螺杆设计质量的标准(1)

1.1 螺杆设计质量的标准

螺杆和料筒组成了挤出机的挤压系统。为说明挤压系统的重要性，人们通常称之为挤出机的心脏。塑料（橡胶）正式在这一部分由玻璃态转变为黏流态，然后通过口模、辅机而被做成各种制品的。由挤出过程分析可以看出，至少应当从以下几个方面评价螺杆：

（一）产量

所谓产量是指在保证塑化质量的前提下，通过给定机头的产量或挤出量。如前所述，产量一般用公斤/小时或公斤／转来表示。一根好的螺杆，应当具有较高的塑化能力。（生产能力）应当指出，低温挤出是目前的一个发展趋势，它能改善挤出制品的质量（如降低内应力等），防止热敏性物料过热分解，降低能量消耗，减少主辅机冷却系统的负担，提高生产率。

（二）塑化质量

一根螺杆首先必须能生产出合乎质量要求的制品。所谓合乎质量要求是指所生产的制品应当合乎以下几个方面的要求:

1.具有合乎要求的各种性能。具有合乎规定的物理、化学、力学、电学性能；

2、具有合乎要求的表观质量。如能达到用户对气泡、晶点、染色分散均匀性的要求等。

3、具有合乎要求的螺杆的塑化质量：

（1）螺杆所挤出的熔体温度是否均匀，轴向波动、径向温差多大。

（2）是否有得以成型的最低的熔体温度。

（3）挤出的熔体是否有压力波动。染色和其它填加剂的分散是否均匀等。（三）单耗

单耗，是指每挤出一公斤塑料（橡胶）所消耗的能量，一般用 N来表示。其中 N为功率（千瓦），Q为产量（公斤/小时）。这个数值越大，表示塑化同样重量的塑料（橡胶）所需要的能量越多，即意味着所耗费的加热功率越多，电机所做的机械功通过剪切和摩擦热的形式进入物料越多。反之亦然。一根好的螺杆，在保证塑化质量的前提下，单耗应尽可能低。

（四）适应性

所谓螺杆的适应性是指螺杆对加工不同塑料、匹配不同机头和不同制

品的适应能力。一般说来，适应性越强，往往伴随着塑化效率的降低，因此我们总希望一根好的螺杆，其适应性和高的塑化效率都应兼备。

（五）制造的难易

一根好的螺杆还必须易于加工制造，成本低。

螺杆是挤出机最主要的部件，它直接关系到挤出机的应用范围和生产率，作为每小时生产180公斤的聚氯乙烯螺杆，应采用高强度、耐热和耐腐蚀的合金钢材料制得。据此选用38CrMoAlA氮化合金钢

1.2 设计螺杆首先要考虑的问题

要设计一根合乎以上标准的性能优异的螺杆并非一件轻而易举的事。在进行螺杆设计时，要综合考虑以下问题：

1、物料的特性及其加入时的几何形状、尺寸和温度状况。

不同物料的物理特性（如挤出温度范围、粘度、稳定性和流变性能）相差很大，因而加工性能也很不相同。

橡胶挤出机螺杆与塑料挤出机螺杆差别很大：如螺杆长径比、螺槽深度、螺杆结构（塑料挤出机螺杆带有混炼元件、剪切元件）等。

2、口模的几何形状和机头阻力特性。

由挤出机的工作图可知，口模特性线要与螺杆特性线很好地匹配，才能获得满意的挤出效果。如：

1）高阻力机头，一般要配以均化段螺槽深度较浅的螺杆，

2）低阻力机头，需与均化段螺槽较深的螺杆相配。

3） 对排气挤出机，机头阻力的大小和螺杆性能的匹配显得更重要，弄得不好，挤出机甚至不能工作。

3、料筒的结构形式和加热冷却情况。

由固体输送理论知，在加料段料筒壁上加工出锥度和纵向沟槽并进行强力冷却，会大大提高固体输送效率。若采用这种结构形式的料筒，设计螺杆时必须在熔融段和均化段采取相应措施，使熔融速率、均化能力与加料段的输送能力相一致。

4、螺杆转数。

由于物料的熔融速率很大程度上取决于剪切速率，而剪切速率与螺杆转数有关，故进行螺杆设计时必须考虑螺杆转数这个因素。

5、挤出机的用途。

设计螺杆时必须弄清楚挤出机是用作加工制品．还是用作混料、造粒或喂料。因为不同用途的挤出机的螺杆在设计上是有很大不同的。

在对评价螺杆的标准有了统一的看法和对螺杆设计必须考虑的因素有了一个全面的了解之后，方能进行螺杆的具体设计。

1.3 螺杆的主要形式及确定

螺杆被称为塑料挤出机的心脏，它是使塑料混炼、加压而进行挤出作用的重要部件。螺杆是通过等距不等深，等深不等距，不等深不等距从而逐渐减少螺槽容积来获得压缩作用的。

1.3.1 螺杆的形式

1.渐变型 螺槽深从供料段开始逐渐减小一直到螺杆头部，此类螺杆主要用于软质与硬质聚氯乙烯，聚烯烃等。此类螺杆制造方便。

2.计量型 具有长4-60的等距等深的计量段。这种螺杆头部压力和料流量较稳定，因此挤出的制品质量好，广泛用于聚氯乙烯、聚烯烃及工程塑料。此类螺杆的供料段为等距等深，压缩段螺槽深度逐渐减小 。

3.突变型 压缩段很短，仅1-2D。供料段和计量段均为等距等深，计量段较长。这种螺杆是为聚酞胺、聚丙烯等结晶性塑料设计的。将突变区放大至5D左右适宜加工熔融温度范围较宽的塑料。

4.鱼雷头型 计量段前头装鱼雷头。有时也可直接在压缩段前装鱼雷头代替计量段。平滑鱼雷头用的较少，多数已改为带筋的鱼雷头，这种螺杆剪切力大，塑化效果好，适用于聚苯乙烯、聚乙烯、聚酞胺、聚甲基丙烯酸甲酪、聚偏二氮乙坏的造粒及成型。由于鱼雷头部份摩擦热大，应装冷却装置。 综上所述，广泛用于挤出成型的螺杆结构为计量型和突变型。

1.3.2 螺杆的形式的确定

因加工的是聚氯乙烯且原材料为颗粒料，对温度的反应非常敏感易分解，粘度高、腐蚀性强，所以采用渐变型螺杆。

第2章 螺杆主要参数的设计

2.1 材料的基本特征

PVC的微观形态为：线型分子无定形结构，外观是白色粉末状，一般粒度为40目。 平均分子量在3万~10万，高分子量的PVC可达25万。 20℃下，相对密度为1.4，折光率为1.544。

热学性质为:65—85℃开始软化，120〜150℃开始少量分解，160~180℃大量分解，200℃完全分解。具体情况根据软、硬PVC、配方中增塑剂量、稳定剂量、填料、加工助剂量的多少及种类而确定。

PVC热分解时的颜色变化过程为：由白色→粉红色→红色→棕色→黑色。

PVC分解时脱掉氯化氢，形成多烯结构，出现交联，致使制品变硬、发脆，直至破坏。

PVC的化学稳定性能良好，耐一般的酸、碱腐蚀。它的主要溶剂有：二氯乙烷、环己酮、四氢呋喃等。

PVC中含有氯原子，其阻燃性能要优于聚乙烯、聚丙烯等塑料，可用做建筑材料。

PVC属于通用型塑料，其拉伸强度、弯曲强度、冲击强度、断裂伸长率、硬度等力学性能属一般水平，根据软质、硬质制品不同，力学性能也相差较大。

PVC的结晶度较小，一般为5%左右，所以制品的透明性要优于聚乙烯、聚丙烯等塑料。

PVC的成型加工性能较差，不如聚乙烯等好加工。这是由于其熔融温度接近分解温度，此时通过加稳定剂来提高分解温度。

硬质PVC制品需要添加7份左右热稳定剂，软质PVC制品需添加2~4份热稳定剂，这样能顺利进行成型加工。对于硬质品，有时还需要再添加一些成型加工助剂，如ACR等。成型温度一般控制在150~180℃，有时可再高些，到200℃左右。

2.2 螺杆几何参数的确定

2.2.1 直径的确定

螺杆的主要参数之一，以毫米为单位表示。

在初步确定生产能力和转速之后，可根据经验生产能力公式初步确定直径

Q—生产能力（公斤/每小时） 180公斤/每小时

Ds—螺杆的外直径（厘米） N—螺杆转速（转/分） 50转/分

β—经验出料系数，0.003~0.007之间 0.005

综上所述Ds=8.96cm≈9.00cm

2.2.2 长径比的确定

螺杆的长径比与许多参数有关，因此不能独立确定，最好结合实验加以确定

一般国内应用较多的长径比范围在15~20之间

目前多采用20 左右

根据经验L/D=20

因Ds=9.00cm所以L=180cm

2.2.3 各段参数的确定

2.2.3.1 加料段

1、螺旋角Ф的确定

Ф=17—20°

若螺纹的导程和螺杆直径相等，Ф=17°41′

2、螺槽深度H1的确定

经计算H1=1.08≈ 1.00 cm

3、加料段长度L1的确定

影响因素多，根据高聚物的物理特性的分析，用经验数据确定所需长度

非晶聚合物：L1=10~25%L

结晶聚合物：L1=30~60%L

根据生产的材料聚氯乙烯是非晶聚合物,因此L1=20%L=36cm

2.2.3.2 熔融段

1、压缩比的确定

大多数情况下，由经验数据确定。根据下图压缩比选取2.5

2、熔融段长度L2的确定

根据结晶性聚合物和非晶形聚合物的各自特性来分析，用经验数据确定所需长度

非晶聚合物：L2=50~60%L

结晶聚合物：L2=（3~5）DS

根据生产的材料聚氯乙烯是非晶聚合物,因此L2=55%L=99cm

2.2.3.3 均化段

1、螺槽深度H3的确定

H3小有利于进一步塑化，但过小，热敏聚合物可能会引起降解

H3过深，倒流流量增加，生产能力降低。

H3=(0.025~0.06)DS

根据生产需求选取H3=(0.045)DS=0.405≈0.4cm

2、均化段L3的确定

增大L3在其他条件相同的情况下有利于物料的分散和混合。但不利于低温挤出。

一般采取经验数据来确定

L3=20~25%L 因L1+L2+ L3=180cm所以L3=45cm

2.2.4 螺距的确定

由螺旋角Ф来确定

因螺旋角采用了17°所以螺距S=DS=9.0cm

2.2.5 螺纹断面的确定

选取矩形断面

螺纹后角α=10°

螺纹顶面宽度e=0.1 DS=0.9cm

r 1=r 2=0.5mm

r =2mm

R=2mm

2.2.6 螺纹头数的确定

根据加工材料及生产能力选择单螺头。

2.2.7 螺杆头部结构的确定

为避免滞留和防止物料局部热分解，应选择合适的螺纹头形状才能使物料平稳进入口模

因加工材料粘度不高，流动性较好所以选择了大圆锥性螺纹头

2.3 螺杆材料的选取

38CrMoAlA氮化合金钢

屈服极限 大于85公斤力/毫米

硬度的最高使用和温度：500℃

热处理硬度（HRC）： ≥65

耐HCL腐蚀性：中等

热处理工艺：复杂

线膨胀系数 14.8