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以往多年，人們都將設計擠出機螺紋組件的重心集中在流體學(xué)、加工技術(shù)和建立數學(xué)模型之上。然而實(shí)踐表明，螺紋組件的設計和外形結構也同樣重要。作為金屬精密部件制造領(lǐng)域的耐磨專(zhuān)家和生產(chǎn)同向雙螺桿擠出機組件的專(zhuān)家，德國C.A.Picard International在此將與大家分享其在同向雙螺桿擠出機螺紋組件設計方面的經(jīng)驗。

螺紋組件的設計

雙螺桿擠出機的輸送組件，不論是螺紋塊、捏合塊還是齒形盤(pán)，都有一個(gè)共通點(diǎn)：必須緊密?chē)Ш隙坏钟|。這需要通過(guò)選擇合適的參數，如中心軸距（AD）、螺紋組件的外徑（DA）與底徑（DK）以及它們三者的幾何關(guān)系（如圖1所示）來(lái)實(shí)現。只有將所有這些參數綜合起來(lái)，選擇恰當的組合，才能確保螺紋組件在運轉時(shí)不會(huì )相碰，同時(shí)達到預定的壓力和流量條件。同向雙螺桿擠出機配有兩根同向旋轉的螺桿，從螺桿的橫截面上看，螺桿上的螺紋組件頂端會(huì )與另一螺桿上螺紋組件的基部精密?chē)Ш?，這就給出了計算芯軸中心距AD的公式：

AD=RA+RK=0.5×(DA+DK)。

 圖1 雙螺桿設計參數
 

從橫截面上看，相對的螺紋組件只會(huì )在一個(gè)點(diǎn)上相接，但在實(shí)際生產(chǎn)中，由于螺紋組件公差和熱膨脹的影響，需要在相接點(diǎn)處留出一個(gè)間隙（ZA）以避免碰撞。

幾何意義上的螺桿密閉嚙合在理論上可實(shí)現螺桿的自潔，而且還能產(chǎn)生極高的物料喂送壓力。但是，除了能產(chǎn)生高喂料壓力外，還要求螺桿能提高物料喂送率。這些都取決于螺紋組件橫截面上的自由面積：螺槽通道的自由面積（如圖1右圖中陰影部分的面積所示）越大，螺紋組件對傳輸介質(zhì)流動(dòng)的制約就越小。傳輸介質(zhì)所能獲得的自由面積決定于兩個(gè)參數：起決定作用的參數是螺槽深度（HF），它由公式HF=0.5×(DA-DK)=DA-AD得出。螺槽深度越大，則螺槽通道的自由面積就越大，這也就是必須盡可能地減小芯軸直徑（DK）的原因。另一個(gè)參數是在橫截面上螺紋所占的“面積”，這個(gè)數值很難計算，因為它會(huì )隨著(zhù)螺旋線(xiàn)數量的變化而變化。另一方面，螺旋線(xiàn)的數量成了影響自由面積的主導因素，因為每增加一條螺旋線(xiàn)都意味著(zhù)更多的自由面積被分割掉。也就是說(shuō)，螺紋組件的螺旋線(xiàn)越多，其螺槽通道的自由面積越少，導致螺紋組件對物料流體的牽制就越大。

在圖1的例子中，已知兩條螺桿捏合橫截面總面積加起來(lái)是5460mm2，兩條直徑為DK的芯軸占用的自由面積為2×1195mm2，那么理論上，剩下的最大可利用自由面積Qth＝5460mm2－（2×1195mm2）＝3070mm2 。當然，由于沒(méi)有考慮螺旋線(xiàn)占用的自由面積，因此這只是理論值，并不能應用到實(shí)際生產(chǎn)中。因為沒(méi)有螺旋線(xiàn)，螺紋組件也就失去了喂送功能，所以盡管螺旋線(xiàn)占用了大量的自由面積但卻不可或缺。在這個(gè)例子里，一對嚙合緊密的雙螺旋線(xiàn)會(huì )使螺紋組件截面自由面積減少1084mm2，在螺紋元件橫截面上，螺槽通道的自由面積剩下1986mm2。換言之，理論上螺紋組件橫截面的利用率ηth=1986/3070=65％。

通過(guò)適當調整螺紋組件的基本外型，其橫截面的自由面積將大大增加（但因此會(huì )或多或少削弱螺桿嚙合的緊密度）而不減少芯軸直徑和螺紋元件的扭距力（如圖2所示）。比如在上述例子中，通過(guò)簡(jiǎn)單地將螺旋線(xiàn)的寬度（KA）減少50％，截面自由面積可相應增加200mm2，并使得橫截面可利用率ηth提高到71％，或者說(shuō)增加了10％的自由面積。在此，不應過(guò)多地看重損失的嚙合緊密度，因為使用到一定時(shí)間后，兩根螺桿的緊密度自然會(huì )顯著(zhù)降低，而在螺紋組件出現很輕微的磨損時(shí)，人們一般不會(huì )考慮更換。此外，事實(shí)證明，螺桿間適當的泄漏可以大大減少因為喂料段高負荷而導致螺紋組件的磨損。需要注意的是，要在由泄漏引起的喂送壓力下降和擠出產(chǎn)量之間取得平衡，應該通過(guò)經(jīng)驗建立大約的數值，然后對相應位置的物料輸送進(jìn)行測試并最終決定。

圖2 螺紋元件的螺旋線(xiàn)數目及外形不同，螺槽通道的自由面積不同

實(shí)踐表明，保持物料在螺桿上不間斷的傳送遠比優(yōu)化螺桿間的嚙合更重要，但由于具有不同自由面積的螺紋組件之間過(guò)渡不夠流暢，常引起物料流體發(fā)生間斷。實(shí)際上，由螺桿嚙合緊密而產(chǎn)生的高喂料壓力，常被簡(jiǎn)單地用來(lái)解決在轉接區域產(chǎn)生的流體受阻或滯留問(wèn)題，例如，在不可避免產(chǎn)生阻斷壓力的地方，只能通過(guò)施以高壓來(lái)解決。

螺桿組合的設計

在對螺桿元件組合進(jìn)行量化和設計時(shí)，都遵循一個(gè)明確的原則，即使用統一的螺紋組件截面標準，來(lái)實(shí)現所有組件協(xié)調和無(wú)隙連接。如果選擇了不合適的螺紋元件、缺少過(guò)渡元件、元件加工粗劣或者元件連接不當，螺紋組件之間都會(huì )產(chǎn)生縫隙或者“口袋”而造成物料的堆積，這會(huì )使螺紋組件的自潔能力下降甚至完全喪失，或者會(huì )在流體中形成死區。這些都將增加物料降解的機會(huì )，從而影響最終產(chǎn)品的質(zhì)量。

在具有不同類(lèi)型螺旋線(xiàn)的螺紋元件之間使用過(guò)渡元件（如圖3所示），比如說(shuō)擁有一條螺旋線(xiàn)的螺紋元件向有兩條螺旋線(xiàn)的螺紋元件過(guò)渡，會(huì )因為轉接處橫截面外型改變而使得上述問(wèn)題更加突出。在數學(xué)意義上，過(guò)渡組件所具有的特征參數很難清晰表達，因而要設計一款能最大程度滿(mǎn)足螺桿自潔功能的過(guò)渡組件是比較難的。為此，可以考慮使用Morphed螺紋組件，但必須要通過(guò)試驗進(jìn)行測試，以確保最佳的物料流動(dòng)條件及不同螺旋線(xiàn)的螺紋組件間平滑順暢的過(guò)渡。

 

3在具有不同螺旋線(xiàn)的螺紋元件之間使用過(guò)渡元件
 

自由容積

雙螺桿擠出機的螺紋組件種類(lèi)繁多，但人們在設計時(shí)往往忽視了一個(gè)參數：自由容積。這個(gè)參數值表明了某一螺紋組件的結構所能達到的物料填充率。如果根據這個(gè)參數及它的數值去分析每一個(gè)裝配的螺紋組件，我們會(huì )得出在該螺紋組件處所能實(shí)現的物料填充效果（見(jiàn)表所示）。這種方法不需要進(jìn)行壓力測量、復雜而昂貴的實(shí)驗室測試或是學(xué)術(shù)上的驗證，而只需一點(diǎn)點(diǎn)的想象力和獲得每個(gè)螺紋組件的自由容積信息即可。

表螺紋元件組合與自由容積的關(guān)系
 

生產(chǎn)中人們常常試圖通過(guò)使用特定的螺紋組件來(lái)改變螺桿的喂料量，這實(shí)質(zhì)上就是試圖增加螺紋組件的自由容積。在實(shí)踐中，自由容積的增減可能引起其他工藝參數的改變，因此必須注意觀(guān)察。

圖4顯示了實(shí)際應用中標準螺紋組件和經(jīng)優(yōu)化的螺紋組件所能達到的自由容積的4組樣本比較。即使是一些結構簡(jiǎn)單而帶有許多空隙的螺紋組件，如齒形盤(pán)，自由容積也同樣重要。在一對結構一致的齒形盤(pán)上的測試顯示，物料流經(jīng)自由容積較小的一個(gè)時(shí)，表現出熔體溫度升高的現象，這會(huì )對物料造成損害。因此自由容積的重要性不可輕視。

 

圖4 標準件與特殊件在自由容積上的對比

一般，雙螺桿擠出機的使用者往往同時(shí)擁有多種品牌的設備，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的經(jīng)驗積累，操作者可能發(fā)現A公司制造的某一款式的螺紋組件使用效果很好，他們就會(huì )打算把這款螺紋組件也在B公司制造的設備上使用，但是，由于生產(chǎn)商所使用的組件標準存在差異，因此限制了這種互換使用。然而，獨立的組件生產(chǎn)商往往能為這種互換使用提供技術(shù)服務(wù)，除螺紋組件精密的設計外，他們同時(shí)還可提供多種解決方案。這樣一來(lái)，就擴大了使用不同標準的螺紋組件的應用范圍，但這必須考慮技術(shù)專(zhuān)利等約束。

材質(zhì)

顯然，選擇合適的材料是螺桿設計和加工的一部分。圖5顯示了一些典型的材料組合。結合這張圖，獨立設計每一款螺紋組件都將從中獲得很大的幫助，因為我們可以只在有較高耐磨要求的螺桿段上使用高端材料，而在其他地方就可以使用一般材料，以降低成本。

圖5  選擇正確的材料才能使耐磨與耐腐蝕相平衡

經(jīng)過(guò)深入觀(guān)察，在許多加工過(guò)程中，當螺紋組件遭遇較多腐蝕時(shí)，人們一般的想法是通過(guò)使用更耐磨的材料來(lái)消除物料對螺紋組件的腐蝕，但結果徒勞無(wú)功。在實(shí)踐中，當耐磨和抗腐蝕之間達到某種平衡時(shí)，往往會(huì )取得更好的效果。