注塑机螺杆混炼元件混炼性能对比研究

第４ｌ卷，第４期　２０１３年４月　工程　料应用　Ⅷ４　’Ｎｏ．　Ａｐｒ．２０１３　５１ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＰ　ＬＡ　ＳＴＩＣＳＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮ　ｄｏｉ：ｌＯ．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－３５３９．２０１３．０４．０１３　注塑机螺杆混炼元件混炼性能对比研究　柳天磊　，王建鸿　，杜遥雪。　（１．震德塑料机械有限公司，广东佛山５２８３００；２．五邑大学机电工程学院，广东江门５２９０２０）　摘要：根据生产实际设计销钉型、屏障型及菠萝型三种螺杆混炼元件，并借助于计算流体动力学软件　ＰＯＬＹＦＬＯＷ分别对位于计量段末端的三种类型混炼段进行数值仿真，对比分析其混炼性能和塑化质量。结果表明，　三种构型混炼元件中，屏障型混炼元件出入口压力降最小，销钉型压力降最大，菠萝型压力降介于两者之间；菠萝型　混炼元件拉伸速率最大，销钉型与屏障型相似；菠萝型混炼元件混合指数最大，销钉型次之，屏障型最小。　关键词：注塑机；螺杆选型；塑化质量；数值模拟　中图分类号：ＴＱ３２０．５＋２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００１—３５３９（２０１３）０４－００５１—０４　Ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｐｌａｓｔｉｃｉｚｉｎｇ　Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　Ｓｃｒｅｗ　Ｍｉｘｉｎｇ　Ｕｎｉｔｓ　ｆｏｒ　Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ　Ｍａｃｈｉｎｅ　Ｌｉｕ　Ｔｉａｎｌｅｉ　，Ｗａｎｇ　Ｊｉａｎｈｏｎｇ　，Ｄｕ　Ｙａｏｘｕｅ　（１．Ｃｈｅｎ　Ｄｅ　Ｐｌａｓｔｉｃｓ　Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｆｏｓｈａｎ　５２８３００，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆＥｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｗｕｙｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉａｎｇｍｅｎ　５２９０２０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｒｅｅ　ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ｓｃｒｅｗ　ｍｉｘｉｎｇ　ｕｎｉｔｓ　ｗｅｒｅ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ：ｐｉｎ　ｍｉｘｅｒ，ｂａｒｒｉｅｒ　ｍｉｘｅｒ　ａｎｄ　ｐｉｎｅａｐｐｌｅ　ｍｉｘｅｒ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｗａｓ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｔｈｒｅｅ　ｍｉｘｉｎｇ　ｓｅｃｔｉｏｎｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｍｅｔｅｒｉｎｇ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ＣＦＤ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ＰＯＬＹＦＬＯＷ，ａｎｄ　ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ　ｓｔｕｄｙ　ｗａｓ　ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｍｉｘｉｎｇ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ａｎｄ　ｐｌａｓｔｉｃｉｚｉｎｇ　ｑｕａｌｉｔｙ　ａｍｏｎｇ　ｔｈｅｍ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｄｉｆｅｒｅｎｔｉａｌ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｏｆ　ｅｘｉｔ　ａｎｄ　ｅｎｔｒａｎｃｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｂａｒｒｉｅｒ　ｒＨｎ／ｌｅｒ　ｉｓ　ｍｉｎｉｍｕｍ，ｔｈａｔ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｉｎ　ｒｕｍｌｅｒ　ｉｓ　ｍａｘｉｍｕｍ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｄｒｏｐｄｏｗｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｉｎｅａｐｐｌｅ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅｍ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｔｈｅ　ｒａｔｅ　ｏｆ　ｓｔｒｅｔｃｈｉｎｇ　ｉｓ　ｌａｒｇｅｒ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｉｎｅａｐｐｌｅ　ｍｉｘｅｒ　ｔｈａｎ　ｉｎ　ｈｅ　ｔｏｔｈｅｒ　ｔｗｏ　ｍｉｘｅｒｓ　ｗｈｉｃｈ　ａｒｅ　ｈａｐｌｙ　ｓｉｍｉｌａｒ　ｉｎ　ｃｕｒｖｅｓ．Ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｍｉｘｉｎｇ　ｉｎｄｅｘ，ｔｈｅ　ｐｉｎｅａｐｐｌｅ　ｂｅｈａｖｅｓ　ｂｅｓｔ，ｔｈｅ　ｐｉｎ　ｂｅＲｅｒ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｂａｒｒｉｅｒ　ｍｉｘｅｒ　ｗｏｒｓｔ．Ｔｈｅｓｅ　ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ａ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ　ｍｏｌｄｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅ，ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｃｒｅｗｓ　ａｎｄ　ｈｅｉｔｒ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ　ｍａｃｈｉｎｅ；ｓｃｒｅｗ　ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ；ｐｌａｓｔｉｃｉｚｉｎｇ　ｐｒｏｐｅｒｔｙ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　注塑机产品的质量和性能主要取决于原材料　的物料特性、生产加工工艺条件、模具及注塑机性能　等因素，而注塑机的性能占据重要位置。注塑机的　质量又取决于其机械系统、液压系统及电气控制系　统，在智能化、系统化、网络化的注塑机系统中液压　业会通过理论研究、数值模拟及实验研究设计开发　新型螺杆，比如华南理工大学、北京化工大学与海天　机械有限公司、震德塑料机械有限公司合作研究，开　发多款新型螺杆及注塑机。笔者在螺杆计量段设计　几款对螺杆塑化质量影响较大的屏障型、菠萝型和　销钉型混炼元件，通过聚合物三维有限元分析软件　ＰＯＬＹＦＬＯＷ进行数值模拟，对比分析其塑化性能，　为注塑机应用提供螺杆选型方面的参考。　１模型设计与材料　１．１物理模型　及电气控制作用远大于机械系统　】，但机械系统是　注塑机中最基本的。机械系统中相对于螺杆头、止　逆环、推力环、射嘴和料筒等塑化组件，螺杆是塑料　加工设备中一个至关重要的零件，其性能对塑料制　品的产量和质量有着巨大影响［２】。　注塑机螺杆性能高低与其材质、几何结构设　为了对比分析的需要，模拟所设计的混炼元件　计、塑化工艺参数等有关，常因其周期性工作特性　均取自螺杆计量段末端，如图１屏障型混炼螺杆所　及注塑产品的绿色环保、节能低耗及多样化的要求，　示，且长度及直径都相等，并采用同样的流道。本　使其设计变得困难复杂。以往学者和工程师设计经　联系人：柳天磊，硕士，主要从事塑料成型机械优化设计、仿真模　常根据生产经验、客户反馈模仿具有优良塑化效果　拟及其自动控制研究　的挤出机螺杆。具有实验条件的高校科研机构及企　收稿日期：２０１３—０２—０９　柳天磊，等：注塑机螺杆混炼元件混炼性能对比研究　５３　变化的曲面弧形结构，如图６所示。这种曲面构型　结构很容易形成不规则的拉伸流场，而拉伸流场是　无旋流，其相对于剪切流场具有更强的拉伸分散作　剪切作用，导致其混合指数比值较低。销钉型混炼　元件因销钉的存在而使其具备一定的剪切分流作用　和拉伸破碎作用，常用作混色螺杆设计中，而屏障型　用，从而使流道内物料受到较大的拉伸速率。　时间／８　图５三种混炼元件流道内物料粒子受到的拉伸速率对比曲线　型　图６菠萝型混炼元件曲面构型不意图　２．３混合指数　物料的分散混合是通过流场施加的剪切作用　和拉伸作用实现的，通过对简单的剪切和拉伸流动　中颗粒破碎过程的研究表明，拉伸流动对分散混合　更为有效，特别是对于具有高黏度比和低界面张力　熔体的分散混合　。为了使拉伸流动和旋转流动　定量化，引入混合指数　：，即为：　月一　阿　（２）　式中：ｌ　Ｊ［）ｆ和ｌ　ｌ是形变速率张量和旋度张量的大　小，　的范围为０～１。对于纯旋转运动，　０；对　于简单剪切运动，　ｚ＝０．５；对于纯拉伸流动，　１。　图７给出了三种构型混炼元件混合指数对比曲　线。由图７可知，三种混炼元件流道内粒子的统计　混合指数均呈现出类似正弦或者余弦曲线的周期性　变化。其中，菠萝型混炼元件混合指数最大，销钉型　次之，屏障型最小，均值分别为０．５４２，０．５２４，０．５１４。　这说明菠萝型混炼元件流道内拉伸流场作用较强，　而屏障型混炼元件流道内剪切流场作用较强，销钉　型混炼元件流道内两种流场作用介于两者之间。由　图２及图６可知，菠萝型混炼元件因其曲面构型容　易形成拉伸流场，从而具有较大的拉伸速率和混合　指数；屏障型混炼元件因其流道内物料从一个沟槽　流动到另一个沟槽时必须经过棱的间隙而产生强　混炼段多用于强剪切型螺杆设计，菠萝型混炼元件　则用于设计加工物料对混色和混炼均要求较高的场　合。由前面分析可知，拉伸流场比剪切流场具备更　强的分散混合效果，因而三种混炼元件中菠萝型混　炼元件的分散混合作用最强。　图７三种构型混炼元件混合指数对比曲线　３结论　（１）三种构型混炼元件中，屏障型混炼元件压力　降最小，销钉型压力降最大，菠萝型压力降介于两者　之间；　（２）菠萝型混炼元件因其曲面构型流道容易形　成拉伸流场，其流道内物料受到的拉伸速率最大，销　钉型与屏障型两种混炼元件流道内物料粒子受到的　拉伸速率有着相似的变化趋势；　（３）三种混炼元件因其不同的结构设计，导致其　流道内剪切流场和拉伸流场所占比值不一样，从而　产生不同的混合指数，为工业螺杆设计及螺杆选型　提供了参考。　参考文献　［１】王兴天．注塑技术与注塑机［Ｍ］．北京：化学工业出版社，　２０ｎＳ・１６，一，４７　Ｗａｎｇ　Ｘｉｎｇｔｉａｎ．Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ　ｍｏｌｄｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅ　［Ｍ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ￣ｓｔｒｙ　Ｐｒｅｓｓ，２００５：１６２－２４７．　［２】李凌丰，刘际轩，茅旭飞．螺杆加工塑料时熔体流动的数值模拟　［Ｊ］．机械工程学报，２０１ｌ，４７（２４）：５０－５６．　Ｌｉ　Ｌｉｎｇｆｅｎｇ，Ｌｉｕ　Ｊｉｘｕａｎ，Ｍａｏ　Ｘｕｆｅｉ．Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｍｏｌｔｅｎ　ｐｏｌｙｍｅｒ　ｌｆｏｗ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｃｒｅｗ　ｇｒｏｏｖｅ【Ｊ】．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１１，４７（２４）：５０－５６．　［３］柳天磊，杜遥雪．基于ＰＯＬＹＦＬＯＷ双转子连续混炼机混炼形态　模拟【Ｊ］．现代塑料加工应用，２０１０，２２（５）：２２－２４．　Ｌｉｕ　Ｔｉａｎｌｅｉ，Ｄｕ　Ｙａｏｘｕｅ．Ｍｉｘｉｎｇ　ｓｔａｔｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｗｉｎ－ｒｏｔｏｒ　ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ｍｉｘｅｒ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＰＯＬＹＦＬＯＷ［Ｊ】．Ｍｏｄｅｒｎ　Ｐｌａｓｔｉｃｓ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｎａｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，２０１０，２２（５）：２２－２４．　［４】谢林生，缪国兵，陈小洪．双转子连续混炼机过程和原理研究［Ｊ】．　５４　工程塑料应用　２０１３年，第４１卷，第４期　海南首个完全可降解塑料项目投产　近日，海南首个完全可降解塑料项目正式投产，年产量　可达约１　５００　ｔ。目前，该项目主要用于替代一次性不可降解　塑料购物袋、垃圾袋、农膜、杯、碗、餐盒等。　据悉，该项目主要以木薯淀粉为原料，生产可完全生物　降解的塑料颗粒和环保塑料袋。目前，产品经国家塑料制品　质量监督检验中心检测，完全降解率高于国际标准６倍，节　能是所有石化塑料的１００倍以上，且还有改良土壤的奇特功　效。而生产过程中产生的废料，经过粉碎后，还能作为动物　饲料和有机化肥原料。　据介绍，该项目做到了生物资源化、使用无公害化、污染　减量化三大标准，项目投产后，既可减轻二氧化碳的集中排　放，又可替代有污染的不可降解塑料，延伸出更合理、高效的　产业链，副产的废气也可以加以利用，提高了经济效益和社　会效益。该项目的落户，不但有效地消除了“白色污染”，也　促进了海南生态省建设。　该项目由海南省生态研究院与广东三九集团投资开发，　成立海南首家生物基完全可降解制品企业——海南盎然降　解塑料制品有限公司于２０１２年１２月动工建设，属国家８６３　星火计划，具有我国自主知识产权。该企业秉承“走绿色、低　碳、可持续发展之路”为宗旨，以“遏制白色污染，呵护绿色　家园”为己任，为绿色崛起增添光彩。企业采用成熟可靠的　工艺技术和设备，在加工、生产、储存、运输、销售过程中采用　先进的生态环保流程，零污染、零排放，达到国内领先水平。　（海南在线）　台湾长春人造树脂公司改性ＰＢＴ的应用　聚对苯二甲酸丁二酯（ＰＢＴ１是与尼龙、聚碳酸酯、聚甲　醛、改性聚苯醚齐名的五大通用工程塑料之一。目前市场上　８０％以上ＰＢＴ的都是改性后使用的。ＰＢＴ改性工程塑料以　其优异的物理、力学及电气等特性在汽车与电子电气等领域　日益得到广泛应用。目前全世界ＰＢＴ改性工程塑料产能已　达到５０万ｔ／ａ以上，在五大通用工程塑料中居第四位。　ＣＣＰ　ＰＢＴ是台湾长春人造树脂有限公司应国内产业升　级，经多年投入大量人力物力研发而成的功能塑胶材料。到　２０１３年末，长春公司位于江苏常熟的工厂，ＰＢＴ纯树脂将扩　产至１８万ｔ，改性ＰＢＴ也将扩产至３万ｔ。　ＣＣＰ　ＰＢＴ有如下特性：结晶快速，易成型；熔点高达　２２５ｏＣ，耐热性佳；玻璃纤维强化，力学强度大；吸水率低，尺　寸稳定性佳；摩擦系数低，耐磨耗；耐化学品、溶剂、耐候性　佳；弯曲蠕变性佳；可制成耐燃级，符合ＵＬ９４　ｖ＿０要求；界　点强度高，电气性质佳；可以超音波熔接，加工容易。　ＣＣＰ　ＰＢＴ应用在汽车上的成功案例见表１。　表１　ＣＣＰ　ＰＢＴ在汽车各部件成功应用案例　（徐珂楠）　全新抗震型ＰＥ塑料管材应用量增长速度快　对于ＰＥ管道的抗震性能，业内人士的认识比较统一：　ＰＥ管具有独特的柔韧性和优良的耐刮伤能力，容易移动、弯　曲和穿插，遇铺设路面沉降、错位也不容易断裂造成伤害，抗　震性能好。在１９９５年日本神户地震中，唯一未造成大规模　损坏的管道就是ＰＥ燃气管和给水管。也正是因为诸多优点，　使之在欧洲管道市场占有重要的位置，并成为美国十几年来　各种塑料管道产品中应用量增长速度最快的管道产品。　在ＰＥ类管道产品中，一种以ＰＥ为基材、以钢丝网骨架　增强的复合管材——钢丝网骨架ＰＥ增强复合管的抗震性能　也受到了关注。这种管材在继承了纯ＰＥ管道各种优点的基　础上，因为钢丝网骨架的增强作用，使得它适应地面沉降等　条件的能力更加突出。在奥运场馆建设过程中，这种管材就　是因为上述优点而被选作国家体育场的埋地生活用水管材。　（建装网）