振业注塑培训在长期的咨询辅导过程中，发现了很多现象。影响螺杆注射成型过程的主要因素来自设备结构,成型的工艺条件(如螺杆转速,机筒温度,螺杆行程,预塑背压等)和聚合物流便性能。当设备结构和物料确定后，成型工艺条件将是影响注射螺杆流道内熔体流场的主要因素。研究注射成型机理，必需研究工艺条件对注射螺杆流道内熔体流畅的影响。Dontula等利用红外传感器测量了螺杆转速、背压、注射形成、熔体黏度对熔体温度分布的影响。研究了加工工艺条件和螺杆参数之间的关系，塔伦了轴向温差的形成机理。张友跟从理论和实践上，分析了注射塑化的主要性能，研究了塑化螺杆的结构、工艺参数与塑化质量和计量重复精度的关系。作者探讨了不同螺杆转速和机筒温度对注射螺杆流道内熔体流场的影响。使用聚合物流体力学软件Polyfow数值计算了不同转速下，塑化过程中注射螺杆流道内熔体的流场，讨论了转速对流场中个物力量的影响。数值计算了不同机筒温度下，塑化和注射过程中螺杆流道内熔体的流畅，讨论了温度对流畅中各物理量的影响。

1 模型设计

1.1数学模型

在注塑机螺杆加工聚丙烯(PP)的过程中，由于PP熔体的高黏性，惯性力和质量力相对于黏性李很萧，可忽略不计。假设PP熔体为不可压缩纯黏性非牛顿流体，在螺杆流道中是三维非等温、非稳定层流流动，流道全充满，流道壁面无滑移，则描述注塑机塑化和注射PP过程熔体的控制方程为：

采用某公司提供的工艺条件：塑化时螺杆转速为95r/min,轴移速度为0.0125m/s,背压为2.5Mpa;注射时螺杆不转动,注射速度为0.094m/s,PP熔体密度为735kg/m3,进出口压差为513K。在转速为45，95，105r/min的条件下，数值

1.2几何模型网格和计算方法

根据某公司提供的螺杆结构尺寸，螺杆直径为90mm，选取螺杆计量段360mm，螺杆头锥角为35°的注射螺杆为研究对象。以计量段起点截面的圆点为原点，以流道种现象为z的轴建立直角坐标系。根据机筒静止、螺杆旋转并周期性往复运动的特点，分别简历了止逆环螺杆流道内熔体三维模型。采用四面体网格划分螺杆头、止逆环和螺棱等复杂部位，采用六面体网格划分机筒和螺杆的柱体部位。螺杆流道的网格总数分别为80576个。为了客服因螺杆运动而带来的网格划分的重复工作量，使用了Polyflow软件包提供的网格叠加技术(MST)，自动将螺杆偷喝机筒内的两部分网格按照运动情况组合。图1给出了35°锥角止逆螺杆计量段的几何模型和有限元网格。

计算了塑化过程中注射螺杆流道内熔体的流场，讨论了转速对流场中熔体流速，剪切速率，温度，黏性热和黏度等物理量的影响。在转速为95r/min和机筒温度分别为473,513,573K条件下,数值计算了塑化和注射过程中螺杆流道内熔体的流场,讨论了温度对流场中剪切速率,温度,黏性热和黏度等物理量的影响。计算中，速度采用Mini-element插值,压力采用线性插值,黏度采用皮卡插值,能力方程采用上风法插值,用隐式欧拉法联立求解方程式(1)-(6),计算的收敛精度为10-3,在HPXW6000工作站上完成全部计算工作,最长一次运算机时为14h。分两部分给出数值计算的结果和讨论。由于篇幅限制，仅给出部分计算结果。

2 结果与讨论

2.1 转速对螺杆流道内熔体流场的影响

由于注射螺杆不选择，仅讨论了不同转速下塑化过程中熔体的非等温流场。塑化时间为3.76s，研究塑化时间为3.50s时，即接近塑化结束时刻PP熔体的流场。重点讨论螺杆与机筒组合流道内PP熔体的流场，选取螺杆流道Oyz界面给出数值计算的结果。图2-图4分别给出了不同转速下螺杆流道Oyz截面上PP熔体的剪切应力场、粘性热场和黏度长。由图2-图4可知，塑化时，从螺杆计量段到螺杆头部，沿着螺杆z轴正方向，螺杆流道内熔体的剪切应力和黏性热逐渐变小，温度稍有升高。将不同转速下流场中PP熔体各物力量的最大值列表1.如表1所示，当螺杆转速增大了1.1和1.3倍时，熔体的最大流速分别增大了1.4，1.6倍，最大剪切应力分别增加了0.26，41.00倍，最大黏性热值分别增加了1.2，2.0倍。转速增加时，熔体温度最大值变化不大。正如金志明等的实验工作指出，随着螺杆转速的增加，熔体的流速增大，熔体的剪切应力增加，黏度降低，有利于塑料的加工成型。数值模拟的结果与实验研究结果一致。黏性热随着转速提高而增大。

2.2机筒温度对螺杆流道内流场的影响

2.2.1 塑化时熔体的三维非等温流场

塑化时间为3.76s，研究3s时刻螺杆流道内熔体的流场。图5给出入口温度和机筒内壁的温度均为513K时，塑化过程中螺杆流道Oyz截面积上熔体 的压力场。图6-图8分别给出了不同机筒温度下螺杆流道Oyz截面上熔体的速度场、黏性热场和黏度场，由图6-图8可见，随着机筒温度的升高，熔体的温度升高，黏度下降，流速增大，黏性热减小。

将流场中熔体各物理量的最大值列表于表2.由表2可知，塑化时当机筒温度分别降低60，100K时，熔体的最大速度相应减小了0.004，0.011m/s,熔体的最大剪切应力增加了0.57,1.13倍;熔体的最大黏性热增大了0.59,1.15倍,熔体最大黏度值增大了2.32,6.39倍.

2.2.2 注射时熔体的三维非等温流场

注射时间为0.50s,在0.35s时考察螺杆流道熔体的流场,哟与注射时熔体几种在螺杆头部,计量段几乎没有物料,以下仅讨论局部放大螺杆头部的流场。图9和图10分别给出了不同机筒温度下螺杆头流道Oyz截面上熔体的剪切速率场和黏度场。将螺杆头流场中PP熔体各物力量的最大值汇总在表3中。由表3可知，注射时，当机筒温度分别降低60，100K时，熔体的最大黏度值相应增大了1.43，2.40倍，熔体的最大流速值减小了0.130，0.359m/s,最大剪切速率增大了0.67,1.32倍,最大黏性热值增大了0.96,1.87倍.又图9、图10和表3可知,随着机筒温度的增加,熔体和黏度降低,流速增加,剪切应力下降,剪切速率下降,黏性热下降,有利于注射成型.

在两种工艺条件下,使用聚合物流体力学软件Polyflow和有限元法,数值求解了注塑止逆螺杆流道内熔体的非等温流场.分别研究了塑化和注射过程中转速和机筒对螺杆流道内熔体非等温流畅的影响.结果表明:随着螺杆转速的增加,塑化过程中熔体的流速增大,熔体的剪切应力增加,黏度降低,有利于注塑成型;但黏性热随着转速提高而增大.随着机筒温度的升高,塑化和注射过程中熔体的温度升高黏度下降,流速增大,剪切应力变小,黏性热减小,有利于注射成型.

综上所述,虽然提高机筒温度和螺杆转速,有利于注射成型,但是提高螺杆转速和机筒温度,所需功率增大,生产成本增加.因此在选择转速和机筒温度时应综合考虑塑化效果和生产成本,在保证注射质量的前提下,应尽力降低转速和机筒温度.

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