PVC管材挤出机用双排气式机筒和螺杆的设计研究

沈正路

（上海携晟机械制造有限公司，上海 201401）

0 引言

在管材、型材、板材的制造与加工领域，高品质、多品种以及极具价格吸引力的产品将受到消费者的青睐。质量优越、价格合理的产品越来越受到广大客户的肯定与赞美。近年来，由于原材料价格、生产成本和人工成本都在不断上涨，因此很多中小规模企业的竞争力在逐步下降。设计一款性能优越的塑料挤出机是从业人员的职责，也是提高公司市场竞争力的有力表现。38D系列的平双螺杆具有高产出率和高品质挤出的效果，可让生产企业得到高的投资回报。挤出机较宽广的制品加工平台采用先进的模块化设计理念。螺杆特殊几何结构设计使PVC物料能塑化均匀，物料输送稳定，扭矩和熔体压力波动稳定的特点。

1 排气原理

对平行双螺杆排气式塑料挤出机来说，机筒在相应的位置上有两个排气口，第一个排气口为自然排气口，应设计成长方形结构，增大自然排气范围，第二个排气口为真空排气口，排气口应设计两个圆孔结构并增加真空排气系统对其进行抽真空。当PVC物料被输送到机筒内，在螺杆的异向旋转作用下，物料受到挤压和剪切的作用，使机械能转化为热能。机筒上配套有加热调温系统，物料包裹在螺棱表面向前移动并随之逐步塑化。当物料到达第一个排气口时，物料中少许的粉尘会通过排气口被排出。半塑化状态下的物料继续向前运动。当到达第二个排气口时，物料会达到理想的塑化效果，在压差和螺杆剪切力的作用下，气体和物料被得以分离，气体和微量的水分被真空系统抽走，从而保证制品的优越性能。如图1所示。

图1 双排气结构示意图

2 物料出现冒料的分析

在生产中物料出现冒料现象是经常发生情况，发生这一现象主要原因如下：1）客户物料配方存在问题。2）螺杆几何结构设计不合理，导致物料在机筒内没有达到塑化效果。3）工艺温度的设定存在问题。所以当设计一款未知塑料挤出机时，应对客户的配方进行了解并对物料进行流变试验，充分了解客户所生产的物料性能以及特性，这样有利于机筒和螺杆的设计与开发。

3 双排气式螺杆区段的设计

单排气式锥双和平双螺杆的区段一般设为5个区或者6个区即可满足使用要求，当笔者选用双排气式平双螺杆时螺杆区段应增加至9~10个区段，因为机筒上有2个排气口所以螺杆上需要设计成两个排气段与两个强压缩段的机构。如图2所示。

图2 38D系列螺杆区段分布简图

根据螺杆的初步分布后基本可确定机筒的真空排气口的位置（在真空排气段第2-3螺棱之间）。如果在试机时发现螺杆的塑化效果差，则可在第二和第三区进行回流槽的设置，增强螺杆剪切力提供其塑化效果。

3.1 螺棱参数的设计

螺杆各区段的导程(Pitch)、头数(Start)、螺杆直径（Diameter）、间隙（Gap）等参数是非常重要的，如果设计的不合理，则可能生产出不合格的螺杆，导致企业经济上的损失。为了更稳定输送物料第一区可以选择头数为3的螺棱。这样的话，=1.4-1.5；第二区为预压缩段其导程应该小于加料段的导程。=1.1-1.3；第三区为压缩段其导程应小于第二区，=1.0-1.1；第四区为高压缩段其导程应该是整体螺杆中最小的部分之一，=0.6-0.8；第五区为真空排气段，此区段应有较大的导程与头数，这样才能更快地进行排气处理。=2.5-3.0；第六区为预压缩段，将真空排气段输送过来的物料进行再一次稳定输送，与第三区的性质基本一致，=0.65-0.8；第七区为强力压缩段，导程是整体螺杆中最小，=0.4-0.5；此区的间隙要精确计算与加工制造，参数的准确性直接影响螺杆的产量。第八区为真空排气段，其区段的螺杆导程应小于自然排气段的导程，=1.5-2.4；第九区为计量段，此区段螺杆结构能精准地计量物料输送能力，=1.2-1.5；第十区为混合挤出段，此区段的设计直接关系到物料挤出的稳定性，=2.4-3.0。

3.2 螺棱轴向角度的设计

螺棱有轴向尺寸和法向尺寸的区别，轴向尺寸主要用于加工中心的编程与计算，法向尺寸则用于质检，两个参数是可以相互转换的。在初步计算出合理的导程、头数后，要对螺棱参数进行优化设计，为了加工方便，当导程=0.5-2.5时，轴向角度选择10°，当导程>2.5时，轴向角度为15 °~20 °，具体选用哪个角度，应与计算后的间隙进行比较，在选出合理的轴向角度。轴向角度选择整数的目的是为了对刀方便，降低加工难度。在计算各区段的螺棱参数时，各区段的导程应选择整数值且考虑螺杆配合后之间的间隙量，和的尺寸值。如图3所示。

图3 螺棱轴向基本尺寸

3.3 啮合间隙计算

×，其中为直线方程的参数。

将该射线表示为2个平面相交距离的公式，如公式（1）所示。

将动坐标系转换到静坐标系变换公式，如公式（2）所示。

代入（1）中得：

上述公式可简单写出：

上述非线性方程可以用下列的牛顿迭代公式求解，如公式（3）所示。

图4 螺旋齿面的法线和两齿面的法向距离示意图

3.4 38D系列的平双螺杆优越性

38D系列的螺杆结构设计应融合一段高效预热单元，此单元应该拥有加长的输出端口和混合区段，38D系列螺杆可完美适用于PVC粉料的加工，成为生产U-PVC和M-PVC管材、芯层发泡PVC管材和PVC-O管材的理想选择。该螺杆结构中的预热单元不仅更长而且高效，这意味着该设备在加工多种材料配方时具有高效的灵活性，同时使设备产量最大化。更长的计量段设计可积累更高的压力，这有利于保证材料加工的稳定性，对整个混合挤出区熔融温度进行控制。这样的设计效果对添加剂和发泡剂的扩散具有积极影响，对各种等级的PVC管材用料来说，38D系列的塑料挤出机可以将工艺波动降至绝对最低点。其缺点就是起初投资较大，设备成本较高，一旦客户购买此系列塑料挤出机将给客户带来意想不到的经济价值，使加工企业受益匪浅，是未来高质量制品加工理想选择。该公司推出了4种规格38D系列的平双挤出机：XTP76、XTP93、XTP112和XTP135。

加工企业可以通过增加填料含量来降低PVC管材的原料成本，事实证明高达40%的碳酸钙填料含量用于排水管是可行的，填料直径在50mm~500mm的高填充管材用于废水输送。在20%~25%的碳酸钙填料含量用于上水管也是成功的，但在订购设备时必须告知，因为低填充料与高填充料的螺杆结构是不同的，该公司会提供相对应的螺杆结构设计。38D系列挤出机能保证稳定的加工以及良好的均一产品质量。

4 机筒排气口的设计与选择

机筒上的排气口具有一定的真空度，笔者可以从真空口位置观察物料的塑化程度，也可以从真空口进行抽真空处理，所以真空口的作用是非常重要的。真空口位置选择错误会导致物料从真空口往外帽料，造成经济损失。因此真空口的位置与形状的设计应与螺杆区段分布相结合起来进行设计，内部结构应无死角，力求光滑过渡，减少物料的阻力，以适合熔融物料的输送。

排气口的位置和形状应有利于排气、避免帽料。便于观察和清理。第一个排气口可选择长方形结构，增加排气面积，长度=1.5-2.0，为螺杆直径尺寸，宽度尺寸=0.4-0.6，该结构是经典排气形状。两个排气口的中心距=0.9-1.4，所以机筒图纸中的值建议保留，第一增加机筒的机械强度，第二防止机筒在氮化时，产生变形。此处需配置一个自然排气座即可。自然排气口结构如图5所示。

图5 双排气式机筒的排气口结构示意图

第二个真空排气口设计成两个圆形孔结构，图中的中心距与自然排气口中心距相同。此处须配真空座、真空塞、真空表等部件与设备中的真空系统进行连接，当机筒中的真空度不满设定值时，会根据PLC指令自动开启真空泵进行工作，抽取物料中微量的水分、氯气以及未塑化的物料。保证进入管材模具内的物料是100%合格的。

5 结论

当前我国塑料机械工业在整体的发展态势较为良好。并且随着内需的增大以及国外市场的拓展。我国未来塑料机械工业的发展前景值得我们期待。我国塑料机械工业应朝着生产环保型产品，研发节能型设备。加强产品创新，提升资源回收、注重人才培养的方面进行发展。