挤出机螺杆设计和修复工艺

  • 发布日期:2017-02-04
  • 摘要:挤出机螺杆是挤出机的灵魂部件,螺杆设计制造的好坏与否直接影响制品的产量和质量。

    挤出机螺杆是挤出机的灵魂部件,螺杆设计制造的好坏与否直接影响制品的产量和质量。常用的单螺杆挤出机螺杆的设计和损坏后的翻新修复工艺进行探讨。

    螺杆的设计

    螺杆的结构分析
     挤压系统由螺杆和机筒组成 ,是挤出工作的 “ 心脏”部 分,螺杆在机筒内完成对塑料的连续输送、塑化、均化、定压 定量挤出过程。螺杆的类型有:等螺距渐变型螺杆、等螺距深 度突变型螺杆、变深变距螺杆等。以常用的等螺距渐变型螺杆 为例研究其结构。其主要特征:螺杆的螺纹部分螺距相等,而 螺纹槽的深度在加料段和均化段的螺纹槽深不变,而在塑化段 的螺纹槽深由深逐渐变浅,它是适于多种塑料的挤出塑化。 渐变型螺杆将螺杆工作长度分为3 个基本功能段,
     
    如图1 所 示:
     
    ( 1 ) 加料段L1 :由料斗加入的物料靠此段向前输送,并开 始被压实;
    ( 2) 塑化段L2 :物料在此段继续被压实,同时向熔 融状态转变;
    ( 3 )均化段L 3 :物料转变为黏流态,螺杆将熔融物料定量、定压、定温地挤入到机头成型。 

    挤出机螺杆的设计和翻新修复工艺a

     

    螺杆的主要参数

      螺杆的主要参数有:螺杆的直径、长径比、压缩比、各段螺纹的长度、螺距等,其参数的确定应根据挤出机的技术参数确定 ,即综合考虑螺杆的应用场合及各参数之间的相互关系。
     
    螺杆的直径D:螺杆直径主要根据生产塑料制品的规格大小和产量来确定。直径越大,挤出产量越高,生产能力与螺杆直径的立方成正比。 
     
    长径~ g L / D:反映了挤出机的规格及性能。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,可以保证制品质量。但L / D ~ E 大后,螺杆、料筒的加工和装配都比较困难和复杂,成本高。此外螺杆太长容易变形,造成与料筒的配合间隙不均,有时会使螺杆刮磨机筒,影响挤出机的寿命。因此,应力求在较小的长径比条件下获得高质量和高产量。目前,长径比取在2 0 - 3 0 范围内。 
     
    压缩比 s:压缩比的存在是产生挤出压力的前提,其大小的选择应考虑在挤出过程中,既要保证物料充分压实,又不能压缩过大。P V C 的压缩比常取3 ~4 。 
    螺纹各分段的长度:各分段的长度与加工的塑料性能有关。
     
    ( 1 ) 加料段L 1 :为保证压缩段能基本熔融,对于加工熔点高、热导『 生 差的塑料,此段应长一些。 
     
    ( 2 ) 塑化段L 2 :由于非结晶形塑料无明显熔点,必须经过一段时间才会熔融,因此对于非结晶型塑~ : t L 2 应设计较长一些,而结晶型塑料可稍短。 
     
    ( 3) 均化段L 3 :L 3 长一些,可使物料得到相对长一些的均化时间,也可以减少压力、温度、产量的波动。但L 3 不能过长,否则会使压缩和加料段在螺杆全长中占的比例过小,不利于物料的熔融。 一般加工结晶物料三段长度分配为 : ( 4 0 %~6 0 %)L 、 4 D、 (3 0 %~4 5 %)L ;非 结 晶物 料 : (2 0 %~3 0 %)L 、 ( 4 5 %一5 0 %)L 、 ( 2 5 %~3 0 %)L。 
     
    螺棱法向宽度e 和螺距S : 螺棱宽度大, 占据螺槽空间, 挤出量减少。螺棱宽度太小, 漏流量增大, 电会减少挤出量。一般为e =0.1 D, S=D。   

     

    螺杆的设计与制造要求

    ①     设计要点
    挤出成型塑料品种较多,一根螺杆不可能成型所有塑料, 应根据加工塑料特点来设计。在确定螺杆三段长度 、螺槽深度时,应注意螺杆运转速度、机筒温度、生产率、熔体温度和功率消耗等。螺杆的塑化能力取决于其转速和机筒的温度,另外,螺杆温度和压力的大小对螺杆 3 个功能都有影响。 图2 为用于单螺杆挤出机螺杆设计图。该螺杆可用于加工P V C 等塑料制品。挤 出机最高产量为5 5 k g/h,电机功率为15 KW ,螺杆最大转速78r/min,长径比为25:1。其主要参数如表1 所示。 

    挤出机螺杆的设计和翻新修复工艺1

    挤出机螺杆的设计和翻新修复工艺2

     

    ②螺杆的校核
     设计后要对螺杆进行生产能力、强度校核。 
    ( 1 )产量验算:根据螺杆三段的功能可计算出加料段体输送生产率、压缩段的熔融能力及均化段的熔体输送率,但挤出生产率最终由均化段的输送熔体能力决定。所算生产率时主要是依据均化段的熔体输送生产率采计算。 
    ( 2 )强度校核:由于螺杆为细长杆,在工作中会受到压和弯的作用,所以在设计后要对螺杆进行强度进行校核点校核螺杆在旋转中机头物料对螺杆的压力、轴向作用力矩。当计算结果不能满足要求时,必须修改螺杆的某些参数
     
    ③设计手段。目前,许多中小企业螺杆的设计仍采用传设计方法,即采用经验设计,其主要缺陷为: 设计制造周期一个成品的设计需进行大量的后续试验和修改,生产费用近几年,随着螺杆理论研究的深入,利用高分子材料学、学 、流变学 、力学、计算机图形学等基本理论,通过计C A D/ C A M辅助设计建立的各种数学和物理模型,通过动真分析对螺杆进行参数化设计取得了一定的成绩,如:UG、V i s u a i   B a s i c 6   0 、s o l i d w o r k s 软件开发出的各种螺杆参数计模型,为螺杆的优化设计、控制加工过程,获得理想的提供了科学依据和设计手段。 
     
    螺杆的制造要求
     
    由于螺杆的工作状态是在高温高压下输送原料,应保证具有高硬度和耐腐蚀睦。另外,螺杆属于细长轴类,直线度要求高,截面形状复杂,加工时由于受切削应力、组 织应力和热应力等的影响极易变形,因此对其制造要求较高。 采用典型细长轴加工的工艺:粗铣一半精铣一精铣,应合理分配切削余量,一般粗铣留余量3 ~4 mm,半精铣留余量1 ~ 1.5mm。在加工过程中始终以螺杆二端中心 孔为基准,以保证螺杆的直线度和同轴度。 
    螺杆的制造要求: ( 1 ) 制造材料应选用性能好、在高温环 境中工作变形小的合金钢或优质碳素结构钢,如:3 8 C r Mo A L 、W6 Mo 5 C r 4 V 2 、4 0 C r 等; ( 2) 毛坯经锻造成型后进行退火处 理, 以消除钢材锻造时产生的内应力;毛坯经粗加工后进行调质 处理, 硬度为H B 2 6 0 —2 9 0 ; ( 3) 螺杆精加工后螺纹工作表面要 进行氮化处理,氮化层深度为0 . 5 —0 . 6 mm, 硬度为HV 8 5 0 ~9 4 0 ; 
     
    ( 4 )螺杆螺纹工作面的粗糙度要满足工艺要求,螺纹两侧面不 大于1 . 6 m,螺纹槽底和外圆不大于0 . 8 i n 。 ( 5 )应保证螺杆的强度和韧性,螺杆的脆性不大于2 级。 ( 6) 螺杆表面不允许有明显碰伤、拉毛、锈蚀、烧伤等缺陷。目前提高螺杆寿命的工艺有:表面氮化、电镀硬铬 、高频淬硬、表面喷涂、喷焊等工艺 。 
    螺杆和机简装配后,两零件的轴心线同轴度要一致 ,螺杆在机简内的装配间隙要合理 。装配间隙过大 ,挤出熔料的压力不稳定 ,使塑料制品的截面形状 、尺寸误差大,挤出机的产量不稳定。应根据不同的直径及长径比大小选择合适的装配间隙 ,一般装配间隙为+0.08~0.054 mm, 直径越大,装配间隙越大。 

    螺杆的修复

    扭断损坏和修复
     
    螺杆被扭断,一般是由于操作不当、设备安全控制系统失 灵,或机简内随入料混进金属异物 、挤塑原料温度偏低等原 因,使螺杆的转矩突然增加,致使螺杆变形或扭断。由于螺杆 加料段深度h 1 大于其它段,因此在加料段L 1 的扭转强度最低,扭断一般发生在加料段。 扭断的螺杆要根据实际情况考虑是修复或更新。由于螺杆是细长的螺纹杆,其机械加工和热处理工艺都比较复杂,精度的保证比较困难。所以,螺杆扭断后是修复还是更换新件,一 定要从经济角度全面分析。
     

     
    修复工艺通常采用焊接工艺,其基本工序为:
     
    ( 1 ) 设立螺杆
    断裂二端面的定位孔;
    ( 2 )装配。装配时要注意断口处螺纹槽的连续性,并测量焊口处的螺距;
    ( 3 )焊接。焊接时应保证焊缝金属有足够的机械性能,不产生淬硬组织、冷裂缝和结晶裂缝,保证焊缝与螺杆基本金属的机械性能基本一致。
    ( 4 )校正。
     
    若是更换新螺杆,应根据机简的实际内径来考虑,按与机筒的正常间隙给出新螺杆的外径偏差进行制造。  
     

     
    磨损损坏和修复:
     
     一般在均化段L 3 压力最高,磨损最严重。造成螺杆磨损的 原因有很多种,主要有:
     
    ( 1 )原料、螺杆、机筒表面摩擦使螺 杆外径变小,螺杆与机简的装配间隙变大;
     
    ( 2 )工艺温度控制 不稳定,原料分解出大量气体,致使螺杆表面腐蚀;
     
    ( 3 )制造 和装配未达到工作条件要求,使螺杆过早出现变形或磨损。
     
    修复方法有:
     
    ( 1 )磨损螺杆直径缩小的螺纹表面经处理后,热喷涂耐磨合金,然后再经磨削加工至尺寸。这种方法一般有专业喷涂厂加工修复,费用还比较低。
     
    ( 2 )由于维修螺杆比机筒相对容易,所以在热处理氮化时螺杆硬度应比机筒低一些,可在磨损螺纹槽表面补填料焊接,堆焊时应选耐磨而硬度相对较软的材料,这样再返修时就可只修螺杆而机筒简单珩磨下。一般根据磨损的程度堆焊1-2mm厚,然后磨削螺杆至尺 寸。
     
    ( 3 )修复螺杆也可用表面镀硬铬方法,但硬的铬层比较容易脱落。 
     无论何种型式的损坏,在选择螺杆是重新修复还是更新螺杆时,都应综合考虑修理费用与修理后使用螺杆时间与更新费用和更新螺杆使用时间的比值,采用比值小的方案才是经济、 正确的选择。 
     
     

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