Лекція № 2. Основні вузли і деталі черв’ячних машин.

4.11.1 Черв’яки.

Черв’яки складаються із двох частин: робочої (нарізної) і хвостової. Конфігурація робочої частини залежить від технологічного призначення. Конструкція хвостової частини повинна забезпечувати передачу крутного моменту від приводу на черв’як; передачу осьового зусилля від чер’яка на упорний підшипник; подачу і відвід термостатуючої рідини, що циркулює у центральній частині черв’яка.

Черв’яки для термопластів. Пластикація термопластів у плівковому режимі забезпечує найбільшу інтенсивність розплавлення і, відповідно, завершення переводу у в’язко текучий стан на відносно малій довжині черв’яка. Нагрівання і розплавлення в цьому режимі здійснюється переважно за рахунок дисипативних тепловиділень в області 2 ( див. рис. 4.6), причому інтенсивність тепловиділення пропорційна квадрату швидкості зсуву  в цій області. Товщина плівки  в десятки раз є меншою від глибини каналу Н, тому величина  - V_ц/м/ відносно велика. Якщо тверда область руйнується на крупні конгломерати і змішується з областю розплаву 4, то інтенсивність їх плавлення різко знижується , так як швидкість зсуву  = V/Н і , відповідно, інтенсивність тепловиділень в цій області є набагато нижчою. По цій причині конструкція робочої частини черв’яків повинна забезпечувати плівковий режим пластифікації.

Для збереження плівкового режиму необхідно забезпечити наступні умови (див. рис.4.6, січення А – А). По-перше, монолітність (відсутність руйнування)твердої області 1, що можливо при достатній його міцності, що досягається за рахунок злипання розм’якшених при нагріві гранул. По-друге, постійний підтиск зони 1 до стінки циліндра 8 , тобто забезпечення подачі матеріалу твердої області вверх до поверхні плавлення (границі розділу областей 1 і 2).

Якщо друга умова не буде задовольнятись, тобто подачі вверх не буде, то через розплавлення твердої області 1 товщина плівки 2 почне зростати, і плівковий режим виродиться. Таким чином, матеріал області 1 повинен бути достатньо деформативним , щоб тиск із сторони розплаву, відтискаючись вліво, постійно змінював свою конфігурацію і піднімався до стінки циліндра 8. До того ж і в’язкість розплаву в області 4 повинна бути більшою, щоб тиск на область 1 був достатнім для її деформування.

Із розглянутого зрозуміло, що плівковий режим розплавлення буде зберігатись у матеріалів, що мають широкий температурний інтервали високо еластичного стану при підвищеній деформативності і підвищеній когезії (липкості) в тому стані, а також мають високу в’язкість у в’язко текучому стані (наприклад сильно пластифікований полівінілхлорид). По тій причині стараються щоб сама конструкція черв’яка сприяла плівковому режиму. Наприклад, для того щоб проплавлена область притискалась до стінок циліндра, глибину каналу у зоні пластикації виконують так, щоб вона постійно зменшувалась. Таким чином, зменшення глибини каналу сприяє не тільки ущільненню матеріалу, а і для зберігання плівкового режиму.

Необхідно забезпечити синхронність зменшення глибини каналу з інтенсивністю розплавлення твердої фази, що практично дуже трудно. Тому можуть створюватись умови інтенсивного розігріву матеріалу і його термодеструкції. Для запобігання цього явища черв’яки для переробки термопластів з низькою термостабільністю і високою в’язкістю в розплавленому стані виконують з монотонним зменшенням глибини каналу

Високо кристалічні матеріали (наприклад, поліаміди, деякі марки поліетиленів) не мають широкого інтервалу розм’якшення, тому їх гранули при нагріві залишаються жорсткими майже до температури плавлення. Тверда область 1 цих матеріалів як би розривається під дією зсуваючих сил біля стінки циліндра. Це руйнування у твердій фазі можна ліквідувати , якщо на шляху руху твердої області 1 встановити у каналі черв’яка нерухому загороду, наприклад як це показано на рис. 4.24. Якщо канал з постійною глибиною Н₁ має ділянку з різким зменшенням глибини до Н₃, тверда область зустрічає на своєму шляху цю перешкоду, зупиняється. Поступаючи у канал твердий матеріал підтискає твердий матеріал до стінок циліндра, де він розплавляється і виноситься у зону дозування.

Підводячи підсумок взаємозв’язку процесів, що протікають у каналі, з геометрією каналу слід відмітити, що на сьогоднішній день найбільш поширеними є наступні три групи черв’яків, що розрізняються розмірами і конфігурацією трьох основних зон каналу: зони завантаження , зони стиску (зменшення глибини каналу) і зони дозування.

Зона живлення каналу, як правило, виконується з постійною глибиною. Довжина цієї зони приймається рівною ( 4 – 6 )D, враховуючи цю ділянку каналу, яка розміщена під завантажувальним вікном. При коефіцієнті тертя полімеру по сталі f = 0.3 – 0.5 оптимальним ( з точки зору продуктивності) є кут гвинтової нарізки  = (17 – 24 )^о. Цим значенням  відповідає крок нарізки t = (1.0 – 1.5)D. Глибину каналі у зоні живлення приймають рівною (0.1 – 0.2)D, причому менші значення відповідають черв’якам більшого діаметра.

Група 1: черв’яки для матеріалів з широким температурним інтервалом розм’якшення (полістирол, полікарбонат, пластифікований полівінілхлорид і ін). Вони мають зону живлення яка описана вище. Зона тиску стиску з монотонним зменшенням глибини каналу, довжина якого рівна (7 – 13)D. Зона дозування складає (8 – 8)D. Бажано, щоб довжина функціональної зони пластикації співпадала з довжиною конструктивної зони стиску. Проте не для всіх режимів екструзії ця умова виконується, так як довжина зони пластикації суттєво залежить від параметрів режиму, виготовлення черв’яків для кожного режиму екструзії є недоцільним. Степінь стиску цих черв’яків рівна 2.5 – 3.

Група 11: черв’яки для матеріалів з низькою термостабільністю і широким інтервалом температур розм’якшення. Зона завантаження у них така ж, як у черв’яків 1-ї групи, зона стиску дуже велика (від 12 до 18D), Зона дозування часто відсутня. Степінь стиску цих черв’яків – від 1.5 до 2.

Група 111: черв’яки для високо кристалічних матеріалів. У конструктивній зоні цих черв’яків розміщені функціональні зони живлення і пластикації, тому їх довжина може досягати (14 – 16D). Довжина зони стиску - (1.5 – 2)d. Довжина зони дозування – (4 – 6)D. Ступень стиску максимальна і рівна 3 – 4.5. Ряд довжин черв’яків регламентований і складає 20, 25, і 30D. Спеціальні черв’яки можуть мати дожину 35 і 40D. Крок нарізки – постійний , якщо канавка виконується обробкою різанням.

Ширина гребеня нарізки е (див. рис. 4.6) приймається від 0.08 до 0.12D.Збільшення цього розміру приводить до зростання потужності , яка тратиться на зсув розплаву в зазорі між гребенем і циліндром, зменшення приводить до зростання міжвиткових перетікань. Величина міжвиткових перетікань пропорційна до третьої степені величини зазору. По цій причині якщо циліндр або гребінь сильно зношені, продуктивність машини різко падає, що особливо проявляється при роботі з головками великого гідравлічного опору. Нові циліндр і черв’як можуть мати цей зазор в межах від0.002 до 0.005D, Причому перше значення відповідає більшому діаметру черв’яка. Менші величини зазору небажані, так як можливе заїдання черв’яка в циліндрі і задири на робочій поверхні.

Черв’яки, що працюють у циклічному режимі , мають загальну довжину на 40 – 50% меншу. Це пояснюється тим, що середня швидкість руху матеріалу у каналі цих черв’яків із-за періодичних вистоїв є меншою ніж при стаціонарному режимі. В табл. 4.2 приведені рекомендовані співвідношення параметрів для черв’яків ливарних машин. Позначення цих параметрів показані на рис. 4.25.

На рис. 4.26 показана конструкція черв’яка 11-ї групи (див. табл. 4.2). Кінець К робочої частини конусний. Хвостовик черв’яка має шліци, які входять у шліцеву втулку приводу. Всередині черв’яка виконано отвір по якому поступає рідина для охолодження. Різьба на вході в отвір призначена для викручування трубки подачі охолодження. Безпосередньо перед робочими канавками виконана гвинтова нарізка Н лабіринтового ущільнення, що забезпечую герметичність вузла упорного підшипника. Для запобігання проникнення не проплавлених частин полімеру в зону дозування вкінці зони пластикації або на початку зони дозування монтують спеціальні конструктивні елементи. Приклад такого елемента приведений на рис. 4.27. Розплав із включеннями, рухаючись з права вліво, попадає у вхідні порожнини 1 елементи і, перетікаючи через тонкий зазор між гребнями 2 і стінкою циліндра, попадає у вихідні порожнини 3. Із порожнин 3 він продовжує рух до кінця черв’яка. Не проплавлені включення затримуються перед зазором до тих пір, поки не витончаться щоб пройти через нього. Дальше вони встигають розплавитись до виходу із каналу.

Черв’яки для термопластів і реактопластів виготовляють із сталі 40ХН2МА. Температура відпуску - 893 ^оК азотування при температурі 853 ^оК, тобто при температурі нижчій від температури рекристалізації. Потій причині деформація черв’яка практично відсутня, як це має місце при високочастотному гартуванні. Твердість поверхні після гартування - HRA 70 – 74.Після азотування робочу поверхню черв’яка і хвостовика шліфують.

Черв’яки для реактопластів. Робоча нарізка черв’яків виконується з постійною або навіть з монотонно зростаючою глибиною . Кінець черв’яка виконується у вигляді конуса (рис. 4.28), на якому часто виконують ножеві лопаті 1. Ці лопаті , практично торкаються конусної поверхні соплової частини 2 циліндра 3, запобігають застоюванню в цьому об’ємі здатного до затвердіння реактопласту. В іншому конструкція черв’яка і технологія його виготовлення аналогічно із описаними вище.

Черв’яки для гумових сумішей. Гумові суміші при пластикації повинні нагріватись до температури, багато менш ніж термопласти (383 – 403 ^оК). До того ж в машини подається підігріта на вальцях суміш. По цій причині довжина черв’яків в машинах з підігрітим живленням не перевищує (5 – 6)D, а холодного живлення -D. Довжина зони завантаження рівна (1.2 – 1.5)D.

Черв’яки для переробки гумових сумішей виконують здебільшого двох західними, що покращує змішування і здатність вирівнювати температуру у масі пластифікованої суміші. Проте при живленні стрічкою гумової суміші більш надійним і стабільним є захоплення одно західним черв’яком. Тому інколи двох західні черв’яки в області захоплення виконують одно західними. Крок нарізки двох західних черв’яків рівний 1.5D, в одно західній частині – (0.6 – 0.8)D.

Зона стиску черв’яків малого і середнього діаметрів виконується з постійним кроком із монотонним зменшенням глибини нарізки. Черв’яки діаметром більше 160 мм виготовляються методом литва і мають постійну глибину нарізки і монотонне зменшення кроку. Степінь стиску в обох випадках не перевищує 2. Приклади конструкції черв’яків обох типів приведені на рис.4.29.

Термообробка і викінчувальна обробка робочої поверхні така ж як і черв’яків для термопластів. На гребені черв’яків з діаметром більше 250 мм наноситься плівка твердого сплаву з твердістю HRC 50; ці черв’яки відливаються із сталі 45ЛП.