选配合适的螺杆

作者:本刊记者 李军 文章来源:PT《现代塑料》 发布时间:2015-02-03
对于塑料加工商而言,为其加工机器选配最适合其应用的螺杆十分重要。因为螺杆是塑料机械塑化系统的核心部件之一,对塑料原料的熔融均化以及配方各组分的混合分散起着决定性的作用,对加工效率及产品质量也有重要影响。

对于塑料加工商而言,为其加工机器选配最适合其应用的螺杆十分重要。这是因为,螺杆是塑料机械塑化系统的核心部件之一,对塑料原料的熔融均化以及配方各组分的混合分散起着决定性的作用,同时对加工效率及产品质量也有着重要的影响。为此,本刊特邀了诺信Xaloy公司工程设计总监Mark Colellax先生以及莱斯特瑞兹机械(太仓)有限公司挤出机部门总监高荣宝先生,请他们结合自身业内领先的产品解决方案介绍他们在为塑料加工商提供订制化的螺杆设计制造及技术服务方面的成功经验。

 诺信Xaloy公司工程设计总监Mark Colellax先生

莱斯特瑞兹机械(太仓)有限公司挤出机部门总监高荣宝先生

PT:螺杆作为塑料加工塑化系统的核心部件之一,它是如何分类的?目前市场上用于塑料加工的螺杆产品都有哪些?

Mark Colellax先生: 宽泛地说,螺杆可分为注塑螺杆和挤出螺杆;从材质角度说,可分为双合金螺杆和全硬工具钢螺杆(诺信Xaloy公司均可提供,根据客户应用所需推荐基材涂层并提供螺杆混炼设计,是诺信Xaloy公司的优势所在)。基于加工物料的不同,目前市场上应用于塑料加工的螺杆的材质种类较多,如加工氟塑料所使用的哈氏合金或者Inconel材质的螺杆。

高荣宝先生:塑料加工的范畴很广,而塑料挤出机所用的螺杆根据螺杆的数量可以分为单螺杆、双螺杆,甚至多螺杆等。双螺杆挤出机所用的螺杆又可以根据旋转方向、螺杆直径及螺杆螺纹之间是否啮合而划分为同向旋转双螺杆、异向旋转双螺杆,平行双螺杆、锥形双螺杆、啮合双螺杆以及非啮合双螺杆等常见形式。其中,同向旋转啮合平行双螺杆在塑料的配混改性造粒领域应用最为广泛。我以下的观点均是基于应用于塑料配混改性的同向旋转啮合平行双螺杆及相应的挤出机。

PT:通用型螺杆的典型特征是什么?怎么理解它们的这种通用性?

Mark Colellax先生:通用型螺杆通常采用“单螺纹”的设计,即螺纹的大小和形状在螺杆上从头至尾都是保持不变的,没有根据原料的混合要求而特殊分段设计。因此,在不需要特别混合能力的预着色聚合物的注塑成型加工中,我们可以看到通用型螺杆得到了普遍使用。而在其他注塑加工中,特殊的螺杆设计都是必需的。至于在挤出加工中,我们则很少能看到通用型螺杆被使用。

 诺信Xaloy公司的不同种类的螺杆

高荣宝先生:在配混改性领域,从严格意义上来说,是没有所谓的通用型螺杆的。基于同向啮合平行双螺杆挤出机加工段积木式设计原理,完整的螺杆是由不同的螺杆元件组合而成,根据不同的物料和配方,以及要完成的混合工艺目标,选用不同的螺杆(机筒)元件,对螺杆(甚至机筒)进行合理组合。有不少企业买来挤出机后,以不变应万变,不管是什么物料、配方和混合工艺目标,始终采用一种螺杆组合,大大降低了挤出机的效用。我国著名化工设备机械专家北京化工大学教授耿孝正曾呼吁:“用好同向双螺杆挤出机,那就进行螺杆(机筒)组合吧!不要一种组合到底!”。

PT:相对通用型螺杆,那些用于塑料加工的特殊螺杆具有哪些不同之处?它们可以帮助解决塑料加工中的哪些采用通用螺杆不能解决的问题?

Mark Colellax先生:如上所述,现今大多数螺杆都是应特定加工要求而特别设计的。一根特殊的螺杆通常具有特殊的分段设计,以帮助增强分散颜色并将添加剂融入熔体的能力,例如,在不大范围打散纤维的前提下使强化纤维的材料充分融入塑料熔体。

举个例子说,诺信Xaloy公司的屏障型螺杆就是一种特殊设计的螺杆,其设计原理是通过更有效地熔融和混合原料来提高产量以及产品质量。最近,诺信Xaloy公司推出了用于薄壁包装高速成型工艺的Quantum塑化系统。该系统中有一根经过专门设计的屏障型螺杆,可帮助提高非熔融材料的塑化速度,同时还能够最大限度地降低已处于熔融状态的聚合物所承受的剪切力。与单螺纹螺杆不同,屏障式螺杆在中间部分采用了专门的设计,可以将固体与熔融聚合物分隔开来,从而最大限度地提高施加在固体上的热量和剪切力,加快塑化速度。

高荣宝先生: 随着高分子等学科的发展,塑料作为高分子材料的一个分支其材料多样性日趋突出,如在塑料改性中(包括物理改性:共混、填充改性和增强改性,以及化学改性),不同的改性材料对配混工艺的要求也不同,有的差异甚至非常大。如热敏性,剪敏性、高填充、高增强、高腐蚀性物料及高脱挥工艺等需要采用特殊的螺杆(机筒)组合(包括材质组合)来达到混合工艺目标。

PT:在塑料加工生产中,螺杆需要面临哪些严苛需求的挑战?为此,贵公司可以提供哪些解决方案?在市场中,这些方案的主要优势是什么?

Mark Colellax先生:我们可以帮助客户应对各种工艺挑战,通常是为客户设计一根针对他们工艺所需的螺杆,有时候我们也可以通过翻新客户现有的螺杆来满足他们的工艺所需。下面是我们针对客户遇到的挑战性问题所提供的一些解决方案的例子。

树脂的退化可以通过更换受磨损的螺杆来解决,其原因可能是螺杆尺寸不适宜用于该款树脂的加工,或是螺杆对材料施加了过多的应力。

添加剂或色素的混合不良是通用螺杆的常见问题,其原因主要是通用螺杆的混合能力很弱。诺信Xaloy公司针对这一应用提供了一系列的专用混合螺杆设计。

处理高强度或高填充的聚合物时时常会发生螺杆的磨损,而腐蚀通常是由加工某些有腐蚀性的材料如PVC和含氟聚合物所导致的。诺信Xaloy作为业内处理磨损和腐蚀问题方面的领导品牌,提供合金、覆层、涂料和衬里等多样化的抗磨损、抗腐蚀解决方案。例如,针对乙烯基、含氟聚合物,以及其他有腐蚀性的树脂,我们提供X306镍钴合金螺杆;针对加工高填充树脂和高温工程聚合物,我们的X800碳化钨/镍基合金螺杆具有优异的耐磨性和耐腐蚀性。

高荣宝先生:螺杆作为塑料配混改性挤出机中最重要的核心部件,我认为其自身的三点因素直接关系到其性能,从而反衬出其所面临的挑战。第一点是螺杆元件所能提供的自由空间。我们在加工塑料时,希望单位时间的产出越大越好,这个目标就直接与螺杆元件的自由空间正相关。而在同样的螺纹外径条件下,自由空间越大,意味着螺杆内的芯轴越细,这直接引出第二点,即芯轴在必须变细的同时,还需要带动加工更多的原材料,也就是说单位芯轴需要承受更大的扭力,这对螺杆本身是个极大的挑战。第三点则是螺杆芯轴的花键设计和材质。

长期以来,同向旋转平行双螺杆挤出机的发展一直以高效节能为目标不断推陈出新,除螺杆转速外,其主要标志是螺杆元件外内径比值和螺杆的比转矩这两个重要参数不断提高。Leistritz(莱斯特瑞兹)ZSE MAXX系列双螺杆挤出机的螺杆元件外内径比值达到1.66,比世界范围内该领域常见的1.4~1.55螺杆元件,提供了更大的自由空间用于物料的配混改性加工。1.66这个比值意味着螺杆的芯轴更细,借助于ZSE MAXX系列螺杆芯轴花键的创新设计和材质,更细的螺杆芯轴却可以传递更大的转矩,螺杆比转矩高达15Nm/cm3,这比起世界范围该领域常见的7~12Nm/cm3比转矩,是极大的提高与改进。更重要的是,1.66的螺杆元件外内径比值和螺杆15Nm/cm3的比转矩能在一台挤出机上同时实现。不得不说,这是Leistritz公司在应对严苛需求的挑战后而取得的技术上的重大突破!而取得这些技术突破是基于Leistritz公司百余年的材料研究、加工及精密机械制造的历史与经验。

Leistritz ZSE MAXX系列双螺杆挤出机实现了配混双螺杆技术的突破

技术上的突破带来产能大幅提高,以及设备加工灵活性适用性更强等优势,客户可以从中大大获益。

PT:塑料加工对于与螺杆配套的机筒有怎样的要求?贵公司在机筒方面有哪些产品和解决方案?

Mark Colellax先生:机筒经常会遇到磨损和腐蚀问题。为了对抗这些问题,诺信Xaloy公司推出了一系列的双金属衬套,该高硬度合金衬套作用于机筒内壁上。铁基X200和铁铬基X220衬套可用于填充量在15%范围以内的聚烯烃、聚苯乙烯和其他树脂。

注塑加工过程中在高压力下的抗变形能力也是对机筒性能的一大挑战。以前标准的压力值是20000psi(1psi=6895Pa),而如今35000psi的压力值已属常见。为了应对压力的升高,我们开发了特殊合金,使机筒拥有更强的抗压能力。

PT:塑料加工商在为其生产设备选择螺杆时应该考虑哪些因素?在“可以用”和“最合适”之间,您对他们有何建议和忠告?

Mark Colellax先生:通常当我们接到一个新项目,我们会请客户提供尽量多的信息给我们,如预期产出量、使用什么原材料、塑化率、产品公差,以及质量标准等。我们可以据此提供相应的设计,推荐部件的尺寸和结构以契合客户所需。我们可以提供单件螺杆也可以提供整套组件,包括螺杆、机筒以及注塑前端元件,如止回阀等。

高荣宝先生:德国Leistritz公司提供世界领先的双螺杆挤出机设备,如果客户希望一机多用,即用一台设备来生产多种配方,我们会在与客户充分交流的基础上,了解清楚客户多种产品的结构比例,确定设备的合理配置,立足现在又兼顾长远的使用。如果客户希望一机专用,我们则根据客户的要求和我们的经验技术为客户量身订制解决方案。如何处理“可以用”和“最合适”,主要还是如何处理产量、产品质量,设备利用率以及能耗和单耗之间的关系,根据客户自身的主要目标,找到最佳的契合点。每年9月,我们都会在太仓举办挤出机学术培训会,我们的工程师会从理论和实践两个方面对我们的客户进行培训,包括不同螺杆元件在输送、分散和混合等方面的功能,使客户在“可以用”和“最合适”之间有直观的理解用于具体的工作实践中。

PT:作为螺杆供应商,贵公司和哪些塑料主机设备供应商已建立了良好的合作伙伴关系?

Mark Colellax先生:许多全球领先的注塑和挤出机厂商都是我们的忠实客户。

高荣宝先生:如前所述,我们Leistritz公司是德国及世界知名的双螺杆挤出机制造商,我们自身设计和制造螺杆部件,也仅将该部件应用到我们自产的双螺杆挤出机上。

PT:贵公司对于螺杆与机器的匹配,以及与客户应用的匹配有哪些好的经验?

Mark Colellax先生:公司自1929年成立以来,我们已经开创了很多塑料行业的先驱产品如螺杆、机筒、涂层和前端组件,如今诺信Xaloy公司在美国、欧洲和亚洲均设有工厂。我们对注塑螺杆设计数据库的应用可追溯到35年前,我们的树脂流变数据库已应用过上千案例。在我们的两个流变实验室,客户可以给我们寄小样本进行免费测试。我们的两个实验室使我们有能力对零件的设计作出检测。

高荣宝先生:鉴于Leistritz公司不仅是螺杆的制造商,同时也是挤出主机的供应商,我们无论在螺杆的设计和制造、与挤出机的匹配,还是在材料的加工工艺技术等方面都具备很深入的研究经验。因此,我们不但向客户提供量身订制的设备,而且向客户提供完整的解决方案和良好的售后服务。把我们的设备设计特点清晰地介绍给客户;对客户的应用需求有清晰的理解;设备的配置以客户的应用要求为中心,这是保证与客户应用匹配好的关键。

PT:螺杆作为损耗件,需要供应商提供后续的一系列技术服务。请谈谈贵公司为此提供的技术服务情况。

Mark Colellax先生:对于修理和翻修机筒和螺杆,我们也会按照制造新零件的标准来进行,包括数据建模、工程技术、精密加工、应用特制的衬套和涂层、热处理,以及等离子电弧焊等操作一应俱全。我们可以重造螺杆的螺棱部分、对螺棱根部和中部进行修理,以及重新打镗孔并更换新衬里,或是根据客户现有的生产线提供全新的塑化系统。

高荣宝先生:我们推荐客户使用原厂的螺杆备件,我们的技术服务团队可以向客户提供优质的技术服务。

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