邱建成 林一波 何建領(lǐng)

（蘇州同大機(jī)械有限公司）

0. 擠出機(jī)主要組成與介紹

擠出吹塑中空成型機(jī)的塑化裝置包括塑化平臺、擠出機(jī)等。目前國內(nèi)外擠出吹塑中空成型機(jī)使用最多的是單螺桿。

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，塑化平臺從以往的單一功能到具有升降、轉(zhuǎn)動、左右平移等復(fù)合功能。

圖1 具有前后、左右平移功能的塑化平臺

在圖1所展示的可以前后、左右平移的塑化平臺，在高速生產(chǎn)機(jī)型中還要求機(jī)頭在短時(shí)間內(nèi)抬升一定高度，因此還需增加轉(zhuǎn)動功能。在設(shè)計(jì)塑化平臺時(shí)，還要從提高使用方便性裝配快速準(zhǔn)確方面入手，做到電氣線路、氣路、水路橫平豎直、整齊劃一、易于辨識等。同時(shí)設(shè)計(jì)平臺時(shí)要采用國際通用的標(biāo)準(zhǔn)，注重安全方面的考慮。

擠出吹塑中空成型機(jī)多數(shù)采用普通單螺桿擠出機(jī)，擠出機(jī)主要包括驅(qū)動裝置、機(jī)筒螺桿、加熱冷卻裝置、換網(wǎng)裝置，如圖2所示。

圖2 塑化平臺俯視圖

驅(qū)動裝置一般采用直流電機(jī)或三相異步電機(jī)（配變頻器）輸出轉(zhuǎn)速和扭矩，再通過皮帶或聯(lián)軸器連接到減速機(jī)。

近年來很多廠家采用減速機(jī)直連電機(jī)的形式，其結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、美觀、噪音低等等；大功率電機(jī)直連減速機(jī)是未來多年的發(fā)展趨勢。

低速大扭矩交流伺服電機(jī)在低速范圍下具有較好的轉(zhuǎn)矩輸出特性，其結(jié)構(gòu)簡單、體積小、效率高、響應(yīng)迅速、過載能力強(qiáng)；采用低速大扭矩交流伺服電機(jī)直接驅(qū)動螺桿，可以省去減速機(jī)，實(shí)現(xiàn)對機(jī)械負(fù)載的直驅(qū)，提供系統(tǒng)的傳動效率和控制精度以及系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，降低能耗。

目前在注塑機(jī)行業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)直驅(qū)螺桿，擠出吹塑中空成型機(jī)領(lǐng)域只有國外少數(shù)廠家可以提供。

采用伺服電機(jī)直驅(qū)是未來多年的擠出吹塑中空成型機(jī)一個(gè)發(fā)展方向。

機(jī)筒螺桿是擠出機(jī)最核心的部件，在具體使用中根據(jù)需要加工的物料特性需要配套專用的機(jī)筒螺桿。

對擠出吹塑中空成型機(jī)來說大多情況下加工的是聚乙烯，高速化和高效化是現(xiàn)代擠出機(jī)的重要發(fā)展方向。

1. 擠出機(jī)開槽襯套的基本設(shè)計(jì)與控制

早期的機(jī)筒內(nèi)部是全部光滑的。1968年，德國亞堔工業(yè)大學(xué)塑料加工研究所研發(fā)的機(jī)筒開槽擠出機(jī)，被作為軸向直槽機(jī)筒螺桿擠出機(jī)的標(biāo)志。隨著螺桿轉(zhuǎn)動，螺桿螺槽內(nèi)物料與機(jī)筒和機(jī)筒溝槽內(nèi)物料存在相對運(yùn)動，聚合物材料之間的內(nèi)摩擦系數(shù)是聚合物材料與光滑金屬間外摩擦系數(shù)的1.5-5倍，因此溝槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)能顯著地提高固體物料輸送效率。隨后國內(nèi)外眾多先驅(qū)對機(jī)筒溝槽參數(shù)進(jìn)一步深入研究，在槽軸向長度、槽深度、槽數(shù)量、槽錐度、加工工藝參數(shù)等等已經(jīng)得到的很好的驗(yàn)證。直開槽加料段的溝槽結(jié)構(gòu)形式通常是直線型，與螺桿軸線平行。直開槽的斷面形式有矩形、三角形、鋸齒形等。矩形斷面溝槽多用于粒狀原料，圓形（三角形）斷面溝槽用于加工粉狀原料。溝槽的長度在2.5~6 D（D為螺桿直徑）范圍內(nèi)。溝槽個(gè)數(shù)大約為螺桿直徑的1/10。溝槽深度必須大于顆粒的最大尺寸，一般在 1~4 mm。溝槽寬度與螺桿直徑有關(guān)。溝槽尺寸如表1所示。

表1 機(jī)筒溝槽基本尺寸

表2 加工HDPE粉料的開槽襯套軸向錐形溝槽參數(shù)

很多情況下，機(jī)筒的開槽處設(shè)計(jì)為單獨(dú)的零件，該零件稱為開槽襯套。

1.1 開槽襯套溝槽的基本數(shù)據(jù)：

開槽襯套溝槽的最優(yōu)化形狀設(shè)計(jì)應(yīng)該由塑料材料實(shí)驗(yàn)來確定，從實(shí)驗(yàn)中得出溝槽的數(shù)量n近似為：

式中D為螺桿直徑，n為溝槽的數(shù)量。

加工HDPE或是HMWHDPE粉料時(shí)，開槽襯套的軸向錐形溝槽參數(shù)可參考表2選擇。

溝槽的入料錐角β，對于 HDPE，β可取15°，對于粉料，β可取至5°。

溝槽的長度 L，根據(jù)實(shí)驗(yàn)與實(shí)際應(yīng)用，L可?。?~5）D（D為螺桿直徑）。

加工粒料時(shí)，開槽襯套的溝槽深度、寬度與塑料原料的尺寸、形狀有關(guān)，溝槽的寬度應(yīng)大于粒料的平均尺寸，溝槽深度h可取粒料平均尺寸的1/2，溝槽寬度b可參考表2-3選擇。

表3 加工粒料的開槽襯套溝槽寬度參數(shù)

需要強(qiáng)調(diào)說明的是：機(jī)筒進(jìn)料端開槽的數(shù)據(jù)由于擠出機(jī)采用的塑料原料的不同，或者是采用的原料分子量的不同，其具體參數(shù)也會不同，需要針對不同的塑料原料與原料的分子量來確定這些具體參數(shù)的設(shè)置。而往往這些具體參數(shù)的設(shè)定的背景是需要做許多繁復(fù)的試驗(yàn)、測試和計(jì)算機(jī)模擬及計(jì)算。

1.2 開槽襯套的溫度控制：

開槽襯套在充分冷卻的情況下，加工HMWHDPE粉料時(shí)，產(chǎn)量可以提高180%，能效可提高20%以上，這是因?yàn)橐r套被充分冷卻時(shí)，在進(jìn)料段建立了很高的壓力，因此需要增加螺桿的工作扭矩。因?yàn)?HMWHDPE粉料的剪切應(yīng)力較高，可以明顯提高輸送能力，所以也利于提高能效。

但開槽襯套充分冷卻需要消耗較大的能量，會使螺桿的驅(qū)動裝置增加能量或使機(jī)筒增加升溫的能耗。因此改善開槽襯套擠出機(jī)的能效主要是選擇較好的襯套冷卻溫度，理論分析與實(shí)踐證明，一般情況下，只要塑料原料固體床與襯套接觸的界面上不產(chǎn)生塑料熔膜，較高的襯套溫度和較低的螺桿溫度有利于提高擠出機(jī)的產(chǎn)量。

根據(jù)塑料原料品種的不同，襯套溫度也不同，對于普通的 HDPE、LDPE、PP等塑料原料，襯套溫度可控制低一些（40~60℃），對于HMWHDPE、LLDPE等塑料原料，襯套溫度可控制高一些（60~90℃）；對于一些工程塑料襯套溫度可控制更高一些，如 ABS為 90~110℃，PA6為 140~180℃。此外，開槽擠出機(jī)開始工作時(shí)，開槽襯套的溫度可以設(shè)置高一些，有利于適當(dāng)降低開機(jī)時(shí)的功率輸入，正常運(yùn)行后可以適當(dāng)降低襯套的溫度，以保證輸送量的穩(wěn)定。可在擠出機(jī)開槽襯套的部位設(shè)置自動控溫裝置，可使擠出機(jī)的運(yùn)行狀況處于較好的節(jié)能狀態(tài)和適用不同塑料原料對襯套溫度的要求。

1.3 減少開槽襯套及進(jìn)料段前端磨損的措施：

從多年使用的情況看，“IKV”結(jié)構(gòu)也還是存在一些缺陷，比如螺桿與機(jī)筒的進(jìn)料段前端約4~10倍螺桿直徑的區(qū)域以及開槽襯套磨損較快，磨損后生產(chǎn)效率會很快下降；雖然加強(qiáng)這一區(qū)段的冷卻能夠減緩部分磨損，也能部分提高擠出量，但冷卻所帶走的能量會明顯偏高。在這一部位上，采用雙金屬螺桿和雙金屬機(jī)筒可以明顯提高耐磨性能1-2倍以上，價(jià)格提高僅約為50%。從投入產(chǎn)出比來說是可行的。目前，多家螺桿制造公司已經(jīng)能較好的制作雙金屬螺桿和雙金屬機(jī)筒，采用高壓速（HP/HVOF）全面合金披覆的熔射技術(shù)使合金層全面覆蓋螺桿的所有表面。并將機(jī)筒的表面合金含鎢10%提高到30%及50%，能較好的解決“IKV”螺桿進(jìn)料段前端螺桿、機(jī)筒磨損較快的問題。同時(shí)改善螺桿進(jìn)料段的設(shè)計(jì)也能提高耐磨的能力，如將進(jìn)料段螺棱設(shè)計(jì)成為雙螺棱結(jié)構(gòu)能有效改善磨損情況。

對于已經(jīng)磨損的螺桿機(jī)筒，應(yīng)將其及早更換。否則，為彌補(bǔ)其產(chǎn)量降低所花費(fèi)的用電費(fèi)用將很快沖抵設(shè)備更新的費(fèi)用。從工廠的實(shí)際來考察，當(dāng)擠出機(jī)的產(chǎn)量下降5%時(shí)，就應(yīng)及時(shí)進(jìn)行更換，不然產(chǎn)量將很快就會下降10%以上。以致造成更多的人工和電能浪費(fèi)。

目前在國內(nèi)眾多生產(chǎn)企業(yè)，從實(shí)際生產(chǎn)成本出發(fā)，大都采用簡易化的開槽機(jī)筒。隨著高速化高效化的發(fā)展，一些中空成型機(jī)制造廠家在研制IKV結(jié)構(gòu)擠出機(jī)的基礎(chǔ)上，將分離型螺桿與屏障型螺桿形式與IKV結(jié)構(gòu)形式有機(jī)地結(jié)合在一起，研制出了高效率、綜合性能優(yōu)良的單螺桿擠出機(jī)，并將其用于擠出吹塑中空成型機(jī)上，取得了較好的使用效果。

在今后一段時(shí)間國內(nèi)還是以開發(fā)實(shí)用的IKV擠出機(jī)為主要趨勢之一。

提高固體物料輸送效率的最新研究是機(jī)筒上開設(shè)與螺桿螺紋方向相反的螺旋溝槽從而實(shí)現(xiàn)固體物料的正位移輸送。在提高固體物料的輸送效率的同時(shí)，要提高物料的熔融效果，螺桿的設(shè)計(jì)要采用更加復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，提高物料的熔融效率和混煉效果。螺旋溝槽機(jī)筒將是擠出機(jī)機(jī)筒的發(fā)展趨勢之一。

2. 擠出機(jī)螺桿的基本設(shè)計(jì)與參數(shù)

在擠出機(jī)的各個(gè)環(huán)節(jié)中，螺桿設(shè)計(jì)的好壞往往是關(guān)鍵的一環(huán)，螺桿參數(shù)和結(jié)構(gòu)的適當(dāng)更新往往有可能促使擠出機(jī)生產(chǎn)率有較大的提高，質(zhì)量有較大的改善，擴(kuò)大擠出機(jī)的使用范圍。

螺桿是擠出機(jī)的心臟，是擠出機(jī)的關(guān)鍵部件，螺桿的性能好壞，決定了一臺擠出機(jī)的生產(chǎn)率、塑化質(zhì)量、填加物的分散性、熔體溫度、動力消耗等。是擠出機(jī)最重要的部件，它可以直接影響到擠出機(jī)的應(yīng)用范圍和生產(chǎn)效率。通過螺桿的轉(zhuǎn)動對塑料產(chǎn)生擠壓的作用，塑料在機(jī)筒中才可以發(fā)生移動、增壓以及從摩擦中獲取部分熱量，塑料在機(jī)筒中的移動過程中獲得混合和塑化，黏流態(tài)的熔體在被擠壓而流經(jīng)口模時(shí)，獲得所需的形狀而成型。與機(jī)筒一樣，螺桿也是用高強(qiáng)度、耐熱和耐腐蝕的合金鋼制造而成。

由于塑料的種類很多，它們的性質(zhì)也各不相同。因此在實(shí)際操作中，為了適應(yīng)不同的塑料加工需要，所需的螺桿種類不同，結(jié)構(gòu)也有各有差別。以便能最大效率的對塑料產(chǎn)生最大化運(yùn)輸、擠壓、混合和塑化作用。

圖3 熔體在螺桿、機(jī)筒中的流動示意圖

表示螺桿特征的基本參數(shù)包括以下幾點(diǎn)：直徑、長徑比、壓縮比、螺距、螺槽深度、螺旋角、螺桿和機(jī)筒的間隙等。

最常見的螺桿直徑D大約為45~150毫米。螺桿直徑增大，擠出機(jī)的生產(chǎn)效率也顯著提高。螺桿工作部分有效長度與直徑之比（簡稱長徑比，表示為 L/D）通常為 10~42。L/D大，能改善物料溫度分布，有利于塑料的混合和塑化，并能減少漏流和逆流。提高擠出機(jī)的生產(chǎn)能力，L/D大的螺桿適應(yīng)性較強(qiáng)，能用于多種塑料的擠出；但L/D過大時(shí)，會使塑料受熱時(shí)間增長而發(fā)生降解，同時(shí)因螺桿自重增加，自由端撓曲下垂，容易引起機(jī)筒與螺桿間的摩擦而擦傷，并使制造加工困難；增大了擠出機(jī)的功率消耗。過短的螺桿，容易引起混煉的塑化不良。根據(jù)塑料熔料的特性，可根據(jù)以下的幾個(gè)方面來考慮選擇長徑比。

2.1 長短螺桿的優(yōu)點(diǎn)：

1） 長螺桿的優(yōu)點(diǎn)：

① 有更高的生產(chǎn)效率和熔體擠出量；

② 塑化熔融效果更好，有更好的混煉和更加均勻的輸出；

③ 熔體具有較高的擠出壓力；

④ 能夠充分利用熱能，相對節(jié)能。

2） 短螺桿的優(yōu)點(diǎn)：

① 物料在機(jī)筒內(nèi)停留時(shí)間短，熱敏性塑料受熱時(shí)間短，這樣可減少降解的機(jī)會；

② 塑化的機(jī)器占用空間??；

③ 扭矩要求低，使螺桿強(qiáng)度和驅(qū)動功率要求會低一些。換件修理時(shí)成本低一些。

機(jī)筒內(nèi)徑與螺桿直徑差的一半稱間隙δ，它能影響擠出機(jī)的生產(chǎn)能力，隨δ的增大，生產(chǎn)率降低。通常控制δ在0.1-0.6毫米左右為宜。δ小，物料受到的剪切作用較大，有利于塑化，但δ過小，強(qiáng)烈的剪切作用容易引起物料出現(xiàn)熱機(jī)械降解，同時(shí)易使螺桿被抱住或與機(jī)筒壁摩擦，而且，δ太小時(shí)，物料的漏流和逆流幾乎沒有，在一定程度上影響熔體的混合。螺旋角Φ是螺紋與螺桿橫斷面的夾角，隨Φ增大，擠出機(jī)的生產(chǎn)能力提高，但對塑料產(chǎn)生的剪切作用和擠壓力減小，通常螺旋角介于10°到30°之間，沿螺桿長度的變化方向而改變，常采用等距螺桿，取螺距等于直徑，Φ的值約為17°41′；壓縮比越大，塑料受到的擠壓比也就越大。螺槽淺時(shí)，能對塑料產(chǎn)生較高的剪切速率，有利于機(jī)筒壁和物料間的傳熱，物料混合和塑化效率越高，反而生產(chǎn)率會降低；反之，螺槽深時(shí)。情況剛好相反。因此，熱敏性材料（如聚氯乙烯）宜用深螺槽螺桿；而熔體粘度低和熱穩(wěn)定性較高的塑料（如聚酰胺），宜用淺螺槽螺桿。

常用的擠出吹塑中空成型機(jī)中較多采用普通單螺桿，因其產(chǎn)品的工藝特性，螺桿的轉(zhuǎn)速一般在100轉(zhuǎn)/每分鐘以內(nèi)。這類普通螺桿結(jié)構(gòu)上可以分為加料段、過渡段、計(jì)量段與混煉段。

圖4 普通三段式單螺桿結(jié)構(gòu)圖

2.2 普通單螺桿概述

1）普通單螺桿的特點(diǎn)：

長徑比 L/D為（15~28）/1；進(jìn)料段長度L1為（4~8）D；計(jì)量段長度L3為（6~10）D。

2）普通單螺桿的工作過程：

塑料進(jìn)入固體輸送段，隨著螺桿的旋轉(zhuǎn)，塑料在多種摩擦力共同作用下被強(qiáng)制地往前輸送，塑料也由松散狀態(tài)壓縮成密實(shí)狀態(tài)（改善了物料的傳熱性，有助于塑料的融化，這個(gè)密實(shí)的固態(tài)料塊在基礎(chǔ)理論的文獻(xiàn)中常被稱為“固體塞”）。在傳導(dǎo)熱的作用下，與機(jī)筒接觸的塑料開始熔化產(chǎn)生一個(gè)薄的熔膜。熔膜中由于各部分熔體間的運(yùn)動速度不同，在塑料的大分子之間通過內(nèi)摩擦也產(chǎn)生了大量的熱量，這種作用產(chǎn)生的熱量稱為剪切熱。在傳導(dǎo)熱和剪切熱的共同作用下，在壓力升高的同時(shí)，塑料逐漸融化，最后由固體狀態(tài)變成流動著的熔體狀態(tài)。流動的熔體由于多種復(fù)雜原因，可能存在溫度、速度、壓力等差異，熔體通過混煉段提高了混合的均勻度，減低了在溫度、速度、壓力方面的差異。

3）塑料及塑料三態(tài)：

塑料有熱固性和熱塑性二大類，熱固性塑料成型固化后，不能再加熱熔融成型。而熱塑性塑料成型后的制品可再加熱熔融成型其它制品。

熱塑性塑料隨著溫度的改變，產(chǎn)生玻璃態(tài)、高彈態(tài)和粘流態(tài)三態(tài)變化，隨溫度重復(fù)變動，三態(tài)產(chǎn)生重復(fù)變化。

① 三態(tài)中聚合物熔體不同的特征：

玻璃態(tài)：塑料呈現(xiàn)為剛硬固體；熱運(yùn)動能小，分子間力大，形變主要由鍵角變形所貢獻(xiàn)；除去外力后形變瞬時(shí)恢復(fù)，屬于普彈形變。

高彈態(tài)：塑料呈現(xiàn)為類橡膠物質(zhì)；形變由鏈段取向引起大分子橡膠黏流態(tài)作出的貢獻(xiàn)，形變值大；除去外力后形變可恢復(fù)但有時(shí)間依賴性，屬于高彈形變。

粘流態(tài)：塑料呈現(xiàn)為高粘性熔體；熱能進(jìn)一步激化了鏈狀分子的相對滑移運(yùn)動；形變不可逆，屬于塑性形變

② 塑料加工與塑料三態(tài)：

塑料玻璃態(tài)時(shí)可切削加工。高彈態(tài)時(shí)可拉伸加工，如拉絲紡織、擠管、吹塑和熱成型等。粘流態(tài)時(shí)可涂復(fù)、滾塑和注塑等加工。

當(dāng)溫度高于粘流態(tài)時(shí)，塑料就會產(chǎn)生熱分解，當(dāng)溫度低于玻璃態(tài)時(shí)塑料就會產(chǎn)生脆化。當(dāng)塑料溫度高于粘流態(tài)或低于玻璃態(tài)趨向時(shí)，均使熱塑性塑料趨向嚴(yán)重的惡化和破壞，所以在加工或使用塑料制品時(shí)要避開這二種溫度區(qū)域。

4）為適應(yīng)不同狀態(tài)的要求，通常將擠出機(jī)的螺桿分成三段：

① 加料段 L1(又稱固體輸送段)，熔融段L2(稱壓縮段)，均化段 L3(稱計(jì)量段)。這就是通常所說的三段式螺桿。塑料在這三段中的擠出過程是不同的。加料段的作用是將料斗供給的料送往壓縮段，塑料在移動過程中一般保持固體狀態(tài)，由于受熱而部分熔化。加料段的長度隨塑料種類不同，可從料斗不遠(yuǎn)處起至螺桿總長75%止。大體上說，擠出結(jié)晶聚合物最長，硬性無定形聚合物次之，軟性無定形聚合物最短。由于加料段不一定要產(chǎn)生壓縮作用，故其螺槽容積可以保持不變，螺旋角的大小對本段送科能力影響較大，實(shí)際影響著擠出機(jī)的生產(chǎn)率。通常粉狀物料的螺旋角為30°左右時(shí)生產(chǎn)率最高，方塊狀物料螺旋角宜選擇15°左右，而球形物料宜選擇17°左右。

加料段螺桿的主要參數(shù)：螺旋升角ψ一般取17°～20°，螺槽深度H1，是在確定均化段螺槽深度后，再由螺桿的幾何壓縮比ε來計(jì)算。加料段長度 L1由經(jīng)驗(yàn)公式確定：對非結(jié)晶型高聚物L(fēng)1=(10%～20%)L對于結(jié)晶型高聚物L(fēng)1=(60%～65%)L

② 壓縮段(遷移段)的作用是壓實(shí)物料，使物料由固體轉(zhuǎn)化為熔融體，并排除物料中的空氣；為適應(yīng)將物料中氣體推回至加料段、壓實(shí)物料和物料熔化時(shí)體積減小的特點(diǎn)，本段螺桿應(yīng)對塑料產(chǎn)生較大的剪切作用和壓縮。

為此，通常是使螺槽容積逐漸縮減，縮減的程度由塑料的壓縮率(制品的比重/塑料的表觀比重)決定。壓縮比除與塑料的壓縮率有關(guān)外環(huán)與塑料的形態(tài)有關(guān)，粉料比重小，夾帶的空氣多，需較大的壓縮比(可達(dá)4~5)，而粒料僅2.5~3。壓縮段的長度主要和塑料的熔點(diǎn)等性能有關(guān)。熔化溫度范圍寬的塑料，如聚氯乙烯 150℃以上開始熔化，壓縮段最長，可達(dá)螺桿全長100%(漸變型)，熔化溫度范圍窄的聚乙烯(低密度聚乙烯105~120℃，高密度聚乙烯 125~135℃)等，壓縮段為螺桿全長的 45~50%；熔化溫度范圍很窄的大多數(shù)聚合物如聚酰胺等，壓縮段甚至只有一個(gè)螺距的長度。

壓縮比ε：一般指幾何壓縮比，它是螺桿加料段第一個(gè)螺槽容積和均化段最后一個(gè)螺槽容積之比。要有足夠的壓縮比，把小塊狀的塑料壓實(shí)成為密實(shí)的熔體而不包含氣泡。壓縮比低時(shí)容易夾雜氣泡。當(dāng)回收料、粉末料或是微小料較多時(shí)，通常壓縮比可選擇較高。但是，壓縮比較高時(shí)，聚烯烴在漸變段容易產(chǎn)生融料塊，導(dǎo)致螺桿和機(jī)筒的磨損加快。

③ 均化段(計(jì)量段)的作用是將熔融物料，定容(定量)定壓地送入機(jī)頭使其在口模中成型。均化段的螺槽容積與加料段一樣恒定不變。為避免物料因滯留在螺桿頭端面死角處，引起分解，螺桿頭部常設(shè)計(jì)成錐形或半圓形；有些螺汗的均化段是一表面完全平滑的桿體稱為魚雷頭，但也有刻上凹槽或銑刻成花紋的。魚雷頭具有攪拌和節(jié)制物料、消除流動時(shí)脈動(脈沖)現(xiàn)象的作用，伴隨增大物料的壓力，降低料層厚度，改善加熱狀況，且能進(jìn)一步提高螺桿塑化效率。本段可為螺桿全長20~25%。

均化段螺桿的重要參數(shù)：螺槽深度H3=(0.02～0.06)Ds，長度L3=(20%～25%)L。

普通單螺桿為了增大擠出量，必須提高螺桿轉(zhuǎn)速或加深計(jì)量段槽深。這必然使固體熔體相變點(diǎn)往機(jī)頭方向移動，如果不加大螺桿的長徑比，便有可能在擠出制品中混有未熔化的固體殘余物，使塑化質(zhì)量下降。普通螺桿還有一個(gè)較大的缺點(diǎn)，既是有較高的壓力波動、溫度波動和產(chǎn)量波動，直接導(dǎo)致了制品尺寸波動和性能下降。這些不足主要是由于普通螺桿的先天不足所造成的，因此，出現(xiàn)了許多新型的螺桿設(shè)計(jì)。

2.3 新型螺桿設(shè)計(jì)

新型螺桿設(shè)計(jì)主要基于加工物料的特性而各有不同，在擠出中空吹塑行業(yè)主要采用 HDPE、ABS、PVC、PC等。新型螺桿的結(jié)構(gòu)型式相當(dāng)多，到目前各國已公示的專利大約有三百余種。其主要有分流型、屏障型、分離型、變流道型、強(qiáng)制輸送的IKV系統(tǒng)等等。下面對各功能型螺桿作簡單介紹：

分流型螺桿是指在螺桿一定部分安裝銷子、圓柱、錐體等分流元件，或直接在螺桿上溝槽增加凸起、開分流孔的螺桿。下圖三種分流型螺桿分流元件位于螺桿的頭部，分別是經(jīng)典的DIS螺桿（具有貫穿孔）、具有4組斜槽分流元件串聯(lián)螺桿、疏松連續(xù)分流元件螺桿。

圖5 DIS螺桿、多組斜槽分流元件串聯(lián)

分流型螺桿分流元件一般設(shè)在螺桿的熔融段尾部（促進(jìn)物料熔融）或螺桿頭部（促進(jìn)物料混合）。普通螺桿整塊的固體從大塊逐漸熔化到完全熔化需較長時(shí)間，有分流元件的螺桿，塑料通過分流元件時(shí)固相團(tuán)塊被剪切分離，形成細(xì)小的固相顆粒，熔化時(shí)間大大縮短。設(shè)置在計(jì)量段或螺桿頭部的分流元件能打亂料流、減少溫度波動和壓力波動。因此合理設(shè)計(jì)分流元件既能提高螺桿產(chǎn)量也能提高螺桿塑化質(zhì)量。

分離型螺桿是指能將螺槽中固液相快速分離擠出的螺桿，典型分離型螺桿有BM螺桿和XLK螺桿等，BM 型分離螺桿在擠出中空行業(yè)使用較為普遍。BM 型分離型螺桿指在物料開始熔融的區(qū)域設(shè)置兩條螺距不等螺紋如圖6所示。

圖6 分離型螺桿

主螺紋螺距為A，副螺紋螺距為B，副螺紋與機(jī)筒的間隙比主螺紋與機(jī)筒間隙大，因此固相熔融形成的熔膜越過間隙進(jìn)入液相槽中，未熔固相仍留在固相槽內(nèi)。圖2-5中帶有橫杠的螺槽為液相槽，主螺紋螺槽為固相槽，圖中可以清楚看出隨著物料前進(jìn)方向固相區(qū)間越來越窄，液相區(qū)間越來越寬的結(jié)構(gòu)，適應(yīng)了熔融理論所指出的液相愈來愈多，固相愈來愈少到消失的現(xiàn)象。

分離型螺桿具有如下優(yōu)點(diǎn)：

① 加速固相熔化；

② 有效減少壓力波動、溫度波動、產(chǎn)量波動；

③ 減少塑化后熔體中的氣泡量。從以上可以在螺桿上設(shè)置分離功能段能提高塑化的產(chǎn)量和穩(wěn)定性。

變流道型螺桿是通過塑料在螺桿上流道截面形狀或截面積大小的變化，來達(dá)到保證塑料塑化和增強(qiáng)混煉的目的，其主要代表是波形螺桿。

圖7 波形螺桿

波形螺桿的特點(diǎn)是在計(jì)量段螺槽底徑根據(jù)一定的規(guī)律作波狀變化，這樣計(jì)量段的槽有規(guī)律的深淺變化。螺槽與機(jī)筒間距最小時(shí)稱為波峰，間距最大時(shí)為波谷。每當(dāng)熔料流到波峰處，由于螺槽較淺，剪切作用加劇，內(nèi)部發(fā)熱增多，促進(jìn)了固相的熔化。

但波峰的高剪切時(shí)間較短，熔料迅速流向波谷，波谷處螺槽深，截面積大，熔料停留時(shí)間長，剪切作用減弱。熔料經(jīng)歷幾個(gè)波峰波谷循環(huán)能使固相快速熔化，加速了機(jī)械混合和熱量擴(kuò)散。波形螺桿與屏障型螺桿、分離型螺桿相比較，在整個(gè)螺桿上沒有死角，不易因?yàn)楦呒羟性斐伤芰戏纸?；塑料中混入金屬雜質(zhì)或其它硬質(zhì)顆粒無法通過屏障型或分離型，而波形螺桿沒有這個(gè)弊病。

經(jīng)典IKV螺桿與普通螺桿相比較，螺桿上三個(gè)功能段（輸送段、塑化段你、均化段）分別在螺桿三段上獨(dú)立完成的。

圖8可以看出在直徑45 mm螺桿的第二段螺紋上沿軸桿軸向銑有幾條均布的溝槽，塑料在這些分流槽的作用下通過機(jī)械位移的辦法固液相之間進(jìn)行了強(qiáng)烈的混合和熱交換，最后完全熔融。螺桿的第三段實(shí)際是一個(gè)銷釘型分流元件，塑料在該段實(shí)現(xiàn)溫度均化、壓力均化、組分均化。實(shí)踐證明IKV在保證塑化質(zhì)量好的前提下，產(chǎn)量可以大幅度提高。

圖8 典型IKV螺桿

圖9 Kautex螺桿

圖10 異形分離型螺桿

中空擠出吹塑機(jī)用來吹塑HDPE制品時(shí)，通常具有一定比例的各種助劑與回料、新料混合，這就需要擠出機(jī)具有較為廣泛的適應(yīng)性。圖9中在螺桿的熔融段增加了一條反向螺紋，反向螺紋是一個(gè)帶錐度的螺紋，當(dāng)物料通過反向螺紋時(shí)，由于與機(jī)筒的間隙變小，加劇了物料內(nèi)部的剪切作用，加速了固體團(tuán)塊的分散。此螺桿在螺桿頭部增加一段 5D以上分流原件、在螺桿尾部采用溝槽機(jī)筒強(qiáng)制送料，螺桿的產(chǎn)量高而且塑化質(zhì)量好。

圖11為蘇州同大機(jī)械公司研制的擠出機(jī)螺桿，該螺桿在尾部有溝槽機(jī)筒強(qiáng)制送料，螺桿的第二段采用分離型，且副螺紋具有一定的錐度，在整個(gè)分離段不存在死角位置，因此混入物料中的微小硬質(zhì)顆粒可以順利通過，大大提高螺桿的適應(yīng)性。該螺桿具有較長的均化段、頭部分流元件理論上能將料流分成256股，因而該螺桿的溫度均勻性、組分均勻性、壓力均勻性都非常好。

在加工高分子量聚乙烯時(shí)，由于其分子量較高，分子鏈之間纏結(jié)密度大，熔體粘度極高，臨界剪切速率很低。在吹塑一些大型塑料桶與儲槽、大型路障、吹塑托盤、汽車保險(xiǎn)桿與油箱、大型航標(biāo)主體、桌面板、工礦設(shè)備的零部件等都會用到高分子量的聚乙烯，因?yàn)楦叻肿恿烤垡蚁┡c普通聚乙烯相比具有自潤滑性、耐沖擊、耐磨損、耐腐蝕、耐應(yīng)力開裂、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。

但是現(xiàn)有普通螺桿在塑化這類物料時(shí)不僅產(chǎn)量不高，塑化質(zhì)量也不太穩(wěn)定。蘇州同大機(jī)械有限公司通過長期攻關(guān)，研制出了適應(yīng)此類物料的專用擠出機(jī)，如圖11。

圖11 同大高分子量聚乙烯擠出機(jī)示意圖

從圖 11中可以看出該擠出機(jī)的機(jī)筒采用溝槽結(jié)構(gòu)，在這一部位上，采用雙金屬螺桿和雙金屬機(jī)筒可以明顯提高耐磨性能1-2倍以上，價(jià)格提高僅約為50%。輸送段螺紋增加一副螺紋（螺棱較主螺紋窄一些）形成雙螺棱結(jié)構(gòu)能有效改善磨損情況。

螺桿的第二段采用分離型，且副螺紋具有一定的錐度，在整個(gè)分離段不存在死角位置，因此混入物料中的微小硬質(zhì)顆?？梢皂樌ㄟ^，大大提高螺桿的適應(yīng)性。螺桿頭部采用齒式分流元件，物料經(jīng)過此處時(shí)經(jīng)過12次強(qiáng)烈剪切和混合，針對高分子量的聚乙烯能實(shí)現(xiàn)溫度均勻、壓力均勻、組分均勻。經(jīng)實(shí)際擠出驗(yàn)證該擠出機(jī)同普通螺桿相比產(chǎn)量提高180%，塑化質(zhì)量也大大提高。

擠出機(jī)的驅(qū)動裝置主要由電動機(jī)（交流或直流）+聯(lián)軸器（皮帶）+減速箱組成。在擠出普通聚乙烯物料一般采用變頻器驅(qū)動交流電機(jī)，而在擠出高分子量聚乙烯物料時(shí)因其需要更大的扭矩而采用直流電動機(jī)驅(qū)動。這種驅(qū)動形式受電機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理的限制，其控制和響應(yīng)相對較慢，加減速時(shí)間相對較長，不利于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制；由于減速機(jī)的存在，系統(tǒng)維護(hù)成本較高。

目前在擠出中空吹塑行業(yè)也緊隨注塑機(jī)行業(yè)引入了低速大轉(zhuǎn)矩永磁電機(jī)直接驅(qū)動螺桿。低速大轉(zhuǎn)矩永磁電機(jī)在低速范圍下具有非常好的轉(zhuǎn)矩輸出特性，其結(jié)構(gòu)簡單、體積小、效率高、響應(yīng)迅速、過載能力強(qiáng)、可靠性高，這不僅可以滿足擠出機(jī)對速度和轉(zhuǎn)矩的需求，而且可以省去減速機(jī)，實(shí)現(xiàn)對機(jī)械負(fù)載的直驅(qū)，可以在很大程度上提高系統(tǒng)的傳動效率與控制精度以及系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，減低系統(tǒng)維護(hù)成本，降低能耗。

國外已有同行將低速大轉(zhuǎn)矩永磁電動機(jī)應(yīng)用于中空擠出吹塑機(jī)，并取得較好的效果；但是對于35KW以上的直驅(qū)永磁電動機(jī)還未見報(bào)道。

3. 擠出機(jī)的傳動與驅(qū)動裝置

3.1 擠出機(jī)的傳動裝置

擠出機(jī)的傳動裝置采用減速箱，有多種形式的減速箱可供選擇，通常較多采用低重心的減速箱。圖12，兩種低重心單螺桿擠出機(jī)專用減速箱。

圖12 兩種低重心單螺桿擠出機(jī)專用減速箱

這種形式的減速箱重心較低，有利于降低中空成型機(jī)上部平臺的重心，減少設(shè)備的振動，增強(qiáng)整體設(shè)備的穩(wěn)定性，同時(shí)有利于降低設(shè)備的總體高度。

圖13，兩種不同形式單螺桿擠出機(jī)減速箱。

圖13 兩種不同形式的單螺桿擠出機(jī)減速箱

圖14所示，大中型中空成型機(jī)的擠出機(jī)示意圖。

圖14所示的大中型中空成型機(jī)的擠出機(jī)是這樣工作的，直流電動機(jī)3轉(zhuǎn)動時(shí)通過聯(lián)軸器8帶動減速箱的軸轉(zhuǎn)動，減速箱經(jīng)過減速后帶動擠出機(jī)的螺桿轉(zhuǎn)動，輸送經(jīng)過加熱后的熔融塑料。在擠出機(jī)的出口端設(shè)置了前支架 7，以保持?jǐn)D出機(jī)的穩(wěn)定性。直流電動機(jī)的下部設(shè)置機(jī)架 1，用于支承直流電動機(jī)。測速發(fā)電機(jī)用于檢測直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，以方便控制直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。冷卻風(fēng)機(jī)對直流電動機(jī)進(jìn)行冷卻，防止因溫度過高而損害直流電動機(jī)。

圖14 大中型中空成型機(jī)的擠出機(jī)示意圖

此外，現(xiàn)許多中空成型機(jī)的擠出機(jī)電動機(jī)采用變頻器控制轉(zhuǎn)速，其基本機(jī)械結(jié)構(gòu)差不多，只是在直流電動機(jī)的位置安裝了三相異步電動機(jī)。

3.2 擠出機(jī)的驅(qū)動裝置

擠出機(jī)減速箱主要是直流電動機(jī)或變頻電動機(jī)通過聯(lián)軸器或是帶輪傳動來驅(qū)動的。由于HMWHDPE等塑料材料所具有的黏彈性較高的特性，因此需要擠出輸送的起動力矩較大。目前，中空成型機(jī)采用直流電動機(jī)或變頻電動機(jī)進(jìn)行驅(qū)動的較多，從實(shí)際使用的效果來看，這兩種驅(qū)動方式均能滿足使用的要求。對于大型以及超大型中空成型機(jī)的擠出機(jī)的驅(qū)動，從多年使用的狀況來看，一般采用直流電動機(jī)進(jìn)行驅(qū)動比采用變頻電動機(jī)的啟動力矩會好一些，特別是加工分子量較高、熔體粘度較強(qiáng)的塑料材料時(shí)更是這樣。

從近幾年變頻器的研發(fā)與技術(shù)進(jìn)步情況來看，一些變頻器的啟動力矩也在提升，值得關(guān)注。

直流電動機(jī)驅(qū)動器是一種將三相交流電轉(zhuǎn)換為直流電的電子整流裝置，它主要由可控硅元件和電路控制板組成，到目前為止，經(jīng)歷了多種控制模式的轉(zhuǎn)變過程，已實(shí)現(xiàn)數(shù)字化電路控制。

變頻器是一種將輸送到異步電動機(jī)的三相交流電的工作頻率進(jìn)行變化的電子裝置，使三相異步電動機(jī)實(shí)現(xiàn)因?yàn)楣╇婎l率發(fā)生變化而使電動機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生改變。

圖15，兩種直流電動機(jī)驅(qū)動器外形圖。

圖15 兩種直流電動機(jī)驅(qū)動器外形圖

圖16，幾種變頻器的外形圖。

圖16 幾種變頻器的外形圖

國內(nèi)多家企業(yè)的直流驅(qū)動器產(chǎn)品在擠出吹塑中空成型機(jī)設(shè)備上使用良好。直流電動機(jī)驅(qū)動器（調(diào)速器）的接線簡圖如圖17所示。

圖17 直流電動機(jī)驅(qū)動器（調(diào)速器）接線簡圖

圖18所示，變頻器外部接線簡圖。

圖18 變頻器外部接線簡圖

特別注意：圖17，18所示均為接線簡圖，在具體接線工作中，需要按照控制器產(chǎn)品的安裝、使用說明書進(jìn)行認(rèn)真操作。因?yàn)樵O(shè)備制造廠家的不同，具體接線會有較大的差別，需要區(qū)別對待。

擠出機(jī)新型驅(qū)動方法：

擠出機(jī)的電機(jī)驅(qū)動是減低能耗關(guān)鍵部件，目前采用新型的驅(qū)動方法有以下幾種：

① 永磁同步電動機(jī)

永磁體作為轉(zhuǎn)子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，三相定子繞組在旋轉(zhuǎn)磁場作用下通過電樞反應(yīng)，感應(yīng)三相對稱電流，此時(shí)轉(zhuǎn)子動能轉(zhuǎn)化為電能，永磁同步電機(jī)作發(fā)電機(jī)用；此外，當(dāng)定子側(cè)通入三相對稱電流，由于三相定子在空間位置上相差 120°，所以三相定子電流在空間中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場中受到電磁力作用運(yùn)動，此時(shí)電能轉(zhuǎn)化為動能，永磁同步電機(jī)作電動機(jī)用。永磁同步電機(jī)與普通交流變頻電機(jī)比它是高效率、高力矩慣量比、高能量密度，是個(gè)環(huán)保低碳電機(jī)。普通交流電機(jī)采用變頻器驅(qū)動，永磁同步電動機(jī)需要采用專用驅(qū)動器驅(qū)動。

圖19 幾種不同驅(qū)動方式的電動機(jī)外形圖

永磁同步電動機(jī)與普通異步電動機(jī)相比，具有如下優(yōu)勢：

A. 效率高——這里所說的效率高不僅僅指額定功率點(diǎn)的效率高于普通三相異步電動機(jī)，而是指其在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)的平均效率。永磁同步電動機(jī)的勵(lì)磁磁場由永磁體提供，轉(zhuǎn)子不需要?jiǎng)?lì)磁電流，電機(jī)效率提高，與異步電動機(jī)相比，任意轉(zhuǎn)速點(diǎn)均節(jié)約電能，尤其在轉(zhuǎn)速較低的時(shí)候這種優(yōu)勢尤其明顯。

B. 啟動轉(zhuǎn)矩——永磁同步電動機(jī)一般也采用異步起動方式，由于永磁同步電動機(jī)正常工作時(shí)轉(zhuǎn)子繞組不起作用，在設(shè)計(jì)永磁電動機(jī)時(shí)，可使轉(zhuǎn)子繞組完全滿足高起動轉(zhuǎn)矩的要求，例如使起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)1.8倍上升到2.5倍，甚至更大。

C. 對電網(wǎng)運(yùn)行的影響——因?yàn)楫惒诫妱訖C(jī)的功率因數(shù)較低，異步電動機(jī)啟動時(shí)要從電網(wǎng)中吸收大量的無功電流，造成電網(wǎng)輸變電設(shè)備及發(fā)電設(shè)備中有大量無功電流，進(jìn)而使電網(wǎng)的品質(zhì)因數(shù)下降，加重了電網(wǎng)及變電設(shè)備及發(fā)電設(shè)備的負(fù)荷，同時(shí)無功電流在電網(wǎng)、輸變電設(shè)備及發(fā)電設(shè)備中均要消耗部分電能，造成電力電網(wǎng)效率變低，影晌了電能的有效利用。同樣由于異步電動機(jī)的效率低，要滿足輸出功率的要求，勢必要從電網(wǎng)多吸收電能，進(jìn)一步增加了電網(wǎng)能量的損失，加重了電網(wǎng)負(fù)荷。在永磁電動機(jī)轉(zhuǎn)子中無感應(yīng)電流勵(lì)磁，電機(jī)的功率因數(shù)高，提高了電網(wǎng)的品質(zhì)因數(shù)使電網(wǎng)中不再需安裝補(bǔ)償器。同時(shí)，因永磁電動機(jī)的高效率，也節(jié)約了電能。

D. 體積小，重量輕——由于使用了高性能的永磁材料提供磁場，使得永磁電動機(jī)的氣隙磁場較感應(yīng)電動機(jī)大為增強(qiáng)，永磁電動機(jī)的體積和重量較感應(yīng)電動機(jī)可大為縮小。例如11 kW的異步電動機(jī)重量為220 kg，而永磁電動機(jī)僅為92 kg，相當(dāng)于異步電動機(jī)重量的45.8%。

基于以上對比優(yōu)勢，目前，永磁同步電動機(jī)比普通三相異步電動機(jī)更高效，更加節(jié)能。

② 直驅(qū)伺服電動機(jī)

直驅(qū)伺服電動機(jī) 的驅(qū)動方式見圖20。

圖20 直驅(qū)伺服電動機(jī) 聯(lián)結(jié)外觀圖

直驅(qū)伺服電動機(jī) 的驅(qū)動方式的技術(shù)優(yōu)勢：

① 取代減速機(jī)構(gòu)，節(jié)約設(shè)備成本；

② 降低噪音；

③ 全速度范圍、寬負(fù)載范圍內(nèi)保持高效率；

④ 功率因數(shù)高；

⑤ 提高動態(tài)響應(yīng)；

⑥ 結(jié)構(gòu)緊湊，減小設(shè)備體積以及占地面積；

⑦ 提高控制精度，提升制品品質(zhì)；

⑧ 提高 MTBF(平均無故障時(shí)間)指標(biāo)；

⑨ 大為減少日常維護(hù)工作量；

⑩ 螺桿拆裝方便。

目前直驅(qū)伺服電動機(jī)的主要塑機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域：塑料管材生產(chǎn)線、注塑機(jī)等領(lǐng)域。在擠出吹塑機(jī)行業(yè)直驅(qū)伺服電動機(jī)直接啟動擠出機(jī)螺桿在一些吹塑機(jī)制造廠家進(jìn)行了研究與試驗(yàn)，有待于進(jìn)一步的研究與試用，目前還處于研究試驗(yàn)階段。

3.3 螺桿材料與新工藝：

螺桿是擠出機(jī)的關(guān)鍵部件，作為螺桿的材料必須具備耐高溫、耐磨損、耐腐蝕、高強(qiáng)度等特性，同時(shí)還應(yīng)具有切削性能好、熱處理后殘余應(yīng)力小、熱變形小等特點(diǎn)。

對于擠出機(jī)螺桿的材料，具體幾點(diǎn)要求：

① 力學(xué)性能高。要有足夠的強(qiáng)度，以適應(yīng)高溫、高壓的工作條件，提高螺桿的使用壽命；

② 機(jī)械加工性能好。要有較好的切削加工性能和熱處理性能；

③ 耐腐蝕和抗磨性能好；

④ 取材容易。

為提高螺桿的耐磨性能，對單螺桿來說可采用整根螺桿超音速火焰噴涂的加工工藝；這種加工工藝是一種新型的熱噴涂技術(shù)。其工作原理是：由小孔進(jìn)入燃燒室的液體燃燒，如煤油，經(jīng)霧化與氧氣混合后點(diǎn)燃，發(fā)生強(qiáng)烈的氣相反應(yīng)，燃燒放出的熱能使產(chǎn)物劇烈膨脹，流經(jīng)噴嘴時(shí)受到約束形成超音速高溫焰流。此焰流加熱加速噴涂材料至基體表面，形成高質(zhì)量涂層。超音速噴涂碳化鎢，可以有效的抑制碳化鎢在噴涂過程中的分解，涂層不僅結(jié)合強(qiáng)度高，且致密，耐磨損性能優(yōu)越，其耐磨性能大幅度超過等離子噴涂層，也超過了電鍍硬鉻層，已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在高效螺桿的生產(chǎn)加工中。

雙螺桿常采用螺棱堆焊鎳基合金粉，鎳基合金粉內(nèi)加一定量的碳化鎢。堆焊合金通常是沿螺棱表面加工出一條U型槽，然后沿U型槽堆焊出合金條，來改善螺桿表面的硬度。

圖21 螺桿表面碳化鎢噴涂處理外觀圖

在擠出機(jī)螺桿與機(jī)筒的材料與熱處理方面，近幾年技術(shù)進(jìn)步較快，吹塑制品生產(chǎn)廠家可以根據(jù)自己產(chǎn)品的特性提出技術(shù)要求，特別定制不同材質(zhì)的擠出機(jī)螺桿與機(jī)筒。

4. 結(jié)語

中空成型機(jī)生產(chǎn)線對擠出機(jī)塑化裝置要求較高，吹塑制品生產(chǎn)廠家在選擇中空成型機(jī)時(shí)可根據(jù)自己制品的特性選擇不同的螺桿設(shè)計(jì)與擠出機(jī)配置。