摘要：随着高分子新材料市场需求的不断扩大，对高分子材料成型加工工艺的要求越来越高。目前，高分子材料成型加工的方法主要有热压成型、注射成型、压延成型、吹塑成型和挤出成型等。其中，挤出成型是高分子材料加工领域中塑化效果好、适应性强、生产率高、可连续化生产的成型加工方法。高分子材料的性能和形状可以千差万别，成型工艺各不相同。目前市场上的成型加工设备主要有开炼机、密炼机、单螺杆挤出机和双螺杆挤出机。本文中，主要探讨了锥形双螺杆挤出机的螺杆设计。
关键词：双螺杆挤出机；螺杆设计
前 言
随着我国工业的快速发展，高分子材料越来越多的被广泛应用到日常生活中各个领域，大量的钢铁制品由于其自身的局限性和缺点而被橡胶制品和塑料制品取而代之，如汽车零部件、家电外壳、建筑材料等。人们对橡胶和塑料制品的需求不断增多，因此高效且连续的生产工艺是必要的，从而推动了挤出成型技术的发展，增大了挤出机的市场需求。挤出成型工艺适用于大部分高分子材料，几乎能成型所有的热塑性塑料，也可用于部分热固性塑料。挤出机其结构和性能对于加工材料的性能的影响至关重要。因此本文对一款锥形双螺杆挤出机（QE31A挤出机）的结构与性能进行探究。
1 双螺杆挤出机的结构及工作原理
双螺杆挤出机组的整体结构和单螺杆挤出机的差不多，组成部分都是主机、机头和辅机。二者的区别主要是在主机上，主机也就是我们所说的双螺杆挤出机。而单独的一台机器并不能完成所有的任务，必须用辅机进行配合生产，组成一条完整的生产线。双螺杆挤出机的性能衡量指标有很多，例如所生产产品的产量、能耗、产品质量等，同样，一条生产线所包含的机械设备又多了牵引机、切割机等，所以生产效率不仅仅受同向双螺杆挤出机影响，但是主机对生产效率的提升具有决定性作用。如图1所示，双螺杆挤出机主机主要是由电机、传动装置、控制系统、挤压腔等组成。
1.主电机；2.传动箱；3.控制系统；4.底座；5.挤出腔及螺杆；
6.出料装置；7.切割
图1 典型双螺杆挤出主机
性能特点：能把物料强制挤，物料不易降解，物料塑化能力强、混炼效果好、受到的剪切力小、可以直接成型，粉料类物料可以直接加入料斗，使用专用模具、品牌厂家生产，保证制品出料均匀、流畅、废次品率低、产量高。双螺杆挤出机生产线调整模具、辅助设备可进行双管生产，同时更换模具和辅助设备和部分零部件、配置专用的板材、片材模具、辅助设备可行板材、版材的生产。同向双螺杆挤出机也可进行热切造粒。
1-电动机；2-连接器；3-减速器；4-料斗；5-加料器；
6-加热器；7-机筒；8-螺杆
图2双螺杆挤出机示意图
如图2所示，双螺杆挤出机由电动机、减速器、料斗、喂料器等几个部分组成，每个部分的作用不尽相同，缺一不可。同向双螺杆挤出机不同于单螺杆挤出机的地方就是其螺杆数量不同，正是基于这一点，螺杆可以用多种形式进行组合，因此双螺杆挤出机的应用范围特别广泛，适用于多种物料的加工。工作原理：能形成封闭或半封闭的型腔，有正位移输送条件，其正位移输送程度与封闭程度有关。在啮合区，螺棱插入螺槽形成“C”形室。它不封闭，两个螺杆间有一个连续通道。双螺杆中物料形成∞通道。双螺杆的螺槽宽度要大于螺棱大小，形成纵向的通道，这样两只螺杆就不会发生干涉导致挤出机严重故障。双螺杆挤出机的物料加入是由加料装置加入，然后经过挤压系统中两只螺杆的作用形成熔融态，被运送至机头位置后经过口模塑形挤出。
2 双螺杆挤出机的用途
双螺杆挤出机普遍应用于高粘度塑料、热塑性塑料和橡胶的成型加工，可进行配料、循环混合、造粒、成型等，如各种管材、型材、电线电缆包覆等。可连续化、高效率的完成聚合物的混合和成型加工，制造各种连续制品。由于挤出机的料筒可以作为反应器，因此具有反应性挤出的性能，可以同时完成聚合物的熔融混合和反应性挤出成型过程，反应性挤出可以直接用于聚合物的接枝反应、交联反应、嵌段反应和控制降解反应等。除此之外，双螺杆挤出机还可以搭配其他的辅机一起使用，可以完成不同要求的挤出成型制品的生产。其用途对于高分子材料的成型加工工艺具有积极的意义。
3 QE31A挤出机的加工工艺流程
QE31A挤出机的工艺流程和一般的双螺杆挤出机的的工艺流程相似。具体操作是将原料自加料斗加入料筒，在气筒的冲击和螺杆的旋转作用下，通过料筒内壁和螺杆表面摩擦剪切作用向前输送到加料段，在此松散的固体物料向前输送的同时被压实；在压缩段，螺槽深度逐渐变浅，物料被进一步压实，同时在料筒外加热和螺杆与料筒内壁摩擦剪切作用下，料温升高至物料开始熔融，压缩段结束；均化段使物料均匀，定温、定量、定压的挤出熔体，到机头后成型，经口模定型得到制品。如下图是QE31A挤出机的生产过程的一个工作周期：
图3 QE31A挤出机的一个工作周期
4 锥型螺杆各功能段参数设计
4.1 加料段参数
加料段的作用是接受从进料装置中加入的松散密度粉料，并将其向前送去，对物料进行压缩和加热。确定了螺杆的基本参数后，首先根据挤出量确定进给段螺杆槽容积V1。螺纹引线S1由V1和螺纹头i1确定。线芯S1可以恒定或逐渐减小以实现材料的连续压缩，但增加加工难度。一般螺纹头数i1为1~3，根据锥形双螺杆的实际应用情况进行选择。从原理上讲，加料段长度L1的取决于加工材料的熔化特性和螺杆的有效长度。
4.2 塑化段参数
锥形双螺杆挤出机的塑化能力主要取决于塑化段材料的塑化效果。从外部改变桶和螺杆的温度是不可能的。通过改变螺纹槽内材料的体积来增加螺纹的剪切面积和热。通过塑化段螺槽相对较小的体积和加料段的强制输送，使加料段预热材料充分压实，达到半塑化结块状态。塑化段螺纹导程S2和螺纹头i2数量根据塑化段体积V2确定，V2根据进给段螺槽体积V1的压缩比确定。压缩比选取范围为1.4~3.8。
4.3 排气段参数
物料在排气段呈半塑化结块状，最有利于排气。若未达到半塑化状态，挥发性物质未汽化，不易排出，且从排气口容易粉化；如果塑化好，蒸发挥发的包裹在熔融物中，但不出来。此外，根据排气理论，为了达到良好的排气效果，螺旋槽的体积必须足够大，以使材料不能完全填充。如果螺纹槽的体积太小，排气口就会有进料，导致真空排气系统堵塞。因此，排气段V3应是加料段V1螺杆体积的1.2~1.8倍。
4.4 挤出段参数
挤压段的主要作用是进一步塑化和增加压力，以克服头部的阻力。材料最终的塑化效果与头压力密切相关，由于锥状结构的特点，头压力沿一定长度的螺杆逐渐建立。实际生产中，为了确保完全增塑的材料在低水头压力和排气喷嘴不接触材料，挤压的长度L4节应该建立所需的长度的1.5倍的压力下的最大压头，占螺杆的有效长度的30%~35%。
结束语
双螺杆挤出机的设计比较复杂，因为各部分之间相互制约，因此性能也是需要在实践中才能衡量，相应的理论的发展也并不完善。经过研究人员研究发现，双螺杆挤出机的性能主要决定于螺杆。经过多年发展，螺杆元件由单一向复杂、由低效高耗能逐渐向高效低耗能转变，既便于研究，又提高了生产效率。
参考文献：
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[3]边靖.锥形双螺杆挤出机螺杆结构对制品性能的影响[D].北京化工大学，2016.
论文作者:李勇,蒋林蓉,刘奕丁
论文发表刊物:《基层建设》2018年第34期
论文发表时间:2019/1/3
标签：挤出机论文; 螺杆论文; 双螺杆论文; 塑化论文; 物料论文; 螺纹论文; 锥形论文; 《基层建设》2018年第34期论文;