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塑料挤出机 |
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螺杆的几何结构 |
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作者：Xaloy公司 Timothy W. W |
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首先，对单螺杆的几个基础部分做一定义。
长径比（L/D）
通常，OEM厂商确定螺杆长径比（L/D）的方法上各有不同。一些制造商将螺杆的封闭部分定义为螺杆长度，即从进料口的前端到螺杆的末端，一些制造商则从进料口的中心位置开始计算，而另一些则将实际的有效长度定义为螺杆长度。不管怎样，他们确定长径比的方法还有待商榷。
图1所示的是螺杆制造商在加工螺杆时计算实际长度的具体方法。例如，一根直径为63.5mm的螺杆的L/D确定如下：
螺杆直径=63.5mm
螺杆长度=1600.2mm
那么，L/D=1600.2/63.5=25.2。
在此基础上，OEM厂商会将挤出机的L/D定为24:1，而螺杆制造商则将其L/D确定为25.2，因为这是机械加工的实际数值，螺杆制造商必须准确确定，才能完成产品制造。
挤出机的典型L/D为24:1、30:1或32:1。针对某些特殊应用时，还有L/D短至10:1和长至50:1的情况。通常，L/D的合理与否由加工工艺和具体应用决定。
进料段——深度
从图1可以看出，螺杆的进料段是聚合物从料斗送入螺杆时首先接触到的螺杆区域。一般来说，对于平滑内膛的挤出机，这是螺杆最深的一部分。对于直径为63.5mm或者更小的螺杆，需要特别注意螺杆的这一段，以降低由于超过螺杆扭矩而造成的螺杆扭曲的风险。有时，采用17-4 Ph不锈钢或其他高屈服材料来制造这种小型螺杆是非常明智的，因为这样能够降低发生故障的风险。
L/D=(螺杆长度/螺杆直径)
图1 单螺杆的结构示意图
根据经验，进料段的螺杆深度不应该超过：
Fdmax =0.2(螺杆直径)
——方程式1
这一公式适用于直径为114.3mm，甚至更小的螺杆。例如，直径为63.5mm的螺杆的深度应该满足：
Fdmax =0.2×(63.5mm) = 12.7mm
——方程式2
如果螺杆设计所要求的螺杆深度比Fdmax要大，那么应该精确计算螺杆的扭矩。如果螺杆的屈服强度超过了螺杆所用钢材的2:1这一安全系数，那么就需要选择屈服强度更高的钢材料。
进料段——长度
螺杆进料段的主要功能是完成固体物料的输送。固体输送的基本理论是“塑料必须粘附于料筒，并在螺杆上滑动，从而保证聚合物能够向前移动” 。因此，聚合物与料筒壁之间的摩擦系数(COF) 必须大于聚合物与螺杆根部之间的摩擦系数。对于那些本身COF就高的聚合物，并不需要太长的进料段。而对于大多数树脂来说，进料段的长度一般为螺杆直径的4~5倍，以提供足够的压力来输送物料向前移动。
对于那些具有低COF的树脂，进料段的长度可能要达到直径的8~10倍。通常，需要长进料段的一个原因是，确保将更多的热量传递给固体树脂，使树脂粘附于机筒上，从而产生物料向前输送所需的压力。需要注意的是，对于难于进料的材料，可以采用内冷螺杆来保持螺杆根部的冷却，从而增大树脂与螺杆根部的钢材料之间的COF。
应该指出的是，为了找到改善那些COF较差的固体物料的输送方法，早在20世纪60年代，欧洲就开发出了沟槽（groove）进料技术。现在，该技术也已经完全被美国采用。但是，作为一项重要的加工技术其发展仍然比较缓慢。
过渡段
传统螺杆的过渡段或压缩段主要用于聚合物的熔融。该部分的深度最初与进料段相当，并由根部开始逐渐变浅，最终达到计量段的深度。采用这种设计的好处是，能够迫使物料直接接触料筒壁，而这里正是树脂发生熔融的地方。
在过渡段的设计中，必须知道的最重要的因素是，过渡段的坡度必须与材料的熔融速率尽可能地匹配。为了将挤出机的产率最大化，并降低螺杆和料筒组件的磨损，这种计算非常必要。
通常，对于一个24:1 L/D的螺杆，其过渡段的长度一般为螺杆直径的5~10倍，具体情况视所加工的聚合物的类型而定。
计量段
螺杆的计量段是聚合物完成熔融，并通过加压使熔融物料克服挤出压力（头压）的区域。其简单计算如下：
产量=2.3D2hmSGN
——方程式3
其中，D表示螺杆直径，hm表示计量段深度，SG表示树脂的密度，单位为g/cm3，N表示螺杆转速，单位为r/min。
该公式能够估算出螺杆的产率，或者逆向计算出计量深度，以此确定理论上的大致产量。但是，该公式主要适用于头压较低的情况。
压缩比
压缩比可以说是最易被滥用和误解，但是广泛使用的螺杆专用术语。
压缩比=Hf/Hm
——方程式4
举例来说，如果直径为63.5mm的螺杆其进料段深度（hf）为7.62mm，计量段深度(hm)为2.54mm，那么，压缩比就是：
CR=7.62mm/2.54mm=3:1
——方程式5
但是，也可能同样是直径为63.5mm的螺杆，其进料段深度为11.43mm，计量段深度为3.81mm，而压缩比同样为3:1，但计算方程式为：
CR=11.43mm/3.81mm=3:1
——方程式6
尽管这两只螺杆的压缩比都是3:1，但实际上它们是两根完全不同的螺杆。第一根螺杆的剪切速率更高，而产率只能实现2/3。第二根螺杆的剪切速率相对较低，能够加工对剪切力更敏感的材料，且具有更高的产率。
需要说明的是，在该例子中并没有考虑过渡段的斜率。实际上，两根螺杆虽然具有不同的压缩比，但是如果过渡段的长度不同，它们可能具有相同的熔融速率。
因此，在描述螺杆的几何形状时，需要考虑到所有的细节。
通过更加复杂的公式可以精确计算出螺杆计量段的排气能力。另外，对聚合物流体更全面的理解也是在螺杆设计过程中需要考虑的必不可少的一个主要因素。
屏障螺杆的压缩比
如上说述，大多数人认为的“压缩比”是进料段深度与计量段深度之比。这就是我们常说的“深度压缩比”，但是还有更精确的计算实际压缩比的方法，即“体积压缩比（VCR）”，其公式为：
其中，hf为进料段深度，hm为计量段深度，Lf为进料段的螺距（Lead），Lm为计量段的螺距，nf为进料段的螺纹（flights）数目，nm为计量段的螺纹数目，ef为进料段主螺纹的宽度，em为计量段主螺纹的宽度，D为螺杆的外径。
该公式通过进料段的横截面积与螺杆计量段的横截面积进行比较来确定压缩比。相比之前，这个公式更复杂，也更能够精确地计算出实际的压缩比。
对于标准的计量螺杆，估算屏障螺杆的压缩比是很重要的。为了确定屏障螺杆的实际压缩比，有必要将进料段的横截面积与螺杆末端的屏障部分的组合式横截面积进行比较（如图所示）。
屏障螺杆的体积压缩比可以通过方程式8进行计算：
其中，Wf为进料段的螺槽（Channel）宽度，hf为进料段的螺槽深度，Wm为屏障段末端的熔体流道宽度，hm为屏障段末端的熔体流道深度，Ws为屏障段末端的固体流道宽度，hs为屏障段末端的固体流道深度。
实际上，这种通过比较截面积的方法更加精确。
值得一提的是，根据螺杆设计者的不同，螺杆的产率由屏障段的处理能力或计量段的输送能力来确定。也就是说，螺杆的性能完全取决于设计者的意愿。
两段式螺杆
两段式螺杆基本上是两个单螺杆“尾-尾”连接，同时执行不同的功能。图中所标示的是两段式螺杆典型的常用术语。
两段式螺杆结构示意图
挤出机设置排气口的主要原因是为了排除挥发性气体或水分。现在，大多数能够排气脱挥的两段式挤出机的L/D一般为30:1或32:1（最小值）。在橡胶工业、注射成型以及早期的挤出工业中，主要使用L/D更短的螺杆。但是，现今的挤出技术要求使用更长的螺杆。通常，排气式挤出机的产率是具有相同L/D的非排气式挤出机的2/3。这是因为，对于排气式挤出机，树脂到达排气段时需要完全熔融。如果树脂在两段式螺杆的排气区域没有完全熔融，未熔融的粒料就会吸湿，进而使得气体无法通过机筒的排气孔排出。
如果需要排出的挥发性气体的含量较高，就需要在机筒壁上安装第二个排气口，也就是需要使用3段式螺杆。这种挤出机的L/D通常为36:1或者更长。
正如前面提到的，两段式螺杆是两个单螺杆进行的简单串联，第一段的压缩比与单螺杆的确定方式相同。需要指出的是，在某些应用中，两段式螺杆的第一段需要使用屏障螺杆。
在两段式螺杆中，第一段螺杆在设计上的主要区别是计量段无需克服任何背压，因为没有来自模头或下游的阻力。因此，第一段螺杆的计量段的主要任务是，仅需要完成熔融过程，并将树脂输送至零压或负压的排气段。
相比之下，第二段螺杆则需要预留发生排气脱挥的区域，并确保树脂顺利通过模头。在过去，这被称为“泵送率（pump ratio）”（具体计算见方程式9），通常为1.5:1~1.6:1。
该方法通常适用于黏度很大的树脂。
泵送率=Hf /Hm=1.6:1
——方程式9
设计第二段螺杆计量段深度的一个比较好的方法是，通过“拖拽流量-压力流量” 方程式来计算第二段与第一段的净流量比，由此获得理想的结果。第二段的计量段必须进行这样的设计，以保证其输送能力至少超过第一段螺杆的25％，从而避免排气段阻塞，并保证树脂被顺利地输送出去。
如果在“拖拽流量-压力流量”方程式中很好地应用了树脂流变学原理，那么通过第二种方法能够成功避免排气口的阻塞。
通常，排气段的深度可以简单地认为是第二段计量段深度的2:1~2.5:1，这一比值足够保证树脂不会从机筒的排气口处发生回流现象。
在某些排气应用中，尤其是加工高黏度树脂时，非常有必要在机筒的排气口处安装一个真空泵来辅助排气脱挥。
结论
本文的目的并不是寻求创新，而是希望能够解释螺杆设计者在设计螺杆的过程中所进行的思考过程，并帮助读者更好地理解螺杆每一功能段的实现机理，从而有助于工艺工程师更好地改进现有的螺杆设计，从而能够更快地解决工艺中出现的各种问题。
当然，对于用户来说，向螺杆设计者提供设备的详细信息、树脂的流变性能以及现有的挤出螺杆的加工参数等数据也是非常重要的。
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(10/17/2012) |
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