挤出机螺杆设计：类型、几何形状和性能

什么是挤出机螺杆，其设计应实现什么目标？

挤出机螺杆是机筒内旋转的加工部件。在热塑性挤出中，它输送原料，支持熔化和混合，并将材料输送到下游模具。一个螺杆挤出机是机器；螺杆挤出是过程。购买螺杆组件并不能取代机器的驱动、加热、冷却或控制装置。

首先定义所需的熔体和产品，而不是单独的输出数。有用的目标指定可接受的材料均匀性、产品质量、产量范围和操作限制。它还应说明工作是否是熔化预混颗粒、掺入成分、加工回收料或去除挥发物。

将新设计与现有机器变更分开

新机器为螺杆、机筒、驱动和进料系统的协调提供了更大的自由度。替换件必须在已安装的外壳内工作。在决定是否需要不同的轮廓之前，记录当前的螺杆和机筒状况：更换磨损零件和重新设计不合适的零件是不同的工程任务。

EJS耗材挤压进给螺杆适用于单螺杆和双螺杆应用。起始简介应确定组件必须服务的架构和处理任务。

挤出螺杆类型：结构和功能分开分类

“单螺杆”、“屏障螺杆”和“混合螺杆”描述了设计的不同方面。它们不是三个相互排斥的选择。单个挤出螺杆可包含屏障熔融部分和下游混合器。

单螺杆和双螺杆描述螺杆的数量

对于双螺杆，还可以建立同向旋转或反向旋转、啮合或非啮合以及平行或圆锥形几何形状。单独的“平行”并不意味着共同旋转。 EJS 列表单螺杆机筒和平行双螺杆机筒分别地;产品类别是规范的开始，而不是完整的规范。

航班数量和模块化结构需要自己的描述

单螺纹螺杆有一个螺旋起点；它不仅仅是单螺杆挤出机的另一个名称。同样，双螺杆也并非都是模块化的。在模块化设计中，输送和混合元件组装在兼容的轴上。在一件式设计中，工作轮廓被制造到螺钉体中。

挤出机螺杆几何形状：尺寸、螺纹和设计特点

螺钉图纸应定义每个尺寸的适用位置。总长度、工作长度和筒内长度可以参考不同的界限。对于公称直径、局部螺纹直径和根部直径也需要同样的注意。

这Dynisco 挤出加工机手册，第 4 节说明了螺杆尺寸和传统的单螺杆几何形状。更深的通道提供了更大的几何体积，但可用的输出还取决于填充、熔化和压力驱动的回流。较浅的通道会改变剪切和泵送行为，同时减少通道体积。更改通道深度时，请一起查看这些效果。

深度比仅在其假设条件下才有用

对于具有相当螺距和通道宽度的简单传统螺杆，进料深度除以计量深度是几何压缩比的常见近似值。作为说明图计算，D = 60 mm，根部直径为 48 mm 和 56 mm，深度分别为 6 mm 和 2 mm：深度比为 3:1。

该计算并不能预测 3:1 的压力上升、证明完全熔化或定义屏障或可变螺距轮廓的压缩。询问供应商使用哪种几何定义。查看详细挤出螺杆压缩比指南用于区分方便的深度比和全通道体积比较。

进料、​​熔化和计量如何协同工作

熟悉的三区模型描述了传统的塑化单螺杆。这是对工艺功能的有用解释，但并不要求每个挤出螺杆都具有三个固定的、等长的部分。

喂料从实际输送的物料开始

颗粒、粉末、薄片和不规则回收料的喂料条件不同。堆积密度、颗粒稠度、桥连和进料口都值得关注。下游轮廓的变化无法可靠地补偿不受控制的上游材料供应。

机筒温度不是熔体温度测量

机筒传热和机械功都会影响材料的热历史。他们的贡献随着操作条件的变化而变化。比较设计时使用适当的熔体温度测量及其位置；仅匹配加热器设定点并不能证明匹配的熔体条件。

压力和输出属于完整流路

螺杆在筛网、适配器、模具和其他下游设备的阻力下运行。诊断低输出时记录安装布置。使用干净的过滤网和开放式工具获得的结果不应作为针对限制性更强的生产线的预期生产率来呈现。

屏障、混合和通风部分解决不同的任务

职能部门需要一项规定的工作以及一种检查该工作是否已完成的方法。 “更好的混合”是不完整的，除非简要说明必须分配或分散什么，以及哪些产品测量将显示出改进。

搅拌装置既可以进行分配工作，也可以进行分散工作；平衡取决于其几何形状和操作条件。仅凭设计名称不足以对性能进行排名。其他限制还可能改变熔体温度、压力需求和清洁行为。

排气需要兼容的桶和支持设备。螺杆轮廓无法通过无端口的机筒形成排气口，并且排气不会自动消除树脂的干燥要求。检查材料供应商的加工说明。

为了进行更仔细的比较，请使用 EJS 指南屏障与传统螺钉的比较和Maddock、菠萝和 Saxton 螺杆搅拌机.

双螺杆轮廓设计：元素、顺序和混合

对于模块化双螺杆系统，配置意味着选择兼容的元件并将它们按有意的顺序放置。它还意味着检查该顺序与进料、液体添加、排气和排出位置的关系。

NC State Extension 的螺丝功能指南描述了输送、捏合、反转和其他元素，以及它们对混合和流动的影响。其讨论包括食品和饲料加工以及设备特定的元素代码。这些原则有助于解释配置；其示例代码不是通用塑料螺钉标准。

将揉捏块读取为序列的一部分

盘宽度、交错角、输送方向和块长度需要与速度、吞吐量、局部填充和相邻元素一起审查。避免诸如“更宽的圆盘总是能提供更好的分散效果”之类的通用规则。有用的问题是这个特定序列必须产生什么物质状态和流动行为。

逆向或限制性因素可能会增加上游灌装和加工强度，但也会影响压力并驱动需求。添加更多限制并不是实现更强混合的免费途径。

复制配置文件之前确认兼容性

具有相同标称外径的两个元件可能具有不同的轴接口、中心距要求、轮廓或轴向尺寸。说明每个代码的 OEM 或绘图约定。 EJS的螺杆元件产品页面列出输送、混合和捏合组件；这双螺杆元件导轨更详细地介绍了他们的更换支票。

将设计与聚合物、进料形式和加工作业相匹配

“PE 螺杆”或“回收螺杆”对于最终设计决策来说过于宽泛。确定等级、粘度信息、添加剂包、饲料形式和条件。说明填料或纤维是否以预混颗粒形式到达或必须在挤出过程中掺入；这些是不同的处理任务。

阅读已发表的几何材料范围内的内容

一个有用的例子是巴斯夫 Ultramid 挤出加工指南，第 7 页。对于其中讨论的 Ultramid 薄膜加工，它描述了长度为 24 至 32 D、恒定螺距为 1 D、压缩比为 3:1 至 3.5:1 的屏障或三段螺杆。它还使得螺纹深度取决于直径和熔体粘度。

工程课程是几何形状和材料条件之间的关系。这些数字并不是每种聚酰胺牌号、每种热塑性塑料或每种现有机器的验收限制。在选择尺寸之前，请获取实际等级的加工指南并解决与已安装设备的任何不匹配问题。

在桶体、驱动器和下游限制范围内进行设计

更换螺钉需要通过两项测试：必须适合，并且必须成功加工。匹配公称直径仅解决第一次测试的一小部分问题。

• 筒体及接口：确认孔轮廓和状况、有效长度、驱动连接、端部几何形状、进料口和端口位置。
• 机械外壳：从适用的机器信息中获取允许的速度、扭矩、推力和压力限制。不要从螺杆直径推断它们。
• 热和下游包络线：检查冷却能力、温度测量、换网、熔体泵和工具。确定哪个组件限制了建议的工作点。

我将如何处理更换螺丝的请求

这种方法可以集中重新设计。如果进料系统故障导致了生产损失，请先纠正该故障，然后再使用新的螺杆轮廓作为补救措施。

材料和挤出机螺杆磨损如何影响设计性能

几何形状和工作表面的选择应一起审查。基材提供螺杆的结构基础；表面或耐磨结构必须适合其与聚合物、添加剂和配合筒的接触。

EJS 的进给螺杆页面列出了氮化、双金属、硬化和镀铬选项。这是一系列可用的结构，并不能证明每种选择都适合每种职责。定义实际部件的材料名称、处理位置、最终尺寸和商定的检验要求。这EJS螺杆和机筒材料指南解释选择问题。

区分磨损机制和症状

磨料成分、腐蚀性条件和意外的金属接触需要进行不同的调查。较硬的材料无法纠正未对准或不正确的操作间隙。匹配螺杆和机筒也比单独选择每个工作表面更有用。

挤出机螺杆磨损问题可能会伴随产量下降、负载变化或熔体输送不稳定而出现，但这些症状本身都不能证明磨损。将测得的螺杆/机筒状况与图纸和受控生产基线进行比较。这磨损测量和更换指南涵盖检验过程。

请勿将磨损螺钉的测量外径复制为新的标称尺寸。将原始设计意图、当前磨损和规范中任何建议的重新设计分开。

使用可比较的生产数据评估螺杆性能

公平的比较需要明确的材料和生产窗口、共同的质量要求和明确的测量边界。在可比较的条件下保持基线，然后在预期的工作范围内测试建议的设计。记录为使任一设计成功运行而更改的所有设置。

与总吞吐量分开衡量可接受的产品产量。包括实际熔体温度、压力和变化、驱动负载、废品以及引发变更的产品检查。记录传感器位置、稳定规则、采样间隔和试验持续时间，以便其他工程师可以解释结果。

一个有效的例子：更多的产量并不会自动降低比能

如果我领导螺杆重新设计评估，我会在试验前就材料、质量要求、记录窗口和电气测量边界达成一致。否则，两个有吸引力的数据集可能描述不同的工作。

考虑一个说明性的稳定运行比较。设计 A 的平均电力输入为 80 kW，合格产品为 200 kg/h。在相同的测量边界和质量要求下，设计 B 的平均功率为 96 kW，240 kg/h。这些是计算的假设值。

在该界限内，两种设计每公斤可接受的产品消耗 0.40 kWh。我将结果描述为产量增加，而不是节能 20%。对于以小时为单位的记录窗口，等效计算为以 kWh 为单位的总电能除以以 kg 为单位的可接受质量。

然后我会检查实际的熔体温度、压力变化、驱动负载和废品。超过商定的热或机械极限的较高输出点不会仅仅因为质量率较高而通过。如果能量表包括筒式加热器、冷却装置或辅助装置，请识别这些负载；不要将结果重新标记为螺杆轴机械能。

已发布的测试可以确定什么

Kelly、Brown 和 Coates 研究了三种单螺杆几何形状，以不同的速度加工商用 LDPE。单螺杆挤出中螺杆几何形状对熔体温度分布的影响。摘要报告指出，在较高产量下，几何形状对熔体温度场有更大的影响，并且在研究条件下，带有马多克混合器的屏障螺纹螺杆比单螺纹螺杆实现了更好的熔化。

这支持评估几何形状和工作点。它没有建立通用的改进百分比，也没有证明其他聚合物或机器具有相同的结果。模拟和已发表的研究有助于形成设计方案；商定的生产测试确定所提供的设计是否满足特定的工作。

将设计意图转化为制造商可以使用的简介

有用的询问可以让制造商解释提议的变更以及如何检查变更。发送一个包含材料、机器、几何形状和验收标准的包。

1. 材料及饲料：等级、配方、饲料形式、相关制备和允许的变化。
2. 加工对象：可接受的输出范围、产品要求、观察到的缺陷和当前操作记录。
3. 机器和安装零件：架构、OEM/型号、可用图纸、孔径测量、接口、端口和经过验证的操作限制。
4. 提议的简介：工作长度边界、标注尺寸的功能部分、局部深度、飞行几何形状和每个间隙约定。
5. 材料及制造：商定的钢材名称、工作面结构、处理位置、最终尺寸和检查计划。
6. 确认：图纸修订、部件检验记录以及包含测量和通过/失败标准的生产试验计划。

将组件验收与生产验证分开

材料证书和尺寸报告可以回答组件是否满足其指定的材料和图纸要求。它们本身并不证明生产率、能源使用或产品质量。相反，一次成功的生产运行并不能取代商定的组件检查。

EJS的产品信息表明，所提供的螺杆机筒包括检验报告和材料证书。就订购零件的相关图纸修改和报告内容达成一致。任何额外的取样、实验室测试或过程验收均属于书面范围。

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