首先，對單螺桿的幾個基礎(chǔ)部分做一定義。

 

 

長徑比（L/D）

 

通常，OEM廠商確定螺桿長徑比（L/D）的方法上各有不同。一些制造商將螺桿的封閉部分定義為螺桿長度，即從進(jìn)料口的前端到螺桿的末端，一些制造商則從進(jìn)料口的中心位置開始計算，而另一些則將實際的有效長度定義為螺桿長度。不管怎樣，他們確定長徑比的方法還有待商榷。

 

圖1所示的是螺桿制造商在加工螺桿時計算實際長度的具體方法。例如，一根直徑為63.5mm的螺桿的L/D確定如下：

 

螺桿直徑=63.5mm

 

螺桿長度=1600.2mm

 

那么，L/D=1600.2/63.5=25.2。

 

在此基礎(chǔ)上，OEM廠商會將擠出機(jī)的L/D定為24:1，而螺桿制造商則將其L/D確定為25.2，因為這是機(jī)械加工的實際數(shù)值，螺桿制造商必須準(zhǔn)確確定，才能完成產(chǎn)品制造。

 

擠出機(jī)的典型L/D為24:1、30:1或32:1。針對某些特殊應(yīng)用時，還有L/D短至10:1和長至50:1的情況。通常，L/D的合理與否由加工工藝和具體應(yīng)用決定。

 

進(jìn)料段――深度

 

從圖1可以看出，螺桿的進(jìn)料段是聚合物從料斗送入螺桿時首先接觸到的螺桿區(qū)域。一般來說，對于平滑內(nèi)膛的擠出機(jī)，這是螺桿最深的一部分。對于直徑為63.5mm或者更小的螺桿，需要特別注意螺桿的這一段，以降低由于超過螺桿扭矩而造成的螺桿扭曲的風(fēng)險。有時，采用17-4 Ph不銹鋼或其他高屈服材料來制造這種小型螺桿是非常明智的，因為這樣能夠降低發(fā)生故障的風(fēng)險。

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L/D=(螺桿長度/螺桿直徑)

圖1 單螺桿的結(jié)構(gòu)示意圖根據(jù)經(jīng)驗，進(jìn)料段的螺桿深度不應(yīng)該超過：

 

Fdmax =0.2(螺桿直徑)

 

――方程式1

 

這一公式適用于直徑為114.3mm，甚至更小的螺桿。例如，直徑為63.5mm的螺桿的深度應(yīng)該滿足：

 

Fdmax =0.2×(63.5mm) = 12.7mm

 

――方程式2

 

如果螺桿設(shè)計所要求的螺桿深度比Fdmax要大，那么應(yīng)該精確計算螺桿的扭矩。如果螺桿的屈服強(qiáng)度超過了螺桿所用鋼材的2:1這一安全系數(shù)，那么就需要選擇屈服強(qiáng)度更高的鋼材料。

 

進(jìn)料段――長度

 

螺桿進(jìn)料段的主要功能是完成固體物料的輸送。固體輸送的基本理論是“塑料必須粘附于料筒，并在螺桿上滑動，從而保證聚合物能夠向前移動” 。因此，聚合物與料筒壁之間的摩擦系數(shù)(COF) 必須大于聚合物與螺桿根部之間的摩擦系數(shù)。對于那些本身COF就高的聚合物，并不需要太長的進(jìn)料段。而對于大多數(shù)樹脂來說，進(jìn)料段的長度一般為螺桿直徑的4~5倍，以提供足夠的壓力來輸送物料向前移動。

 

對于那些具有低COF的樹脂，進(jìn)料段的長度可能要達(dá)到直徑的8~10倍。通常，需要長進(jìn)料段的一個原因是，確保將更多的熱量傳遞給固體樹脂，使樹脂粘附于機(jī)筒上，從而產(chǎn)生物料向前輸送所需的壓力。需要注意的是，對于難于進(jìn)料的材料，可以采用內(nèi)冷螺桿來保持螺桿根部的冷卻，從而增大樹脂與螺桿根部的鋼材料之間的COF。

 

應(yīng)該指出的是，為了找到改善那些COF較差的固體物料的輸送方法，早在20世紀(jì)60年代，歐洲就開發(fā)出了溝槽（groove）進(jìn)料技術(shù)。現(xiàn)在，該技術(shù)也已經(jīng)完全被美國采用。但是，作為一項重要的加工技術(shù)其發(fā)展仍然比較緩慢。

 

過渡段

 

傳統(tǒng)螺桿的過渡段或壓縮段主要用于聚合物的熔融。該部分的深度最初與進(jìn)料段相當(dāng)，并由根部開始逐漸變淺，最終達(dá)到計量段的深度。采用這種設(shè)計的好處是，能夠迫使物料直接接觸料筒壁，而這里正是樹脂發(fā)生熔融的地方。

 

在過渡段的設(shè)計中，必須知道的最重要的因素是，過渡段的坡度必須與材料的熔融速率盡可能地匹配。為了將擠出機(jī)的產(chǎn)率最大化，并降低螺桿和料筒組件的磨損，這種計算非常必要。

 

通常，對于一個24:1 L/D的螺桿，其過渡段的長度一般為螺桿直徑的5~10倍，具體情況視所加工的聚合物的類型而定。

 

計量段

 

螺桿的計量段是聚合物完成熔融，并通過加壓使熔融物料克服擠出壓力（頭壓）的區(qū)域。其簡單計算如下：

 

產(chǎn)量=2.3D2hmSGN

 

――方程式3

 

其中，D表示螺桿直徑，hm表示計量段深度，SG表示樹脂的密度，單位為g/cm3，N表示螺桿轉(zhuǎn)速，單位為r/min。

 

該公式能夠估算出螺桿的產(chǎn)率，或者逆向計算出計量深度，以此確定理論上的大致產(chǎn)量。但是，該公式主要適用于頭壓較低的情況。

 

壓縮比

 

壓縮比可以說是最易被濫用和誤解，但是廣泛使用的螺桿專用術(shù)語。

 

壓縮比=Hf/Hm

 

――方程式4

 

舉例來說，如果直徑為63.5mm的螺桿其進(jìn)料段深度（hf）為7.62mm，計量段深度(hm)為2.54mm，那么，壓縮比就是：

 

CR=7.62mm/2.54mm=3:1

 

――方程式5

 

但是，也可能同樣是直徑為63.5mm的螺桿，其進(jìn)料段深度為11.43mm，計量段深度為3.81mm，而壓縮比同樣為3:1，但計算方程式為：

 

CR=11.43mm/3.81mm=3:1

 

――方程式6

 

盡管這兩只螺桿的壓縮比都是3:1，但實際上它們是兩根完全不同的螺桿。第一根螺桿的剪切速率更高，而產(chǎn)率只能實現(xiàn)2/3。第二根螺桿的剪切速率相對較低，能夠加工對剪切力更敏感的材料，且具有更高的產(chǎn)率。