Шнек для термопластавтомата – ключевой элемент узла смыкания. 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.

Шнек для термопластавтомата: 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:

1 – зональный;

2 – с короткой зоной сжатия;

3 – 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.