機筒溝槽和螺桿螺槽耦合作用下的徑向熔融理論研究

眾所周知，螺桿和機筒是塑料機械擠出機的兩個重要的零件，如果損壞的話，就會影響機器的運轉，那么在維修的時候，我們需要注意哪些事項呢?

1、扭斷的螺桿要根據(jù)機筒的實際內徑來考慮，按與機筒的正常間隙給出新螺桿的外徑偏差進行制造。

2、磨損螺桿直徑縮小的螺紋表面經(jīng)處理后，熱噴涂耐磨合金，然后再經(jīng)磨削加工至尺寸。這種方法一般有專業(yè)噴涂廠加工修復，費用還比較低。

3、在磨損螺桿的螺紋部分堆焊耐磨合金。根據(jù)螺桿磨損的程度堆焊1~2mm厚，然后磨削加工螺桿至尺寸。這種耐磨合金由C、Cr、Vi、Co、W和B等材料組成，增加螺桿的抗磨損和耐腐蝕的能力。專業(yè)堆焊廠對這種加工的費用很高，除特殊要求的螺桿，一般很少采用。

4、修復螺桿也可用表面鍍硬鉻方法，鉻也是耐磨和抗腐蝕的金屬，但硬的鉻層比較容易脫落。

機筒的內表面硬度高于螺桿，它的損壞要比螺桿來得晚。機筒的報廢就是內徑直徑由于時間磨損而增大。它的修復方法如下：

1、因磨損增加直徑的機筒，如果還有一定的滲氮層時，可把機筒內孔直接進行鏜孔，研磨至一個新的直徑尺寸，然后按此直徑配制新螺桿。

2、機筒內徑經(jīng)機加工修整重新澆鑄合金，厚度在1~2mm間，然后 精加工至尺寸。

3、一般情況下機筒的均化段磨損較快，可將此段(取5~7D長)經(jīng)鏜孔修整，再配一個滲氮合金鋼襯套，內孔直徑參照螺桿直徑，留在正常配合間隙，進行加工配制。

在這里強調一點，螺桿以及機筒這兩個重要零件，一個是細長的螺紋桿，一個是直徑比較小而長的孔，它們的機械加工以及熱處理工藝都較為的復雜，精度的保證都會比較困難。所以，對這兩個零件的磨損后是修復還是更換新件，一定要從經(jīng)濟角度全面分析。如果修理費用比更換新螺桿費用低些，就決定修，這不一定是正確的選擇，修理費用與更新費用的比較，只是一個方面。另外還要看修理費用與修理后使用螺桿時間與更新費用和更新螺桿使用時間的比值。采用比值花費較小的方案才是最經(jīng)濟，最正確的選擇。

（來源：pvc塑料網(wǎng)）

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擠出機是擠出、注塑、吹塑等塑料成型工藝的關鍵部件，螺桿則是塑料擠出機的心臟。由于裝配的需要，擠出機螺桿與機筒之間存在一個配合間隙δ，由于這個配合間隙在螺桿直徑方向上，所以也稱直徑間隙或裝配間隙。而且這個配合間隙是一個關系到擠出機工作性能的重要參量。下面分兩部分，第一部分論述間隙δ的存在對擠出機整機性能的影響；第二部分說明國內外擠出機螺桿機筒直徑間隙大小不同比較。

1.間隙對擠出機工作性能的影響。

1.1靜態(tài)影響

擠出機流量計算公式為：Q=Qd-Qp-Ql 即等于正流Qd、壓力流Qp和漏流Ql的代數(shù)和。其中擠出機漏流Ql是一種在螺棱和機筒形成的間隙δ中沿螺桿軸線向料斗方向的流動，它是由機頭、分流板和濾網(wǎng)等對熔體的反壓造成的流動。由于間隙δ很小，故在正常情況下，漏流較之正流小很多。但也不能完全忽略之。

在相關假設基礎之上，根據(jù)流體力學的分析方法，可推導出漏流量的計算公式如下：

(具體推到過程參見參考文獻[1]和[3])

式中：D為螺桿直徑（cm）；δ為螺桿與機筒間隙（cm）；μ2為間隙δ中塑料熔體的黏度（pa·s）；φ為螺旋升角；e'為沿螺桿軸向測得的螺紋棱寬（cm）

；p1為計量段開始處熔體壓力（Mpa）；p2計量段末端處熔體壓力（Mpa）；

由以上兩公式可以看出：增加擠出機產(chǎn)量，需要減少漏流量。而漏流量與螺桿機筒間隙的三次方成正比。因此可以通過減小螺桿與機筒之間間隙來實現(xiàn)減少漏流量。

由于螺桿與機筒的間隙關乎擠出機產(chǎn)量及加工、裝配精度。在設計擠出機時，需要從各個因素來綜合考慮螺桿與機筒間隙。間隙太小，擠出產(chǎn)量增加產(chǎn)量，但增加螺桿與機筒的磨損。間隙太大，一方面漏流量上升，產(chǎn)量下降；另一方面，將導致熔膜增厚，因而不利于熱傳導并降低了剪切速率，不利于物料的熔融。且實踐證明[1]：當δ增大至計量段螺槽深的15%時，在給定條件下，經(jīng)計算其漏流量已達37%。此時，螺桿和機筒磨損太大，生產(chǎn)很不經(jīng)濟。所以有必要選擇高耐磨材料，如雙金屬機筒與螺桿結構。

另外，在擠出機設計中，還要根據(jù)被加工物料性質選擇不同的間隙δ值。例如：對于溫度敏感的物料，間隙δ值可以選大些，減少因剪切而產(chǎn)生的熱分解；對于低粘度的非熱敏性物料，比如高密聚乙烯，間隙δ可以小一些，以增加其剪切。

1.2 動態(tài)影響

上面只是靜態(tài)地分析了螺桿機筒間隙對擠出機工作性能的影響，主要是溫室時的裝配間隙。當擠出機運轉時，由于加工溫度和螺桿上的壓力載荷，螺桿和機筒間的實際間隙會發(fā)生變化。當加工溫度遠高于是溫室時，螺桿和機筒具有不同的熱膨脹系數(shù)，或螺桿溫度與機筒溫度不同時，間隙就會發(fā)生變化。而間隙的變化就有可能引起螺桿抱死現(xiàn)象。

計算表明[4]：由壓力載荷引起的螺桿徑向膨脹，而發(fā)生間隙變化相當小，可以不予考慮。倒是擠出機加料段的螺桿和機筒溫度差異需要特別關注。加料段的機筒上一般都有水冷卻，而螺桿卻因為其它區(qū)的高溫熱傳導溫度較高。由此螺桿與機筒就存在一個溫度差。這個溫度差導致了兩者的膨脹不同，進而使兩者之間的間隙發(fā)生變化。如果間隙小到超出原裝配間隙時，就會發(fā)生螺桿抱死現(xiàn)象。為了避免螺桿抱死情況的出現(xiàn)，可以在設計擠出機時，加大加料段的螺桿機筒間隙，也即減少進料段的螺桿直徑，每毫米至少0.002㎜[4]。這樣，在增加加料段螺桿與機筒間隙之后，既基本不影響擠出機的工作性能，還將大大降低擠出機螺桿抱死的可能性。

2.國內擠出機螺桿與機筒直徑間隙與國外螺桿機筒間隙比較。

上面分析了擠出機螺桿與機筒間隙的對整機工作性能的靜態(tài)與動態(tài)影響。下面比較國內與國外對螺桿機筒間隙的不同要求。

表1 螺桿與機筒直徑間隙（JB/T8061-96）單位：㎜

表2 國外螺桿與機筒直徑間隙（注：上表單位：in，下表單位：㎜）

從以上表1、表2數(shù)據(jù)分析：1）螺桿直徑超過200㎜，JB/T8061標準內沒有規(guī)定；2）國外螺桿與機筒直徑間隙比國內標準平均小0.1㎜；3）國外標準公差帶在0.07～0.13㎜范圍內，而JB/T8061標準內同規(guī)格公差帶在0.16～0.25范圍內。由此可以看出國外對于螺桿與機筒要求的嚴格。

當然，在標準JB/T8061里規(guī)定的螺桿機筒間隙只是一個最低的參考要求。在現(xiàn)代的加工條件下，完全有能力再縮小間隙。當然這也是有必要的。但間隙減小也需要螺桿和機筒的加工支持。在德國等發(fā)達國家對于螺桿機筒加工精度的提高[5]，比如螺桿端面跳動誤差可以控制在0.01㎜以內；螺桿外徑誤差可以控制住0.005㎜以內；螺桿外表面和料筒內表面的粗糙度不大于0.2μm。也正是國外塑機產(chǎn)業(yè)在螺桿機筒等各個環(huán)節(jié)的精益求精，保證了整機裝配精度及工作性能，讓進口擠出機與國產(chǎn)擠出機在能耗、塑化能力等方面有了很大的差距。比如國內生產(chǎn)φ150/25擠出機，在加工HMWHDPE粉料時，其塑化能力僅達到400kg/h，德國Krupp公司的φ150/25擠出機在加工70%新料和30%粉碎料混合的HMWHDPE，其塑化能力達到600kg/h，是國產(chǎn)擠出機產(chǎn)量的1.5倍。

總之，塑料擠出機螺桿與機筒間隙值的選取是一個綜合性問題，在設計時，必須結合被加工物料的性質、機頭阻力的情況、螺桿機筒的材質及熱處理情況、機械加工條件以及螺桿直徑大小來合理選取。