注射螺杆螺棱结构对计量段物料输送性能的研究
|
摘要
注射螺杆是塑料注射成型机中最关键的零件，对物料的输送性能、塑化性能有着直接的影响。特别是在成型制品质量要求很高的情况下，螺杆结构是否合理则成为一个非常重要的问题。
本文利用专业CFD(Computational Fluid Dynamics)软件POLYFLOW对不同螺棱断面形状的注射螺杆计量段进行了三维等温非牛顿流场模拟。通过模拟计算，讨论不同螺纹断面形状对高黏度物料一聚碳酸酯(PC)熔体输送性能的影响。
本文讨论的螺纹断面形状为三种：矩形断面、锯齿形断面，梯形断面。分别对不同断面形状螺杆的计量段进行瞬态模拟，在得到压力场、速度场的基础上，分析了不同螺杆构型的输送能力、分布混合能力以及PC物料在不同螺杆构型中的流动状况。对于矩形断面螺杆，主要讨论了圆弧半径变化对PC熔体输送性能及流动状况的影响，并讨论了不同螺杆后退速度、螺杆转速对熔体输送性能的影响。对于锯齿形断面螺杆以锯齿形的倾斜角度为变量，分析了两侧面分别呈锯齿形断面的螺杆对PC熔体输送性能的影响。对于梯形断面综合考虑圆弧半径与倾斜角度变化对熔体输送性能的影响。采用正交设计方法，分别以流量、回流流量等为评价指标，对梯形断面螺杆进行了优化设计，通过模拟计算及分析研究，得出了对工程实际具有参考价值的结论。
Injection screw is one of the most key parts of injection molding machine that affects the melt conveying performance and plasticization effect directly. It is very necessary for improving the quality of product to establish a reasonable structure of injection screw.
This paper utilized POLYFLOW, a CFD software to have three dimentional simulation for melt body in the metering zone of injection screws with different flight cross section. By simulation, the effect on performance of PC melt conveying from different structural screws was discussed.
Three kinds of flight cross sections were researched including rectangular cross section, hackle cross section and trapezoid cross section. Pressure fields and velocity fields were obtained by transient simulation in metering zones of screws with different flight cross sections. Then post-processing was made to analyze the melt conveying ability, distributive mixing performance and PC melt flow conditions of different structural screws. Screws with rectangular cross section were studied on the performance of PC melt conveying with various arc radiuses, different screw retraction velocities and screw rotating speeds. The slant angles of hackle cross section affecting PC melt conveying performance were also researched. To trapezoid cross section, discussed various arc radius and slant angles influence to PC melt conveying performance. Furthermore, Orthogonal design was adopted this paper. Flow capacity and reflux were used as the index for the optimizing of trapezoid cross section. Some calculations were given by simulation and analysis which had practical value.
本文利用专业CFD(Computational Fluid Dynamics)软件POLYFLOW对不同螺棱断面形状的注射螺杆计量段进行了三维等温非牛顿流场模拟。通过模拟计算，讨论不同螺纹断面形状对高黏度物料一聚碳酸酯(PC)熔体输送性能的影响。
本文讨论的螺纹断面形状为三种：矩形断面、锯齿形断面，梯形断面。分别对不同断面形状螺杆的计量段进行瞬态模拟，在得到压力场、速度场的基础上，分析了不同螺杆构型的输送能力、分布混合能力以及PC物料在不同螺杆构型中的流动状况。对于矩形断面螺杆，主要讨论了圆弧半径变化对PC熔体输送性能及流动状况的影响，并讨论了不同螺杆后退速度、螺杆转速对熔体输送性能的影响。对于锯齿形断面螺杆以锯齿形的倾斜角度为变量，分析了两侧面分别呈锯齿形断面的螺杆对PC熔体输送性能的影响。对于梯形断面综合考虑圆弧半径与倾斜角度变化对熔体输送性能的影响。采用正交设计方法，分别以流量、回流流量等为评价指标，对梯形断面螺杆进行了优化设计，通过模拟计算及分析研究，得出了对工程实际具有参考价值的结论。
Injection screw is one of the most key parts of injection molding machine that affects the melt conveying performance and plasticization effect directly. It is very necessary for improving the quality of product to establish a reasonable structure of injection screw.
This paper utilized POLYFLOW, a CFD software to have three dimentional simulation for melt body in the metering zone of injection screws with different flight cross section. By simulation, the effect on performance of PC melt conveying from different structural screws was discussed.
Three kinds of flight cross sections were researched including rectangular cross section, hackle cross section and trapezoid cross section. Pressure fields and velocity fields were obtained by transient simulation in metering zones of screws with different flight cross sections. Then post-processing was made to analyze the melt conveying ability, distributive mixing performance and PC melt flow conditions of different structural screws. Screws with rectangular cross section were studied on the performance of PC melt conveying with various arc radiuses, different screw retraction velocities and screw rotating speeds. The slant angles of hackle cross section affecting PC melt conveying performance were also researched. To trapezoid cross section, discussed various arc radius and slant angles influence to PC melt conveying performance. Furthermore, Orthogonal design was adopted this paper. Flow capacity and reflux were used as the index for the optimizing of trapezoid cross section. Some calculations were given by simulation and analysis which had practical value.
引文
[1] 申长雨，李海梅，高峰．注射成型技术发展状况[J]．工程塑料应用，2003，31(3)，53-57
[2] 瞿金平．塑料工业手册[M]．化学工业出版社，2001，1-321
[3] 北京化工学院，塑料机械设计[M]．北京：轻工业出版社，1982，318-502
[4] 王向东，杨惠娣．注射成型技术进展[J]．中国塑料，2001，15(10)
[5] 于建．高分子材料的新型注射成型技术[J]．塑料，2000，6(29)：13-17
[6] 饶利滨．浅析我国塑料机械行业的发展方向[J]．中国塑料，1995，4：10-16
[7] 陈金南．中国塑料机械的生产发展技术现状及前景[J]．中国塑料，1999，2：1-6
[8] 廖正品．美国2000国家塑料博览会回顾(2)[J]．中国塑料，2000，10：90-97
[9] 李倩．塑料注射成型技术及其进展[J]．中国塑料，2001，10：7-13
[10] 王志新．现代注射机控制[M]．北京：轻工业出版社，2001，1-2
[11] 张延恒等．计算机模拟技术在聚合物成型中的应用[J]．工程塑料应用，2001，1(30)
[12] 王喜顺，颜家华，彭玉成．影响注射螺杆塑化能力的因素[J]．中国塑料，2001，15(8)：73-75
[13] 朱复华．螺杆设计及其理论基础[M]．北京：轻工业出版社，1984
[14] C. P. J. M. VERBRAAK, H. E. H. MEIJER, Screw design in injection molding[J], polymer engineering and science, 1989, 29(7): 479-487
[15] 北京化工学院，南京化工学院合编，《塑料机械设计》[M]．北京，轻工业出版社，1983
[16] 周祺庆．热固性塑料螺杆的设计应用[J]．轻工机械，2001，3：21-23
[17] 张康生．新型双波状分离型螺杆[J]．塑料包装，1999，9(1)：34-39
[18] 陈志俭．高效新型PVC注塑螺杆开发及其性能研究[D]．2004
[19] 新型屏障螺杆[J]．国外塑料，2004，11(22)：83
[20] 李长勇，应济．螺杆塑化性能的有限元分析及优化研究[J]．工程设计学报，2004，11(4)：218-222
[21] 王以华，李名尧等．现代模塑成型手册[M]．上海，上海交通大学出版社，1993，3：47-53
[22] 徐敬一等．注射螺杆的固体输送理论研究[J]，塑料科技，1990(1)
[23] Darnell W H, MoI E. A. J. SPE J, 1959, 12(20)
[24] 王海宝等．加料段固体塞的力学模型及其几何参数对输送能力的影响[J]．轻工机械，2003(2)
[25] R. C. Donovan, D. E. Thomas, L. D. Leversen, An experimental study of lasticating in a reciprocatin-screw injection molding machine[J], Polym. Eng. 11(5)(1971) 353-356.
[26] R. C. Donovan, A theoretical melting model for plastic extruders[J], Polym. Eng. Sci. 11(3) (1971) 247-257.
[27] 金志明．塑料注射成型熔融过程中的固相破碎现象[J]．中国塑料，2002，17(2)
[28] 王喜顺，颜家华，彭玉成．注射螺杆的熔体输送理论[J]．中国塑料，2001．15(1)
[29] 王权，瞿金平．动态成型注塑螺杆熔体输送能力的研究[J]．现代塑料加工应用，2006．18(6)：42-45
[30] 王兴天主编．注塑成型技术[M]．北京，化学工业出版社，1989
[31] 金国珍主编．工程塑料[M]．北京，化学工业出版社，2001，141-218
[32] 李闻芝．PC制品应用领域扩展迅速[J]．工程塑料应用，2004，32(12)
[33] 严亚梅，金双林．国外聚碳酸酯(PC)现状与发展趋势[J]．杭州化工，2000，30(2)：7-9
[34] 赵光辉，任敦径等．聚碳酸酯的生产、应用及市场前景[J]．化工科技市场，2005，5：1-6
[35] 雷圣功，贾颖．聚碳酸酯的注射成型特点[J]．现代塑料加工应用，1996，8(6)：24-27
[36] 赵东．聚碳酸酯特性及其注射成型工艺[J]．塑料开发，2000，26(4)：1457-1458
[37] 吴利英．聚碳酸酯的注射成型工艺[J]．工程塑料应用，2003，31(10)：22-24
[38] 董钜潮，周颖南等．PC注塑制品常见缺陷分析及解决方法[J]．工程塑料应用，2003，31(9)：23-27
[39] 奚东，注射成型中制品的缺陷原因及其对策[J]．塑料科技，2006，6：34-38
[40] 余冬荣，注塑制品常见的质量缺陷分析[J]．黄石高等专科学校学报，2001，17(1)：21-23
[41] 丁学清，林丽恋．透明聚碳酸酯产品加工工艺探讨[J]．塑料，2001，30(3)：41-43
[42] 陈志东．光盘级聚碳酸酯及其注射成型工艺[J]．现代塑料加工应用，1999，11(5)：32-36
[43] F．约翰纳伯编著，吴洪武，瞿金平，麻向军译．注射成型机使用指南[M]．北京，化学工业出版社，2004，49-52
[44] E. Burkle, M. Wurtele. Screws for injection moudling[J]. Kunststoffe Plast Europe, 1997, 87(10): 8-12
[45] Raman V. Chiruvella, Y. Jaluria and A. H. Abib. Numerical Simulation of Fluid Flow and Heat Transfer in a Single-Screw Extruder with Different Dies. Polym. Eng. Sci., V35, P261(MID-FEBRUARY 1995)
[46] 王勖成，邵敏．有限单元法基本原理和数值方法[M]．第2版，北京，清华大学出版社，1997
[47] POLYFLOW3.10 Documentation
[48] 陈晋南，胡冬冬，彭炯．POLYFLOW软件在聚合物挤出成型中的应用[J]．世界科技研究与发展，2002，34(1)：28
[49] 文劲松，麻向军，刘斌．塑料成型加工模拟软件POLYFLOW的应用[J]．广东塑料，2004，3(7)
[50] 梅长林，周家良编．实用统计方法[M]．北京，科学出版社，2002，2
[51] 孙荣恒编．实用数理统计[M]．第2版，北京，科学出版社，2003，5
[52] 邓勃编著．分析测试数据的统计处理方法[M]．北京，清华大学出版社，1995，5
[53] 北京大学数学力学系数学专业概率统计组编．正交设计[M]．北京，人民教育出版社，1976
[2] 瞿金平．塑料工业手册[M]．化学工业出版社，2001，1-321
[3] 北京化工学院，塑料机械设计[M]．北京：轻工业出版社，1982，318-502
[4] 王向东，杨惠娣．注射成型技术进展[J]．中国塑料，2001，15(10)
[5] 于建．高分子材料的新型注射成型技术[J]．塑料，2000，6(29)：13-17
[6] 饶利滨．浅析我国塑料机械行业的发展方向[J]．中国塑料，1995，4：10-16
[7] 陈金南．中国塑料机械的生产发展技术现状及前景[J]．中国塑料，1999，2：1-6
[8] 廖正品．美国2000国家塑料博览会回顾(2)[J]．中国塑料，2000，10：90-97
[9] 李倩．塑料注射成型技术及其进展[J]．中国塑料，2001，10：7-13
[10] 王志新．现代注射机控制[M]．北京：轻工业出版社，2001，1-2
[11] 张延恒等．计算机模拟技术在聚合物成型中的应用[J]．工程塑料应用，2001，1(30)
[12] 王喜顺，颜家华，彭玉成．影响注射螺杆塑化能力的因素[J]．中国塑料，2001，15(8)：73-75
[13] 朱复华．螺杆设计及其理论基础[M]．北京：轻工业出版社，1984
[14] C. P. J. M. VERBRAAK, H. E. H. MEIJER, Screw design in injection molding[J], polymer engineering and science, 1989, 29(7): 479-487
[15] 北京化工学院，南京化工学院合编，《塑料机械设计》[M]．北京，轻工业出版社，1983
[16] 周祺庆．热固性塑料螺杆的设计应用[J]．轻工机械，2001，3：21-23
[17] 张康生．新型双波状分离型螺杆[J]．塑料包装，1999，9(1)：34-39
[18] 陈志俭．高效新型PVC注塑螺杆开发及其性能研究[D]．2004
[19] 新型屏障螺杆[J]．国外塑料，2004，11(22)：83
[20] 李长勇，应济．螺杆塑化性能的有限元分析及优化研究[J]．工程设计学报，2004，11(4)：218-222
[21] 王以华，李名尧等．现代模塑成型手册[M]．上海，上海交通大学出版社，1993，3：47-53
[22] 徐敬一等．注射螺杆的固体输送理论研究[J]，塑料科技，1990(1)
[23] Darnell W H, MoI E. A. J. SPE J, 1959, 12(20)
[24] 王海宝等．加料段固体塞的力学模型及其几何参数对输送能力的影响[J]．轻工机械，2003(2)
[25] R. C. Donovan, D. E. Thomas, L. D. Leversen, An experimental study of lasticating in a reciprocatin-screw injection molding machine[J], Polym. Eng. 11(5)(1971) 353-356.
[26] R. C. Donovan, A theoretical melting model for plastic extruders[J], Polym. Eng. Sci. 11(3) (1971) 247-257.
[27] 金志明．塑料注射成型熔融过程中的固相破碎现象[J]．中国塑料，2002，17(2)
[28] 王喜顺，颜家华，彭玉成．注射螺杆的熔体输送理论[J]．中国塑料，2001．15(1)
[29] 王权，瞿金平．动态成型注塑螺杆熔体输送能力的研究[J]．现代塑料加工应用，2006．18(6)：42-45
[30] 王兴天主编．注塑成型技术[M]．北京，化学工业出版社，1989
[31] 金国珍主编．工程塑料[M]．北京，化学工业出版社，2001，141-218
[32] 李闻芝．PC制品应用领域扩展迅速[J]．工程塑料应用，2004，32(12)
[33] 严亚梅，金双林．国外聚碳酸酯(PC)现状与发展趋势[J]．杭州化工，2000，30(2)：7-9
[34] 赵光辉，任敦径等．聚碳酸酯的生产、应用及市场前景[J]．化工科技市场，2005，5：1-6
[35] 雷圣功，贾颖．聚碳酸酯的注射成型特点[J]．现代塑料加工应用，1996，8(6)：24-27
[36] 赵东．聚碳酸酯特性及其注射成型工艺[J]．塑料开发，2000，26(4)：1457-1458
[37] 吴利英．聚碳酸酯的注射成型工艺[J]．工程塑料应用，2003，31(10)：22-24
[38] 董钜潮，周颖南等．PC注塑制品常见缺陷分析及解决方法[J]．工程塑料应用，2003，31(9)：23-27
[39] 奚东，注射成型中制品的缺陷原因及其对策[J]．塑料科技，2006，6：34-38
[40] 余冬荣，注塑制品常见的质量缺陷分析[J]．黄石高等专科学校学报，2001，17(1)：21-23
[41] 丁学清，林丽恋．透明聚碳酸酯产品加工工艺探讨[J]．塑料，2001，30(3)：41-43
[42] 陈志东．光盘级聚碳酸酯及其注射成型工艺[J]．现代塑料加工应用，1999，11(5)：32-36
[43] F．约翰纳伯编著，吴洪武，瞿金平，麻向军译．注射成型机使用指南[M]．北京，化学工业出版社，2004，49-52
[44] E. Burkle, M. Wurtele. Screws for injection moudling[J]. Kunststoffe Plast Europe, 1997, 87(10): 8-12
[45] Raman V. Chiruvella, Y. Jaluria and A. H. Abib. Numerical Simulation of Fluid Flow and Heat Transfer in a Single-Screw Extruder with Different Dies. Polym. Eng. Sci., V35, P261(MID-FEBRUARY 1995)
[46] 王勖成，邵敏．有限单元法基本原理和数值方法[M]．第2版，北京，清华大学出版社，1997
[47] POLYFLOW3.10 Documentation
[48] 陈晋南，胡冬冬，彭炯．POLYFLOW软件在聚合物挤出成型中的应用[J]．世界科技研究与发展，2002，34(1)：28
[49] 文劲松，麻向军，刘斌．塑料成型加工模拟软件POLYFLOW的应用[J]．广东塑料，2004，3(7)
[50] 梅长林，周家良编．实用统计方法[M]．北京，科学出版社，2002，2
[51] 孙荣恒编．实用数理统计[M]．第2版，北京，科学出版社，2003，5
[52] 邓勃编著．分析测试数据的统计处理方法[M]．北京，清华大学出版社，1995，5
[53] 北京大学数学力学系数学专业概率统计组编．正交设计[M]．北京，人民教育出版社，1976