陳士宏，王之磊，崔同偉，陳智勇，馬秀清＊，劉文靜

（1.北京工商大學(xué)材料與機(jī)械工程學(xué)院，北京100048；2.北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京100029）

0 前言

螺桿柱塞式注塑機(jī)兼有柱塞式和螺桿往復(fù)式注塑機(jī)的優(yōu)點，由于塑化螺桿無止逆環(huán)，在降低滯料的同時亦能大幅提高物料的塑化質(zhì)量和塑化效率，而柱塞在注射時漏料小，具備高精度注射的優(yōu)點。注射單元的設(shè)計是螺桿柱塞式注塑機(jī)的關(guān)鍵，熔體在注射單元內(nèi)的流動對最終制品的性能有很大的影響。成志強(qiáng)等［1］在不同壁面滑移條件下對微注射成型過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，并與實驗研究進(jìn)行了對比。對比發(fā)現(xiàn)：采用滑移邊界條件的微注射模擬結(jié)果與實驗結(jié)果一致，說明微注射中存在邊界滑移速度。宋新等［2］采用 Moldflow軟件對共注射過程進(jìn)行了模擬分析，研究不同的注射速度對前沿突破現(xiàn)象和芯層材料厚度的分布及均勻性的影響。研究表明：隨著注射速度的增加，充填過程中追趕距離變小的趨勢減弱，不易發(fā)生前沿突破現(xiàn)象。趙松等［3］在一個螺桿往返式注塑機(jī)通用模型的基礎(chǔ)上，給出了注塑機(jī)速度模糊控制系統(tǒng)的一般性設(shè)計方法：輸入輸出量定義域的選擇，隸屬度函數(shù)的形狀，使用相位面分析設(shè)計知識庫，前饋控制器的設(shè)計。通過仿真說明了該方法設(shè)計的控制系統(tǒng)能有效地跟蹤快速變化的速度設(shè)定曲線，在模型參數(shù)發(fā)生變化時也能夠得到良好的控制效果。翟明等［4］采用反饋控制系統(tǒng)，設(shè)計了模糊控制器對注塑機(jī)液壓系統(tǒng)伺服閥的輸入電流進(jìn)行控制，使塑料熔體按照期望的注射速度進(jìn)行充模，保證了制品質(zhì)量。本文以螺桿柱塞式注塑機(jī)注射單元為例，其在高壓或高速注射時，熔體在注射單元內(nèi)的流動是一個復(fù)雜的過程，其流動速度和壓力不斷變化，通過模擬熔體在注射單元內(nèi)的流動狀態(tài)，為注塑機(jī)控制系統(tǒng)提供設(shè)計依據(jù)。

1 數(shù)值模擬

1.1 熔體在注射單元中的流動模擬

熔體在注射單元中的流動受溫度、注射壓力和注射速度等因素的影響，本文采用熔體流動模擬軟件Polyflow模擬熔體在螺桿柱塞式注塑機(jī)中高速注射和高壓注射時的流動情況。

1.2 注射單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)及計算域

本文所用到的螺桿柱塞式注塑機(jī)注射單元的結(jié)構(gòu)及計算域如圖1所示，注射單元由液壓驅(qū)動，主要由噴嘴、注射機(jī)筒前體、注射單元連接體、注射機(jī)筒、襯套和柱塞組成，其最大注射速度為1000mm／s，最高注射壓力為300MPa，最大注射行程為135mm，柱塞直徑為12 mm，噴嘴出口直徑為3mm，注射機(jī)筒前體內(nèi)徑為8mm。

圖1 注射單元的結(jié)構(gòu)及計算域Fig.1 The construction of the injection unit and the computational domain

1.3 基本假設(shè)

根據(jù)熔體在圓管和錐管內(nèi)的壓力流，為了簡化熔體流場，設(shè)熔體在注射單元內(nèi)流動時滿足以下基本假設(shè)：

（1）熔體流動時為層流流動；

（2）熔體為非牛頓流體；

（3）熔體等溫流動，且不可壓縮；

（4）壁面近似于完全滑移。

1.4 物性參數(shù)

流動模擬時采用的物料為聚碳酸酯（PC），對應(yīng)的牌號為Makrolon 6485，熔體溫度為280℃，此時物性參數(shù)如表1所示。

1.5 最大注射速度下熔體流動的數(shù)值模擬

一般而言，在注射過程中注射速度是不斷變化的，從零迅速增加到最大注射速度，然后隨著模腔的不斷充滿再逐漸變?yōu)榱?，而在最大注射速度下，注射壓力最低?/p>

表1 物性參數(shù)Tab.1 Parameters of the melt performance

1.5.1 幾何模型

幾何模型的精確與否直接影響模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，在充分考慮到控制系統(tǒng)的反應(yīng)時間后，假定注射行程為5mm時，注射速度達(dá)到最大值，忽略柱塞頭部錐角對模擬結(jié)果的影響，根據(jù)注射單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計和幾何尺寸建立如圖2所示的流道幾何模型。

圖2 最大注射速度下流道的幾何模型Fig.2 The geometric model of the runner in the maximum injection speed

1.5.2 邊界條件

在該模擬分析中，設(shè)定3個邊界條件，即入口邊界、出口邊界條件和熔體外表面邊界，入口設(shè)定為最大注射壓力下的流量，出口設(shè)置為默認(rèn)的出口流量，熔體流動時與壁面近似完全滑移，已知最大注射速度為1000mm／s，柱塞直徑為12mm，則入口流量為1.131×10-4m3／s。

1.5.3 模擬結(jié)果

模擬結(jié)果如圖3所示，圖3（a）為最大注射速度下的壓力云圖，圖3（b）為沿注射方向最大注射速度下不同截面上的壓力分布，從圖中可知，沿著注射方向熔體壓力不斷降低，其中入口壓力最大，最大壓力為18.6MPa，噴嘴出口壓力最小，最小壓力為3.1MPa，此外，熔體流經(jīng)噴嘴時壓力急劇減小。

圖3 最大注射速度下熔體的壓力Fig.3 The pressure of the melt under the maximum injection speed

1.6 最大注射壓力下熔體的流動

1.6.1 幾何模型

注射壓力最大時，模具的模腔基本充滿，制品被壓實，柱塞微量前移，保壓補(bǔ)縮，據(jù)此，結(jié)合注射單元的結(jié)構(gòu)尺寸建立如圖4所示的流道幾何模型。

圖4 最大注射壓力下流道的幾何模型Fig.4 The geometric model of the runner in the maximum injection pressure

1.6.2 邊界條件

熔體流動模擬時設(shè)置3個邊界條件，即入口壓力，出口壓力和熔體外表面滑移條件，設(shè)入口壓力為最高注射壓力300MPa，出口壓力根據(jù)噴嘴出口壓力（認(rèn)為近似等于模腔壓力）設(shè)定，制品壓實過程中，模腔壓力不斷變化，為得到模腔壓力變化的趨勢，分別取80%、70%、60%和50%的最高注射壓力為模腔壓力，并將該壓力值設(shè)置為噴嘴出口處壓力，即出口邊界壓力為240、210、180、150MPa，并認(rèn)為熔體流動時與壁面近似完全滑移，出入口邊界條件如表2所示。

表2 入口和出口的邊界條件Tab.2 The boundary of inlet and outlet

1.6.3 模擬結(jié)果

最大注射壓力下，不同出口壓力下對應(yīng)的熔體壓力分布云圖如圖5所示，從圖5中可知，噴嘴出口壓力越大，熔體在流道內(nèi)的壓力就越大，并沿注射方向逐漸減小。圖6為最大注射壓力時，不同出口壓力下熔體沿注射方向的流動速度，從圖6中可知，熔體的流動速度沿注射方向越來越大，由于假定熔體不可壓縮，熔體流經(jīng)噴嘴時流動速度驟增。

圖5 不同出口壓力下熔體流動的壓力云圖Fig.5 The pressure image of melt flow under different outlet pressure

圖6 不同出口壓力下熔體的流動速度Fig.6 The flow speed of melt under different outlet pressure

根據(jù)注射原理可知，熔體軸向位移的流動速度近似等于柱塞的注射速度，熔體在模腔內(nèi)壓實時，補(bǔ)縮量很小，柱塞移動距離亦很小。根據(jù)圖6的結(jié)果，不同出口壓力下注射速度如圖7所示，從圖7中可以看出，注射速度隨模腔壓力的增大而減小，從1.04mm／s逐漸遞減到0.09mm／s，這種注射速度減小的趨勢與實際注射過程中注射速度變化的趨勢相一致。

圖7 不同出口壓力下的注射速度Fig.7 The injection speed under different outlet pressure

2 結(jié)論

（1）注塑機(jī)在最大注射速度下對空注射時，熔體流經(jīng)噴嘴時的壓力損失很大；

（2）熔體在最高注射壓力下流動時，隨著模腔壓力的增大，注射速度減小，但熔體流經(jīng)噴嘴時，速度驟增。

［1］成志強(qiáng)，Barriere T，柳葆生，等.微注射成型實驗與數(shù)值模擬［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報，2010，54（4）：635-638.Cheng Zhiqiang，Barriere T，Liu Baosheng，et al.Micro Injection Molding Experiment and Numerical Simulation［J］.Journal of Southwest Jiaotong University，2010，54 （4）：635-638.

［2］宋 新，盧松濤.注射速度對共注射成型制品質(zhì)量的影響［J］.煤炭技術(shù)，2012，31（7）：193-195.Song Xin，Lu Songtao.Injection Rate on the Total Quality of Injection Molding Products［J］.Coal Technology，2012，31（7）：193-195.

［3］趙 松，張培仁，鄧 超.注塑機(jī)注射速度的模糊控制及其仿真［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2008，20（2）：349-352.Zhao Song，Zhang Peiren，Deng Chao.Fuzzy Control for Velocity Tracking in Injection Molding and Its Simulation［J］.Journal of System Simulation，2008，20（2）：349-352.

［4］翟 明，顧元憲，申長雨.注射成型充模過程的注射速度控制［J］.中國塑料，2002，16（5）：52-54.Zhai Ming，Gu Yuanxian，Shen Changyu.Injection Velocity Control in Filling Process of Injection Molding［J］.China Plastics，2002，16（5）：52-54.