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双螺杆磨损防护
作者:Hans-Peter Schneider, Jens Liebhold
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塑料挤出机展厅
片材生产线, 单螺杆挤出机, 双螺杆挤出机, 板材生产线, 木塑挤出机, ...
反向旋转双螺杆挤压机用于将硬质PVC干混料加工成各种半成品。更高的产量与越来越多地使用填充物(特别是白垩)和再生料,是螺杆和料筒遭受持续增长的磨损应力作用的主要原因。

反向旋转双螺杆挤压机的磨损有三种类型:粘着磨损,磨料磨损和腐蚀磨损,这三种磨损有着根本的区别。

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粘着磨损

根据运动原理,反向旋转双螺杆挤压机的特征在于封闭的腔室系统中是采用几乎完全轴向的物料输送(标题图片)。据Menning研究发现,由于系统固有的速度和压力条件,在流动条件下,压延机与相应的轧辊对在螺钉的啮合区域中产生了知名的“压延效应”。由于螺杆轴仅由机筒壁支撑,被迫拆开后,压延机在表面压力作用下流动,从而为固体和熔体输送区域的粘着磨损创造了条件(见图1)。这里的粘着磨损可理解为没有外边界的层表面的原子粘附力,在高的表面压力下该力近似于固体表面的内聚力。

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磨料磨损

磨料磨损是由磨蚀性填料造成的,尤其是螺杆侧面和根部的白垩。螺杆表面的极端侵蚀会发生在这里(见图2)。近年来,磨料磨损大大增加了,特别是在管挤压机中,当处理器使用越来越多的填料时。不仅使用的填料体积很重要,而且更重要的是对磨损来说,填料的种类和颗粒大小也起着至关重要的作用。

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腐蚀磨损
腐蚀磨损在反向旋转双螺杆挤压机中作用不太明显。这种类型的磨损主要发生在加工锡稳定的共混物时。由于其高度的粘性趋向,熔体可以粘附于螺杆的表面,随后开始热降解。
当PVC燃烧时,就会释放出盐酸。盐酸具有腐蚀作用,会腐蚀钢材的表面。

为了降低PVC的粘结倾向,与熔体接触的螺杆和零件采用了硬铬处理。

随着硬质PVC中间体产品在各个领域的应用,我们可以观察到各种不同的磨损值。

这特别反映在加工单元的使用寿命上。

磨损主要受下面几个因素影响:要加工的材料、挤压机的输出、加工单元的长度、螺杆几何形状的选择和工艺参数。

各种应用的特性磨损

型材挤压主要用于生产窗口主型材和次型材。鉴于对半成品的高品质要求,型材挤压机以较低的输出运作,因此与PVC管挤压机相比,螺杆的转速也降低了。

跟管挤压机螺杆相比,一般来说,所有这些会使型材挤压机螺杆的使用寿命有一个显著的增长。

管材挤压出通常采用未修改的配方,从而不得不使用具有相对较高压缩的螺杆几何形状。此外,管挤压机的输出大约是型材挤压机的两到三倍。另一个问题是,具有非常高的填料含量的材料,在某些地区甚至含有磨蚀性填料,正在越来越广泛地用于排污管道。

在板材挤压中使用了改性配方,正如型材挤压一样。因此,板材挤压机螺丝也有相对较低的压缩值。然而,与型材挤出机相比,由于输出较高,那么板材挤压机螺杆的磨损率也更高。

在造粒过程中,生产了各种各样的颗粒,始于预拌干混料。范围从硬质PVC型材,附件配方,到电缆管道配方,用于鞋和电缆行业的大量软质PVC配方。各种各样的配方,螺杆几何形状,机器配置和工艺参数,都会造成各种不同的磨损机制。

影响磨损的因素

被加工的材料对磨损具有至关重要的影响。反向旋转双螺杆挤压机主要是用于加工PVC干混料。填料含量和填充物的种类在确定磨料磨损中也起到了重要的作用。

除了具有球状、圆形结构的白垩,具有长方体结构、结构粗糙的石灰石粉和大理石等材料也会用于某些领域(见图3)。然而,对磨料磨损水平起到主导作用的,是具有“削顶”(D98)特征的填充物的颗粒尺寸。从以往的经验我们知道,数值不能超过8微米。

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除了预混干混料外,粗磨到细磨的PVC再生料和PVC颗粒也要用机器进行处理。使用这些材料也会增加磨损。在这种情况下,螺钉的特定区域采用镀硬铬来保护,从而防止其磨损。

使用长的加工单元,那么整个能量输入中剪切能量的百分比会减少,同时加热能量的比例也会增加。这使得具有较低压缩螺丝的使用成为了可能。除了使生产中机器具有了更大的灵活性,这也有助于提高加工单元的使用寿命。

选择合适的螺杆几何形状,以及几何形状和被挤压材料之间的适度平衡,对磨损行为的影响也是很显著的。

与材料最佳匹配的几何形状和挤压机适当的操作参数,会使螺丝在整个长度方向上受到近乎均匀的磨损,因此加工单元也就具有了更长的使用寿命。

工艺参数:螺杆负荷,即与机筒温度控制相关联的具体产量,也在螺杆的磨损行为方面发挥了重要作用。

磨损分析

对加工单元的定期检测与定期维修机器一样重要。对于某些配方,挤出机的磨损是不可避免的。因此KraussMaffei Berstorff提供了磨损测量服务,在测量后客户会得到磨损图表,显示了螺杆的实际磨损(见图4)、机筒直径和可能的最大磨损。

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这使得长期、及时和符合成本效益的备件计划成为可能,并且可以显著降低成本密集型机器的停机(预测性维护)。如果在加工单元的测量过程中发现存在上述的平均磨损率,那么就需要检查运行参数和螺杆的几何形状。由于加工单元过早失效而造成的更多的技术和资金损失,一般来说也可以因此而避免。

减少磨损的措施

加长加工单元能大大降低螺杆和机筒的磨损。然而,只有当正确安装了与螺杆扭矩和螺杆长度相配的设备电源,这一点才能实现。过去加长加工单元的唯一目的就是提高输出,而现在则更注重提高双螺杆挤压机加工过程中的灵活性。剪切能、热能,以及挤出机合适的操作参数之间的平衡比率,是加工单元的使用寿命尽可能长的基本前提条件。

如前面所述,每个反向旋转双螺杆挤压机的粘着磨损是系统固有的。除了被挤压的材料,操作参数和零部件的几何形状、摩擦配件(螺杆和机筒)的正确选择对加工单元的使用寿命也起着主要作用。

螺杆的整个周边都会发生磨损,然而机筒只会在单面发生局部的表面磨损。对加工单元提出了甚至更高的要求。除了在维持螺杆直径的同时提高输出,正在使用的填料的含量也要不断提高。为了进一步降低成本,回收使用的百分比也在稳步增加。有了高性能的挤压机,现如今对螺杆螺纹进行涂覆也成为了一种必然。

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基于钼合金的飞行器表面保护

作为标准的抗磨损保护,Krauss Maffei Berstorff给飞行器外边缘的所有并联和锥形双螺杆进行了等离子粉末堆焊(PTA表面涂层),螺杆直径范围从43~184毫米,并且螺杆采用钼含量高达50%的MoNiFe合金(见图5)。一种特殊的Ni钢被用作机筒的材质,也被用作摩擦配件的材质。所使用的锻件的化学组成、晶粒尺寸和减速比,都根据KraussMaffei Berstorff标准进行了精确的定义。机筒内表面的氮化深度达0.5毫米。经过对焊接参数大量的分析和随后的修改,如与外径和/或磁道宽度有关的安培数,不同工作步骤下零件相应的热量输入等,得到了实用的具有低稀释度的无裂纹PTA钼涂层,尤其是在焊缝的边缘区域(见图6)。这种改进的焊接技术使得使用寿命显著增加,改善了流程中的可用性,并且消除了诸如局部断裂这样的轻微损坏。

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基于碳化钨的飞行器表面保护

飞行器外边缘涂层使用碳化钨已经有很多年了。PTA WC焊接技术能够以同样的方式制作钼涂层,确定各自的外径和/或轨道宽度的焊接电流强度,以及各个工作步骤中的热输入,另外再选择一种合适的WC焊剂。所有测试系列采用显微硬度测量,并以图像的方式记录下来,然后对其适用性进行评估。在NiCrBSi基体中焊接金属的WC含量高达70%(见图7)。一种基于镍铬硅的,且硬度值为HRC58~66的气缸内衬被用作并联双螺杆的摩擦配件。有了这一技术,就有可能生产出直径范围为75毫米至164毫米的带有WC涂层的双螺杆。

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在与高性能的机筒涂层结合之后,这些螺杆可作为一种高耐磨的摩擦系统来使用,特别是应用于高粘着磨损,例如针对装饰型材的WPC加工。WC涂层获得的使用寿命介于6000和20,000小时之间,根据规范,这取决于配方以及假定的机器操作。在某些情况下,具有钼涂层的加工单元仅在工作了几百个小时后就出现了过早失效,而对使用寿命因素进行比较或预测是不可能的,因为在此加工应用中钼涂层不是很经济划算。即使频繁地使用大于50份的高填料含量和平均填充材料尺寸大于10微米的PVC配方,越来越多的双螺杆挤压机配备了具有WC涂层的螺杆,目的是稳步地达到所需要的使用寿命,使其达到12,000~18,000小时。

作者简介
(FH) HANS-PETER SCHNEIDER,硕士工程师,生于1955年,是KraussMaffei Berstorff双螺杆挤压机的工艺工程技术开发部主管,邮箱:peter.schneider@ kraussmaffei.com。
JENS LIEBHOLD,工学博士,生于1960年,KraussMaffei Berstorff挤压技术部主管,邮箱:jens.liebhold@kraussmaffei.com。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (9/10/2013)
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