紡錦綸66長絲螺桿的研究

北京中麗制機(jī)工程技術(shù)有限公司 劉凱亮／文

1 引言

PA66長絲主要用于簾子布輪胎，由于其具有強(qiáng)度高、耐高溫、耐疲勞和抗沖擊性好等優(yōu)良性能，使生產(chǎn)出的胎體具有堅固、重量輕、載荷大等性能優(yōu)勢，因此發(fā)展迅速。

最近幾年，隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，世界輪胎工業(yè)發(fā)生了巨大變化，各生產(chǎn)廠家均致力于產(chǎn)品性能綜合研究，不斷優(yōu)化生產(chǎn)工藝，提升產(chǎn)品質(zhì)量。螺桿擠壓機(jī)作為熔融紡絲的核心部件對紡絲的品質(zhì)起著至關(guān)重要的作用，在此機(jī)遇之下，北京中麗制機(jī)工程技術(shù)有限公司決定在現(xiàn)有PA66的螺桿設(shè)計的技術(shù)基礎(chǔ)上不斷創(chuàng)新，開發(fā)新一代專門用PA66的螺桿，打破國外廠商對高端PA66熔融紡螺桿機(jī)壓機(jī)的控制，降低經(jīng)營成本，提高產(chǎn)品在市場上的核心競爭力。

2 螺桿的工作原理

紡絲聚合物在螺桿螺套中的剪切熔融擠出，是從普通固體狀態(tài)轉(zhuǎn)化為高溫高壓粘流狀態(tài)的物理過程。這個過程是在螺桿轉(zhuǎn)動下連續(xù)進(jìn)行的。按照物料在螺桿螺槽內(nèi)的變化特征，可以劃分為三個區(qū)域：固體物料輸送區(qū)，熔融區(qū)和熔體物料輸送區(qū)。物料的三個轉(zhuǎn)化區(qū)是隨著物料性質(zhì)、螺桿幾何結(jié)構(gòu)和螺桿工作參數(shù)（壓力、溫度、轉(zhuǎn)速）的變化而變化的。

螺桿的工作部分通常也相應(yīng)地劃分為三段，即：進(jìn)料段、壓縮段和計量段（含混煉頭），各段長度設(shè)置與被加工物料的特性有關(guān)。聚合物切片從進(jìn)料口靠自重進(jìn)入螺桿的螺槽中，螺桿由電動機(jī)帶動在螺套中旋轉(zhuǎn)，推動物料在螺槽中向前移動。在這一段的起始部分需要通過冷水夾套冷卻，以防止物料過早地熔化發(fā)生粘連環(huán)結(jié)影響正常進(jìn)料。進(jìn)料段后半部為預(yù)熱區(qū)，物料吸收套筒外部電熱加熱器所供給的熱量，開始軟化并部分熔融。在壓縮段中，螺槽逐漸由深變淺，已預(yù)熱的物料因連續(xù)加熱而發(fā)生熔融同時被壓縮，并把夾帶的空氣向進(jìn)料段的方向排出。到計量段內(nèi)，被壓縮的熔體進(jìn)一步混合并塑化，以一定溫度和壓力定量地輸送到紡絲箱體中進(jìn)行紡絲。

3 原螺桿存在的問題

因為PA66熔體極易產(chǎn)生凝膠，且紡絲品質(zhì)對熔體溫度的變化極敏感，螺桿擠壓機(jī)作為切片轉(zhuǎn)換熔體的部件就對紡絲質(zhì)量的影響首當(dāng)其沖。紡PA66長絲用螺桿的長徑比、壓縮比、分區(qū)設(shè)置與常規(guī)化纖螺桿差異較大，螺桿結(jié)構(gòu)、加工精度、耐磨性不同都會對PA66紡絲質(zhì)量產(chǎn)生極大影響。

原有的紡絲用PA66螺桿問題主要有：對物料的熔融不均勻、壓縮段剪切熱過大、溫度不易控制，產(chǎn)量低等。也就是說，原有用于紡PA66長絲的螺桿，存在溫度不易控制，對物料的熔融不均勻，影響產(chǎn)品質(zhì)量等技術(shù)問題。

4 新螺桿的研究

4.1 螺桿結(jié)構(gòu)的研究

新設(shè)計螺桿的長徑比為29.5～30.5；壓縮比為2.9～3.1；進(jìn)料段、壓縮段、計量段和混煉段的長度比值為5：4：3：1，通過增加進(jìn)料段和計量段的長度，使物料在進(jìn)料段均勻受熱，并在計量段充分熔融。

新設(shè)計螺桿設(shè)置進(jìn)料段比原有螺桿長2～3倍的螺桿直徑，當(dāng)固相物料在旋轉(zhuǎn)攪拌前進(jìn)中被加熱時，進(jìn)料段增加的長度使固相物料預(yù)熱更加均勻穩(wěn)定，為在壓縮段中熔融打下良好的基礎(chǔ)；另外，通過加長計量段的長度來充分熔融剩余固相物料，減小了壓力波動（如圖1所示）。

圖1 新設(shè)計螺桿結(jié)構(gòu)示意圖

新設(shè)計螺桿設(shè)置的壓縮段分又為三段（如圖2所示）。首先，在第一段槽深HX逐漸變淺，以使得剪切熱逐漸變大，進(jìn)而使固相物料受壓縮剪切充分熔融至液相。在第二段槽深H4維持恒定槽深，進(jìn)一步使得固相物料充分熔融，然后，設(shè)置第三段的槽深HY變深，以減小壓縮段后段的剪切熱，進(jìn)而減小壓縮段后段的超溫現(xiàn)象，保證后面的計量段內(nèi)物料的剪切熱降低為可控制范圍。

4.2 螺桿的表面處理及加工精度

圖2 新設(shè)計螺桿壓縮段結(jié)構(gòu)示意圖

由于PA66切片在擠壓熔融過程中對螺棱會產(chǎn)生高摩擦、高腐蝕的作用，因此螺桿的制造是在38CrMoALA的基材上，在螺棱位置銑削成型槽后，將一種特殊的合金材料熔化，用特殊方法均勻地噴涂在母材上。合金的配方和比例的不同會對螺桿使用壽命影響較大。

表1 新螺桿螺棱表面材質(zhì)

其成分附著強(qiáng)度10000Psi以上，硬度HV800～900，脆性2級，在完全消除表面應(yīng)力裂紋后，可以提高螺桿使用周期。

通過提高螺桿的加工精度使其公差精確到-0.15～-0.18mm，直線度、同軸度和圓跳動都達(dá)到ф0.05mm以內(nèi)，其與螺套間隙達(dá)到0.25mm以內(nèi)，在螺套加熱狀態(tài)推入螺桿組裝，從而減少了熔體回流量，螺桿在同等規(guī)格轉(zhuǎn)速下增加了單位產(chǎn)量。

5 新螺桿的使用情況

以ф135螺桿擠壓機(jī)為例，紡PA66高粘切片（相對粘度η=3.1），紡絲品種為840～1260D PA66高強(qiáng)絲，其運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)如下：

表2 螺桿各加熱區(qū)設(shè)置

表3 螺桿轉(zhuǎn)速與產(chǎn)量計算

經(jīng)實際測算，其實際產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到計算產(chǎn)量的0.95Q。

表4 PA66紡絲產(chǎn)品的質(zhì)量指標(biāo)

從表4紡絲產(chǎn)品的質(zhì)量指標(biāo)和螺桿實際產(chǎn)量測試接近理論產(chǎn)量，得以證明紡PA66新螺桿研制成功。

6 結(jié)論

新設(shè)計螺桿已經(jīng)批量用于生產(chǎn)實踐，具有運(yùn)行平穩(wěn)、壓力波動小、溫度控制精確等特點(diǎn)。同時單位產(chǎn)量平均提高了20%；紡絲產(chǎn)品質(zhì)量能保持很高水平，很好的滿足客戶工藝性能要求，為高端PA66長絲生產(chǎn)提供優(yōu)良裝備。