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      注塑機螺桿的理論知識鞏固,純干貨!-華鴻

      1.螺桿作用與分類


      螺桿是塑化部件中的關鍵部件,和塑料直接接觸,塑料通過螺槽的有效長度,經過很長的熱歷程,要經過三態(玻璃態、粘彈態、粘流態)的轉變,螺桿各功能段的長度,幾何形狀,幾何參數將直接影響塑料的輸送效率和塑化質量,將最終影響注塑成型周期和制品質量。




      注塑螺桿按其對塑料的適應性,可分通用螺桿和特殊螺桿。通用螺桿又稱常規螺桿可加工大部分具有低、中粘度的熱塑性塑料,結晶型和非結晶型的民用塑料和工程塑料,是螺桿最基本的形式。




      與其相應的還有特殊螺桿,是用來加工用普通螺桿難以加工加工的塑料,例如熱固性塑料、聚氯乙烯、高粘度的PMMA的螺桿,按螺桿結構及其幾何形狀的特征,可分為常規螺桿和新型螺桿。




      常規螺桿又稱三段式螺桿,是螺桿的基本形式。新型螺桿形式很多,主要有分離型螺桿、分流型螺桿、波狀螺桿、橫紋螺桿、無計量段螺桿、兩段式排氯螺桿、強混煉型螺桿等等。




      2.螺桿的基本形式及幾何參數


      螺桿基本結構如圖4-8所示,主要由有效螺紋長度L和尾部的連接部分組成。螺桿頭部設有裝螺桿頭的反向螺紋。




      (1)ds ——螺桿外徑。螺桿直徑大小直接影響著塑化能力的大小,也就直接影響到理論注射容積的大小。因此,理論注射容積大的注塑機其螺桿直徑也大。


      (2)L/ ds ——螺桿長徑比。L是螺桿螺紋部分的有效長度。


      螺桿長徑比愈大,說明螺紋長度愈長,直接影響到物料在螺槽中輸送的熱歷程,影響吸收能量的能力。此能量有分兩部分:一部分是料筒外面加熱圈傳給的,另一部分是螺桿轉動時產生磨擦熱和剪切熱,由外部機械能轉化的。因此,L/ ds直接影響到物料的熔化效果和熔體質量。但是如果L/ ds太長,則傳遞扭矩加大,能量消耗增加。過去,L/ ds數值在16~18;現在,由于塑料品種增加,工程塑料增多,L/ ds已增加到19~23。


      (3)L1 ——加料段長度。加料段又稱輸送段或進料段。為提高輸送能力螺槽表面一定要光潔。L3的長度應保物料有足夠的輸送長度一般L3=(9~10)ds。


      (4)h1 ——加料段的螺槽深度。h1深,則容納物料多,提高了供料量,但會影響物料塑化效果以及螺桿根部的剪切強度。一般h1≈0.12~0.16 ds。


      (5)L3 ——熔融段(均化段、計量段)螺紋長度。熔體在L3段的螺槽中得到進一步的均化:溫度均勻,粘度均勻,組分均勻,分子量分布均勻,形成較好的熔體質量。L3長度有助于穩定熔體在螺槽中的波動,有穩定壓力的作用,使物料以均勻的料量從螺桿頭部擠出,所以又稱計量段。一般。


      (6)h3 ——熔融段螺紋深度。h3小,螺槽淺,提高了塑料熔體的塑化效果,有利于熔體的均化。但h3過小會導致剪切速率過高,以及剪切熱過大,引起大分子鏈的降解,影響熔體質量。反之,如果h3過大,由于在預塑時,螺桿背壓產生的回流作用增強,會降低塑化能力。所以合適的h3應由壓縮比ε來決定:


      對于結晶型塑料,如PP、PE、PA以及復合塑料,ε=3~3.5;


      對粘度較高的塑料,如VPVC,ABS,HiPS,AS,POM,PC,PMMA,PPS等,ε=1.4~2.5。




      (7)L2 ——塑化段(壓縮段)螺紋長度。物料在此錐體空間中不斷地受到壓縮,剪切和混煉作用,物料從L2段入點開始,熔池不斷地加大,到出點處熔池已占滿全螺槽,物料完成從玻璃態,經過粘彈態向粘流態的轉變,從固體床向熔體床的轉變。L2長度會影響物料從固態到粘流態的轉化歷程,太短會來不及轉化,固料堵能塞在L2段的末端,形成很高的壓力,扭矩或軸向力,太長也會增加螺桿的扭矩和不必要的能耗,一般L2=(6~8)ds。




      對于結晶型的塑料,物料熔點明顯,熔融范圍窄,所以L2可短些,一般。




      (8)S ——螺距,其大小影響螺旋角β,從而影響螺槽的輸送效率,一般S≈ds。


      (9)e ——螺棱寬度,其寬窄影響螺槽的容料量,熔體的漏流以及螺棱耐磨損程度,一般(0.05~0.07)ds。


      (10)螺棱后角α,螺棱推力面圓角R1和背面圓角R2的大小影響螺槽的有效容積,物料的滯留情況以及螺棱根部的強度等,一般α=25~30o。




      3.普通螺桿


      (1)概述


      普通注射螺桿螺紋有效長度通常分成加料段(輸送段)、壓縮段(塑化段)、均化段(計量段)。


      根據塑料性質不同,可分為漸變型螺桿、突變型螺桿、通用型螺桿。


      ①漸變型螺桿:壓縮段較長,塑化時能量轉換緩和,多用于聚氯乙烯等,軟化溫度較寬的、高粘度的非結晶型塑料。


      ②突變型螺桿:壓縮段較短,塑化時能量轉換較劇烈,多用于聚烯烴、聚酰胺類的結晶型塑料。


      ③通用型螺桿:適應性比較強的通用型螺桿,可適應多種塑料的加工,避免更換螺桿頻繁,有利提高生產效率。


      通用型螺桿的壓縮段長度介于漸變螺桿和突變螺桿之間。但通用型螺桿也絕非是“萬能”螺桿,對某些有特殊注塑工藝要求的塑料,需要配備特殊螺桿。




      (2)普通螺桿參數


      ①螺桿長徑比(L/DS)、分段


      螺桿長徑比大,可以實現低溫、均質、穩定的塑化,螺桿長徑比一般取18~22。


      普通螺桿各段長度如下所列:


      螺桿類型 加料段(L1) 壓縮段(L2) 均化段(L3)


      漸變型 25~30% 50% 15~20%


      突變型 65~70% 15~5% 20~25%


      通用型 45~50% 20~30% 20~30%




      ②壓縮比(ε)


      注射螺桿壓縮比是指計量段螺槽深度(h1)與均化段螺槽深度(h3)之比。壓縮比大,會增強剪切效果,但會減弱塑化能力,相對于擠出螺桿,壓縮比應取用得小些為好,以有利于提高的塑化能力和增加對物料的適應性。


      對于結晶型塑料,如聚丙烯、聚乙烯、聚酰胺、以及復合塑料,一般取2.6~3.0;對高粘度的塑料,如硬聚氯乙烯、丁二烯與ABS共混,高沖擊聚苯乙烯、AS、聚甲醛、聚碳酸脂、有機玻璃、聚苯醚等,約為1.8~2.3,通用型螺桿可取23~2.6,在均化段螺槽深度和螺桿壓縮比確定后,對于單頭等距變深螺桿,可由式計算出加料段的螺槽深度。若h1/h3=2,實際壓縮比為1.86。通常所說的壓縮比,大于實際壓縮比。




      (3)螺桿材料與熱處理


      目前,國內常用的材料38CrMoAl,或者日本進口SACM645。國內螺桿的熱處理,一般采取鍍鉻工藝,鍍鉻之前高頻淬火或氮化,然后鍍鉻,厚度0.03mm~0.05mm。此種螺桿適于阻燃性塑料,透明PC、PMMA。但鍍鉻層容易脫落,防腐蝕性能差,所以多采用不銹鋼材料。




      4.特殊螺桿


      “特殊螺桿”主要是與常規螺桿比較而言。目前常見的特殊螺桿中是分離型螺桿,和變流道螺桿。




      5.螺桿塑化元件


      為了提高螺桿的塑化質量,組分的分散和混分子量的分布與熔體的均化效果,常在螺桿的適當位置塑化加元件。按其功能主要混合元件和剪切元件。前者以分散混合為主,后者以分子量的分布和均化為主?;旌显酁榉至餍屯ㄟ^各種形式的凸塊對料流形成阻力,進行反復地分流和切割,達到組分分散和混合效果。






      6.螺桿頭


      注塑螺桿和擠出螺桿之間重要區別,在于前者裝有各種特殊結構形式的螺桿頭,這是由螺桿工作特性所決定的。在注射螺桿中螺桿頭的作用是預塑時,能將塑化好的熔體放流到儲料室中,而在高壓注射時,又能有效地封閉螺桿頭前部的熔體,防止倒流。




      7.料筒


      (1)料筒結構


      料筒是塑化部件中的重要零件,內裝螺桿外裝加熱圈,承受復合應力和熱應力的作用。料筒大多數采用整體結構。




      定位子口1與料筒前體徑向定位,并用端面封閉熔體,用多個螺釘旋入螺孔2內將前體與料筒壓緊。螺孔3裝熱電隅,要與熱電隅緊密地接觸,防止虛浮,否則會影響溫度測量精度。




      (3)料筒壁厚


      料筒壁厚要求有足夠的強度和剛度,因為料筒內要承受熔料和氣體壓力,且料筒長徑比很大,在注塑座上懸臂;料筒要求有足夠的熱容量,否則難以保證溫度穩定性;如果太厚,料筒笨重,浪費材料,熱慣性太大,升溫慢,溫度調節產生滯后現象。




      (4)料筒間隙


      料筒間隙系指料筒內壁與螺桿外徑的單面間隙。此間隙太大塑化能力降低,注射回泄量增加,注射時間延長;如果太小,熱膨脹作用,使螺桿與料筒摩擦加劇,能耗加大,甚至卡死,此間隙Δ=(0.002~0.005)ds。




      (5)料筒加熱、冷卻


      注塑機料筒加熱方式有電阻加熱、陶瓷加熱、鑄鋁加熱,應根據使用場合和加工物料合理配置。常用的有電阻加熱和陶瓷加熱,后者較前者承載功率大。




      (6)料筒、螺桿材料


      料筒、螺桿材料要求在高溫下耐磨、抗腐蝕,大多采用優質氮化鋼38CrMoAlA加工后進行氮化處理。對于加工某些增強纖維充填的復合物料,需配高碳、高鉻合金,高硬度抗蝕耐磨的雙金屬料筒。




      8.噴嘴


      (1)噴嘴功能


      噴嘴是連接塑化裝置與模具流道的重要組件。噴嘴有多種功能:預塑時,在螺桿頭部建立背壓,阻止熔體從噴嘴流出,注射時,建立注射壓力,產生剪切效應,加速能量轉換,提高熔體溫度均化效果;保壓時,起保溫補縮作用。


      噴嘴可分為敞開式噴嘴、鎖閉噴嘴、熱流道噴嘴和多流道噴嘴。




      9、螺槽深度主要涉及到以下的幾個方面:


      螺槽深與剪切效果關系:螺槽淺,剪切熱大,從而螺桿消耗的功率也大,(N與h3成正比)可是對注射螺桿而言,提供塑料熔化的熱量,由外加熱系統供給的占有一定的比例,同時,在注射成型機的機筒一,一般不設冷卻控溫系統,因此,對于一般注射螺桿,從塑料在螺桿內實際受熱過程和穩定溫度條件的需要出發,是無需強剪切作用的。




      槽深與螺桿工作性能的穩定:具有淺螺槽和長的均化段的螺桿,在工作時有良好的穩定性,這是普通擠出螺桿實現穩定擠出的一個重要因素,然而,注射螺桿的出料方式是借助油缸的推力,通過螺桿將熔料注出注射時的熔料回泄,是由螺桿頭部止逆結構來阻止,使螺桿塑化和注射出料之間無直接的聯系,因此螺桿的螺槽深淺所顯示出的螺桿塑化時出料穩定性問題,對注射螺桿一般無需去特別考慮。




      槽深與螺桿的塑化能力:在其它條件不變的情況下,螺桿塑化能力正比于螺槽深度。因此,注射螺桿適當地加深螺槽深度,有利于提高塑化能力。




      壓縮比(i):小的壓縮比有利于提高塑化能力,但剪 切塑化效果則較差,對背壓調節反映卻比較敏感,相對于擠出螺桿相比,注射螺桿的壓縮比取用得比較小,這樣螺桿具有較高的塑化能力和較強的加工適應性。




      注射螺桿常用壓縮比,對于結晶型塑料,如聚丙烯、聚乙烯、聚酰胺、以及復合塑料,一般為3.0~3.5,對于較高粘度的塑料,如硬聚氯乙烯、丁二烯與ABS共混,高沖擊聚苯乙烯、AS、聚甲醛、聚碳酸脂、有機玻璃、聚苯醚、約為1.4~2.5,通用型螺桿可取2~2.8,在均化段螺槽深度和螺桿壓縮比確定后,對于單頭等距變深螺桿,可由下式計算出加料的槽深。




      若h1/h3=2,實際壓縮比為1.86。




      我們通常所說的壓縮比,是大于實際壓縮比。




      螺桿熔融段的幾何壓縮比一般要大于高聚物的顆粒料或粉料的物理壓縮比。(加料時粒料或粉料的松密度與塑料的密度之比)。

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