1、第三节 常规螺杆设计 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)正是在这一部分由玻璃态转变为粘流态，然后通过口模、辅机而被做成各种制品的。如果就螺杆和料筒相比，螺杆更显得居于关键地位。这是因为一台挤出机的生产率、塑化质量、填加物的分散性、熔体温度、动力消耗等，主要决定于螺杆的性能。因此，将花两节较详细地介绍有关螺杆设计的诸问题、本节介绍常规螺杆，下节介绍新型螺杆。一、 评价螺杆的标准 如何评价螺杆的好坏呢？象其它事物一样，评价螺杆好坏的标准也随着对挤出过程认识的深化而逐渐明确和完善起来。由前面对挤出过程的分析可以看出，至少应当从以下几个方
2、面评价螺杆： （一）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。4）染色和其它填加剂的分散是否均匀等。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，
3、减少主辅机冷却系统的负担，提高生产率。 （二）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） （三）单耗所谓单耗，是指每挤出一公斤塑料（橡胶）所消耗的能量，一般用 N用表示。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
4、、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。以上几条标准必须综合起来考虑，只强调一方面是片面的。当然，也允许针对不同要求，重点保证某条标准的达到。二、设计螺杆考虑的因素 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，要综合考虑以下诸因素：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
5、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）等同是橡胶挤出机螺杆也不同：冷喂料挤出机与热喂料挤出机螺杆不同塑料挤出机螺杆也不相同。例如聚氯乙烯和聚烯烃就有很大差别。一前者为无定形塑料，粘度大，对温度比较敏感，无明显熔点。后者为结晶性塑料粘度较低，有明显的熔点。就是同属聚烯烃的聚乙烯和聚丙烯也不相同。甚至同是聚乙烯，但由于生产厂家不同，或批号不同，其性能也有差异。进而言之，同是一种塑料，粉状和粒状的加工性能也不尽一样，预热和不预热对加工性能也有影响。因此，要采取不同的螺杆设计来适应不同的物料。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
6、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
7、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。 三、常规全螺纹三段螺杆的设计 所谓常规全螺纹三段螺杆，是指出现最早、应用最广、整根螺杆由三段组成，其挤出过程完全依靠全螺纹的形式完成的螺杆。这种螺杆的设计包括螺杆型式的确定、螺杆分段及各段参数的确定、螺杆直径和长径比的确定、螺杆和料筒间隙的确定等，下面分别叙述。 （一）关于螺杆型式的确定按照传统的说法，常规全螺纹三段螺杆分为渐变型螺杆
8、和突变型螺杆。1、所谓渐变型螺杆是指由加料段较深螺槽向均化段较浅螺槽的过渡，是在一个较长的螺杆轴向距离内完成的。特点如下：1） 渐变螺杆大多用于无定形塑料的加工。如聚氯乙烯2） 它对大多数物料能够提供较好的热传导，传热均匀，效果好。适用于热敏性塑料，3） 对物料的剪切作用较小，而且可以控制，其混炼特性不是很高，也可用于结晶性塑料。物料在这种螺杆中的熔融过程正如熔融理论所揭示的那样。2、所谓突变型螺杆的指由加料段较深螺槽向均化段较浅螺槽的过渡是在较短的螺杆轴向距离内完成的。特点如下1） 突变螺杆由于具有较短的压缩段，有的甚至只有（12）D。2） 对物料能产生巨大的剪切，故适用于粘度低、具有突变熔
9、点的塑料，如尼龙、聚烯烃，3） 对于高粘度的塑料容易引起局部过热，故不适于聚氯乙烯。物料在这种螺杆中的熔融过程也符合熔融理论所揭示的规律。 3、橡胶螺杆有一种等深等距的，热喂料螺杆 （二）关于螺杆直径的确定螺杆直径是一个重要参量，它在一定意义上表征挤出机挤出量的大小。1、螺杆直径已经标准化在设计螺杆时。它不能任意确定，因为螺杆直径已经标准化。我国挤出机标准所规定的螺杆直径系列为：30、45、65、（85）90、（115）120、150、200。一般情况下，确定的螺杆直径应符合此系列。2、螺杆直径的确定螺杆直径的大小一般根据所加工制品的断面尺寸、加工塑料的种类和所要求的生产率来确定。制品截面积的
10、大小和螺杆直径的大小有一个适当的关系。一般说来，大截面的制品选大的螺杆直径，小截面的制品选小的螺杆直径，这对制品的质量、设备的利用率和操作比较有利。 （三）关于螺杆长径比的确定螺杆的长径比是螺杆的重要参数之一。若将它与螺杆转数联系起来考虑，在一定意义上也表示螺杆的塑化能力和塑化质量。1、发展趋势单螺杆的长径比有一个由小到大的发展趋势，50年代一般为1820，60年代为2528，目前为30左右。2、大长径比的优点1） 长径比加大后，螺杆的长度增加，塑料在料筒中停留的时间长，塑化得更充分更均匀，故可以保证产品质量。2） 在此前提下，可以提高螺杆的转数从而提高挤出量。3、大长径比的缺点1） 长径比加
11、大后，螺杆、料筒的加工和装配都比较困难和复杂，成本也相应提高，2） 长径比加大后，使挤出机加长，增加所占厂房的面积。3）L/D增大后,因螺杆的下垂度与其长度的四次方成正比，故会增加螺杆的弯曲度而造成螺杆与料筒的间隙不均匀，有时会使螺杆刮磨料筒而影响挤出机的寿命。4）当长径比加大后，若提高螺杆转数，其扭矩必然加大，这对小直径的螺杆来说，因其加料段的螺纹根径较小，就要考虑其强度是否满足要求的问题。例如，直径45毫米的螺杆，加工 HDPE，当螺杆转数达到80转分时，达到强度极限的长径比为L/D=37.5，在转数为100转分时，达到强度极限的长径比限为L/D=32；当加工LDPE或PP时，长径比的极限
12、值LD30。因此，应当力求在较小的长径比的条件下获得高产量和高质量，才是多快好省的途径。切不可盲目地加大长径比。 （四）螺杆的分段及各段参数的确定如前所述，常规全螺纹三段螺杆一般分为加料段、压缩段、均化段（计量段、挤出段）。由挤出过程知，物料在这三段中的挤出过程是不相同的。在设计螺杆时，每一段几何参数的选择，应当围绕着该段的作用以及整根螺杆和各段的相互关系来考虑。1、加料段。加料段的作用是输送物料给压缩段和均化段。1)、熔体控制型螺杆 即熔融均化能力低，挤出量主要由压缩段和均化段的熔融均化速率所决定的螺杆。加料段的设计应当与压缩段和均化段相匹配，输送的物料应与后两段熔融均化速率相一致，使熔体充
13、满均化段螺槽，过多或过少都会造成挤出的不稳定。2）、加料控制型螺杆 即熔融均化能力很高，挤出量主要取决于加料段的输送能力的螺杆。加料段应当输送尽可能多的物料给后两个区段。当然，这时也有一个熔融均化能力和加料能力相一致的问题，否则会引起过热和塑化不良。3）加料段的核心问题是输送能力。由固体输送理论得知，螺杆的输送能力与螺杆的几何参数和固体输送角有关。a.通过加大加料段的螺槽深度h1来实现提高输送量Qs。b.通过在料筒加料段处开纵向沟槽和加工出锥度来实现提高输送量Qs。c.增加加料段的长度会使产量的提高。d.加料段的长度与压力的建立、熔融区的熔融状况和波动有关。e.加料段的长度一般取(310）D，
14、对于结晶性塑料，加料段长度一般取为螺杆全长的6065%。f.螺旋角也是一个影响输送能力的因素，由固体输送理论得知，b越大；Qs越大。但通常取D=S，即b=1740。g.螺杆表面摩擦系数越小（料筒的摩擦系数越大），QS越大。 2、压缩段。由挤出过程可知，这一段的作用是压实物料，熔融物料。因此，这一段螺杆各参数的确定应以此为主旨。 压缩段螺杆参数中有个重要概念，即压缩比。1)压缩比：它的作用是将物料压缩，排除气体，建立必要的压力，保证物料到达螺杆末端时有足够的致密度。压缩比有二，一是几何压缩比，一是物理压缩比。所谓几何压缩比：加料段第一个螺槽容积与均化段最后一个螺槽容积之比。所谓物理压缩比：物料加
15、工之前的松密度与均化段熔体密度之比。2)设计原则应使几何压缩比大于物理压缩比。压缩比与物料的性质、制品的情况等有关。它可用试验决定。目前多根据经验选取，因而即使加工同一种塑料和同一种制品，各厂也会采取不尽相同的压缩比。3）获得压缩比的方法，可采用等距变深螺槽、等深不等距螺槽、不等深不等距螺槽、锥形螺杆等方法。其中等距不等深螺槽的办法易于进行机械加工，故多采用。4) 压缩比的确定：热喂料螺杆1.31.5 冷喂料螺杆1.72.1 塑料螺杆一般根据塑料种类不同取2-55）压缩段的长度，目前国内多以经验方法确定。根据一般经验。对非结晶型塑料，压缩段约占整个螺杆长度的5565%；而对于结晶性塑料，则取（
16、14）D不等。3、均化段。由挤出过程知，该段的作用是将来自压缩段的已熔物料定压定量定温地挤到机头中去。均化段的螺槽深度和长度是两个重要参量。1）螺槽深度 应当设计得使该段的计量能力与压缩段的熔融能力相匹配，以适当地控制每一转的挤出量。a.如果该段螺槽深度过大，使其潜在的熔体输送能力大于熔体熔融能力，压缩段未熔融的物料会进入该段，残留的固相碎片若得不到进一步均匀塑化而挤入机头，会影响制品质量。b.如果螺槽太浅，产量就会降低，而且熔体会受到过大的剪切，熔体的温度会变得过高，非但不能获得低温挤出，甚至会引起过热分解。c.另外，均化段螺槽深度的选择还应当与使用的机头相匹配：若想获得高的挤出量，高压机头
17、应当与浅的均化段螺槽的螺杆相匹配，低压机头应当与均化段螺槽深的螺杆相匹配。d. 均化段螺槽深度h3的确定比较复杂，目前仍以经验方法确定。h3=（0.020.06）D螺杆直径较小者，h3取大值，反之，取小值。2) 该段的长度L3是均化段的另一个重要参数。a. L3长一些，可以使物料得到相对长一些的均化时间，也可以减少压力、产量、温度的波动。b.但L3不能过长，否则会使压缩段和加料段在螺杆全长中占的比例变小，不利于物料的熔融，或使螺杆加长。c. 均化段的长度也多凭经验确定。对于非结晶性塑料，均化段长度约占螺杆全长的2225%；对结晶性塑料，均化段长度约占螺杆全长的2535%。3) 对于某种给定的物
18、料，有一个最佳的均化段螺槽深度和均化段长度。均化段的尺寸决定了它的均化能力。有实验证明，在其它条件不变的情况下，均化段螺槽深度稍为增加（如螺杆直径为45，h3由3毫米增加至35毫米）就使均化质量大大下降；相反，h3稍为减少（螺杆直径不变，h3由3毫米减少到2毫米），产量会大大减少（约50%）。而均化段的长度由 9D减少至6D，同样也会引起塑化质量的下降。4） 附带说明一下：有一种习惯的计算方法，当压缩比和均化段槽深h3决定后，h1可以用下式计算： h1=0.5D一D2一4h3（Dh3）1/2 应当指出，这仅是一个几何关系。压缩比不应作为决定加料段螺槽深度的标准。 （五）螺杆与料筒间隙的确定螺杆
19、与料筒间隙是一个螺杆与料筒相互关系的参量。1、间隙选区所考虑的因素：1） 被加工物料的性质。（如热敏性与非热敏型物料）2） 机头阻力情况。阻力越大间隙越小。3） 螺杆料筒的材质及其热处理情况4） 机械加工条件5） 螺杆直径的大小来选取。一般说来，螺杆直径越大，的绝对值应选得越大，螺杆直径越小，的绝对值应选得越小。螺杆和料筒的间隙的选取是一个综合性的问题，必须结合各方面的因素综合考虑。2、选取我国已由挤出机系列的直径间隙值，可根据情况选取。（0.0030.005）D 直径大者取小值，小者取大值。 （六）螺杆其它参数的确定1、 螺旋升角：实验证明，物料形状不同，对加料段的螺纹升角要求也不一样。1）
20、 =30 左右适于粉料，2） =l7左右适于圆柱料，3） =15左右适于方块料。4） 出于机械加工的方便，一般取D=S，=1740。2、 螺纹的头数i螺杆螺纹可以是单头的，也可以是双头的。多头螺纹用得较少，这是因为物料在多头螺纹中不易均匀充满，易造成波动。3、螺纹棱部宽度e1） e太小会使漏流增加，而导致产量降低，特别是对低粘度的熔体来说更是如此。2） e太大会增加螺棱上的动力消耗，有局部过热的危险。3） 一般取e=（0.08-0.12）D。 （七）螺杆头部结构当塑料熔体从螺旋槽进入机头流道时，其料流形式急剧改变，由螺旋带状的流动变成直线流动。为得到较好的挤出质量。要求物料尽可能平稳地从螺杆进
21、入机头，尽可能避免局部受热时间过长而产生热分解现象。这与螺杆头部形状、螺杆末端螺纹的形状以及 机头体中流道的设计和分流板的设计等有密切关系。根据常用的螺杆头的形状，分成以下几类：1、钝的螺杆头总有因物料在螺杆头前面停滞而分解的危险，即使稍有曲面和锥面的螺杆头通常也不足以防止这一点，对以上形式的螺杆头一般要求装分流板。2、带有较长锥面的螺杆头，也难免在螺杆的端点因停滞物料被烧焦的现象。3、斜切截锥体的螺杆头其端部有一个椭圆平面，当螺杆转动时，它能使料流搅动，物料不易因滞流而分解。4、锥部带螺纹的螺杆头，能使物料借助螺纹的作用而运动，主要用于电缆行业。5、鱼雷头螺杆头与料筒之间的间隙通常小于它前面
22、的螺槽深度。有的鱼雷头表面上开有沟槽或加工出特殊花纹。“它有良好的混合剪切作用，能增大流体的压力和消除波动现象，常用来挤出粘度较大、导热性不良或有较为明显熔点的塑料。（八）螺纹断面形状常见螺杆螺纹的断面形状有两种。1、一种是矩形。在螺槽根部有一个很小的圆角半径，它有最大的装填体积，而且机械加工比较容易，适用于加料段2、另一种是锯齿形。改善了塑料的流动情况，有利于搅拌塑化，也避免了物料的滞留。适用于压缩段和均化段。3、第三种双楔形。输送物料稳定，提高塑化效果，提高产量3050%。 三、螺杆材料及强度计算（一）螺杆材料1、对材质的要求由挤出过程可知，螺杆是在高温、一定腐蚀、强烈磨损、大扭矩下工作的
23、，因此，螺杆必须：1） 耐高温，高温下不变形；2） 耐磨损，寿命长；3） 耐腐蚀，物料具有腐蚀性；4） 高强度，可承受大扭矩，高转速；5） 具有良好的切削加工性能；6） 热处理后残余应力小，热变形小等。2、常用材料及热处理目前我国常用的螺杆材料有45号钢、40Cr、氨化钢、38CrMOAl等。1）45号钢便宜，加工性能好，但耐磨耐腐蚀性能差。 热处理：调质HB220270，高频淬火HRC45-482）40Cr的性能优于45号钢，但往往要镀上一层铬，以提高其耐腐蚀耐磨损的能力。但对镀铬层要求较高，镀层太薄易于磨损，太厚则易剥落，剥落后反而加速腐蚀，目前已较少应用。热处理：调质HB220270，镀
24、硬铬HRC553）氮化钢、38CrMoAl综合性能比较优异，应用比较广泛。一般氮化层达 0406毫米。但这种材料抵抗氯化氢腐蚀的能力低，且价格较高。热处理：调质HB220270，渗氮HRC65国外有用碳化钛涂层的方法来提高螺杆表面的耐腐蚀能力，但据报道，其耐磨损能力还不够好。近年来国外在提高螺杆的耐磨耐腐蚀能力方面采取了一系列措施。一种办法是采用高度耐磨耐腐蚀合金钢。如34CrAlNi，、31CrMo12等。还有采取在螺杆表面喷涂Xaloy合金的方法。这种Xaloy合金具有高的耐磨耐蚀性能（详见料筒部分）。 （二）螺杆的强度计算当螺杆与减速箱主轴用较长的圆柱面配合时，可以将螺杆作一端固定的悬臂
25、梁。螺杆在挤出过程中的受力状态可简化如图所示的情况：1、螺杆受力情况1） 自重G；2） 克服物料阻力所需的扭矩 M；3） 物料压力产生的轴向力P。螺杆一般是因长期磨损，螺杆与料筒的间隙过大不能正常挤出而报废，但也有因设计或操作不当产生的工作应力超过强度极限而破坏的例子。因此，螺杆也应满足一定的强度要求。4）螺杆的危险断面一般在加料段螺纹根径最小处。2、强度计算 根据材料力学可知，对塑性材料，复合应力用第三强度理论计算，其强度条件为：T-材料的屈服极限 n-安全系数，一般取n=33、其它情况1）对于螺杆尾部与减速箱主轴成浮动联接的情况，由于螺杆在料筒中浮动，螺杆自重引起的弯曲应力等于零，故只按螺杆受压应力和剪切应力来计算。 2）由于螺杆自重引起的弯曲应力很小（螺杆周围充满物料），即使在前一种情况下，也可略去不计，因此这两种方法实际上是一样的。 3）也有按纯扭来估算螺杆直径的。
