橡膠擠出機(jī)螺桿構(gòu)型分析及其幾何參數(shù)的確定

1、橡膠擠出機(jī)螺桿構(gòu)型分析及其幾何參數(shù)的確定呂柏源 鄭曉斐 閔鵬峰 崔靜（青島科技大學(xué)高分子材料加工機(jī)械研究所）摘要：螺桿是冷喂料擠出機(jī)的一個(gè)核心部件，它在擠出機(jī)的性能參數(shù)中起著決定性的作用。本文將螺桿從宏觀功能上分成三個(gè)功能段，依據(jù)擠出理論結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐分別對(duì)螺桿的喂料功能段、塑化功能段和擠出功能段的各種螺桿構(gòu)型進(jìn)行了較詳盡較系統(tǒng)的分析，以便更容易理解和掌握各種螺桿構(gòu)型的工作原理，希望對(duì)螺桿設(shè)計(jì)和選型有所幫助。另一方面螺桿又是由眾多的結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)所組成。因此螺桿幾何參數(shù)的確定和選擇直接關(guān)系著擠出機(jī)的使用性能。本文分析了螺桿幾何參數(shù)影響擠出過程的理論依據(jù)，進(jìn)而對(duì)各幾何參數(shù)進(jìn)行選擇和確定，為螺桿和擠出

2、機(jī)的設(shè)計(jì)、選型提供依據(jù)和參考。1.前言在橡膠工業(yè)中，螺桿擠出機(jī)是橡膠加工的重要設(shè)備，它廣泛應(yīng)用在輪胎制造、膠管制造、密封膠膠條制造、電線電纜和防水材料制造等等。在擠出機(jī)中，螺桿是一個(gè)核心部件，它在擠出機(jī)的性能參數(shù)中起著決定性的作用。從擠出機(jī)的發(fā)展史中就充分證明了這一點(diǎn)：最早使用的是短長徑比的等距不等深或收斂螺桿，因沒有塑化功能，只能用在橡膠制品的壓型功能上，即出現(xiàn)了最早的熱喂料擠出機(jī)；由于熱喂料擠出機(jī)需要龐大的供膠設(shè)備，既浪費(fèi)能源，浪費(fèi)占地面積，勞動(dòng)強(qiáng)度大，擠出制品質(zhì)量低等問題，因此，加大了螺桿的長徑比，提高了膠料在擠出過程中的剪切歷程，以便提高螺桿的塑化能力，出現(xiàn)了大長徑比的普通螺紋螺桿，即

3、從熱喂料擠出機(jī)發(fā)展到普通冷喂料擠出機(jī)；由于普通冷喂料擠出機(jī)的螺桿沒有塑化元件結(jié)構(gòu)，塑化能力達(dá)不到擠出工藝要求，在此背景下，螺桿的塑化段增加了主副螺紋結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)了主副螺桿（即強(qiáng)力剪切）冷喂料擠出機(jī)；主副螺紋擠出機(jī)雖然解決了塑化能力問題，但它只是簡單的剪切作用，對(duì)塑化和混合作用還滿足不了高質(zhì)量橡膠制品的要求，因此，又將螺桿的塑化段發(fā)展成機(jī)筒銷釘螺桿，則出現(xiàn)了銷釘冷喂料擠出機(jī)。并為此，先后出現(xiàn)了繁多的擠出機(jī)品種，如：擋板擠出機(jī)、傳遞型擠出機(jī)，銷釘/主副螺紋型擠出機(jī)等等。在擠出機(jī)中，機(jī)筒/螺桿系統(tǒng)有三大作用：一是輸入膠料的作用，即為擠出機(jī)的喂料段。它是決定擠出機(jī)生產(chǎn)能力的前提，只有吃料多，才能輸出得多

4、；但是吃料多必須給予消化，則機(jī)筒/螺桿系統(tǒng)第二個(gè)作用就是塑化作用，此段即為擠出機(jī)的塑化段；在擠出過程中膠料通過喂料段、塑化段，至此膠料已完成了塑化作用，為了獲得制品穩(wěn)定的質(zhì)量，機(jī)筒/螺桿系統(tǒng)第三個(gè)作用就是穩(wěn)定擠出作用，即計(jì)量作用，此段稱擠出段。我們根據(jù)螺桿在機(jī)筒的輔助組合下，把螺桿分成三個(gè)功能段，一是喂料段，二是塑化段，三是擠出段。為了便于分析和應(yīng)用，我們將螺桿構(gòu)型分解成上述三個(gè)功能段的構(gòu)型并進(jìn)行分析，以便更容易理解和掌握螺桿構(gòu)型的設(shè)計(jì)原理，希望對(duì)螺桿設(shè)計(jì)有所幫助。在橡膠螺桿擠出機(jī)中，螺桿是擠出機(jī)的核心部件，而螺桿又是由眾多有關(guān)的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)所組成，幾何參數(shù)的選擇是否正確，直接影響擠出機(jī)的使用

5、性能。長期以來，螺桿的幾何參數(shù)主要沿用熱喂料擠出機(jī)和普通冷喂料擠出機(jī)螺桿的幾何參數(shù)。隨著螺桿構(gòu)型的發(fā)展和變化，螺桿幾何參數(shù)也有很大的變化。因此，很有必要對(duì)現(xiàn)代冷喂料擠出機(jī)螺桿結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)進(jìn)行分析，在分析的基礎(chǔ)上對(duì)螺桿結(jié)構(gòu)的主要幾何參數(shù)進(jìn)行選擇和確定。這些幾何參數(shù)主要包括：螺桿直徑（d）；螺桿長徑比（l/d）；螺紋升角（）和導(dǎo)程（s）；螺桿的幾何壓縮比（）；螺槽深度（h）；螺紋斷面形狀（r，e）；銷釘?shù)呐艛?shù)（n）、個(gè)數(shù)（n）與銷釘直徑（d）；主副螺紋長度（l）與高低差（），螺桿和機(jī)筒之間的間隙（）以及螺桿頭的形狀與尺寸。2.橡膠擠出機(jī)螺桿構(gòu)型分析2.1喂料段螺桿構(gòu)型分析喂料段螺桿主要有兩個(gè)作用：

6、一是能最大限度和最快速度吃進(jìn)膠料；二是保證吃進(jìn)的膠料能有效地迅速輸送到塑化段。對(duì)于前者主要采用旁壓輥喂料裝置以及新近出現(xiàn)的螺旋嚙合喂料裝置，主要考慮螺桿的構(gòu)型和與之相配合的機(jī)筒結(jié)構(gòu)。機(jī)筒螺桿普通螺紋螺桿多頭螺紋螺桿等距等深螺桿等距不等深螺桿收斂螺桿簡單多頭螺紋螺桿復(fù)合多頭螺紋螺桿軸向溝槽機(jī)筒螺旋溝槽機(jī)筒喂料段螺桿構(gòu)型喂料段的膠料主要還是呈現(xiàn)粘彈態(tài)，比較符合擠出理論中的固體輸送理論，有如下公式1： （1）（式中符號(hào)意義參見文獻(xiàn)1p266-269）移動(dòng)角的大小是擠出機(jī)生產(chǎn)能力高低的一個(gè)決定因素。當(dāng)=0，生產(chǎn)能力為0；當(dāng)=90時(shí)，生產(chǎn)能力達(dá)到最大值。最終必須使膠料的摩擦系數(shù)減小，而與機(jī)筒的摩擦系數(shù)增

7、加。根據(jù)上述原理出現(xiàn)了許多類型喂料段螺桿構(gòu)型，分類如下：2.1.1喂料段機(jī)筒構(gòu)型2.1.1.1軸向溝槽機(jī)筒構(gòu)型如圖1所示為軸向溝槽的機(jī)筒構(gòu)型。它主要是通過各種形狀的軸向溝槽提高膠料與機(jī)筒的摩擦系數(shù)，以便提高生產(chǎn)能力。在機(jī)筒襯套設(shè)置溝槽的尺寸見表1，本表尺寸適用于塑料擠出，對(duì)橡膠擠出而言，其槽深可作較大增加。 圖1 軸向溝槽機(jī)筒構(gòu)型表1機(jī)筒襯套設(shè)置溝槽尺寸螺桿直徑d，mm456090120150溝槽數(shù)z4681216橫寬b，mm88101010槽深h，mm334442.1.1.2螺旋形溝槽機(jī)筒構(gòu)型根據(jù)研究，在喂料段機(jī)筒襯套內(nèi)壁開設(shè)螺旋形溝槽以代替軸向溝槽，其吃料和輸送效果更好，注意螺旋形溝槽的方

8、向要與螺桿螺紋旋向相反，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。在150銷釘擠出機(jī)喂料段襯套上有四條來復(fù)線溝槽，槽寬60 mm，槽深5mm,導(dǎo)程480 mm。來復(fù)線狀的溝槽從喂料口的底部開始，向機(jī)頭方向推進(jìn)，在螺槽收尾處，采用較平緩的斜坡過渡線圓弧過渡。圖2 螺旋溝槽機(jī)筒設(shè)計(jì)2.1.2喂料段螺桿構(gòu)型2.1.2.1喂料段普通螺桿構(gòu)型喂料段普通螺桿構(gòu)型有三種結(jié)構(gòu)。如圖3a所示為等距等深螺桿，這種結(jié)構(gòu)簡單、加工容易，但沒有壓縮比，在普通冷喂料擠出機(jī)不宜使用，因?yàn)椴蝗菀捉D出壓力和剪切功能較弱，但在銷釘擠出機(jī)中，也常常采用這種螺桿構(gòu)型，因?yàn)殇N釘擠出機(jī)塑化功能很強(qiáng)，對(duì)擠出機(jī)喂料段螺桿的剪切功能沒有特殊要求。如圖3b所示為等

9、距不等深螺桿，他克服了等距等深螺桿上述的缺陷，但在小規(guī)格擠出機(jī)中，螺桿的根部的強(qiáng)度與剛度不好保證，容易產(chǎn)生墊桿現(xiàn)象。如圖3c所示為等深不等距螺桿（收斂螺桿），它既克服了上述兩種螺桿的缺點(diǎn)，同時(shí)它更符合擠出過程膠料變化狀態(tài)，有利于喂料段溝槽體積的擴(kuò)展，進(jìn)而提高吃料能力，這種螺桿按傳統(tǒng)方法加工比較困難，一般需用專用數(shù)控螺桿加工機(jī)床。a 等距等深螺桿(t1=t2，h1=h2)b 等距不等深螺桿(t1=t2，h1h2)c等深不等距螺桿(t1t2，h1h2)c 等深不等距螺紋螺桿(t1t2，h1淺螺槽的生產(chǎn)能力q1，當(dāng)在高壓區(qū)ppc時(shí)（即具有高阻力的機(jī)頭），若配以深螺槽螺桿，將會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)能力的降低，若配

10、以淺螺桿，將會(huì)獲得較高的生產(chǎn)能力如p3分別與淺螺槽螺桿特性線和深螺槽螺桿特性線相交得到淺螺槽螺桿的生產(chǎn)能力q2深螺槽的生產(chǎn)能力q。因此，在使用低阻力機(jī)頭時(shí)，可以增加螺紋槽的深度來提高生產(chǎn)能力。在橡膠擠出機(jī)中一般機(jī)頭阻力較低（p3mm時(shí)，擠出機(jī)就會(huì)完全失效。螺紋間隙減小當(dāng)然對(duì)生產(chǎn)能力有好處，但間隙太小會(huì)帶來加工的困難以及容易造成螺桿的掃膛現(xiàn)象，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)選擇適當(dāng)?shù)拈g隙。間隙見表4。在實(shí)際使用中，其間隙往往偏大，如貝爾托夫150的間隙約為0.40.513，200的約為0.50.622。表4 螺桿與襯套直徑間隙參考表6580901201502002503000.178/0.2280.203/0.25

11、40.254/0.3050.254/0.3050.305/0.3720.330/0.4070.432/0.5080.432/0.5083.11螺桿頭幾何形狀與尺寸在擠出過程中，膠料輸送過程是在螺槽中作螺旋狀運(yùn)動(dòng)，當(dāng)膠料進(jìn)入機(jī)頭流道時(shí)，為了使膠料穩(wěn)定擠出流道，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)穆輻U頭部的結(jié)構(gòu)形狀，圖26為螺桿頭的幾種幾何形狀結(jié)構(gòu)圖。a-平頭 b圓形頭 c圓柱/圓錐形頭 d錐形頭圖26 螺桿頭結(jié)構(gòu)圖a-平頭 b圓形頭 c圓柱/圓錐形頭 d錐形頭圖6a為平頭螺桿結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)容易導(dǎo)致從螺桿擠出的膠料在其端部形成窩膠而造成膠料的燒焦現(xiàn)象，一般不采用。圖6b為圓頭螺桿頭結(jié)構(gòu)，一般用在熱喂料螺桿中，這種結(jié)構(gòu)的螺桿頭，軸向長度小，結(jié)構(gòu)較緊湊，但在螺桿頭的中心部分仍有滯膠現(xiàn)象。在冷喂料擠出機(jī)中一般采用錐形螺桿頭或圓柱圓錐形螺桿頭，這種類型的螺桿頭一方面可以提高機(jī)頭的壓力，另方面能有效的解決螺桿頭的滯膠問題，以下經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)可供參考：l=0.50.8d，l=0.20.35d，l=0.20.4d,sr=1525。4. 結(jié)束語(1)將螺