摘要：本文分析了注射螺杆鱼雷区螺纹的功能工作原理,从塑化理论对注射螺杆鱼雷区螺纹的几何参数进行分析研究,提出了设计注射螺杆鱼雷区螺纹几何参数的设计理论,经实践应用证明,作者提出的注射螺杆鱼雷区螺纹设计是符合实际的。
关键词：注塑机；螺杆；鱼雷区；设计研究
传统的三段式注射螺杆的混合效果相对较差,主要靠加工参数变量如背压、转速、温度等。特别是塑化物料中含有比例较大回料情况下,塑化不同粘度的材料组分的情况下，直接在物料中混合颜料进行塑化的情况下，其本身塑化性能的不足更显示出来,很有可能成形的制品达不到质量要求,如表面的色度、内部的颜色分散性、力学性能等。为了不依赖于加工参数而得到足够均化的熔体,有些螺杆设计有剪切混炼结构,较多在螺杆尾部设计鱼雷区的剪切混炼结构,目的是进一步改善熔体的混炼质量,以得到高质量均质的熔体。本文研究的常用的螺旋鱼雷区螺纹的设计,供大家参考。
1 注射螺杆鱼雷区的作用原理、功能及适用范围
鱼雷区与计量区具有不同的功能。如果物料通过计量区已能达到均质的熔体，则不必再设计鱼雷区。注射螺杆的鱼雷区设计在螺杆头与均化（计量）段之间。鱼雷区一般称为混炼段。鱼雷区的螺旋剪切的沟槽设计，是注射塑化的辅助剪切,通过对某些物料通过计量区没能达到均质的熔体，鱼雷区可对塑化质量进行弥补、未均质熔料的进一步剪切混合,加强了熔料的流动，实现了低温熔融，提高了混炼效果。鱼雷区的螺旋剪切的沟槽形式,减小了剪切元件导致的压力损失。熔体在鱼雷区内,进一步分裂和在混合,使其热的均质性和力学均质性得到改善。
从计量区输出的熔体充溢鱼雷区的窄缝剪切装置中，在输入高剪切下得到更好的分散（特别能改善填充材料的分散性），此外，螺棱与机筒内壁之间的间隙的作用像过滤器，它使仍未熔的物料回流,再一次进行剪切混合。对于热敏性、结晶型、易分解型塑料，如PC、PET、PVC、POM等，不能承受鱼雷区的窄缝高剪切，不宜设计鱼雷区。一些对剪切不敏感的物料，如半结晶型塑料PE，也不宜设计鱼雷区。
2 鱼雷区螺纹的主要技术参数设计
螺纹是鱼雷区剪切混合的最主要的结构,直接关系到其性能的优劣。注射螺杆的鱼雷区类似于挤出螺杆的鱼雷区的结构,但由于其性能要求有所不同,其螺纹的技术参数也有所不同。鱼雷区主要结构特征是螺纹，螺纹的主要技术参数主要由螺纹升角、螺纹头数、螺纹长度、螺纹深度等组成。
2.1 鱼雷区螺纹的螺纹升角
鱼雷区的设计,力求压力流为中性行为,即这个元件(结构)不消耗压力。在实际设计中,只能做到尽量少消耗压力。压力消耗,直接与螺纹的螺距大小挂钩,即螺纹升角的设计来达到。螺纹升角取多大为合适，是一个值得研究的课题。我们从研究输送流率角度出发，研究鱼雷区螺纹的有关技术参数，作为设计鱼雷区螺纹有关技术参数的重要理论依据。
2.1.1 螺纹槽深及升角与输送流率的关系{1}
根据输送理论，沿螺槽方向的输送流率q： （1）
式中：
q ： 输送流率；
I ： 螺纹头数；
D ： 螺杆直径；
n ： 螺杆塑化转速；
h ： 螺纹深度；
W ： 垂直于螺纹面的螺槽宽度； （2）
式中： （3）
E ： 螺棱宽度；
θ ： 螺纹升角；
P ： 压力流；
μ ： 熔体粘度；
L ： 螺纹长度。
由式(1),可得压力流P为： （4）
压力留P对槽深h的微分： （5）
 最佳槽深h●为: （6）
把（2）式代入（6）式，可得最佳槽深的表达式： （7）
（2）式代入（1）式，可得： （8）
式中：
2.1.2 螺纹升角取值
从上述分析中，可得出以下的几点结论：
(a)从输送流率角度出发，可以得出螺纹的最佳升角:
如果螺棱宽度e趋于零,则b→0,b/sin→0,由式(12):
从理论上推导出鱼雷区的最佳槽深和最佳螺纹角,为实际的设计提供了理论依据。实际中,螺棱宽度不可能为零,一般，e/D≈0.1。当e/D=0.1 ，(3)式,可写为,b = 0.1I/π = 0.00338I ＜ 0.02。可得出，0.07＜b/sinθ ＜ 0.98,则，1-b/sinθ ≈ 1,式(12)中1/(1- b/sinθ) ≈ 1,从(12)式可以得出螺纹最佳升角的范围为：25° ＜θ●＜30°。
（b） 从（1）式，当θ→90°，主要进行剪切混炼效，输送流率q → 0；当θ= 90°,从理论上分析,没有输送流率,但实际上，在压力流的驱动下，还是有熔料输出。θ= 90°，是θ角的极限情况。
(c) 螺纹升角取值的结论：
注射螺杆的混合剪切是提高塑化的均质性，鱼雷区螺旋升角大小主要与所塑化的物料的特性及组成有关，塑化的物料一般都是经挤出混炼内部组分均质的，所以，注射螺杆的剪切混炼元件的性能要求相对于挤出螺杆的剪切混炼元件的性能要求有所不同。从上述分析可以看出，输送率达到最大，势必会达不到剪切混炼的效果，同理，剪切混炼效果达到最大，输送率趋近于0，对于注射塑化的鱼雷区的剪切混炼的功能来说，这两个极端都没有必要。注射螺杆的剪切混炼元件的性能要求，兼顾输送与剪切混炼的两个方面，在保证均质的塑化前提下,尽可能加大输送能力,以尽可能达到中性压力的性能。为适应大多数常用塑料的塑化，根据0.5平均值优选法取法的原理，在输送率的最佳螺纹升角与最大剪切混炼角的两个角中取一个平均值，作为鱼雷区螺纹的升角范围，即θ角为：
 （13）
一般可采用螺纹升角θ为60°。
一般在挤出螺杆的类似设计中,θ角取45°较多。我们必须注意到,挤出螺杆的塑化要求比注射螺杆的塑化要求高,小的θ角有利于提高剪切塑化均质性。当然,注射螺杆的θ角也可取45°，但应与螺文长度、螺槽深度等参数综合考虑。
在资料[2]中,介绍了一例对多种物料有满意结果的螺杆鱼雷区的几何参数。从这一组几何参数可以看出,鱼雷区的螺纹升角与作者理论推导出的结果及实际设计基本上一致。资料[2]中标准螺旋鱼雷几何参数
注：表中D指螺杆直径。 3.2 鱼雷区的槽深ｈ
从(1)式可知,槽深h减小,那么返流漏出的部分一定比向前推动的熔流下降得更快,所以,小的槽深h有利于得到更高的输送率,即有利于减少能量损耗。从这一结论出发，同时考虑到加工，鱼雷区的槽深可与计量区的螺纹槽深一致。
3.3 鱼雷区的螺纹长度Ｌ
从（1）式可知，螺纹长度与返流漏出部分的量有关，增加鱼雷区螺纹长度有利于降低返流，提高剪切混合质量,但螺纹太长消耗压力,易过高产生剪切热，对熔料的性能不利，综合两方面的因素，螺纹长度取螺杆直径的1.5～2D,与螺纹升角相匹配,以达到稳定的压力梯度。
3.4 鱼雷区的螺纹头数
鱼雷区的螺纹头数为多头螺纹,在确保螺纹强度及设计可能的情况下,尽可能增加螺纹头数,以提高对熔体的分散能力。
3.5 鱼雷区剪切螺纹与机筒内壁之间隙
鱼雷区剪切螺纹与机筒内壁之间隙是熔料的剪切区域,也是对未熔融物料的过滤区域。为起到熔融均质的功能,同时考虑到注射塑化的特点,间隙取0.50mm～0.80mm。
注射螺杆鱼雷区(混炼头)简图
4 实际应用
把螺纹的最佳升角作为鱼雷区设计研究的重点，对螺纹槽深不作特殊考虑，鱼雷区的槽深与计量区的螺纹槽深一致,。经作者的实际设计和实践应用证明，螺纹升角取60°，是较为理想的螺纹升角。在60°的螺纹升角的情况下，能取得较为理向的均质熔体，适用范围也较广，用户反映良好。
5 结论
注射螺杆的剪切混合元件的形式很多，很难说，那一种是最佳的，但基本剪切混合的所要达到的目的是相同。剪切混合元件设置在螺杆的不同部位,其功能有所不同。本文提出鱼雷区螺纹设计的主要目的是要引起对塑化均质理论和实际应用的研究的重视,特别是对于精密注射成形,如何在螺杆结构设计上确保取得均质的塑化熔体,尤为重要。
参 考 文 献
[1] 张友根. 注射螺杆设计探讨[J]. 塑料机械, 2007,(2): 12～15.
[2] James L.White Helmut Potente. 螺杆挤出[M].北京: 化学工业出版社， 2005: 134～135.
Design studies of the whorl of torpedo area of the injection screw
Zhang Yougen
( NingBo Haihang Plastic Machinery Manufacture Co.,Ltd. 315806 )
Abstract: The paper was analyzed the function work principle of injection screw torpedo area whorl, and from the geometry parameter analysis research to the whorl in injection screw torpedo area of plasticizing theory, put forward the design theory of design injection screw torpedo area whorl geometry parameter. Applying proving through the practice, the injection screw torpedo area whorl design that author put forward fits reality.
keywords: The injection molding machine Screw Torpedo area Design studies
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