近年來，同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)迅猛發(fā)展，其產(chǎn)量、扭矩和轉(zhuǎn)速大幅度提高，應(yīng)用日益廣泛。提高同向雙螺桿擠出機(jī)生產(chǎn)效率、改善產(chǎn)品質(zhì)量和實現(xiàn)設(shè)備的多功能化是實現(xiàn)其高性能化的基本要求，也是研發(fā)的難點所在。
提高生產(chǎn)效率
提高生產(chǎn)效率是新型同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)開發(fā)研制的重要目標(biāo)之一，它可以通過提高螺桿轉(zhuǎn)速、增強(qiáng)塑化和混合能力等途徑來實現(xiàn)。
在相同螺桿轉(zhuǎn)速下，增大螺槽的深度可使輸送量大幅度增加。與此相應(yīng)地要求螺桿的塑化和混合能力也隨之增大，這就要求螺桿能夠承受更大的扭矩。在高的螺桿轉(zhuǎn)速下，物料在擠出機(jī)內(nèi)的停留時間減少，有可能使物料塑化熔融、混煉不夠充分。為此，需要適當(dāng)增加螺桿長度，這些又必然導(dǎo)致雙螺桿擠出機(jī)實際承載扭矩和功率的增加。
增大螺槽自由容積也是一個重要的因素。在加料段和脫揮段，螺紋元件具有大的自由容積是非常必要的，對于松密度物料，增大加料段自由容積和物料在螺槽中的充滿程度，可大幅度提高擠出機(jī)的生產(chǎn)能力。
提高扭矩和轉(zhuǎn)速，需對減速分配箱進(jìn)行精心設(shè)計。要大幅度地提高設(shè)備的扭矩指標(biāo)，必將對傳動箱的設(shè)計和制造水平提出更高的要求。扭矩越高，傳動箱中齒輪、輸出軸、軸承等零件的設(shè)計、制造精度、材質(zhì)強(qiáng)度和熱處理要求就越高，同時對螺桿的芯軸、螺紋元件和捏合盤等零件的設(shè)計制造精度要求也更高。因為要增大螺紋元件的自由容積，在螺桿外徑不變的情況下，兩螺桿中心距將減小，這必將使配比齒輪和止推軸承安裝空間不夠的問題變得更為突出。
提高產(chǎn)品質(zhì)量
要得到高的產(chǎn)品質(zhì)量，擠出機(jī)核心部件——塑化系統(tǒng)的設(shè)計關(guān)系重大。
塑化系統(tǒng)主要包括螺桿和機(jī)筒，為適應(yīng)多種加工要求，通常都將螺桿和機(jī)筒設(shè)計成積木式組合結(jié)構(gòu)。按照各段的功能可將螺桿分成加料段、塑化段、混煉段、排氣段和擠出段。這些區(qū)段在擠出過程中具有不同的功能，其結(jié)構(gòu)各不相同，與之相應(yīng)的螺桿元件幾何參數(shù)也各不相同，因此如何確定螺紋元件幾何參數(shù)成為塑化系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。
圖1 筆者利用同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿三維實體造型程序設(shè)計的螺紋元件
對同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿來說，中徑比（即兩螺桿中心距與螺桿半徑之比）、螺紋頭數(shù)以及螺紋頂角之間存在一定的關(guān)系，不可隨意設(shè)計，否則兩螺桿之間會發(fā)生干涉。為解決這一問題，筆者根據(jù)兩螺桿的運動軌跡得到螺桿的理論端面曲線，利用大型計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）軟件的三維實體造型功能，編制了雙螺桿幾何造型程序，實現(xiàn)了雙螺桿三維實體圖形顯示，得到了各類規(guī)格自清式螺紋元件的幾何參數(shù)，并檢驗兩螺桿的嚙合情況。此外，還結(jié)合工程實踐，借助于計算機(jī)，完成了有間隙的雙螺桿三維實體造型，可以用來檢驗兩螺桿的間隙是否均勻，使物料在螺桿運動中無死角，即保證螺桿具有較強(qiáng)的自清能力，能有效地防止物料在機(jī)內(nèi)停留時間過長而降解，這無疑為制造高檔、優(yōu)質(zhì)的塑料產(chǎn)品提供了良好的加工手段。
由于螺桿轉(zhuǎn)速的提高，物料在擠出機(jī)內(nèi)的停留時間縮短，為了使物料能得到更充分的塑化和混合，并能使物料溫度上升過程變得緩和，得到高質(zhì)量的產(chǎn)品，除了需要進(jìn)行螺桿元件的優(yōu)化組合外，還需要增加螺桿的長徑比。但L/D增大，對機(jī)器的制造精度和驅(qū)動功率以及螺桿芯軸的承載扭矩的要求提高，在制造技術(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計上要求有更高的水平。
此外，對排氣段螺紋元件進(jìn)行優(yōu)化組合，在排氣口前設(shè)立建壓元件，并采用大導(dǎo)程螺紋元件，可以提高脫揮效率；另外，在機(jī)頭與擠出機(jī)間采用熔體齒輪泵建壓，使得擠出機(jī)計量段末端壓力降低，螺桿有效充滿長度縮短，有效排氣長度加長，又能在一定程度上提高排氣效果。
實現(xiàn)多功能化
隨著雙螺桿擠出機(jī)的工藝用途越來越廣泛，在擠出機(jī)內(nèi)除了要完成一般的加料、輸送、壓縮、塑化、混煉、排氣、均化等工序外，往往還要求完成脫水、干燥、降解、反應(yīng)擠出等多種工藝，并要求雙螺桿擠出機(jī)具有多路喂料和多級排氣等功能。為了滿足用戶的不同工藝以及快速更新產(chǎn)品的要求，在塑化系統(tǒng)的設(shè)計過程中要著重于不同螺紋元件、機(jī)筒以及加料系統(tǒng)的開發(fā)工作。除開發(fā)四類螺桿元件用于不同組合外，還需設(shè)計不同類型的機(jī)筒，除了用在塑化、熔融和均化段的一般的封閉機(jī)筒外，還有帶有上開口的加料機(jī)筒、帶有側(cè)開口的側(cè)向加料機(jī)筒以及玻纖、抽真空機(jī)筒，如圖2所示。
圖2 各種機(jī)筒筒圖
加料機(jī)筒設(shè)計成加料口為楔形間隙形式，在加料口的側(cè)壁與螺桿表面形成一個直到加料口底部中心的楔形間隙，使物料能夠順利地被旋轉(zhuǎn)帶入擠出機(jī)內(nèi)。側(cè)向加料機(jī)筒是為加入炭黑等難加入的物料或不宜在螺桿內(nèi)停留時間過長的易分解助劑而設(shè)計的，而輔加料機(jī)筒是為加入玻璃纖維等添加劑而設(shè)計的。在排氣機(jī)筒上，排氣口垂直向上，排氣口的中心線沿螺桿旋轉(zhuǎn)方向偏移機(jī)筒中心線一定距離，從而減小物料因離心力的作用而被轉(zhuǎn)動的螺桿從排氣口甩出的可能性。
設(shè)計自清的、高容積同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿定量加料器，它與側(cè)向加料器液體注入器配合，可以得到比常規(guī)用的經(jīng)攪拌器預(yù)混合，然后與基料一起通過主加料口加入到雙螺桿擠出機(jī)的工藝更好的混合質(zhì)量，并能在一定程度上提高產(chǎn)量。
還可設(shè)計多路排氣裝置，如自然排氣和抽真空排氣系統(tǒng)，將混合過程中的揮發(fā)分排出。用多級排氣口可以排出大量的揮發(fā)分，可以將聚合和混合的中間步驟省掉，提高生產(chǎn)效率。
對于具有多路喂料和多級排氣的擠出機(jī)來說，配置的長徑比要大，為36～48，并能根據(jù)用戶加工工藝要求進(jìn)行自由調(diào)節(jié)。
要求機(jī)筒和螺桿具有高耐磨功能。螺紋元件和捏煉元件需采用高耐磨硬質(zhì)合金制造。當(dāng)用于玻璃纖維增強(qiáng)加工時，比常用的氮化鋼壽命長6～8倍。機(jī)筒采用雙金屬襯套來提高耐磨性，可延長機(jī)筒的使用壽命。雙金屬襯套是在普通鋼材或低合金鋼的筒體內(nèi)壁復(fù)合一層厚1.5～2.0mm的SL100高耐磨型合金，再經(jīng)特殊機(jī)械加工而成，合金層硬度達(dá)HRC58～64。
