塑料（PVC）擠出機螺桿與機筒間隙的影響
塑料（PVC）擠出機螺桿與機筒間隙的影響
擠出機是擠出、注塑、吹塑等塑料成型工藝的關鍵部件，螺桿則是塑料擠出機的心臟。由于裝配的需要，擠出機螺桿與機筒之間存在一個配合間隙δ，由于這個配合間隙在螺桿直徑方向上，所以也稱直徑間隙或裝配間隙。而且這個配合間隙是一個關系到擠出機工作性能的重要參量。下面分兩部分，第一部分論述間隙δ的存在對擠出機整機性能的影響；第二部分說明國內外擠出機螺桿機筒直徑間隙大小不同比較。
1.間隙對擠出機工作性能的影響。
1.1靜態影響
擠出機流量計算公式為：Q=Qd-Qp-Ql 即等于正流Qd、壓力流Qp和漏流Ql的代數和。其中擠出機漏流Ql是一種在螺棱和機筒形成的間隙δ中沿螺桿軸線向料斗方向的流動，它是由機頭、分流板和濾網等對熔體的反壓造成的流動。由于間隙δ很小，故在正常情況下，漏流較之正流小很多。但也不能完全忽略之。
在相關假設基礎之上，根據流體力學的分析方法，可推導出漏流量的計算公式如下：
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(具體推到過程參見參考文獻[1]和[3])
式中：D為螺桿直徑（cm）；δ為螺桿與機筒間隙（cm）；μ2為間隙δ中塑料熔體的黏度（pa·s）；φ為螺旋升角；e'為沿螺桿軸向測得的螺紋棱寬（cm）；p1為計量段開始處熔體壓力（Mpa）；p2計量段末端處熔體壓力（Mpa）；
由以上兩公式可以看出：增加擠出機產量，需要減少漏流量。而漏流量與螺桿機筒間隙的三次方成正比。因此可以通過減小螺桿與機筒之間間隙來實現減少漏流量。
由于螺桿與機筒的間隙關乎擠出機產量及加工、裝配精度。在設計擠出機時，需要從各個因素來綜合考慮螺桿與機筒間隙。間隙太小，擠出產量增加產量，但增加螺桿與機筒的磨損。間隙太大，一方面漏流量上升，產量下降；另一方面，將導致熔膜增厚，因而不利于熱傳導并降低了剪切速率，不利于物料的熔融。且實踐證明[1]：當δ增大至計量段螺槽深的15%時，在給定條件下，經計算其漏流量已達37%。此時，螺桿和機筒磨損太大，生產很不經濟。所以有必要選擇高耐磨材料，如雙金屬機筒與螺桿結構。
另外，在擠出機設計中，還要根據被加工物料性質選擇不同的間隙δ值。例如：對于溫度敏感的物料，間隙δ值可以選大些，減少因剪切而產生的熱分解；對于低粘度的非熱敏性物料，比如高密聚乙烯，間隙δ可以小一些，以增加其剪切。
1.2 動態影響
上面只是靜態地分析了螺桿機筒間隙對擠出機工作性能的影響，主要是溫室時的裝配間隙。當擠出機運轉時，由于加工溫度和螺桿上的壓力載荷，螺桿和機筒間的實際間隙會發生變化。當加工溫度遠高于是溫室時，螺桿和機筒具有不同的熱膨脹系數，或螺桿溫度與機筒溫度不同時，間隙就會發生變化。而間隙的變化就有可能引起螺桿抱死現象。
計算表明[4]：由壓力載荷引起的螺桿徑向膨脹，而發生間隙變化相當小，可以不予考慮。倒是擠出機加料段的螺桿和機筒溫度差異需要特別關注。加料段的機筒上一般都有水冷卻，而螺桿卻因為其它區的高溫熱傳導溫度較高。由此螺桿與機筒就存在一個溫度差。這個溫度差導致了兩者的膨脹不同，進而使兩者之間的間隙發生變化。如果間隙小到超出原裝配間隙時，就會發生螺桿抱死現象。為了避免螺桿抱死情況的出現，可以在設計擠出機時，加大加料段的螺桿機筒間隙，也即減少進料段的螺桿直徑，每毫米至少0.002㎜[4]。這樣，在增加加料段螺桿與機筒間隙之后，既基本不影響擠出機的工作性能，還將大大降低擠出機螺桿抱死的可能性。
2.國內擠出機螺桿與機筒直徑間隙與國外螺桿機筒間隙比較。
上面分析了擠出機螺桿與機筒間隙的對整機工作性能的靜態與動態影響。下面比較國內與國外對螺桿機筒間隙的不同要求。
表1 螺桿與機筒直徑間隙（JB/T8061-96） 單位：㎜
螺桿直徑 |
20 |
25 |
30 |
35 |
40 |
45 |
50 |
55 |
60 |
|
直徑間隙 |
最大 |
+0.18 |
+0.20 |
+0.22 |
+0.24 |
+0.27 |
+0.30 |
+0.30 |
+0.32 |
+0.32 |
最小 |
+0.08 |
+0.09 |
+0.10 |
+0.11 |
+0.13 |
+0.15 |
+0.15 |
+0.16 |
+0.16 |
|
螺桿直徑 |
65 |
70 |
80 |
90 |
100 |
120 |
150 |
200 |
||
直徑間隙 |
最大 |
+0.35 |
+0.35 |
+0.38 |
+0.40 |
+0.40 |
+0.43 |
+0.46 |
+0.54 |
|
最小 |
+0.18 |
+0.18 |
+0.20 |
+0.22 |
+0.22 |
+0.25 |
+0.26 |
+0.29 |
||
表2 國外螺桿與機筒直徑間隙 （注：上表單位：in，下表單位：㎜）
螺桿直徑 |
2-1/2" |
3-1/2" |
4-1/2" |
6" |
8" |
10" |
12" |
|
直徑間隙 |
最大 |
0.010 |
0.012 |
0.013 |
0.016 |
0.019 |
0.021 |
0.025 |
最小 |
0.007 |
0.01 |
0.010 |
0.013 |
0.016 |
0.018 |
0.020 |
|
螺桿直徑 |
63.5㎜ |
88.9㎜ |
114.3㎜ |
152.4㎜ |
203.2㎜ |
254㎜ |
304.8㎜ |
|
直徑間隙 |
最大 |
0.254 |
0.3048 |
0.3302 |
0.4064 |
0.4826 |
0.5334 |
0.635 |
最小 |
0.1778 |
0.254 |
0.254 |
0.3302 |
0.4064 |
0.4572 |
0.508 |
|
從以上表1、表2數據分析：1）螺桿直徑超過200㎜，JB/T8061標準內沒有規定；2）國外螺桿與機筒直徑間隙比國內標準平均小0.1㎜；3）國外標準公差帶在0.07～0.13㎜范圍內，而JB/T8061標準內同規格公差帶在0.16～0.25范圍內。由此可以看出國外對于螺桿與機筒要求的嚴格。
當然，在標準JB/T8061里規定的螺桿機筒間隙只是一個最低的參考要求。在現代的加工條件下，完全有能力再縮小間隙。當然這也是有必要的。但間隙減小也需要螺桿和機筒的加工支持。在德國等發達國家對于螺桿機筒加工精度的提高[5]，比如螺桿端面跳動誤差可以控制在0.01㎜以內；螺桿外徑誤差可以控制住0.005㎜以內；螺桿外表面和料筒內表面的粗糙度不大于0.2μm。也正是國外塑機產業在螺桿機筒等各個環節的精益求精，保證了整機裝配精度及工作性能，讓進口擠出機與國產擠出機在能耗、塑化能力等方面有了很大的差距。比如國內生產的φ150/25擠出機，在加工HMWHDPE粉料時，其塑化能力僅達到400kg/h，德國Krupp公司的φ150/25擠出機在加工70%新料和30%粉碎料混合的HMWHDPE，其塑化能力達到600kg/h，是國產擠出機產量的1.5倍。
總之，塑料擠出機螺桿與機筒間隙值的選取是一個綜合性問題，在設計時，必須結合被加工物料的性質、機頭阻力的情況、螺桿機筒的材質及熱處理情況、機械加工條件以及螺桿直徑大小來合理選取。
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