PVC管材擠出機(jī)用雙排氣式機(jī)筒和螺桿的設(shè)計(jì)研究

沈正路

（上海攜晟機(jī)械制造有限公司，上海 201401）

0 引言

在管材、型材、板材的制造與加工領(lǐng)域，高品質(zhì)、多品種以及極具價格吸引力的產(chǎn)品將受到消費(fèi)者的青睞。質(zhì)量優(yōu)越、價格合理的產(chǎn)品越來越受到廣大客戶的肯定與贊美。近年來，由于原材料價格、生產(chǎn)成本和人工成本都在不斷上漲，因此很多中小規(guī)模企業(yè)的競爭力在逐步下降。設(shè)計(jì)一款性能優(yōu)越的塑料擠出機(jī)是從業(yè)人員的職責(zé)，也是提高公司市場競爭力的有力表現(xiàn)。38D系列的平雙螺桿具有高產(chǎn)出率和高品質(zhì)擠出的效果，可讓生產(chǎn)企業(yè)得到高的投資回報。擠出機(jī)較寬廣的制品加工平臺采用先進(jìn)的模塊化設(shè)計(jì)理念。螺桿特殊幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使PVC物料能塑化均勻，物料輸送穩(wěn)定，扭矩和熔體壓力波動穩(wěn)定的特點(diǎn)。

1 排氣原理

對平行雙螺桿排氣式塑料擠出機(jī)來說，機(jī)筒在相應(yīng)的位置上有兩個排氣口，第一個排氣口為自然排氣口，應(yīng)設(shè)計(jì)成長方形結(jié)構(gòu)，增大自然排氣范圍，第二個排氣口為真空排氣口，排氣口應(yīng)設(shè)計(jì)兩個圓孔結(jié)構(gòu)并增加真空排氣系統(tǒng)對其進(jìn)行抽真空。當(dāng)PVC物料被輸送到機(jī)筒內(nèi)，在螺桿的異向旋轉(zhuǎn)作用下，物料受到擠壓和剪切的作用，使機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能。機(jī)筒上配套有加熱調(diào)溫系統(tǒng)，物料包裹在螺棱表面向前移動并隨之逐步塑化。當(dāng)物料到達(dá)第一個排氣口時，物料中少許的粉塵會通過排氣口被排出。半塑化狀態(tài)下的物料繼續(xù)向前運(yùn)動。當(dāng)?shù)竭_(dá)第二個排氣口時，物料會達(dá)到理想的塑化效果，在壓差和螺桿剪切力的作用下，氣體和物料被得以分離，氣體和微量的水分被真空系統(tǒng)抽走，從而保證制品的優(yōu)越性能。如圖1所示。

圖1 雙排氣結(jié)構(gòu)示意圖

2 物料出現(xiàn)冒料的分析

在生產(chǎn)中物料出現(xiàn)冒料現(xiàn)象是經(jīng)常發(fā)生情況，發(fā)生這一現(xiàn)象主要原因如下：1）客戶物料配方存在問題。2）螺桿幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致物料在機(jī)筒內(nèi)沒有達(dá)到塑化效果。3）工藝溫度的設(shè)定存在問題。所以當(dāng)設(shè)計(jì)一款未知塑料擠出機(jī)時，應(yīng)對客戶的配方進(jìn)行了解并對物料進(jìn)行流變試驗(yàn)，充分了解客戶所生產(chǎn)的物料性能以及特性，這樣有利于機(jī)筒和螺桿的設(shè)計(jì)與開發(fā)。

3 雙排氣式螺桿區(qū)段的設(shè)計(jì)

單排氣式錐雙和平雙螺桿的區(qū)段一般設(shè)為5個區(qū)或者6個區(qū)即可滿足使用要求，當(dāng)筆者選用雙排氣式平雙螺桿時螺桿區(qū)段應(yīng)增加至9~10個區(qū)段，因?yàn)闄C(jī)筒上有2個排氣口所以螺桿上需要設(shè)計(jì)成兩個排氣段與兩個強(qiáng)壓縮段的機(jī)構(gòu)。如圖2所示。

圖2 38D系列螺桿區(qū)段分布簡圖

根據(jù)螺桿的初步分布后基本可確定機(jī)筒的真空排氣口的位置（在真空排氣段第2-3螺棱之間）。如果在試機(jī)時發(fā)現(xiàn)螺桿的塑化效果差，則可在第二和第三區(qū)進(jìn)行回流槽的設(shè)置，增強(qiáng)螺桿剪切力提供其塑化效果。

3.1 螺棱參數(shù)的設(shè)計(jì)

螺桿各區(qū)段的導(dǎo)程(Pitch)、頭數(shù)(Start)、螺桿直徑（Diameter）、間隙（Gap）等參數(shù)是非常重要的，如果設(shè)計(jì)的不合理，則可能生產(chǎn)出不合格的螺桿，導(dǎo)致企業(yè)經(jīng)濟(jì)上的損失。為了更穩(wěn)定輸送物料第一區(qū)可以選擇頭數(shù)為3的螺棱。這樣的話，=1.4-1.5；第二區(qū)為預(yù)壓縮段其導(dǎo)程應(yīng)該小于加料段的導(dǎo)程。=1.1-1.3；第三區(qū)為壓縮段其導(dǎo)程應(yīng)小于第二區(qū)，=1.0-1.1；第四區(qū)為高壓縮段其導(dǎo)程應(yīng)該是整體螺桿中最小的部分之一，=0.6-0.8；第五區(qū)為真空排氣段，此區(qū)段應(yīng)有較大的導(dǎo)程與頭數(shù)，這樣才能更快地進(jìn)行排氣處理。=2.5-3.0；第六區(qū)為預(yù)壓縮段，將真空排氣段輸送過來的物料進(jìn)行再一次穩(wěn)定輸送，與第三區(qū)的性質(zhì)基本一致，=0.65-0.8；第七區(qū)為強(qiáng)力壓縮段，導(dǎo)程是整體螺桿中最小，=0.4-0.5；此區(qū)的間隙要精確計(jì)算與加工制造，參數(shù)的準(zhǔn)確性直接影響螺桿的產(chǎn)量。第八區(qū)為真空排氣段，其區(qū)段的螺桿導(dǎo)程應(yīng)小于自然排氣段的導(dǎo)程，=1.5-2.4；第九區(qū)為計(jì)量段，此區(qū)段螺桿結(jié)構(gòu)能精準(zhǔn)地計(jì)量物料輸送能力，=1.2-1.5；第十區(qū)為混合擠出段，此區(qū)段的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到物料擠出的穩(wěn)定性，=2.4-3.0。

3.2 螺棱軸向角度的設(shè)計(jì)

螺棱有軸向尺寸和法向尺寸的區(qū)別，軸向尺寸主要用于加工中心的編程與計(jì)算，法向尺寸則用于質(zhì)檢，兩個參數(shù)是可以相互轉(zhuǎn)換的。在初步計(jì)算出合理的導(dǎo)程、頭數(shù)后，要對螺棱參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為了加工方便，當(dāng)導(dǎo)程=0.5-2.5時，軸向角度選擇10°，當(dāng)導(dǎo)程>2.5時，軸向角度為15 °~20 °，具體選用哪個角度，應(yīng)與計(jì)算后的間隙進(jìn)行比較，在選出合理的軸向角度。軸向角度選擇整數(shù)的目的是為了對刀方便，降低加工難度。在計(jì)算各區(qū)段的螺棱參數(shù)時，各區(qū)段的導(dǎo)程應(yīng)選擇整數(shù)值且考慮螺桿配合后之間的間隙量，和的尺寸值。如圖3所示。

圖3 螺棱軸向基本尺寸

3.3 嚙合間隙計(jì)算

×，其中為直線方程的參數(shù)。

將該射線表示為2個平面相交距離的公式，如公式（1）所示。

將動坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到靜坐標(biāo)系變換公式，如公式（2）所示。

代入（1）中得：

上述公式可簡單寫出：

上述非線性方程可以用下列的牛頓迭代公式求解，如公式（3）所示。

圖4 螺旋齒面的法線和兩齒面的法向距離示意圖

3.4 38D系列的平雙螺桿優(yōu)越性

38D系列的螺桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)融合一段高效預(yù)熱單元，此單元應(yīng)該擁有加長的輸出端口和混合區(qū)段，38D系列螺桿可完美適用于PVC粉料的加工，成為生產(chǎn)U-PVC和M-PVC管材、芯層發(fā)泡PVC管材和PVC-O管材的理想選擇。該螺桿結(jié)構(gòu)中的預(yù)熱單元不僅更長而且高效，這意味著該設(shè)備在加工多種材料配方時具有高效的靈活性，同時使設(shè)備產(chǎn)量最大化。更長的計(jì)量段設(shè)計(jì)可積累更高的壓力，這有利于保證材料加工的穩(wěn)定性，對整個混合擠出區(qū)熔融溫度進(jìn)行控制。這樣的設(shè)計(jì)效果對添加劑和發(fā)泡劑的擴(kuò)散具有積極影響，對各種等級的PVC管材用料來說，38D系列的塑料擠出機(jī)可以將工藝波動降至絕對最低點(diǎn)。其缺點(diǎn)就是起初投資較大，設(shè)備成本較高，一旦客戶購買此系列塑料擠出機(jī)將給客戶帶來意想不到的經(jīng)濟(jì)價值，使加工企業(yè)受益匪淺，是未來高質(zhì)量制品加工理想選擇。該公司推出了4種規(guī)格38D系列的平雙擠出機(jī)：XTP76、XTP93、XTP112和XTP135。

加工企業(yè)可以通過增加填料含量來降低PVC管材的原料成本，事實(shí)證明高達(dá)40%的碳酸鈣填料含量用于排水管是可行的，填料直徑在50mm~500mm的高填充管材用于廢水輸送。在20%~25%的碳酸鈣填料含量用于上水管也是成功的，但在訂購設(shè)備時必須告知，因?yàn)榈吞畛淞吓c高填充料的螺桿結(jié)構(gòu)是不同的，該公司會提供相對應(yīng)的螺桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。38D系列擠出機(jī)能保證穩(wěn)定的加工以及良好的均一產(chǎn)品質(zhì)量。

4 機(jī)筒排氣口的設(shè)計(jì)與選擇

機(jī)筒上的排氣口具有一定的真空度，筆者可以從真空口位置觀察物料的塑化程度，也可以從真空口進(jìn)行抽真空處理，所以真空口的作用是非常重要的。真空口位置選擇錯誤會導(dǎo)致物料從真空口往外帽料，造成經(jīng)濟(jì)損失。因此真空口的位置與形狀的設(shè)計(jì)應(yīng)與螺桿區(qū)段分布相結(jié)合起來進(jìn)行設(shè)計(jì)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)無死角，力求光滑過渡，減少物料的阻力，以適合熔融物料的輸送。

排氣口的位置和形狀應(yīng)有利于排氣、避免帽料。便于觀察和清理。第一個排氣口可選擇長方形結(jié)構(gòu)，增加排氣面積，長度=1.5-2.0，為螺桿直徑尺寸，寬度尺寸=0.4-0.6，該結(jié)構(gòu)是經(jīng)典排氣形狀。兩個排氣口的中心距=0.9-1.4，所以機(jī)筒圖紙中的值建議保留，第一增加機(jī)筒的機(jī)械強(qiáng)度，第二防止機(jī)筒在氮化時，產(chǎn)生變形。此處需配置一個自然排氣座即可。自然排氣口結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 雙排氣式機(jī)筒的排氣口結(jié)構(gòu)示意圖

第二個真空排氣口設(shè)計(jì)成兩個圓形孔結(jié)構(gòu)，圖中的中心距與自然排氣口中心距相同。此處須配真空座、真空塞、真空表等部件與設(shè)備中的真空系統(tǒng)進(jìn)行連接，當(dāng)機(jī)筒中的真空度不滿設(shè)定值時，會根據(jù)PLC指令自動開啟真空泵進(jìn)行工作，抽取物料中微量的水分、氯氣以及未塑化的物料。保證進(jìn)入管材模具內(nèi)的物料是100%合格的。

5 結(jié)論

當(dāng)前我國塑料機(jī)械工業(yè)在整體的發(fā)展態(tài)勢較為良好。并且隨著內(nèi)需的增大以及國外市場的拓展。我國未來塑料機(jī)械工業(yè)的發(fā)展前景值得我們期待。我國塑料機(jī)械工業(yè)應(yīng)朝著生產(chǎn)環(huán)保型產(chǎn)品，研發(fā)節(jié)能型設(shè)備。加強(qiáng)產(chǎn)品創(chuàng)新，提升資源回收、注重人才培養(yǎng)的方面進(jìn)行發(fā)展。