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如何設計注射螺桿
點擊次數：2392 發布時間：2010-8-24
隨著人們對高分子化合物認識的不斷深化，注射螺桿有了很大發展。由于注射螺桿的技術性能是實現優良注射塑化性能的關鍵，因此對于注射螺桿的合理設計顯得尤為重要。本文分析了注射螺桿主要技術參數及主要結構與技術性能之間的關系，提出了注射螺桿主要技術參數確定的原則，結合精創螺桿的設計實際,從理論和實踐兩方面做了比較具體的分析與研究。
螺桿長徑比
螺桿長徑比是螺桿的一個十分重要的參數,對于常用的通用螺桿而言，尤為重要。通用螺桿的長徑比由13~14，提高到18，現已提高到20~22，甚至達到26。
1、螺桿長徑比與注射行程
注射行程表達了注射量的大小，是一個重要的技術參數。注射過程中螺桿填充的物料量基本上是一個很不確定的因素。注射時，螺桿軸向前移，物料流入螺槽，但不能充滿螺槽，因為注射時間不足以滿足*填滿螺桿溝槽所需的時間。由于物料填充稀疏，空氣易被吸入，此時空氣若不能及時排出，會使塑化質量降低。通常，計量行程的大小是決定空氣能否進入儲料缸的主要因素。多種物料的研究表明，計量行程若大于3D，止回環后面會有夾氣產生。此時如果螺桿長徑比小于18（滿足3D的計量行程的螺桿長徑比），即加料段固體開始熔融的長度太短，則會使固體向壓縮段熔體轉變時殘留在熔體中的固體大量增加，在嚴重的情況下，甚至可造成輸送停止。因此要想獲得超過3D的計量行程，必須增加螺桿的有效長度，使固體料在加料過程中能夠有足夠的熔融路徑進行熔融，以減少熔體中固體含量，使熔體體積的組成與壓縮段的體積流組成相匹配，從而實現計量所要求的熔融體積大于螺桿螺槽中的熔融體積。一般情況下，螺桿長徑比達到20~25，可滿足計量行程大于3D的要求。另外為了能夠解決由于螺桿長徑比的增加而引起的加料夾氣問題，在螺桿設計上必須滿足塑化時固體塞的速度大于固體床的速度。現在，隨著螺桿設計及加工的進步，一般注塑機/的注射行程由3D增加到4.5D~5D，有的甚至達到6.5D，螺桿的長徑比也由18增加到20~25，甚至更大，從而提高了塑化機構的經濟性。例如DEMAG公司的Ergotech系列，標準螺桿的注射行程為4.5D左右，螺桿塑化的有效長度為20D~24D，特殊螺桿的長徑比達到25，螺距與螺棱外徑之比為1：1。
2、螺桿長徑比與物料熔融特性
半結晶塑料的比熱焓比無定形塑料約高1.3~1.5倍，因此無定形塑料比半結晶塑料更易熔融，例如，ABS經過7D路徑達到熔融，PS經過10D路徑達到熔融，PE經過14D路徑達到熔融，而PP 經過23D路徑后熔融過程仍未結束。從上述現象中可以看出，不同的塑料由于其熔融特性不同，對螺桿的長徑比的要求也不同。例如用長徑比為18的普通螺桿塑化PP，塑化的質量肯定不理想，以至于在模制品中會有未熔融的粒料，而用來塑化PE，卻能達到良好的熔融質量。
現在隨著制品性能的提高，為克服通用螺桿性能的不足，螺桿應運而生，例如：PET螺桿、PC螺桿、PVC螺桿、熱固性塑料螺桿、EVA螺桿、PEEK螺桿等等。螺桿為適應特定對象的塑化，其長徑比基本上各不相同，螺桿的具體結構及技術參數也具有各自的特點。例如注射PET瓶坯的螺桿，為適應PET料的性能及提高瓶坯的質量，螺桿的長徑比達到23D~26D。
3、螺桿長徑比與制品質量特性
制品質量要求不同，對螺桿長徑比的要求也不同。例如，一般的PC制品，螺桿的長徑比為20即能滿足塑化要求，而加工PC光導板，理想的螺桿長徑比應為23，以提高熔融質量及計量精度；精密注射螺桿則要比通用螺桿的長徑比更大一些。
4、螺桿長徑比與剪切混煉元件
螺桿長徑比與剪切混煉元件雖各有各的功能，但在一定情況下，可以相互之間彌補不足。對剪切不敏感的塑料如PP的塑化，在螺桿長徑比不足的情況下，可以通過增加剪切/混煉元件提高熔融率，如使用多頭螺紋螺桿及屏障型螺桿。多頭螺紋螺桿及屏障型螺桿同單頭螺紋螺桿相比，優點是機筒壁與固體床之間形成的熔體層不那么厚，因此增加了機筒到固體物的熱傳遞，從而有效地利用了能量。此外，屏障型螺桿表面還能把固體與熔體分開，且物料通過屏障螺紋受到一定的剪切，使熱輸入更有效。
對于對剪切敏感的高熱焓塑料的塑化，剪切/混煉元件不能代替螺桿長徑比的功能，必須使用足夠大的長徑比的螺桿，使物料具有較長的滯留時間，以吸收足夠的熱量，這樣才能得到足夠均化的熔體；加入較長纖維的塑料因纖維在塑化過程中往往受到集中剪切而破壞，所以也不能增加剪切/混煉元件。為達到較好的分散性和捏和性，應采用較大長徑比的螺桿。
螺桿計量段
計量段的主要功能是均化與計量,所以計量段又被稱為均化段。由于從壓縮段輸出的熔體內部還沒有達到熔融均一，各部分之間還存在溫度差異，甚至還存在未熔化的固體料，從而不能得到重復精度高的塑化量以及計量精度，因此塑料熔體的均化需要在計量段來完成。從計量段的功能及加工中的實踐說明，計量段的合理設計，對塑化均一，以及計量起到十分重要的作用。
1、計量段的均化與混煉剪切段的均化
塑料熔融均化有兩種含義，一種是以溫差形式表述的熱均勻性，另一種是以描述顏料、填充劑分布的光學和機械混合均勻性。
（1）計量段的均化
計量段均化的實質是使經過壓縮段的熔融體經過計量段的路徑后，使熔融體內部的各點的溫度達到均一，以得到密度均一的熔融體。這是以溫差形式表述的熱均勻性。
（2）計量前端的混煉剪切段的均化
注塑螺桿由于其本身特定的功能，其混煉剪切能力比較差，特別是對于顏色的混煉分散性的作用很欠缺。然而現在比較多的國內用戶為降低生產成本，很少使用顏色分散性能優良的色母料，而是直接用顏料與塑料粒子相混合攪拌，進行塑化。為了滿足用戶的這種加工要求，許多國產注塑機廠商在螺桿的頭部設置了混煉剪切段，以提高顏料混合的均勻性。這種裝置的混煉剪切段的均化與計量段的均化有著明顯的區別，是以顏料、填充劑分布形式表述的光學和機械混合均勻性。
2、 計量段的設計原則
（1）計量段的長度
根據計量段所要達到的目的，計量段的螺槽深度宜淺不宜深，計量段的長度為25%~30%的螺桿螺棱部分的長度。計量段的螺槽深度和長度是影響計量作用的兩個因素，其中計量段的長度起主導作用。提高螺桿長徑比之所以能夠提高計量精度和塑化均一性，是因為計量段的長度首先得到加長，同時降低了螺桿的壓縮比。例如，一根φ42mm的螺桿，螺桿長徑比由19提高到21.5，計量段的長度由4.5D提高到6D,塑化PS質量在241.3~241.8之間變化,質量重復精度達到0.2%,比原來的1%提高了5倍,從而說明了計量段長度對計量精度起著十分重要的作用。
（2）壓縮比及計量段槽深
隨著螺桿長徑比的提高，可適當降低壓縮比。以前螺桿長徑比為18時，壓縮比一般為2.8，現在螺桿長徑比提高后，壓縮比一般為2.2。同時，相應計量段的槽深也減小了，這樣可得到更為均勻的熔融體和使塑化能力提高。一般來說，對于粘度低、流動性好、熱穩定性好的塑料塑化，采取大的壓縮比和較深的計量段槽深；對于粘度高、易熱分解的塑料塑化，采取小的壓縮比和較淺的計量段槽深；對于無定形塑料，可增加計量段槽深，槽深取0.06D～0.07D，以降低流動阻力；對于結晶形塑料，減小計量段槽深，槽深取0.04D～0.05D，以減小熔料軸向溫差。
（3）螺桿與機筒間隙
高速注射時,螺桿與機筒的間隙大小是一個非常突出的問題。螺桿在進行高速注射時，沿壓縮段方向熔膜和熔池作用于固體床位上的剪切力大幅度增加，如果螺桿與機筒的間隙過大，熔體從螺棱推進面的熔池越過螺棱和機筒的間隙而進入前面的螺槽，固體床將被熔體所壓縮，導致固體床很快破裂，甚至在加料段未端的固體床就已開始破裂。所以，為適應高速注射的要求，螺桿與機筒的間隙應嚴格控制。
3、止回環
止回環有三種形式：獨立運動止回環，與螺桿同步旋轉止回環，綜合上述兩種功能的雙止回環。前面兩種為普遍使用的止回環，這里重點介紹雙止回環。雙止回環由與螺桿同步旋轉的外環與獨立運動的內環組成，注射時，外環端面與螺桿端面貼緊密封，內環端面與外環內端面貼緊達到雙道密封效果，其特點是使用壽命長、密封效果好、關閉靈敏、能長期保持和穩定高的注射效率。精創塑料機械廠在大型注塑機上使用了雙止回環，用戶使用效果良好，與同規格的未采用雙止回環的注塑機相比，明顯表現出注射穩定、注射壓力低的優點。
螺桿設計原則
注塑螺桿的設計思路是：以理論為指導，實踐經驗為依據，把理論與實踐結合起來，不被現有的一些理論所束縛，敢于創新。衡量螺桿設計的標準是：塑化能否均一，計量是否達到要求，其次是塑化能力的要求。由于人們對高分子塑料性能的認識在不斷深化中，新的高分子化合物也會不斷出現，所以合理的螺桿設計是沒有的，只要能夠塑化出達到質量要求且成型出符合質量的制品，那么螺桿的設計就是成功的。
設計一根螺桿，首先要了解所加工對象的性能及制品所要達到的質量，以及螺桿哪些參數與所要加工物料的性能相關，如物料對剪切、溫度的敏感性。通常，無定形塑料如 PS、 ABS、 PMMA 、PVC、 PC 等除PVC 外，加工溫度范圍較寬。結晶型塑料如LDPE 、HDPE、 PA等溫度波動范圍較窄；無定形塑料對剪切不敏感，不需加剪切元件，計量槽深可適當加大并降低壓縮比，以降低流動阻力。結晶型塑料對剪切敏感，可添加剪切元件，以降低粘度，提高流動性。以PP為例，盡管它的流動性很好，但因其比熱容高，熱擴散率低，因此它是一種較難塑化的塑料，使用通用螺桿塑化其質量很難達到理想狀態，特別是在大、中型機上反映更為明顯。常見的塑化質量缺陷是：螺桿均化段（計量段）熔料層內外層溫差大，即內層溫度低，外層溫度高。塑化時，由于內層塑料在螺桿塑化推力作用下滯留在螺桿頭部，外層熔料越過滯留在螺桿頭部的內層塑料流向前端，所以每次注射僅把機筒內腔前端的外層熔料注進模具/，而內層塑料因未達到熔融溫度仍滯留在螺桿頭部，這樣，經多次塑化注射后，滯留在螺桿頭部的料越來越多，從而使每次實際塑化量越來越小，導致注射量也越來越小，甚至到zui后只有取掉滯留料后才能進行正常工作。鑒于PP塑化時存在的這種特殊性，必須對注射PP的螺桿的形式和技術參數進行特殊設計，以達到塑化質量及塑化計量的重復精度。其中長徑比是關鍵性能，所以首先加大長徑比，以滿足熔料的滯留時間，然后再考慮其它參數的設計。
此外，在螺桿的具體設計方面還有許多竅門,螺桿性能的高低往往體現在這些竅門上面。現在有一些單位，沒有對螺桿的設計引起足夠的重視，一切委托螺桿加工單位來完成，這樣做，雖然省事，但不可能提高螺桿水平。因此對于注塑機廠家而言，只有加強自身的開發能力，才能提高螺桿的性能。精創塑料機械廠非常重視高性能螺桿的開發，相繼開發了PC螺桿、熱固螺桿等創新性螺桿，經用戶使用塑化性能好，成型穩定。
螺桿設計實例
1、二段式PVC注射螺桿
PVC是一種高粘度無定形熱敏性塑料，塑化溫度范圍窄，粘度對溫度的敏感性很強，若塑化溫度偏高50℃，氯乙烯單體分解率就會直線上升，導致制品質量下降，增加環境污染。因此在PVC螺桿的具體設計上，如何使螺桿具有塑化時軸向溫差小和塑化均勻的特點成為設計的關鍵所在。
為減小軸向溫差及溫度波動，使螺桿在塑化過程中能量轉換無突變現象，應縮短計量段，把計量段與壓縮段合并為漸變形的一段，即由常規的三段式變為二段式的設計。二段式設計增加了物料的熔融路徑，使物料熔化溫度梯度變化平穩，增加了物料熔化的滯留時間，使其有足夠的時間吸收熔化所需的熱量，并且易于地控制加熱溫度及塑化轉速；取消普通螺桿的止回環，把螺桿與螺桿頭合為一體化以杜絕存料；PVC對剪切不敏感，可不加剪切混煉段；螺桿根部要開排氣槽；為使熔融料在進入計量段時達到熔融要求，應適當增加螺桿長徑比和螺桿壓縮比；為減少熔融料流經噴嘴產生的剪切熱，噴嘴口徑取0.1D,噴嘴口長度為噴嘴口徑的2～3倍。
綜上所述，PVC注射螺桿主要技術參數的可定為：螺桿長徑比20，壓縮比2.5～2.8，均化段長度2D，均化深度0.06D～0.07D，螺距與螺桿直徑之比為1:1；螺桿頭錐度160～200。
2、高速薄壁注射螺桿
設計高速薄壁注射螺桿，首先要了解高速薄壁注射成型的主要特點：注射速度大于300mm/s，有的達到1000mm/s；由于制品壁厚小于1.5mm，因此注射壓力在200MPa以上，甚至達到350MPa；適合于制作薄壁塑料件的塑料品種主要有ABS、PC、PMMA、PC/ABS、MPPO等工程塑料；為達到高速注射，液壓系統都配備蓄能器作為高速注射的動力；高速注射的時間很短，一般不超過1s；制品一般為小型的精密制品，所以計量行程（注射行程）短，注射量小。注射行程的范圍為0.12D~2D，一般控制在1D之內。
注射行程短即塑化行程短，有利于達到熔融料的軸向溫差的均一且空氣不易進入固體料，同時可減少高速注射時熔體對固體床破壞的影響。然而小的塑化量意味著材料在機筒內滯留的時間更長，從而導致制品性能下降。對此，高速薄壁注射螺桿的均化段螺槽深度應小于普通螺桿，螺槽容積和螺桿直徑應與注射塑化量匹配。另外，止回環的導向精度和關閉靈敏度，也必須給予充分考慮。
3、TPE（熱塑性橡膠/）注射螺桿
TPE的種類包括聚烯烴類、聚氨酯類、聚酰胺類、聚酯類及聚氯乙烯類等，一般該材料屬剪敏性材料。TPE注射螺桿基本類似于各類塑料的注射螺桿，但由于TPE原料組成中含有橡膠，其技術參數也存在一些不同點，以聚氨酯（TPU）注射螺桿為例：由于TPU對溫度敏感，且在熔融溫度215℃下，滯留時間不得超過20min，故應加長壓縮段，降低壓縮比，以降低剪切力，防止物料分解。螺桿的技術參數推薦如下：長徑比21，加料段9D，壓縮段7D，均化段5D，壓縮比2，采用直通噴嘴，其余參數同通用螺桿。