperature and velocity cross distribution nephograms for 3.0sat plasticizing exit

图2 不同塑化时间下螺槽中熔体径向温度分布Fig.2 Axial melt temperature distribution in crew groove at plasticizing time

在螺杆计量段出口处螺槽中央，将径向深度方向的温度分布绘为图2。塑化时，从机筒向物料传热，螺杆旋转拖动物料形成剪切作用。这样，如图2所示，仿真表明：相对螺杆和机筒设置温度483K，熔体温度可高于螺杆和机筒温度。塑化熔体刚充满计量段时［图2（a）］，自机筒向螺杆螺槽底面（h＝0）中熔体温度下降；塑化稳定时［图2（b）］，剪切作用功转换为热量造成螺槽底面温度比机筒内表面高。2种情形下，注射螺杆轴向后退减少了向外传递热量，轴向移动做功也可转换为热量，这造成注射料槽熔体温度较挤出的高且发生波动，相对设置温度偏差大。

3.2 轴向流场分布

下面分析稳态塑化时计量段螺槽中距离螺槽底面1.5mm 参考线上流场在轴向的分布。

（1）轴向速度场分布

图3给出了稳态塑化时，流道中参考线上的轴向速度：向着出口（z＝0）方向物料是加速流动的，注射螺杆后退使得这种加速效应更明显，提高塑化熔体输送能力。挤出螺杆轴向不动，螺棱位置速度为零；注射螺杆后退，螺棱位置速度为负。接近螺棱区域出现较大的速度梯度，甚至出现逆流，而在螺槽中央物料轴向速度均为正值，表明物料流动以正流为主。相比较而言，挤出过程速度波动范围小较稳定。

这些现象在图4中YZ 截面上螺槽内熔体轴向速度云图中很容易观察到。

图3 稳定塑化下螺槽中轴向速度分布Fig.3 Axial velocity distribution in crew groove in steady plasticizing

图4 稳态塑化时轴向截面速度分布云图Fig.4 The nephogram of axial sectional velocity distribution

（2）轴向温度场分布

图5给出了稳定塑化时，塑化过程中熔体沿螺杆轴向温度分布。由于传热和功热转换，向出口（z＝0）流动方向熔体温度升高；注射螺杆轴向后退造成注射螺槽内熔体温度较高且波动大。2条曲线上周期性出现温度极小值的轴向位置对应螺棱，注射温度曲线向后移动。

（3）轴向黏度场分布

轴向温度的差异导致熔体黏度出现相似的变化，如图6所示。沿着熔体的流动方向，螺槽内熔体黏度分布较为均匀，在螺棱附近区域剪切速率和温度低且梯度大造成黏度出现极大值。相比于注射情况，挤出塑化时螺槽内的熔体轴向黏度波动范围较小，轴向分布更为均匀。

（4）轴向压力场分布

图5 螺槽中熔体轴向温度分布Fig.5 Axial melt temperature distribution in crew groove

图6 不同塑化时间下螺槽中轴向熔体温度分布Fig.6 Axial melt viscosity distribution in crew groove

塑化时，物料沿螺槽不断向前输送并建立一定的压力。图7给出了正常塑化时参考线上的轴向压力分布。沿轴向方向，物料在螺槽中的压力呈线性逐渐增加。相比于挤出螺杆，注射螺杆后退引起螺杆前段建压能力更好，说明其熔体输送能力更好；压力梯度大容易引起逆流影响塑化稳定性。

4 结论

（1）在相同的塑化工艺条件下，螺杆塑化时，轴向前后移动影响塑化熔体温度和黏度的均匀性，挤出塑化比注射塑化波动小，塑化更均匀；

图7 不同塑化时间下螺槽中轴向压力分布Fig.7 Axial melt pressure distribution in crew groove at plasticizing time 3s

（2）在相同的塑化工艺条件下，螺杆后退略微提高熔体输送能力（速度和出口压力），但容易引起逆流影响塑化稳定性；

（3）为了提高塑化质量和计量精度，精密注射时可采用连续挤出塑化与柱塞或螺杆注射单元串联的双阶形式，也增强了设备的适应性。

［1］ Steller R T.Theoretical Model for Flow of Polymer Melts in the Screw Channel［J］.Polym Eng Sci，1990，30（7）：400－407.

［2］ Kamal M R，Varela A E，Patterson W I.Control of Part Weight in Injection Molding of Amorphous Thermoplastics［J］.Polym Eng Sci，1999，39（5）：940－952.

［3］ Bertrand F，Tanguy P A，Thibault F.A Three－dimensional Fictitious Domain Method for Incompressible Fluid Flow Problem［J］.Int J Num Fluids，1997，25（6）：719－736.