張 響 ，閆振昊 ，孔小亞 ，朱建曉 ，關國濤 ，趙 娜 ，李 倩

（1.鄭州大學力學與安全工程學院，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.國家級微納成型技術國際聯(lián)合研究中心，鄭州 450001；4.河南省微成型技術重點實驗室，鄭州 450001）

0 前言

自21世紀開始，聚合物加工相關行業(yè)整體產值不斷上升，該行業(yè)具有產值高、低污染、低能耗、加工產品的質量好等優(yōu)點。在工業(yè)零部件制造中，塑性成形加工技術占據(jù)了75%的粗加工與50%的精加工市場份額［1］。由于微米納米級微觀研究領域科學技術的高速發(fā)展，工件產品的尺寸不斷向小型化、微型化發(fā)展，微注塑加工技術也得到了進一步發(fā)展。微注塑機是一種微注射成型加工設備［2］，其中，塑化單元是微注塑機進行塑化的關鍵零件?，F(xiàn)有的微注塑機中，塑化單元結構主要分為柱塞式，螺桿式與螺桿柱塞式3種［3］，傳統(tǒng)的單螺桿微注塑機雖然塑化效果好，但其長螺桿本身的強度要求高，加工效率低且壽命有限，而傳統(tǒng)的柱塞式微注塑機雖然結構簡單，但塑化能力差。

盤式螺桿［3］微注塑機作為一種特殊結構的微注塑機，其特點為由具有螺槽的動盤的旋轉運動來完成物料的輸送、混合與塑化，從而替換了傳統(tǒng)的螺桿或柱塞單元，同時減小了整機的體積與質量，實現(xiàn)了小型化、低能耗與廢料少的進步。目前，已有多種盤式螺桿成型設備被研究設計出來［4?7］，其相關產品也已成功進入市場，但是關于盤式螺桿的理論研究和相關的結構優(yōu)化設計研究方面的報道較少。部分研究者研究討論了聚合物材料在塑化過程中涉及的能量流動與相態(tài)變化等相關的塑化理論問題［8?11］，還有一部分研究者進行了螺桿內聚合物在螺槽中運動的仿真分析［12?14］，研究了盤式螺桿局部結構下的熔體運動情況及局部結構參數(shù)對塑化性能的影響，但是其工作未考慮溫度變化和相變的影響，并且在數(shù)值仿真的時候假設螺旋槽道是封閉的，忽略漏流的影響，采用了無滑移邊界條件，導致熔體流動速率與螺桿轉速有直接關系。此外，還有以盤式結構作為混煉擠出主要部件的相關研究［15?16］，但對盤式螺桿整體塑化性能的研究分析及結構優(yōu)化相關內容尚未見報道，盤式螺桿的設計往往還是根據(jù)經驗進行。

本研究以蘇州康尼格電子科技股份有限公司［17］制作的KM1600型盤式螺桿微注塑機為原型機，根據(jù)先前對盤式螺桿微注塑機塑化性能的研究結果［18］，以盤式螺桿塑化單元中的聚合物作為研究對象，利用多物理場耦合有限元分析軟件COMSOL Multiphysics對動盤的結構參數(shù)進行研究，結合盤式螺桿的具體情況，對各組相關參數(shù)進行改變后重新設計動盤結構并進行仿真計算，選擇流體流動速率、出口流速、剪切速率、壓力分布、相變與動力黏度等物理量為分析指標，量化盤式螺桿塑化性能，考慮較優(yōu)結果并進行組合設計從而實現(xiàn)動盤的結構優(yōu)化，提高盤式螺桿微注塑機的塑化性能，為盤式螺桿的設計提供理論依據(jù)。

1 動盤結構參數(shù)分析

動盤的主要結構參數(shù)包括：動盤直徑，螺槽寬度，螺槽深度，螺槽圈數(shù)以及螺槽數(shù)量。原型機的動盤結構參數(shù)如表1所示。

表1 原型機動盤結構參數(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)量是動盤內物料流動路徑的個數(shù)。螺槽數(shù)量越多，動盤平面上的槽道空間就越大，可同時加工的聚合物物料總量就大，且有多條加工螺槽時，物料的加工速率較單螺槽時變快，但較多的槽道也會削弱動盤的總體強度，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，需要在多個變量中尋找使盤式螺桿塑化性能最大化的平衡點。

1.2 螺旋槽道深度

螺旋槽道深度作為動盤螺槽的重要參數(shù)之一，其對盤式螺桿塑化性能的影響主要體現(xiàn)在塑化單元容積方面。螺槽深度增加時容積增加，可同時加工的物料質量增加，但動盤與定盤的接觸面積不變，剪切受力面積不變。螺槽深度的增加不利于熱量的傳導，不利于螺槽底部的物料進行塑化。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盤螺槽的重要參數(shù)之一，其對盤式螺桿塑化性能有直接的影響。盤式螺桿塑化單元由定盤與動盤轉動及相互傳熱完成塑化加工，螺槽寬度的增加，將增大塑化單元內可容納物料的空間容積，提高盤式螺桿在同一時間的物料可加工量，增加了動盤上的物料與定盤上加熱源的接觸面積，導致螺槽內的聚合物受到更大面積的熱量傳遞，螺槽內物料的內能也會增加，但由于整體的物料質量也在增加，單位質量聚合物內能的增幅尚有待量化。本研究中動盤直徑被固定，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，這會造成動盤整體強度降低，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］，在動盤直徑一定的情況下，螺槽圈數(shù)越多，槽道越長，可容納的物料質量就越大，物料在盤式螺桿中運動的時間就越長，物料的受熱與加工過程也越久。但較多的圈數(shù)也會限制螺槽的寬度與數(shù)量，此外，較大質量物料的旋轉運動也會造成能量的損耗。因此，適當?shù)穆莶廴?shù)需要進一步研究探討。

2 盤式螺桿塑化性能指標

參考此前的研究中關于盤式螺桿的理論分析以及多物理場建模仿真方法［18］，根據(jù)仿真結果，對盤式螺桿塑化性能按指標進行定量分析。物理量指標包括：流體速度場、出口流速、剪切速率、壓力、溫度梯度、相變、動力黏度等。

流體速度場：流體速度場為盤式螺桿塑化空間內聚合物的流動速率大小及速度分布，流動速率越快，聚合物的塑化加工過程就越快。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，盤式螺桿的塑化能力越強。此指標可從仿真結果中實現(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，可以用來表示盤式螺桿塑化能力的大小。出口流速越大，表示盤式螺桿的塑化能力越大，生產效率越高。此指標可用仿真結果中盤式螺桿塑化單元出口處的平均速率表示。

剪切速率：在盤式螺桿進行塑化時，流體內部的剪切速率越大，其剪切效應越強，在物料玻璃態(tài)時越有利于物料的粉碎，但在熔融態(tài)時可能會因為物料受到剪切加熱導致整體物料內部溫度分布不均勻，嚴重情況下可能產生熱分解現(xiàn)象。因此，應該控制熔體運動過程中的剪切速率以確保塑化質量。剪切速率可從仿真結果中實現(xiàn)可視化。

壓力：塑化過程中盤式螺桿內壓力分布的均勻性代表物料運動過程中的穩(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置為零，壓力最好均勻分布在盤式螺桿內部，以此保證在塑化過程中的每一階段均有一定的壓力使物料受壓均勻，質量緊密。壓力結果由仿真結果中壓力等值面體現(xiàn)。

溫度梯度：溫度梯度體現(xiàn)的是盤式螺桿內聚合物的溫度均勻性，與材料導熱性相關。整體受熱均勻的物料，其受熱熔融相態(tài)轉變穩(wěn)定，塑化質量好。該結果由仿真結果中溫度梯度等值線實現(xiàn)可視化。

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

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

3 動盤結構優(yōu)化及仿真分析

3.1 螺旋槽道數(shù)量

原型機動盤為雙螺槽結構，由兩條螺旋槽道構成。參考前文中關于槽道數(shù)量作用的分析，對同等規(guī)格的單螺槽動盤進行仿真模擬，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，其他結構參數(shù)與原型機動盤相同。將仿真結果與原型結構進行對比，研究螺槽數(shù)量對盤式螺桿塑化性能的影響。按照原型機動盤修改的單螺槽道結構如圖1（a）～（b）所示，紅色和藍色部分為不同的槽道，將圖中模型導入有限元仿真軟件，物理場接口等相關設置同原型結構一致，整理結果并進行分析。

對比統(tǒng)一工藝參數(shù)進行仿真的速度場結果可知，單螺槽動盤速度區(qū)間為3.84×10-6～4.3 mm/s，雙螺槽動盤速度區(qū)間為1.47×10-6～5.82 mm/s，雙螺槽結構中流體流動速率較大，但單螺槽結構中流體流動速率并未出現(xiàn)大幅度的降低。流體速度分布對比如圖1（c）～（d）所示，圖中以速度最小值為1 mm/s進行篩選顯示，單螺槽動盤與定盤之間的間隙產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，應結合更多數(shù)據(jù)綜合考慮。單螺槽結構中流體的平均出口流速為1.25 mm/s，不及原型雙螺槽結構的1.5 mm/s，但也未出現(xiàn)大幅度的降低。相同工藝參數(shù)下，單螺槽結構中流體的剪切速率為5.96×10-3～8.14 s-1，雙螺槽結構為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，兩種結構中聚合物的相變無明顯差異。流體動力黏度對比見圖1（e）～（f），單螺槽結構中聚合物的動力黏度分布雖然不同于雙螺槽結構，但其分布趨勢仍是入口、出口、槽道邊緣處等位置動力黏度較低。

圖1 不同動盤的結構和塑化性能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盤螺槽的重要參數(shù)，對盤式螺桿塑化性能有關鍵影響。結合前文分析，對螺槽深度進行結構優(yōu)化。已知動盤原型結構中螺槽入口深度和出口深度兩個參數(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構特點。以原參數(shù)為中間值作參考，向兩側發(fā)散，設置6組動盤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)構建盤式螺桿，其它參數(shù)不變，以型號1、2、3、4、5、6區(qū)分。其中，3號模型為原型結構。將以上優(yōu)化模型導入有限元仿真軟件，保持邊界條件設置的一致性，處理仿真結果并進行分析比較。

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

對各型號盤式螺桿內物料的流動速率大小及速度分布進行總結，速率大小取最大值，結合速度分布進行綜合分析，各型號對應的速率最大值如表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程中，盤式螺桿內聚合物流動速率最大值逐漸升高，但達到原型結構的深度后，槽道深度的增加無法再有效提升聚合物的流動速率。改變螺旋槽道深度后，流體速度分布趨勢基本一致，高速流動區(qū)為入口及入口周圍的動盤定盤間隙，但其速度大小分布卻有區(qū)別。對各型號動盤中流場速度進行2 mm/s以上的篩選顯示，槽道深度越淺，相對的出口附近高速面積越大，但在3、4、5、6等型號動盤中，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速率沒有明顯的提高，如圖2所示。

表3 不同型號動盤的塑化性能參數(shù)Tab.3 Plasticization performance parameters of different types of disc screws

圖2 不同型號動盤的流體速度分布Fig.2 Fluid velocity distribution in different types of disc screws

不同型號動盤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，出口流速越大，增大螺槽深度有利于提高盤式螺桿的出口流速。剪切速率最大值總體上隨螺槽深度增加而增加，但原型結構剪切速率最大，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)。動盤槽道結構只改變了深度這一參數(shù)時，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)下研究動盤螺槽深度對相變的影響，各型號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，動盤中物料厚度增加，相變面積逐漸減小。

圖3 不同型號動盤中物料的相變Fig.3 Phase transition of the material in different types of disc screws

對各型號螺槽仿真結果中的流體動力黏度進行分析發(fā)現(xiàn)，因為各動盤結構相近，其動力黏度分布基本相同，不過由于螺槽深度變化，造成了部分區(qū)域內物料動力黏度的差距。僅取槽道深度最淺的1號與最深的6號進行對比，如圖4所示。從圖可以看到，槽道深度較淺的結構內物料的動力黏度略小于槽道深度較深的結構，但分布趨勢相同，低黏度區(qū)為入口、出口、槽道邊緣處。

圖4 1號和6號動盤的流體動力黏度Fig.4 Fluid dynamic viscosities in type 1 and type 6 disc screw

綜合上述關于動盤螺槽深度相關仿真結果，可以看出螺槽深度與流體流動情況的相關性，即螺槽越深，同時加工的物料質量就越大，流體流動速率越大，出口流速越大，但較大的深度并不利于物料的加熱及流動。同時，螺槽越淺，出口附近的流體流動速率越大。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構的塑化性能。設計槽道入口深度為6.750 mm，出口深度為0.329 mm，其余結構參數(shù)保持一致，構建雙螺槽動盤，并將其導入數(shù)值仿真軟件，相關物理場接口設置與原型保持一致。

對比優(yōu)化結構與原型結構的動力黏度分布發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化結構中除出口附近流體的高剪切速率導致其動力黏度略低外，其余區(qū)域分布一致。流體速度分布對比如圖5（a）～（b）所示，可以看到，在同樣工藝參數(shù)下，流體流動速率最大值為4.56 mm/s，低于原型結構的5.82 mm/s。對流動速率進行2 mm/s的篩選顯示，優(yōu)化結構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速率明顯較大。優(yōu)化結構中流體的平均出口流速為2.1 mm/s，高于原型結構的1.5 mm/s。優(yōu)化結構中流體的剪切速率最大值為9.74 s-1，其對比如圖5（c）～（d）所示，可明顯看出，以1 s-1為最小值進行篩選時，優(yōu)化結構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)下的相變仿真結果進行對比，如圖5（e）～（f）所示，優(yōu)化結構中物料的相變略優(yōu)于原型結構的相變。這是因為結構特點所致，優(yōu)化結構中的物料在加熱點附近的流體流動速率和剪切速率較原型結構要高，會升高物料溫度，改善相變，但是這個作用影響很小。相變主要取決于溫度，因此當加工溫度較高時，兩者的相變基本一致。

圖5 不同動盤的塑化性能Fig.5 Plasticizing performance of different disc screws

由上述盤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，較淺的槽道結構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構，此時出口流速較高的同時也保證了物料受熱的均勻性。

3.3 螺旋槽道寬度

螺槽寬度是動盤的重要參數(shù)，螺槽寬度的增加會增大盤式螺桿內加工物料的質量，但受限于原型結構中雙螺槽這一結構特點及其他相關參數(shù)限制，螺槽寬度并不能無限增大，故螺槽寬度僅取原型結構中寬度的2/3與1/3兩種規(guī)格進行建模和仿真分析。將螺槽寬度分別為2.201 mm與4.402 mm的幾何模型導入有限元仿真軟件，如圖6所示，紅色區(qū)域為槽道，其余物理場接口等設置保持與原型結構一致。

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，均小于原型結構的1.5 mm/s，即螺槽寬度減小時出口流速也相應降低。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，兩種新螺槽寬度動盤的最大流體流動速率分別為3.12、4.66 mm/s，低于原型結構的5.82 mm/s。篩選顯示流體流動速率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，靠近動盤中心區(qū)域的流體流動速率略有增大。改變螺槽寬度后動盤中流體的剪切速率分別為5.58、7.73 s-1，均低于原型結構的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)。經過仿真分析發(fā)現(xiàn)相變與動力黏度兩指標與原型結構基本一致。

圖7 不同槽道寬度動盤的流體速度分布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盤的一個重要結構參數(shù)。原型機動盤螺槽截面為寬約7 mm，高度在1～3 mm之間變化的矩形。螺槽截面形狀會影響槽道內物料的運動情況，為研究螺槽截面形狀對盤式螺桿塑化性能的影響，改變螺槽截面形狀建立新型的盤式螺桿模型進行仿真。在改變截面形狀時，保證螺槽深度與底面寬度與原型結構一致，依照此標準設計了4種不同的螺槽截面形狀，如圖8所示，圖8（a）～（d）中動盤橫截面面積依次減小，紅色藍色區(qū)域為不同的槽道，對這4種結構分別進行仿真，邊界條件等物理場接口設置同原型結構仿真保持一致。

圖8 不同螺槽截面形狀動盤模型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）所示的動盤中流體流動速率最大值分別為1.4、1.38、0.854、1.26mm/s，均小于盤式螺桿原型結構的1.5 mm/s。以上4種新式截面面積逐漸減小，但其流體流動速率最大值中半圓形截面動盤的數(shù)值卻是最小的。流體速度分布如圖9所示，以1.5 mm/s的流動速率大小為最小值篩選顯示，除半圓形槽道整體流動速率較慢外，整體趨勢為橫截面面積越小，高速流動區(qū)域越大，盤式螺桿中心的物料流動速率越大。新型動盤中流體出口流速均小于原型結構。新型動盤中流體剪切速率分別為8.75、7.84、5.11、7.38 s-1，均小于原型動盤的11 s-1。新型動盤的流體剪切速率分布與原型槽道結構基本相同，高剪切區(qū)域基本為盤式螺桿入口、出口、槽道邊緣處。結合相變分布結果數(shù)據(jù)進行分析發(fā)現(xiàn)，新型動盤的相變與原型槽道結構基本無異。

圖9 不同螺槽截面形狀動盤的流體速度分布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盤中流體的動力黏度如圖10所示。可以看到，半圓形截面動盤中流體的動力黏度明顯低于其它形狀截面，說明半圓形槽道結構可有效提高盤式螺桿加工時槽道內聚合物的流動性。但半圓形槽道結構進行塑化加工時，整體螺桿內物料的流動速率較小，出口流速較低。

圖10 不同螺槽截面形狀動盤的流體動力黏度分布Fig.10 Fluid dynamic viscosity distribution in disk screws with different cross sections

3.5 螺槽圈數(shù)

盤式螺桿槽道的基本結構由阿基米德曲線決定，在對動盤進行三維建模時，存在螺槽圈數(shù)這一結構參數(shù)。在動盤直徑一定的情況下，圈數(shù)在一定程度上決定了螺槽的長短。參考原型結構的螺槽圈數(shù)（1.42），以1.42為中間值向兩側取值，由于雙螺槽結構的動盤在直徑一定，螺槽寬度一定的條件下，圈數(shù)只能進行微小增大，故選用單螺槽結構的動盤進行仿真研究。保持其它結構參數(shù)不變，單螺槽結構的螺槽圈數(shù)取值如表4所示。對不同型號的單螺槽動盤進行建模，導入有限元仿真軟件，邊界條件等物理場接口設置與原型保持一致。單螺槽動盤模型如圖11所示，其中紅色區(qū)域為槽道。

圖11 不同型號動盤模型Fig.11 Model of different types of disc screws

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

不同型號動盤中的物料在相同工藝參數(shù)下流動速率最大值如表4所示。由表可知，II號動盤中流體流動速率最大值最高，并且隨著螺槽圈數(shù)的增加，流體流動速率最大值逐漸減小。不同型號動盤的流體速度分布見圖12，圖中以速度1.5 mm/s篩選顯示，由圖可知當螺槽圈數(shù)較小時，物料會在動盤與定盤之間的間隙內以較高的速率進行流動，隨著螺槽圈數(shù)的增加，槽道空間在盤式螺桿內增長，螺桿內物料逐漸按槽道形狀進行流動。

圖12 不同型號動盤的流體速度分布Fig.12 Fluid velocity distribution in different types of disc screws

設置不同型號動盤的仿真條件一致，動盤中流體流動速率、出口流速和剪切速率的最大值如表4所示?？梢钥吹?，動盤出口流速總體上隨螺槽圈數(shù)的增加而減少，II號動盤中流體的出口流速最大。隨著螺槽圈數(shù)不斷增加，動盤中流體剪切速率最大值呈逐漸減小的趨勢。分析不同型號動盤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)域為入口、出口、槽道邊緣處，各型號無明顯不同。不同型號動盤中流體壓力分布如圖13所示，可以看到當螺槽圈數(shù)越多時，流體壓力分布越均勻。

圖13 不同型號動盤的流體壓力分布Fig.13 Fluid pressure distribution in different types of disc screws

將上述不同型號動盤模型在同一工藝參數(shù)下進行仿真，其相變的分布結果如圖14所示。可以看到，在相同工藝參數(shù)下進行加工時，隨著螺槽圈數(shù)越多，相變區(qū)域的流動趨勢就越明顯。在流體動力黏度方面，低黏度區(qū)域主要為加熱點及單螺槽結構的高剪切處，不同型號動盤中流體動力黏度分布趨勢基本一致。

圖14 不同型號動盤中物料的相變分布Fig.14 Material phase transition distribution in different types of disc screws

3.6 分析與討論

基于以上結果進行分析總結，發(fā)現(xiàn)規(guī)律如下：

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

（2）在動盤其他相關參數(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構可有效提高螺桿中物料出口平均流速。

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

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

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

基于上述規(guī)律，保持動盤直徑、槽道的矩形截面和圈數(shù)不變，通過減小槽道寬度至原型結構的2/3的方法留出空間，增加一條槽道，轉變?yōu)槿莶劢Y構動盤。對其進行建模如圖15（a）所示，其中紅色、藍色、綠色區(qū)域為不同的槽道，將此優(yōu)化模型導入有限元仿真軟件，保持邊界條件及物理場接口設置的一致性，處理仿真結果數(shù)據(jù)并進行比較。

由仿真結果可知，三螺槽動盤的流體整體流動速率最大值為5.55 mm/s，略低于原型結構的5.82 mm/s。其流體速度分布圖15（b）所示，對流動速率以1.5 mm/s篩選顯示，三螺槽動盤中物料整體流動速度不低，且高速流動區(qū)域集中在出口附近。三螺槽動盤的流體出口流速為3.595 mm/s，遠高于原型動盤結構的1.5 mm/s。三螺槽動盤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，三螺槽動盤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力黏度。三螺槽動盤內流體的壓力分布如圖15（d）所示，可知三螺槽動盤中的流體壓力分布更為均勻，可有效對盤式螺桿內各階段物料進行擠壓。三螺槽動盤中物料的物料相比原型結構明顯更具有流動趨勢，其相變分布如圖15（e）所示。三螺槽動盤的流體整體動力黏度如圖15（f）所示，結合剪切速率分布圖可知，三螺槽結構中流體的高剪切速率造成螺桿內入口及槽道內物料的動力黏度下降。由此可知，通過縮小動盤原型結構中的槽道寬度而留出空間構造3條螺旋槽道的優(yōu)化動盤結構在仿真結果中的各項物理量顯示，該優(yōu)化結構動盤具有良好的塑化性能。

4 結論

（1）在統(tǒng)一仿真條件下，單螺槽盤式螺桿的輸送能力及物料出口流速均低于雙螺槽盤式螺桿；在動盤其他相關參數(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構可有效提高螺桿中物料出口平均流速；槽道寬度的減小會造成物料整體流動速率和出口流速的降低；隨著槽道橫截面積的減小，物料整體流動速率與出口流速均減小，半圓形截面動盤中物料的動力黏度較低，有利于塑化加工；動盤中物料流動速率及出口流速隨槽道長度的增加而減小，然而螺槽越長，相變區(qū)域的流動就越明顯；

（2）通過縮小動盤原型結構中的槽道寬度而留出空間構造3條螺旋槽道的三螺槽的動盤優(yōu)化結構，其塑化性能與原型結構相比得到了一定提升，為盤式螺桿微注塑機設計提供了理論依據(jù)和技術手段。