擠出機(jī)分流型螺桿的設(shè)計(jì)

1、擠出機(jī)分流型螺桿的設(shè)計(jì) 在螺桿一定部位上安裝銷子、柱、角錐體或多孔板等分流元件,或者直接在擠出機(jī)螺桿上銑出凸柱、開分流溝成分流孔的螺桿角分流型螺桿。分流型螺桿的種類很多，我們?cè)诖酥攸c(diǎn)介紹分流型銷釘螺桿和分流型DIS螺桿，面對(duì)其他分流型螺桿進(jìn)行一般性說明。銷釘螺桿上的銷釘一般設(shè)在螺桿母體（10-8）或螺桿頭部上（圖10-3）。前者主要用來促進(jìn)塑料的熔融，后者主要用來促進(jìn)熔料的混合。螺桿上裝設(shè)銷釘后塑料的熔融過程發(fā)生了較大的變化。在普通螺桿上，外界的傳到熱量和熔料本身因剪切而產(chǎn)生的熱量都必須從液相通過份界面?zhèn)魍滔?，由于塑料的?dǎo)熱系數(shù)較低，整塊的固體從大塊逐漸熔化到完全消失需要較長(zhǎng)的時(shí)間，而且也必

2、然存在著圖（4-4）所示的那樣的溫度梯度，這就是說溫度波動(dòng)和徑向溫差是必然存在的。但是銷釘螺桿上，當(dāng)塑料通過銷釘時(shí)料中的固相被粉碎細(xì)化，細(xì)小的固相與液相混在一起被其包圍，熱量從各個(gè)方向從高溫液相傳往低溫固相，熔化時(shí)間縮短（圖10-1）。此外，銷釘?shù)确至髟?duì)塑料造成附加的阻力，塑料流過時(shí)產(chǎn)生了剪切與摩擦，這些都有助于塑料的熔化。圖10-2表示了在螺桿上增設(shè)銷釘型混煉元件后古縣各分部函數(shù)發(fā)生變化的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。由圖可見：當(dāng)沒有銷釘時(shí)塑料要通過21D的長(zhǎng)度后才全部熔融，而假設(shè)七排銷釘后，只需15D便全部熔化。因此增設(shè)銷釘便可在增大轉(zhuǎn)速提高產(chǎn)量的同事保證固相在螺桿上全部及時(shí)熔化。我們?cè)?jīng)用圖10-3的銷

3、釘螺桿進(jìn)行過實(shí)驗(yàn)。在加工LDPE時(shí)，該螺桿在n=210rpm情況下塑化質(zhì)量良好，產(chǎn)量達(dá)到63kg/Hr,此時(shí)熔料溫度尚不超過170C(圖10-4a)。面用來對(duì)比的普通螺桿當(dāng)n=110rpm時(shí)已出現(xiàn)了塑化不良的象征，其產(chǎn)量為32kg/Hr。試驗(yàn)結(jié)果正是 證實(shí)了銷釘螺桿可以較大地提高產(chǎn)量。一般來說，在螺桿上增設(shè)銷釘后產(chǎn)量大約能提高30-100%。除此以外，當(dāng)固相粉碎與細(xì)化后，液相的熱量及時(shí)傳給了固相，在促使固相熔融加快的同事也降低了液相的溫度，這對(duì)降低擠出物的溫度是很有利的。在普通三段式螺桿上，在擠出過程中，液相溫度總是不斷升高的，擠出物的徑向溫度總是比較大。相反實(shí)驗(yàn)表明，如果設(shè)計(jì)合理，設(shè)置段或螺

4、桿頭部的銷釘能打亂料流、較少溫度波動(dòng)和壓力波動(dòng)，提高擠出質(zhì)量。在使用圖10-3的銷釘螺桿擠出時(shí)，從圖10-4和圖10-5的比較可以看出：這種螺桿在擠出時(shí)不進(jìn)溫度低、波動(dòng)小而且在告訴下這個(gè)有點(diǎn)更為明顯。一般來說，設(shè)計(jì)得合理的銷釘螺桿能將擠出物溫度降低3C左右。某廠在150擠出機(jī)上擠出交聯(lián)聚乙烯的經(jīng)驗(yàn)表明：使用普通螺桿當(dāng)轉(zhuǎn)速不大于20-30rpm時(shí)才能保證擠出料溫不大于控制交聯(lián)所必須的132C，此時(shí)產(chǎn)量?jī)H180kg/Hr.采用銷釘螺桿后,擠出料溫下降至128C,因此可將螺桿轉(zhuǎn)速提高至35-50rpm,此時(shí)產(chǎn)量達(dá)到了240kg/Hr,提高了1/4。除了采用圓柱銷釘之外，也可直接在螺桿上銑出矩形的銷釘

5、（參看圖10-46IKV螺桿）。銷釘直徑也可設(shè)計(jì)成大小不等。長(zhǎng)短不一（圖10-6），還可將銷釘設(shè)計(jì)成人字型排列（圖10-7），這些結(jié)構(gòu)都加強(qiáng)了熔料在銷釘頭上的分流混合作用，改善了制品的均勻度一般認(rèn)為，銷釘頭上的銷釘直徑與其高度之比為0.25-2，銷釘之間的艱巨不超過銷釘直徑的1.5倍，銷釘?shù)目偯娣e約為銷釘頭總表面的1/3-1/4。有資料推薦銷釘直徑與螺桿直徑之間保持表10-1的關(guān)系。顯然，銷釘數(shù)據(jù)的多少和將銷釘設(shè)置于螺桿上的哪一個(gè)部位都將直接影響到塑料通過難易程度和分流強(qiáng)烈的程度，還將影響到塑料流動(dòng)阻力的大小。銷釘數(shù)量與安放位置選擇不當(dāng)，不進(jìn)達(dá)不到預(yù)期的目的，相反會(huì)由于阻力過大而產(chǎn)量下降，或者

6、由于局部摩擦發(fā)熱過大而熔料溫度升高實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明:銷釘平行與螺棱安裝其效果比垂直于擠出機(jī)螺桿軸心線安裝的效果差,因此大都將銷釘垂直于擠出機(jī)螺桿軸心線布置(圖10-8),或者是與軸心線小薇成一角度.在一個(gè)螺槽中設(shè)置兩排銷釘不如隔開1-2D各設(shè)置一排銷釘為好。銷釘設(shè)置的位置與物料種類有關(guān)，一般來說，在未熔部分即固相尚剩下20-30%時(shí)，（即X/W=0.2-0.3）設(shè)置銷釘比較合適，否則由于固相較多，不容易通過而使生產(chǎn)率和料溫升高，因此一般都設(shè)置在計(jì)量段和壓縮段的后半部，也可考慮設(shè)計(jì)成靠近擠出機(jī)螺桿尾部銷釘密集一些，而前部則稀疏一些，以減少料流的阻力，圖10-8所示的國(guó)外某注射機(jī)銷釘擠出機(jī)螺桿就是按

7、此思路設(shè)計(jì)的。DIS擠出機(jī)螺桿是在分流型擠出機(jī)螺桿和靜態(tài)混合器基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型擠出機(jī)螺桿，“DIS”便是應(yīng)為Distrbibutive(分散、分配)一詞的頭三個(gè)字母。我們知道，當(dāng)擠出機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速提高后用普通擠出機(jī)螺桿擠出時(shí)的徑向溫差T1、軸向溫度波動(dòng)T2都會(huì)有較大的增加。采用新型擠出機(jī)螺桿對(duì)減小軸向溫度波動(dòng)是很有效的，而靜態(tài)混合器對(duì)消除徑向溫差更為有效。DIS擠出機(jī)螺桿具有兩方面的技能，因此實(shí)際上它是一種“動(dòng)態(tài)混合器”。DIS擠出機(jī)螺桿是由普通擠出機(jī)螺桿和帶孔的分流元件所組成，分流元件位于擠出機(jī)螺桿的頭部（圖10-9）。每個(gè)元件上開有九個(gè)（用來加工低粘度度料）或六個(gè)（用來加工高粘度料）分

8、流孔，對(duì)直徑較大的擠出機(jī)孔數(shù)還可增加。每個(gè)孔貫通流入溝和流出溝。這些孔按一定的規(guī)律分布，每三個(gè)孔構(gòu)成一組，邊上的兩個(gè)孔和中間的一個(gè)孔的流向正好相反，從圖10-11可以更明顯地看出這點(diǎn)。有此也可看出：孔的個(gè)數(shù)應(yīng)該是三的倍數(shù)。從計(jì)量段最后一個(gè)螺槽留出的熔料進(jìn)入第一個(gè)混煉元件時(shí)被分為九股料流，他們流出第一個(gè)混煉元件后混合在一起然后再分成九股進(jìn)入第二個(gè)混煉元件，經(jīng)過四個(gè)混煉元件后，從理論上來說，醬油94=6561個(gè)分流的可能性，當(dāng)然實(shí)際上不足此數(shù)。這樣，在一個(gè)較小的擠出機(jī)螺桿長(zhǎng)度上就達(dá)到了很大的分散混合的效果。不進(jìn)如此，由于每三個(gè)孔構(gòu)成一個(gè)組所形成的三股料流中，邊上的兩股料流方向和中間的料流方向正好相

9、反，這樣它的混合作用必然比開槽型分流擠出機(jī)螺桿強(qiáng)烈，對(duì)消除軸向溫度波動(dòng)T2的效果也要好的多。DIS分流擠出機(jī)螺桿還有一個(gè)很大的特點(diǎn)，就是熔料在流道中有一“倒位”作用(圖10-10)。在一般螺槽中，沿螺槽深度上熔料移動(dòng)速度是不同的。但是經(jīng)過分流孔的“倒位”作用以后，原料靠近機(jī)筒壁的熔料（A1點(diǎn)）經(jīng)過分流孔流到流出槽時(shí)將貼近擠出機(jī)螺桿根徑(A2點(diǎn)),而原料靠近擠出機(jī)螺桿根徑的熔料(B1點(diǎn))將移到貼近機(jī)筒壁的位置(B2點(diǎn)).這樣,對(duì)改善料流在流道中的速度分布,減少波動(dòng),尤其對(duì)較小徑向溫差的效果是很顯著的. DIS擠出機(jī)螺桿對(duì)熔料流動(dòng)的阻力比起銷釘擠出機(jī)螺桿,以及下面將要接收啊的屏障型擠出機(jī)螺桿、分離

10、型擠出機(jī)螺桿來說要小得多。因?yàn)楹竺孢@些擠出機(jī)螺桿都有高阻力的阻礙部分，而DIS擠出機(jī)螺桿的幾個(gè)分流孔構(gòu)成的總流道面積并不比螺槽截面小，因此阻力很小，同事熔料也不會(huì)由于強(qiáng)烈的剪切摩擦而導(dǎo)致過熱分解，因此這種擠出機(jī)螺桿的使用范圍較廣，甚至可以加工硬聚氯乙烯等熱敏性塑料。此外，擠出機(jī)螺桿上沒有高阻力的障礙部分而是具有較大的流通界面也保證了金屬雜質(zhì)不易損壞擠出機(jī)螺桿。由于具有上述特點(diǎn)，開孔型分流擠出機(jī)螺桿在試驗(yàn)中得到了很好的效果。它的轉(zhuǎn)速較高、螺槽較深，對(duì)50的擠出機(jī)擠出高密度聚乙烯時(shí)能達(dá)到68kg/Hr的產(chǎn)量同時(shí)其波動(dòng)很蕭（參看表10-2）由于混合均勻，波動(dòng)小，混色的效果很好。徑向溫差小的結(jié)果保證了

11、制品內(nèi)外層質(zhì)量一只，這對(duì)加工硬聚氯乙烯，發(fā)泡擠出，交聯(lián)擠出，吹瓶，注射等都是很有好處的。圖10-11介紹了我們?cè)O(shè)計(jì)并已進(jìn)行過初步試驗(yàn)的DIS擠出機(jī)螺桿工作圖工您參考。設(shè)計(jì)時(shí)每個(gè)混煉元件的長(zhǎng)度在1.2-1.5D，在選擇參數(shù)時(shí)還要注意表10-3所列的幾個(gè)夾角之間的關(guān)系（參看圖10-11）?？梢苑治觯喝绻麏A角為0，則熔料產(chǎn)生了圖11-10所示的180“倒位”作用。但實(shí)際上不等于0，因此它的“倒位”作用只有-2，顯然槽內(nèi)回轉(zhuǎn)角-2在180內(nèi)越大越好。由于相鄰的兩個(gè)流道的夾角數(shù)值相等而方向相反，因此他們從分流孔留出后產(chǎn)生了一個(gè)相對(duì)的回轉(zhuǎn)角2（-2）=4，這個(gè)數(shù)值大小也直接 影響混合質(zhì)量的好壞，因此他們也

12、是在180以內(nèi)越大越好。增加角指的是相鄰兩槽通過分流孔到達(dá)留出溝后器其對(duì)中心的夾角比原來夾角的增加角度，這個(gè)數(shù)值越大，說明相鄰兩個(gè)槽通過分流孔后相互距離愈遠(yuǎn)，因此，此角也是越大越好。由此可見：為滿足上述的要求角以在15-45范圍內(nèi)選取為佳。影響分流型擠出機(jī)螺桿的混合性能的主要參數(shù)是分流數(shù)V和混合度M，關(guān)于這兩個(gè)參數(shù)目前尚無比較完整的分析和計(jì)算公式。顯然，混合度越大，熔料的混合分散效果便愈佳。但是分流元件上的銷釘（或其他零件）愈多勢(shì)必會(huì)造成流通截面減小，阻力加大，溫升加大等副作用，而且這些作用也必然和分流元件的其他尺寸（分流槽深度、銷釘高度等）有關(guān)。例如，如分流槽過淺將勢(shì)必加大熔料流動(dòng)阻力和增大溫升，這是很明顯的。除了銷釘型擠出機(jī)螺桿和DIS擠出機(jī)螺桿之外，還存在這多種分流型擠出機(jī)螺桿，他們的典型結(jié)構(gòu)如圖10-12所示。有的在螺棱上開斜空（圖10-12a），螺紋前后的熔料可以通過斜孔混合，而且靠近機(jī)筒的料可以和靠近擠出機(jī)