機(jī)筒溝槽和螺桿螺槽耦合作用下的徑向熔融理論研究項(xiàng)目摘要

眾所周知，螺桿和機(jī)筒是塑料機(jī)械擠出機(jī)的兩個(gè)重要的零件，如果損壞的話，就會(huì)影響機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)，那么在維修的時(shí)候，我們需要注意哪些事項(xiàng)呢?

1、扭斷的螺桿要根據(jù)機(jī)筒的實(shí)際內(nèi)徑來(lái)考慮，按與機(jī)筒的正常間隙給出新螺桿的外徑偏差進(jìn)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(zhuān)業(yè)噴涂廠加工修復(fù)，費(fèi)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(zhuān)業(yè)堆焊廠對(duì)這種加工的費(fèi)用很高，除特殊要求的螺桿，一般很少采用。

4、修復(fù)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(jī)筒的內(nèi)表面硬度高于螺桿，它的損壞要比螺桿來(lái)得晚。機(jī)筒的報(bào)廢就是內(nèi)徑直徑由于時(shí)間磨損而增大。它的修復(fù)方法如下：

1、因磨損增加直徑的機(jī)筒，如果還有一定的滲氮層時(shí)，可把機(jī)筒內(nèi)孔直接進(jìn)行鏜孔，研磨至一個(gè)新的直徑尺寸，然后按此直徑配制新螺桿。

2、機(jī)筒內(nèi)徑經(jīng)機(jī)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(jī)筒的均化段磨損較快，可將此段(取5~7D長(zhǎng))經(jīng)鏜孔修整，再配一個(gè)滲氮合金鋼襯套，內(nèi)孔直徑參照螺桿直徑，留在正常配合間隙，進(jìn)行加工配制。

在這里強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，螺桿以及機(jī)筒這兩個(gè)重要零件，一個(gè)是細(xì)長(zhǎng)的螺紋桿，一個(gè)是直徑比較小而長(zhǎng)的孔，它們的機(jī)械加工以及熱處理工藝都較為的復(fù)雜，精度的保證都會(huì)比較困難。所以，對(duì)這兩個(gè)零件的磨損后是修復(fù)還是更換新件，一定要從經(jīng)濟(jì)角度全面分析。如果修理費(fèi)用比更換新螺桿費(fèi)用低些，就決定修，這不一定是正確的選擇，修理費(fèi)用與更新費(fèi)用的比較，只是一個(gè)方面。另外還要看修理費(fèi)用與修理后使用螺桿時(shí)間與更新費(fèi)用和更新螺桿使用時(shí)間的比值。采用比值花費(fèi)較小的方案才是最經(jīng)濟(jì)，最正確的選擇。

（來(lái)源：pvc塑料網(wǎng)）

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擠出機(jī)是擠出、注塑、吹塑等塑料成型工藝的關(guān)鍵部件，螺桿則是塑料擠出機(jī)的心臟。由于裝配的需要，擠出機(jī)螺桿與機(jī)筒之間存在一個(gè)配合間隙δ，由于這個(gè)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(gè)配合間隙是一個(gè)關(guān)系到擠出機(jī)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(duì)擠出機(jī)整機(jī)性能的影響；第二部分說(shuō)明國(guó)內(nèi)外擠出機(jī)螺桿機(jī)筒直徑間隙大小不同比較。

1.間隙對(duì)擠出機(jī)工作性能的影響。

1.1靜態(tài)影響

擠出機(jī)流量計(jì)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(jī)漏流Ql是一種在螺棱和機(jī)筒形成的間隙δ中沿螺桿軸線向料斗方向的流動(dòng)，它是由機(jī)頭、分流板和濾網(wǎng)等對(duì)熔體的反壓造成的流動(dòng)。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(guān)假設(shè)基礎(chǔ)之上，根據(jù)流體力學(xué)的分析方法，可推導(dǎo)出漏流量的計(jì)算公式如下：

(具體推到過(guò)程參見(jiàn)參考文獻(xiàn)[1]和[3])

式中：D為螺桿直徑（cm）；δ為螺桿與機(jī)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(cè)得的螺紋棱寬（cm）

；p1為計(jì)量段開(kāi)始處熔體壓力（Mpa）；p2計(jì)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(jī)產(chǎn)量，需要減少漏流量。而漏流量與螺桿機(jī)筒間隙的三次方成正比。因此可以通過(guò)減小螺桿與機(jī)筒之間間隙來(lái)實(shí)現(xiàn)減少漏流量。

由于螺桿與機(jī)筒的間隙關(guān)乎擠出機(jī)產(chǎn)量及加工、裝配精度。在設(shè)計(jì)擠出機(jī)時(shí)，需要從各個(gè)因素來(lái)綜合考慮螺桿與機(jī)筒間隙。間隙太小，擠出產(chǎn)量增加產(chǎn)量，但增加螺桿與機(jī)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(dǎo)致熔膜增厚，因而不利于熱傳導(dǎo)并降低了剪切速率，不利于物料的熔融。且實(shí)踐證明[1]：當(dāng)δ增大至計(jì)量段螺槽深的15%時(shí)，在給定條件下，經(jīng)計(jì)算其漏流量已達(dá)37%。此時(shí)，螺桿和機(jī)筒磨損太大，生產(chǎn)很不經(jīng)濟(jì)。所以有必要選擇高耐磨材料，如雙金屬機(jī)筒與螺桿結(jié)構(gòu)。

另外，在擠出機(jī)設(shè)計(jì)中，還要根據(jù)被加工物料性質(zhì)選擇不同的間隙δ值。例如：對(duì)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(duì)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(dòng)態(tài)影響

上面只是靜態(tài)地分析了螺桿機(jī)筒間隙對(duì)擠出機(jī)工作性能的影響，主要是溫室時(shí)的裝配間隙。當(dāng)擠出機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于加工溫度和螺桿上的壓力載荷，螺桿和機(jī)筒間的實(shí)際間隙會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)加工溫度遠(yuǎn)高于是溫室時(shí)，螺桿和機(jī)筒具有不同的熱膨脹系數(shù)，或螺桿溫度與機(jī)筒溫度不同時(shí)，間隙就會(huì)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(jì)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(dāng)小，可以不予考慮。倒是擠出機(jī)加料段的螺桿和機(jī)筒溫度差異需要特別關(guān)注。加料段的機(jī)筒上一般都有水冷卻，而螺桿卻因?yàn)槠渌鼌^(qū)的高溫?zé)醾鲗?dǎo)溫度較高。由此螺桿與機(jī)筒就存在一個(gè)溫度差。這個(gè)溫度差導(dǎo)致了兩者的膨脹不同，進(jìn)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(shí)，就會(huì)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(shè)計(jì)擠出機(jī)時(shí)，加大加料段的螺桿機(jī)筒間隙，也即減少進(jìn)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(jī)筒間隙之后，既基本不影響擠出機(jī)的工作性能，還將大大降低擠出機(jī)螺桿抱死的可能性。

2.國(guó)內(nèi)擠出機(jī)螺桿與機(jī)筒直徑間隙與國(guó)外螺桿機(jī)筒間隙比較。

上面分析了擠出機(jī)螺桿與機(jī)筒間隙的對(duì)整機(jī)工作性能的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)影響。下面比較國(guó)內(nèi)與國(guó)外對(duì)螺桿機(jī)筒間隙的不同要求。

表1 螺桿與機(jī)筒直徑間隙（JB/T8061-96）單位：㎜

表2 國(guó)外螺桿與機(jī)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(guò)200㎜，JB/T8061標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)沒(méi)有規(guī)定；2）國(guó)外螺桿與機(jī)筒直徑間隙比國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)平均小0.1㎜；3）國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)公差帶在0.07～0.13㎜范圍內(nèi)，而JB/T8061標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)同規(guī)格公差帶在0.16～0.25范圍內(nèi)。由此可以看出國(guó)外對(duì)于螺桿與機(jī)筒要求的嚴(yán)格。

當(dāng)然，在標(biāo)準(zhǔn)JB/T8061里規(guī)定的螺桿機(jī)筒間隙只是一個(gè)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(dāng)然這也是有必要的。但間隙減小也需要螺桿和機(jī)筒的加工支持。在德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)于螺桿機(jī)筒加工精度的提高[5]，比如螺桿端面跳動(dòng)誤差可以控制在0.01㎜以內(nèi)；螺桿外徑誤差可以控制住0.005㎜以內(nèi)；螺桿外表面和料筒內(nèi)表面的粗糙度不大于0.2μm。也正是國(guó)外塑機(jī)產(chǎn)業(yè)在螺桿機(jī)筒等各個(gè)環(huán)節(jié)的精益求精，保證了整機(jī)裝配精度及工作性能，讓進(jìn)口擠出機(jī)與國(guó)產(chǎn)擠出機(jī)在能耗、塑化能力等方面有了很大的差距。比如國(guó)內(nèi)生產(chǎn)φ150/25擠出機(jī)，在加工HMWHDPE粉料時(shí)，其塑化能力僅達(dá)到400kg/h，德國(guó)Krupp公司的φ150/25擠出機(jī)在加工70%新料和30%粉碎料混合的HMWHDPE，其塑化能力達(dá)到600kg/h，是國(guó)產(chǎn)擠出機(jī)產(chǎn)量的1.5倍。

總之，塑料擠出機(jī)螺桿與機(jī)筒間隙值的選取是一個(gè)綜合性問(wèn)題，在設(shè)計(jì)時(shí)，必須結(jié)合被加工物料的性質(zhì)、機(jī)頭阻力的情況、螺桿機(jī)筒的材質(zhì)及熱處理情況、機(jī)械加工條件以及螺桿直徑大小來(lái)合理選取。