螺桿直徑-國立高雄第一科技大學(xué)課件

1聚碳酸酯級射膠螺桿設(shè)計(jì)與分析參與人員：蔡宗鴻、徐啟耀、賴致佑指導(dǎo)教授:黃明賢教授國立第一科技大學(xué)

精密射出成形實(shí)驗(yàn)室

(PIMLab)1聚碳酸酯級射膠螺桿設(shè)計(jì)與分析參與人員：蔡宗鴻、徐啟耀、賴致目錄摘要研究動機(jī)與目的射膠螺桿基本介紹研究整體架構(gòu)螺桿分析模型建立與CAE參數(shù)研究螺桿關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)最佳化之CAE實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論目錄摘要摘要

本研究以富強(qiáng)鑫精密股份有限公司AF系列射出單元為架構(gòu)，利用CAE技術(shù)結(jié)合田口實(shí)驗(yàn)方法，以直徑66射膠螺桿配合PC塑料進(jìn)行射出螺桿的設(shè)計(jì)參數(shù)最佳化研究。目標(biāo)提升螺桿設(shè)計(jì)規(guī)範(fàn)(A

B

C三種形式)平均塑化能力10%以上。並以實(shí)際直徑66螺桿(L/D=22)加以修正。

根據(jù)文獻(xiàn)回顧射出螺桿品質(zhì)特性應(yīng)具有四大目標(biāo):1.促進(jìn)分配混煉2.改良剪切混煉3.提升塑化能力4.改善融膠溫度均勻性。計(jì)畫目標(biāo)將探討射膠螺桿塑化能力以及融膠溫度差。從CAE模擬分析結(jié)果直徑66之射膠螺桿最佳參數(shù)為Hm/D=0.075，L/D=22，Lf:Lc:Lm=0.55:0.3:0.15，Cr=2.4。

3摘要本研究以富強(qiáng)鑫精密股份有限公司AF系列射出研究動機(jī)與目的過去對於射出螺桿多以經(jīng)驗(yàn)法則或試誤法進(jìn)行設(shè)計(jì)，往往造成成本的浪費(fèi)且效果並不顯著。若能以CAE技術(shù)建立適當(dāng)?shù)姆治瞿Ｐ蛠K結(jié)合品質(zhì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)法，探討螺桿設(shè)計(jì)參數(shù)，即可節(jié)省時(shí)間及降低實(shí)作成本。

研究方法是以CAE分析軟體結(jié)合田口方法，針對影響射出螺桿在塑化效果與成形品質(zhì)方面的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)行完整的田口分析實(shí)驗(yàn)，最終使塑化能力獲得明顯的改善提升。4研究動機(jī)與目的過去對於射出螺桿多以經(jīng)驗(yàn)法則或試

CAE模擬分析是由Moldex3D內(nèi)掛載的Screw-plus軟體所執(zhí)行的。所輸入的參數(shù)有:螺桿直徑、螺桿幾何、加熱片溫度、加熱片段數(shù)、背壓以及轉(zhuǎn)數(shù)等。塑料初始溫度以Moldex3D內(nèi)的塑料建議溫度做為設(shè)定溫度的範(fàn)圍。將加熱片分為5大段，其中將第一大段分為10小段，讓溫度能夠均勻的上升。5均分為10小段可移動5段分別為0%

25%

50%75%100%輸出結(jié)果參考塑化率Move0%25%50%75%100%以及ΔT(融膠溫度-塑料最高溫度)。融膠溫度值CAE模擬分析是由Moldex3D內(nèi)掛載的S6溫度設(shè)定背壓設(shè)定轉(zhuǎn)數(shù)設(shè)定螺桿幾何加熱片段數(shù)6溫度設(shè)定背壓設(shè)定轉(zhuǎn)數(shù)設(shè)定螺桿幾何加熱片段數(shù)射膠螺桿基本介紹一般射出成形機(jī)主要架構(gòu)可分為射出單元、鎖模單元、動力單元與控制系統(tǒng)。其中射出單元中的關(guān)鍵零組件即是射出螺桿，它必須負(fù)責(zé)塑料的輸送、塑化、混煉、射出等功能，是影響塑化能力和成形品質(zhì)的關(guān)鍵部件。7塑料隨著牙深越淺固體分佈也越少射膠螺桿基本介紹一般射出成形機(jī)主要架構(gòu)可分為

入料段-負(fù)責(zé)塑料運(yùn)送並推擠與遇熱。應(yīng)保證入料段結(jié)束時(shí)開始熔融，預(yù)熱到熔點(diǎn)。壓縮段-負(fù)責(zé)塑料的混練、壓縮與加壓排氣，在此區(qū)塑料逐漸熔融。對於非結(jié)晶塑料，壓縮段應(yīng)長一些，否則螺槽體積下降得太快，料體積未減會造成阻塞。

計(jì)量段-理論上到計(jì)量段之開始點(diǎn)，料應(yīng)該完全熔融，但至少要保持4D。若太長混鍊效果佳，但易使熔體停留過久，而產(chǎn)生熱分解；太短則使溫度不均勻。

進(jìn)料牙深與計(jì)量牙深-進(jìn)料牙深越深，再進(jìn)料區(qū)之輸送越大，但須考慮螺桿強(qiáng)度。計(jì)量牙深越淺，塑化發(fā)熱、混合性能指數(shù)越高，但須防範(fàn)塑料燒焦。8入料段-負(fù)責(zé)塑料運(yùn)送並推擠與遇熱。應(yīng)保證入料研究整體架構(gòu)9CAE田口實(shí)驗(yàn)與最佳螺桿參數(shù)建立螺桿塑化關(guān)鍵參數(shù)選擇YES產(chǎn)出報(bào)告新式螺桿製作與實(shí)驗(yàn)測試驗(yàn)證產(chǎn)出新式螺桿設(shè)計(jì)計(jì)算書及圖面塑化能力較原始螺桿提升10%NOYES實(shí)驗(yàn)測試塑化能力表現(xiàn)CAE參數(shù)仿真模擬研究塑化能力比對驗(yàn)證模擬準(zhǔn)確性建立射出螺桿CAE分析模型

NO第一階段第二階段第三階段研究整體架構(gòu)9CAE田口實(shí)驗(yàn)與螺桿塑化YES產(chǎn)出報(bào)告新式螺桿CAE與定點(diǎn)擠出塑化能力表現(xiàn)以AF-100射出螺桿（直徑28mm）為分析載具，根據(jù)原有螺桿及料管設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。並建立螺桿分析模型

Screw-Plus輸入?yún)?shù)，模擬相同材料及實(shí)際成形條件進(jìn)行分析。將螺桿定點(diǎn)、固定背壓加料擠出，以流出融膠重量/時(shí)間計(jì)算，螺桿位於0mm實(shí)驗(yàn)可得最大塑化率；與CAE分析螺桿Move0%

之?dāng)?shù)據(jù)做為比較基礎(chǔ)。10第一階段CAE與定點(diǎn)擠出塑化能力表現(xiàn)以AF-100射出螺桿（直徑28射出機(jī)臺：AF-100(螺桿直徑28mm)理論射出容量92cm3計(jì)量行程150mm實(shí)驗(yàn)材料：日本Kuraray型號GH-1000S的PMMA量測儀器：電子磅秤，射出融膠重量量測接觸式溫度感測器，射出融膠中心溫度值量測11實(shí)驗(yàn)設(shè)備第一階段射出機(jī)臺：AF-100(螺桿直徑28mm)11實(shí)驗(yàn)設(shè)備步驟一、座退至最後，並確認(rèn)射嘴口無阻塞。步驟二、清料三次，確保料管內(nèi)融膠完全融化。成型條件為實(shí)驗(yàn)溫度、轉(zhuǎn)速(

ex.240°C、80PRM)螺桿位置由60mm射出至0mm步驟三、將螺桿射出至螺桿位置3~5mm以降低誤差；計(jì)量背壓設(shè)定至加料時(shí)螺

桿不後退。步驟四、螺桿定點(diǎn)加料擠出融膠1min並去除之，此步驟視為穩(wěn)態(tài)前加料。步驟五、與前項(xiàng)步驟連續(xù)進(jìn)行加料，計(jì)時(shí)30秒後剪斷融膠；此步驟連續(xù)重複五次

。步驟六、紀(jì)錄由射嘴口流出之融膠量

(g/30s)，並換算塑化率

(Kg/hr)。步驟七、以接觸式溫度感測頭量測融膠溫度，在吐出融膠瞬間立即量測融膠中心溫度值，待溫度顯示達(dá)穩(wěn)定後即可。步驟八、變更螺桿轉(zhuǎn)速回到步驟三；變更塑料溫度回到步驟二。12實(shí)驗(yàn)步驟第一階段步驟一、座退至最後，並確認(rèn)射嘴口無阻塞。12實(shí)驗(yàn)步驟第一階段結(jié)果與討論分析結(jié)果平均塑化率誤差(Qerror)分布於32~52%，與溫度成正比，與轉(zhuǎn)速成反比；實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果趨勢相同。吐出融膠溫度誤差(Terror)小於4°C。溫度誤差極小，可增加實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提升可信度。CAE塑化率之誤差修正，建議以塑化率分析結(jié)果*修正係數(shù)來取得，而不以修改輸入?yún)?shù)模型進(jìn)行。13第一階段結(jié)果與討論分析結(jié)果13第一階段由AF-100塑化能力表現(xiàn)—定點(diǎn)擠出實(shí)驗(yàn)得知分析趨勢相近，為建立高準(zhǔn)確度之分析程序與技術(shù)，利用田口法簡化實(shí)驗(yàn)組數(shù)，單螺桿=L9x兩種材料(PC,PMMA)。將進(jìn)行塑化率修正係數(shù)Kq之建立，並以各因子之貢獻(xiàn)度，決定對塑化率影響最大之前二因子；納入趨勢修正係數(shù)之計(jì)算。註:塑化率趨勢修正係數(shù)

Kq:模擬塑化率Qcae*Kq=實(shí)驗(yàn)塑化率QexpKq

以曲面圖方式呈現(xiàn)，以內(nèi)差法求出預(yù)測數(shù)值。14AF-100塑化率修正系數(shù)第一階段-AF-100塑化率修正系數(shù)由AF-100塑化能力表現(xiàn)—定點(diǎn)擠出實(shí)驗(yàn)得知PartBPartA15選擇實(shí)驗(yàn)螺桿、材料決定田口L9因子水準(zhǔn)田口L9實(shí)驗(yàn)

(取得Qexp)

ANOVA分析

確定前二因子繪製Kq曲面圖取得專用螺桿*材料之塑化率趨勢修正係數(shù)進(jìn)行二因子三水準(zhǔn)

實(shí)驗(yàn)及模擬田口L9模擬

(確定水準(zhǔn)合適並取得Qcae)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證Kq*Qcae

誤差率<10%NoYesNoYes實(shí)驗(yàn)流程第一階段-AF-100塑化率修正系數(shù)PartBPartA15選擇實(shí)驗(yàn)螺桿、材料決定田口L9因塑化率Q=F(螺桿幾何,成形條件,材料係數(shù))螺桿幾何：可選擇不同直徑、相同系列設(shè)計(jì)參數(shù)之螺桿成形條件：料管溫度、螺桿轉(zhuǎn)速、加料背壓材料係數(shù)：PC、PMMA塑化行為：往復(fù)式射出、定點(diǎn)擠出(根據(jù)第一次AF-100PMMA塑化率實(shí)驗(yàn)，模擬與實(shí)驗(yàn)趨勢相近，為簡化實(shí)驗(yàn)故省略定點(diǎn)擠出實(shí)驗(yàn))16AF-100

(螺桿直徑28mm),材料PMMA,Kuraray,GH-1000SControlFactor123Note(A)料管溫度(°C)240250260根據(jù)實(shí)驗(yàn)材料選用適合成形溫度(B)螺桿轉(zhuǎn)速(RPM)80100120根據(jù)實(shí)驗(yàn)螺桿直徑選用合適轉(zhuǎn)速範(fàn)圍(C)加料背壓(Kg/cm2)01020常用之加料背壓範(fàn)圍(D)計(jì)量行程位置(D)1.534.5評估螺桿作用長度(成型載具體積)對塑化率影響實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)第一階段-AF-100塑化率修正系數(shù)塑化率Q=F(螺桿幾何,成形條件,材料係數(shù))16田口L9實(shí)驗(yàn)–塑化率誤差望大17因子變動自由度變異純變動變異比貢獻(xiàn)度(Sx)(fx)(Vx)(Sx')(FA)(r)%(A)料管溫度28.28214.1428.28-27.70%(B)螺桿轉(zhuǎn)速1.6720.841.67-1.64%(C)加料背壓67.81233.9067.81-66.42%(D)計(jì)量行程4.3222.164.32-4.24%e誤差0000-eT調(diào)合誤差0000-T總和102.0877

100.00%第一階段-AF-100塑化率修正系數(shù)由結(jié)果塑化率誤差Qerr望大得知：(

B

)螺桿轉(zhuǎn)速及(D)計(jì)量行程之趨勢相近，對塑化率之誤差影響不大。(A)料管溫度及(C)加料背壓所占貢獻(xiàn)度達(dá)94.12%。田口L9實(shí)驗(yàn)–塑化率誤差望大17因子變動自由度變異純18結(jié)果與討論

第一階段-AF-100塑化率修正系數(shù)

Item

#5

#10NoteQ.cae15.7813.92塑化率(CAE值)Kq0.640.65塑化率修正係數(shù)；#5Kq(250,10),#10Kq(260,5)Q.fix10.158.99塑化率(CAE修正後)Q.exp10.678.89塑化率(實(shí)驗(yàn)值)Q.err-4.84%1.11%誤差值[(Qfix-Qexp)/Qexp]CAE預(yù)測實(shí)驗(yàn)輸入?yún)?shù)Exp.(A)料管溫度(°C)(B)螺桿轉(zhuǎn)速(RPM)(C)加料背壓(Kg/cm2)(D)計(jì)量行程位置(D)#5250100103#102608051.25塑化率修正系數(shù)Kq驗(yàn)證

塑化率修正係數(shù)Kq可有效降低CAE

塑化率誤差。由#5,#10以修正後之CAE數(shù)據(jù)(Qfix)與實(shí)驗(yàn)比較，Qerr

小於±5%

。若增加反應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)水準(zhǔn)數(shù)，相信可有效降低修正係數(shù)之誤差值。18結(jié)果與討論第一階段-AF-100塑化19第二階段-螺桿關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)最佳化之CAE實(shí)驗(yàn)

參數(shù)選用根據(jù)螺桿設(shè)計(jì)規(guī)範(fàn)及經(jīng)驗(yàn)公式，設(shè)計(jì)一組L18實(shí)驗(yàn)因子水準(zhǔn)表，並以材料黏度（預(yù)設(shè)值及±10%）作為CAE分析輸入雜訊。模擬結(jié)果以採用(A)Hm/D(B)

L/D

(C)La:Lb:Lc(D)

Cr水準(zhǔn)進(jìn)行L9的模擬實(shí)驗(yàn)。19第二階段-螺桿關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)最佳化之CAE實(shí)驗(yàn)參數(shù)選用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)–田口L9因子水準(zhǔn)20其他參數(shù)設(shè)定如下：射出機(jī)AF-450(f66)螺桿直徑66mm

最大螺桿行程300mm射出量943g最大射壓192.67MPa最大流率1336cm3/s成型載具體積：3.5D(計(jì)量行程)實(shí)驗(yàn)材料PC,IDEMITSU,LC-1500成型參數(shù)：螺桿轉(zhuǎn)速70(RPM)加料背壓1.472(Kg/cm2)料管末端溫度Moldex建議料溫材料初始溫度：慣用烘料溫度L9ControlFactorLevel123(A)Hm/D0.0550.0650.075(B)L/D19.52224.5(C)Lf:Lc:Lm0.4:0.45:0.150.5:0.35:0.150.55:0.3:0.15(D)Cr2.152.2752.4第二階段-螺桿關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)最佳化之CAE實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)–田口L9因子水準(zhǔn)20其他參數(shù)設(shè)定如下：實(shí)驗(yàn)材料CAE分析輸出項(xiàng)目21輸出項(xiàng)目：塑化率Q(kg/hr)望大(末端融膠平均溫度–料管溫度設(shè)定值)望小

註:Q將參考模擬輸出值Move0%25%50%75%100%

這五點(diǎn)平均值。項(xiàng)目單位項(xiàng)目說明Q(kg/hr)固定成型條件下的質(zhì)量流率(kg/hr)固定成型條件下的質(zhì)量流率：與實(shí)際值比較，判斷模擬分析的準(zhǔn)確性，並作螺桿的特性曲線。Bulktemperature(°C)融膠平均溫度整體溫度沿螺桿軸向的變化；了解整體溫度的變化，可作為料管溫度設(shè)定的參考。第二階段-螺桿關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)最佳化之CAE實(shí)驗(yàn)

CAE分析輸出項(xiàng)目21輸出項(xiàng)目：項(xiàng)目單位項(xiàng)目說明Q(kg/hPC-塑化率CAE分析結(jié)果

22因子變動自由度變異純變動變異比貢獻(xiàn)度(Sx)(fx)(Vx)(Sx')(FA)(r)%(A)Hm/D7.3123.67.31-98.72%(B)L/D0.0720.030.071-0.96%(C)La:Lb:Lc

0.0220.010.02-0.30%(D)Cr0200-0%e誤差0000-eT調(diào)合誤差0000-T總和7.41

100%1.PCQ望大最佳參數(shù)為A3B3C3D2最大可達(dá)到142.5kg/hr，其中Hm/D貢獻(xiàn)度高達(dá)

99%。

2.根據(jù)文獻(xiàn)探討Hm/D越深塑化量Q也會越大。