如何设计注射螺杆

chen6850871 · 发表于 2011-6-18 09:25:12

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随着人们对高分子化合物认识的不断深化，注射螺杆有了很大发展。由于注射螺杆的技术性能是实现优良注射塑化性能的关键，因此对于注射螺杆的合理设计显得尤为重要。本文分析了注射螺杆主要技术参数及主要结构与技术性能之间的关系，提出了注射螺杆主要技术参数确定的原则，结合作者的设计实际,从理论和实践两方面做了比较具体的分析与研究。
螺杆长径比
螺杆长径比是螺杆的一个十分重要的参数,对于常用的通用螺杆而言，尤为重要。通用螺杆的长径比由13~14，提高到18，现已提高到20~22，甚至达到26。
1、螺杆长径比与注射行程
注射行程表达了注射量的大小，是一个重要的技术参数。注射过程中螺杆填充的物料量基本上是一个很不确定的因素。注射时，螺杆轴向前移，物料流入螺槽，但不能充满螺槽，因为注射时间不足以满足完全填满螺杆沟槽所需的时间。由于物料填充稀疏，空气易被吸入，此时空气若不能及时排出，会使塑化质量降低。通常，计量行程的大小是决定空气能否进入储料缸的主要因素。多种物料的研究表明，计量行程若大于3D，止回环后面会有夹气产生。此时如果螺杆长径比小于18（满足3D的计量行程的螺杆长径比），即加料段固体开始熔融的长度太短，则会使固体向压缩段熔体转变时残留在熔体中的固体大量增加，在严重的情况下，甚至可造成输送停止。因此要想获得超过3D的计量行程，必须增加螺杆的有效长度，使固体料在加料过程中能够有足够的熔融路径进行熔融，以减少熔体中固体含量，使熔体体积的组成与压缩段的体积流组成相匹配，从而实现计量所要求的熔融体积大于螺杆螺槽中的熔融体积。一般情况下，螺杆长径比达到20~25，可满足计量行程大于3D的要求。另外为了能够解决由于螺杆长径比的增加而引起的加料夹气问题，在螺杆设计上必须满足塑化时固体塞的速度大于固体床的速度。现在，随着螺杆设计及加工的进步，一般注塑机的注射行程由3D增加到4.5D~5D，有的甚至达到6.5D，螺杆的长径比也由18增加到20~25，甚至更大，从而提高了塑化机构的经济性。例如DEMAG公司的Ergotech系列，标准螺杆的注射行程为4.5D左右，螺杆塑化的有效长度为20D~24D，特殊螺杆的长径比达到25，螺距与螺棱外径之比为1：1。

2、螺杆长径比与物料熔融特性
半结晶塑料的比热焓比无定形塑料约高1.3~1.5倍，因此无定形塑料比半结晶塑料更易熔融，例如，ABS经过7D路径达到熔融，PS经过10D路径达到熔融，PE经过14D路径达到熔融，而PP 经过23D路径后熔融过程仍未结束。从上述现象中可以看出，不同的塑料由于其熔融特性不同，对螺杆的长径比的要求也不同。例如用长径比为18的普通螺杆塑化PP，塑化的质量肯定不理想，以至于在模制品中会有未熔融的粒料，而用来塑化PE，却能达到良好的熔融质量。
现在随着制品性能的提高，为克服通用螺杆性能的不足，专用螺杆应运而生，例如：PET螺杆、PC螺杆、PVC螺杆、热固性塑料螺杆、EVA螺杆、PEEK螺杆等等。专用螺杆为适应特定对象的塑化，其长径比基本上各不相同，螺杆的具体结构及技术参数也具有各自的特点。例如注射PET瓶坯的专用螺杆，为适应PET料的性能及提高瓶坯的质量，螺杆的长径比达到23D~26D。
3、螺杆长径比与制品质量特性
制品质量要求不同，对螺杆长径比的要求也不同。例如，一般的PC制品，螺杆的长径比为20即能满足塑化要求，而加工PC光导板，理想的螺杆长径比应为23，以提高熔融质量及计量精度；精密注射螺杆则要比通用螺杆的长径比更大一些。
4、螺杆长径比与剪切混炼元件
螺杆长径比与剪切混炼元件虽各有各的功能，但在一定情况下，可以相互之间弥补不足。对剪切不敏感的塑料如PP的塑化，在螺杆长径比不足的情况下，可以通过增加剪切/混炼元件提高熔融率，如使用多头螺纹螺杆及屏障型螺杆。多头螺纹螺杆及屏障型螺杆同单头螺纹螺杆相比，优点是机筒壁与固体床之间形成的熔体层不那么厚，因此增加了机筒到固体物的热传递，从而有效地利用了能量。此外，屏障型螺杆表面还能把固体与熔体分开，且物料通过屏障螺纹受到一定的剪切，使热输入更有效。
对于对剪切敏感的高热焓塑料的塑化，剪切/混炼元件不能代替螺杆长径比的功能，必须使用足够大的长径比的螺杆，使物料具有较长的滞留时间，以吸收足够的热量，这样才能得到足够均化的熔体；加入较长纤维的塑料因纤维在塑化过程中往往受到集中剪切而破坏，所以也不能增加剪切/混炼元件。为达到较好的分散性和捏和性，应采用较大长径比的螺杆。
螺杆计量段
计量段的主要功能是均化与计量,所以计量段又被称为均化段。由于从压缩段输出的熔体内部还没有达到熔融均一，各部分之间还存在温度差异，甚至还存在未熔化的固体料，从而不能得到重复精度高的塑化量以及计量精度，因此塑料熔体的均化需要在计量段来完成。从计量段的功能及加工中的实践说明，计量段的合理设计，对塑化均一，以及精确计量起到十分重要的作用。
1、计量段的均化与混炼剪切段的均化
塑料熔融均化有两种含义，一种是以温差形式表述的热均匀性，另一种是以描述颜料、填充剂分布的光学和机械混合均匀性。
（1）计量段的均化
计量段均化的实质是使经过压缩段的熔融体经过计量段的路径后，使熔融体内部的各点的温度达到均一，以得到密度均一的熔融体。这是以温差形式表述的热均匀性。
（2）计量前端的混炼剪切段的均化
注塑螺杆由于其本身特定的功能，其混炼剪切能力比较差，特别是对于颜色的混炼分散性的作用很欠缺。然而现在比较多的国内用户为降低生产成本，很少使用颜色分散性能优良的色母料，而是直接用颜料与塑料粒子相混合搅拌，进行塑化。为了满足用户的这种加工要求，许多国产注塑机厂商在螺杆的头部设置了混炼剪切段，以提高颜料混合的均匀性。这种装置的混炼剪切段的均化与计量段的均化有着明显的区别，是以颜料、填充剂分布形式表述的光学和机械混合均匀性。
2、计量段的设计原则
（1）计量段的长度
根据计量段所要达到的目的，计量段的螺槽深度宜浅不宜深，计量段的长度为25%~30%的螺杆螺棱部分的长度。计量段的螺槽深度和长度是影响计量作用的两个因素，其中计量段的长度起主导作用。提高螺杆长径比之所以能够提高计量精度和塑化均一性，是因为计量段的长度首先得到加长，同时降低了螺杆的压缩比。例如，一根φ42mm的螺杆，螺杆长径比由19提高到21.5，计量段的长度由4.5D提高到6D,塑化PS质量在241.3~241.8之间变化,质量重复精度达到0.2%,比原来的1%提高了5倍,从而说明了计量段长度对计量精度起着十分重要的作用。
（2）压缩比及计量段槽深
随着螺杆长径比的提高，可适当降低压缩比。以前螺杆长径比为18时，压缩比一般为2.8，现在螺杆长径比提高后，压缩比一般为2.2。同时，相应计量段的槽深也减小了，这样可得到更为均匀的熔融体和使塑化能力提高。一般来说，对于粘度低、流动性好、热稳定性好的塑料塑化，采取大的压缩比和较深的计量段槽深；对于粘度高、易热分解的塑料塑化，采取小的压缩比和较浅的计量段槽深；对于无定形塑料，可增加计量段槽深，槽深取0.06D～0.07D，以降低流动阻力；对于结晶形塑料，减小计量段槽深，槽深取0.04D～0.05D，以减小熔料轴向温差。
（3）螺杆与机筒间隙
高速注射时,螺杆与机筒的间隙大小是一个非常突出的问题。螺杆在进行高速注射时，沿压缩段方向熔膜和熔池作用于固体床位上的剪切力大幅度增加，如果螺杆与机筒的间隙过大，熔体从螺棱推进面的熔池越过螺棱和机筒的间隙而进入前面的螺槽，固体床将被熔体所压缩，导致固体床很快破裂，甚至在加料段未端的固体床就已开始破裂。所以，为适应高速注射的要求，螺杆与机筒的间隙应严格控制。
3、止回环
止回环有三种形式：独立运动止回环，与螺杆同步旋转止回环，综合上述两种功能的双止回环。前面两种为普遍使用的止回环，这里重点介绍双止回环。双止回环由与螺杆同步旋转的外环与独立运动的内环组成，注射时，外环端面与螺杆端面贴紧密封，内环端面与外环内端面贴紧达到双道密封效果，其特点是使用寿命长、密封效果好、关闭灵敏、能长期保持和稳定高的注射效率。海航塑料机械制造有限公司在大型注塑机上使用了双止回环，用户使用效果良好，与同规格的未采用双止回环的注塑机相比，明显表现出注射稳定、注射压力低的优点。
螺杆设计原则
注塑螺杆的设计思路是：以理论为指导，实践经验为依据，把理论与实践结合起来，不被现有的一些理论所束缚，敢于创新。衡量螺杆设计的标准是：塑化能否均一，计量是否达到要求，其次是塑化能力的要求。由于人们对高分子塑料性能的认识在不断深化中，新的高分子化合物也会不断出现，所以绝对合理的螺杆设计是没有的，只要能够塑化出达到质量要求且成型出符合质量的制品，那么螺杆的设计就是成功的。
设计一根螺杆，首先要了解所加工对象的性能及制品所要达到的质量，以及螺杆哪些参数与所要加工物料的性能相关，如物料对剪切、温度的敏感性。通常，无定形塑料如 PS、 ABS、 PMMA 、PVC、 PC 等除PVC 外，加工温度范围较宽。结晶型塑料如LDPE 、HDPE、 PA等温度波动范围较窄；无定形塑料对剪切不敏感，不需加剪切元件，计量槽深可适当加大并降低压缩比，以降低流动阻力。结晶型塑料对剪切敏感，可添加剪切元件，以降低粘度，提高流动性。以PP为例，尽管它的流动性很好，但因其比热容高，热扩散率低，因此它是一种较难塑化的塑料，使用通用螺杆塑化其质量很难达到理想状态，特别是在大、中型机上反映更为明显。常见的塑化质量缺陷是：螺杆均化段（计量段）熔料层内外层温差大，即内层温度低，外层温度高。塑化时，由于内层塑料在螺杆塑化推力作用下滞留在螺杆头部，外层熔料越过滞留在螺杆头部的内层塑料流向前端，所以每次注射仅把机筒内腔前端的外层熔料注进模具，而内层塑料因未达到熔融温度仍滞留在螺杆头部，这样，经多次塑化注射后，滞留在螺杆头部的料越来越多，从而使每次实际塑化量越来越小，导致注射量也越来越小，甚至到最后只有取掉滞留料后才能进行正常工作。鉴于PP塑化时存在的这种特殊性，必须对注射PP的螺杆的形式和技术参数进行特殊设计，以达到塑化质量及塑化计量的重复精度。其中长径比是关键性能，所以首先加大长径比，以满足熔料的滞留时间，然后再考虑其它参数的设计。
此外，在螺杆的具体设计方面还有许多窍门,螺杆性能的高低往往体现在这些窍门上面。现在有一些单位，没有对螺杆的设计引起足够的重视，一切委托螺杆加工单位来完成，这样做，虽然省事，但不可能提高螺杆水平。因此对于注塑机厂家而言，只有加强自身的开发能力，才能提高螺杆的性能。海航塑料机械制造有限公司非常重视高性能螺杆的开发，相继开发了PC螺杆、热固螺杆等创新性螺杆，经用户使用塑化性能好，成型稳定。
螺杆设计实例
1、二段式PVC注射螺杆
PVC是一种高粘度无定形热敏性塑料，塑化温度范围窄，粘度对温度的敏感性很强，若塑化温度偏高50℃，氯乙烯单体分解率就会直线上升，导致制品质量下降，增加环境污染。因此在PVC螺杆的具体设计上，如何使螺杆具有塑化时轴向温差小和塑化均匀的特点成为设计的关键所在。
为减小轴向温差及温度波动，使螺杆在塑化过程中能量转换无突变现象，应缩短计量段，把计量段与压缩段合并为渐变形的一段，即由常规的三段式变为二段式的设计。二段式设计增加了物料的熔融路径，使物料熔化温度梯度变化平稳，增加了物料熔化的滞留时间，使其有足够的时间吸收熔化所需的热量，并且易于精确地控制加热温度及塑化转速；取消普通螺杆的止回环，把螺杆与螺杆头合为一体化以杜绝存料；PVC对剪切不敏感，可不加剪切混炼段；螺杆根部要开排气槽；为使熔融料在进入计量段时达到熔融要求，应适当增加螺杆长径比和螺杆压缩比；为减少熔融料流经喷嘴产生的剪切热，喷嘴口径取0.1D,喷嘴口长度为喷嘴口径的2～3倍。
综上所述，PVC注射螺杆主要技术参数的可定为：螺杆长径比20，压缩比2.5～2.8，均化段长度2D，均化深度0.06D～0.07D，螺距与螺杆直径之比为1:1；螺杆头锥度160～200。
2、高速薄壁注射螺杆
设计高速薄壁注射螺杆，首先要了解高速薄壁注射成型的主要特点：注射速度大于300mm/s，有的达到1000mm/s；由于制品壁厚小于1.5mm，因此注射压力在200MPa以上，甚至达到350MPa；适合于制作薄壁塑料件的塑料品种主要有ABS、PC、PMMA、PC/ABS、MPPO等工程塑料；为达到高速注射，液压系统都配备蓄能器作为高速注射的动力；高速注射的时间很短，一般不超过1s；制品一般为小型的精密制品，所以计量行程（注射行程）短，注射量小。注射行程的范围为0.12D~2D，一般控制在1D之内。
注射行程短即塑化行程短，有利于达到熔融料的轴向温差的均一且空气不易进入固体料，同时可减少高速注射时熔体对固体床破坏的影响。然而小的塑化量意味着材料在机筒内滞留的时间更长，从而导致制品性能下降。对此，高速薄壁注射螺杆的均化段螺槽深度应小于普通螺杆，螺槽容积和螺杆直径应与注射塑化量匹配。另外，止回环的导向精度和关闭灵敏度，也必须给予充分考虑。
3、TPE（热塑性橡胶）注射螺杆
TPE的种类包括聚烯烃类、聚氨酯类、聚酰胺类、聚酯类及聚氯乙烯类等，一般该材料属剪敏性材料。TPE注射螺杆基本类似于各类塑料的注射螺杆，但由于TPE原料组成中含有橡胶，其技术参数也存在一些不同点，以聚氨酯（TPU）注射螺杆为例：由于TPU对温度敏感，且在熔融温度215℃下，滞留时间不得超过20min，故应加长压缩段，降低压缩比，以降低剪切力，防止物料分解。螺杆的技术参数推荐如下：长径比21，加料段9D，压缩段7D，均化段5D，压缩比2，采用直通喷嘴，其余参数同通用螺杆。
文章关键词：螺杆、橡胶、材料

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