注射塑化系统设计研究（五）

【资料简介】

  3   螺杆设计

    注塑螺杆的设计的思路是，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，参考成熟的设计。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。对高分子塑料性能的认识在不断深化中，新的高分子化合物在不断发展中，高分子的理论在不断研究开发中，所以合理的螺杆设计是没有的，能够塑化出达到质量要求且成形出符合质量的制品，那这螺杆的设计是成功的。螺杆的设计，是一个简单而又复杂的课题，为什么这样说呢，注射不出熔融塑料的注塑机几乎是没有的，这说明螺杆与机筒的塑化部件的设计已是一个不成为问题的问题，但是我们观察到，不同单位研发生产的注塑机在塑化均一性，计量精度等这两项重要技术性能指标存在明显的差异，塑化部件如何达到高质量的塑化均一性及高水平的计量精度，还处于一个不断探索和完善的过程中，从这一方面来说，螺杆的设计是一个很复杂的问题

    3.1  通用螺杆设计原则

    通用螺杆设计原则。考虑一些非结晶型塑料经*高剪切及结晶型塑料未经足够的预热难以熔融的特点，进行设计。现在国产的注塑机一般配备了高压、中压、低压三种规格的螺杆，长径比分别为约23、21、20，注射压力分别约为220MPa、170MPa、150MPa，基本满足了常用塑料及普通产品的加工。具体三段式螺杆设计提出以下参考：中压螺杆，长径比为21.5，计量段5D6D，槽深0.04D～0.07D;加料段11D～12D,压缩段4.5D～5.5D,压缩比2～2.2,螺距与直径之比为1，输送角半径为推力角半径的5倍，额定注射压力180MPa。螺杆头部设计混炼剪切段，沟槽与螺杆轴向夹角300～350。熔融性能温和的螺杆参数具有更大的工作适应范围。

 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，螺杆哪些参数与所要加工物料的性能相关，如何相应作进一步的改进设计。例如，物料对剪切、温度敏感的性能，无定形塑料 PS、 ABS、 PMMA 、CA 、PPO、 PVC、 PC 、PSU， PPS、PPO，除PVC CA外加工温度范围较宽；结晶型塑料 LDPE 、HDPE、 PA、 POM 、PBT 、PET、 PPS， 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，计量槽深可适当加深，降低压缩比以降低流动阻力。结晶型塑料，对剪切敏感，可加剪切元件，以降低粘度，提高流动性。这些基本知识必需了解。本节中，以PP为例。实践证明，PP尽管它的流动性很好，但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，特别在中大型机上反映更为明显，常见的塑化质量缺陷的现象是：螺杆均化段（计量段）熔料层环内外层温度差大，即内层温度低，外层温度高。塑化时，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，每次实际塑化量越来越小，同理，注射量也越来越小，甚至到zui后取掉滞留料后才能进行正常工作，即使提高加热温度也不起作用。PP是分子链节排列成立体构形很规整的等规聚合物，在注射温度下，比热容CP为0.70千卡/公斤·0C，比PS的比热容0.42千卡/公斤·0C高67%;热扩散率为常用热塑性塑料中zui差的仅为0.067m2/s, 比PS的热扩散率0.089m2/s低25%，比ASS的热扩散率0.27m2/s低75%。从以上对PP注射料性能的分析，可以基本上了解到，PP塑化所需吸收热量大，而熔化主要是凭借螺杆将塑料对加热机筒进行摩擦，但由于PP热扩散率低，包容在螺杆上的塑化层的外层度温度容易升高，而内层温度不容易升高，既两者的温度梯度不一样，温差不容易达到均一状态。所以必须对注射PP的螺杆的形式和技术参数进行特殊设计，才能保证塑化质量，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，首先加大长径比，以满足熔料的滞留时间，再考虑其它参数的设计。

      螺杆的具体设计方面还有许多巧门,螺杆性能的高低就体现在这些巧门上面。现在有一些单位，没有对螺杆的设计引起足够的重视，没有进行对螺杆的设计研究，一切委托螺杆加工单位进行，这样，能提高螺杆水平吗？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重视开发高性能的螺杆，提高市场度，取得了一定的成绩。例如，PC螺杆，自行再开发，交用户使用。用户在两台同规格的注塑机上成形同一产品，其中一台是另一公司生产的，经使用表明，海航塑料机械制造有限公司生产的注塑机，在2400C下能稳定成形，而且成形温度很稳定，塑化时温度基本上没有波动；另一台温度要达到2600C至2700C才能成形，而且成形不稳定，温度调低一点，注射不出，温度调高一点，熔料发黄，控制器上反映出塑化时温度波动较大。海航塑料机械制造有限公司开发的热固性注射机，螺杆及机筒结构、技术参数具有自己的创新性，在塑化性能方面有了较大提高。

     3.2  螺杆设计实例

    本节中举几个螺杆设计实例，供参考。螺杆设计没有一个固定的格式，没有一根优化的螺杆。放开思路，注重实际，不断完善。

3.2.1  二段式PVC注射螺杆

    本节介绍作者设计的二段式的PVC注射螺杆，供参考。这种形式的注射螺杆在125g至1250g的注塑机上使用十多年来，证明，性能良好，降低了塑化过程中氯乙烯单体的分解率，提高了制品的质量。

    3.2.1.1  设计思路

    PVC是一种高粘度非结晶型无定形热敏性塑料，对温度敏感，塑化温度范围窄，粘度对温度的敏感性很强，塑化温度偏高50C，氯乙烯单体分解率直线上升，制品质量下降，增加环境污染。根据PVC的加工性能，设计PVC螺杆性能的关键问题是如何减少氯乙烯单体的分解，提高制品质量。从螺杆的具体设计上，应具有塑化时轴向温差小和塑化均匀的特点。

    3.2.1.2  螺杆形式

    螺杆形式。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，采取缩短计量段，把计量段与压缩段合并为渐变形的一段，去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，由常规的三段式变为二段式。对剪切不敏感，不加剪切混炼段。螺杆根部开排气槽。保证固体料至计量段达到塑化均匀，计量段仅起到计量作用。为减小计量段熔融料的轴向温差及防止过热引起氯乙烯单体分解率提高，减短计量段长度。为使熔融料在进入计量段时达到熔融要求，增加螺杆长径比，适当增加螺杆压缩比。二段式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，并且易于的控制加热温度及塑化转速。

    喷嘴口径及长度：为减少熔融料流经喷嘴产生的剪切热，喷嘴口径取螺杆直径的0.1D,喷嘴口长度为喷嘴口径的2～3倍。

     3.2.1.3  螺杆主要技术参数

    螺杆长径比：20；压缩比：2.5～2.8；均化段长度：2D，均化深度：（0.06～0.07D；螺距与螺杆直径之比为1：1；螺杆头锥度：160～200。

     3.2.2  高速薄壁注射螺杆

    高速薄壁注射装置有三种形式:常规的单螺杆注射系统；IMC注射系统（在第5节中作介绍）；膨胀注射成型法，该技术不是靠超高的注射速度而是利用储存在熔融体中的能量来实现超高的注射充模，注射螺杆基本上无特殊要求，要求喷嘴开闭灵敏，止回环密封可靠且反应快速，能耗仅为一般高速注射成型的1/3至1/2。本节所指的是常规的单螺杆注射系统的高速薄壁注射螺杆。

    设计高速薄壁注射螺杆，首先要了解高速薄壁注射成形的主要特点。高速注射一般指注射速度大于300mm/s，有的已达到1000mm/s的注射速度。薄壁件是指制品壁厚小于1.5mm的制品。注射压力200MPa以上，有的仍至达到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1秒。高速注射的高分子材料为工程塑料，制品一般为小型的精密制品，所以计量行程短，注射量小。为符合精密制品的要求，要求熔融料塑化均一，计量。根据以上要求，设计高速薄壁注射螺杆。从螺杆设计角度来说，要解决高速注射所产生的一系列问题。

    注射行程短和注射时间短是高速薄壁注射的注要特点。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，注射行程zui小不能小于0.12D，zui大不能超过2D，控制在1D之内。蓄能器发挥高速动能作用的时间佷短，这样，注射时间短，注射时间一般控制在0.5秒～1秒。为使加料时，空气不进入固体料，要求加料行程短，即注射行程短。注射行程短，有利于减少高速注射时熔体对固体床破坏的影响。注射行程短即塑化量小，这意味着材料在机筒内滞留的时间更长，从而会导致制品性能下降。根据这一特点，高速薄壁注射螺杆的均化段螺槽深度应小于普通螺杆，螺槽容积应与注射塑化量匹配。螺杆直径应与塑化量匹配。

    止回环的导向精度和关闭灵敏度，必需给予考虑。

     3.2.3  TPE（热塑性橡胶）注射螺杆

    TPE是第二代高分子聚合物材料，由塑料与橡胶组成，注射制品可用热塑性注塑机注射成形。TPE对剪切比对温度更敏感。TPE的种类比较：聚烯烃类聚胺酯类，聚酰胺类，聚酯类，聚氯乙烯类，等等。TPE注射螺杆基本上类似于各类塑料的注射螺杆，TPE原料组成中含有橡胶，螺杆一些技术参数也有所变动，以聚胺酯类TPE—U注射螺杆为例：

    TPE—U根据硬度不同分成几个品种。注射成形，一般注塑机的配置，都能达到要求，所以除螺杆外对注塑机的机构及配置不需作改动。TPE—U组成中含有橡胶，粘度比PU要高。PU对温度敏感。加长压缩段，降低压缩比，以降低剪切力，不致于引起物料的分解。TPE—U在熔融温度2150下，滞留时间不得大于20分钟。综合考虑这些特点，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。直通喷嘴。其余参数同通用螺杆。