橡膠擠出機(jī)螺桿的應(yīng)用與設(shè)計(jì)發(fā)展

趙明潔

（河北師范大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北石家莊 050024）

橡膠擠出機(jī)螺桿的應(yīng)用與設(shè)計(jì)發(fā)展

趙明潔

（河北師范大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北石家莊 050024）

簡(jiǎn)述了橡膠螺桿擠出機(jī)的設(shè)計(jì)發(fā)展現(xiàn)狀，詳細(xì)論述了其主要工作部件——螺桿的應(yīng)用與設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢(shì)。

橡膠螺桿擠出機(jī)；銷(xiāo)釘；螺桿

橡膠產(chǎn)品已被廣泛用于日常生活如自行車(chē)和汽車(chē)車(chē)胎、電纜、各種小型膠管等，從而也催生了其加工設(shè)備——擠出機(jī)為滿(mǎn)足市場(chǎng)需求向更優(yōu)化方向發(fā)展。其中以壓形擠出機(jī)應(yīng)用最為廣泛?？傊僮骱?jiǎn)單、體積小、價(jià)格便宜、擠出制品均勻密實(shí)、高效率、多功能、低能耗是目前橡膠擠出機(jī)的新發(fā)展方向。

1 擠出機(jī)發(fā)展概況

1879年出現(xiàn)了第1臺(tái)螺桿擠出機(jī)，使原來(lái)的間歇式生產(chǎn)變成連續(xù)式，大大提高了產(chǎn)量，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。20世紀(jì)初，螺桿擠出機(jī)開(kāi)始應(yīng)用于橡膠加工工業(yè)。中國(guó)的橡膠工業(yè)解放后從無(wú)到有，從小到大，現(xiàn)已發(fā)展成為一個(gè)工業(yè)體系。螺桿擠出機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)能力高，擠出的膠坯制品均勻密實(shí)，尺寸準(zhǔn)確，能實(shí)現(xiàn)工業(yè)過(guò)程的連續(xù)化、聯(lián)動(dòng)化和自動(dòng)化。另外，它還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，因此在橡膠加工工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。中國(guó)螺桿擠出機(jī)的設(shè)計(jì)發(fā)展主要經(jīng)歷了3個(gè)階段：熱喂料擠出機(jī)、冷喂料擠出機(jī)和銷(xiāo)釘機(jī)筒擠出機(jī)［1］。

2 擠出機(jī)的組成與螺桿的分類(lèi)

2.1 擠出機(jī)的組成

螺桿擠出機(jī)是由擠壓系統(tǒng)、機(jī)頭、傳動(dòng)系統(tǒng)、加熱冷卻系統(tǒng)及電器控制系統(tǒng)5部分組成。擠壓系統(tǒng)的主要工作部件是螺桿、機(jī)筒、襯套等。而螺桿是擠出機(jī)最重要的工作部件，有擠出機(jī)“心臟”之稱(chēng)。螺桿的結(jié)構(gòu)和參數(shù)選擇是否合理將直接影響擠出機(jī)的工作性能和擠出制品的質(zhì)量好壞。所以，在擠出機(jī)的設(shè)計(jì)發(fā)展過(guò)程中，人們對(duì)其有“心臟”之稱(chēng)的螺桿進(jìn)行了大量改進(jìn)工作。時(shí)至今日，中國(guó)的熱、冷和銷(xiāo)釘擠出機(jī)的螺桿基本已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、系列化。

2.2 螺桿的分類(lèi)

螺桿按照結(jié)構(gòu)和螺紋部分的幾何形狀可分為普通螺桿、新型螺桿和排氣螺桿。

1）普通螺桿 普通螺桿擠出機(jī)是目前廣泛應(yīng)用的擠出機(jī)，這種螺桿螺紋分為加料段、塑化段和擠出段。普通螺桿和新型螺桿比較有許多不足之處，有逐漸被新型螺桿取代的趨勢(shì)。

2）新型螺桿 新型螺桿是在普通螺桿基礎(chǔ)之上發(fā)展起來(lái)的。其特點(diǎn)是在螺紋的正常走向處，設(shè)置一些銷(xiāo)釘和開(kāi)設(shè)一部分非常螺紋段，用來(lái)變化螺桿中物料的輸送狀態(tài)，從而提高物料的混煉能力，加快了物料的熔融速度，使物料能更好地均勻塑化。新型螺桿有多種結(jié)構(gòu)形式，目前中國(guó)橡膠擠出機(jī)應(yīng)用比較多的有3種［2］：1）主副螺紋型螺桿；2）分流型螺桿；3）屏障型螺桿。

3）排氣型螺桿 排氣型螺桿是排氣式擠出機(jī)的專(zhuān)用螺桿。

3 熱、冷喂料及銷(xiāo)釘擠出機(jī)螺桿的設(shè)計(jì)應(yīng)用

目前中國(guó)橡膠擠出機(jī)只有熱喂料擠出機(jī)的螺桿使用普通收斂式螺桿；而冷喂料和銷(xiāo)釘擠出機(jī)均已采用了新型螺桿。橡膠擠出機(jī)的螺桿分為加料段、塑化段和擠出段，每段都有其特殊作用，每段長(zhǎng)度的比例有嚴(yán)格要求，現(xiàn)基本都標(biāo)準(zhǔn)化了。

3.1 熱喂料擠出機(jī)

熱喂料擠出機(jī)是把預(yù)熱的膠料切條后送入擠出機(jī)喂料口，由于膠料已經(jīng)加熱，所以熱喂料擠出機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是螺桿的長(zhǎng)徑比小。螺桿通常被設(shè)計(jì)成等深不等距的普通收斂式雙頭螺桿，這種螺桿的螺紋深度不變，其螺紋導(dǎo)程和升角沿機(jī)頭方向逐漸變小。隨著膠料向機(jī)頭方向不斷推進(jìn)，膠料受到的壓力和剪切力越來(lái)越大，使得膠料塑化均勻，不易產(chǎn)生燒焦現(xiàn)象。而且操作簡(jiǎn)單，生產(chǎn)率高，擠出的膠坯制品形狀準(zhǔn)確。其缺點(diǎn)是膠料需要在供熱的熱煉機(jī)上加熱到60～80℃，由于膠料在熱煉機(jī)上停留的時(shí)間不易控制，使得膠料的可塑度不穩(wěn)定，影響擠出質(zhì)量，而且多一道熱工序，故目前一些企業(yè)已經(jīng)不進(jìn)行大批量生產(chǎn)了。

3.2 冷喂料擠出機(jī)

由于冷喂料擠出機(jī)不需要對(duì)膠料熱煉，膠料在室溫條件下直接進(jìn)入喂料口，所以冷喂料擠出機(jī)螺桿的長(zhǎng)徑比大。螺桿設(shè)計(jì)采用比普通螺桿剪切和撕裂效果強(qiáng)的主副螺紋螺桿。這種新型螺桿一般由2條導(dǎo)程不等的主副螺紋組成，副螺紋的高度略低于主螺紋。螺桿長(zhǎng)徑比增大，塑化段加長(zhǎng)，使膠料能夠得到很好的塑化和捏煉，擠出的制品均勻密實(shí)。主副螺紋螺桿對(duì)膠料的適用性強(qiáng)，從100%天然橡膠到100%合成橡膠都能加工。而且在主副螺紋的側(cè)面，經(jīng)常保持著熔融膠料的狀態(tài)，因此潤(rùn)滑效果好，不易產(chǎn)生螺桿刮套現(xiàn)象，其缺點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)功率大。另外，冷喂料擠出機(jī)的螺桿還采用屏障型螺桿，這種新型螺桿使得膠料在螺槽中流動(dòng)時(shí)會(huì)受到屏障元件的作用而產(chǎn)生強(qiáng)烈剪切和混合，因此膠料能得到較好的塑化和混合。目前冷喂料擠出機(jī)較熱喂料擠出機(jī)使用廣泛。

3.3 銷(xiāo)釘擠出機(jī)

銷(xiāo)釘擠出機(jī)是在冷喂料擠出機(jī)的基礎(chǔ)之上發(fā)展起來(lái)的。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在機(jī)筒的一定部位上裝有數(shù)排沿機(jī)筒圓周方向的銷(xiāo)釘，銷(xiāo)釘直接伸入螺槽中。當(dāng)膠料在螺紋螺槽中呈環(huán)形流動(dòng)時(shí)，在螺槽中心必然會(huì)形成一個(gè)混合塑化較差的核心，特別是當(dāng)膠料有硬塊時(shí)，這個(gè)核心更容易形成［3］。在螺紋槽中插入螺釘就會(huì)破壞這個(gè)核心。螺桿每轉(zhuǎn)1周，膠料就會(huì)受到1排（6～8個(gè)）銷(xiāo)釘?shù)亩啻畏指詈蛿嚢瑁瑥亩訌?qiáng)了膠料在螺桿螺紋溝槽內(nèi)的塑化和捏煉作用，降低了排膠溫度，提高了膠料的黏度，使擠出的膠坯制品更加密實(shí)，尺寸準(zhǔn)確。由于銷(xiāo)釘還可以起到阻擋膠料回流的作用，使排膠量提高，因而銷(xiāo)釘擠出機(jī)的產(chǎn)量比冷喂料擠出機(jī)的產(chǎn)量高。小型冷喂料擠出機(jī)螺桿的螺距較小，膠料不易形成核心，一般不需要設(shè)計(jì)成銷(xiāo)釘式，通常在螺桿直徑≥120mm時(shí)才考慮選用銷(xiāo)釘擠出機(jī)。實(shí)驗(yàn)證明，螺桿直徑越大，銷(xiāo)釘擠出機(jī)的優(yōu)點(diǎn)越會(huì)顯現(xiàn)出來(lái)。當(dāng)螺桿直徑＜90mm時(shí)，銷(xiāo)釘?shù)姆至髯饔脤?shí)際上并不明顯。

圖1 銷(xiāo)釘對(duì)膠料的作用原理Fig.1 Action principle of the pin to glue stock

中國(guó)銷(xiāo)釘擠出機(jī)的螺桿主要采用主副螺紋螺桿結(jié)構(gòu)和屏障型螺桿結(jié)構(gòu)。主副螺紋結(jié)構(gòu)通常是在塑化段一開(kāi)始就采用；有些生產(chǎn)廠(chǎng)家還把螺桿主副螺紋結(jié)構(gòu)斷開(kāi)成2段；有些生產(chǎn)廠(chǎng)家則采用屏障型螺桿或屏障型和主副螺紋結(jié)構(gòu)結(jié)合的螺桿結(jié)構(gòu)。中國(guó)銷(xiāo)釘擠出機(jī)幾乎不采用普通螺桿結(jié)構(gòu)。實(shí)踐證明：選用新型螺桿結(jié)構(gòu)的銷(xiāo)釘擠出機(jī)同時(shí)兼?zhèn)淅湮沽虾弯N(xiāo)釘擠出機(jī)的“雙優(yōu)”功效。

中國(guó)熱、冷喂料及銷(xiāo)釘擠出機(jī)在螺桿設(shè)計(jì)方面均已實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和系列化。事實(shí)上，橡膠螺桿擠出機(jī)的螺桿設(shè)計(jì)已經(jīng)趨于成熟，客戶(hù)可根據(jù)自己的需求來(lái)選擇各類(lèi)型的擠出機(jī)。

4 國(guó)外銷(xiāo)釘擠出機(jī)簡(jiǎn)介

銷(xiāo)釘擠出機(jī)在國(guó)外應(yīng)用非常廣泛。它的螺桿結(jié)構(gòu)形式是根據(jù)膠料的門(mén)尼黏度來(lái)選擇的，不同黏度的膠料，采用不同結(jié)構(gòu)的螺桿。Berstoff公司生產(chǎn)的銷(xiāo)釘擠出機(jī)的3種典型螺桿如下。

1）門(mén)尼黏度為30～50的膠料選用普通螺桿結(jié)構(gòu)，它只在螺桿的壓縮段的機(jī)筒上裝有銷(xiāo)釘。

2）門(mén)尼黏度為30～80的膠料也選用普通螺桿結(jié)構(gòu)，但除了在壓縮段具有銷(xiāo)釘槽外，在喂料段還有4頭螺紋，具有較大的螺紋升角。此外，在喂料段還有深度等于壓縮段螺槽深度的溝槽，由于導(dǎo)程與螺紋不同可以將螺紋切斷，從而加強(qiáng)了膠料的撕裂作用。

3）門(mén)尼黏度為30～120的膠料在第2種螺桿的特點(diǎn)基礎(chǔ)上，在塑化段末和擠出段之間增加1段主副螺紋，具有強(qiáng)力的分流、攪拌和剪切作用，分流靠銷(xiāo)釘來(lái)實(shí)現(xiàn)，強(qiáng)力剪切則是靠主副螺紋完成的。據(jù)報(bào)道，該公司生產(chǎn)的銷(xiāo)釘擠出機(jī)80%配以第2種螺桿。

5 橡膠擠出機(jī)的發(fā)展方向

1）進(jìn)一步完善擠出設(shè)計(jì)理論，在模具和制造業(yè)中全面推廣CAD/CAM/CAE技術(shù)［4］，設(shè)計(jì)出優(yōu)質(zhì)、高效、低耗的新型螺桿是擠出機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要方向，大直徑螺桿擠出機(jī)越來(lái)越受到用戶(hù)青睞。

2）利用新材料（塑料和高合金等耐熱、耐磨材料）取代傳統(tǒng)材料（鋼、鐵等），減小體積和質(zhì)量，降低成本；進(jìn)一步改善熱處理工藝來(lái)提高材料的綜合機(jī)械性能。

3）進(jìn)一步提高自動(dòng)化程度，控制系統(tǒng)向可編程控制器（PLC）方向轉(zhuǎn)化［5］。

4）向一機(jī)多用及擴(kuò)大工藝用途方向發(fā)展。

［1］張秀英.橡膠模具設(shè)計(jì)方法和實(shí)例［M］.第2版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

［2］唐國(guó)俊，李鍵鑌.橡膠機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1984.

［3］劉巨源，劉希春.橡膠加工設(shè)備與模具［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

［4］高文廷，杜愛(ài)華，辛振祥，等.國(guó)內(nèi)外再生橡膠生產(chǎn)現(xiàn)狀［J］.橡膠技術(shù)與裝備，2012（2）：31－34.

［5］海 心，趙 華.機(jī)電傳動(dòng)控制［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

Application and development of rubber extruder screw

ZHAO Ming－jie
（Vocation Technology College，Hebei Normal University，Shijiazhuang Hebei 050024，China）

The development situation of the rubber screw extruder is introduced.The application and the development of the screw is mainly discussed.

rubber screw extruder；pin；screw

TQ330

A

1008－1534（2012）03－0180－02

2012－03－19

馮 民

趙明潔（1960－），女，河北石家莊人，副教授，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)方面的研究。