一种单螺杆塑化挤出机的制作方法

本发明涉及一种高分子材料加工成型设备，特别是涉及一种单螺杆塑化挤出机。

背景技术：

单螺杆挤出成型具有建压能力强，适应性强，稳定性好和用途广泛等优点，几乎适合于所有的高分子材料的加工。螺杆挤出机能将一系列化工基本单元过程，如固体输送、熔融、发泡、接枝、熔体输送和泵出等物理和化学过程集中在挤出机内的螺杆上来进行。固态塑料颗粒或粉末在螺杆上压缩、熔融塑化、混合并挤出至成型机头定型以得到制品或半制品。研究表明，螺杆的熔融塑化能力直接影响挤出制品的质量，而塑化质量和产量往往是矛盾的。常规单螺杆挤出机的熔融塑化效率较低，无法与固体输送效率和熔体输送效率相匹配，长久以来制约着单螺杆挤出机的应用范围。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种结构简单的单螺杆塑化挤出机，以解决上述现有技术存在的问题，提高单螺杆挤出机熔融塑化效率，降低挤出机的制造成本。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种单螺杆塑化挤出机，包括壳体、驱动装置、螺杆、机筒和加热冷却装置，所述机筒设置在所述壳体上，所述机筒内嵌套有所述螺杆，所述螺杆包括依次连接的固体输送段、熔融段和熔体输送段，所述驱动装置的输出端与所述固体输送段的外端相连接，所述加热冷却系统用于调节所述机筒的温度，所述机筒在位于所述固体输送段的一端上部设有进料口，所述机筒在位于所述熔体输送段的一端设有出料口，所述熔融段上设有形螺棱。

优选的，所述形螺棱包括若干首尾相连的形棱边，所述形螺棱沿其螺旋方向展开在同一平面上后：各所述形棱边中心对称，各所述形棱边的两个端点的连线穿过各所述形棱边的对称中心形成各所述形棱边的中心线，各所述形棱边的中心线在同一直线上且相互连接形成所述形螺棱的螺旋展开线，所述形螺棱展开的轨迹满足以下函数：

y＝a·sin(πb·x)

其中，所述螺旋展开线的方向为x轴的方向，垂直于所述螺旋展开线的方向为y轴方向，a的取值范围为0.1D～0.25D，b的取值范围为2/D～5/D，D为所述螺杆的公称直径，所述固体输送段、所述熔融段和所述熔体输送段的公称直径均为D，所述螺杆与所述机筒内壁之间设有单面间隙。

优选的，所述固体输送段、所述熔融段和所述熔体输送段的长度之比为：(20％～60％)：(20％～40％)：(10％～50％)。

优选的，所述熔融段上设有形螺棱的螺杆长度与所述熔融段总长度的比例为0.4～1.0。

优选的，所述熔融段为渐变螺杆，所述熔融段包括前端和后端，所述前端与所述固体输送段相连，所述后端与所述熔体输送段相连；由所述前端至所述后端，所述熔融段的螺槽深度逐渐变浅，且所述前端和所述后端的螺槽深度分别与所述固体输送段和所述熔体输送段的螺槽深度相匹配。

优选的，所述固体输送段和所述熔体输送段的螺纹升角为17°42'。

优选的，所述形螺棱的所述螺旋线的螺纹升角比所述固体输送段和所述熔体输送段的螺纹升角大10°～20°。

优选的，所述加热冷却装置包括电加热器和鼓风机，所述电加热器设置在所述机筒外部，所述鼓风机设置在所述机筒下部。

优选的，所述单螺杆塑化挤出机还包括控制系统，所述控制系统分别与所述驱动装置、所述加热冷却装置通信连接，以控制所述螺杆的转速以及所述机筒的温度。

优选的，所述驱动装置包括电机、皮带、第一皮带轮、第二皮带轮和减速器，所述电机输出轴与所述第一皮带轮连接，所述第一皮带轮通过所述皮带与所述第二皮带轮连接，所述第二皮带轮与所述减速器的输入轴连接，所述减速器的输出轴与所述螺杆连接。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明提供的单螺杆塑化挤出机，螺杆的熔融段采用形螺棱，相比传统单螺杆挤出机，物料在螺杆上单个导程内的熔融长度增大，提高了物料在螺杆熔融段的塑化效率；本发明的单螺杆塑化挤出机相比传统单螺杆挤出机，结构简单，可缩小螺杆熔融段长径比，降低挤出机的制造成本；本发明的新型单螺杆塑化挤出机相比传统单螺杆挤出机，建压能力强，螺杆内压力峰值出现在熔融段，有利于物料更稳定的挤出。

进一步的，形螺棱包括若干形棱边，物料在螺杆熔融段的压缩熔融塑化过程中，由于形棱边的阻隔作用，会造成物料轴向流动，扭转混合，增大了物料在螺杆熔融段中的最大剪切速率，有助于物料的混合，进一步提高了物料的塑化效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明单螺杆塑化挤出机的装配示意图；

图2是本发明单螺杆塑化挤出机的螺杆与机筒装配示意图；

图3是本发明单螺杆塑化挤出机的螺杆熔融段结构示意图；

图4是本发明单螺杆塑化挤出机螺杆熔融段沿螺旋方向的展开示意图；

图中：1-壳体、2-螺杆、21-固体输送段、22-熔融段、221-形螺棱、222-螺旋展开线、223-形流道、23-熔体输送段、3-机筒、31-进料口、32-出料口、4-电加热器、5-鼓风机、61-电机、62-皮带、63-第一皮带轮、64-第二皮带轮、7-控制系统。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种结构简单的单螺杆塑化挤出机，以解决上述现有技术存在的问题，提高单螺杆挤出机熔融塑化效率，降低挤出机的制造成本。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供一种单螺杆塑化挤出机，如图1、2所示，包括壳体1、驱动装置、螺杆2、机筒3和加热冷却装置，机筒3设置在壳体1上，机筒3内嵌套有螺杆2，螺杆2包括依次连接的固体输送段21、熔融段22和熔体输送段23，驱动装置的输出端与固体输送段21的外端相连接，加热冷却系统用于调节机筒3的温度，机筒3在位于固体输送段21的一端上部设有进料口31，机筒3在位于熔体输送段23的一端设有出料口32，螺杆2外壁上均设有螺棱，在熔融段22外壁上设有的螺棱为形螺棱221。

本发明提供的单螺杆塑化挤出机，螺杆2的熔融段22采用形螺棱221，利用形螺棱221在螺杆2形成的形流道223提高了熔融长度，较短的螺杆熔融段长度可以达到相同的塑化效果，相比常规单螺杆，能够缩小熔融段22所占比例，进而缩小了螺杆2的整体长度，减小了长径比；相比传统单螺杆挤出机，物料在螺杆2上单个导程内的熔融长度增大，提高了物料在螺杆2熔融段的塑化效率，螺杆2长度的减小大大降低了螺杆2加工成本和挤出机制造成本。由于形螺棱221的阻隔作用，会造成物料沿螺杆轴向流动，与螺棱推进的物料扭转混合，增大了物料在螺杆2熔融段22中的剪切作用与最大剪切速率，有助于物料的混合，提高了物料的塑化效率；相比传统单螺杆挤出机，建压能力强，螺杆2内压力峰值出现在熔融段22，有利于物料更稳定的挤出。

本发明提供的单螺杆塑化挤出机，结构简单，可缩小螺杆熔融段长径比，降低单螺杆塑化挤出机的制造成本。

作为一种优选的实施方式，如图3、4所示，本发明的形螺棱221包括若干首尾相连的形棱边，形螺棱沿其螺旋方向展开在同一平面上后：各形棱边中心对称，各形棱边的两个端点的连线穿过各形棱边的对称中心形成各形棱边的中心线，各形棱边的中心线在同一直线上且相互连接形成形螺棱的螺旋展开线222，形螺棱221展开的轨迹满足以下函数：

y＝a·sin(πb·x)

其中，螺旋展开线222的方向为x轴的方向，垂直于螺旋展开线222的方向为y轴方向，a的取值范围为0.1D～0.25D，b的取值范围为2/D～5/D，D为螺杆2的公称直径，固体输送段21、熔融段22和熔体输送段23的公称直径均为D，机筒3内壁与螺杆2上的形螺棱221和普通螺棱间设有0.5mm单面间隙，即螺杆2的螺棱顶部与机筒3内壁的间隙为0.5mm。

作为一种优选的实施方式，本发明的熔融段上设有形螺棱的螺杆长度与熔融段总长度的比例为0.4～1.0。

根据不同的输送物料，本发明的固体输送段21、熔融段22和熔体输送段23的长度之比可为：(20％～60％)：(20％～40％)：(10％～50％)。

作为一种优选的实施方式，本发明的熔融段22为渐变螺杆，熔融段22包括前端和后端，前端与固体输送段21相连，后端与熔体输送段23相连；由前端至后端，熔融段22的螺槽深度逐渐变浅，且前端和后端的螺槽深度分别与固体输送段21和熔体输送段23的螺槽深度相匹配。

作为一种优选的实施方式，本发明的固体输送段和熔体输送段的螺纹升角为17°42'，形螺棱的螺旋线的螺纹升角比固体输送段和熔体输送段的螺纹升角大10°～20°。

作为一种优选的实施方式，本发明的加热冷却装置包括电加热器4和鼓风机5，电加热器1设置在机筒3外部，鼓风机5设置在机筒3下部。利用附着在机筒3外部的电加热器4能够对机筒3进行加热，通过机筒3下部的鼓风机5可强制空气冷却从而对机筒3进行降温。加热冷却系统能够调节并维持机筒3的温度，机筒3与螺杆2之间是通过热传导进行热量传递的，从而实现对螺杆2温度的调节。

驱动装置包括电机61、皮带62、第一皮带轮63、第二皮带轮64和减速器，电机输出轴与第一皮带轮63连接，第一皮带轮63通过皮带62与第二皮带轮64连接，第二皮带轮64与减速器的输入轴连接，减速器的输出轴与螺杆2连接。

单螺杆塑化挤出机还包括控制系统7，控制系统7分别与驱动装置、加热冷却装置通信连接，从而分别控制螺杆2的转速以及机筒3的温度。控制系统7通过PID反馈控制电加热器4和鼓风机5来实现温度稳定，通过控制电机61转速调节螺杆2转速。

下面以不同的实施例对本发明的单螺杆塑化挤出机的结构设置进行阐述：

实施例一

本实施例提供的单螺杆塑化挤出机，形螺棱221沿其螺旋方向展开在同一平面的轨迹满足以下函数：

y＝a·sin(πb·x)

其中，螺旋展开线222的方向为x轴的方向，垂直于螺旋展开线222的方向为y轴方向，a为0.1D，b为5/D，D为螺杆2的公称直径，本实施例螺杆的公称直径D为65mm。

固体输送段21的螺槽深度为6.5mm，熔体输送段23螺槽深度为3mm，固体输送段21和熔体输送段23的螺纹升角均为17°42'；熔融段22的螺槽槽深由其前端的6.5mm沿螺杆2轴向逐渐减小至其后端的3mm，熔融段形螺棱221的螺旋展开线222的螺纹升角θ为27°42'；螺杆2转速为30r/min，驱动功率为20kW；加工原料为聚丙烯，位于熔融段22的机筒3温度设为180℃。

本实施例熔融段上设有形螺棱221的螺杆长度与熔融段22螺杆总长度的比例为1.0，本实施例中螺杆2长度为975mm，固体输送段21、熔融段22和熔体输送段23的长度分别为390mm，195mm和390mm，固体输送段21、熔融段22和熔体输送段23的长度之比为：40％：20％：40％。

按本实施例的结构参数设计的单螺杆塑化挤出机，熔融塑化效果良好。传统的单螺杆塑化挤出机的螺杆长径比要在25左右，而本实施例的单螺杆塑化挤出机长径比为15，相比传统单螺杆挤出机长径比减小了约10。

实施例二

本实施例中的单螺杆塑化挤出机，相比实施例一中的单螺杆塑化挤出机的不同之处在于，形螺棱221沿其螺旋方向展开在同一平面的轨迹满足以下函数：

y＝a·sin(πb·x)

其中，螺旋展开线222的方向为x轴的方向，垂直于螺旋展开线222的方向为y轴方向，a为0.15D，b为3/D，D为螺杆2的公称直径，本实施例螺杆的公称直径D为90mm。

固体输送段21螺槽深度为9mm，熔体输送段23螺槽深度为4mm，固体输送段21和熔体输送段23的螺纹升角均为17°42'；熔融段22螺槽槽深由其前端的9mm沿螺杆2轴向逐渐减小至其后端的4mm，熔融段22形螺棱221的螺旋展开线222的螺纹升角θ为32°42'；螺杆2转速为30r/min，驱动功率为20kW；加工原料为聚丙烯，位于熔融段22的机筒3温度设为180℃。

本实施例熔融段上设有形螺棱221的螺杆长度与熔融段22螺杆总长度的比例为0.6，本实施例中螺杆2长度为1620mm，固体输送段21、熔融段22和熔体输送段23的长度分别为648mm，486mm和486mm，固体输送段21、熔融段22和熔体输送段23的长度之比为：40％：30％：30％。本实施例其他的结构设置均与实施例一相同。

按本实施例的结构参数设计的单螺杆塑化挤出机，熔融塑化效果良好。传统的单螺杆塑化挤出机的螺杆长径比要在25左右，而本实施例的单螺杆塑化挤出机长径比为18，相比传统单螺杆挤出机长径比减小了约7。

实施例三

本实施例中的单螺杆塑化挤出机，相比实施例一中的单螺杆塑化挤出机的不同之处在于，形螺棱221沿其螺旋方向展开在同一平面的轨迹满足以下函数：

y＝a·sin(πb·x)

其中，螺旋展开线222的方向为x轴的方向，垂直于螺旋展开线222的方向为y轴方向，a为0.25D，b为2/D，D为螺杆2的公称直径，本实施例螺杆的公称直径D为70mm。

固体输送段21螺槽深度为7mm，熔体输送段23螺槽深度为3.5mm，固体输送段21和熔体输送段23的螺纹升角均为17°42'；熔融段22螺槽槽深由其前端的7mm沿螺杆2轴向逐渐减小至其后端的3.5mm，熔融段22形螺棱221的螺旋展开线的螺纹升角θ为37°42'；螺杆2转速为30r/min，驱动功率为20kW；加工原料为聚丙烯，熔融段机筒温度为180℃。

本实施例熔融段上设有形螺棱221的螺杆长度与熔融段22螺杆总长度的比例为0.4，本实施例中螺杆2长度为1400mm，固体输送段21、熔融段22和熔体输送段23的长度分别为560mm，560mm和280mm，固体输送段21、熔融段22和熔体输送段23的长度之比为：40％：40％：20％。本实施例其他的结构设置均与实施例一相同。

按本实施例的结构参数设计的单螺杆塑化挤出机，熔融塑化效果良好。传统的单螺杆塑化挤出机的螺杆长径比要在25左右，而本实施例的单螺杆塑化挤出机长径比为20，相比传统单螺杆挤出机长径比减小了约5。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。