當(dāng)螺桿突然停止旋轉(zhuǎn)并卡在擠出機(jī)筒或進(jìn)料口時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)擠出機(jī)的一個(gè)特殊嚴(yán)重問(wèn)題。這種情況并不經(jīng)常發(fā)生，但一旦發(fā)生，就會(huì)對(duì)機(jī)器造成嚴(yán)重破壞。

這個(gè)問(wèn)題最常見(jiàn)的原因是螺桿和機(jī)筒之間的熱膨脹不同。通常用于氟聚合物擠出的耐腐蝕螺桿對(duì)螺桿結(jié)合特別敏感。這通常會(huì)導(dǎo)致機(jī)器的相當(dāng)大的損壞和大量的停機(jī)時(shí)間。我們將分析螺桿抱死的機(jī)制，并就如何防止這個(gè)問(wèn)題提出建議

含氟聚合物的擠出

在氟聚合物的擠出工藝中，擠出機(jī)螺桿和模具通常必須使用高度耐腐蝕的材料。用于此目的的常用材料有 hastelalloy，Monel，Inconel 和 Duranickel。 這些材料表現(xiàn)出比大多數(shù)擠出螺桿使用的典型4140鋼更好的耐腐蝕性能，但它們也具有與4140鋼相當(dāng)不同的其他性能。這些其他性能使得這些耐腐蝕螺桿比4140鋼制造的螺桿更容易受到螺桿抱死的影響。由于螺桿抱死通常會(huì)對(duì)擠出機(jī)造成相當(dāng)大的損害，并伴隨著停機(jī)時(shí)間和成本，更不用說(shuō)加重情況了，因此加工者必須意識(shí)到使用高耐腐蝕材料螺桿的缺陷。

螺桿抱死的機(jī)理

當(dāng)螺桿安裝在擠出機(jī)中時(shí)，螺桿與機(jī)筒之間的徑向間隙通常為0.001d，其中d為擠出機(jī)機(jī)筒的內(nèi)徑。這是室溫下的間隙。當(dāng)機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，螺桿和機(jī)筒之間的實(shí)際間隙可能會(huì)有很大的不同。在實(shí)際加工條件下，造成間隙變化的兩個(gè)主要原因是加工溫度和螺桿上的壓縮載荷。當(dāng)加工溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于室溫時(shí)，當(dāng)螺桿和機(jī)筒的熱膨脹系數(shù)不同、螺桿和機(jī)筒的溫度不同時(shí)，間隙會(huì)發(fā)生變化。

溫差引起的間隙變化

當(dāng)螺桿和機(jī)筒的溫度增加相同數(shù)量時(shí)，由于熱膨脹，螺桿和機(jī)筒的直徑都會(huì)增 加。如果螺桿的CTE（熱膨脹系數(shù)）大于機(jī)筒的CTE，螺桿和機(jī)筒之間的間隙將隨著溫度的升高而減小。

對(duì)于室溫以上333.3 ℃ 運(yùn)行的25.40 mm 機(jī)筒，當(dāng) CTE 為11.34 × 10^-6/℃ 時(shí)，ID 增加0.0965 × 10^-2 mm。對(duì)于25.3492 mm Monel 螺桿，CTE 為13.86 × 106/℃，在室溫以上333.3℃運(yùn)行時(shí)，螺桿直徑增加0.1168 mm。因此，螺桿的熱膨脹與機(jī)筒直徑的熱膨脹之間的差值約為 0.02 mm，或者按半徑為0.01mm。如果徑向間隙為0.0254 mm，由于熱膨脹的差異，間隙將減小到0.01524mm。因此，如果螺桿和機(jī)筒在相同的溫度下，間隙會(huì)減小，但仍然大于零。

然而，在運(yùn)行中的擠出機(jī)中，螺桿和機(jī)筒的溫度不太可能相同。螺桿和機(jī)筒溫度的最大差異可能發(fā)生在進(jìn)料口。大多數(shù)擠出機(jī)的進(jìn)料口是水冷的，因此在許多情況下接近室溫。然而，由于壓縮和計(jì)量部分的高溫?zé)醾鲗?dǎo)會(huì)導(dǎo)致螺桿進(jìn)料段的溫度上升，因此進(jìn)料部分的螺桿溫度可以(并且在許多情況下將會(huì))高得多。

如果進(jìn)料口保持在室溫，進(jìn)料段螺桿溫度提高166.7℃， 當(dāng) CTE = 13.86 × 10^-6/℃ 時(shí)，進(jìn)料段螺桿直徑將由25.3492 mm 增加到25.4076 mm。這對(duì)應(yīng)于每毫米螺桿直徑0.0023毫米�，F(xiàn)在的螺桿直徑大于進(jìn)料口的直徑，螺桿與機(jī)筒會(huì)結(jié)合！

有人可能會(huì)問(wèn)，用 4140 鋼制成的螺桿是否同樣可能出現(xiàn)這種溫差？答案是否定的，原因在于這些材料的熱導(dǎo)率不同。耐腐蝕金屬的熱導(dǎo)率通常比鋼低三到五倍（見(jiàn)表）。耐腐蝕材料的較低熱導(dǎo)率將減少?gòu)穆輻U傳遞到減速器的熱量。

因此，螺桿的柄部和進(jìn)料區(qū)段的溫度將高于高導(dǎo)熱率螺桿。下圖展示了熱膨脹量與螺桿和料筒之間溫差的關(guān)系圖。該圖顯示了幾個(gè)熱膨脹系數(shù)的值。從圖中可以看出，考慮到熱膨脹系數(shù)在 10×10^-6 至 17×10^-6/℃ 的范圍內(nèi)，螺桿在料筒內(nèi)卡住需要 165 至 220℃ 的溫差。顯然，如果聚合物在 370℃ 下加工，螺桿溫度比（進(jìn)料段）料筒溫度高出 165℃ 以上是完全有可能的。

當(dāng)粘性發(fā)熱顯著時(shí)，螺桿溫度往往會(huì)高于機(jī)筒溫度，至少對(duì)于中性螺桿而言是這樣。Janssen 等人發(fā)現(xiàn)，在沒(méi)有螺桿冷卻的擠出機(jī)中，螺桿溫度比機(jī)筒溫度更能準(zhǔn)確地反映聚合物的平均溫度。對(duì)擠出機(jī)中非等溫、非牛頓流體流動(dòng)的有限元分析表明，當(dāng)粘性發(fā)熱顯著時(shí)，螺桿溫度往往高于機(jī)筒溫度。因此，螺桿計(jì)量段的溫度可能明顯高于機(jī)筒溫度，所以進(jìn)料段螺桿與機(jī)筒之間的溫差可能比根據(jù)測(cè)量的機(jī)筒溫度所推測(cè)的要大。

擠出機(jī)螺桿溫度分布的分析

為了確定上一節(jié)提出的螺桿結(jié)合機(jī)理是否正確，采用有限元分析法對(duì)擠出機(jī)螺桿加工FEP中的溫度分布進(jìn)行了預(yù)測(cè) 采用威斯康星大學(xué)麥迪遜分校開(kāi)發(fā)的FEHT程序。

為分析中采用的熱邊界條件；采用697個(gè)節(jié)點(diǎn)，1280個(gè)三角元素一起使用。 進(jìn)料喉部溫度設(shè)定為15.6 °C；筒體溫度分別設(shè)置為288、371、371和371 °C；螺桿柄部溫度設(shè)置為93 °C；螺桿尖部溫度為371 °C；螺桿中心線徑向的熱通量為零。 程序不考慮粘性耗散和對(duì)流，純靠傳導(dǎo)傳熱。 FEP的熱導(dǎo)率取為0.246 J/msK。

有限元分析熱邊界條件示意圖

4140螺桿中預(yù)測(cè)的溫度分布

Monel 螺桿中預(yù)測(cè)的溫度分布

較后明顯 Monel 螺桿的進(jìn)料部分溫度較高。這一定 是由于熱導(dǎo)率，因?yàn)檫@是兩種情況之間的唯一區(qū)別。這些研究預(yù)測(cè)，由低熱導(dǎo)率材料制成的螺桿在擠出工藝中可以在螺桿的進(jìn)料部分產(chǎn)生較高的溫度。 在 Monel 螺桿的情況下，進(jìn)料部分的螺桿溫度在150到260攝氏度之間。

壓縮載荷引起的間隙變化

當(dāng)擠出機(jī)螺桿擠出塑料熔體使其通過(guò)模具時(shí)，螺桿末端的壓力將對(duì)螺桿產(chǎn)生壓縮推力負(fù)荷。結(jié)果，螺桿的長(zhǎng)度會(huì)減少，而螺桿的直徑會(huì)增加。螺桿直徑 的相對(duì)增加可以表示為:

其中D 是直徑，ΔD 是直徑的增加，L 是長(zhǎng)度，ΔL是長(zhǎng)度的增加，P是壓力，E 是彈性模量。

當(dāng)壓力為34.5 MPa，模量為2.07 × 10⁵mPa 時(shí)，ΔD/D = 8.3 × 10^-5。因此，對(duì)于一個(gè)25.4 mm 的螺桿，直徑的增加將是0.0021 mm。因此，與差熱膨脹的影響相比，由于壓縮載荷引起 的直徑增加是相當(dāng)小的，因此，由于壓縮載荷引起的螺桿徑向膨脹很可能只是螺桿鎖死在筒體中的一個(gè)次要因素。

分析結(jié)果

上述分析證實(shí)，與普通4140鋼制造的螺桿相比，耐腐蝕螺桿確實(shí)有更大的機(jī)會(huì)鎖定在擠出機(jī)中。其主要原因似乎是高耐腐蝕金屬的熱導(dǎo)率較低，在擠出過(guò)程中導(dǎo)致進(jìn)料口與螺桿進(jìn)料段之間出現(xiàn)較大的溫差。較高的螺桿溫度將導(dǎo)致螺桿膨脹超過(guò)進(jìn)料口料筒，可能導(dǎo)致螺桿結(jié)合。有限元分析結(jié)果表明，耐腐蝕螺桿的熱導(dǎo)率較低，導(dǎo)致螺桿進(jìn)給段溫度較高。

高耐腐蝕材料經(jīng)常出現(xiàn)螺桿結(jié)合問(wèn)題的原因是，這些螺桿通常用于高溫(約 370°C)處理的氟聚合物。在這種情況下，有幾個(gè)因素使螺桿結(jié)合更可能。首先，在如此高的加工溫度下，螺桿進(jìn)料段和機(jī)筒之間會(huì)有較高的溫差。

其次，由于熱導(dǎo)率較低，高耐腐蝕材料制成的螺桿與4140鋼制成的螺桿相比，這種溫差會(huì)更大。第三，由于這種高耐腐蝕材料的熱膨脹系數(shù)高于4140鋼，這種材料的螺桿將膨脹更大。

可以采取以下幾種措施來(lái)減少螺桿粘合的機(jī)會(huì):

n 給螺桿進(jìn)料段的冷卻

n 提高進(jìn)料喉口的溫度

n 降低過(guò)渡段的溫度

n 降低計(jì)量部分的溫度

n 增加進(jìn)料喉部的間隙

大多數(shù)情況下，避免抱死問(wèn)題的最佳方法是將進(jìn)料部分的螺桿直徑減少至少0.002 mm/mm 的螺桿直徑。由于大多數(shù)塑料是以顆粒的形式進(jìn)料，增加進(jìn)料部分早期的螺棱間隙不大可能影響擠出機(jī)的性能，但這將大大減少螺桿卡在擠出機(jī)筒或進(jìn)料口中的機(jī)會(huì)。