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                螺桿的幾何結構
                瀏覽: 發布日期:2017-09-23

                首先,對單螺桿的幾個基礎部分做一定義。

                 

                1498737184879203.jpg

                 

                長徑比(L/D)

                 

                通常,OEM廠商確定螺桿長徑比(L/D)的方法上各有不同。一些制造商將螺桿的封閉部分定義為螺桿長度,即從進料口的前端到螺桿的末端,一些制造商則從進料口的中心位置開始計算,而另一些則將實際的有效長度定義為螺桿長度。不管怎樣,他們確定長徑比的方法還有待商榷。

                 

                圖1所示的是螺桿制造商在加工螺桿時計算實際長度的具體方法。例如,一根直徑為63.5mm的螺桿的L/D確定如下:

                 

                螺桿直徑=63.5mm

                 

                螺桿長度=1600.2mm

                 

                那么,L/D=1600.2/63.5=25.2。

                 

                在此基礎上,OEM廠商會將擠出機的L/D定為24:1,而螺桿制造商則將其L/D確定為25.2,因為這是機械加工的實際數值,螺桿制造商必須準確確定,才能完成產品制造。

                 

                擠出機的典型L/D為24:1、30:1或32:1。針對某些特殊應用時,還有L/D短至10:1和長至50:1的情況。通常,L/D的合理與否由加工工藝和具體應用決定。

                 

                進料段――深度

                 

                從圖1可以看出,螺桿的進料段是聚合物從料斗送入螺桿時首先接觸到的螺桿區域。一般來說,對于平滑內膛的擠出機,這是螺桿最深的一部分。對于直徑為63.5mm或者更小的螺桿,需要特別注意螺桿的這一段,以降低由于超過螺桿扭矩而造成的螺桿扭曲的風險。有時,采用17-4 Ph不銹鋼或其他高屈服材料來制造這種小型螺桿是非常明智的,因為這樣能夠降低發生故障的風險。

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                L/D=(螺桿長度/螺桿直徑)

                圖1 單螺桿的結構示意圖根據經驗,進料段的螺桿深度不應該超過:

                 

                Fdmax =0.2(螺桿直徑)

                 

                ――方程式1

                 

                這一公式適用于直徑為114.3mm,甚至更小的螺桿。例如,直徑為63.5mm的螺桿的深度應該滿足:

                 

                Fdmax =0.2×(63.5mm) = 12.7mm

                 

                ――方程式2

                 

                如果螺桿設計所要求的螺桿深度比Fdmax要大,那么應該精確計算螺桿的扭矩。如果螺桿的屈服強度超過了螺桿所用鋼材的2:1這一安全系數,那么就需要選擇屈服強度更高的鋼材料。

                 

                進料段――長度

                 

                螺桿進料段的主要功能是完成固體物料的輸送。固體輸送的基本理論是“塑料必須粘附于料筒,并在螺桿上滑動,從而保證聚合物能夠向前移動” 。因此,聚合物與料筒壁之間的摩擦系數(COF) 必須大于聚合物與螺桿根部之間的摩擦系數。對于那些本身COF就高的聚合物,并不需要太長的進料段。而對于大多數樹脂來說,進料段的長度一般為螺桿直徑的4~5倍,以提供足夠的壓力來輸送物料向前移動。

                 

                對于那些具有低COF的樹脂,進料段的長度可能要達到直徑的8~10倍。通常,需要長進料段的一個原因是,確保將更多的熱量傳遞給固體樹脂,使樹脂粘附于機筒上,從而產生物料向前輸送所需的壓力。需要注意的是,對于難于進料的材料,可以采用內冷螺桿來保持螺桿根部的冷卻,從而增大樹脂與螺桿根部的鋼材料之間的COF。

                 

                應該指出的是,為了找到改善那些COF較差的固體物料的輸送方法,早在20世紀60年代,歐洲就開發出了溝槽(groove)進料技術?,F在,該技術也已經完全被美國采用。但是,作為一項重要的加工技術其發展仍然比較緩慢。

                 

                過渡段

                 

                傳統螺桿的過渡段或壓縮段主要用于聚合物的熔融。該部分的深度最初與進料段相當,并由根部開始逐漸變淺,最終達到計量段的深度。采用這種設計的好處是,能夠迫使物料直接接觸料筒壁,而這里正是樹脂發生熔融的地方。

                 

                在過渡段的設計中,必須知道的最重要的因素是,過渡段的坡度必須與材料的熔融速率盡可能地匹配。為了將擠出機的產率最大化,并降低螺桿和料筒組件的磨損,這種計算非常必要。

                 

                通常,對于一個24:1 L/D的螺桿,其過渡段的長度一般為螺桿直徑的5~10倍,具體情況視所加工的聚合物的類型而定。

                 

                計量段

                 

                螺桿的計量段是聚合物完成熔融,并通過加壓使熔融物料克服擠出壓力(頭壓)的區域。其簡單計算如下:

                 

                產量=2.3D2hmSGN

                 

                ――方程式3

                 

                其中,D表示螺桿直徑,hm表示計量段深度,SG表示樹脂的密度,單位為g/cm3,N表示螺桿轉速,單位為r/min。

                 

                該公式能夠估算出螺桿的產率,或者逆向計算出計量深度,以此確定理論上的大致產量。但是,該公式主要適用于頭壓較低的情況。

                 

                壓縮比

                 

                壓縮比可以說是最易被濫用和誤解,但是廣泛使用的螺桿專用術語。

                 

                壓縮比=Hf/Hm

                 

                ――方程式4

                 

                舉例來說,如果直徑為63.5mm的螺桿其進料段深度(hf)為7.62mm,計量段深度(hm)為2.54mm,那么,壓縮比就是:

                 

                CR=7.62mm/2.54mm=3:1

                 

                ――方程式5

                 

                但是,也可能同樣是直徑為63.5mm的螺桿,其進料段深度為11.43mm,計量段深度為3.81mm,而壓縮比同樣為3:1,但計算方程式為:

                 

                CR=11.43mm/3.81mm=3:1

                 

                ――方程式6

                 

                盡管這兩只螺桿的壓縮比都是3:1,但實際上它們是兩根完全不同的螺桿。第一根螺桿的剪切速率更高,而產率只能實現2/3。第二根螺桿的剪切速率相對較低,能夠加工對剪切力更敏感的材料,且具有更高的產率。

                 

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