塑料（PVC）擠出機(jī)螺桿與機(jī)筒間隙的影響
塑料（PVC）擠出機(jī)螺桿與機(jī)筒間隙的影響
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：
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(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：㎜
螺桿直徑 |
20 |
25 |
30 |
35 |
40 |
45 |
50 |
55 |
60 |
|
直徑間隙 |
最大 |
+0.18 |
+0.20 |
+0.22 |
+0.24 |
+0.27 |
+0.30 |
+0.30 |
+0.32 |
+0.32 |
最小 |
+0.08 |
+0.09 |
+0.10 |
+0.11 |
+0.13 |
+0.15 |
+0.15 |
+0.16 |
+0.16 |
|
螺桿直徑 |
65 |
70 |
80 |
90 |
100 |
120 |
150 |
200 |
||
直徑間隙 |
最大 |
+0.35 |
+0.35 |
+0.38 |
+0.40 |
+0.40 |
+0.43 |
+0.46 |
+0.54 |
|
最小 |
+0.18 |
+0.18 |
+0.20 |
+0.22 |
+0.22 |
+0.25 |
+0.26 |
+0.29 |
||
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：㎜）
螺桿直徑 |
2-1/2" |
3-1/2" |
4-1/2" |
6" |
8" |
10" |
12" |
|
直徑間隙 |
最大 |
0.010 |
0.012 |
0.013 |
0.016 |
0.019 |
0.021 |
0.025 |
最小 |
0.007 |
0.01 |
0.010 |
0.013 |
0.016 |
0.018 |
0.020 |
|
螺桿直徑 |
63.5㎜ |
88.9㎜ |
114.3㎜ |
152.4㎜ |
203.2㎜ |
254㎜ |
304.8㎜ |
|
直徑間隙 |
最大 |
0.254 |
0.3048 |
0.3302 |
0.4064 |
0.4826 |
0.5334 |
0.635 |
最小 |
0.1778 |
0.254 |
0.254 |
0.3302 |
0.4064 |
0.4572 |
0.508 |
|
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)的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。
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