注塑机螺杆设计依据3.doc

注塑机螺杆设计规范1 目的：指导注塑机螺杆及熔胶筒的规范设计。2 适用范围：本标准适用于注塑机螺杆和熔胶筒的开发设计计算。3 具体内容：3.1 螺杆结构：螺杆是螺杆式注射装置塑化部件中的重要零件。从塑料进入熔胶筒塑化过程来看，经过了固体加料和输送、压实和熔融、进一步塑化和均匀化并计量三个过程。因此通常将螺杆设计成加料段、压缩段、均化段等三段。为适应加工塑料性能方面（如软化温度范围、硬度、粘度、摩擦系数、比热、热稳定性、导热性等）的不同要求，通常将螺杆设计成渐变型、突变型和通用型三种螺杆，它们主要在分段和螺槽深度上有所不同。3.1.1、渐变型螺杆：即长压缩段的螺杆。特征是塑化时能量转换较缓和，主要用于加工硬聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚砜、ABS等塑料（具有宽的软化温度范围，高粘度非结晶型塑料）。3.1.2、突变型螺杆：即短压缩段的螺杆。特征是塑化时能量转换较剧烈。主要用于加工聚乙烯、聚丙烯、聚甲醛、尼龙、含氟塑料等（结晶型塑料）。l 突变型螺杆设计的出发点：认为塑料是在短压缩区内实现全部状态的转变。l 根据熔融理论和塑料在螺槽内的实际熔融过程，是一个逐渐熔融的过程，而且从工艺上也很难准确控制塑料在突变区内实现状态全部转变的位置点。3.1.3、通用型螺杆：注塑机在实际生产过程中，经常需要更换塑料品种，拆换螺杆比较频繁，且比较费力和影响生产。因此在实际使用过程中，一般不经常更换螺杆，而通过调整工艺参数（温度、螺杆转速、背压等）的办法，来满足不同塑料制品的加工要求，为此设计了一种通用型螺杆，其特征是压缩段的长度介于渐变型螺杆和突变型螺杆之间，约45个螺距。l 这样的分段，既考虑到一些非结晶型塑料，经受不了突变螺杆在压缩段高的剪切塑化作用；同时又注意到一些结晶型塑料未经足够的预热是不能软化熔融和难以压缩的特点。l 但是应当强调指出，这种适应性较强的通用型螺杆绝非是“万能”螺杆，所谓通用是相对而言。上述三种螺杆的分段范围见下表：螺杆类型加料段压缩段均化段渐变型40%40%20%突变型6570%11.5Ds2025%通用型5060%2030%2030%注：本表为L/Ds=1520范围内的分段情况。3.2 螺杆参数3.2.1、螺杆直径（Ds）和行程（S）往复螺杆式的螺杆直径设计依据：应从保证注射量和塑化能力这两个条件确定。从满足注射量要求而计算出的螺杆直径，一般也能满足对塑化能力的要求。l 螺杆直径可先由下式计算出后，再校核其塑化能力。 Ds= 式中：Vc 注塑机理论注射容积S 注射行程（cm），S=kDsk 螺杆行程与直径的比值，常取34，最大可到5左右，视螺杆性能而定。l 螺杆塑化能力G=2Ds2 nh3Sin式中：n 螺杆转速h3 均化段槽深 塑料密度 效率 螺杆的螺旋升角l 影响塑化效果和塑化能力的主要因素除了成型物料本身的特性外，还与熔胶筒结构、熔胶筒的加热温度、螺杆转速、螺杆行程（或均化段长度等）、螺杆几何参数以及熔体对螺杆产生的背压等因素有关。3.2.2、螺杆的长径比：l 长径比大的螺杆，可以得到低温均质的熔体和稳定的挤出以及高的塑化能力。l 注射螺杆仅作预塑用，塑化时出料的稳定性对塑料制品质量的影响甚小，并且塑料塑化时所经过的时温历程要比挤出螺杆要长。l 注射螺杆的长径比，一般在1822之间，长的很少超过24（排气等特殊螺杆例外）。l 从设计制造和使用角度来看，也是希望用效果相近而长度较短的螺杆。因为这样，对螺杆熔胶筒的制造、缩短机身长度、减轻机器重量以及对熔胶筒清理方面都会带来好处。l 为了确保所需的塑化能力和质量，对于一般结构的螺杆，其长度也不宜过短。3.2.3、螺槽深度（h3）和螺杆压缩比（i）均化段的螺槽深度是螺杆性能的重要参数之一。它是由加工塑料的比热容、导热性、稳定性、粘度以及塑化时的压力等因素所定。例如：聚酰胺类塑料适宜用较浅的螺槽；而聚氯乙烯类塑料用较深螺槽为好。螺槽深度主要涉及到以下几个方面的问题：1、螺槽浅，剪切热大，从而螺杆消耗的功率也大。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，同时在注塑机的熔胶筒上一般不设冷却温控系统。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，是无需强剪切的作用。2、具有浅螺槽和长均化段的螺杆，在工作时有良好的稳定性，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。3、在其它条件不变的情况下，螺杆塑化能力正比于螺槽深度，特别是注射螺杆在预塑时的熔料压力大约在3.510.5MPa，一般要比挤出螺杆低，因此，注射螺杆适当地加深螺槽深度，有利于提高塑化能力。结论：目前注射螺杆均化段的槽深， 要比同直径普通挤出螺杆要深1520%，约为0.040.07Ds（小直径螺杆取大值）。对于通用型为0.050.07Ds；对于渐变型0.060.08Ds；对用于结晶型PA、PETP、POM等塑料深度可比通用型浅20%。大直径螺杆的螺槽深度，一般不宜超过56mm。螺杆的压缩比（i）l 小的压缩比有利于提高塑化能力，而剪切塑化效果则较差，对背压调节反映却比较敏感。l 注射螺杆常用压缩比： 对于非结晶型塑料，如聚丙烯、聚乙烯、聚酰胺以及复合塑料等，一般为3.03.5； 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，聚苯醚等，约为1.42.5。 通用型螺杆可取22.8。3.2.4、螺杆转速l 螺杆转速指螺杆塑化成型物料时的旋转速度，它所产生的扭矩是塑化过程中向前输送物料发生剪切、混合与均化的原动力，所以它影响注塑机塑化能力、塑化效果以及注射成型的重要参数。l 螺杆转速还与背压密切相关，例如，增大背压提高塑化效果时，如果塑化能力降低，则必须依靠提高螺杆转速的方法进补偿。l 欲增大塑化能力而提高螺杆转速时，消耗的注塑机机械功率较大，但可以适当地降低注塑机消耗在熔胶筒上的加热功率。l 部分塑料的背压和螺杆转速关系表：塑料背压/MPa螺杆转速/（r/min）喷嘴类型硬聚氯乙烯尽量小1525聚苯乙烯3.410.35020020%玻纤填充聚苯乙烯3.450聚丙烯3.46.95015030%玻纤填充高密度聚乙烯3.44060聚砜0.343050聚碳酸酯3.43050聚酰胺-663.43050PA型玻纤增强聚酰胺-663.43050PA型改性聚苯醚(PPO)3.4257520%玻纤填充聚苯醚3.42550可注射氟塑料3.45080纤维素塑料3.413.850300丙烯酸类塑料2.85.5406025%玻纤增强聚甲醛0.344050聚甲醛0.344050ABC通用级（高冲击）3.46.975120ABS型热塑性聚酯1.7206015%30%玻纤填充热塑性聚酯1.72060注：表示通用型喷嘴。l 螺杆转速也可按以下三种方式选择或控制： 对于高密度聚乙烯和聚丙烯螺杆转速=X选定的塑化能力 根据物料在熔胶筒中允许的极限线速度确定螺杆转速（r/min）螺杆转速=式中： D 螺杆直径Vlim 物料在熔胶筒中允许的极限速度。 根据物料在熔胶筒中允许使用的极限剪切速率确定螺杆转速。3.3 螺杆强度：注射螺杆处于比较恶劣的条件下工作，它不仅要承受注射时的高压，同时还要承受熔料的腐蚀作用和预塑时的频繁负载运动。根据螺杆最常见的破坏，是在加料段螺槽根径处发生断裂，如螺杆的连接为浮动连接，则螺杆的强度条件应为：=式中： 压缩应力 =()2 剪应力 =材料许用应力 =式中：D0 射胶油缸直径（cm）ds 螺杆加料段螺纹的根径（cm）Mt 螺杆扭矩（N.cm）Ws 加料段截面的抗扭模数（cm3） 螺杆材料的屈服限（MPa）n 安全系数，一般取23P0 预塑时油缸背压（MPa）p0 预塑时螺杆的轴向力（N）Fs 加料段螺杆截面（cm2）3.4 熔胶筒熔胶筒的尺寸决定了注塑机的塑化量，通常熔胶筒的容积为最大注射量的68倍，不能太大或太小，为使塑料加热到预定温度，熔胶筒外壁装有电热圈加热，但是整个熔胶筒的温度分布是不均匀的，通常分为几个加热区，一般在紧接射嘴一端的温度较高，熔胶筒加料区一端温度较低，为了精确控制熔胶筒温度，在每一加热区内，装有一热电偶并与恒温控制仪表相连。3.4.1 加料口处的截面大多使用的自重加料，在设计加料口处的截面形状时，应该注意到尽可能增强对塑料的输送能力，目前螺杆式塑化部件上普遍使用的加料口形式：有对称和偏置设置的加料口两种。3.4.2 熔胶筒的加热为使熔胶筒达到符合工艺要求的温度分布，需对熔胶筒的加热进行分段控制，控制段以35DS为一段，温控精度一般不超过5C，对热敏性塑料最好不大于2C，在压缩段处的控制段，应配置较大的加热功率。 按被加热体升温时间计算：NH=式中 NH 加热功率(kW)C 被加热体的材料比热容（KJ/kgC）G 被加热体的重量（kg）T1、T2 升温前和升温后的温度（C） 效率，一般取为0.5 按熔胶筒表面积配置加热功率NH=qD0（L-2Db）式中 NH 加热功率(kW) L 螺杆的螺纹长度（cm）Db 熔胶筒内径（cm）D0 熔胶筒外径（cm）q 单位面积上所配置的加热功率，可取34w/cm23.4.3 熔胶筒壁厚为了使熔胶筒具有足够的热容量和合适的的热惯性，根据经验一般取熔胶筒外径（D0）和内径（Db）之比（k）为22.5，直径大取小值。l 部分熔胶筒的k值：螺杆直径（mm）3442506585110130150熔胶筒壁厚（mm）25293547.547757560比值（k）2.472.402.402.462.102.362.151.80在初步确定熔胶筒直径（D0=kDb）后，可根据其受力状况，按厚壁计算中的能量理论，校核其强度或计算壁厚。熔胶筒总应力 =p熔胶筒壁厚 =（1）式中 p 注射压力（MPa） 材料许用应力； = 材料在工作温度下的屈服限（MPa）n 安全系数，一般取1.52。3.4.4 熔胶筒与螺杆的配合间隙：根据实际使用情况，间隙值一般为0.0020.005Ds，设计时可按下表参数进行。螺杆直径(mm)15252550508080110110150150100200240240最大径向间隙(mm)0.120.200.300.350.450.500.600.70l 从螺杆不同区段所要完成的功能来看，在均化段对间隙要求应严，而其它区段可稍大。3.5 螺杆、熔胶筒种类及应用范围编号种类螺杆+ 熔胶筒之配合钢材种类适用塑料合用机型1氮化式氮化熔胶筒+ 氮化螺杆SACM645 (日本) 钢材PP, ABS, PS, PE等一般塑料。PT-B,PT-C,PT-H, PT-N2氮化电镀式氮化熔胶筒+ 氮化电镀螺杆SACM645 (日本) 钢材PVC及不含添加剂(如玻璃, 防火料, 色母, 色粉等) 普通塑胶料。PT-C, PT-H、PT-B3厚电镀式氮化熔胶筒+ 厚电镀螺杆SACM645 (日本) 钢材PC, PMMA及含普通防火料等工程塑胶料。PT-C, PT-H、PT-U双合金螺杆4C级含9.5%钨钢双合金熔胶筒+ PTA牙顶喷焊双合金螺杆SACM645 (日本) 钢材PC, PA, PBT等塑料与加纤维15%以下均保固壹年。PT-C,PT-H, PT-E,PT-V, PT-U5B级含