三談注塑成型中的工藝控制

柯翼，金敬明

（德馬格塑料機(jī)械（寧波）有限公司，浙江 寧波 315800）

三談注塑成型中的工藝控制

柯翼，金敬明

（德馬格塑料機(jī)械（寧波）有限公司，浙江 寧波 315800）

從塑料原料進(jìn)入料筒，通過螺桿輸送、壓縮、塑化成熔料的整個(gè)過程，通過不同材料的特性詳細(xì)地分析了螺桿的行程、螺桿的轉(zhuǎn)速和螺桿的轉(zhuǎn)矩的合理配置與設(shè)定，同時(shí)也分析了塑化時(shí)間和熔料停留時(shí)間對(duì)成品質(zhì)量的影響。

塑化；剪切；熔料；轉(zhuǎn)矩

1 螺桿

一臺(tái)注塑機(jī)中的塑化單元負(fù)責(zé)塑化成型工藝中最重要的部分——注射成型工藝。它必須確保在廣泛的應(yīng)用需求下材料和操作條件可以實(shí)現(xiàn)既定的工藝效果。塑化單元必須保證塑料：輸送、壓縮、塑化、均化。

均化熔料使之達(dá)到工藝溫度。徹底熔化所需要的熱量一部分來自料筒壁的傳導(dǎo)，一部分來自螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的剪切熱。我們假設(shè)在料筒內(nèi)形成熔料膜，并且不斷變厚，直到其碰到螺槽邊緣而破裂，并在那里形成了熔池。熔池在螺槽里不斷的成長(zhǎng)，固體床不斷減少，最終全部熔化。

2 螺桿行程和停留時(shí)間

衡量注塑機(jī)能力的一個(gè)很重要的標(biāo)準(zhǔn)就是注射單元可以達(dá)到的最大螺桿行程。而可用螺桿行程的低限一方面由螺桿頭止回閥（這個(gè)閥決定了余料的重復(fù)性和成型質(zhì)量）的反應(yīng)速度和關(guān)閉精度決定，另一方面由成型材料的熱敏感性決定。另外，不穩(wěn)定的注射終點(diǎn)和保壓切換點(diǎn)對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量有很大的影響，尤其是對(duì)一些本身注射量就不大的產(chǎn)品。如果這些功能欠到位，僅僅0.2 mm的偏差就有可能造成產(chǎn)品的克重相差2%。所以，上面提到的不準(zhǔn)確的位置控制、止回閥的功能偏差就很有可能造成最終產(chǎn)品的過填充或者飛邊等。

可能的最大螺桿行程為4.5～5D，那么對(duì)于大多數(shù)材料來說最小的螺桿行程就大概是0.5D或者為最大行程的10%。螺桿的使用率和相對(duì)應(yīng)的停留時(shí)間會(huì)嚴(yán)重地影響原料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)排列，尤其是對(duì)那些共混聚合物和高溫的熱塑性材料，如圖1所示。

圖1 各種材料推薦的最大和最小螺桿行程

螺桿使用的上限在3～4D（螺桿最大行程的65%～90%），這是依據(jù)材料的特性而設(shè)定，我們假設(shè)最大的螺桿行程為4.5～5D。我們推薦的螺桿使用會(huì)根據(jù)周期的長(zhǎng)短和熔料在料筒中的駐留時(shí)間而作相應(yīng)調(diào)整。對(duì)于快速成型中使用的螺桿，螺桿的使用大概在0.5～1.5D，對(duì)于一些短周期，我們推薦0.5～2D，至于那些相對(duì)長(zhǎng)周期的產(chǎn)品，我們要求螺桿的使用率可以在1.5～4D，當(dāng)然，這些值都要考慮成型的材料。

表1 根據(jù)周期要求，各種材料螺桿使用量的推薦值

在絕大多數(shù)注塑機(jī)中，最大的螺桿行程就是4.5～5D，這主要是出于設(shè)計(jì)優(yōu)化的考慮。但是時(shí)過境遷，也有一些制造商為了追求更大的注射量，從而將最大的螺桿行程增大到6D或者更大。

如果在生產(chǎn)過程中超過了這個(gè)使用上限，那就會(huì)對(duì)成型造成十分消極的影響。如果計(jì)量行程較大，就會(huì)減少有效的塑化行程，降低熱量的交換和傳導(dǎo)以及剪切熱的產(chǎn)生。另外，在螺桿長(zhǎng)度方面會(huì)產(chǎn)生不均衡的溫度曲線，從而對(duì)工藝穩(wěn)定性造成影響。

舉例來說：如果計(jì)量行程為4D（如圖2），螺桿則長(zhǎng)20D，那么有效的螺桿長(zhǎng)度就剩下16D，這樣一來就很有可能造成塑化不連續(xù)、不均勻。

圖2 螺桿行程為4D時(shí)的位置

我們這里推薦的螺桿使用上限更偏向用于20D的螺桿。如果采用18D的螺桿，那么螺桿的有效長(zhǎng)度、有效送料段長(zhǎng)度就更少了，進(jìn)而塑化效果更差。

如果我們使用大的計(jì)量行程，或者說注射行程，也有可能將冷料或者氣泡從螺桿的后部輸送到前部，此時(shí)即使我們用大背壓，空氣也不能被擠壓回進(jìn)料口。這樣空氣就會(huì)被壓縮到壓縮段，導(dǎo)致產(chǎn)品有發(fā)灰或發(fā)黑條紋。

3 塑料停留時(shí)間

塑料停留時(shí)間的定義是塑料顆粒從料斗進(jìn)入料筒中，直至注射到模腔的時(shí)間。有一個(gè)近似的公式，tR表示塑料停留時(shí)間：

我們機(jī)器參數(shù)中的最大注射量是針對(duì)PS。對(duì)于各種材料的校正系數(shù)，表2和表3中的值可輸入到以上的公式中。各種塑料推薦的停留時(shí)間可參閱圖3推薦系列熔料在料筒內(nèi)的停留時(shí)間（螺桿直徑70 20D）。 對(duì) 于PS、PE、PP、ABS、SAN和PMMA推薦值可以適當(dāng)放長(zhǎng)，如果溫度不太高的話不會(huì)產(chǎn)生熱降解。對(duì)于PA、PET、PBT、PC/ABS和硬質(zhì)PVC，推薦值不可以放長(zhǎng)。我們不建議縮短塑料停留時(shí)間，否則會(huì)產(chǎn)生塑化不均等不良影響。

如果采取長(zhǎng)的螺桿行程和短的生產(chǎn)周期也會(huì)產(chǎn)生塑化不均勻的危險(xiǎn)。如果采取段的螺桿行程和長(zhǎng)的生產(chǎn)周期，那也意味著材料可能在料筒里停留時(shí)間太長(zhǎng)隨之產(chǎn)生降解，最終會(huì)影響產(chǎn)品的質(zhì)量和工藝的穩(wěn)定性。

我們這里給出的推薦值是來自材料供應(yīng)商，并且經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)得出的。所有的數(shù)據(jù)都是直徑在50～80 mm的螺桿試驗(yàn)中采集的，圖3中展示了70mm的螺桿的相應(yīng)數(shù)據(jù)。與圖3中的相比，螺桿直徑更小的則停留時(shí)間更要短些，螺桿直徑更大的則停留時(shí)間更要長(zhǎng)些。

表2 校正系數(shù)值（系數(shù)1），以計(jì)算最大注射量時(shí)螺桿上的聚合物殘留量

表3 校正系數(shù)2，校正不同材料（相對(duì)于聚苯乙烯）在成型溫度下的密度

圖3 各種材料在料筒內(nèi)推薦的停留時(shí)間（螺桿直徑70，20D）

關(guān)于材料停留時(shí)間，還有一個(gè)要點(diǎn)必須注意，螺桿越大停留時(shí)間越長(zhǎng)，以達(dá)到更好的塑化效果。這是由于大螺桿的螺槽更深。

4 預(yù)塑（計(jì)量）時(shí)間

預(yù)塑（計(jì)量）時(shí)間是螺桿旋轉(zhuǎn)，為了下一周期的注射成型塑化材料。

預(yù)塑過程是注射成型中最重要的工藝過程之一，因?yàn)轭A(yù)塑直接決定塑料熔化的質(zhì)量。由于材料和螺桿直徑的不同，預(yù)塑時(shí)間就可能不一樣。PE、PP、PS、ABS、SAN、PVC、POM、PC 和PPO這些不同材料通常預(yù)塑時(shí)間上就有0.2%的差別。PMMA、PA、ABS/PC、PBT和CA的差別則大一點(diǎn)，可能有0.4%的差別。如果采取回料或者加入色母 ，預(yù)塑時(shí)間還會(huì)相應(yīng)變長(zhǎng)。其他的原因，比如干燥不良或者止回閥損壞都有可能引起預(yù)塑時(shí)間變長(zhǎng)。還有螺桿磨損也會(huì)降低塑化能力，使得塑化時(shí)間變長(zhǎng)。綜上所述，預(yù)塑過程是一個(gè)非常重要的過程，預(yù)塑時(shí)間也被認(rèn)為是一個(gè)衡量產(chǎn)品質(zhì)量的重要工藝參數(shù)。

圖4 不同螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的塑化率

圖4中可以看出，塑化率幾乎是和螺桿轉(zhuǎn)速成線性增長(zhǎng)。

圖5說明塑化率和計(jì)量行程之間的關(guān)系。當(dāng)計(jì)量行程較小時(shí)，由于預(yù)塑電機(jī)的加速度限制，塑化率要低于計(jì)量行程在1.5～2D之間。當(dāng)螺桿行程較大，塑化率會(huì)隨著計(jì)量行程的變大而減小，這主要是因?yàn)樗土隙巫兌虒?dǎo)致的送料不給力。

圖5 塑化率和計(jì)量行程

圖6 背壓對(duì)塑化率的影響

圖6說明了背壓對(duì)于塑化率的影響。由于背壓從50 bar變大到100 bar，任意一種材料都會(huì)造成塑化體積5%～10%的減小。

5 計(jì)量延遲

計(jì)量延遲一般用在冷卻時(shí)間要比計(jì)量時(shí)間長(zhǎng)很多的情況下。理論上說，所有材料都應(yīng)該在一個(gè)低的螺桿轉(zhuǎn)速下進(jìn)行預(yù)塑。先不管螺桿轉(zhuǎn)速，如果計(jì)量時(shí)間明顯小于冷卻時(shí)間，那么就會(huì)有可能使計(jì)量室的熔料冷卻不均勻，進(jìn)而是成型效果變差。所以計(jì)量延遲旨在計(jì)量過程的尾聲，立刻將均一的熔料注射入模腔內(nèi)。

我們?cè)O(shè)置計(jì)量延遲時(shí)，可以盡量在冷卻完成之前，以低的螺桿轉(zhuǎn)速完成計(jì)量過程。

6 背壓

作用在螺桿上的背壓是注射油缸提供，以抵消一部分預(yù)塑階段由于計(jì)量室內(nèi)壓力變大而造成的螺桿回退。如果有背壓，就會(huì)增大料筒內(nèi)熔料壓力（圖7）又可以促使送料段中空氣從下料口逃離。

圖7 預(yù)塑階段料筒內(nèi)的熔料壓力

熔料的混煉質(zhì)量的確可以用高背壓來保證。但如果我們把背壓設(shè)置得太高，預(yù)塑的能力就有可能減少所有的材料在加工過程中都必須有背壓。易流動(dòng)易熔化的材料使用低背壓，硬一點(diǎn)的材料使用高背壓。

背壓的好處不僅是可以均化熔料，還可以持續(xù)的作用在螺桿上以實(shí)現(xiàn)計(jì)量材料的穩(wěn)定持續(xù)。如果采取3D或者更大的計(jì)量行程，背壓就應(yīng)該提高50%～70%以保證熔料的溫度盡量一致。

有這樣一種傳說，在一些古老的注塑機(jī)上，有些材料可以無背壓預(yù)塑，那是因?yàn)樵谶@些注塑機(jī)的注射單元存在著機(jī)械和液壓的阻力，就是說即使設(shè)置無背壓，實(shí)際上螺桿上還是會(huì)產(chǎn)生50 bar的均布?jí)毫Α?/p>

隨著技術(shù)改進(jìn)，新生代的注塑機(jī)注射單元機(jī)械和液壓的阻力對(duì)于大多數(shù)材料已經(jīng)很小了，大概只有10 bar左右。

我們建議所有的材料都必須選擇一個(gè)恰到好處的背壓，正確的值請(qǐng)看表4。

一般來說推薦的背壓值：開始的時(shí)候，先選用表4里的較小值，再將其調(diào)高50%，如果計(jì)量時(shí)間提高了比如說5%～15%，但熔料溫度沒有過高，那么這個(gè)值就是比較科學(xué)的背壓值。

注：正確的背壓值可以均化熔料，也可以幫助止逆環(huán)重復(fù)關(guān)閉。

如果加入玻纖，那么只需要20～50 bar的背壓這樣可以防止玻纖過高的機(jī)械摩擦，減少對(duì)玻纖的損傷以及減少成型過程中的機(jī)械傷害。

背壓對(duì)應(yīng)注塑工藝的應(yīng)用

如果加大背壓 ?

不同的影響：

熔料溫度 ?

熔料溫度偏差 ?

計(jì)量體積 ?

計(jì)量體積偏差 ?

產(chǎn)品重量 ?

計(jì)量時(shí)間

計(jì)量時(shí)間偏差 ?

產(chǎn)品重量偏差 ?

熔料均一性 ?

7 螺桿轉(zhuǎn)速

對(duì)于所有的材料，螺桿轉(zhuǎn)速都應(yīng)當(dāng)盡量慢，使得計(jì)量時(shí)間正好等于冷卻時(shí)間。

為了防止熔料的熱量不均和剪切熱過大，螺桿轉(zhuǎn)速（表5）所提供的各種材料的推薦值不可以再增加。這些推薦值更偏向于三段式標(biāo)準(zhǔn)螺桿。如果不知道螺桿的尺寸、類型，就不能完全使用以上的推薦值。一些添加劑，比如色母或者阻燃劑都對(duì)剪切和溫度不那么敏感。

計(jì)量過程不應(yīng)該在冷卻結(jié)束之前就結(jié)束。以一個(gè)相對(duì)低的轉(zhuǎn)速剛剛結(jié)束計(jì)量的時(shí)候，熔料最均化，所以注射需要在計(jì)量結(jié)束的那一刻開始。

表5 各種材料推薦的螺桿轉(zhuǎn)速

因此，對(duì)已一些厚壁的需要長(zhǎng)時(shí)間冷卻的產(chǎn)品，計(jì)量時(shí)間應(yīng)該盡可能延遲、螺桿轉(zhuǎn)速盡量慢，這樣才能使預(yù)塑和注射階段無縫連接。對(duì)于大注射量的產(chǎn)品，如果周期不夠長(zhǎng)，很有可能造成塑化不勻。螺桿長(zhǎng)度的實(shí)際使用率也會(huì)在計(jì)量過程中減小，尤其對(duì)于長(zhǎng)螺桿行程的情況。對(duì)于一個(gè)20D的螺桿，實(shí)際使用的螺桿行程減少到15D。而開始和結(jié)尾塑化的質(zhì)量也很有可能不同。上面說的塑化不均勻會(huì)持續(xù)影響后面的成型和最終的零件質(zhì)量。

圖8展示了兩種不同材料螺桿轉(zhuǎn)速和行程對(duì)于熔料溫度差異的影響。對(duì)于螺桿行程小于60%的工藝情況，這種溫度差異很小，而且?guī)缀鹾吐輻U轉(zhuǎn)速?zèng)]什么關(guān)聯(lián)。如果螺桿行程大于60%，且采取很大的螺桿轉(zhuǎn)速，像熱敏感性材料POM的熔料溫度差異有16 ℃之巨，而且還有一部材料會(huì)發(fā)生熱降解?；谏鲜鲈颍绻凶銐虻睦鋮s時(shí)間，螺桿應(yīng)在行程的最后三分之一里，轉(zhuǎn)速應(yīng)該降低，背壓適當(dāng)升高，以保證近似均一的熔料溫度。

圖8 不同計(jì)量行程下不同的熔料溫度（螺桿直徑50 mm，長(zhǎng)徑比20，螺桿溫度PA 280/280/290/290/300 ℃， POM 180/180/190/190/200 ℃，周期60 s）

如果工藝過程要求螺桿高轉(zhuǎn)速以獲取高塑化率、低塑化時(shí)間，就很有可能造成預(yù)塑終點(diǎn)的不穩(wěn)定。如果采取短的預(yù)塑行程，比如說290 mm，0.3 mm的位置差異就會(huì)造成1.5%的計(jì)量體積的差異，而且最后的產(chǎn)品重量會(huì)有更大的差異。在預(yù)塑結(jié)束之前降低螺桿的轉(zhuǎn)速可以一定程度減少計(jì)量的偏差，和成型重量的偏差。

8 螺桿轉(zhuǎn)矩

一定的螺桿轉(zhuǎn)矩是持續(xù)塑化過程必須的，轉(zhuǎn)矩的大小取決于材料、螺桿直徑、螺桿轉(zhuǎn)速、料筒溫度、背壓等等。

圖9 不同材料的螺桿轉(zhuǎn)矩

決定螺桿轉(zhuǎn)矩的第一因素在于材料。圖9展示是在一定的螺桿直徑下，不同材料需要的螺桿轉(zhuǎn)矩。顯而易見，PA、PET、PBT、PE、PP和PS需要低轉(zhuǎn)矩，SAN、PMMA、POM需要中等轉(zhuǎn)矩，硬質(zhì)PVC ABS、PC需要高轉(zhuǎn)矩?；谶@些情況，注塑機(jī)需要裝配合適的液壓或者電驅(qū)動(dòng)的馬達(dá)以提供足夠的轉(zhuǎn)矩需要高轉(zhuǎn)矩的材料往往只能在低轉(zhuǎn)速低剪切的情況下計(jì)量。反之，需要高轉(zhuǎn)速的材料只能適用較低的轉(zhuǎn)矩因此，我們以PA、PE、PS和PP為工藝原料時(shí)選用的計(jì)量馬達(dá)必須區(qū)別于硬質(zhì)材料，像PMMA、SAN POM和PC。

第二個(gè)決定螺桿轉(zhuǎn)矩的因素是料筒的溫度。如果料筒溫度較低（尤其在下料口和送料段）且螺桿行程較大，那么就要使用高的轉(zhuǎn)矩。這是因?yàn)闇囟容^低的材料由送料段進(jìn)入壓縮段和計(jì)量段會(huì)建立起較高的壓力。我們必須當(dāng)心，不可以將下料口和送料段的溫度設(shè)置得太低，尤其是對(duì)計(jì)量行程大于或等于3D的工藝過程（可以參考料筒溫度章節(jié)）。

第三個(gè)因素是螺桿轉(zhuǎn)速。我們要啰嗦一下，螺桿的轉(zhuǎn)速能慢則慢，以時(shí)間上冷卻和計(jì)量的無縫連接。

最后一個(gè)因素是背壓。簡(jiǎn)單地說，高背壓高扭矩低背壓低扭矩。

注：為了獲得持續(xù)的計(jì)量過程，額定轉(zhuǎn)矩的80%使用是很重要的，這樣可以為工藝留有余量。尤其PA和PMMA，料筒的加熱僅一點(diǎn)點(diǎn)波動(dòng)，就足以使螺桿轉(zhuǎn)矩明顯提高，達(dá)到極限值。

如果以100%的額定轉(zhuǎn)矩工作，就不能保證螺桿轉(zhuǎn)速，塑化能力也明顯下降，塑化時(shí)間變長(zhǎng)，也有可能造成塑化質(zhì)量波動(dòng)和塑化過程不連續(xù)。

計(jì)量時(shí)間的波動(dòng)也有可能是螺桿轉(zhuǎn)矩造成的。上面提到的參數(shù)，像螺桿轉(zhuǎn)速、料筒溫度、背壓如果都沒問題，即使對(duì)于產(chǎn)品重量很大的工藝過程，螺桿轉(zhuǎn)矩不能超過15%的波動(dòng)。對(duì)于短行程的工藝過程（不超過2D），螺桿轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)也不能超過10%。高轉(zhuǎn)矩輸出帶來高剪切，可能對(duì)熔料造成機(jī)械和熱傷害。也有一種不正常的情況，低轉(zhuǎn)矩輸出意味著料筒的溫度可能太高了，也有可能造成熔料的熱傷害。另外，高熔料溫度需要更長(zhǎng)的保壓和冷卻時(shí)間，最終導(dǎo)致更長(zhǎng)的循環(huán)周期。

The third talk of process control of injection molding

The third talk of process control of injection molding

Ke Yi， Jin Jingming
（Demag Plastics Machinery （Ningbo） Co.， Ltd.， Ningbo 315800， Zhejiang， China）

From plastic raw materials into the barrel， through the screw conveyor， compression and plasticization to melt， this paper analyzes rational allocations and settings of screw stroke，screw speed and the screw torque by the characteristics of different materials. This paper also analyzes the impact of plasticization time and melt residence time on the f nished product quality.

screw； plasticization； shear； melt； torque

TQ320.66

1009-797X （2015） 18-0028-07

A

10.13520/j.cnki.rpte.2015.18.014

柯翼（1986-），男，應(yīng)用工程師，主要從事塑料成型的研究與客戶支持。

2014-08-14