Виды шнеков для литья пластмасс под давлением

2021-08-23
шнек для литья ПВХ

Виды шнеков для литья пластмасс под давлением

Основным оборудованием для производства пластиковых изделий является термопластавтомат (ТПА). Технология литья пластмасс методом литья под давлением включает подачу нагретой полимерной массы к формовочной оснастке (пресс-форме).

Одним из главных узлов термопластавтомата (ТПА) для литья пластмасс под давлением является узел впрыска. Назначение этого узла состоит в выполнении следующих технологических операций:

  • набор, разогрев и гомогенизация (пластикация) полимера;
  • впрыск заданной дозы расплава полимера и выдержка его под давлением в литьевой форме до затвердевания во впускном литниковом канале.

В современных ТПА процессы пластикации и впрыска осуществляются с помощью одного и того же узла, для чего его рабочий элемент – шнек, обладает возможностью не только вращательного, но и возвратно-поступательного движения, а материальный цилиндр располагается в одну линию. В шнековых пластикаторах-инжекторах впрыск полимера осуществляется за счет осевого перемещения шнека, а далее в течение времени, необходимого для затвердевания материала в форме, шнек вращается и нагнетает в переднюю полость материального цилиндра расплав материала, одновременно перемещаясь назад.

Главным рабочим органом шнекового пластикатора-инжектора ТПА является шнек, который перемещает, размягчает и пластицирует перерабатываемый полимер и выполняет следующие функции:

  • захватывает гранулы полимера, поступившие в материальный цилиндр из загрузочного бункера, и перемещает их от зоны загрузки к соплу материального цилиндра.
  • осуществляет плавление гранул, интенсивное перемешивание расплава полимера, его гомогенизацию и сжатие, в результате чего из расплава удаляется воздух;
  • создает в расплаве давление, необходимое для его впрыска в литьевую форму.

shneki-dlya-tpa

Виды шнеков и их характеристики

К основным техническим характеристикам шнеков относятся:

  • наружный диаметр (D);
  • длина рабочей части (L);
  • шаг витка (t);
  • глубина нарезки или, иначе, высота профиля витка (h);
  • ширина гребня нарезки (b);
  • угол винтовой нарезки (ϕ);
  • длина зон шнека (l i).

Для характеристики относительной длины рабочей части шнека обычно используют отношение L/D. Современные конструкции шнеков имеют переменную глубину нарезки, которая может быть выполнена на современных токарных станках, а при уменьшении глубины нарезки уменьшается толщина слоя расплава полимера и тем самым улучшаются условия передачи тепла полимера от внутренней поверхности материального цилиндра.

Шаг нарезки шнека сохраняется постоянным, он равен (0,8-1,0)⋅D. В ТПА применяются шнеки с отношением L/D = 15-25.

Шнеки изготавливают из азотированных сталей (например, марки 40ХМЮА), которые обладают высокой твердостью, устойчивостью против истирания, коррозии в агрессивных средах, исключают коробление при термообработке. В настоящее время в целях увеличения долговечности производят наплавку витков шнека по наружному диаметру твердыми сплавами, что обеспечивает в 10 раз больший срок эксплуатации шнека при переработке полимера литьем под давлением.

В процессе эксплуатации шнека диаметральный зазор между отверстием цилиндра пластикатора и наружным диаметром шнека должен быть следующий: для шнеков диаметром 32 мм – 0,07 мм, диаметром 45 мм – 0,08 мм, диаметром 63 мм – 0,09 мм, диаметром 90 мм – 0,1 мм, диаметром 125 мм – 0,2 мм, диаметром 160 мм – 0,3 мм. Увеличение диаметральных зазоров выше этих величин приводит к появлению обратных потоков расплава полимера и соответственно к снижению пластикационной производительности термопластавтомата.

В зависимости от процессов, протекающих вдоль шнека, длину рабочей части шнека условно разделяют на три зоны: зона загрузки, зона сжатия и зона дозирования, но строгих границ между этими зонами не существует. Длина зоны загрузки шнека равна 5-10 его диаметрам, а эффективность ее работы оценивают количеством захватываемого в единицу времени полимера, поступающего из загрузочного бункера ТПА. Для обеспечения питания полимерным материалом зоны сжатия и зоны дозирования глубина нарезки шнека в зоне загрузки должна быть большой и составлять не менее 10% наружного диаметра шнека. Необходимо также отметить, что эффективность работы зоны загрузки шнека зависит от угла винтовой нарезки шнека и значений коэффициентов трения между гранулами полимера и шнеком, а также между гранулами и стенкой цилиндра шнекового пластикатора-инжектора. Коэффициент трения гранул плимера о стенку цилиндра шнекового пластикатора-инжектора должен быть больше, чем коэффициент трения гранул о поверхность шнека, что достигается созданием определенной шероховатости при обработке поверхности цилиндра шнекового пластикатора-инжектора в зоне загрузки и охлаждением цилиндра в этой зоне. Профиль нарезки шнека в зоне загрузки должен быть с очень малыми радиусами закруглений, что позволяет вместить наибольшее количество загружаемого материала. В зоне загрузки при вращении шнека гранулы полимера уплотняются, и образуется пробка, которая не подвергается сдвигу и продвигается вперед вдоль винтового канала, скользя по стенке цилиндра пластикатора-инжектора. Пробка полимерного материала оплавляется по поверхностному слою и продвигается только под действием вновь загружаемых доз полимера.

Объем нарезки шнека в зоне сжатия постепенно убывает по направлению к зоне дозирования и характеризуется степенью сжатия. Степень сжатия равна отношению глубины h1 нарезки в начале зоны сжатия к глубине h2 нарезки в конце зоны сжатия. Степень сжатия шнеков современных ТПА равна 1,8-4,0. Длина зоны сжатия устанавливается в зависимости от свойств перерабатываемых полимеров. Производительность шнекового пластикатора-инжектора зависит от конструкции зоны дозирования. Необходимо отметить, что короткая зона дозирования с большой глубиной нарезки вследствие неравномерного прогрева всей толщины расплава и увеличения сопротивления расплава на выходе имеет низкую производительность.

Протяженная зона дозирования с малой глубиной нарезки не зависит от сопротивления на выходе, и такой шнек имеет высокую производительность. Поэтому длина зоны дозирования принимается равной 4-7 диаметрам шнека с постоянным шагом и глубиной нарезки шнека.

Для переработки термопластичных полимерных материалов литьем под давлением используют три типа шнеков:

– зональный;

– с короткой зоной сжатия;

– с прогрессивной зоной сжатия.

У шнеков 1 типа – зональных, длина зоны загрузки равна 5-6 их диаметрам, длина зоны сжатия — 3-4 их диаметрам и длина зоны дозирования – 5-6 их диаметрам. На шнеках 1 типа перерабатываются термостабильные ПМ с аморфной или аморфно-кристаллической структурой (полистиролы, ПЭНП, ПЭВП, поликарбонаты, АБС-пластики).

У шнеков 2 типа – с короткой зоной сжатия, длина зоны загрузки равна 6-7 их диаметрам, длина зоны сжатия – 0,5- 1,0 их диаметра, длина зоны дозирования – 6-7 их диаметрам. На шнеках 2 типа перерабатываются в основном сравнительно низковязкие аморфно-кристаллические полимерные материалы (ПЭТ, полиамиды, полипропилены, полиформальдегиды), а также ПЭНП, ПЭВП, АБС-пластики, полистиролы и поликарбонаты, т. е. такие шнеки являются более универсальными.

У шнеков 3 типа – с прогрессивной зоной сжатия, длина зоны загрузки равна 5-6 их диаметрам, длина зоны сжатия – 7-8 их диаметрам, длина зоны дозирования – 5-6 их диаметрам. На шнеках 3 типа перерабатываются вязкие расплавы, нетермостабильные, аморфные полимеры с высокой вязкостью расплава (непластифицированный ПВХ, сополимеры полиметилметакрилата), а также АБС-пластики, полистиролы и поликарбонаты, т. е. они являются достаточно универсальными.

Желательно, чтобы ТПА были укомплектованы тремя типами шнеков для переработки литьем под давлением основных видов термопластичных полимеров. Для переработки широкого ассортимента материалов – аморфных, аморфно-кристаллических, высоковязких, низковязких, термостойких, наполненных или без наполнителя – на производстве применяют универсальные шнеки, которые представляют собой компромиссное решение: длина зоны загрузки составляет около 50% от общей рабочей длины шнека, длина зоны сжатия – 30%, а зоны дозирования – 20%. С помощью универсальных шнеков может перерабатываться большинство применяемых термопластичных полимеров.

Специализированные шнеки

Шнеки со специальной геометрической формой применяют тогда, когда требуются высокая пластикационная производительность, особо щадящие условия плавления полимера и/или переработка полимера с низкой термостабильностью. Например, для переработки ПММА должны применяться шнеки с меньшей степенью сжатия, с более протяженной зоной загрузки и с большей глубиной каналов в зоне загрузки. Для переработки ПА и ПБТ зона загрузки шнека тоже должна быть длиннее, а степень сжатия больше, шаг нарезки меньше и глубина канала в зоне дозирования тоже меньше, чем у универсальных шнеков. Для переработки полимерных смесей ПК с АБС-пластиком требуются шнеки с малой степенью сжатия, с особенно длинными зонами загрузки и с весьма короткой, но глубокой нарезкой зоны дозирования.

При строгом подходе для оптимальной переработки каждой группы полимерных материалов необходимы шнеки специальной геометрии, а универсальные шнеки представляют собой только некоторый компромисс. Кроме того, следует иметь в виду, что при изготовлении технических деталей с высокими требованиями к качеству технолог-переработчик должен знать геометрию установленного на ТПА шнека, чтобы задать в соответствии с геометрией температурный режим в пластикационно-инжекционном узле, противодавление при пластикации и наборе дозы расплава, а также скорость вращения шнека. При использовании шнеков малых диаметров и известной геометрии путем правильного выбора технологических параметров на ТПА можно с высокой производительностью перерабатывать различные типы полимеров. Однако для обеспечения бесперебойного и оптимального производства целесообразно применять для различных типов полимеров шнеки со специальной геометрией. Диспергирующие и смесительные элементы. При литье под давлением иногда требуется такая высокая пластикационная производительность, которую нельзя обеспечить традиционными трехзонными шнеками с достаточной температурной и механической однородностью из-за следующих причин:

  • в потоке расплава сохраняются частицы нерасплавленных гранул или небольшие агломераты твердых веществ, которые не успели расплавиться или измельчиться в зонах сжатия и дозирования;
  • средние напряжения сдвига в потоке расплава материала в межвитковом пространстве шнека столь малы, что агломераты не разрушаются.

Для улучшения условий плавления и пластицирования больших потоков расплава полимера конструкцию шнека дополняют специальными элементами – диспергирующими и смесительными блоками. Диспергирующий элемент устанавливается в конце зоны дозирования шнека перед смесительным элементом и служит для обеспечения более равномерного измельчения и диспергирования твердых частиц за счет разделения потока расплава полимера на множество небольших потоков. Это деление вызывает существенные деформации сдвига, которые приводят к измельчению агломератов твердых частиц. Однако при использовании диспергирующих элементов с неправильно рассчитанными размерами и неверно выбранной формой может быть нарушен осевой профиль давления в пластикационно-инжекционном узле, что может привести к повышению температуры расплава и снижению пластикационной производительности.

Все термопластавтоматы Chen Hsong комплектуются высокопроизводительными шнеками, изготовленными с применением японских технологий. Вы можете выбрать универсальные или специализированные шнеки, в зависимости от требований к технологическому процессу. Если у вас возникли трудности с выбором шнека, наши специалисты помогут подобрать необходимый шнек, подходящий под особенности процесса литья на вашем производстве, что позволит добиться решения поставленных задач без простоев.