Основы экструзии: укрощение винта

Аллан Грифф | 19 сентября 2021 г.

Планета Земля вращается со скоростью 0,0007 об/мин. Легко подсчитать: один оборот в день разделить на 24, чтобы получить обороты в час, а затем на 60, чтобы получить обороты в минуту = об/мин. Что касается линейной скорости, то она зависит от того, где вы живете. В Северной Калифорнии, где я нахожусь, это 38 северной широты, и мы движемся со скоростью около 730 миль в час. Это примерно скорость звука, но мы не чувствуем и не слышим ее, поскольку воздух вокруг нас движется с такой же скоростью. Это намного быстрее, чем внутри любого экструдера — в цилиндре диаметром 12 дюймов/30 см, работающем со скоростью 100 об/мин, частица на стенке цилиндра все равно достигает скорости всего 314 футов/мин, или 0,36 мили в час. Ничто из этого не важно для работы экструдера, но для нас, инженеров, это весело.

Однако важно понимать, как работает винт. Вот сокращенная версия раздела об одиночных шнеках в моем Руководстве по эксплуатации по экструзии пластмасс (24-е издание, 2021 г.).

Мы выражаем длину системы как отношение длины к диаметру (L/D). Наиболее распространенное соотношение L/D составляет около 24:1; некоторые длиннее — 30:1 или даже больше, а некоторые — всего 20:1. Большая длина может означать большую производительность, если нагрев, плавление или смешивание являются ограничениями производительности.

Стандартный винт имеет три зоны:

Многие винты имеют квадратный шаг, а это означает, что расстояние от одного витка до другого равно диаметру. Это позволяет легко получить L/D, просто подсчитывая ходы. Часть под загрузочным отверстием не должна включаться в L/D, но многие люди учитывают ее, поскольку из-за этого винт кажется длиннее.

Степень сжатия винта — это отношение объема первого витка к объему последнего, обычно от двух до четырех. Его часто принимают за отношение глубины первого и последнего каналов в винте с постоянным шагом. Коэффициент сжатия полезен, но он представляет собой неопределенное число и не может правильно описать винт, если не известна хотя бы одна глубина канала.

Ширина лёта (толщина) составляет около 10% диаметра ствола. Более широкие лопасти приводят к потере длины винта и выделяют слишком много тепла в зазорах до стенки цилиндра, в то время как узкие лопасти могут привести к слишком большому потоку (утечке) в этих зазорах. Чтобы избежать застоя там, где марше встречается с корнем, углы закруглены.

Винты обычно изготавливаются из стали, поддающейся механической обработке, но поверхности скребков, ближайшие к стволу, подвергаются дополнительной обработке для замедления износа. Для легкого использования достаточно закалки пламенем. Всю поверхность винта можно закалить путем азотирования, но обычно на эти рабочие поверхности надевают колпачки из твердого сплава.

Стволы представляют собой стальные цилиндры, обычно футерованные износостойким сплавом.

Зазор между витками винта и цилиндром новых винтов составляет от 0,005 до 0,010 дюйма (от 0,125 до 0,25 мм), меньше для очень маленьких винтов и больше для очень больших. Более плотная посадка обойдется дороже из-за слишком сильного нагревания. Некоторый износ, превышающий эти значения, обычно безвреден и может даже быть полезен, поэтому перед восстановлением или заменой убедитесь, что существует реальная проблема (например, перегрев, поскольку для той же производительности винт должен вращаться быстрее).

Винты можно спроектировать с помощью компьютера, если мы знаем сопротивление (давление на кончике винта), желаемую производительность и вязкость материала, но все же неплохо «приправить» компьютер некоторым опытом, прежде чем резать металл.

Хромирование винта может увеличить скольжение по основанию (что хорошо) и предотвратить коррозию, особенно когда он находится вне машины, но в этом нет необходимости для большинства пластмасс. Для высокоабразивных материалов можно закалить всю поверхность винта. Наконец, ПВДХ и некоторые фторопласты нуждаются в специальных металлах, поскольку материалы на основе железа подвержены коррозии, а покрытие не служит достаточно долго.

Некоторые винты имеют центральный проход. Водяное охлаждение по всей длине улучшает перемешивание на последних витках. Масло используется с жестким ПВХ, чтобы удерживать кончик винта при температуре около 300 ° F (150 ° C), поэтому ПВХ не разлагается. Охлаждение винта только наполовину вниз по стволу осуществляется с помощью пластика, чтобы предотвратить прилипание корня винта в зоне подачи.