聚合物挤出注塑成型过程的数值模拟方法优化

注塑成型加工是塑料工业中广泛应用的加工方法之一。它可以一次成型外形复杂、尺寸精确、花纹精细的塑料制件，而且生产效率高，易于实现自动化，因此，注塑成型方法一直在塑料加工领域占据重要地位。注塑机的年产量和出口产量一直位于塑料机械主导产品的2/3。注射成型是塑料加工中重要的成型方法之一，据统计采用注射成型聚合物制品约占聚合物制品总量的30 %以上，并有逐年增长的趋势。

注射过程由聚合物材料变为熔体的塑化和熔体注入模腔的注塑两个过程组成，具有周期性和连续性特点。螺杆的结构和操作工艺参数直接决定着注塑机两个过程的好坏。由于注塑螺杆是往复式螺杆注射成型机的关键部件，因此，影响螺杆注射成型过程的主要因素来自设备结构、成型过程的工艺条件（如螺杆转速，机筒温度，螺杆行程，预塑背压等）和聚合物流变性能。当设备结构和物料确定后，成型工艺条件将是影响注塑加工成型的主要因素。

21世纪初，有不少研究者利用可视化装置系统地研究了注射螺杆的熔融过程，研究表明注射成型的熔融过程是一个非稳态过程。工程技术人员要综合考虑多种因素，才能设计出合格的注塑机成型模具和优化充模工艺条件。反复试模和修模的传统方法导致了新产品的研发周期长成本高。目前，国内外使用成熟商业软件和数值模拟的方法，数值模拟聚合物注塑成型过程，研究塑化螺杆的结构、工艺参数与塑化质量和计量重复精度的关系，用红外传感器测量了螺杆转速、背压、注射行程、熔体黏度对熔体温度分布的影响，从理论和实践上，分析了螺杆注射塑化的主要性能。

从2005年开始，陈晋南课题组的师生使用Polyflow软件，数值研究聚合物材料注塑成型过程和成型机理。研究头部无螺纹和有螺纹注射螺杆的性能，研究螺杆转速、机筒温度、计量行程、背压等工艺参数对注射过程和塑化过程的影响，研究口模结构、工艺条件对不同材料注塑成型的影响^[74-83]。下面仅综述陈晋南课题组数值研究聚合物注塑成型过程的研究工作。

2005年，马德君和陈晋南^[74]数值模拟了往复螺杆式注塑机螺杆头部计量段熔体三维等温流场，重点讨论了注射和塑化两个过程的流场。分析螺杆头部的速度场可知，在注射时螺杆计量段物料的流动情况与挤出机螺杆的较为相似；而塑化计量时计量段熔料流动情况与挤出螺杆的相比，有两点明显的区别：一是塑化计量时的漏流指向正Z方向，成为对生产有利的因素；二是塑化计量时的“正流”速度分布按抛物线关系变化，与挤出螺杆中的正流沿螺槽深度方向线性变化的规律完全不同，而是与挤出螺杆流道的倒流非常相似。注射时，在锥形头的中部具有最大的压力值，在出口处有最小的压力值，这一压力差有利于物料的向前流动；塑化计量时，出口处有最大的压力值，在锥形头的中部具有最小的压力值，这一压力差推动螺杆向后运动。分析螺杆头部剪切速率场和剪切应力场可知，无论注射还是塑化计量时，在螺棱附近有较大的剪切速率和剪切应力场。

2006年，王明丽和陈晋南等^[75]用Carreau模型数值模拟了注塑机止逆螺杆头流道聚苯乙烯的三维等温流场，分析了塑化和注射两个过程的止逆螺杆头流道内熔体速度和剪切应力的分布情况，比较了无止逆环螺杆头与止逆螺杆头的流场。研究结果表明，塑化时熔体速度和剪切应力的最大值均出现在沟槽处，注射时二者均出现在流道出口处。止逆螺杆头沟槽处熔体的回泄量和回泄速度较无止逆环螺杆头小得多，且沟槽处回泄的熔体到达止逆环时已被完全消除。止逆环有效地防止熔体回泄。同年，马德君和陈晋南^[76]用Cross模型描述聚氯乙烯的黏度特征，数值模拟塑化过程计量段三维等温流场，计算头部无螺纹和有螺纹的螺杆计量段流道内熔体不同时刻的速度场、压强场、黏度场和剪切应力场。计算结果表明，两种螺杆元件产生的流场差别较大。有螺纹的注塑螺杆头部附近烯熔体逆流速度和压强增大，引起剪切应力的增大，加强了螺杆头部熔体的剪切稀化作用，使得熔体黏度降低。同年，马德君和陈晋南^[77]用Cross模型表示聚氯乙烯的黏度特征，数值模拟注塑过程计量段三维等温流场，讨论了两种螺杆流道的yz平面和xy平面的速度场、压强场、剪切应力场和黏度场。研究结果表明，头部有螺纹注塑螺杆沿着螺杆的轴线方向其速度梯度和压强值明显地增大，加强了头部熔料的剪切稀化作用，使熔料黏度降低。螺杆头部的螺纹明显阻碍了后方熔料向前流动，降低螺杆螺槽中熔料的速度梯度和压强，增加黏度，减弱剪切稀化作用。(www.xing528.com)

2007年，马德君和陈晋南^[78]用Cross模型表示PVC的黏度特征，数值模拟注塑螺杆计量段熔体塑化过程的三维等温流场，用粒子运动轨迹示踪法研究塑化过程粒子运动轨迹。塑化过程中注塑机粒子运动轨迹比挤出机复杂得多，有三种典型的运动方式，一部分粒子边旋转边向负z方向运动、另一部分粒子在旋转的同时先向负z方向运动后向正z方向运动，还有一部分粒子边旋转边向正z方向运动。同年，王玉洁和彭炯等^[79]用Carreau模型和Arrhe-nius公式描述黏度随剪切速率和温度的变化，数值研究了注射充模过程模具型腔内聚丙烯熔体的二维非等温流场，分析了不同时刻模具型腔内熔体的速度、压力、温度和剪切速率分布。研究结果表明，在充模过程中流场的各个物理量变化比较均匀，在流动前沿温度较高、压力最小。在充填过程的不同时刻，随着时间的增加，熔体的平均压力不断升高、平均温度不断降低。不同熔体的注射温度影响模具型腔内熔体的流场。较高的注射温度升高熔体平均温度，减低模腔熔体的平均压力，降低熔体的黏度，改善熔体的流动性。同年，陈晋南和王鸳鸯等^[80]数值模拟了注塑机塑化和注射过程中，两种止逆螺杆流道内聚丙烯熔体的三维非等温流场，讨论了流道内熔体的温度场、剪切速率场、黏度场和黏性热场。研究结果表明，由于35 °锥角螺杆头的轴向距离较长，与机筒配合得较好，所以螺杆的剪切作用范围大，35 °锥角螺杆更利于注塑成型。塑化时，35 °锥角流道内熔体的剪切速率等值线较60 °锥角的密集均匀，35 °锥角比60 °锥角螺杆流道内的熔体在螺杆头区域的温度高；注射时，35 °锥角较60 °锥角螺杆流道内熔体在出口处的温度和黏度的分布比较均匀。35 °锥角螺杆有较好的剪切塑化效果，对提高塑件的质量有利。60 °锥角螺杆流道内熔体的非等温场截面的平均黏度值比等温的平均黏度值减少24 %。温度影响熔体流场中各物理量的变化，非等温流场反映实际情况。

2007年，陈晋南和姜叶涛等^[81]在不同计量行程条件下，用Carreau和近似Arrhenius式的乘积的本构模型，数值研究了一家企业的35 °锥角止逆螺杆流道内聚丙烯熔体的三维非等温流场，讨论了流道内熔体的速度、压力、剪切应力、温度、黏性热和黏度的分布。研究结果表明，在塑化过程中，随着计量行程增加，螺杆退行速度增加，熔体的流速、剪切应力、剪切速率、温度和黏性热增加，黏度降低，压力先增加后减小。在注塑过程中，随着计量行程的增加，注射速度增加，熔体的流速、压力、剪切应力、剪切速率、温度和黏性热增加，黏度降低。提高螺杆计量行程，在剪切应力允许范围内，塑化压力合适时，有利于塑料的加工成型。在保证塑化质量和降低生产成本这两个因素，应尽可能地降低计量行程。

2008年，陈晋南和姜叶涛^[82]用Carreau和近似Arrhenius式乘积非等温的本构方程，建立了注塑机35 °锥角止逆螺杆流道的三维模型，数值研究了背压对聚丙烯塑化过程的影响，讨论了熔体各物理量沿螺杆轴向的变化情况。研究结果表明，随着背压的增加，螺杆流道内压差增加，剪切应力、剪切速率和黏性热增加，黏度变化不明显。随着背压的增加，计量段内沿螺杆轴向熔体的最大压差、最大剪切应力、最大剪切速率和最大黏性热增加，流速和黏度均匀，在螺杆头止环后各物理量出现峰值。

2010年，陈晋南和王鸳鸯等^[83]在不同螺杆转速和机筒温度条件下，用Carreau和近似Arrhenius式乘积非等温的本构方程，数值计算螺杆头为35 °锥角且带止逆环的注射螺杆流道内聚丙烯熔体的三维非等温流场。分析了熔体的温度、剪切应力、黏度和黏性热，研究工艺条件对螺杆注射加工聚丙烯的影响。

本节分两小节，包括塑化过程螺杆计量段三维流场的数值模拟，螺杆转速和机筒温度对加工聚丙烯的影响。