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          管材擠出機
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          螺桿:塑料擠出機的心臟

          2020-11-11 11:44:26

          擠出是塑料加工中重要的兩種工藝之一。所謂塑料擠出工藝,是指將聚合物在擠出機機筒中塑化并通過模具擠出,然后經冷卻、拉伸、吹脹、涂覆、復合、切割和卷取等工序組合,制得各種成型制品,例如常見的管材和型材。在塑料擠出生產線中,擠出機作為主要的成型主機之一,是用來提供溫度和組成均勻的熔料,以得到穩定可控的產品。近年來,各種不同的塑料復合管和含有不同金屬及先進纖維的塑料管的擠出生產,對擠出機的設計提出了很大的挑戰。


          塑料擠出機

          擠出機的分類方法有很多,按螺桿的數量可分為無螺桿、單螺桿、雙螺桿和多螺桿;按空間位置可分為臥式和立式;按螺桿轉速可分為普通、高速和超高速;按機筒可否排氣可分為排氣式和非排氣式;按裝配結構可分為整體式和分開式。在塑料管材擠出生產線中,常用的擠出機是臥式單螺桿擠出機。單螺桿擠出機主要由4部分組成:擠出系統、傳動系統、加熱/冷卻系統和控制系統。


          螺桿作為擠出機擠出系統的重要零件之一,是擠出機輸送固體塑料、塑化塑料和熔體的部件,其各部分幾何形狀的變化將直接影響塑料制品的質量及產量,對擠出機的性能起著決定性的作用。在設計螺桿時,必須考慮各種因素,以適應不同塑料的特性。在塑料工業中,不可能只用一根螺桿來滿意地生產各種塑料制品。


          一般,螺桿可分為3段:加料段、壓縮段(或塑化段)和計量段(或均化段)。


          加料段主要接受供料系統供給的物料,然后將其輸送給壓縮段。壓縮段對物料進行壓實,熔融塑化后經螺紋推給計量段。物料在計量段中得到進一步塑化,然后在等壓、等溫的條件下,螺桿把均勻塑化的熔融料等量地推向機頭。物料在普通螺桿的熔融狀態如圖所示。


          物料在普通螺桿中的熔融狀態


          螺桿的主要參數有螺桿直徑、螺桿長徑比、幾何壓縮比、螺旋升角、螺槽深度、螺棱寬度、螺桿與機筒的間隙、螺紋頭數和螺桿頭部形狀等。螺桿直徑通常指螺紋的外徑。我國擠出機的螺桿直徑已實現系列化,如:φ30mm、φ45mm、φ65mm、φ90mm、φ120mm、φ150mm和φ200mm等。有些企業也生產其他直徑的螺桿,如φ50mm、φ70mm等。如果增大螺桿直徑,擠出機的擠出能力和能耗便會顯著增加。一般情況下,螺桿直徑為65mm的擠出機,其擠出量為90~120kg/h,配用電動機的功率為30~55kW;螺桿直徑為90mm的擠出機,其擠出量為150~200kg/h,配用電動機的功率為50~75kW;螺桿直徑為120mm的擠出機,其擠出量為250~320kg/h,配用電動機的功率為75~100kW。


          為了開發更高速、更高效的螺桿,廣州勵進新技術有限公司(以下簡稱“廣州勵進”)在2009年成功開發了SJ70-34高效擠出機,其螺桿直徑為70mm,配用電動機的功率為90kW,且擠出量可達360kg/h。采用SJ70-34高效擠出機的對接焊生產線,其內管擠出速度為30m/min,在高速、高效和節能方面達到了國內外的先進水平,其應用被大量出口到歐洲。


          擠出機長徑比的選擇,對塑料制品的質量及成本有一定的影響。目前,我國的螺桿長徑比也實現了系列化,例如20、25、28和30等,而通常采用20~25的長徑比。


          幾何壓縮比是指壓縮段開始處的一個螺距螺槽的容積與計量段中一個螺距螺槽的容積之比。該參數的選擇對塑料擠出工藝的控制很重要,因為不同的塑料有不同的物理特性,所以需選擇擠塑壓縮比。


          如今,隨著塑料品種的增加,普通螺桿已不能滿足多種塑料擠出成型的要求。針對這種情況,研究人員在普通螺桿的基礎上,設計了多種新型螺桿。新型螺桿主要是在螺紋的正常走向處,設置一些銷釘或開設一部分非常規螺紋段,用于改變物料的輸送狀態,從而提高物料的混煉能力和熔融速度等,使其更好地均勻塑化。新型螺桿有多種結構形式,目前應用較多的有屏障螺桿、分離型螺桿和分流型螺桿。


          屏障型螺桿一般在螺桿計量段末端設置屏障段。沒有塑化好的塑料顆粒便不能通過間隙,在屏障段的進料槽內受前端封閉的影響而成為旋轉渦流,直到進一步塑化成熔融狀態時才能順利通過間隙被擠出。


          分離型螺桿是在壓縮段的螺槽中,再增加一條螺紋。附加的螺紋外徑小于原螺紋外徑,螺距也小于原螺紋螺距。在塑料管材擠出中,分離型螺桿被廣泛用于擠出PEX料,而且需進行螺桿內冷。


          分流型螺桿是在壓縮段末端或計量段上,設置許多突起的圓柱形銷釘或菱形塊,以達到良好的塑化效果。在塑料管材擠出中,此螺桿被廣泛用于擠出PPR料。


          螺桿作為擠出系統的主要零件,需在高壓、高溫的機筒內作大扭矩的旋轉動作,因此用于制造螺桿的合金鋼材需要有很高的力學強度、能承受巨大的扭矩并在高溫條件下工作不變形,且經熱處理后要有很高的表面硬度,能抵抗較大摩擦力的磨損。目前,國內多用合金鋼38CrMoAl鋼材制造螺桿,經調質處理,硬度為HB260-290,然后再對表面進行滲氮處理,滲氮深度可達0.3~0.6mm,表面硬度>HV740,螺桿的脆性≥2級。


          隨著擠出機應用領域的不斷拓展和技術上的不斷進步,擠出機市場始終保持著一定的上升勢頭。近年來,高速、高效和節能一直是國際塑料機械不斷改進的主旋律。高速和高產量可使投資者以較低的投入獲得高額的回報。對于擠出機主機和生產線來說,今后的市場將向高技術含量、價格更趨走低的方向發展。其中,單螺桿擠出機將向著超大型、超微型、大長徑比、高產出和良好的排氣性等方向發展,這就使得能適應特殊加工需要的螺桿機筒結構,成為大家爭相研發的重點。


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