螺杆理论

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螺杆理论

1．螺杆作用与分类
螺杆是塑化部件中的关键部件，和塑料直接接触，塑料通过螺槽的有效长度，经过很长的热历程，要经过三态（玻璃态、粘弹态、粘流态）的转变，螺杆各功能段的长度，几何形状，几何参数将直接影响塑料的输送效率和塑化质量，将最终影响注塑成型周期和制品质量。
注塑螺杆按其对塑料的适应性，可分通用螺杆和特殊螺杆。通用螺杆又称常规螺杆可加工大部分具有低、中粘度的热塑性塑料，结晶型和非结晶型的民用塑料和工程塑料，是螺杆最基本的形式。与其相应的还有特殊螺杆，是用来加工用普通螺杆难以加工加工的塑料，例如热固性塑料、聚氯乙烯、高粘度的PMMA的螺杆，按螺杆结构及其几何形状的特征，可分为常规螺杆和新型螺杆。常规螺杆又称三段式螺杆，是螺杆的基本形式。新型螺杆形式很多，主要有分离型螺杆、分流型螺杆、波状螺杆、横纹螺杆、无计量段螺杆、两段式排氯螺杆、强混炼型螺杆等等。

2．螺杆的基本形式及几何参数
螺杆基本结构如图4-8所示，主要由有效螺纹长度L和尾部的连接部分组成。螺杆头部设有装螺杆头的反向螺纹。

（1）ds ——螺杆外径。螺杆直径大小直接影响着塑化能力的大小，也就直接影响到理论注射容积的大小。因此，理论注射容积大的注塑机其螺杆直径也大。

（2）L/ ds ——螺杆长径比。L是螺杆螺纹部分的有效长度。
螺杆长径比愈大，说明螺纹长度愈长，直接影响到物料在螺槽中输送的热历程，影响吸收能量的能力。此能量有分两部分：一部分是料筒外面加热圈传给的，另一部分是螺杆转动时产生磨擦热和剪切热，由外部机械能转化的。因此，L/ ds直接影响到物料的熔化效果和熔体质量。但是如果L/ ds太长，则传递扭矩加大，能量消耗增加。过去，L/ ds数值在16~18；现在，由于塑料品种增加，工程塑料增多，L/ ds已增加到19~23。

（3）L1 ——加料段长度。加料段又称输送段或进料段。为提高输送能力螺槽表面一定要光洁。L3的长度应保物料有足够的输送长度一般L3＝（9~10）ds。

（4）h1 ——加料段的螺槽深度。h1深，则容纳物料多，提高了供料量，但会影响物料塑化效果以及螺杆根部的剪切强度。一般h1≈0.12～0.16 ds。

（5）L3 ——熔融段（均化段、计量段）螺纹长度。熔体在L3段的螺槽中得到进一步的均化：温度均匀，粘度均匀，组分均匀，分子量分布均匀，形成较好的熔体质量。L3长度有助于稳定熔体在螺槽中的波动，有稳定压力的作用，使物料以均匀的料量从螺杆头部挤出，所以又称计量段。一般。

（6）h3 ——熔融段螺纹深度。h3小，螺槽浅，提高了塑料熔体的塑化效果，有利于熔体的均化。但h3过小会导致剪切速率过高，以及剪切热过大，引起大分子链的降解，影响熔体质量。反之，如果h3过大，由于在预塑时，螺杆背压产生的回流作用增强，会降低塑化能力。所以合适的h3应由压缩比ε来决定：
　……………（4-22）
对于结晶型塑料，如PP、PE、PA以及复合塑料，ε＝3~3.5；
对粘度较高的塑料，如VPVC，ABS，HiPS，AS，POM，PC，PMMA，PPS等，ε＝1.4~2.5。

（7）L2 ——塑化段（压缩段）螺纹长度。物料在此锥体空间中不断地受到压缩，剪切和混炼作用，物料从L2段入点开始，熔池不断地加大，到出点处熔池已占满全螺槽，物料完成从玻璃态，经过粘弹态向粘流态的转变，从固体床向熔体床的转变。L2长度会影响物料从固态到粘流态的转化历程，太短会来不及转化，固料堵能塞在L2段的末端，形成很高的压力，扭矩或轴向力，太长也会增加螺杆的扭矩和不必要的能耗，一般L2＝（6~8）ds。
对于结晶型的塑料，物料熔点明显，熔融范围窄，所以L2可短些，一般。

（8）S ——螺距，其大小影响螺旋角β，从而影响螺槽的输送效率，一般
S≈ds。

（9）e ——螺棱宽度，其宽窄影响螺槽的容料量，熔体的漏流以及螺棱耐磨损程度，一般（0.05～0.07）ds。

（10）螺棱后角α，螺棱推力面圆角R1和背面圆角R2的大小影响螺槽的有效容积，物料的滞留情况以及螺棱根部的强度等，一般α=25~30o，，如图4-9所示。

3．普通螺杆
（1）概述
普通注射螺杆螺纹有效长度通常分成加料段（输送段）、压缩段（塑化段）、均化段（计量段）。
根据塑料性质不同，可分为渐变型螺杆、突变型螺杆、通用型螺杆。

①渐变型螺杆：压缩段较长，塑化时能量转换缓和，多用于聚氯乙烯等，软化温度较宽的、高粘度的非结晶型塑料。

②突变型螺杆：压缩段较短，塑化时能量转换较剧烈，多用于聚烯烃、聚酰胺类的结晶型塑料。

③通用型螺杆：适应性比较强的通用型螺杆，可适应多种塑料的加工，避免更换螺杆频繁，有利提高生产效率。
通用型螺杆的压缩段长度介于渐变螺杆和突变螺杆之间。但通用型螺杆也绝非是“万能”螺杆，对某些有特殊注塑工艺要求的塑料，需要配备特殊螺杆。

（2）普通螺杆参数
①螺杆长径比（L/DS）、分段
  螺杆长径比大，可以实现低温、均质、稳定的塑化，螺杆长径比一般取18~22。
普通螺杆各段长度如下所列：
螺杆类型     加料段（L1）   压缩段（L2）  均化段（L3）
渐变型        25~30%          50%         15~20%
突变型      65~70%         15~5%        20~25%
通用型        45~50%         20~30%       20~30%

②压缩比（ε）
注射螺杆压缩比是指计量段螺槽深度（h1）与均化段螺槽深度（h3）之比。压缩比大，会增强剪切效果，但会减弱塑化能力，相对于挤出螺杆，压缩比应取用得小些为好，以有利于提高的塑化能力和增加对物料的适应性。
对于结晶型塑料，如聚丙烯、聚乙烯、聚酰胺、以及复合塑料，一般取2.6~3.0；对高粘度的塑料，如硬聚氯乙烯、丁二烯与ABS共混，高冲击聚苯乙烯、AS、聚甲醛、聚碳酸脂、有机玻璃、聚苯醚等，约为1.8~2.3，通用型螺杆可取23~2.6，在均化段螺槽深度和螺杆压缩比确定后，对于单头等距变深螺杆，可由式计算出加料段的螺槽深度。若h1/h3=2，实际压缩比为1.86。通常所说的压缩比，大于实际压缩比。

（3）螺杆材料与热处理
目前，国内常用的材料38CrMoAl，或者日本进口SACM645。国内螺杆的热处理，一般采取镀铬工艺，镀铬之前高频淬火或氮化，然后镀铬，厚度0.03mm~0.05mm。此种螺杆适于阻燃性塑料，透明PC、PMMA。但镀铬层容易脱落，防腐蚀性能差，所以多采用不锈钢材料。

4．特殊螺杆
“特殊螺杆”主要是与常规螺杆比较而言。目前常见的特殊螺杆中是分离型螺杆，如图4-10所示，和变流道螺杆，如图4-11所示。

5．螺杆塑化元件
为了提高螺杆的塑化质量，组分的分散和混分子量的分布与熔体的均化效果，常在螺杆的适当位置塑化加元件。按其功能主要混合元件和剪切元件。前者以分散混合为主，后者以分子量的分布和均化为主。混合元件多为分流型通过各种形式的凸块对料流形成阻力，进行反复地分流和切割，达到组分分散和混合效果。

6．螺杆头
注塑螺杆和挤出螺杆之间重要区别，在于前者装有各种特殊结构形式的螺杆头，这是由螺杆工作特性所决定的。在注射螺杆中螺杆头的作用是预塑时，能将塑化好的熔体放流到储料室中，而在高压注射时，又能有效地封闭螺杆头前部的熔体，防止倒流。

7．料筒
（1）料筒结构
料筒是塑化部件中的重要零件，内装螺杆外装加热圈，承受复合应力和热应力的作用。料筒大多数采用整体结构如图4-18所示。

定位子口1与料筒前体径向定位，并用端面封闭熔体，用多个螺钉旋入螺孔2内将前体与料筒压紧。螺孔3装热电隅，要与热电隅紧密地接触，防止虚浮，否则会影响温度测量精度。

（3）料筒壁厚
料筒壁厚要求有足够的强度和刚度，因为料筒内要承受熔料和气体压力，且料筒长径比很大，在注塑座上悬臂；料筒要求有足够的热容量，否则难以保证温度稳定性；如果太厚，料筒笨重，浪费材料，热惯性太大，升温慢，温度调节产生滞后现象。
一般料筒外径与内径比值K＝2~0.25，如表4-1所列。

表4-1　　　　　　　　　　料筒壁厚
螺杆直径（mm）  34    42    50    65    85    110  130  150
机筒壁厚（mm）  25    29    35    47.545    75    75    67
比　　值（K）     2.472.402.402.462.102.362.151.80

（4）料筒间隙
料筒间隙系指料筒内壁与螺杆外径的单面间隙。此间隙太大塑化能力降低，注射回泄量增加，注射时间延长；如果太小，热膨胀作用，使螺杆与料筒摩擦加剧，能耗加大，甚至卡死，此间隙Δ＝（0.002~0.005）ds，如表4-2所列。

表4-2         　间　隙　值                       mm
螺杆直径       ≥15－
25    >25－
50    >50－
80    >80－
110  >110－
150  >150－
200  >200－
240  >240
最大径向
间隙        ≤0.12   ≤0.20    ≤0.30    ≤0.35    ≤0.15    ≤0.50    ≤0.60    ≤0.70

（5）料筒加热、冷却
注塑机料筒加热方式有电阻加热、陶瓷加热、铸铝加热，应根据使用场合和加工物料合理配置。常用的有电阻加热和陶瓷加热，后者较前者承载功率大。
（6）料筒、螺杆材料
　　料筒、螺杆材料要求在高温下耐磨、抗腐蚀，大多采用优质氮化钢38CrMoAlA加工后进行氮化处理。对于加工某些增强纤维充填的复合物料，需配高碳、高铬合金，高硬度抗蚀耐磨的双金属料筒。

8．喷嘴
（1）喷嘴功能
喷嘴是连接塑化装置与模具流道的重要组件。喷嘴有多种功能：预塑时，在螺杆头部建立背压，阻止熔体从喷嘴流出，注射时，建立注射压力，产生剪切效应，加速能量转换，提高熔体温度均化效果；保压时，起保温补缩作用。
喷嘴可分为敞开式喷嘴、锁闭喷嘴、热流道喷嘴和多流道喷嘴。
表4-3  　　　　　　　　　喷嘴口径
机器注射量(g)      30~200   250~800  1000~200
开式喷嘴       通用料    2~3  3.5~4.5   5~6
       硬聚氯乙烯类       3~4  5~6  6~7
锁闭式喷嘴    2~3  3~4  4~5

9、螺槽深度主要涉及到以下的几个方面：
          螺槽深与剪切效果关系:螺槽浅,剪切热大,从而螺杆消耗的功率也大，（N与h3成正比）可是对注射螺杆而言，提供塑料熔化的热量，由外加热系统供给的占有一定的比例，同时，在注射成型机的机筒一，一般不设冷却控温系统，因此，对于一般注射螺杆，从塑料在螺杆内实际受热过程和稳定温度条件的需要出发，是无需强剪切作用的。

           槽深与螺杆工作性能的稳定：具有浅螺槽和长的均化段的螺杆，在工作时有良好的稳定性，这是普通挤出螺杆实现稳定挤出的一个重要因素，然而，注射螺杆的出料方式是借助油缸的推力，通过螺杆将熔料注出注射时的熔料回泄，是由螺杆头部止逆结构来阻止，使螺杆塑化和注射出料之间无直接的联系，因此螺杆的螺槽深浅所显示出的螺杆塑化时出料稳定性问题，对注射螺杆一般无需去特别考虑。

    槽深与螺杆的塑化能力：在其它条件不变的情况下，螺杆塑化能力正比于螺槽深度。因此，注射螺杆适当地加深螺槽深度，有利于提高塑化能力。

    压缩比（i）：小的压缩比有利于提高塑化能力，但剪    切塑化效果则较差，对背压调节反映却比较敏感，相对于挤出螺杆相比，注射螺杆的压缩比取用得比较小，这样螺杆具有较高的塑化能力和较强的加工适应性。

    注射螺杆常用压缩比，对于结晶型塑料，如聚丙烯、聚乙烯、聚酰胺、以及复合塑料，一般为3.0~3.5，对于较高粘度的塑料，如硬聚氯乙烯、丁二烯与ABS共混，高冲击聚苯乙烯、AS、聚甲醛、聚碳酸脂、有机玻璃、聚苯醚、约为1.4~2.5，通用型螺杆可取2~2.8，在均化段螺槽深度和螺杆压缩比确定后，对于单头等距变深螺杆，可由下式计算出加料的槽深。

    若h1/h3=2，实际压缩比为1.86。

    我们通常所说的压缩比，是大于实际压缩比。

    螺杆熔融段的几何压缩比一般要大于高聚物的颗粒料或粉料的物理压缩比。（加料时粒料或粉料的松密度与塑料的密度之比）。