木塑擠出成型特性分析與影響因素數(shù)值仿真研究

劉亞秋　李明　孫垚

摘要 [目的]為木塑型材生產(chǎn)提供合理的工藝控制參數(shù)，提升木塑擠出型材的質(zhì)量。[方法]針對木塑擠出成型工藝控制問題，從木塑熔融體到擠出成型的工藝特性角度進(jìn)行了分析研究，重點得出了模具域熔融體流場（溫度分布、壓力分布）與剪切率（流速）的關(guān)系特性及工藝閥值特征。通過建立單螺桿擠出機(jī)計量段和法蘭處三維計算模型，對木塑擠出成型的若干典型工況流場進(jìn)行了數(shù)值仿真。[結(jié)果]在一定的工藝閥值條件下，加熱段的溫度擾動對熔融體流場影響不大，而螺桿轉(zhuǎn)速對流場影響較大，隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增大，計量段壓力逐漸減小，剪切率線性增大，粘度減小。[結(jié)論]驗證了該文分析結(jié)論的正確性和一致性，根據(jù)分析結(jié)果得到較理想的木塑擠出工藝控制參數(shù)。

關(guān)鍵詞 木塑擠出機(jī)；熔融體流場分析；數(shù)值仿真

中圖分類號 S784 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）03-00823-05

Abstract [Objective]The paper was in order to achieve better controlling parameters of extruder，so as to improve the guality of wood plastic extrusion profiles.[Method]Focusing on process control of WPC extrusion，this paper studyed from the angle of WPC melt and process characteristics of extrusion molding，to get distribution curve and process threshold value of mould segment in flow field （temperature field，pressure field） of melt and screw speed （velocity）.numerical simulation on flow field of some typical working conditions of WPC extrusion.

by constructing three-dimensioal computational modelling of the metering section and flange of single screw extruder.[Result]Experimental results show that heating temperature little influences flow field while revolving speed greatly influences flow field with screw speed increases，pressure of metering section decreases，shear rate increases and viscosity decreases，under the condition of process threshold.[Conclusion]Result verifies the correctness and consistency of the conclusion，according to results of analysis，better controlling parameters of extruder are achieved.

Key words Extruder of wood and plastic；Flow field analysis of melt；Numerical simulation

擠出成型是指物料通過擠出機(jī)料筒和螺桿間的作用，邊受熱塑化，邊被螺桿向前推送，連續(xù)經(jīng)機(jī)頭和模具而制成各種截面制品或半制品的一種加工方法[1]。擠出成型過程是由多個具有相關(guān)聯(lián)系的因素共同作用而成，為解決擠出機(jī)生產(chǎn)實驗的穩(wěn)定控制，滿足市場對高品質(zhì)木塑型材擠出控制系統(tǒng)的要求，提高木塑擠出型材擠出機(jī)實驗效率已成為生產(chǎn)及研究最為關(guān)鍵的任務(wù)。在擠出機(jī)中計量段是聚合物熔體成型的關(guān)鍵部分，受溫度和螺桿轉(zhuǎn)速影響比較大，K.Wliczynsk通過構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，對聚合物質(zhì)量流體速率、溫度、壓力、能量轉(zhuǎn)化進(jìn)行了分析，并進(jìn)行了試驗對比[2]。B.BroelPlater通過分析擠出機(jī)工作機(jī)理，對溫度控制進(jìn)行了改進(jìn)[3]。E.Lai和DW.Yu構(gòu)建的新數(shù)學(xué)模型實現(xiàn)對單螺桿擠出機(jī)聚合物流性進(jìn)行全面分析[4]，但該模型都沒有將實驗參數(shù)及相關(guān)性進(jìn)行充分考慮。

總之，擠出機(jī)研究在經(jīng)歷數(shù)十年的發(fā)展后已有了基本的理論基礎(chǔ)，各種基礎(chǔ)模型的計算軟件也在某種程度上反映了生產(chǎn)實際情況，當(dāng)前擺在生產(chǎn)廠家和科研院所的中心課題是如何將試驗參數(shù)與理論模型研究緊密結(jié)合。該文通過研究單螺桿擠出機(jī)木塑型材流體影響因素的分布特點，進(jìn)一步明確木塑熔體主要工藝控制參數(shù)對擠出型材影響特性關(guān)系，為木塑型材生產(chǎn)提供合理的擠出機(jī)工藝控制參數(shù)，減少擠出機(jī)實驗次數(shù)和提高實驗效率，從而提升木塑擠出型材的質(zhì)量。

1 木塑成型方法與實驗設(shè)計

實驗原料及配比：聚乙烯（PE），顆粒狀，30%；木粉，粉狀，65%；偶聯(lián)劑，顆粒狀，4%；潤滑劑，粉狀，1%。

采用SJ-45型號單螺桿擠出機(jī)對木塑復(fù)合型材擠出進(jìn)行了實驗研究，為數(shù)值模擬結(jié)果提供數(shù)據(jù)對比。實驗系統(tǒng)如圖1所示，通過檢測點1），2），3）溫度傳感器測得溫度，4）壓力傳感器檢測出法蘭處流體壓力，通過控制系統(tǒng)設(shè)置螺桿轉(zhuǎn)速。

設(shè)定相同材料，溫度一定時，分別改變螺桿轉(zhuǎn)速為10，20，30 r/min；同理，螺桿轉(zhuǎn)速一定時，分別改變溫度為150，160，170 ℃，分別進(jìn)行實驗觀察得到壓力變化情況。實驗測量了圖2所示A處（法蘭處流道中心）的壓力PA，其結(jié)果如表1所示。從表1中可以看出，計量段機(jī)筒內(nèi)壁加熱溫度Tw對PA影響較小，螺桿轉(zhuǎn)速N對PA影響較大，且PA隨著轉(zhuǎn)速N的增大而增大。

2 計算模型與測試

由于實驗難以獲得詳細(xì)的流場信息，同時為了與實驗結(jié)果進(jìn)行比較，采用計算流體動力學(xué)（CFD）軟件ANSYS FLUENT 14.0為研究工具，建立了實驗中單螺桿擠出機(jī)計量段和法蘭處的三維計算模型，對表1所示6個不同工況下的流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了不同螺桿轉(zhuǎn)速和計量段加熱溫度下的壓力分布和溫度分布等流場信息，分析了螺桿轉(zhuǎn)速和計量段加熱溫度對流場的影響，以期獲得加熱溫度、轉(zhuǎn)速和壓力之間的關(guān)系，通過與實驗結(jié)果的對比，驗證采用CFD仿真模擬實際生產(chǎn)過程和指導(dǎo)實際生產(chǎn)的可行性。

3 計算結(jié)果與分析

3.1 實驗結(jié)果的比較及分析

通過數(shù)值模擬得到了不同工況下流道A處與流道進(jìn)口的壓力差ΔP，其結(jié)果如表1所示。從表1中可以看出，不同加熱溫度Tw下，相同轉(zhuǎn)速N下的ΔP相同，這可能是由于相同轉(zhuǎn)速下木塑熔體質(zhì)量流量相同和沒有考慮溫度對粘度的影響（如Ⅳ式所示）而引起的。而轉(zhuǎn)速對ΔP有較大影響，且ΔP隨N的增大而增大，這與實驗結(jié)果PA在定性上相符。

3.2 熔體流場分析

由于不同工況下流場信息相似，因此以160-20工況為例進(jìn)行分析。圖4～8分別給出了x=0平面，圓環(huán)面以及如圖2所示LINE-1和LINE-2這2條直線上的流場信息。其中，LINE-1穿過螺紋，位于螺槽中，其空間位置為（x=0 m，y=0.021 5 m）；LINE-2則位于螺紋和機(jī)筒內(nèi)壁之間的縫隙中，其空間信息為（x=0 m，y=0.022 75 m）；圓環(huán)面為LINE-2所處的圓環(huán)面。從圖4所示的速度分布可以看出，x方向上分速度u呈對稱分布，左右兩側(cè)分速度大小互為相反數(shù)，這是由于螺桿旋轉(zhuǎn)而造成的；z方向上分速度w（軸向速度）的最大值出現(xiàn)在螺槽中靠近螺紋處，螺槽中軸向速度沿軸向呈先減小后增大的趨勢，w的最小值分布于螺紋和機(jī)筒內(nèi)壁的縫隙中，說明木塑熔體從縫隙中通過的流量很小，絕大部分都在螺桿的驅(qū)動下沿螺旋線流動。圖5給出了流場中壓力的分布，需要說明的是，后文圖中給出的壓力值均為相對于流道出口處壓力的相對壓力，從圖中可以看出，在計量段壓力呈螺旋分布，沿螺旋線逐漸增大，如圖5（b）所示，法蘭處壓力基本保持不變；圖5（c）從定量上更直觀地反映了這一分布趨勢，螺槽中壓力沿軸向降低，相鄰螺槽相同位置處壓力逐漸增大，法蘭處壓力保持不變，此結(jié)果與彭炯等[7-9]的數(shù)值模擬結(jié)果在定性上相符，說明了該研究計算結(jié)果的準(zhǔn)確性；此外，同一軸向位置上不同徑向位置處的壓力基本相同。值得注意的是，圖5（c）所示的LINE-1的壓力分布存在間斷，這是由于LINE-1穿過螺紋，間斷為螺紋所處位置，后文中亦是如此。從圖6的溫度分布可以看出，木塑熔體的溫度在離進(jìn)口不遠(yuǎn)的地方就達(dá)到加熱溫度，說明木塑熔體在進(jìn)入計量段不久后便充分混合。從圖7可以看出，在計量段剪切率呈周期性分布，剪切率最大值存在于螺紋和機(jī)筒內(nèi)壁之間的縫隙處，這與王建等[8，10]的結(jié)果相符，且離螺槽底部越近，剪切率越大。圖8給出了木塑熔體粘度的分布，從圖中可以看出，粘度與剪切率呈現(xiàn)相反的分布趨勢，在計量段同樣具有周期性的分布，但在螺紋和機(jī)筒內(nèi)壁之間的縫隙處為最小值，這與王建等[8]的結(jié)果相符，且離螺槽底部越近，粘度越小。剪切率和粘度分布趨勢相反可由（Ⅳ）式來解釋，描述木塑熔體粘度的Cross粘度模型說明其具有剪切稀變的特性，即剪切率越大，粘度越小；而在法蘭處木塑熔體粘度較大，這是由于此處木塑熔體不再受螺桿的直接驅(qū)動，因而速度較?。▓D4），剪切率也較小[圖7（a）]，且熔體由法蘭流向模具為突縮流動，熔體積聚在近出口流道角落處，此處熔體速度小[圖4（c）]，剪切率小，因而粘度最大。

（1）加熱溫度對流場影響不大，轉(zhuǎn)速對流場影響較大，

數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果在定性上相符，流場信息與已有數(shù)值模擬結(jié)果相符，說明該研究計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，也表明了可以通過CFD數(shù)值模擬技術(shù)指導(dǎo)實驗和實際生產(chǎn)，一方面數(shù)值模擬可以獲得更為詳盡的流場信息，另一方面能有效減少實驗帶來的人力物力，降低實驗和生產(chǎn)成本。

（2）隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增大，計量段壓力逐漸減小，剪切率線性增大，粘度減小。此外，若進(jìn)一步研究加熱溫度對流場的影響，可在Cross模型中加入溫度對木塑熔體粘度的影響，以獲得更為精確的結(jié)果。

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