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[新手指引] 螺桿磨損：理解其原因、影響及解決方案
P:2025-09-22 09:47:12
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圖1：嚴(yán)重的根部磨損，主要發(fā)生在螺棱的推進(jìn)側(cè)，導(dǎo)致焊接的硬質(zhì)合金堆焊層嚴(yán)重剝落。
圖2：在螺桿修復(fù)過程中，重新焊接后，在螺棱外徑 (O.D.) 上堆焊科爾莫諾伊 (Colmonoy) 56號硬質(zhì)合金。
圖3：堆焊硬質(zhì)合金工序后，螺桿外徑 (O.D.) 被最終研磨至原始設(shè)備制造商 (OEM) 的公差范圍。
對于擠出和注塑成型的維護(hù)及工程部門而言，螺桿和機(jī)筒的磨損都是一個亟待解決的嚴(yán)重問題，這一點(diǎn)理所當(dāng)然。塑化單元的過度磨損會引發(fā)一系列嚴(yán)重的性能問題，自然會影響成本和整體質(zhì)量。在《塑料技術(shù)》一篇文章《你的擠出機(jī)想告訴你什么？》中，來自陶氏化學(xué)公司 的作者韋斯·霍布森和邁克·魯特科夫斯克闡述了建立基準(zhǔn)數(shù)據(jù)和磨損監(jiān)測程序以避免生產(chǎn)率過度損失的必要性。
霍布森和魯特科夫斯克出色地展示了如何通過監(jiān)測質(zhì)量和性能問題來診斷螺桿的過度磨損。既然我們從加工者的角度對擠出機(jī)“告訴我們”的信息有了一些了解，下一步就是探討螺桿本身發(fā)生了什么，以及可以采取哪些應(yīng)對措施。在本文中，我們將探討螺桿磨損如何影響熔體質(zhì)量，以及修復(fù)與更換磨損設(shè)備的成本效益問題。
典型的螺桿磨損
擠出和注塑成型中的螺桿磨損情況類似；大部分磨損發(fā)生在壓力較高的區(qū)域——特別是過渡段和計量段的最后幾圈螺紋。加工商和供應(yīng)商普遍認(rèn)為，這些區(qū)域的磨損是由螺棱外徑 (flight OD) 和機(jī)筒內(nèi)徑 (barrel ID) 之間的金屬對金屬接觸造成的，這是由于螺桿在這些高壓下發(fā)生彎曲所致。這種理論不太可能成立，因?yàn)槁輻U周圍的內(nèi)部壓力通常是相同的。
產(chǎn)生使螺桿偏轉(zhuǎn)的力需要的是壓力差，而非普遍的高壓。金屬間的接觸確實(shí)可能發(fā)生，但這是機(jī)械狀況導(dǎo)致的結(jié)果，并且是潛在更大問題的征兆：如未對準(zhǔn)、齒輪箱損壞、螺桿彎曲、機(jī)筒彎曲、基礎(chǔ)不穩(wěn)固等。在許多行業(yè)進(jìn)行的磨損測試表明，壓力和溫度的增加會導(dǎo)致摩擦增大。由于過渡段和計量段的最后幾圈螺紋通常承受最高的壓力和溫度，我們可以預(yù)測這里是螺棱外徑磨損最集中的地方。在檢查和修復(fù)了數(shù)千根螺桿之后，經(jīng)驗(yàn)證明確實(shí)如此。
與螺棱外徑磨損非常相似，根部磨損通常在這些高壓區(qū)域最為嚴(yán)重。磨損在螺棱的推進(jìn)側(cè)比后退側(cè)更為極端。根部磨損的嚴(yán)重程度在很大程度上受到所加工樹脂類型的影響。當(dāng)加工磨蝕性填料時，例如玻璃纖維或碳酸鈣，由于螺棱推進(jìn)側(cè)產(chǎn)生壓力，而未熔融的粒料提供的潤滑有限，因此在加料段就可能觀察到嚴(yán)重磨損。填料的含量和顆粒形狀對磨損的強(qiáng)度有很大影響。顆粒較大且邊角更鋒利的填料往往比顆粒較小且更圓的填料磨損更大。遺憾的是，成型部件所需的物理性能決定了必須使用的填料類型。由于在螺桿的固體輸送段，（使用填料時）磨損更為迅速，因此通常會將填料在下游聚合物已熔融的區(qū)域加入，以便獲得更好的潤滑。
混合段和屏障型螺棱也容易磨損，因?yàn)槠涔δ芤髽渲鬟^其螺棱幾何形狀。分散混合設(shè)計采用了某種形式的底切幾何形狀，使樹脂承受高剪切力，以促進(jìn)更均勻的等溫熔體和顏色。隨著混合設(shè)計的磨損，其分散效果會下降。與分散混合設(shè)計非常相似，屏障型螺棱也采用底切設(shè)計，以幫助分離熔體池和固體床。隨著底切螺棱的磨損，屏障型設(shè)計的熔化能力和效率可能會降低。
性能問題
螺桿磨損通常是一個緩慢的過程，在性能大幅下降之前可能不會被注意到。輕微的磨損對整體性能影響不大，因?yàn)榭梢酝ㄟ^調(diào)整機(jī)器參數(shù)來維持生產(chǎn)率。當(dāng)螺桿螺棱與機(jī)筒壁之間的徑向間隙增大時，泄漏流（返料）是不可避免的。操作員通常會觀察到產(chǎn)量下降和熔體溫度升高，從而被迫提高螺桿轉(zhuǎn)速 (rpm) 和能耗以維持期望的產(chǎn)量。隨著徑向間隙的增加，螺桿無法建立必要的泵送壓力來維持預(yù)期的輸出。
顯然，徑向間隙的大小是泄漏流計算中的一個關(guān)鍵變量。一個常見的“經(jīng)驗(yàn)法則”認(rèn)為，當(dāng)螺棱間隙達(dá)到原始公差的四倍時，就到了更換螺桿的臨界點(diǎn)，但重要的是要考慮所加工樹脂的粘度。在相同的徑向間隙下，粘度較高的樹脂比粘度較低的樹脂造成的產(chǎn)量損失要小。這些經(jīng)驗(yàn)法則只應(yīng)被視為指導(dǎo)方針。
為了更好地預(yù)測直徑磨損的影響，可以通過考慮總間隙、螺棱寬度、導(dǎo)程（螺距）、機(jī)頭壓力、粘度和熔體密度來計算泄漏流。在試圖精確預(yù)測產(chǎn)量時，這些計算可能變得相當(dāng)繁瑣；但可以生成相當(dāng)準(zhǔn)確的估算值來預(yù)測潛在的產(chǎn)量損失。為了幫助加工商和維護(hù)部門預(yù)測這種生產(chǎn)率的損失，本文作者開發(fā)了一個產(chǎn)量損失計算器，用于估算因螺桿磨損而導(dǎo)致的潛在產(chǎn)量損失。該工具有助于將磨損的嚴(yán)重程度概念化，并幫助團(tuán)隊(duì)制定螺桿更換或維修計劃。
該工具用于生成表1和表2所示的結(jié)果（譯者注：原文中提到了表1和表2，但未在提供的文本中給出，故此處無法翻譯表格內(nèi)容），這些結(jié)果揭示了在相同條件下聚丙烯 (PP) 和聚乙烯 (PE) 的估計產(chǎn)量損失。請注意，粘度較高的PE比較低粘度的PP承受的產(chǎn)量損失更小。當(dāng)加工其他剪切敏感性樹脂（如聚氯乙烯 (PVC) 和聚碳酸酯 (PC)）時，由于過度剪切導(dǎo)致熔體溫度升高，即使是輕微的磨損也會對質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。
當(dāng)樹脂從螺桿螺棱上泄漏時，物料會經(jīng)歷過度的剪切速率。這會提高熔體溫度，而如前所述，為維持產(chǎn)量所需的更高螺桿轉(zhuǎn)速只會加劇這一問題。較高的熔體溫度會導(dǎo)致主要的質(zhì)量問題，因?yàn)樵谶@些過高的溫度下，成型部件的物理性能會大大降低。加工無定形樹脂時，這些高剪切力很容易燒焦和降解擠出物，導(dǎo)致廢品率很高。
根部磨損通常會形成凹坑和區(qū)域，導(dǎo)致物料在這些地方滯留和降解。這表現(xiàn)為成型部件中的黑點(diǎn)和生產(chǎn)波動（喘振）。當(dāng)加工像硬質(zhì)PVC這樣的樹脂時，物料降解可能成為一個嚴(yán)重的問題。PVC在高溫下易產(chǎn)生鹽酸，導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生極端腐蝕性磨損。在極端的根部磨損情況下，螺棱的側(cè)面可能會被沖刷掉，幾乎沒有基材來支撐焊接的硬質(zhì)合金堆焊層，如圖1所示。沒有支撐，脆性的硬質(zhì)合金材料很容易剝落，留下粗糙的邊緣，減小螺棱寬度，污染擠出物，并可能損壞下游部件。
更換還是修復(fù)？
正如許多加工商會認(rèn)同的那樣，停機(jī)時間是成功生產(chǎn)的大敵。許多擠出和注塑工廠很少（甚至從不）抽出螺桿來記錄磨損情況。緊張的生產(chǎn)計劃和復(fù)雜的維護(hù)工作可能迫使公司最大限度地延長現(xiàn)有設(shè)備的使用壽命。這讓人想到一句老話：“東西沒壞就別修”。
問題在于，當(dāng)螺桿磨損無法再被忽視時，這類做法可能會使加工商陷入困境。請記�。郝輻U磨損是一個漸進(jìn)的過程，在廢品率飆升、能耗猛增，或在極端情況下發(fā)生災(zāi)難性故障之前，可能不會被注意到。為了節(jié)省與購買和安裝新設(shè)備相關(guān)的停機(jī)時間和成本，許多加工商在能源消耗增加和材料浪費(fèi)這些隱性成本上花費(fèi)了巨額資金。當(dāng)螺桿最終被抽出檢查時，它可能已經(jīng)無法修復(fù)，從而因等待新部件而被迫延長停機(jī)時間。
通過基準(zhǔn)數(shù)據(jù)、磨損監(jiān)測程序以及對螺桿狀況的了解，維護(hù)和工程部門可以顯著減少停機(jī)時間并提高其利潤。更換高性能螺桿可能成本高昂，但經(jīng)驗(yàn)豐富的螺桿制造商可以在更短的時間內(nèi)以低得多的成本將磨損的螺桿修復(fù)到接近全新的狀態(tài)。
當(dāng)考慮修復(fù)磨損的螺桿時，請問自己以下問題：
1. 整體磨損有多嚴(yán)重？
2. 磨損的特征是什么？
3. 當(dāng)前的螺桿設(shè)計能否得到顯著改進(jìn)？
4. 表面處理能否得到改進(jìn)？
如果忽視對磨損監(jiān)測的仔細(xì)考慮，螺桿磨損可能會非常嚴(yán)重，以至于難以甚至不可能可靠地修復(fù)。通常，修復(fù)螺桿的成本取決于磨損的嚴(yán)重程度和所需的工作量。經(jīng)驗(yàn)豐富的螺桿制造商可以檢查磨損的設(shè)備和加工性能，以確定當(dāng)前的設(shè)計是否值得修復(fù)。在某些情況下，一根新的、經(jīng)過優(yōu)化的螺桿可以大大提高整體盈利能力，而不是依賴原來效率較低的設(shè)計。通常，磨損的螺桿甚至可以重新切削，與報廢舊螺桿相比，這可以提高性能。為了提高耐磨性和耐腐蝕性，可以改進(jìn)表面堆焊和表面處理，以延長螺桿的整體使用壽命。
許多信譽(yù)良好的螺桿供應(yīng)商聲稱，一根螺桿只能修復(fù)三到四次。螺桿的尺寸以及導(dǎo)致磨損嚴(yán)重程度的多種因素都會極大地影響螺桿的壽命，但對于經(jīng)驗(yàn)豐富的螺桿制造商來說，將一根螺桿修復(fù)更多次的情況并不少見。憑借高質(zhì)量的焊接、對螺桿制造中冶金方面的仔細(xì)考慮以及適當(dāng)?shù)穆堇廨喞迯?fù)，作者曾見過螺桿被修復(fù)多達(dá)六到八次。
螺桿被研磨至均勻的底切直徑后，必須重新焊接螺棱，以使用具有最高耐磨性的高硬度硬質(zhì)合金（圖2）。堆焊后，螺桿外徑必須研磨至原始公差（圖3）。殘留的懸垂焊縫必須進(jìn)行輪廓研磨，以確保最小的螺棱寬度損失。在許多情況下，不良的操作會在此過程中減小有效的螺棱寬度，從而可能影響螺桿性能并使未來的修復(fù)潛力復(fù)雜化。為了緩解這些復(fù)雜情況，一些螺桿制造商選擇減小焊縫的寬度。當(dāng)這些螺桿被研磨至原始公差時，焊接的硬質(zhì)合金并未覆蓋整個螺棱寬度。由于暴露了較軟的基體材料，這對耐磨性能會產(chǎn)生負(fù)面影響。
制定計劃
通過適當(dāng)?shù)幕鶞?zhǔn)數(shù)據(jù)和到位的磨損監(jiān)測程序，以及對螺桿狀況的了解，維護(hù)和工程部門可以制定一個健全的維護(hù)計劃，以大幅減少停機(jī)時間并提高盈利能力。在廢品率和能源消耗飆升之前監(jiān)測螺桿磨損非常重要。不要過早地丟棄磨損的設(shè)備。就修復(fù)螺桿的潛力咨詢經(jīng)驗(yàn)豐富的螺桿制造商，不僅可以減少停機(jī)時間，而且修復(fù)成本通常僅為新螺桿成本的一小部分。
良好的修復(fù)實(shí)踐應(yīng)該能夠使螺桿多次得到修復(fù)，從而節(jié)省大量的維護(hù)成本。一個基于基準(zhǔn)數(shù)據(jù)、磨損監(jiān)測和對螺桿磨損基本理解的健全的計劃性維護(hù)方案遠(yuǎn)勝于反應(yīng)式維護(hù)。
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