螺桿的幾何結構
首先，對單螺桿的幾個(gè)基礎部分做一定義。
長(cháng)徑比（L/D）
通常，OEM廠(chǎng)商確定螺桿長(cháng)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(cháng)度，即從進(jìn)料口的前端到螺桿的末端，一些制造商則從進(jìn)料口的中心位置開(kāi)始計算，而另一些則將實(shí)際的有效長(cháng)度定義為螺桿長(cháng)度。不管怎樣，他們確定長(cháng)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(shí)計算實(shí)際長(cháng)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(cháng)度=1600.2mm
那么，L/D=1600.2/63.5=25.2。
在此基礎上，OEM廠(chǎng)商會(huì )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(shí)際數值，螺桿制造商必須準確確定，才能完成產(chǎn)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(shí)，還有L/D短至10:1和長(cháng)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(jìn)料段——深度
從圖1可以看出，螺桿的進(jìn)料段是聚合物從料斗送入螺桿時(shí)首先接觸到的螺桿區域。一般來(lái)說(shuō)，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(guò)螺桿扭矩而造成的螺桿扭曲的風(fēng)險。有時(shí)，采用17-4 Ph不銹鋼或其他高屈服材料來(lái)制造這種小型螺桿是非常明智的，因為這樣能夠降低發(fā)生故障的風(fēng)險。
根據經(jīng)驗，進(jìn)料段的螺桿深度不應該超過(guò)：
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(mǎn)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(guò)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(jìn)料段——長(cháng)度
螺桿進(jìn)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(dòng)，從而保證聚合物能夠向前移動(dòng)” 。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(cháng)的進(jìn)料段。而對于大多數樹(shù)脂來(lái)說(shuō)，進(jìn)料段的長(cháng)度一般為螺桿直徑的4~5倍，以提供足夠的壓力來(lái)輸送物料向前移動(dòng)。
對于那些具有低COF的樹(shù)脂，進(jìn)料段的長(cháng)度可能要達到直徑的8~10倍。通常，需要長(cháng)進(jìn)料段的一個(gè)原因是，確保將更多的熱量傳遞給固體樹(shù)脂，使樹(shù)脂粘附于機筒上，從而產(chǎn)生物料向前輸送所需的壓力。需要注意的是，對于難于進(jìn)料的材料，可以采用內冷螺桿來(lái)保持螺桿根部的冷卻，從而增大樹(shù)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(kāi)發(fā)出了溝槽（groove）進(jìn)料技術(shù)?，F在，該技術(shù)也已經(jīng)完全被美國采用。但是，作為一項重要的加工技術(shù)其發(fā)展仍然比較緩慢。
過(guò)渡段
傳統螺桿的過(guò)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(jìn)料段相當，并由根部開(kāi)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(shù)脂發(fā)生熔融的地方。
在過(guò)渡段的設計中，必須知道的最重要的因素是，過(guò)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(chǎn)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（具體計算可參見(jiàn)圖2所舉的例子）。
通常，對于一個(gè)24:1 L/D的螺桿，其過(guò)渡段的長(cháng)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(lèi)型而定。
計量段
螺桿的計量段是聚合物完成熔融，并通過(guò)加壓使熔融物料克服擠出壓力（頭壓）的區域。其簡(jiǎn)單計算如下：
產(chǎn)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(shù)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(chǎn)率，或者逆向計算出計量深度，以此確定理論上的大致產(chǎn)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(shuō)是最易被濫用和誤解，但是廣泛使用的螺桿專(zhuān)用術(shù)語(yǔ)。大多數人所理解和定義的壓縮比如圖3所示：
壓縮比=Hf/Hm
——方程式4
舉例來(lái)說(shuō)，如果直徑為63.5mm的螺桿其進(jìn)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(jìn)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(shí)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(chǎn)率只能實(shí)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(chǎn)率。
需要說(shuō)明的是，在該例子中并沒(méi)有考慮過(guò)渡段的斜率。實(shí)際上，兩根螺桿雖然具有不同的壓縮比，但是如果過(guò)渡段的長(cháng)度不同，它們可能具有相同的熔融速率。
因此，在描述螺桿的幾何形狀時(shí)，需要考慮到所有的細節。
通過(guò)更加復雜的公式可以精確計算出螺桿計量段的排氣能力。另外，對聚合物流體更全面的理解也是在螺桿設計過(guò)程中需要考慮的必不可少的一個(gè)主要因素。
屏障螺桿的壓縮比
如上說(shuō)述，大多數人認為的“壓縮比”是進(jìn)料段深度與計量段深度之比。這就是我們常說(shuō)的“深度壓縮比”，但是還有更精確的計算實(shí)際壓縮比的方法，即“體積壓縮比（VCR）”，其公式為：
——方程式7
其中，hf為進(jìn)料段深度，hm為計量段深度，Lf為進(jìn)料段的螺距（Lead），Lm為計量段的螺距，nf為進(jìn)料段的螺紋（flights）數目，nm為計量段的螺紋數目，ef為進(jìn)料段主螺紋的寬度，em為計量段主螺紋的寬度，D為螺桿的外徑。
該公式通過(guò)進(jìn)料段的橫截面積與螺桿計量段的橫截面積進(jìn)行比較來(lái)確定壓縮比。相比之前，這個(gè)公式更復雜，也更能夠精確地計算出實(shí)際的壓縮比。
對于標準的計量螺桿，估算屏障螺桿的壓縮比是很重要的。為了確定屏障螺桿的實(shí)際壓縮比，有必要將進(jìn)料段的橫截面積與螺桿末端的屏障部分的組合式橫截面積進(jìn)行比較（如圖4所示）。
屏障螺桿的體積壓縮比可以通過(guò)方程式8進(jìn)行計算。
——方程式8
其中，Wf為進(jìn)料段的螺槽（Channel）寬度，hf為進(jìn)料段的螺槽深度，Wm為屏障段末端的熔體流道寬度，hm為屏障段末端的熔體流道深度，Ws為屏障段末端的固體流道寬度，hs為屏障段末端的固體流道深度。
實(shí)際上，這種通過(guò)比較截面積的方法更加精確。
值得一提的是，根據螺桿設計者的不同，螺桿的產(chǎn)率由屏障段的處理能力或計量段的輸送能力來(lái)確定。也就是說(shuō)，螺桿的性能完全取決于設計者的意愿。
兩段式螺桿
兩段式螺桿基本上是兩個(gè)單螺桿“尾-尾”連接，同時(shí)執行不同的功能。圖5中所標示的是兩段式螺桿典型的常用術(shù)語(yǔ)。
擠出機設置排氣口的主要原因是為了排除揮發(fā)性氣體或水分?，F在，大多數能夠排氣脫揮的兩段式擠出機的L/D一般為30:1或32:1（最小值）。在橡膠工業(yè)、注射成型以及早期的擠出工業(yè)中，主要使用L/D更短的螺桿。但是，現今的擠出技術(shù)要求使用更長(cháng)的螺桿。通常，排氣式擠出機的產(chǎn)率是具有相同L/D的非排氣式擠出機的2/3。這是因為，對于排氣式擠出機，樹(shù)脂到達排氣段時(shí)需要完全熔融。如果樹(shù)脂在兩段式螺桿的排氣區域沒(méi)有完全熔融，未熔融的粒料就會(huì )吸濕，進(jìn)而使得氣體無(wú)法通過(guò)機筒的排氣孔排出。
如果需要排出的揮發(fā)性氣體的含量較高，就需要在機筒壁上安裝第二個(gè)排氣口，也就是需要使用3段式螺桿。這種擠出機的L/D通常為36:1或者更長(cháng)。
正如前面提到的，兩段式螺桿是兩個(gè)單螺桿進(jìn)行的簡(jiǎn)單串聯(lián)，第一段的壓縮比與單螺桿的確定方式相同。需要指出的是，在某些應用中，兩段式螺桿的第一段需要使用屏障螺桿。
在兩段式螺桿中，第一段螺桿在設計上的主要區別是計量段無(wú)需克服任何背壓，因為沒(méi)有來(lái)自模頭或下游的阻力。因此，第一段螺桿的計量段的主要任務(wù)是，僅需要完成熔融過(guò)程，并將樹(shù)脂輸送至零壓或負壓的排氣段。
相比之下，第二段螺桿則需要預留發(fā)生排氣脫揮的區域，并確保樹(shù)脂順利通過(guò)模頭。在過(guò)去，這被稱(chēng)為“泵送率（pump ratio）”（具體計算見(jiàn)方程式9），通常為1.5:1~1.6:1。
該方法通常適用于黏度很大的樹(shù)脂。
泵送率=Hf /Hm=1.6:1
——方程式9
設計第二段螺桿計量段深度的一個(gè)比較好的方法是，通過(guò)“拖拽流量-壓力流量” 方程式來(lái)計算第二段與第一段的凈流量比，由此獲得理想的結果。第二段的計量段必須進(jìn)行這樣的設計，以保證其輸送能力至少超過(guò)第一段螺桿的25％，從而避免排氣段阻塞，并保證樹(shù)脂被順利地輸送出去。
如果在“拖拽流量-壓力流量”方程式中很好地應用了樹(shù)脂流變學(xué)原理，那么通過(guò)第二種方法能夠成功避免排氣口的阻塞。
通常，排氣段的深度可以簡(jiǎn)單地認為是第二段計量段深度的2:1~2.5:1，這一比值足夠保證樹(shù)脂不會(huì )從機筒的排氣口處發(fā)生回流現象。
在某些排氣應用中，尤其是加工高黏度樹(shù)脂時(shí)，非常有必要在機筒的排氣口處安裝一個(gè)真空泵來(lái)輔助排氣脫揮。
結論
本文的目的并不是尋求創(chuàng )新，而是希望能夠解釋螺桿設計者在設計螺桿的過(guò)程中所進(jìn)行的思考過(guò)程，并幫助讀者更好地理解螺桿每一功能段的實(shí)現機理，從而有助于工藝工程師更好地改進(jìn)現有的螺桿設計，從而能夠更快地解決工藝中出現的各種問(wèn)題。
當然，對于用戶(hù)來(lái)說(shuō)，向螺桿設計者提供設備的詳細信息、樹(shù)脂的流變性能以及現有的擠出螺桿的加工參數等數據也是非常重要的。
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