盤(pán)式螺桿微注塑機(jī)動(dòng)盤(pán)結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

張 響 ，閆振昊 ，孔小亞 ，朱建曉 ，關(guān)國(guó)濤 ，趙 娜 ，李 倩

（1.鄭州大學(xué)力學(xué)與安全工程學(xué)院，鄭州 450001；2.蘇州康尼格電子科技股份有限公司，江蘇 蘇州 215500；3.國(guó)家級(jí)微納成型技術(shù)國(guó)際聯(lián)合研究中心，鄭州 450001；4.河南省微成型技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450001）

0 前言

自21世紀(jì)開(kāi)始，聚合物加工相關(guān)行業(yè)整體產(chǎn)值不斷上升，該行業(yè)具有產(chǎn)值高、低污染、低能耗、加工產(chǎn)品的質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)。在工業(yè)零部件制造中，塑性成形加工技術(shù)占據(jù)了75%的粗加工與50%的精加工市場(chǎng)份額［1］。由于微米納米級(jí)微觀研究領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，工件產(chǎn)品的尺寸不斷向小型化、微型化發(fā)展，微注塑加工技術(shù)也得到了進(jìn)一步發(fā)展。微注塑機(jī)是一種微注射成型加工設(shè)備［2］，其中，塑化單元是微注塑機(jī)進(jìn)行塑化的關(guān)鍵零件。現(xiàn)有的微注塑機(jī)中，塑化單元結(jié)構(gòu)主要分為柱塞式，螺桿式與螺桿柱塞式3種［3］，傳統(tǒng)的單螺桿微注塑機(jī)雖然塑化效果好，但其長(zhǎng)螺桿本身的強(qiáng)度要求高，加工效率低且壽命有限，而傳統(tǒng)的柱塞式微注塑機(jī)雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但塑化能力差。

盤(pán)式螺桿［3］微注塑機(jī)作為一種特殊結(jié)構(gòu)的微注塑機(jī)，其特點(diǎn)為由具有螺槽的動(dòng)盤(pán)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來(lái)完成物料的輸送、混合與塑化，從而替換了傳統(tǒng)的螺桿或柱塞單元，同時(shí)減小了整機(jī)的體積與質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了小型化、低能耗與廢料少的進(jìn)步。目前，已有多種盤(pán)式螺桿成型設(shè)備被研究設(shè)計(jì)出來(lái)［4?7］，其相關(guān)產(chǎn)品也已成功進(jìn)入市場(chǎng)，但是關(guān)于盤(pán)式螺桿的理論研究和相關(guān)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究方面的報(bào)道較少。部分研究者研究討論了聚合物材料在塑化過(guò)程中涉及的能量流動(dòng)與相態(tài)變化等相關(guān)的塑化理論問(wèn)題［8?11］，還有一部分研究者進(jìn)行了螺桿內(nèi)聚合物在螺槽中運(yùn)動(dòng)的仿真分析［12?14］，研究了盤(pán)式螺桿局部結(jié)構(gòu)下的熔體運(yùn)動(dòng)情況及局部結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)塑化性能的影響，但是其工作未考慮溫度變化和相變的影響，并且在數(shù)值仿真的時(shí)候假設(shè)螺旋槽道是封閉的，忽略漏流的影響，采用了無(wú)滑移邊界條件，導(dǎo)致熔體流動(dòng)速率與螺桿轉(zhuǎn)速有直接關(guān)系。此外，還有以盤(pán)式結(jié)構(gòu)作為混煉擠出主要部件的相關(guān)研究［15?16］，但對(duì)盤(pán)式螺桿整體塑化性能的研究分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化相關(guān)內(nèi)容尚未見(jiàn)報(bào)道，盤(pán)式螺桿的設(shè)計(jì)往往還是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行。

本研究以蘇州康尼格電子科技股份有限公司［17］制作的KM1600型盤(pán)式螺桿微注塑機(jī)為原型機(jī)，根據(jù)先前對(duì)盤(pán)式螺桿微注塑機(jī)塑化性能的研究結(jié)果［18］，以盤(pán)式螺桿塑化單元中的聚合物作為研究對(duì)象，利用多物理場(chǎng)耦合有限元分析軟件COMSOL Multiphysics對(duì)動(dòng)盤(pán)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行研究，結(jié)合盤(pán)式螺桿的具體情況，對(duì)各組相關(guān)參數(shù)進(jìn)行改變后重新設(shè)計(jì)動(dòng)盤(pán)結(jié)構(gòu)并進(jìn)行仿真計(jì)算，選擇流體流動(dòng)速率、出口流速、剪切速率、壓力分布、相變與動(dòng)力黏度等物理量為分析指標(biāo)，量化盤(pán)式螺桿塑化性能，考慮較優(yōu)結(jié)果并進(jìn)行組合設(shè)計(jì)從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)盤(pán)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高盤(pán)式螺桿微注塑機(jī)的塑化性能，為盤(pán)式螺桿的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 動(dòng)盤(pán)結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

動(dòng)盤(pán)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括：動(dòng)盤(pán)直徑，螺槽寬度，螺槽深度，螺槽圈數(shù)以及螺槽數(shù)量。原型機(jī)的動(dòng)盤(pán)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 原型機(jī)動(dòng)盤(pán)結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Geometric parameters of disc screw of the prototype

1.1 螺旋槽道數(shù)量

螺旋槽道數(shù)量是動(dòng)盤(pán)內(nèi)物料流動(dòng)路徑的個(gè)數(shù)。螺槽數(shù)量越多，動(dòng)盤(pán)平面上的槽道空間就越大，可同時(shí)加工的聚合物物料總量就大，且有多條加工螺槽時(shí)，物料的加工速率較單螺槽時(shí)變快，但較多的槽道也會(huì)削弱動(dòng)盤(pán)的總體強(qiáng)度，提高加工成本，且螺槽數(shù)量與螺槽寬度、螺槽圈數(shù)等參數(shù)相互制約，需要在多個(gè)變量中尋找使盤(pán)式螺桿塑化性能最大化的平衡點(diǎn)。

1.2 螺旋槽道深度

螺旋槽道深度作為動(dòng)盤(pán)螺槽的重要參數(shù)之一，其對(duì)盤(pán)式螺桿塑化性能的影響主要體現(xiàn)在塑化單元容積方面。螺槽深度增加時(shí)容積增加，可同時(shí)加工的物料質(zhì)量增加，但動(dòng)盤(pán)與定盤(pán)的接觸面積不變，剪切受力面積不變。螺槽深度的增加不利于熱量的傳導(dǎo)，不利于螺槽底部的物料進(jìn)行塑化。螺槽深度與螺槽寬度一起，共同決定了螺旋槽道橫截面積和截面形狀，影響塑化性能。

1.3 螺旋槽道寬度

螺旋槽道寬度作為動(dòng)盤(pán)螺槽的重要參數(shù)之一，其對(duì)盤(pán)式螺桿塑化性能有直接的影響。盤(pán)式螺桿塑化單元由定盤(pán)與動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)及相互傳熱完成塑化加工，螺槽寬度的增加，將增大塑化單元內(nèi)可容納物料的空間容積，提高盤(pán)式螺桿在同一時(shí)間的物料可加工量，增加了動(dòng)盤(pán)上的物料與定盤(pán)上加熱源的接觸面積，導(dǎo)致螺槽內(nèi)的聚合物受到更大面積的熱量傳遞，螺槽內(nèi)物料的內(nèi)能也會(huì)增加，但由于整體的物料質(zhì)量也在增加，單位質(zhì)量聚合物內(nèi)能的增幅尚有待量化。本研究中動(dòng)盤(pán)直徑被固定，從客觀上限制了螺槽寬度的大小，在直徑與槽道圈數(shù)一定的情況下，螺槽越寬，螺棱就越窄，這會(huì)造成動(dòng)盤(pán)整體強(qiáng)度降低，縮短使用壽命。

1.4 螺旋槽道圈數(shù)

螺旋槽道圈數(shù)由阿基米德螺旋線方程決定［18］，在動(dòng)盤(pán)直徑一定的情況下，螺槽圈數(shù)越多，槽道越長(zhǎng)，可容納的物料質(zhì)量就越大，物料在盤(pán)式螺桿中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間就越長(zhǎng)，物料的受熱與加工過(guò)程也越久。但較多的圈數(shù)也會(huì)限制螺槽的寬度與數(shù)量，此外，較大質(zhì)量物料的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)也會(huì)造成能量的損耗。因此，適當(dāng)?shù)穆莶廴?shù)需要進(jìn)一步研究探討。

2 盤(pán)式螺桿塑化性能指標(biāo)

參考此前的研究中關(guān)于盤(pán)式螺桿的理論分析以及多物理場(chǎng)建模仿真方法［18］，根據(jù)仿真結(jié)果，對(duì)盤(pán)式螺桿塑化性能按指標(biāo)進(jìn)行定量分析。物理量指標(biāo)包括：流體速度場(chǎng)、出口流速、剪切速率、壓力、溫度梯度、相變、動(dòng)力黏度等。

流體速度場(chǎng)：流體速度場(chǎng)為盤(pán)式螺桿塑化空間內(nèi)聚合物的流動(dòng)速率大小及速度分布，流動(dòng)速率越快，聚合物的塑化加工過(guò)程就越快。速度分布中出口附近的高速度區(qū)域越大越有利于熔融物料的流出，即流出速率越快，盤(pán)式螺桿的塑化能力越強(qiáng)。此指標(biāo)可從仿真結(jié)果中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化。

出口流速：出口流速即熔融聚合物在出口流出的速率，可以用來(lái)表示盤(pán)式螺桿塑化能力的大小。出口流速越大，表示盤(pán)式螺桿的塑化能力越大，生產(chǎn)效率越高。此指標(biāo)可用仿真結(jié)果中盤(pán)式螺桿塑化單元出口處的平均速率表示。

剪切速率：在盤(pán)式螺桿進(jìn)行塑化時(shí)，流體內(nèi)部的剪切速率越大，其剪切效應(yīng)越強(qiáng)，在物料玻璃態(tài)時(shí)越有利于物料的粉碎，但在熔融態(tài)時(shí)可能會(huì)因?yàn)槲锪鲜艿郊羟屑訜釋?dǎo)致整體物料內(nèi)部溫度分布不均勻，嚴(yán)重情況下可能產(chǎn)生熱分解現(xiàn)象。因此，應(yīng)該控制熔體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的剪切速率以確保塑化質(zhì)量。剪切速率可從仿真結(jié)果中實(shí)現(xiàn)可視化。

壓力：塑化過(guò)程中盤(pán)式螺桿內(nèi)壓力分布的均勻性代表物料運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的穩(wěn)定性，壓力梯度的均勻分布意味著聚合物受力的均勻分布。塑化單元的出口壓力設(shè)置為零，壓力最好均勻分布在盤(pán)式螺桿內(nèi)部，以此保證在塑化過(guò)程中的每一階段均有一定的壓力使物料受壓均勻，質(zhì)量緊密。壓力結(jié)果由仿真結(jié)果中壓力等值面體現(xiàn)。

溫度梯度：溫度梯度體現(xiàn)的是盤(pán)式螺桿內(nèi)聚合物的溫度均勻性，與材料導(dǎo)熱性相關(guān)。整體受熱均勻的物料，其受熱熔融相態(tài)轉(zhuǎn)變穩(wěn)定，塑化質(zhì)量好。該結(jié)果由仿真結(jié)果中溫度梯度等值線實(shí)現(xiàn)可視化。

相變：相變即盤(pán)式螺桿內(nèi)聚合物由玻璃態(tài)向熔融態(tài)的轉(zhuǎn)變，當(dāng)其相變區(qū)域大且均勻分布時(shí)，聚合物的相變效果就越好。在流體傳熱物理場(chǎng)中添加相變接口，定義相一為玻璃態(tài)，相二為黏流態(tài)，物料的相變結(jié)果可由仿真數(shù)據(jù)結(jié)果實(shí)現(xiàn)可視化。

動(dòng)力黏度：動(dòng)力黏度即聚合物在運(yùn)動(dòng)時(shí)的黏度。由先前的研究［18］可知，動(dòng)力黏度主要與溫度及剪切速率有關(guān)，高溫或高剪切狀態(tài)下的物料動(dòng)力黏度較小，低黏度狀態(tài)的聚合物流動(dòng)性更好，易于塑化加工及成型。該指標(biāo)可由仿真結(jié)果實(shí)現(xiàn)可視化。

3 動(dòng)盤(pán)結(jié)構(gòu)優(yōu)化及仿真分析

3.1 螺旋槽道數(shù)量

原型機(jī)動(dòng)盤(pán)為雙螺槽結(jié)構(gòu)，由兩條螺旋槽道構(gòu)成。參考前文中關(guān)于槽道數(shù)量作用的分析，對(duì)同等規(guī)格的單螺槽動(dòng)盤(pán)進(jìn)行仿真模擬，其中除螺槽數(shù)量及因數(shù)量變化引起的槽道寬度變化外，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)與原型機(jī)動(dòng)盤(pán)相同。將仿真結(jié)果與原型結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，研究螺槽數(shù)量對(duì)盤(pán)式螺桿塑化性能的影響。按照原型機(jī)動(dòng)盤(pán)修改的單螺槽道結(jié)構(gòu)如圖1（a）～（b）所示，紅色和藍(lán)色部分為不同的槽道，將圖中模型導(dǎo)入有限元仿真軟件，物理場(chǎng)接口等相關(guān)設(shè)置同原型結(jié)構(gòu)一致，整理結(jié)果并進(jìn)行分析。

對(duì)比統(tǒng)一工藝參數(shù)進(jìn)行仿真的速度場(chǎng)結(jié)果可知，單螺槽動(dòng)盤(pán)速度區(qū)間為3.84×10-6～4.3 mm/s，雙螺槽動(dòng)盤(pán)速度區(qū)間為1.47×10-6～5.82 mm/s，雙螺槽結(jié)構(gòu)中流體流動(dòng)速率較大，但單螺槽結(jié)構(gòu)中流體流動(dòng)速率并未出現(xiàn)大幅度的降低。流體速度分布對(duì)比如圖1（c）～（d）所示，圖中以速度最小值為1 mm/s進(jìn)行篩選顯示，單螺槽動(dòng)盤(pán)與定盤(pán)之間的間隙產(chǎn)生了大面積的高速區(qū)域，但其流體整體速度大小并不具有優(yōu)勢(shì)，應(yīng)結(jié)合更多數(shù)據(jù)綜合考慮。單螺槽結(jié)構(gòu)中流體的平均出口流速為1.25 mm/s，不及原型雙螺槽結(jié)構(gòu)的1.5 mm/s，但也未出現(xiàn)大幅度的降低。相同工藝參數(shù)下，單螺槽結(jié)構(gòu)中流體的剪切速率為5.96×10-3～8.14 s-1，雙螺槽結(jié)構(gòu)為1.57×10-3～11.00 s-1，高剪切速率區(qū)為入口、出口、槽道邊緣處。相變主要與溫度相關(guān)，兩種結(jié)構(gòu)中聚合物的相變無(wú)明顯差異。流體動(dòng)力黏度對(duì)比見(jiàn)圖1（e）～（f），單螺槽結(jié)構(gòu)中聚合物的動(dòng)力黏度分布雖然不同于雙螺槽結(jié)構(gòu)，但其分布趨勢(shì)仍是入口、出口、槽道邊緣處等位置動(dòng)力黏度較低。

圖1 不同動(dòng)盤(pán)的結(jié)構(gòu)和塑化性能Fig.1 Structure and plasticizing performance of different disk screws

3.2 螺旋槽道深度

螺旋槽道深度作為動(dòng)盤(pán)螺槽的重要參數(shù)，對(duì)盤(pán)式螺桿塑化性能有關(guān)鍵影響。結(jié)合前文分析，對(duì)螺槽深度進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。已知?jiǎng)颖P(pán)原型結(jié)構(gòu)中螺槽入口深度和出口深度兩個(gè)參數(shù)大小不同，分別為3.376、0.986 mm，具有入口深出口淺的螺槽結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。以原參數(shù)為中間值作參考，向兩側(cè)發(fā)散，設(shè)置6組動(dòng)盤(pán)螺槽入口深度和出口深度，如表2所示。以表中出入口參數(shù)構(gòu)建盤(pán)式螺桿，其它參數(shù)不變，以型號(hào)1、2、3、4、5、6區(qū)分。其中，3號(hào)模型為原型結(jié)構(gòu)。將以上優(yōu)化模型導(dǎo)入有限元仿真軟件，保持邊界條件設(shè)置的一致性，處理仿真結(jié)果并進(jìn)行分析比較。

表2 槽道深度參數(shù)Tab.2 Channel depth parameters

對(duì)各型號(hào)盤(pán)式螺桿內(nèi)物料的流動(dòng)速率大小及速度分布進(jìn)行總結(jié)，速率大小取最大值，結(jié)合速度分布進(jìn)行綜合分析，各型號(hào)對(duì)應(yīng)的速率最大值如表3所示。由表中數(shù)據(jù)可知，螺旋槽道的深度由淺變深的過(guò)程中，盤(pán)式螺桿內(nèi)聚合物流動(dòng)速率最大值逐漸升高，但達(dá)到原型結(jié)構(gòu)的深度后，槽道深度的增加無(wú)法再有效提升聚合物的流動(dòng)速率。改變螺旋槽道深度后，流體速度分布趨勢(shì)基本一致，高速流動(dòng)區(qū)為入口及入口周?chē)膭?dòng)盤(pán)定盤(pán)間隙，但其速度大小分布卻有區(qū)別。對(duì)各型號(hào)動(dòng)盤(pán)中流場(chǎng)速度進(jìn)行2 mm/s以上的篩選顯示，槽道深度越淺，相對(duì)的出口附近高速面積越大，但在3、4、5、6等型號(hào)動(dòng)盤(pán)中，出口處的速度分布基本一致，即槽道深度增加到一定程度后流體流動(dòng)速率沒(méi)有明顯的提高，如圖2所示。

表3 不同型號(hào)動(dòng)盤(pán)的塑化性能參數(shù)Tab.3 Plasticization performance parameters of different types of disc screws

圖2 不同型號(hào)動(dòng)盤(pán)的流體速度分布Fig.2 Fluid velocity distribution in different types of disc screws

不同型號(hào)動(dòng)盤(pán)中流體出口流速和剪切速率如表3所示。從表中可以明顯看出，螺槽深度越深時(shí)，出口流速越大，增大螺槽深度有利于提高盤(pán)式螺桿的出口流速。剪切速率最大值總體上隨螺槽深度增加而增加，但原型結(jié)構(gòu)剪切速率最大，且槽道深度增加到一定程度后，剪切速率變化趨向于平穩(wěn)。動(dòng)盤(pán)槽道結(jié)構(gòu)只改變了深度這一參數(shù)時(shí)，剪切速率的整體分布基本相同，高剪切速率分布在入口、出口、槽道邊緣處。

在相同工藝參數(shù)下研究動(dòng)盤(pán)螺槽深度對(duì)相變的影響，各型號(hào)螺桿的相變情況如圖3所示?？梢悦黠@看出，隨著螺槽深度增加，動(dòng)盤(pán)中物料厚度增加，相變面積逐漸減小。

圖3 不同型號(hào)動(dòng)盤(pán)中物料的相變Fig.3 Phase transition of the material in different types of disc screws

對(duì)各型號(hào)螺槽仿真結(jié)果中的流體動(dòng)力黏度進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，因?yàn)楦鲃?dòng)盤(pán)結(jié)構(gòu)相近，其動(dòng)力黏度分布基本相同，不過(guò)由于螺槽深度變化，造成了部分區(qū)域內(nèi)物料動(dòng)力黏度的差距。僅取槽道深度最淺的1號(hào)與最深的6號(hào)進(jìn)行對(duì)比，如圖4所示。從圖可以看到，槽道深度較淺的結(jié)構(gòu)內(nèi)物料的動(dòng)力黏度略小于槽道深度較深的結(jié)構(gòu)，但分布趨勢(shì)相同，低黏度區(qū)為入口、出口、槽道邊緣處。

圖4 1號(hào)和6號(hào)動(dòng)盤(pán)的流體動(dòng)力黏度Fig.4 Fluid dynamic viscosities in type 1 and type 6 disc screw

綜合上述關(guān)于動(dòng)盤(pán)螺槽深度相關(guān)仿真結(jié)果，可以看出螺槽深度與流體流動(dòng)情況的相關(guān)性，即螺槽越深，同時(shí)加工的物料質(zhì)量就越大，流體流動(dòng)速率越大，出口流速越大，但較大的深度并不利于物料的加熱及流動(dòng)。同時(shí)，螺槽越淺，出口附近的流體流動(dòng)速率越大。為了在加工物料量和物料熔融效率間取得平衡，嘗試探究入口深槽道與出口淺槽道結(jié)構(gòu)的塑化性能。設(shè)計(jì)槽道入口深度為6.750 mm，出口深度為0.329 mm，其余結(jié)構(gòu)參數(shù)保持一致，構(gòu)建雙螺槽動(dòng)盤(pán)，并將其導(dǎo)入數(shù)值仿真軟件，相關(guān)物理場(chǎng)接口設(shè)置與原型保持一致。

對(duì)比優(yōu)化結(jié)構(gòu)與原型結(jié)構(gòu)的動(dòng)力黏度分布發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)中除出口附近流體的高剪切速率導(dǎo)致其動(dòng)力黏度略低外，其余區(qū)域分布一致。流體速度分布對(duì)比如圖5（a）～（b）所示，可以看到，在同樣工藝參數(shù)下，流體流動(dòng)速率最大值為4.56 mm/s，低于原型結(jié)構(gòu)的5.82 mm/s。對(duì)流動(dòng)速率進(jìn)行2 mm/s的篩選顯示，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的槽道深度雖然速度最大值較小，但在出口附近的流體流動(dòng)速率明顯較大。優(yōu)化結(jié)構(gòu)中流體的平均出口流速為2.1 mm/s，高于原型結(jié)構(gòu)的1.5 mm/s。優(yōu)化結(jié)構(gòu)中流體的剪切速率最大值為9.74 s-1，其對(duì)比如圖5（c）～（d）所示，可明顯看出，以1 s-1為最小值進(jìn)行篩選時(shí)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)出口附近流體的高剪切速率范圍及大小明顯增大。取相同工藝參數(shù)下的相變仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖5（e）～（f）所示，優(yōu)化結(jié)構(gòu)中物料的相變略優(yōu)于原型結(jié)構(gòu)的相變。這是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)所致，優(yōu)化結(jié)構(gòu)中的物料在加熱點(diǎn)附近的流體流動(dòng)速率和剪切速率較原型結(jié)構(gòu)要高，會(huì)升高物料溫度，改善相變，但是這個(gè)作用影響很小。相變主要取決于溫度，因此當(dāng)加工溫度較高時(shí)，兩者的相變基本一致。

圖5 不同動(dòng)盤(pán)的塑化性能Fig.5 Plasticizing performance of different disc screws

由上述盤(pán)式螺桿槽道深度參數(shù)的仿真研究可知，槽道深度越深，可同時(shí)加工的聚合物就越多，出口流速就越大，但較大的深度不利于物料受熱熔融，較淺的槽道結(jié)構(gòu)則有利于物料的受熱熔融，故采用較深的槽道入口與較淺的槽道出口的螺桿結(jié)構(gòu)，此時(shí)出口流速較高的同時(shí)也保證了物料受熱的均勻性。

3.3 螺旋槽道寬度

螺槽寬度是動(dòng)盤(pán)的重要參數(shù)，螺槽寬度的增加會(huì)增大盤(pán)式螺桿內(nèi)加工物料的質(zhì)量，但受限于原型結(jié)構(gòu)中雙螺槽這一結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其他相關(guān)參數(shù)限制，螺槽寬度并不能無(wú)限增大，故螺槽寬度僅取原型結(jié)構(gòu)中寬度的2/3與1/3兩種規(guī)格進(jìn)行建模和仿真分析。將螺槽寬度分別為2.201 mm與4.402 mm的幾何模型導(dǎo)入有限元仿真軟件，如圖6所示，紅色區(qū)域?yàn)椴鄣?，其余物理?chǎng)接口等設(shè)置保持與原型結(jié)構(gòu)一致。

圖6 不同槽道寬度研究模型Fig.6 Study models of different channel width

螺槽寬度減小后，流體出口流速分別為0.899、1.304 mm/s，均小于原型結(jié)構(gòu)的1.5 mm/s，即螺槽寬度減小時(shí)出口流速也相應(yīng)降低。3種螺槽寬度下流體速度分布如圖7所示，可以看到在同樣工藝參數(shù)下，兩種新螺槽寬度動(dòng)盤(pán)的最大流體流動(dòng)速率分別為3.12、4.66 mm/s，低于原型結(jié)構(gòu)的5.82 mm/s。篩選顯示流體流動(dòng)速率1.5 mm/s以上的速度區(qū)域分析速度分布，可明顯看出，螺槽寬度變窄時(shí)，靠近動(dòng)盤(pán)中心區(qū)域的流體流動(dòng)速率略有增大。改變螺槽寬度后動(dòng)盤(pán)中流體的剪切速率分別為5.58、7.73 s-1，均低于原型結(jié)構(gòu)的11.00 s-1。因只改變了螺槽寬度，其他參數(shù)未變，故流體剪切速率分布與原型一致，入口、出口、槽道邊緣處仍為高剪切區(qū)。經(jīng)過(guò)仿真分析發(fā)現(xiàn)相變與動(dòng)力黏度兩指標(biāo)與原型結(jié)構(gòu)基本一致。

圖7 不同槽道寬度動(dòng)盤(pán)的流體速度分布Fig.7 Fluid velocity distribution in disc screws with different channel widths

3.4 螺旋槽道截面

螺旋槽道截面形狀是動(dòng)盤(pán)的一個(gè)重要結(jié)構(gòu)參數(shù)。原型機(jī)動(dòng)盤(pán)螺槽截面為寬約7 mm，高度在1～3 mm之間變化的矩形。螺槽截面形狀會(huì)影響槽道內(nèi)物料的運(yùn)動(dòng)情況，為研究螺槽截面形狀對(duì)盤(pán)式螺桿塑化性能的影響，改變螺槽截面形狀建立新型的盤(pán)式螺桿模型進(jìn)行仿真。在改變截面形狀時(shí)，保證螺槽深度與底面寬度與原型結(jié)構(gòu)一致，依照此標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)了4種不同的螺槽截面形狀，如圖8所示，圖8（a）～（d）中動(dòng)盤(pán)橫截面面積依次減小，紅色藍(lán)色區(qū)域?yàn)椴煌牟鄣溃瑢?duì)這4種結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行仿真，邊界條件等物理場(chǎng)接口設(shè)置同原型結(jié)構(gòu)仿真保持一致。

圖8 不同螺槽截面形狀動(dòng)盤(pán)模型Fig.8 Models of disk screws with different cross sections

在統(tǒng)一的工藝參數(shù)下，圖8（a）～（d）所示的動(dòng)盤(pán)中流體流動(dòng)速率最大值分別為1.4、1.38、0.854、1.26mm/s，均小于盤(pán)式螺桿原型結(jié)構(gòu)的1.5 mm/s。以上4種新式截面面積逐漸減小，但其流體流動(dòng)速率最大值中半圓形截面動(dòng)盤(pán)的數(shù)值卻是最小的。流體速度分布如圖9所示，以1.5 mm/s的流動(dòng)速率大小為最小值篩選顯示，除半圓形槽道整體流動(dòng)速率較慢外，整體趨勢(shì)為橫截面面積越小，高速流動(dòng)區(qū)域越大，盤(pán)式螺桿中心的物料流動(dòng)速率越大。新型動(dòng)盤(pán)中流體出口流速均小于原型結(jié)構(gòu)。新型動(dòng)盤(pán)中流體剪切速率分別為8.75、7.84、5.11、7.38 s-1，均小于原型動(dòng)盤(pán)的11 s-1。新型動(dòng)盤(pán)的流體剪切速率分布與原型槽道結(jié)構(gòu)基本相同，高剪切區(qū)域基本為盤(pán)式螺桿入口、出口、槽道邊緣處。結(jié)合相變分布結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，新型動(dòng)盤(pán)的相變與原型槽道結(jié)構(gòu)基本無(wú)異。

圖9 不同螺槽截面形狀動(dòng)盤(pán)的流體速度分布Fig.9 Fluid velocity distribution in disk screws with different cross sections

相同工藝條件下的不同螺槽截面形狀動(dòng)盤(pán)中流體的動(dòng)力黏度如圖10所示?？梢钥吹剑雸A形截面動(dòng)盤(pán)中流體的動(dòng)力黏度明顯低于其它形狀截面，說(shuō)明半圓形槽道結(jié)構(gòu)可有效提高盤(pán)式螺桿加工時(shí)槽道內(nèi)聚合物的流動(dòng)性。但半圓形槽道結(jié)構(gòu)進(jìn)行塑化加工時(shí)，整體螺桿內(nèi)物料的流動(dòng)速率較小，出口流速較低。

圖10 不同螺槽截面形狀動(dòng)盤(pán)的流體動(dòng)力黏度分布Fig.10 Fluid dynamic viscosity distribution in disk screws with different cross sections

3.5 螺槽圈數(shù)

盤(pán)式螺桿槽道的基本結(jié)構(gòu)由阿基米德曲線決定，在對(duì)動(dòng)盤(pán)進(jìn)行三維建模時(shí)，存在螺槽圈數(shù)這一結(jié)構(gòu)參數(shù)。在動(dòng)盤(pán)直徑一定的情況下，圈數(shù)在一定程度上決定了螺槽的長(zhǎng)短。參考原型結(jié)構(gòu)的螺槽圈數(shù)（1.42），以1.42為中間值向兩側(cè)取值，由于雙螺槽結(jié)構(gòu)的動(dòng)盤(pán)在直徑一定，螺槽寬度一定的條件下，圈數(shù)只能進(jìn)行微小增大，故選用單螺槽結(jié)構(gòu)的動(dòng)盤(pán)進(jìn)行仿真研究。保持其它結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，單螺槽結(jié)構(gòu)的螺槽圈數(shù)取值如表4所示。對(duì)不同型號(hào)的單螺槽動(dòng)盤(pán)進(jìn)行建模，導(dǎo)入有限元仿真軟件，邊界條件等物理場(chǎng)接口設(shè)置與原型保持一致。單螺槽動(dòng)盤(pán)模型如圖11所示，其中紅色區(qū)域?yàn)椴鄣馈?/p>

圖11 不同型號(hào)動(dòng)盤(pán)模型Fig.11 Model of different types of disc screws

表4 各型號(hào)螺槽圈數(shù)Tab.4 Number of turns of each type of spiral channels

不同型號(hào)動(dòng)盤(pán)中的物料在相同工藝參數(shù)下流動(dòng)速率最大值如表4所示。由表可知，II號(hào)動(dòng)盤(pán)中流體流動(dòng)速率最大值最高，并且隨著螺槽圈數(shù)的增加，流體流動(dòng)速率最大值逐漸減小。不同型號(hào)動(dòng)盤(pán)的流體速度分布見(jiàn)圖12，圖中以速度1.5 mm/s篩選顯示，由圖可知當(dāng)螺槽圈數(shù)較小時(shí)，物料會(huì)在動(dòng)盤(pán)與定盤(pán)之間的間隙內(nèi)以較高的速率進(jìn)行流動(dòng)，隨著螺槽圈數(shù)的增加，槽道空間在盤(pán)式螺桿內(nèi)增長(zhǎng)，螺桿內(nèi)物料逐漸按槽道形狀進(jìn)行流動(dòng)。

圖12 不同型號(hào)動(dòng)盤(pán)的流體速度分布Fig.12 Fluid velocity distribution in different types of disc screws

設(shè)置不同型號(hào)動(dòng)盤(pán)的仿真條件一致，動(dòng)盤(pán)中流體流動(dòng)速率、出口流速和剪切速率的最大值如表4所示?？梢钥吹剑瑒?dòng)盤(pán)出口流速總體上隨螺槽圈數(shù)的增加而減少，II號(hào)動(dòng)盤(pán)中流體的出口流速最大。隨著螺槽圈數(shù)不斷增加，動(dòng)盤(pán)中流體剪切速率最大值呈逐漸減小的趨勢(shì)。分析不同型號(hào)動(dòng)盤(pán)的流體剪切速率分布發(fā)現(xiàn)，高剪切速率的主要分布區(qū)域?yàn)槿肟凇⒊隹?、槽道邊緣處，各型?hào)無(wú)明顯不同。不同型號(hào)動(dòng)盤(pán)中流體壓力分布如圖13所示，可以看到當(dāng)螺槽圈數(shù)越多時(shí)，流體壓力分布越均勻。

圖13 不同型號(hào)動(dòng)盤(pán)的流體壓力分布Fig.13 Fluid pressure distribution in different types of disc screws

將上述不同型號(hào)動(dòng)盤(pán)模型在同一工藝參數(shù)下進(jìn)行仿真，其相變的分布結(jié)果如圖14所示。可以看到，在相同工藝參數(shù)下進(jìn)行加工時(shí)，隨著螺槽圈數(shù)越多，相變區(qū)域的流動(dòng)趨勢(shì)就越明顯。在流體動(dòng)力黏度方面，低黏度區(qū)域主要為加熱點(diǎn)及單螺槽結(jié)構(gòu)的高剪切處，不同型號(hào)動(dòng)盤(pán)中流體動(dòng)力黏度分布趨勢(shì)基本一致。

圖14 不同型號(hào)動(dòng)盤(pán)中物料的相變分布Fig.14 Material phase transition distribution in different types of disc screws

3.6 分析與討論

基于以上結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié)，發(fā)現(xiàn)規(guī)律如下：

（1）在動(dòng)盤(pán)直徑一定的情況下，螺桿結(jié)構(gòu)參數(shù)中的槽道數(shù)量影響盤(pán)式螺桿輸送能力的大小。在統(tǒng)一仿真條件下，單螺槽盤(pán)式螺桿的輸送能力及物料出口流速均低于雙螺槽盤(pán)式螺桿。

（2）在動(dòng)盤(pán)其他相關(guān)參數(shù)與仿真條件一致的情況下，槽道深度的增大可以在一定程度上提高整體物料的流動(dòng)速率與出口流速，但增大槽道深度不利于物料熱量的傳遞，有礙于物料的塑化。采用最深入口與最淺出口結(jié)構(gòu)可有效提高螺桿中物料出口平均流速。

（3）在動(dòng)盤(pán)其他相關(guān)參數(shù)與仿真條件一致的情況下，槽道寬度的減小會(huì)造成物料整體流動(dòng)速率和出口流速的降低。

（4）在動(dòng)盤(pán)其他相關(guān)參數(shù)與仿真條件一致的情況下，在4種不同槽道截面形狀動(dòng)盤(pán)結(jié)構(gòu)中，隨著槽道橫截面積的減小，物料整體流動(dòng)速率與出口流速均減小。但在動(dòng)力黏度方面中，半圓形截面動(dòng)盤(pán)中物料的動(dòng)力黏度較低，有利于塑化加工。

（5）在動(dòng)盤(pán)其他相關(guān)參數(shù)與仿真條件一致的情況下，改變螺槽圈數(shù)，發(fā)現(xiàn)動(dòng)盤(pán)中物料流動(dòng)速率及出口流速隨槽道長(zhǎng)度的增加而減小，然而螺槽越長(zhǎng)，相變區(qū)域的流動(dòng)就越明顯。

基于上述規(guī)律，保持動(dòng)盤(pán)直徑、槽道的矩形截面和圈數(shù)不變，通過(guò)減小槽道寬度至原型結(jié)構(gòu)的2/3的方法留出空間，增加一條槽道，轉(zhuǎn)變?yōu)槿莶劢Y(jié)構(gòu)動(dòng)盤(pán)。對(duì)其進(jìn)行建模如圖15（a）所示，其中紅色、藍(lán)色、綠色區(qū)域?yàn)椴煌牟鄣?，將此?yōu)化模型導(dǎo)入有限元仿真軟件，保持邊界條件及物理場(chǎng)接口設(shè)置的一致性，處理仿真結(jié)果數(shù)據(jù)并進(jìn)行比較。

由仿真結(jié)果可知，三螺槽動(dòng)盤(pán)的流體整體流動(dòng)速率最大值為5.55 mm/s，略低于原型結(jié)構(gòu)的5.82 mm/s。其流體速度分布圖15（b）所示，對(duì)流動(dòng)速率以1.5 mm/s篩選顯示，三螺槽動(dòng)盤(pán)中物料整體流動(dòng)速度不低，且高速流動(dòng)區(qū)域集中在出口附近。三螺槽動(dòng)盤(pán)的流體出口流速為3.595 mm/s，遠(yuǎn)高于原型動(dòng)盤(pán)結(jié)構(gòu)的1.5 mm/s。三螺槽動(dòng)盤(pán)的流體剪切速率最大值為8.00 s-1，剪切速率分布圖15（c）所示。由剪切速率分布圖可看出，三螺槽動(dòng)盤(pán)的高剪切速率主要分布在入口、出口、槽道邊緣處，且出口處高剪切速率呈片狀分布，有效降低了出口處物料的動(dòng)力黏度。三螺槽動(dòng)盤(pán)內(nèi)流體的壓力分布如圖15（d）所示，可知三螺槽動(dòng)盤(pán)中的流體壓力分布更為均勻，可有效對(duì)盤(pán)式螺桿內(nèi)各階段物料進(jìn)行擠壓。三螺槽動(dòng)盤(pán)中物料的物料相比原型結(jié)構(gòu)明顯更具有流動(dòng)趨勢(shì)，其相變分布如圖15（e）所示。三螺槽動(dòng)盤(pán)的流體整體動(dòng)力黏度如圖15（f）所示，結(jié)合剪切速率分布圖可知，三螺槽結(jié)構(gòu)中流體的高剪切速率造成螺桿內(nèi)入口及槽道內(nèi)物料的動(dòng)力黏度下降。由此可知，通過(guò)縮小動(dòng)盤(pán)原型結(jié)構(gòu)中的槽道寬度而留出空間構(gòu)造3條螺旋槽道的優(yōu)化動(dòng)盤(pán)結(jié)構(gòu)在仿真結(jié)果中的各項(xiàng)物理量顯示，該優(yōu)化結(jié)構(gòu)動(dòng)盤(pán)具有良好的塑化性能。

4 結(jié)論

（1）在統(tǒng)一仿真條件下，單螺槽盤(pán)式螺桿的輸送能力及物料出口流速均低于雙螺槽盤(pán)式螺桿；在動(dòng)盤(pán)其他相關(guān)參數(shù)與仿真條件一致的情況下，槽道深度的增大可以在一定程度上提高整體物料的流動(dòng)速率與出口流速，但增大槽道深度不利于物料熱量的傳遞，有礙于物料的塑化，采用最深入口與最淺出口結(jié)構(gòu)可有效提高螺桿中物料出口平均流速；槽道寬度的減小會(huì)造成物料整體流動(dòng)速率和出口流速的降低；隨著槽道橫截面積的減小，物料整體流動(dòng)速率與出口流速均減小，半圓形截面動(dòng)盤(pán)中物料的動(dòng)力黏度較低，有利于塑化加工；動(dòng)盤(pán)中物料流動(dòng)速率及出口流速隨槽道長(zhǎng)度的增加而減小，然而螺槽越長(zhǎng)，相變區(qū)域的流動(dòng)就越明顯；

（2）通過(guò)縮小動(dòng)盤(pán)原型結(jié)構(gòu)中的槽道寬度而留出空間構(gòu)造3條螺旋槽道的三螺槽的動(dòng)盤(pán)優(yōu)化結(jié)構(gòu)，其塑化性能與原型結(jié)構(gòu)相比得到了一定提升，為盤(pán)式螺桿微注塑機(jī)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)和技術(shù)手段。