注塑机螺杆与料筒结构设计.pdf

塑膠射出成型機的螺旋桿與料管螺旋桿與料管組的主要功能從料斗中加入的包含： 1. 原料 – 粒狀或粉狀 2. 色母或色粉 – 含量極少 3. 回收料 – 不規則形狀 4. 其他添加物 – 一般複合成份可能在押出機已經進行與少量原料複合完成 以上各項必需在加入料斗前攪拌均勻螺旋桿與料管的功能 1. 料粒或料粉的輸送 2. 原料熔解 3. 混合均勻 4. 獲得均勻的溫度與密度，並且沒有劣解或變色的問題 5. 每次精確控制準備射出的體積 – 控制精確之儲料完位置 6. 射出開始時止料機構(止料環或鋼珠等)很準確的塞住回流 7. 把一定量的液態原料射入模具 8. 執行保壓的動作材料的密度與熱含量材料種類密度Bulk Density Kg/m3熱含量S.H.C. Kcal/Kg/℃鋼鐵 Steel78780.112鋁 Aluminum26910.217銅 Copper89060.0985不鏽鋼 Stainless Steel106570.112水 Water10001油Oil9870.5橡膠 Rubber12180.42PS聚苯乙烯 Polystyrene10520.32PE聚乙烯 Polyethylene920~970HDPE 0.6 (LDPE 0.4)聚氯乙烯 P.V.C.1160~15800.24聚丙烯 Polypropylene9100.37PA尼龍 Nylon611300.38PC聚碳酸酯 Polycarbonate12000.28螺旋桿與料管組的材質金屬材料特性要求： • 3500C(4500C)以下時必需要有足夠的強度與硬度 • 高溫時耐磨 • 耐酸鹼、耐腐蝕 • 表面能夠拋光，沒有毛細孔，與液體的塑膠原料黏著力低 • 材質穩定，高溫時不析出任何成份一般使用材質： • 一般用途：SCM440；AISI4140；AISI4340(鎳、鉻、鉬合金鋼) → 可以熱處理與鍍硬鉻 • 耐磨耗者：SACM645；NITRALLOY 135-M；DIMI-8550；ACM2 → 含少量的鋁，可氮化處理表面形成硬化之氮化鋼 • 使用溫度超過3500C時，或超耐磨耗的需求：SKD61；D-2, H-13, CPM Tool Steels • 耐腐蝕者：以上的鋼材鍍硬鉻；SUS-420J2；300, 17-4 Stainless steel • 機械廠與金屬材料製造廠共同研發的配方，如日本三菱的MAC24，日本名機的ATM100等等螺旋桿與料管組的材質雙金屬材料：主要功能為耐腐蝕性+耐磨耗性 • 一般其基材為SCM440；AISI4140；AISI4340 • 料管使用離心鑄造，螺旋桿採用離子噴焊或牙頂燒焊 • 所使用之材料舉例：(高雄路竹鼎基公司之資料)材質編號成份硬度HRC耐磨耗性耐腐蝕性熱膨漲系數 RT2500C/0CTCB-12Fe-Ni-Cu-B 鐵/鎳/銅/硼56-62BC11.0 x 10-6TCB-20Fe-Ni-Cu-B+Cr-Mo-V 鐵/鎳/銅/硼+鉻/鉬/釩62-68AB11.4 x 10-6TCB-60Ni-Co-Cr-B-Si 鎳/鈷/鉻/硼/矽48-55BA11.9 x 10-6TCB-90Ni-Co-Cr-B-Wc 鎳/鈷/鉻/硼/鎢 (Wc 含60~70%)60-66AAA8.0 x 10-6電熱與剪切熱的控制塑膠射出成型機的螺旋桿與料管是以電熱來加熱料管，使其金屬料管與螺旋桿在起動前必需要達到設定的溫度，以便讓內部的塑膠原料軟化後，螺旋桿才能夠轉得動，此熱量稱之為外熱。

接著射出成型的生產循環動作開始之後，油壓馬達、電動馬達或伺服馬達旋轉螺旋桿，讓塑膠原料往前輸送、料粒外部接觸螺桿與料管的金屬，表面先軟化、熔解，然後接著進入壓縮、間隙減小、半固液的原料往前流→擠壓，黏稠的液體大量產生剪切熱(磨擦熱)，把熱量傳給仍然固態的較低溫原料小粒子，此時的剪切熱將佔塑膠原料熔解所需要的熱量的40~100多%，其中如果超過100%者會造成實際溫度讀值超過溫度的設定值；此剪切熱稱之為內熱由於一般塑膠原料的熱傳導係數約為金屬的1/30，料管與螺旋桿的高溫只對原料顆粒與其接觸時，才有傳熱的效果原料熔解過程產生的擠壓剪切熱是內熱，它對原料中央部份均勻的加熱升溫，是原料熔解所需要的主要熱源最佳的螺旋桿設計是當儲料時，內熱大約為塑膠原料加熱、熔解時所需要熱量的80%電熱與剪切熱的控制此時外部的電熱一方面必須維持環境中冷空氣對流帶走的熱量，與高溫料管對低溫周遭空氣的熱輻射所損失掉的熱量，一方面也保持料管的恆溫剪切熱的產生有多少，也同時影響了機器電熱控制器的加熱時間，而剪切熱的產生量取決於原料在液體狀態時的黏度、射出成形溫度設定的高低(液態原料的黏度)、螺旋桿的轉速快慢、螺旋桿的壓縮斜坡度與壓縮比、背壓的高低等等，其中以背壓的提升產生剪切熱最為嚴重，其次是螺旋桿的壓縮設計斜率大小與RPM 。

熱量的流失也就是無形能源的損失，能夠減少此外部的散熱，就能夠讓電熱加熱的時間縮短，而獲得能源節約的效果只要能減少熱量的散失，相對於周圍的環境溫度就可以降低，至少操作人員不必要因此而吹電扇，也是衍生出來的能源節約最有效的能源節約方法為在料管電熱圈的外面包上一層玻璃纖維絲編織的隔熱毯以下資料為美國Watlow公司所作的研究結果，其使用陶瓷圈包裹電熱片作為最基本之隔熱：料管包陶瓷隔熱的熱損失操作溫度0F操作溫度0C沒有加隔熱1”厚陶瓷隔熱1.5”厚陶瓷35017724323.415.637519127526.017.340020531329.019.042521835031.521.045023238734.322.947524642537.224.850026046540.125.852527450543.226.955028855046.528.357530260549.929.960031666054.132.1以上熱損失之單位為Watts/平方英呎的面積料管包陶瓷隔熱的熱損失案例我們作個計算： 假設有一台塑膠射出成型機(約400噸的規格) 料管外徑為165mm(6-1/2＂)， 電熱部份之長度為1270mm(50＂) 設定生產溫度為2320C (4500F)如果外部沒有隔熱，則熱損失為 = (6.5/12) x πx (50/12) x 387 = 2744瓦特 也就是說每一小時需要損失2.744度的電費如果按照以上表格的數據使用1.5＂厚的陶瓷隔熱(事實上玻璃纖維毯的隔熱效果比1.5＂厚的陶瓷隔熱效果更好)，其熱損失為 = (6.5/12) x πx (50/12) x 22.9 =162.37瓦特很明顯地，電熱方面每天24小時運轉可以省下約60度的電費。

射出成型機料管電熱容量之設計從以上的討論，已經很清楚地說明了塑膠射出成型機的料管電熱圈的容量，主要是要把螺桿與料管的金屬在運轉前，先加熱到所設定之溫度，此時可以把料管加螺桿考慮成一個實心鋼棒，而當螺桿旋轉儲料時，原料的剪切熱將提供大部份的熔解熱的需求，此時電熱只是在維持熔料環境的穩定溫度與提供少部份的熔解熱量因此電熱容量的計算公式如下：料管的電熱容量KW = ［ (πD2)/4 ］x L x δsteel x 預定上升溫度℃ x ξsteel 106 x 加熱時間Hr x 860(Kcal/Hr) 其中： D = 料管外徑 mm L = 料管加熱部份長度 mm δsteel = 鋼鐵的密度 7.878 g/cc ξsteel = 鋼合金的熱含量 0.112 Kcal/Kg‧℃射出成型機料管電熱容量之設計我們取一個實際的案例來計算： 剛才計算熱損失的塑膠射出成型機(約400噸的規格) 料管外徑為165mm，電熱部份之長度為1270mm 通常生產之設定溫度應該在220~2700C之間，而室溫約200C，所以平均溫度上升溫度約2300C，而加熱時間約20分鐘(1/3Hr)： 料管的電熱容量KW = ［ (πD2)/4 ］x L x δsteel x 預定上升溫度℃ x ξsteel 106 x 加熱時間Hr x 860(Kcal/Hr) =［ (π‧1652)/4］x1270x7.878x230℃x0.112÷106 ÷(1/3Hr) ÷860 = 19.2 KW 也就是說：像這樣的料管組的電熱瓦特數，大約在19KW左右，再由每一個廠家去區分為4或5個溫度控制段。

一般國內產製雲母片絕緣的電熱片，其加熱能力約4W/cm2，最高使用溫度為320 ℃；陶瓷絕緣的電熱片，其加熱能力約7W/cm2，最高使用溫度可達650 ℃射出成形的一般螺旋桿一般螺旋桿的螺紋設計分為三段： • 進料段： • 其深度Hf必需要大於原料粒子的最大對角線，否則原料粒子進不去；當然進料段越深，原料進入越多，輸送就越快(熔膠率會越大)，重點是原料能不能夠完全熔解，而且要混合的非常均勻才是正確• 進料段的長度必需要≧機器射出行程+進料口後端到第一個電熱片中央的距離• 如果進料段太短，較冷的料粒尚未到達高溫的料管位置，就要開始壓縮，堅硬的料粒磨擦螺桿與料管表面，會造成螺桿與料管的局部快速且嚴重的磨蝕磨損儲料開始與最大儲料量時之螺桿料管相關位置射出成形的一般螺旋桿• 壓縮段：• 原料在此往前擠壓，後面的固體粒子會推擠前面的小固體粒子前進，但是空間的縮減，導致無法讓全部原料往前輸送，而產生固體往前擠而液體往後倒流的現象，此時倒流的液體充滿料粒與料粒的間隙，而把間隙的空氣及逸出的水氣從料斗方向排擠掉• 同時，原料剛剛開始熔解，溫度尚低，黏稠性也很高，擠壓之間大量產生剪切熱(磨擦熱)，如果壓縮段的壓縮斜度越大，其剪切熱的產生越多，這個熱是讓塑膠原料溫度快速上升及熔解主要的熱源，由於此熱產生在螺桿的整個溝槽之中，也讓原料熔解的溫度趨於比較全面性的均勻。

• 當螺桿旋轉時：螺桿與料管的高溫只能對有跟金屬接觸的原料單面傳熱，事實上接觸時間甚短，對大量且快速移動的原料粒子的熔解速率幫助非常有限，當然儲料完成後，螺桿停止運轉，螺桿溝槽內的原料會持續接受螺桿與料管的熱傳導• 有些塑膠原料，如壓克力PMMA、PC、硬質PVC等，在壓縮的狀態下，其開始熔解的黏度非常大，會造成螺桿卡死轉不動，必需要把驅動的油壓馬達加大規格，但是過大的壓縮斜度，使用太大扭力的油壓馬達，會造成螺桿扭曲折斷的結果• 設計重點：希望原料在通過壓縮段後能夠完全熔解成液體射出成形的一般螺旋桿• 計量段(也稱為混鍊段)： • 當原料經過壓縮段時，希望是能夠把全部固體原料熔解成為液體，但是並不能夠讓全部通過的原料有相同的溫度，也就是說，液體原料的密度並不均勻 • 而且原料內如有混合色母或濃縮的複合料，其熔點不會相同，經過壓縮段雖然熔解了，但是與液態的原料並沒有均勻混合 • 因此混鍊段主要功能就是要把全部液體的顏色與成份作最均勻的混合，並且有均一的溫度及密度 • 當此均勻的液體原料經過止逆機構進入待射區，只要計量的位置準確，其射出產品的重量與品質就會穩定、精確，因此此段又稱為計量段 • 當然如果有未熔解的小顆粒，也希望能夠在此處把它熔解，並攪拌均勻。

• 通常原料到了計量段，其壓力都到達儲料時的最高點，因此料管靜止、螺桿旋轉，造成原料的滾動，也產生更多的剪切熱；當此時的剪切熱再提昇熔解原料的溫度，而超過料管設定的溫度，這是經常會有射出成型機所遇到的現象 • 對於液態時黏稠度較高的原料，如硬質PVC、壓克力厚製品、難燃性樹脂、像防火ABS等，其計量段的深度盡量深一點，可以減少剪切熱的產生，當然轉速也要慢原料在螺桿料管中的溫度變化螺桿設計不良將產生的問題1. 產品品質不良－脆化、黃化2. 原料熔解溫度需求偏高，熔膠率比較慢3. 熔料接合線明顯且全部長度均顯現4. 成品翹曲變形－原料熔解溫度與密度不均勻導致5. 顏色不均一，花花地，有如大理石花紋6. 每一個產品的顏色感覺有所改變7. 產品的某些部份變得脆弱8. 機器換色時間很長，浪費很多原料9. 螺桿或料管局部升高塑料溫度，造成。