橡膠擠出機螺桿的應用與設計發(fā)展

趙明潔

（河北師范大學職業(yè)技術(shù)學院，河北石家莊 050024）

橡膠擠出機螺桿的應用與設計發(fā)展

趙明潔

（河北師范大學職業(yè)技術(shù)學院，河北石家莊 050024）

簡述了橡膠螺桿擠出機的設計發(fā)展現(xiàn)狀，詳細論述了其主要工作部件——螺桿的應用與設計發(fā)展趨勢。

橡膠螺桿擠出機；銷釘；螺桿

橡膠產(chǎn)品已被廣泛用于日常生活如自行車和汽車車胎、電纜、各種小型膠管等，從而也催生了其加工設備——擠出機為滿足市場需求向更優(yōu)化方向發(fā)展。其中以壓形擠出機應用最為廣泛?？傊僮骱唵巍Ⅲw積小、價格便宜、擠出制品均勻密實、高效率、多功能、低能耗是目前橡膠擠出機的新發(fā)展方向。

1 擠出機發(fā)展概況

1879年出現(xiàn)了第1臺螺桿擠出機，使原來的間歇式生產(chǎn)變成連續(xù)式，大大提高了產(chǎn)量，降低了工人的勞動強度。20世紀初，螺桿擠出機開始應用于橡膠加工工業(yè)。中國的橡膠工業(yè)解放后從無到有，從小到大，現(xiàn)已發(fā)展成為一個工業(yè)體系。螺桿擠出機的優(yōu)點是生產(chǎn)能力高，擠出的膠坯制品均勻密實，尺寸準確，能實現(xiàn)工業(yè)過程的連續(xù)化、聯(lián)動化和自動化。另外，它還具有結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、操作方便等優(yōu)點，因此在橡膠加工工業(yè)中得到廣泛應用。中國螺桿擠出機的設計發(fā)展主要經(jīng)歷了3個階段：熱喂料擠出機、冷喂料擠出機和銷釘機筒擠出機［1］。

2 擠出機的組成與螺桿的分類

2.1 擠出機的組成

螺桿擠出機是由擠壓系統(tǒng)、機頭、傳動系統(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、機筒、襯套等。而螺桿是擠出機最重要的工作部件，有擠出機“心臟”之稱。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的工作性能和擠出制品的質(zhì)量好壞。所以，在擠出機的設計發(fā)展過程中，人們對其有“心臟”之稱的螺桿進行了大量改進工作。時至今日，中國的熱、冷和銷釘擠出機的螺桿基本已經(jīng)實現(xiàn)了標準化、系列化。

2.2 螺桿的分類

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 普通螺桿擠出機是目前廣泛應用的擠出機，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。

2）新型螺桿 新型螺桿是在普通螺桿基礎之上發(fā)展起來的。其特點是在螺紋的正常走向處，設置一些銷釘和開設一部分非常螺紋段，用來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，目前中國橡膠擠出機應用比較多的有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的專用螺桿。

3 熱、冷喂料及銷釘擠出機螺桿的設計應用

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

3.1 熱喂料擠出機

熱喂料擠出機是把預熱的膠料切條后送入擠出機喂料口，由于膠料已經(jīng)加熱，所以熱喂料擠出機的優(yōu)點是螺桿的長徑比小。螺桿通常被設計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，其螺紋導程和升角沿機頭方向逐漸變小。隨著膠料向機頭方向不斷推進，膠料受到的壓力和剪切力越來越大，使得膠料塑化均勻，不易產(chǎn)生燒焦現(xiàn)象。而且操作簡單，生產(chǎn)率高，擠出的膠坯制品形狀準確。其缺點是膠料需要在供熱的熱煉機上加熱到60～80℃，由于膠料在熱煉機上停留的時間不易控制，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)不進行大批量生產(chǎn)了。

3.2 冷喂料擠出機

由于冷喂料擠出機不需要對膠料熱煉，膠料在室溫條件下直接進入喂料口，所以冷喂料擠出機螺桿的長徑比大。螺桿設計采用比普通螺桿剪切和撕裂效果強的主副螺紋螺桿。這種新型螺桿一般由2條導程不等的主副螺紋組成，副螺紋的高度略低于主螺紋。螺桿長徑比增大，塑化段加長，使膠料能夠得到很好的塑化和捏煉，擠出的制品均勻密實。主副螺紋螺桿對膠料的適用性強，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)，因此潤滑效果好，不易產(chǎn)生螺桿刮套現(xiàn)象，其缺點是驅(qū)動功率大。另外，冷喂料擠出機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時會受到屏障元件的作用而產(chǎn)生強烈剪切和混合，因此膠料能得到較好的塑化和混合。目前冷喂料擠出機較熱喂料擠出機使用廣泛。

3.3 銷釘擠出機

銷釘擠出機是在冷喂料擠出機的基礎之上發(fā)展起來的。它的結(jié)構(gòu)特點是在機筒的一定部位上裝有數(shù)排沿機筒圓周方向的銷釘，銷釘直接伸入螺槽中。當膠料在螺紋螺槽中呈環(huán)形流動時，在螺槽中心必然會形成一個混合塑化較差的核心，特別是當膠料有硬塊時，這個核心更容易形成［3］。在螺紋槽中插入螺釘就會破壞這個核心。螺桿每轉(zhuǎn)1周，膠料就會受到1排（6～8個）銷釘?shù)亩啻畏指詈蛿嚢?，從而加強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，尺寸準確。由于銷釘還可以起到阻擋膠料回流的作用，使排膠量提高，因而銷釘擠出機的產(chǎn)量比冷喂料擠出機的產(chǎn)量高。小型冷喂料擠出機螺桿的螺距較小，膠料不易形成核心，一般不需要設計成銷釘式，通常在螺桿直徑≥120mm時才考慮選用銷釘擠出機。實驗證明，螺桿直徑越大，銷釘擠出機的優(yōu)點越會顯現(xiàn)出來。當螺桿直徑＜90mm時，銷釘?shù)姆至髯饔脤嶋H上并不明顯。

圖1 銷釘對膠料的作用原理Fig.1 Action principle of the pin to glue stock

中國銷釘擠出機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始就采用；有些生產(chǎn)廠家還把螺桿主副螺紋結(jié)構(gòu)斷開成2段；有些生產(chǎn)廠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)。中國銷釘擠出機幾乎不采用普通螺桿結(jié)構(gòu)。實踐證明：選用新型螺桿結(jié)構(gòu)的銷釘擠出機同時兼?zhèn)淅湮沽虾弯N釘擠出機的“雙優(yōu)”功效。

中國熱、冷喂料及銷釘擠出機在螺桿設計方面均已實現(xiàn)標準化和系列化。事實上，橡膠螺桿擠出機的螺桿設計已經(jīng)趨于成熟，客戶可根據(jù)自己的需求來選擇各類型的擠出機。

4 國外銷釘擠出機簡介

銷釘擠出機在國外應用非常廣泛。它的螺桿結(jié)構(gòu)形式是根據(jù)膠料的門尼黏度來選擇的，不同黏度的膠料，采用不同結(jié)構(gòu)的螺桿。Berstoff公司生產(chǎn)的銷釘擠出機的3種典型螺桿如下。

1）門尼黏度為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筒上裝有銷釘。

2）門尼黏度為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，由于導程與螺紋不同可以將螺紋切斷，從而加強了膠料的撕裂作用。

3）門尼黏度為30～120的膠料在第2種螺桿的特點基礎上，在塑化段末和擠出段之間增加1段主副螺紋，具有強力的分流、攪拌和剪切作用，分流靠銷釘來實現(xiàn)，強力剪切則是靠主副螺紋完成的。據(jù)報道，該公司生產(chǎn)的銷釘擠出機80%配以第2種螺桿。

5 橡膠擠出機的發(fā)展方向

1）進一步完善擠出設計理論，在模具和制造業(yè)中全面推廣CAD/CAM/CAE技術(shù)［4］，設計出優(yōu)質(zhì)、高效、低耗的新型螺桿是擠出機發(fā)展的一個重要方向，大直徑螺桿擠出機越來越受到用戶青睞。

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；進一步改善熱處理工藝來提高材料的綜合機械性能。

3）進一步提高自動化程度，控制系統(tǒng)向可編程控制器（PLC）方向轉(zhuǎn)化［5］。

4）向一機多用及擴大工藝用途方向發(fā)展。

［1］張秀英.橡膠模具設計方法和實例［M］.第2版.北京：化學工業(yè)出版社，2010.

［2］唐國俊，李鍵鑌.橡膠機械設計［M］.北京：化學工業(yè)出版社，1984.

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

［4］高文廷，杜愛華，辛振祥，等.國內(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.機電傳動控制［M］.北京：化學工業(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，主要從事機械設計方面的研究。