隨著人們對高分子化合物認(rèn)識的不斷深化，注射螺桿有了很大發(fā)展。由于注射螺桿的技術(shù)性能是實(shí)現(xiàn)優(yōu)良注射塑化性能的關(guān)鍵，因此對于注射螺桿的合理設(shè)計(jì)顯得尤為重要。本文分析了注射螺桿主要技術(shù)參數(shù)及主要結(jié)構(gòu)與技術(shù)性能之間的關(guān)系，提出了注射螺桿主要技術(shù)參數(shù)確定的原則，結(jié)合作者的設(shè)計(jì)實(shí)際,從理論和實(shí)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(shù),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(xiàn)已提高到20~22，甚至達(dá)到26。
1、螺桿長徑比與注射行程
注射行程表達(dá)了注射量的大小，是一個重要的技術(shù)參數(shù)。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?yàn)樽⑸鋾r間不足以滿足完全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(zhì)量降低。通常，計(jì)量行程的大小是決定空氣能否進(jìn)入儲料缸的主要因素。多種物料的研究表明，計(jì)量行程若大于3D，止回環(huán)后面會有夾氣產(chǎn)生。此時如果螺桿長徑比小于18（滿足3D的計(jì)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(zhuǎn)變時殘留在熔體中的固體大量增加，在嚴(yán)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(jì)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(jìn)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(shí)現(xiàn)計(jì)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(dá)到20~25，可滿足計(jì)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(shè)計(jì)上必須滿足塑化時固體塞的速度大于固體床的速度?，F(xiàn)在，隨著螺桿設(shè)計(jì)及加工的進(jìn)步，一般注塑機(jī)的注射行程由3D增加到4.5D~5D，有的甚至達(dá)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(jī)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性。例如DEMAG公司的Ergotech系列，標(biāo)準(zhǔn)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(dá)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(jié)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(jié)晶塑料更易熔融，例如，ABS經(jīng)過7D路徑達(dá)到熔融，PS經(jīng)過10D路徑達(dá)到熔融，PE經(jīng)過14D路徑達(dá)到熔融，而PP 經(jīng)過23D路徑后熔融過程仍未結(jié)束。從上述現(xiàn)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(zhì)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(dá)到良好的熔融質(zhì)量。
現(xiàn)在隨著制品性能的提高，為克服通用螺桿性能的不足，專用螺桿應(yīng)運(yùn)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。專用螺桿為適應(yīng)特定對象的塑化，其長徑比基本上各不相同，螺桿的具體結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)也具有各自的特點(diǎn)。例如注射PET瓶坯的專用螺桿，為適應(yīng)PET料的性能及提高瓶坯的質(zhì)量，螺桿的長徑比達(dá)到23D~26D。
3、螺桿長徑比與制品質(zhì)量特性
制品質(zhì)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(dǎo)板，理想的螺桿長徑比應(yīng)為23，以提高熔融質(zhì)量及計(jì)量精度；精密注射螺桿則要比通用螺桿的長徑比更大一些。(銓盛化工出品，共創(chuàng)美好生活)
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(bǔ)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(yōu)點(diǎn)是機(jī)筒壁與固體床之間形成的熔體層不那么厚，因此增加了機(jī)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(dá)到較好的分散性和捏和性，應(yīng)采用較大長徑比的螺桿。
螺桿計(jì)量段
計(jì)量段的主要功能是均化與計(jì)量,所以計(jì)量段又被稱為均化段。由于從壓縮段輸出的熔體內(nèi)部還沒有達(dá)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(fù)精度高的塑化量以及計(jì)量精度，因此塑料熔體的均化需要在計(jì)量段來完成。從計(jì)量段的功能及加工中的實(shí)踐說明，計(jì)量段的合理設(shè)計(jì)，對塑化均一，以及精確計(jì)量起到十分重要的作用。
1、計(jì)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(xué)和機(jī)械混合均勻性。
（1）計(jì)量段的均化
計(jì)量段均化的實(shí)質(zhì)是使經(jīng)過壓縮段的熔融體經(jīng)過計(jì)量段的路徑后，使熔融體內(nèi)部的各點(diǎn)的溫度達(dá)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(jì)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(xiàn)在比較多的國內(nèi)用戶為降低生產(chǎn)成本，很少使用顏色分散性能優(yōu)良的色母料，而是直接用顏料與塑料粒子相混合攪拌，進(jìn)行塑化。為了滿足用戶的這種加工要求，許多國產(chǎn)注塑機(jī)廠商在螺桿的頭部設(shè)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(jì)量段的均化有著明顯的區(qū)別，是以顏料、填充劑分布形式表述的光學(xué)和機(jī)械混合均勻性。
2、 計(jì)量段的設(shè)計(jì)原則
（1）計(jì)量段的長度
根據(jù)計(jì)量段所要達(dá)到的目的，計(jì)量段的螺槽深度宜淺不宜深，計(jì)量段的長度為25%~30%的螺桿螺棱部分的長度。計(jì)量段的螺槽深度和長度是影響計(jì)量作用的兩個因素，其中計(jì)量段的長度起主導(dǎo)作用。提高螺桿長徑比之所以能夠提高計(jì)量精度和塑化均一性，是因?yàn)橛?jì)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(jì)量段的長度由4.5D提高到6D,塑化PS質(zhì)量在241.3~241.8之間變化,質(zhì)量重復(fù)精度達(dá)到0.2%,比原來的1%提高了5倍,從而說明了計(jì)量段長度對計(jì)量精度起著十分重要的作用。
（2）壓縮比及計(jì)量段槽深
隨著螺桿長徑比的提高，可適當(dāng)降低壓縮比。以前螺桿長徑比為18時，壓縮比一般為2.8，現(xiàn)在螺桿長徑比提高后，壓縮比一般為2.2。同時，相應(yīng)計(jì)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(wěn)定性好的塑料塑化，采取大的壓縮比和較深的計(jì)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(jì)量段槽深；對于無定形塑料，可增加計(jì)量段槽深，槽深取0.06D～0.07D，以降低流動阻力；對于結(jié)晶形塑料，減小計(jì)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(jī)筒間隙
高速注射時,螺桿與機(jī)筒的間隙大小是一個非常突出的問題。螺桿在進(jìn)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(jī)筒的間隙過大，熔體從螺棱推進(jìn)面的熔池越過螺棱和機(jī)筒的間隙而進(jìn)入前面的螺槽，固體床將被熔體所壓縮，導(dǎo)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(yīng)高速注射的要求，螺桿與機(jī)筒的間隙應(yīng)嚴(yán)格控制。
3、止回環(huán)
止回環(huán)有三種形式：獨(dú)立運(yùn)動止回環(huán)，與螺桿同步旋轉(zhuǎn)止回環(huán)，綜合上述兩種功能的雙止回環(huán)。前面兩種為普遍使用的止回環(huán)，這里重點(diǎn)介紹雙止回環(huán)。雙止回環(huán)由與螺桿同步旋轉(zhuǎn)的外環(huán)與獨(dú)立運(yùn)動的內(nèi)環(huán)組成，注射時，外環(huán)端面與螺桿端面貼緊密封，內(nèi)環(huán)端面與外環(huán)內(nèi)端面貼緊達(dá)到雙道密封效果，其特點(diǎn)是使用壽命長、密封效果好、關(guān)閉靈敏、能長期保持和穩(wěn)定高的注射效率。海航塑料機(jī)械制造有限公司在大型注塑機(jī)上使用了雙止回環(huán)，用戶使用效果良好，與同規(guī)格的未采用雙止回環(huán)的注塑機(jī)相比，明顯表現(xiàn)出注射穩(wěn)定、注射壓力低的優(yōu)點(diǎn)。
螺桿設(shè)計(jì)原則
注塑螺桿的設(shè)計(jì)思路是：以理論為指導(dǎo)，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)，把理論與實(shí)踐結(jié)合起來，不被現(xiàn)有的一些理論所束縛，敢于創(chuàng)新。衡量螺桿設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)是：塑化能否均一，計(jì)量是否達(dá)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(rèn)識在不斷深化中，新的高分子化合物也會不斷出現(xiàn)，所以絕對合理的螺桿設(shè)計(jì)是沒有的，只要能夠塑化出達(dá)到質(zhì)量要求且成型出符合質(zhì)量的制品，那么螺桿的設(shè)計(jì)就是成功的。
設(shè)計(jì)一根螺桿，首先要了解所加工對象的性能及制品所要達(dá)到的質(zhì)量，以及螺桿哪些參數(shù)與所要加工物料的性能相關(guān)，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(jié)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(jì)量槽深可適當(dāng)加大并降低壓縮比，以降低流動阻力。結(jié)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(kuò)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(zhì)量很難達(dá)到理想狀態(tài)，特別是在大、中型機(jī)上反映更為明顯。常見的塑化質(zhì)量缺陷是：螺桿均化段（計(jì)量段）熔料層內(nèi)外層溫差大，即內(nèi)層溫度低，外層溫度高。塑化時，由于內(nèi)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(nèi)層塑料流向前端，所以每次注射僅把機(jī)筒內(nèi)腔前端的外層熔料注進(jìn)模具，而內(nèi)層塑料因未達(dá)到熔融溫度仍滯留在螺桿頭部，這樣，經(jīng)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(shí)際塑化量越來越小，導(dǎo)致注射量也越來越小，甚至到最后只有取掉滯留料后才能進(jìn)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(shù)參數(shù)進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，以達(dá)到塑化質(zhì)量及塑化計(jì)量的重復(fù)精度。其中長徑比是關(guān)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(shù)的設(shè)計(jì)。
此外，在螺桿的具體設(shè)計(jì)方面還有許多竅門,螺桿性能的高低往往體現(xiàn)在這些竅門上面?，F(xiàn)在有一些單位，沒有對螺桿的設(shè)計(jì)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(jī)廠家而言，只有加強(qiáng)自身的開發(fā)能力，才能提高螺桿的性能。海航塑料機(jī)械制造有限公司非常重視高性能螺桿的開發(fā)，相繼開發(fā)了PC螺桿、熱固螺桿等創(chuàng)新性螺桿，經(jīng)用戶使用塑化性能好，成型穩(wěn)定。
螺桿設(shè)計(jì)實(shí)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(qiáng)，若塑化溫度偏高50℃，氯乙烯單體分解率就會直線上升，導(dǎo)致制品質(zhì)量下降，增加環(huán)境污染。因此在PVC螺桿的具體設(shè)計(jì)上，如何使螺桿具有塑化時軸向溫差小和塑化均勻的特點(diǎn)成為設(shè)計(jì)的關(guān)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(zhuǎn)換無突變現(xiàn)象，應(yīng)縮短計(jì)量段，把計(jì)量段與壓縮段合并為漸變形的一段，即由常規(guī)的三段式變?yōu)槎问降脑O(shè)計(jì)。二段式設(shè)計(jì)增加了物料的熔融路徑，使物料熔化溫度梯度變化平穩(wěn)，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，并且易于精確地控制加熱溫度及塑化轉(zhuǎn)速；取消普通螺桿的止回環(huán)，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(jìn)入計(jì)量段時達(dá)到熔融要求，應(yīng)適當(dāng)增加螺桿長徑比和螺桿壓縮比；為減少熔融料流經(jīng)噴嘴產(chǎn)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。(銓盛化工與您分享)
綜上所述，PVC注射螺桿主要技術(shù)參數(shù)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(shè)計(jì)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(diǎn)：注射速度大于300mm/s，有的達(dá)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(dá)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(dá)到高速注射，液壓系統(tǒng)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(jì)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(nèi)。
注射行程短即塑化行程短，有利于達(dá)到熔融料的軸向溫差的均一且空氣不易進(jìn)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(jī)筒內(nèi)滯留的時間更長，從而導(dǎo)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(yīng)小于普通螺桿，螺槽容積和螺桿直徑應(yīng)與注射塑化量匹配。另外，止回環(huán)的導(dǎo)向精度和關(guān)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(shù)參數(shù)也存在一些不同點(diǎn)，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(yīng)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(shù)參數(shù)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(shù)同通用螺桿。
