周磊，張禮華*，陳景銘，毛旭，陳曙光，邱建成

（1.江蘇科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212100；2.江蘇飛鴿友聯(lián)機(jī)械股份有限公司，江蘇 張家港 215613）

0 前言

隨著塑料行業(yè)的迅速發(fā)展，塑料產(chǎn)品的種類和用途也越來越多元化，但是目前大部分塑料產(chǎn)品的生產(chǎn)原料主要成分為聚乙烯、聚丙烯、聚酯等，此類材料難以降解，對環(huán)境的污染很大。隨著國家可持續(xù)發(fā)展政策和綠色制造的推動，可降解塑料已然成為了當(dāng)下塑料產(chǎn)品發(fā)展的方向。

可降解塑料是一種新型的環(huán)保塑料，一般以從生物質(zhì)資源提煉出來的可降解材料作為原料，在一定的自然環(huán)境中可最終降解為二氧化碳和水，綠色環(huán)保無污染。本文采用的可降解材料從天然植物中提取原料，以水作為發(fā)泡劑，粉狀原料擠出發(fā)泡成型后，可以在水中完全降解。塑料擠出成型技術(shù)可以讓塑料原料在一定的溫度和壓力條件下通過機(jī)筒及內(nèi)部螺桿的作用［1］，受到擠壓并向前推送到機(jī)頭中，經(jīng)過機(jī)頭流道擠出并離模發(fā)泡成型為塑料成品。

其中，擠出機(jī)頭的流道設(shè)計(jì)能力是影響擠出成品的關(guān)鍵，關(guān)乎成品的成型質(zhì)量［2］。某工廠以上述可降解原料進(jìn)行可降解塑料片材擠出成型時(shí)，片材會產(chǎn)生波浪狀的褶皺，同時(shí)由于片材擠出機(jī)頭出口壓力分布不均勻，部分地方容易堵塞，無法形成規(guī)整平滑的可降解塑料片材。由此，本文基于三維建模軟件Solidworks和黏彈性材料流動有限元模擬仿真軟件Polyflow［3］，首先建立原有片材機(jī)頭流道的三維模型，并使用Polyflow進(jìn)行可降解塑料片材擠出過程的模擬分析，根據(jù)模擬仿真的結(jié)果以及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)對原有機(jī)頭流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化［4-5］，解決現(xiàn)有可降解塑料片材難以擠出發(fā)泡成型問題，為后續(xù)可降解塑料機(jī)頭流道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供參考。

1 數(shù)值模擬

1.1 幾何模型

如圖1所示為片材機(jī)頭實(shí)體圖，片材機(jī)頭由上下兩部分合模，形成中間的擠出流道。機(jī)頭實(shí)體中流道部分上下對稱，從圖中可以看出片材擠出機(jī)頭中流道的結(jié)構(gòu)布局，使用Solidworks建立塑料片材擠出機(jī)頭流道的三維模型［6］，如圖2所示。

圖1 片材機(jī)頭實(shí)體圖Fig.1 Solid diagram of the sheet head

圖2 片材機(jī)頭流道模型Fig.2 Runner model of the sheet head

片材擠出機(jī)頭流道分為入口段、擴(kuò)展段、壓縮段和成型段，雙螺桿擠入的熔體從機(jī)頭入口段進(jìn)入，熔體通過擴(kuò)展段緩解入口壓力并均勻散開，在壓縮段對其進(jìn)行加壓擠出，最后經(jīng)過成型段擠出并離模發(fā)泡成型為可降解塑料片材。

1.2 基本假設(shè)

考慮聚合物特性和機(jī)頭穩(wěn)定擠出的工藝條件［7］，對擠出機(jī)頭中熔體作如下假設(shè)：

（1）熔體是不可壓縮流體；

（2）由于對機(jī)頭流道是整體加熱，故流場為穩(wěn)定的等溫流場；

（3）雷諾數(shù)遠(yuǎn)小于2 000，故流動為層流流動；

（4）熔體的體積力遠(yuǎn)小于黏滯力，體積力可以忽略不計(jì)；

（5）塑料熔體在流道中全充滿；

（6）塑料熔體在流道內(nèi)無滑移。

1.3 控制方程

基于基本假設(shè)，機(jī)頭擠出過程中物料遵循質(zhì)量守恒定律［8］，其連續(xù)性方程如式（1）所示：

機(jī)頭擠出過程中遵守動量守恒定律，其動量方程如式（2）～（4）所示：

其中，Vx、Vy、Vz分別為x、y、z方向上的速度，P為壓力，τij為直角坐標(biāo)系下的應(yīng)力分量；其中i，j分別代表x、y、z方向。

1.4 材料模型

本文中所用到的新型可降解塑料主要成分是淀粉，此種可降解材料在機(jī)頭中形成的熔體也屬于非牛頓流體，常用黏彈性流體本構(gòu)方程［9］，其中Bird-Carreau模型，能反映在高低剪切速率下的熔體流動行為。Bird-Carreau模型表達(dá)如式（5）所示。

式中η0——零剪切黏度，值為10 000

λ——松弛時(shí)間，值為0.4

γ——剪切速率

n——冪律指數(shù)，值為0.75

在黏彈性材料流動有限元模擬仿真軟件Polyflow中選取對應(yīng)的Bird-Carreau模型，并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。

1.5 邊界條件

對于此機(jī)頭流道模型的邊界條件設(shè)置主要包括：

（1）入口邊界：流動入口（inflow），流動為自動（Automatic），體積流速Q(mào)=5.65×10-4m3/s；

（2）出口邊界：流動出口（outflow），作用零法向力和零切向力（fn=fs=0）；

（3）壁面邊界：由于流道壁面無滑移的假設(shè)，與機(jī)頭壁面接觸的熔體流速為0，即熔體黏附于壁上［10］，故有Vw=0。

1.6 網(wǎng)格劃分及無關(guān)性驗(yàn)證

將使用Solidworks建立的流道幾何模型導(dǎo)入到Ansys中的Polyflow模塊中，通過整體和局部網(wǎng)格控制方法對機(jī)頭模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分［11］。

由于網(wǎng)格的疏密程度對數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性有很大影響，只有保證網(wǎng)格數(shù)量的變化對計(jì)算結(jié)果基本沒有影響時(shí)數(shù)值模擬的結(jié)果才是可依據(jù)的。為了降低網(wǎng)格數(shù)量的變化對數(shù)值模擬結(jié)果的影響［12］，以片材機(jī)頭作為固定模型，在設(shè)定邊界條件和其他參數(shù)后，劃分不同數(shù)量的網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量分別為：10.9×104、12×104、13.6×104、16.9×104、20.3×104、26.3×104、31.6×104。如圖3所示，對比不同網(wǎng)格數(shù)量下的熔體最大出口速度［13］，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到約17×104后，熔體最大出口速度波動更為平穩(wěn)，相鄰解誤差小于5%，說明網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到約17×104后，網(wǎng)格對計(jì)算結(jié)果的影響在可接受范圍，滿足網(wǎng)格無關(guān)性的要求。

圖3 不同網(wǎng)格數(shù)量下熔體的最大出口速度Fig.3 Maximum outlet velocity of melt at different mesh quantities

最終網(wǎng)格劃分后的機(jī)頭流道如圖4所示，節(jié)點(diǎn)數(shù)為58 470，單元數(shù)為169 370。

圖4 網(wǎng)格劃分Fig.4 Meshing

1.7 機(jī)頭流道優(yōu)化

根據(jù)工廠實(shí)際生產(chǎn)可降解塑料片材的問題反饋，片材擠出機(jī)頭擠出時(shí)出口處流動性不均勻，部分出口處易堵塞，離模發(fā)泡時(shí)片材易彎曲卷成波浪狀，擠出的片材不規(guī)整，也難以成型。問題解決的關(guān)鍵在于對機(jī)頭流道進(jìn)口以及內(nèi)腔的優(yōu)化設(shè)計(jì)［14］，片材成品的質(zhì)量問題和機(jī)頭流道分析表明，進(jìn)口處的尺寸過大，導(dǎo)致進(jìn)口流速以及壓力不夠，熔體無法在機(jī)頭內(nèi)均勻遍布，同時(shí)流道各轉(zhuǎn)折面沒有圓角，阻礙熔體推進(jìn)的不均勻和堵塞，流道中間面未設(shè)置分散角［15］，導(dǎo)致流道內(nèi)擠出壓力分布不均勻。

針對上述分析，對機(jī)頭流道進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，將流道入口段直徑從240 mm減小為180 mm，入口段后的第一個(gè)轉(zhuǎn)折面添加半徑為40 mm的圓角進(jìn)行過渡，后面每段流道之間的轉(zhuǎn)折面添加半徑為55 mm的圓角進(jìn)行過渡，并對流道擴(kuò)展段及壓縮段的上下部分中間表面下凹14 mm形成圓弧凹面。流道優(yōu)化部分的結(jié)構(gòu)示意如圖5所示，優(yōu)化前后的流道模型對比如圖6所示。

圖5 機(jī)頭流道優(yōu)化示意圖Fig.5 Schematic diagram of nozzle flow channel optimization

圖6 流道模型優(yōu)化對比Fig.6 Comparison of runner model optimization

2 結(jié)果與討論

2.1 速度場分析

原始機(jī)頭流道和優(yōu)化流道的熔體速度場數(shù)值分析如圖7所示。機(jī)頭流道從機(jī)頭入口段向擴(kuò)展段延伸，流道內(nèi)部此時(shí)開始擴(kuò)展，熔體開始散開向前流動，此時(shí)的流速較小，同時(shí)靠近流道壁面的流速也相對較??；由速度場水平截面分布可看出從機(jī)頭的壓縮段向成型段機(jī)頭流道內(nèi)的流速逐漸增大，在機(jī)頭擠出段機(jī)頭流道內(nèi)流速達(dá)到最大值。

圖7 機(jī)頭流道熔體速度場數(shù)值分析Fig.7 Numerical analysis of melt velocity field in the nozzle runner

圖8為機(jī)頭流道優(yōu)化前后不同截面出口速度分布對比?？梢园l(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的機(jī)頭流道整體流速得以提升，機(jī)頭出入口段流速有了明顯提升，在擴(kuò)展段，流道速度幾乎相同。

圖8 優(yōu)化前后不同截面出口速度分布對比Fig.8 Comparison of export velocity distribution of different sections before and after optimization

2.2 壓力場分析

原始機(jī)頭流道和優(yōu)化流道的熔體壓力場數(shù)值分析如圖9所示，通過機(jī)筒內(nèi)雙螺桿擠出結(jié)構(gòu)將原料擠壓推送至機(jī)頭內(nèi)，從機(jī)頭入口段至壓縮段流道內(nèi)的擠出壓力都很大，從壓力場水平截面分布可以看出流道壓縮段尾段擠出壓力開始逐漸減小，直至機(jī)頭出口處降至最低，表面熔體在機(jī)頭內(nèi)部受擠出壓力向前推進(jìn)，直至最后擠出成型為片材。

圖9 機(jī)頭流道熔體壓力場數(shù)值分析Fig.9 Numerical analysis of melt pressure field in the nose runner

通過圖10可以看出機(jī)頭流道優(yōu)化前后不同截面出口壓力分布變化。

圖10 優(yōu)化前后不同截面出口壓力分布比較圖Fig.10 Comparison chart of outlet pressure distribution of different sections before and after optimization

優(yōu)化后的機(jī)頭流道在機(jī)頭成型段出口之前，每一段的擠出壓力都有著顯著提升，使機(jī)頭內(nèi)的熔體被更加充分地?cái)D壓，提升了充模速度、熔體流率和機(jī)頭流道內(nèi)成型段的壓力降，有利于充分離模發(fā)泡。通過優(yōu)化，更符合可降解塑料片材離模發(fā)泡的特性，有利于片材的擠出成型。

2.3 剪切速率場分析

原始機(jī)頭流道和優(yōu)化流道的熔體剪切速率場數(shù)值分析如圖11所示。原始流道的剪切應(yīng)力較大的地方主要在成型段，且存在應(yīng)力集中。優(yōu)化后，流道內(nèi)最大剪切速率有所提高，但成型段中間區(qū)域的剪切應(yīng)力有所減少，并且最大剪切速率和剪切應(yīng)力靠近兩側(cè)壁面，從而改善中間區(qū)域發(fā)生片材擠出時(shí)扭轉(zhuǎn)變形的狀況。

圖11 機(jī)頭流道熔體剪切速率場數(shù)值分析Fig.11 Numerical analysis of melt shear rate field of machine head runner

圖12是機(jī)頭流道優(yōu)化前后不同截面出口剪切速率分布對比，優(yōu)化后的機(jī)頭流道在前半部分和后半部分剪切速率都有所提升，特別是出口處的剪切速率提升更明顯。剪切速率越大，熔體在流道內(nèi)受到的拉伸拖拽效果就越強(qiáng)，越有利于物料的混合。

圖12 優(yōu)化前后不同截面出口剪切速率分布對比Fig.12 Comparison of outlet shear rate distribution of different sections before and after optimization

根據(jù)優(yōu)化流道的剪切速率場分布可以看出優(yōu)化后的流道的剪切應(yīng)力更加靠近兩側(cè)壁面，減少了成型段中間區(qū)域的剪切應(yīng)力，從而可以更好的改善片材機(jī)頭擠出片材時(shí)中間易產(chǎn)生波浪狀扭轉(zhuǎn)形變的問題，使得擠出的片材更加平整，減少片材機(jī)頭流道出口兩側(cè)的堵塞。

2.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

如圖13所示為現(xiàn)場分別使用原始片材機(jī)頭和優(yōu)化后的片材機(jī)頭擠出可降解塑料片材成品的對比圖?？梢钥闯鲎髨D中原始片材機(jī)頭擠出的可降解塑料片材兩側(cè)有毛邊，其原因是擠出片材時(shí)機(jī)頭兩側(cè)有部分堵塞，導(dǎo)致了擠出的片材并不完整，兩側(cè)有明顯的缺少，并且在擠出片材后還需要卸下機(jī)頭對內(nèi)部流道內(nèi)堵住的余料進(jìn)行清理。由于擠出機(jī)頭內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)還需優(yōu)化，機(jī)頭擠出時(shí)剪切應(yīng)力、擠出壓力以及速度的大小及分布存在問題，擠出的片材存在波浪狀褶皺，形變較大，難以使用，無法使得生產(chǎn)的片材達(dá)到客戶的需求。

圖13 片材機(jī)頭流道優(yōu)化前后擠出片材效果對比Fig.13 Comparison of extruded sheet effect before and after sheet head flow channel optimization

右圖通過對片材機(jī)頭的入口直徑、轉(zhuǎn)折面以及分散角的修改優(yōu)化，使得優(yōu)化后的片材機(jī)頭擠出的片材表面平滑均勻，消除了波浪狀褶皺，片材更為完整，機(jī)頭兩側(cè)邊緣沒有堵料，從而解決了可降解塑料片材從機(jī)頭擠出離模發(fā)泡后兩側(cè)的毛邊問題，最終使得生產(chǎn)的可降解塑料片材更好地達(dá)到使用效果。

3 結(jié)論

（1）針對擠出的可降解塑料片材不完整且表面有明顯褶皺問題，對現(xiàn)有機(jī)頭流道擠出過程進(jìn)行模擬，根據(jù)分析結(jié)果對機(jī)頭流道進(jìn)行了優(yōu)化，將流道入口段直徑從240 mm減小為180 mm，入口段后的第一個(gè)轉(zhuǎn)折面添加半徑為40 mm的圓角進(jìn)行過渡，對后面每段流道之間的轉(zhuǎn)折面添加半徑為55 mm的圓角進(jìn)行過渡，并對流道擴(kuò)展段及壓縮段的上下部分中間表面下凹14 mm形成圓弧凹面。

（2）通過對流道的優(yōu)化改進(jìn)，提高了機(jī)頭流道內(nèi)整體流速，減少了熔體在流道內(nèi)停留時(shí)間，提高了出入口的熔體流動性；提高了流道成型段出口面之前的整體擠出壓力，增加了流道內(nèi)成型段的壓力降，有利于可降解塑料充分離模發(fā)泡成型；減少了成型段中間區(qū)域的剪切應(yīng)力的集中分布，改善機(jī)頭中間區(qū)域片材擠出時(shí)扭轉(zhuǎn)變形的狀況。

（3）優(yōu)化后的片材流道通過了現(xiàn)場測試，解決了擠出的可降解塑料片材不規(guī)整且表面容易出現(xiàn)波浪狀褶皺的狀況，能夠更好地滿足可降解塑料片材產(chǎn)品的需求，實(shí)現(xiàn)綠色制造。