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螺杆的几何结构
浏览: 发布日期:2017-09-23

首先,对单螺杆的几个基础部分做一定义。

 

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长径比(L/D)

 

通常,OEM厂商确定螺杆长径比(L/D)的方法上各有不同。一些制造商将螺杆的封闭部分定义为螺杆长度,即从进料口的前端到螺杆的末端,一些制造商则从进料口的中心位置开始计算,而另一些则将实际的有效长度定义为螺杆长度。不管怎样,他们确定长径比的方法还有待商榷。

 

图1所示的是螺杆制造商在加工螺杆时计算实际长度的具体方法。例如,一根直径为63.5mm的螺杆的L/D确定如下:

 

螺杆直径=63.5mm

 

螺杆长度=1600.2mm

 

那么,L/D=1600.2/63.5=25.2。

 

在此基础上,OEM厂商会将挤出机的L/D定为24:1,而螺杆制造商则将其L/D确定为25.2,因为这是机械加工的实际数值,螺杆制造商必须准确确定,才能完成产品制造。

 

挤出机的典型L/D为24:1、30:1或32:1。针对某些特殊应用时,还有L/D短至10:1和长至50:1的情况。通常,L/D的合理与否由加工工艺和具体应用决定。

 

进料段――深度

 

从图1可以看出,螺杆的进料段是聚合物从料斗送入螺杆时首先接触到的螺杆区域。一般来说,对于平滑内膛的挤出机,这是螺杆最深的一部分。对于直径为63.5mm或者更小的螺杆,需要特别注意螺杆的这一段,以降低由于超过螺杆扭矩而造成的螺杆扭曲的风险。有时,采用17-4 Ph不锈钢或其他高屈服材料来制造这种小型螺杆是非常明智的,因为这样能够降低发生故障的风险。

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L/D=(螺杆长度/螺杆直径)

图1 单螺杆的结构示意图根据经验,进料段的螺杆深度不应该超过:

 

Fdmax =0.2(螺杆直径)

 

――方程式1

 

这一公式适用于直径为114.3mm,甚至更小的螺杆。例如,直径为63.5mm的螺杆的深度应该满足:

 

Fdmax =0.2×(63.5mm) = 12.7mm

 

――方程式2

 

如果螺杆设计所要求的螺杆深度比Fdmax要大,那么应该精确计算螺杆的扭矩。如果螺杆的屈服强度超过了螺杆所用钢材的2:1这一安全系数,那么就需要选择屈服强度更高的钢材料。

 

进料段――长度

 

螺杆进料段的主要功能是完成固体物料的输送。固体输送的基本理论是“塑料必须粘附于料筒,并在螺杆上滑动,从而保证聚合物能够向前移动” 。因此,聚合物与料筒壁之间的摩擦系数(COF) 必须大于聚合物与螺杆根部之间的摩擦系数。对于那些本身COF就高的聚合物,并不需要太长的进料段。而对于大多数树脂来说,进料段的长度一般为螺杆直径的4~5倍,以提供足够的压力来输送物料向前移动。

 

对于那些具有低COF的树脂,进料段的长度可能要达到直径的8~10倍。通常,需要长进料段的一个原因是,确保将更多的热量传递给固体树脂,使树脂粘附于机筒上,从而产生物料向前输送所需的压力。需要注意的是,对于难于进料的材料,可以采用内冷螺杆来保持螺杆根部的冷却,从而增大树脂与螺杆根部的钢材料之间的COF。

 

应该指出的是,为了找到改善那些COF较差的固体物料的输送方法,早在20世纪60年代,欧洲就开发出了沟槽(groove)进料技术。现在,该技术也已经完全被美国采用。但是,作为一项重要的加工技术其发展仍然比较缓慢。

 

过渡段

 

传统螺杆的过渡段或压缩段主要用于聚合物的熔融。该部分的深度最初与进料段相当,并由根部开始逐渐变浅,最终达到计量段的深度。采用这种设计的好处是,能够迫使物料直接接触料筒壁,而这里正是树脂发生熔融的地方。

 

在过渡段的设计中,必须知道的最重要的因素是,过渡段的坡度必须与材料的熔融速率尽可能地匹配。为了将挤出机的产率最大化,并降低螺杆和料筒组件的磨损,这种计算非常必要。

 

通常,对于一个24:1 L/D的螺杆,其过渡段的长度一般为螺杆直径的5~10倍,具体情况视所加工的聚合物的类型而定。

 

计量段

 

螺杆的计量段是聚合物完成熔融,并通过加压使熔融物料克服挤出压力(头压)的区域。其简单计算如下:

 

产量=2.3D2hmSGN

 

――方程式3

 

其中,D表示螺杆直径,hm表示计量段深度,SG表示树脂的密度,单位为g/cm3,N表示螺杆转速,单位为r/min。

 

该公式能够估算出螺杆的产率,或者逆向计算出计量深度,以此确定理论上的大致产量。但是,该公式主要适用于头压较低的情况。

 

压缩比

 

压缩比可以说是最易被滥用和误解,但是广泛使用的螺杆专用术语。

 

压缩比=Hf/Hm

 

――方程式4

 

举例来说,如果直径为63.5mm的螺杆其进料段深度(hf)为7.62mm,计量段深度(hm)为2.54mm,那么,压缩比就是:

 

CR=7.62mm/2.54mm=3:1

 

――方程式5

 

但是,也可能同样是直径为63.5mm的螺杆,其进料段深度为11.43mm,计量段深度为3.81mm,而压缩比同样为3:1,但计算方程式为:

 

CR=11.43mm/3.81mm=3:1

 

――方程式6

 

尽管这两只螺杆的压缩比都是3:1,但实际上它们是两根完全不同的螺杆。第一根螺杆的剪切速率更高,而产率只能实现2/3。第二根螺杆的剪切速率相对较低,能够加工对剪切力更敏感的材料,且具有更高的产率。

 

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