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    注塑機結構分析及其工作原理

    2020-10-15

    一、注塑機的工作原理

    注塑成型機簡稱注塑機。

    注塑成型是利用塑料的熱物理性質,把物料從料斗加入料筒中,料筒外由加熱圈加熱,使物料熔融,在料筒內裝有在外動力馬達作用下驅動旋轉的螺桿,物料在螺桿的作用下,沿著螺槽向前輸送并壓實,物料在外加熱和螺桿剪切的雙重作用下逐漸地塑化,熔融和均化,當螺桿旋轉時,物料在螺槽摩擦力及剪切力的作用下,把已熔融的物料推到螺桿的頭部,與此同時,螺桿在物料的反作用下后退,使螺桿頭部形成儲料空間,完成塑化過程,然后,螺桿在注射油缸的活塞推力的作用下,以高速、高壓,將儲料室內的熔融料通過噴嘴注射到模具的型腔中,型腔中的熔料經過保壓、冷卻、固化定型后,模具在合模機構的作用下,開啟模具,并通過頂出裝置把定型好的制品從模具頂出落下。

    注塑機作業循環流程如圖1所示。

    二、注塑機的分類

    按合模部件與注射部件配置的型式有臥式、立式、角式三種

    (1)臥式注塑機:臥式注塑機是最常用的類型。其特點是注射總成的中心線與合??偝傻闹行木€同心或一致,并平行于安裝地面。它的優點是重心低、工作平穩、模具安裝、操作及維修均較方便,模具開檔大,占用空間高度??;但占地面積大,大、中、小型機均有廣泛應用。

    (2)立式注塑機:其特點是合模裝置與注射裝置的軸線呈一線排列而且與地面垂直。具有占地面積小,模具裝拆方便,嵌件安裝容易,自料斗落入物料能較均勻地進行塑化,易實現自動化及多臺機自動線管理等優點。缺點是頂出制品不易自動脫落,常需人工或其它方法取出,不易實現全自動化操作和大型制品注射;機身高,加料、維修不便。

    (3)角式注塑機:注射裝置和合模裝置的軸線互成垂直排列。根據注射總成中心線與安裝基面的相對位置有臥立式、立臥式、平臥式之分:①臥立式,注射總成線與基面平行,而合??偝芍行木€與基面垂直;②立臥式,注射總成中心線與基面垂直,而合??偝芍行木€與基面平行。角式注射機的優點是兼備有臥式與立式注射機的優點,特別適用于開設側澆口非對稱幾何形狀制品的模具。

    三、注塑機的組成結構分析

    注塑機根據注射成型工藝要求是一個機電一體化很強的機種,主要由注射部件、合模部件、機身、液壓系統、加熱系統、控制系統、加料裝置等組成。如圖2所示。

    (一)注塑部件的典型結構

    1.注射部件的組成

    目前,常見的注塑裝置有單缸形式和雙缸形式,我廠注塑機都是雙缸形式的,并且都是通過液壓馬達直接驅動螺桿注塑。因不同的廠家、不同型號的機臺其組成也不完全相同,下面就對我廠用的機臺作具體分析。

    立式機和臥式機注塑裝置的組成圖分別如圖3和圖4。

    工作原理是:預塑時,在塑化部件中的螺桿通過液壓馬達驅動主軸旋轉,主軸一端與螺桿鍵連接,另一端與液壓馬達鍵連接,螺桿旋轉時,物料塑化并將塑化好的熔料推到料筒前端的儲料室中,與此同時,螺桿在物料的反作用下后退,并通過推力軸承使推力座后退,通過螺母拉動活塞桿直線后退,完成計量,注射時,注射油缸的桿腔進油通過軸承推動活塞桿完成動作,活塞的桿腔進油推動活塞桿及螺桿完成注射動作。

    (a)是俯視圖; (b)為注射座與導桿支座間的平視圖

    1-油壓馬達;2,6 -導桿支座;3-導桿;4-注射油缸;5-加料口;

    7-推力座;8-注射座;9-塑化部件;10-座移油缸

    1- 液壓馬達;2-推力座;3-注射油缸;4-注射座;5-加料口;6-座移油缸;7-塑化部件;8-上范本

    2.塑化部件

    塑化部件有柱塞式和螺桿式兩種,下面就對螺桿式做一下介紹。

    螺桿式塑化部件如圖5所示,主要由螺桿、料筒、噴嘴等組成,塑料在旋轉螺桿的連續推進過程中,實現物理狀態的變化,最后呈熔融狀態而被注入模腔。因此,塑化部件是完成均勻塑化,實現定量注射的核心部件。

    1-噴嘴;2-螺桿頭;3-止逆環;4-料筒;5-螺桿;6-加熱圈;7-冷卻水圈

    螺桿式塑化部件的工作原理:預塑時,螺桿旋轉,將從料口落入螺槽中的物料連續地向前推進,加熱圈通過料筒壁把熱量傳遞給螺槽中的物料,固體物料在外加熱和螺桿旋轉剪切雙重作用下,并經過螺桿各功能段的熱歷程,達到塑化和熔融,熔料推開止逆環,經過螺桿頭的周圍通道流入螺桿的前端,并產生背壓,推動螺桿后移完成熔料的計量,在注射時,螺桿起柱塞的作用,在油缸作用下,迅速前移,將儲料室中的熔體通過噴嘴注入模具。

    螺桿式塑化部件一般具有如下特點:

    ①螺桿具有塑化和注射兩種功能;

    ②螺桿在塑化時,僅作預塑用;

    ③塑料在塑化過程中,所經過的熱歷程要比擠出長;

    ④螺桿在塑化和注射時,均要發生軸向位移,同時螺桿又處于時轉時停的間歇式工作狀態,因此形成了螺桿塑化過程的非穩定性。

    (1) 螺桿

    螺桿是塑化部件中的關鍵部件,和塑料直接接觸,塑料通過螺槽的有效長度,經過很長的熱歷程,要經過3態(玻璃態、黏彈態、黏流態)的轉變,螺桿各功能段的長度、幾何形狀、幾何參數將直接影響塑料的輸送效率和塑化質量,將最終影響注射成型周期和制品質量。

    與擠出螺桿相比,注塑螺桿具有以下特點:

    ① 注射螺桿的長徑比和壓縮比比較??;

    ② 注射螺桿均化段的螺槽較深;

    ③ 注射螺桿的加料段較長,而均化段較短;

    ④ 注射螺桿的頭部結構,具有特殊形式。

    ⑤ 注射螺桿工作時,塑化能力和熔體溫度將隨螺桿的軸向位移而改變。

    (?。┞輻U的分類

    注塑螺桿按其對塑料的適應性,可分為通用螺桿和特殊螺桿,通用螺桿又稱常規螺桿,可加工大部分具有低、中黏度的熱塑性塑料,結晶型和非結晶型的民用塑料和工程塑料,是螺桿最基本的形式,與其相應的還有特殊螺桿,是用來加工用普通螺桿難以加工的塑料;按螺桿結構及其幾何形狀特征,可分為常規螺桿和新型螺桿,常規螺桿又稱為三段式螺桿,是螺桿的基本形式,新型螺桿形式則有很多種,如分離型螺桿、分流型螺桿、波狀螺桿、無計量段螺桿等。

    常規螺桿其螺紋有效長度通常分為加料段(輸送段)、壓縮段(塑化段)、計量段(均化段),根據塑料性質不同,可分為漸變型、突變型和通用型螺桿。

    ①漸變型螺桿:壓縮段較長,塑化時能量轉換緩和,多用于PVC等熱穩定性差的塑料。

    ②突變型螺桿:壓縮段較短,塑化時能量轉換較劇烈,多用于聚烯烴、PA等結晶型塑料。

    ③通用型螺桿:適應性比較強的通用型螺桿,可適應多種塑料的加工,避免更換螺桿頻繁,有利于提高生產效率。

    常規螺桿名段的長度如下:

    螺桿類型 加料段(L1) 壓縮段(L2) 均化段(L3)

    漸變型 25~30% 50% 15~20%

    突變型 65~70% 15~5% 20~25%

    通用型 45~50% 20~30% 20~30%

    (ⅱ)螺桿的基本參數

    螺桿的基本結構如圖6所示,主要由有效螺紋長度L和尾部的連接部分組成。

    ds — 螺桿外徑,螺桿直徑直接影響塑化能力的大小,也就直接影響到理論注射容積的大小,因此,理論注射容積大的注塑機其螺桿直徑也大。

    L/ds —螺桿長徑比。L是螺桿螺紋部分的有效長度,螺桿長徑比越大,說明螺紋長度越長,直接影響到物料在螺桿中的熱歷程,影響吸收能量的能力,而能量來源有兩部分:一部分是料筒外部加熱圈傳給的,另一部分是螺桿轉動時產生的摩擦熱和剪切熱,由外部機械能轉化的,因此,L/ds直接影響到物料的熔化效果和熔體質量,但是如果L/ds太大,則傳遞扭矩加大,能量消耗增加。

    L1—加料段長度。加料段又稱輸送段或進料段,為提高輸送能力,螺槽表面一定要光潔,L1的長度應保證物料有足夠的輸送長度,因為過短的L1會導致物料過早的熔融,從而難以保證穩定壓力的輸送條件,也就難以保證螺桿以后各段的塑化質量和塑化能力。塑料在其自身重力作用下從料斗中滑進螺槽,螺桿旋轉時,在料筒與螺槽組成的各推力面摩擦力的作用下,物料被壓縮成密集的固體塞螺母,沿著螺紋方向做相對運動,在此段,塑料為固體狀態,即玻璃態。

    h1—加料段的螺槽深度。h1深,則容納物料多,提高了供料量和塑化能力,但會影響物料塑化效果及螺桿根部的剪切強度,一般h1≈(0.12~0.16)ds。

    L3 — 熔融段長度。熔融段又稱均化段或計量段,熔體在L3段的螺槽中得到進一步的均化,溫度均勻,組分均勻,形成較好的熔體質量,L3長度有助于熔體在螺槽中的波動,有穩定壓力的作用,使物料以均勻的料量從螺桿頭部擠出,所以又稱計量段。L3短時,有助于提高螺桿的塑化能力,一般L3=(4~5)ds。

    h3 — 熔融段螺槽深度,h3小,螺槽淺,提高了塑料熔體的塑化效果,有利于熔體的均化,但h3過小會導致剪切速率過高,以及剪切熱過大,引起分子鏈的降解,影響熔體質量,;反之,如果h3過大,由于預塑時,螺桿背壓產生的回流作用增強,會降低塑化能力。

    L2 — 塑化段(壓縮段)螺紋長度。物料在此錐形空間內不斷地受到壓縮、剪切和混煉作用,物料從L2段入點開始,熔池不斷地加大,到出點處熔池已占滿全螺槽,物料完成從玻璃態經過黏彈態向黏流態的轉變,即此段,塑料是處于顆粒與熔融體的共存狀態。L2的長度會影響物料從玻璃態到黏流態的轉化歷程,太短會來不及轉化,固料堵在L2段的末端形成很高的壓力、扭矩或軸向力;太長則會增加螺桿的扭矩和不必要的消耗,一般L2=(6~8)ds。對于結晶型的塑料,物料熔點明顯,熔融范圍窄,L2可短些,一般為(3~4)ds,對于熱敏性塑料,此段可長些。

    S — 螺距,其大小影響螺旋角,從而影響螺槽的輸送效率,一般S≈ds。

    ε —壓縮比。ε=h1/h3,即加料段螺槽深度h1與熔融段螺槽深度h3之比。ε大,會增強剪切效果,但會減弱塑化能力,一般來講,ε稍小一點為好,以有利于提高塑化能力和增加對物料的適應性,對于結晶型塑料,壓縮比一般取2.6~3.0。對于低黏度熱穩定性塑料,可選用高壓縮比;而高黏度熱敏性塑料,應選用低壓縮比。

    (2)螺桿頭

    在注射螺桿中,螺桿頭的作用是:預塑時,能將塑化好的熔體放流到儲料室中,而在高壓注射時,又能有效地封閉螺桿頭前部的熔體,防止倒流。

    螺桿頭分為兩大類,帶止逆環的和不帶止逆環的,對于帶止逆環的,預塑時,螺桿均化段的熔體將止逆環推開,通過與螺桿頭形成的間隙,流入儲料室中,注射時,螺桿頭部的熔體壓力形成推力,將止逆環退回流道封堵,防止回流。

    表1 注射螺桿頭形式與用途

    對于有些高黏度物料如PMMA、PC、AC或者熱穩定性差的物料PVC等,為減少剪切作用和物料的滯留時間,可不用止逆環,但這樣的注射時會產生反流,延長保壓時間。

    對螺桿頭的要求:

    ① 螺桿頭要靈活、光潔;

    ② 止逆環與料筒配合間隙要適宜,即要防止熔體回流,又要靈活;

    ③ 既有足夠的流通截面,又要保證止逆環端面有回程力,使在注射時快速封閉;

    ④ 結構上應拆裝方便,便于清洗;

    ⑤ 螺桿頭的螺紋與螺桿的螺紋方向相反,防止預塑時螺桿頭松脫。

    (3)料筒

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    料筒是塑化部件的重要零件,內裝螺桿外裝加熱圈,承受復合應力和熱應力的作用,結構如圖7:

    1-前料筒;2-電熱圈;3-螺孔;4-加料口

    螺孔3裝熱電偶,要與熱電偶緊密地接觸,防止虛浮,否則會影響溫度測量精度。

    (ⅱ)加料口

    加料口的結構形式直接影響進料效果和塑化部件的吃料能力,注塑機大多數靠料斗中物料的自重加料,常用的進料口截面形式如圖8所示:對稱形料口如圖8(a),制造簡單,但進料不利;現多用非對稱形式,如圖8(b)、8(c)所示,此種進料口由于物料與螺桿的接觸角大,接觸面積大,有利于提高進料效率,不易在料斗中開成架橋空穴。

    (ⅲ)料筒的壁厚

    料筒壁厚要求有足夠的強度和剛度,因為料筒內要承受熔料和氣體壓力,且料筒長徑比很大,料筒要求有足夠的熱容量,所以料筒壁要有一定的厚度,否則難以保證溫度的穩定性;但如果太厚,料筒笨重,浪費材料,熱慣性大,升溫慢,溫度調節有較大的滯后現象。

    (ⅳ)料筒間隙

    料筒間隙指料筒內壁與螺桿外徑的單面間隙,此間隙太大,塑化能力降低,注射回泄量增加,注射時間延長,在此過程中引起物料部分降解;如果太小,熱膨脹作用使螺桿與料筒摩擦加劇,能耗加大,甚至會卡死,此間隙Δ=(0.002~0.005)ds。

    (ⅴ)料筒的加熱與冷卻

    注塑機料筒加熱方式有電阻電熱、陶瓷加熱、鑄鋁加熱,應根據使用場合和加工物料合理設置,常用的有電阻加熱和陶瓷加熱,為符合注塑工藝要求,料筒要分段控制,小型機3段,大型機一般5段。

    冷卻是指對加料口處進行冷卻,因加料口處若溫度過高,固料會在加料口處“架橋”,堵塞料口,從而影響加料段的輸送效率,故在此處設置冷卻水套對其進行冷卻。我廠是通過冷卻循環水對加料口進行冷卻的。

    (4)噴嘴

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    噴嘴是連接塑化裝置與模具流道的重要部件,噴嘴有多種功能:

    ① 預塑時,建立背壓,驅除氣體,防止熔體流涎,提高塑化能力和計量精度;

    ② 注射時,與模具主澆套形成接觸壓力,保持噴嘴與澆套良好接觸,形成密閉流道,防止塑料熔體在高壓下外溢;

    ③ 注射時,建立熔體壓力,提高剪切應力,并將壓力頭轉變成速度頭,提高剪切速度和溫升,加強混煉效果和均化作用;

    ④ 改變噴嘴結構使之與模具和塑化裝置相匹配,組成新的流道型式或注塑系統;

    ⑤ 噴嘴還承擔著調溫、保溫和斷料的功能;

    ⑥ 減小熔體在進出口的粘彈效應和渦流損失,以穩定其流動;

    ⑦ 保壓時,便于向模具制品中補料,而冷卻定型時增加回流阻力,減小或防止模腔中熔體向回流。

    (ⅱ)噴嘴的基本形式

    噴嘴可分為直通式噴嘴、鎖閉式噴嘴、熱流道噴嘴和多流道噴嘴,現階段我廠用的都是直通式噴嘴。

    直通式噴嘴是應用較普遍的噴嘴,其特點是噴嘴球面直接與模具主澆套球面接觸,噴嘴的圓弧半徑和流道比模具要小,注射時,高壓熔體直接經模具的澆道系統充入模腔,速度快、壓力損失小,制造和安裝均較方便。

    鎖閉式噴嘴主要是解決直通式噴嘴的流涎問題,適用于低黏度聚合物(如PA)的加工。在預塑時能關閉噴嘴流道,防止熔體流涎現象,而當注射時又能在注射壓力的作用下開啟,使熔體注入模腔。

    2.注射油缸

    其工作原理是:注射油缸進油時,活塞帶動活塞桿及其置于推力座內的軸承,推動螺桿前進或后退。通過活塞桿頭部的螺母,可以對兩個平行活塞桿的軸向位置以及注射螺桿的軸向位置進行同步調整。

    3.推力座

    注射時,推力座通過推力軸推動螺桿進行注射;而預塑時,通過油馬達驅動推力軸帶動螺桿旋轉實現預塑。

    4.座移油缸

    當座移油缸進油時,實現注射座的前進或后退動作,并保證注塑噴嘴與模具主澆套圓弧面緊密地接觸,產生能封閉熔體的注射座壓力。

    5.對注射部件精度要求

    裝配后,整體注射部件要置于機架上,必須保證噴嘴與模具主澆套緊密地接合,以防溢料,要求使注射部件的中心線與其合模部件的中心線同心;為了保證注射螺桿與料筒內孔的配合精度,必須保證兩個注射油缸孔與料筒定位中心孔的平行度與中心線的對稱度;對臥式機來講,座移油缸兩個導向孔的平行度和對其中心的對稱度也必須保證,對立式機則必須保證兩個座移油缸孔與料筒定位中心孔的平行度與中心線的對稱度。影響上述位置精度的因素是相關聯部件孔與軸的尺寸精度、幾何精度、制造精度與裝配精度。

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