螺桿結(jié)構(gòu)對熔融金屬擠壓成型流場分布的影響研究

于天藝 曹 曾 徐紅兵* 張 冰*

(1.北京化工大學(xué) 機電工程學(xué)院, 北京 100029;2.核工業(yè)西南物理研究院, 成都 610041)

引 言

由于半固態(tài)金屬成型工藝制造的零件具有優(yōu)異的力學(xué)性能,且便于進行自動化生產(chǎn),因此半固態(tài)金屬成型技術(shù)成為國內(nèi)外研發(fā)的熱點。 楊衛(wèi)民團隊[1]以液態(tài)鎵金屬為原料,采用直寫打印方法實現(xiàn)了液態(tài)金屬成型。 Ji 等[2]開發(fā)了一種雙螺桿流變成型工藝,用于工程部件的近終形制造生產(chǎn),該成型設(shè)備由液態(tài)金屬喂料器、緊密嚙合和同向旋轉(zhuǎn)的雙螺桿擠出機以及控制系統(tǒng)組成。 美國Thixomat 公司發(fā)明了觸變注射成型(Thixomolding)技術(shù),該技術(shù)通過將觸變結(jié)構(gòu)的半固態(tài)合金高速注射到模具中得到近終形的金屬零件,實現(xiàn)了一體化的成型方式[3]。何龍[4]開展了基于五軸聯(lián)動的半固態(tài)金屬擠出沉積成型技術(shù)的研究,實現(xiàn)了半固態(tài)金屬擠出,但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜。 陳利文[5]利用半固態(tài)熔融金屬注射成型裝置實現(xiàn)了石墨烯納米片與AZ91D 鎂基材料的復(fù)合成型加工。 目前,國內(nèi)對于將單螺桿擠壓成型技術(shù)直接應(yīng)用于金屬成型加工的研究較少。 本文通過與聚合物加工的螺桿擠壓成型技術(shù)相對比,開展金屬直接成型過程的研究,分析了螺桿幾何參數(shù)對熔融金屬流場分布優(yōu)化的影響,從而實現(xiàn)了小型化單螺桿擠出機金屬擠出成型。

1 機頭及螺桿幾何參數(shù)對壓力的影響

壓力是流量的主要影響因素,為了達到產(chǎn)量要求,需分析擠出機建立的壓力能否達到物料擠出的最小壓力值。 擠出過程中物料經(jīng)歷的階段如圖1 所示,分別為固體輸送段、熔融段和熔體輸送段,而熔體輸送段的壓力主要決定著擠出機的擠出能力。

圖1 擠出過程物料狀態(tài)Fig.1 View of the extrusion process

由于金屬具有較高的流動性,其熔融段較聚合物加工過程會明顯縮短。 以1 mm 絲材加工為技術(shù)輸入,將產(chǎn)量作為技術(shù)輸入?yún)?shù),研究單螺桿結(jié)構(gòu)參數(shù)對于金屬錫的擠出過程的影響。 錫的熔點T1=232 ℃,導(dǎo)熱系數(shù)λ=67 W/(m·K),密度ρ=7.28 g/cm3,在完全熔融狀態(tài)下其黏度為0.001 Pa·s。

1.1 機頭壓力損耗計算

考慮到物料在機頭中的流動實際可視為等徑圓管中的一維壓力流,對于在等徑圓管中的流動,壓力降與流量的關(guān)系一般采用的計算公式為式中,Δp1為壓力降,MPa;Q為體積流量,cm3/s;L為圓管長度,cm;n為物料的流動常數(shù);K′為流體的流動度,K=1/μ,μ為黏度,Pa·s;R為機頭的半徑,cm。取表1 中參數(shù)進行初步計算,得到物料能夠擠出所需的最小壓力為0.615 MPa。 最終將單螺桿擠出機建壓與機頭壓力損耗進行對比以確定能否順利擠出。

表1 壓力損耗計算參數(shù)Table 1 Pressure loss calculation parameters

1.2 螺桿建壓能力計算

假定螺桿不動,料筒運動,將螺桿沿加料方向展開,把螺槽從螺桿展開并定位在平面上,料筒在此模型中被看作是在螺槽頂上一塊滑動著的無限大的平板,無限大平板展開理論模型如圖2 所示。

圖2 無限大平板展開理論模型Fig.2 Unfolded theoretical model of infinitely large plates

在無限大平板模型的基礎(chǔ)上最終簡化得到產(chǎn)量公式,由拖曳流率Qd、壓力體積流率Qp以及漏流QL組成。

當(dāng)熔體黏度很小時,漏流將對產(chǎn)量產(chǎn)生很大影響。 通過對產(chǎn)量公式分析可知,由于金屬錫在熔體輸送過程中表現(xiàn)出超高的流動性,在溫度達到熔點以上、其黏度小于1 Pa·s 時,機頭膜口處的壓力以及螺桿與機筒之間間隙的增大會導(dǎo)致較大的漏流,所以在分析擠出機建壓能力時,要將漏流考慮在內(nèi)進行壓力公式推導(dǎo)。 取轉(zhuǎn)速為60 r/min 進行計算,壓力公式為

其中W為螺距。

1.3 螺桿參數(shù)設(shè)計及理論計算

初步選定擠出機螺桿參數(shù)如表2 所示。

表2 螺桿參數(shù)Table 2 Screw parameters

當(dāng)螺桿直徑不變時,影響產(chǎn)量的最大因素即是螺桿與機筒之間的間隙以及螺距的變化。 改變螺距以及螺桿與機筒之間的間隙,對出口處壓力進行理論分析。 控制產(chǎn)量為0.001 cm3/s,分別對螺距為7、10、15 mm 的螺桿進行理論計算,得到相應(yīng)的壓力分布如圖3 所示。

從圖3 中可以看出,在螺桿直徑恒定不變的情況下,隨著螺桿與機筒之間間隙的增大,擠出機建壓能力逐漸降低;當(dāng)機筒與螺桿之間的間隙恒定時,減小螺距可以增加擠出機的建壓能力。 但考慮到制造精度與裝配誤差,不能無限縮小螺距及螺桿與機筒之間的間隙。

圖3 不同螺距螺桿下的理論計算壓力Fig.3 Theoretical calculation of the pressure with different pitch screws

金屬錫擠出過程可能會直接跳過熔融階段,進入熔體輸送階段。 然而在擠出過程中,螺桿參數(shù)變化將導(dǎo)致擠出機出口壓力波動,從而引起擠出物料流率波動。 在擠出產(chǎn)量恒定的前提下,將不同螺桿參數(shù)擠出機的建壓p2與機頭壓力損耗計算數(shù)值p1進行對比,當(dāng)p2大于p1時物料能夠從機頭擠出。

2 擠出過程仿真分析

2.1 邊界條件設(shè)定

在仿真任務(wù)為瞬態(tài)類型的情況下,需要對密度進行賦值并考慮慣性的影響。 選擇入口邊界,施加法向力Fn和切向力Fs,將Fn和Fs均賦值為0,此邊界條件說明流體區(qū)域入口流體為自由流動。 出口邊界設(shè)定為法向速度Vn=0.000 022 15 m/s,徑向速度Vs=0,對于內(nèi)孔,設(shè)定Vn=0 和Fs=0 的邊界條件,此類型的邊界條件屬于滑移邊界,不僅沒有流體能夠貫穿該邊界流動,且邊界上流體所受的切向力為0;對于外壁面給定Vn=Vs=0 的邊界條件,表示壁面無滑移。

2.2 仿真結(jié)果分析

通過控制螺桿與機筒之間間隙的變化,進行擠出過程的仿真模擬。 機筒螺桿間隙δ取值1.0 ～2.5 mm、以0.5 mm 為梯度變化,控制螺桿螺距分別為7、10、15 mm 來進行出口處的壓力分析,結(jié)果如圖4 所示。

圖4 不同螺距螺桿下的流場壓力分布Fig.4 Flow field pressure distribution with different pitch screws

由于仿真采用全熔段進行分析,仿真數(shù)值較理論計算數(shù)值略小。 經(jīng)分析15 mm 螺距螺桿的建壓僅為1.08 MPa,易導(dǎo)致無法連續(xù)均勻擠出,或因壓強過小導(dǎo)致最終制品質(zhì)地不均。 當(dāng)螺距減小至7 mm 時,建壓約為1.5 MPa,且從圖5 中可以明顯看出7 mm 螺距螺桿的建壓速度高于10 mm、15 mm螺距螺桿。 為了能夠?qū)崿F(xiàn)均勻混合及機頭壓力穩(wěn)定,最終確定采用7 mm 螺距螺桿,螺桿與機筒間隙1.0 mm。

圖5 不同螺距螺桿流場壓力云圖Fig.5 Pitch pressure cloud diagrams with different pitch screws

在擠出方向(即Z軸方向)均勻取30 個點統(tǒng)計壓力數(shù)據(jù),對不同螺距螺桿的建壓能力進行分析,所得結(jié)果如圖6 所示。 可以看出7 mm 螺距螺桿所能建立的最大壓力值明顯大于10 mm、15 mm 螺桿,且7 mm 等螺距螺桿的建壓速度高于其他螺桿。

圖6 不同螺距螺桿擠出方向壓力Fig.6 Extrusion direction pressure with different pitch screws

在擠出過程中,剪切能力代表擠出機對物料均勻混合的能力,而混合能力決定制品的質(zhì)量。 對3種螺桿熔融段剪切速率的統(tǒng)計如圖7 所示,可以看出3 種螺桿所產(chǎn)生的最大剪切速率相差不多;同等長度下,7 mm 螺距螺桿出現(xiàn)剪切速率峰值的頻率明顯高于10 mm、15 mm 螺桿,所以在金屬熔融過程中取7 mm 的螺桿螺距能更好地混合物料,從而保證制品質(zhì)量。

圖7 不同螺距螺桿沿Z 軸方向剪切速率對比Fig.7 Comparison of shear rates of the pitch change with different pitch screws in the Z-axis direction

2.3 實驗驗證

綜上可知,7 mm 螺距螺桿的混合效果較好,且滿足擠出所需的最小壓力。 最后確定螺桿工作段長度為112 mm,直徑為11.2 mm,螺距為7 mm 等螺距,機筒和螺桿之間間隙控制在1.0 mm,螺槽深度取2 mm,減速器速比i=10,電機采用功率為1.5 kW的伺服驅(qū)動電機,機筒加熱采用功率0.2 kW 的云母加熱器(峰嘉電熱電器有限公司)。 全部實驗裝置如圖8 所示。

圖8 實驗裝置Fig.8 Experimental device

由于金屬錫的熔點為232 ℃,考慮到加熱器加熱過程中的熱傳導(dǎo)熱量損失,初步將加熱溫度設(shè)定在275 ℃。 當(dāng)轉(zhuǎn)速低于60 r/min 時,由于壓力不足出現(xiàn)了物料無法連續(xù)成型現(xiàn)象(圖9(a))。 通過不斷對溫度和螺桿轉(zhuǎn)速進行調(diào)控,最終選定螺桿轉(zhuǎn)速為60 r/min,加熱器設(shè)定溫度275 ℃,此時機筒內(nèi)溫度穩(wěn)定在248 ℃,能夠擠出連續(xù)且均勻的物料,如圖9(b)所示。采用紅外測溫儀測得擠出物表面溫度約為220 ℃。 由于仿真模擬過程采用全熔融狀態(tài)下的物料進行分析,忽略了固體塞段建立起來的壓力,因此仿真所得壓力值(1.5 MPa)與實際測得的壓力值相比略小,實際擠出過程中測量所得壓力為2.3 MPa。

圖9 擠出效果圖Fig.9 Extrusion effect diagram

3 結(jié)論

(1)由于金屬具有超高流動性,在擠出中不需要形成完整的固體塞段,也即熔體也可以建立起足夠的壓強,壓力從入口到出口處逐漸增加,熔體沿Z軸正方向輸送,流道中軸向壓差隨著螺距的減小而增大。

(2)對比螺距7、10、15 mm 螺桿剪切速率數(shù)據(jù),結(jié)果表明減小螺距有利于增大對機筒內(nèi)物料的剪切作用,促進物料的熔融和混合,從而改善擠出質(zhì)量。

(3)要實現(xiàn)金屬錫均勻連續(xù)的擠出,需要采用7 mm 等螺距螺桿,通過對比1.0 ～2.5 mm 機筒螺桿間隙仿真計算壓力數(shù)據(jù),分析得出螺桿與機筒筒壁之間的間隙控制在1.0 mm 最佳,這樣才能夠建立穩(wěn)定的擠出壓強,且物料混合較為均勻。