[luó gǎn]  

螺杆

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螺杆(拼音:luógǎn,英文:screw):外表面切有螺旋槽的圆柱或者切有锥面螺旋槽的圆锥。螺杆具有不同的头,像图片中的头叫外六角螺杆。还有其他,例如大扁螺杆、内六角螺丝等等。
中文名
螺杆
外文名
screw
长径比公式
L/D
是否耐高温
耐磨性
高的耐磨性
材    质
金属

螺杆对材质的要求

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由挤出过程可知,螺杆是在高温、一定腐蚀、强烈磨损、大扭矩下工作的,因此,螺杆必须:
螺杆 螺杆
1)耐高温,高温下不变形;2)耐磨损,寿命长;3)耐腐蚀,物料具有腐蚀性;4)高强度,可承受大扭矩,高转速;5)具有良好的切削加工性能;6)热处理后残余应力小,热变形小等。 [1] 

螺杆常用材料

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我国常用的螺杆材料有45号钢40Cr、氨化钢、38CrMOAl高温合金等。1)45号钢便宜,加工性能好,但耐磨耐腐蚀性能差。热处理:调质HB220—270,高频淬火HRC45--48。2)40Cr的性能优于45号钢,但往往要镀上一层铬,以提高其耐腐蚀耐磨损的能力。但对镀铬层要求较高,镀层太薄易于磨损,太厚则易剥落,剥落后反而加速腐蚀,已较少应用。热处理:调质HB220—270,镀硬铬HRC>553)氮化钢、38CrMoAl综合性能比较优异,应用比较广泛。一般氮化层达 0.4—0.6毫米。但这种材料抵抗氯化氢腐蚀的能力低,且价格较高。4)高温合金材料优于其它材料,该材料不用镀层,主要用于注塑机生无卤螺杆,该材料抗氧化耐腐蚀性能高,热处理hra55`60. [1] 

螺杆热处理

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调质HB220—270,渗氮HRC>65国外有用碳化钛涂层的方法来提高螺杆表面的耐腐蚀能力,但据报道,其耐磨损能力还不够好。
螺杆 螺杆
国外在提高螺杆的耐磨耐腐蚀能力方面采取了一系列措施。一种办法是采用高度耐磨耐腐蚀合金钢。如34CrAlNi,、31CrMo12等。还有采取在螺杆表面喷涂Xaloy合金的方法。这种Xaloy合金具有高的耐磨耐蚀性能。 [1] 

螺杆综述

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当螺杆与减速箱主轴用较长的圆柱面配合时,可以将螺杆作一端固定的悬臂梁。螺杆在挤出过程中的受力状态可简化如图所示的情况: [1] 

螺杆螺杆受力情况

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1)自重G;2)克服物料阻力所需的扭矩 M;3)物料压力产生的轴向力P。
螺杆 螺杆
螺杆一般是因长期磨损,螺杆与料筒的间隙过大不能正常挤出而报废,但也有因设计或操作不当产生的工作应力超过强度极限而破坏的例子。因此,螺杆也应满足一定的强度要求。4)螺杆的危险断面一般在加料段螺纹根径最小处。根据材料力学可知,对塑性材料,复合应力用第三强度理论计算,其强度条件为: [1] 

螺杆其它情况

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1)对于螺杆尾部与减速箱主轴成浮动联接的情况,由于螺杆在料筒中浮动,螺杆自重引起的弯曲应力等于零,故只按螺杆受压应力和剪切应力来计算。2)由于螺杆自重引起的弯曲应力很小(螺杆周围充满物料),即使在前一种情况下,也可略去不计,因此这两种方法实际上是一样的。3)也有按扭矩来估算螺杆直径的。 [1] 

螺杆螺杆的用处

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多用于塑料成型设备,如塑料型材挤出机,注塑机等。螺杆和机筒是塑料成型设备的核心部件。是加热挤出塑化的部分。是塑料机械的核心。螺杆广泛应用于加工中心,CNC机器,数控车床,注塑机,线切割,磨床,铣床,慢走丝,快走丝,PCB钻孔机,精雕机,雕铣机,火花放电机,咬齿机,刨床,大型立车龙门铣等等 [1] 
加工中心螺杆 加工中心螺杆

螺杆设计原理

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销钉螺杆的主体部分是普通的螺杆,销钉可设置在螺杆的熔融段或计量段的落槽内或计量段末无螺槽的光滑圆柱形表面。销钉按一定的排列方式设置,可疏密程度不等,数量不等。圆柱形的销钉是将销钉装配到螺杆的孔中形成的;方形或菱形销钉是直接在螺杆上铣销形成的。如果这些销钉是在设置在熔融区,销钉可将固体床打碎,破坏两相流动,把固、液相搅在一起,使末溶固相碎块与已容物料的接触面积加大,促进熔融。如果销钉是设置在熔体输送区,则其主要作用是分割料流,增加界面,改变料流的方向,使流束重新排列。多次分流、汇合,改变流动方向,使熔体组分与温度均化。混合段均为设置在普通螺杆均化段末端的向内开槽结构,其外径与螺杆外径相等。沟槽分为若干组,每组之间是物料的汇合区。物料被沟槽分割,到汇合区汇会,再分割、汇合,其原理是销钉式类似的。分离型螺杆的特点是熔融段上除了有原来的一条螺丝纹(称为主螺杆)外,还附加了一条螺纹(称为附加螺纹),其外径略小于主螺纹外径,主副纹的导程不同,副螺纹自加料段末端开始(并在此与加料段相联),经过几个螺纹后,逐渐与均化段的主螺纹相交。这种螺杆的螺槽深度和螺纹导程从加料段开始至均化末端都是逐步变化的,既螺纹导程从宽逐渐变窄,螺槽深度由深度逐渐变浅,可使物料得到最大的压缩。 [1] 

螺杆翻新工艺

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1、 扭断的螺杆要根据机筒的实际内径来考虑,按与机筒的正常间隙给出新螺杆的外径偏差进行制造。2、 磨损螺杆直径缩小的螺纹表面经处理后,热喷涂耐磨碳化钨合金,然后再经磨削加工至尺寸。3、 在磨损螺杆的螺纹部分堆焊耐磨碳化钨合金。根据螺杆磨损的程度堆焊1~2mm厚,然后磨削加工螺杆至尺寸。这种耐磨碳化钨合金由C、Cr、Vi、Co、W和B等材料组成,增加螺杆的抗磨损和耐腐蚀的能力。4、 修复螺杆底径作电镀硬铬处理方法,铬也是耐磨和抗腐蚀的金属,但硬的铬层比较容易脱落。 [1] 

螺杆磨损原因

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1、每种塑料,都有一个理想塑化的加工温度范围,应该控制料筒加工温度,使之接近这个温度范围。粒状塑料从料斗进入料筒,首先会到达加料段,在加料段必然会出现干性磨擦,当这些塑料受热不足,熔融不均时,很易造成料筒内壁及螺杆表面磨损增大。同样,在压缩段和均化段,如果塑料的熔融状态紊乱不均,也会造成磨损增快。2、转速应调校得当。由于部分塑料加有强化剂,如玻璃纤维、矿物质或其他填充料。这些物质对金属材质的磨擦力往往比熔融塑料的大得多。在注塑这些塑料时,如果用高的转速成,则在提高对塑料的剪切力的同时,亦将令强化相应地产生更多被撕碎的纤维,被撕碎的纤维含有锋利末端,令磨损力大为增加。无机矿物质在金属表面高速滑行时,其刮削作用也不小。所以转速不宜调得太高。3、螺杆在机筒内转动,物料与二者的摩擦,使螺杆与机筒的工作表面逐渐磨损:螺杆直径逐渐缩小,机筒的内孔直径逐渐加大。这样,螺杆与机筒的配合直径间隙,随着二者的逐渐磨损而一点点加大。可是,由于机筒前面机头和分流板的阻力没有改变,这就增加了被挤塑物料前进时的漏流量,即物料从直径间隙处向进料方向流动量增加。结果使塑胶机械生产量下降。这种现象又使物料在机筒内停留时间增加,造成物料分解。如果是聚氯乙烯,分解产生的氯化氢气体加强了对螺杆和机筒的腐蚀。4、 物料中如有碳酸钙和玻璃纤维等填充料,能加快螺杆和机筒的磨损。5、 由于物料没有塑化均匀,或是有金属异物混入料中,使螺杆转动扭矩力突然增加,这种扭矩超出螺杆的强度极限,使螺杆扭断。这是一种非常规事故损坏。 [1] 

螺杆维护注意事项

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1、螺杆未达到预调温度时,切勿启动机器。2、防止金属碎片及杂物落入料斗,若加工回收料,便需加上磁性料斗以防止铁屑等进入料筒。3、使用防涎时要确定料筒内塑料完全熔融,以免螺杆后退时损坏传动系统零件。4、使用新塑料时,应把螺杆的余料清洗干净。5、当熔融塑料温度正常但又不断发现熔融塑料出现黑点或变色时,应检查胶螺.6、在加工时,尽量使物料塑化均匀,不要让金属异物混入料中,减少螺杆转动扭矩力。 [1] 

螺杆挤出机螺杆的分段

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物料在挤出机螺杆中的运动是分为三段研究的,因而螺杆的设计也往往分段进行。由于各段是连续通道,所以在实际生产中,只要能满足要求,并不是非把螺杆分成三段不可,实际上有的螺杆只有两段,有的还不分段。例如挤出尼龙这一类结晶性好的材料时,只有加料段和均化段,一般的螺杆挤出软聚氯乙烯塑料的螺杆,可以采用全部压缩段,而不必分成加料段和均化段。螺杆的分段式从经验得到的,主要决定于物料的性质。加料段长度可以从0至占螺杆全长的75%,大体说来挤出结晶性聚合物时最长,硬性无定型聚合物次之,软性无定型聚合物最短。压缩段长度通常占螺杆全长的50%,当然象上述尼龙和软聚氯乙烯塑料例外。挤出聚乙烯时均化段长度可取全长的20一25%。但对某些热敏性材料(如聚氯乙烯),物料在这一段不宜停留过长,可以不要均化段。有些高速挤出机均化段长度竟取50%。 [1] 

螺杆压缩比

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各种塑料所要求的挤出机压缩比并不是固定不变的,可以有一个范围。原料不同,要求的压缩比也不一样。例如挤出软聚氯乙烯塑料时,如果是粒状料,螺杆压缩比常取2.5-3,如果是粉状混合料,压缩比可取4 ~ 5。螺杆压缩比的选择,可参考表4。压缩比的取得,可以用以下几种方法得到:(1)螺距变化(等深不等距)。这种结构的优点在于压缩比较大时不影响螺杆强度,缺点是螺杆加工困难,接近螺杆端部时螺旋角太小使料流不能畅通,容易产生窝料。(2)螺槽深度变化(等距不等深)。它的优点是加工制造容易,物料与机筒接触面积大,传热效果好。缺点是强度削弱大,在使用长螺杆和大压缩比时特别要注意。(3)螺距和螺槽深度都变化(不等距不等深)。如果设计得当,这种螺杆可以获得最大的优点和最小的缺点。 实际生产中主要从加工制造方便考虑,等距不等深螺杆应用最多。 [1] 

螺杆长径比L/D

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塑料挤出机挤出成型用塑料品种较多,一根螺杆不可能成型所有的塑料。应根据原料特性,并尽可能考虑各种原料的共性来设计螺杆,使一根螺杆能同时挤出几种塑料,这在工业生产上是有经济意义的。螺杆后端的反螺纹起防止漏料的作用。 [1] 
螺杆长径比L/D,螺杆直径D指螺杆螺纹的外径。螺杆有效长度L指螺杆工作部分长度,如图3-14所示。有效长度和螺杆总长不同。长径比就是螺杆有效长与直径的比值。早期的拚出机螺杆的一长径比较小,只有12-16。随着塑料成型加工工业的发展,挤出机螺杆的长径比逐渐增大,常用的为15、20、25,最大可达43。 [1] 
增加长径比有如下好处,1.螺杆加压充分,制品的物理机械性能均可提高。2.物料塑化好,制品外观质量较好。3.挤出量提高20-40%。同时,长径比大的螺杆特性曲线斜率小,较平坦,挤出量稳定。4.有利于粉料成型,如聚氯乙烯粉料挤管。但增加长径比使螺杆的制造和螺杆与机筒的装配变得困难。因此,长径比不能无限制增大。 [1] 
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参考资料
  • 1.    朱龙根.简明机械零件设计手册:冶金工业出版社,1996