螺杆:塑料挤出机的心脏

作者:陈云辉 文章来源:广州励进新技术有限公司 发布时间:2012-02-24


图1 单螺杆挤出机

螺杆是塑料挤出机的核心部分,它一般可分为加料段、压缩段和计量段3部分。本文较详细地介绍了螺杆的相关知识,并且对挤出机的发展趋势进行了阐述。

挤出是塑料加工中最重要的两种工艺之一。所谓塑料挤出工艺,是指将聚合物在挤出机机筒中塑化并通过模具挤出,然后经冷却、拉伸、吹胀、涂覆、复合、切割和卷取等工序组合,制得各种成型制品,例如常见的管材和型材。在塑料挤出生产线中,挤出机作为主要的成型主机之一,是用来提供温度和组成均匀的熔料,以得到稳定可控的产品。近年来,各种不同的塑料复合管和含有不同金属及先进纤维的塑料管的挤出生产,对挤出机的设计提出了很大的挑战。

挤出机的分类方法有很多,按螺杆的数量可分为无螺杆、单螺杆、双螺杆和多螺杆;按空间位置可分为卧式和立式;按螺杆转速可分为普通、高速和超高速;按机筒可否排气可分为排气式和非排气式;按装配结构可分为整体式和分开式。在塑料管材挤出生产线中,最常用的挤出机是卧式单螺杆挤出机。如图1所示,单螺杆挤出机主要由4部分组成:挤出系统、传动系统、加热/冷却系统和控制系统。


图2 螺杆的结构示意图

螺杆作为挤出机挤出系统的重要零件之一,是挤出机输送固体塑料、塑化塑料和熔体的部件,其各部分几何形状的变化将直接影响塑料制品的质量及产量,对挤出机的性能起着决定性的作用。在设计螺杆时,必须考虑各种因素,以适应不同塑料的特性。在塑料工业中,不可能只用一根“万能”螺杆来满意地生产各种塑料制品。

一般,螺杆可分为3段:加料段、压缩段(或塑化段)和计量段(或均化段),如图2所示。

加料段主要接受供料系统供给的物料,然后将其输送给压缩段。压缩段对物料进行压实,熔融塑化后经螺纹推给计量段。物料在计量段中得到进一步塑化,然后在等压、等温的条件下,螺杆把均匀塑化的熔融料等量地推向机头。物料在普通螺杆的熔融状态如图3所示。


图3 物料在普通螺杆中的熔融状态

螺杆的主要参数有螺杆直径、螺杆长径比、几何压缩比、螺旋升角、螺槽深度、螺棱宽度、螺杆与机筒的间隙、螺纹头数和螺杆头部形状等。螺杆直径通常指螺纹的外径。我国挤出机的螺杆直径已实现系列化,如:φ30mm、φ45mm、φ65mm、φ90mm、φ120mm、φ150mm和φ200mm等。有些企业也生产其他直径的螺杆,如φ50mm、φ70mm等。如果增大螺杆直径,挤出机的挤出能力和能耗便会显著增加。一般情况下,螺杆直径为65mm的挤出机,其挤出量为90~120kg/h,配用电动机的功率为30~55kW;螺杆直径为90mm的挤出机,其挤出量为150~200kg/h,配用电动机的功率为50~75kW;螺杆直径为120mm的挤出机,其挤出量为250~320kg/h,配用电动机的功率为75~100kW。

为了开发更高速、更高效的螺杆,广州励进新技术有限公司(以下简称“广州励进”)在2009年成功开发了SJ70-34高效挤出机,其螺杆直径为70mm,配用电动机的功率为90kW,且最大挤出量可达360kg/h。采用SJ70-34高效挤出机的对接焊生产线,其内管挤出速度为30m/min,在高速、高效和节能方面达到了国内外的先进水平,其应用被大量出口到欧洲。

挤出机长径比的选择,对塑料制品的质量及成本有一定的影响。目前,我国的螺杆长径比也实现了系列化,例如20、25、28和30等,而通常采用20~25的长径比。

几何压缩比是指压缩段开始处的一个螺距螺槽的容积与计量段中一个螺距螺槽的容积之比。该参数的选择对塑料挤出工艺的控制很重要,因为不同的塑料有不同的物理特性,所以需选择最佳的挤塑压缩比。常用塑料所适用的几何压缩比见表1。

如今,随着塑料品种的增加,普通螺杆已不能满足多种塑料挤出成型的要求。针对这种情况,研究人员在普通螺杆的基础上,设计了多种新型螺杆。新型螺杆主要是在螺纹的正常走向处,设置一些销钉或开设一部分非常规螺纹段,用于改变物料的输送状态,从而提高物料的混炼能力和熔融速度等,使其更好地均匀塑化。新型螺杆有多种结构形式,目前应用较多的有屏障螺杆、分离型螺杆和分流型螺杆。

如图4所示,屏障型螺杆一般在螺杆计量段末端设置屏障段。没有塑化好的塑料颗粒便不能通过间隙,在屏障段的进料槽内受前端封闭的影响而成为旋转涡流,直到进一步塑化成熔融状态时才能顺利通过间隙被挤出。

如图5所示,分离型螺杆是在压缩段的螺槽中,再增加一条螺纹。附加的螺纹外径小于原螺纹外径,螺距也小于原螺纹螺距。在塑料管材挤出中,分离型螺杆被广泛用于挤出PEX料,而且需进行螺杆内冷。


图7 广州励进研发的RTP管生产线

如图6所示,分流型螺杆是在压缩段末端或计量段上,设置许多突起的圆柱形销钉或菱形块,以达到良好的塑化效果。在塑料管材挤出中,此螺杆被广泛用于挤出PPR料。

螺杆作为挤出系统的主要零件,需在高压、高温的机筒内作大扭矩的旋转动作,因此用于制造螺杆的合金钢材需要有很高的力学强度、能承受巨大的扭矩并在高温条件下工作不变形,且经热处理后要有很高的表面硬度,能抵抗较大摩擦力的磨损。目前,国内多用合金钢38CrMoAl钢材制造螺杆,经调质处理,硬度为HB260-290,然后再对表面进行渗氮处理,渗氮深度可达0.3~0.6mm,表面硬度>HV740,螺杆的脆性≥2级。

随着挤出机应用领域的不断拓展和技术上的不断进步,挤出机市场始终保持着一定的上升势头。近年来,高速、高效和节能一直是国际塑料机械不断改进的主旋律。高速和高产量可使投资者以较低的投入获得高额的回报。对于挤出机主机和生产线来说,今后的市场将向高技术含量、价格更趋走低的方向发展。其中,单螺杆挤出机将向着超大型、超微型、大长径比、高产出和良好的排气性等方向发展,这就使得能适应特殊加工需要的螺杆机筒结构,成为大家争相研发的重点。例如,广州励进在2005年研发了新型热塑性增强柔性(RTP)管生产线,并配备了大挤出专用120螺杆,如图7所示。在挤出高温材料PERT时,该生产线的产量实测超过1200kg/h。由于玻纤、钢丝和聚酯等增强复合材料可以加强塑料管的承受压力,因此RTP复合管可广泛应用于温泉、石油领域和天然气的铺设等,是目前世界上技术极先进的挤出复合管之一。

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