具有改善分散效应和低功率输入的螺杆元件的制作方法

专利名称：具有改善分散效应和低功率输入的螺杆元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于多轴螺杆挤出机(mehrwellige Schneckenmaschinen)的螺杆元 件，所述多轴螺杆挤出机具有成对同向的且成对精确擦刮的螺杆轴，还涉及螺杆元件在多 轴螺杆挤出机中的应用以及用于制造这种螺杆元件的方法。
背景技术：
同向旋转的双轴(有时为多轴)挤出机的转子是相互精确擦刮的(exakt abschabend)，其长期以来为大家所公知(参见例如DP86^68)。在聚合物制造和处理中， 以精确擦刮的外形(Profile)的原理为基础的螺杆挤出机经历了各种各样的应用。这首 先是基于聚合物熔料粘结到表面，并在通常的处理温度下方随时间降解，这通过精确擦刮 的螺杆的自清洁效应来去除。产生精确擦刮的螺杆外形的规则例如在[l]([l]=Klemens Kohlgriiber Der gleichlaufige Doppelschneckenextruderj Hanser 出片反社，慕 尼黑 2007,第96页以及后页)中有所描述。这里也讲述了，在双螺杆挤出机的第一轴上的预定 螺杆外形决定双螺杆挤出机的第二轴上的螺杆外形。因此，双螺杆挤出机的第一轴上的螺 杆外形被称为制造螺杆外形。双螺杆挤出机的第二轴上的螺杆外形基于双螺杆挤出机的第 一轴的螺杆外形，并因此被称为被制螺杆外形。在多轴挤出机中，制造螺杆外形和被制螺杆 外形总是交替地被设置在相邻的轴上。现代的双螺杆挤出机具有一种积木式系统，其中不同的螺杆元件可以被建立到核 心轴上。由此，专业人员可以将双螺杆挤出机与相应的处理任务进行匹配。除了偏心布置的圆盘外，现有技术公知的螺杆元件的特征在于，在剖面上的外形 曲线具有至少一个拐弯(例如参见图1)，该拐弯出现在螺杆顶部和螺纹面之间的过渡处。所 述顶部由一个圆弧组成，其半径等于所述外形的外径并以所述外形的旋转点为中点。所述 拐弯在到外形的侧面的过程处在螺杆元件上形成一个边缘。在多轴挤出机上执行的重要任 务之一是分散不能均勻地相互混合的液相或熔体，或者分散聚合物熔料中的固体。在技术 文献中已知(例如参见 Chang Dae Han: Multiphase Flow in Polymer Processing,学术 出版社，纽约1981)，由剪切流动和拉伸流动构成的组合对于困难的分散任务是最佳的。这种流动形式存在于螺杆沟道中，在那里，材料一方面通过轴的旋转被剪切，另一 方面通过螺杆沟道的收敛而同时被拉伸到顶部。但是，在螺杆顶部区域存在一种纯剪切流 动，它在困难的分散任务中很难有助于分散。另一方面，在螺杆顶部和机筒(Gehhse)或相 邻轴之间的缝隙中，输入的能量中的绝大部分被浪费。因此该区域主要有助于加热聚合物 材料并由此潜在地有助于热损坏，而并不有助于分散的处理任务。偏心布置的圆盘是一个例外，该圆盘可以按公知方式精确擦刮地被布置。它们没 有含纯剪切流动的顶部区域。它们因为其卓越的分散效应而为世人公知，但同样具有高的 能量输入，因为它们在大的范围上产生非常窄的缝隙。另外，它们局限于螺纹数z=l。

发明内容
因此，从现有技术出发，提出的任务是提供用于多轴螺杆挤出机的螺杆元件，其在 尽可能低的能量输入的情况下具有相对于现有技术被改善的分散效应。已令人惊奇地发现。该任务通过一种螺杆元件来解决，其外形在整个剖面上能通 过一个连续可导的外形曲线来描绘。因此，本发明的主题是用于多轴螺杆挤出机的螺杆元 件，所述多轴螺杆挤出机具有成对同向的且成对精确擦刮的螺杆轴，所述螺杆轴具有两个 或多个螺杆螺纹，其特征在于，制造和被制螺杆外形在整个剖面上总是能通过一个连续可 导的外形曲线来描绘。这里，本发明并不局限于由螺杆元件和核心轴组成的螺杆的如今商用模块构造方 式所构成的螺杆元件，而是也可以应用于整体构造方式的螺杆。因此螺杆元件的概念也应 被理解为整体构造方式的螺杆。本发明螺杆元件的剖面外形(下面也简称外形或也称螺杆外形)可以通过圆弧的 布置来明确地描述。本发明制造和被制螺杆元件的螺杆外形整体上由η各圆弧组成，其中η大于或等 于4。η个圆弧中的每个圆弧都具有一个起点和终点。所述η个圆弧在其起点和终点处彼 此正切地过渡，使得它们根据本发明形成一种连续可导的外形曲线。每个圆弧j (j=l η)的位置可以通过给定两个不同的点来明确地确定。有益地， 圆弧的位置通过给定中点和起点或终点来确定。各个圆弧j的大小通过半径。和围绕起 点与终点之间的中点的角α j来确定，其中半径&大于0并小于轴之间的轴间距a，用弧度 表示的角％大于或等于0并小于或等于2 π，其中π是圆周率。本发明的螺杆元件的特征在于，
-制造和被制螺杆外形位于一个平面上，
-制造螺杆外形的旋转轴和被制螺杆外形的旋转轴具有间距a (轴间距)，并分别垂直 于螺杆外形的上述平面，其中制造螺杆外形的旋转轴与上述平面的交点被称为制造螺杆外 形的旋转点，被制螺杆外形的旋转轴与上述平面的交点被称为被制螺杆外形的旋转点， -整个制造螺杆外形的圆弧数为n，其大于或等于4(n ^ 4)， -制造螺杆外形的外半径ra大于0 (ra>0)并小于所述轴间距(ra<a)， -制造螺杆外形的内半径ri大于0 (ri>0)并小于或等于ra(ri ( ra), -制造螺杆外形的所有圆弧彼此正切地过渡，
-所述的圆弧形成一个闭合的螺杆外形，也即所有圆弧j的角α j的总和等于2 π，其 中π是圆周率(π 3. 14159)，
-所述的圆弧形成凸出的螺杆外形，
-制造螺杆外形的每个圆弧位于外半径为ra和内半径为ri的圆环的边界内或上，所述 圆环的中点位于制造螺杆外形的旋转点上，
-制造螺杆外形的至少一个圆弧在点Pa接触到制造螺杆外形的外半径ra， -制造螺杆外形的至少一个圆弧在点P1接触到制造螺杆外形的内半径ri， -被制螺杆外形的圆弧数η’等于制造螺杆外形的圆弧数η，
-被制螺杆外形的外半径ra’等于轴间距减去制造螺杆外形的内半径ri所得的差 (ra， =a-ri),-被制螺杆外形的内半径ri’等于轴间距减去制造螺杆外形的外半径ra所得的差 (ri， =a-ra),
-被制螺杆外形的第j’圆弧的角α /等于制造螺杆外形的第j圆弧的角α ρ其中j 和j’为从1到圆弧数η或η’的范围内的所有值中的整数，
-被制螺杆外形的第j’圆弧的半径r/与制造螺杆外形的第j圆弧的半径&之和等 于轴间距a，其中j和j’为从1到圆弧数η或η’的范围内的所有值中的整数，
-被制螺杆外形的第j’圆弧的中点离制造螺杆外形的第j圆弧的中点的间隔等于轴间 距a，被制螺杆外形的第j’圆弧的中点离被制螺杆外形的旋转点的间隔等于制造螺杆外形的 第j圆弧的中点离制造螺杆外形的旋转点的间隔，而且被制螺杆外形的第j’圆弧的中点与制 造螺杆外形的第j圆弧的中点之间的连线是被制螺杆外形的旋转点和制造螺杆外形的旋转 点之间的连线的平行线，其中j和j’为从1到圆弧数η或η’的范围内的所有值中的整数，
-被制螺杆外形的第j’圆弧的起点相对于被制螺杆外形的第j’圆弧的中点的方向，与 制造螺杆外形的第j圆弧的起点相对于制造螺杆外形的第j圆弧的中点的方向相反，其中 j和j’为从1到圆弧数η或η’的范围内的所有值中的整数。本发明的螺杆元件的外形的特征在于，其可以单利用角尺和圆规来构造。因此，在 制造螺杆外形的第j和第(j+1)圆弧之间构造正切过渡，其方式是，围绕第j圆弧的终点形 成一个半径为IV1的圆，并且该圆与穿过第j圆弧的中点和终点的直线的、接近于制造螺杆 外形旋转点的交点是第(j+Ι)圆弧的中点。实际上，人们不用角尺和圆规而用计算机程序 来构造螺杆外形。本发明的螺杆元件可以是非对称或对称的；优选地，本发明的螺杆元件是对称的。 对称的螺杆元件可以是轴对称或点对称的；优选地，本发明的螺杆元件是轴对称的。具有螺纹数Z的轴对称螺杆外形可以被划分为2Z个对称部分，其中对称部分可以 通过在对称轴上镜像而彼此变换。于是，由于其对称性，具有螺纹数Z的轴对称螺杆元件 的外形可以通过在360度/ (2 · Z)的片段上的位于外形的两个对称轴之间的一个外形片 段来完整地定义。其余的外形通过在Z个对称轴上镜像该外形片段而产生，其中该Z个对 称轴在旋转点相交并围绕该旋转点将360度的角划分为2 · Z个大小为360度/ (2 · Z)的 角。另外，在轴对称螺杆元件的情况下，在相邻轴(制造外形和被制外形)上的相应螺杆外形 是相等的，或者说可以通过旋转而被覆盖[1]。类似地适用于点对称的螺杆外形，其中对称部分总是可以通过在对称中心上进行 点镜像而彼此变换。下面讲述本发明的螺杆元件的特别实施例，其特征在于，螺杆元件是轴对称的。这种本发明的轴对称螺杆元件的螺纹数Z优选为2-8 ；尤其优选其为2-4。本发明 的轴对称螺杆元件的剖面的外形曲线可以被划分为2 ·Ζ个外形片段，所述片段可以通过在 外形的对称轴上进行轴镜像而相互变换。形成一个外形片段的圆弧数η优选为2-8，尤其优 选为2-4。具有螺纹数Z的本发明轴对称螺杆元件的外形的特征在于，该外形在外形片段内 在360度/ (2 ·Ζ)的片段中仅给定一个单个的点ΡΑ，该点Pa离旋转点的间距为螺杆元件的 外半径ra。换句话说，在外形片段内只有一个点Pa位于围绕旋转点且外半径为ra的圆(外 圆)上。在现有技术的螺杆外形中，在顶锥角KW的范围内的所有点都以窄的缝隙刮擦机筒(例如参见图1)，而在本发明的轴对称螺杆元件的外形情况下，只有特殊的点Pa位于外半径 上(例如参见图加)。出于实际原因，将直角坐标系作为进一步说明的基础，该直角坐标系的原点由螺 杆元件的旋转点D构成。直角坐标系的χ轴通过点Pa ;y轴在旋转点D处垂直于χ轴。在 图加中示出了这种坐标系。另外，采用无维特征数是有意义的，以便简化转用到不同的挤出机尺寸。提供轴 间距a作为几何量的参量，例如长度或半径，因为该量在一个挤出机上不能改变。对于多 个附图使用下面的规则坐标X和y具有的原点在轴的旋转点处。所有角度数据用弧度表 示。其余所有量度数据被归一化到轴间距，并通过大写字母来表示A^i/a;;RA=ra/ a ； RI-ri/a ； 。本发明的轴对称螺杆元件的外形片段的特征在于，该外形片段在位于外形外半径 上的点Pa和位于外形内半径上的点P1之间由相互正切地过渡的圆弧组成，其中穿过点Pa* P1并在旋转点D相交的直线DPa和DP1形成夹角360度/ (2 · Ζ)。在一种特殊实施形式中，本发明的螺杆元件的外形片段在点PA和P1之间恰好由 两个圆弧组成。圆弧在点Pfp处彼此过渡，并且根据本发明在整个外形片段上形成连续可导 的曲线。在点Pfp处圆弧与直线FP正切。直线FP离旋转点的间距为轴间距A的一半，并且 具有螺距(用弧度表示)为-l/tan( π / (2·Ζ))。点Pfp离在点Pa处的外圆切线与直线FP的 交点的距离为该交点与Pa之间的距离。在点Pfp相对于直线FP所形成的垂线与通过点Pa 和旋转点的直线DPa在制造外形的第一圆弧1的中点M1处相交，而与通过点P1和旋转点的 直线DP1在制造外形的另一圆弧1’的中点M1.处相交(参见图加的图示)。制造外形的圆 弧1的半径因此对应于线段M1Pa ；圆弧1，的半径队，μ对应于线段ΜΛ。在另一种特殊实施形式中，本发明的螺杆元件的外形片段在点Pa和P1之间恰好由 三个圆弧组成。由此获得附加的自由度，并且该外形在刮擦柱体壁的点Pa的范围内通过选 择小的半径而被构造为较窄的，以便进一步降低能量浪费。图2b示例性地示出了本发明的由三个圆弧组成的双螺纹螺杆元件的外形片段。 在点Pa处连接的圆弧1的半径R1可以在界限(KR1U12K内自由选择。其中点M1位于连接线 段D-Pa上。在点P1处连接的圆弧3的半径具有半径R3=A-I^其中点M3位于连接线段D-P1 上。在该两个圆弧之间，连续可导地连接了一个半径为&=々/2的圆弧2。它的中点礼位于 离点P1为间隔A/2-队且离点M3为间隔R3-A/2的地方。圆弧1 一方面通过Pa、另一方面通 过与穿过P1和P2的直线的交点来限定。圆弧3 —方面通过P1、另一方面通过与穿过M2和 M3W直线的交点来限定。由于半径队或民的选择自由，可以针对给定的轴间距A构造不同的根据本发明精 确刮擦的螺杆外形。因此也可以通过以下方式来构造本发明的非对称的螺杆外形，即在两 个轴上的螺杆外形的大小为360度/ (2 ·Ζ)的各个相应片段上规定相同的螺杆外形，而在 一个轴上的大小为360度/ (2 ·Ζ)的片段被构造为不同的。当在分散任务的范畴内给传 送物施加特定变形时-例如在缓慢的压缩之后进行快速拉伸，这种构造就是有意义的。在大小为360度/ (2 ·Ζ)的外形片段内由多于三个圆弧组成的螺杆元件，同样属 于本发明的主题。根据本发明，圆弧在其起点和终点处相互正切地过渡。螺杆元件的外半径ra与轴间距a之比RA=ra/a对于本发明的双螺纹螺杆优选为0. 54-0. 7，尤其优选为0. 58-0. 63，对于三螺纹螺杆优选为0. 53-0. 57，尤其优选为 0. 54-0. 56，对于四螺纹螺杆优选为0. 515-0. 535。本发明的螺杆元件可以被构造为传送元件或捏合元件或混合元件。公知的是，传送元件的特征在于(参见例[1]第227-248页)，螺杆外形在轴向上呈 连续螺旋形地旋转和行进。这里，传送元件可以是右螺纹或左螺纹的。传送元件的螺距t 譬如可以为外径的0. 1倍到10倍的值，其中螺距被理解为螺杆外形的一个完整旋转所需要 的轴向长度。优选地，螺距t位于外径的0.3倍到3倍的范围。传送元件的轴向长度由于 实际的原因优选地被实施为t/Z的整数倍。公知的是，捏合元件的特征在于(参见例[1]第227-248页)，螺杆外形在轴向上逐 段地以捏合圆盘的形式行进。捏合圆盘的布置可以按右螺纹或左螺纹或中性地进行。捏合 圆盘的轴向长度优选处于外径的0. 02倍到2倍的范围内。优选地，相邻捏合圆盘的轴向间 距处于外径的0. 01倍到0. 1倍的范围内。公知的是，混合元件的特征在于(参见例[1]第227-248页)，传送元件被实施为在 螺杆顶部内具有开口。混合元件可以是右螺纹或左螺纹的。其螺距t优选地处于外径的 0. 1倍到10倍的范围。混合元件的轴向长度类似于传送元件优选地被实施为t/z的整数 倍。所述的开口优选地具有U或V形槽的形状。如果从进行传送的元件出发构造该混合元 件，则优选反传送地或轴平行地布置所述的槽。本发明的主题另外还在于一种用于制造本发明螺杆元件的方法。本发明的螺杆元 件的特征在于一种可以通过连续可导的曲线来描绘的外形。根据本发明的用于制造多轴 螺杆挤出机的螺杆元件的方法，其中所述多轴螺杆挤出机具有成对同向的且成对精确擦刮 的、轴间距为a的螺杆轴，所述螺杆轴具有两个或多个螺杆螺纹，其特征在于，螺杆外形在 整个剖面上由η个圆弧组成，其中η为大于或等于4的整数。本发明方法的特征在于，
-制造螺杆外形的外半径ra大于0 (ra>0)并小于所述轴间距a(ra<a)， -制造螺杆外形的内半径ri大于0 (ri>0)并小于或等于ra(ri ( ra), -多个圆弧通过确定其位置和大小而相继地布置，使得制造螺杆外形的所有圆弧彼此 正切地过渡，且所述的圆弧形成闭合的凸出的螺杆外形，其中制造螺杆外形的每个圆弧位 于外半径为ra和内半径为ri的圆环的边界内或上，所述圆环的中点位于制造螺杆外形的 旋转点上，制造螺杆外形的至少一个圆弧在点Pa接触到制造螺杆外形的外半径ra，制造螺 杆外形的至少一个圆弧在点P1接触到制造螺杆外形的内半径ri，
-被制螺杆外形的η’个圆弧由制造螺杆外形的η个圆弧通过以下方式得出 °被制螺杆外形的圆弧数η’等于制造螺杆外形的圆弧数η，
°被制螺杆外形的外半径ra’等于轴间距减去制造螺杆外形的内半径ri所得的差 (ra， =a-ri),
°被制螺杆外形的内半径ri’等于轴间距减去制造螺杆外形的外半径ra所得的差 (ri， =a-ra),
°被制螺杆外形的第j’圆弧的角α /等于制造螺杆外形的第j圆弧的角α ρ其中j 和j’为从1到圆弧数η或η’的范围内的所有值中的整数，
°被制螺杆外形的第j’圆弧的半径r/与制造螺杆外形的第j圆弧的半径h之和等于轴间距a，其中j和j’为从1到圆弧数η或η’的范围内的所有值中的整数，
°被制螺杆外形的第j’圆弧的中点离制造螺杆外形的第j圆弧的中点的间隔等于轴 间距a，被制螺杆外形的第j’圆弧的中点离被制螺杆外形的旋转点的间隔等于制造螺杆外 形的第j圆弧的中点离制造螺杆外形的旋转点的间隔，而且被制螺杆外形的第j’圆弧的中 点与制造螺杆外形的第j圆弧的中点之间的连线是被制螺杆外形的旋转点和制造螺杆外 形的旋转点之间的连线的平行线，其中j和j’为从1到圆弧数η或η’的范围内的所有值 中的整数，
°被制螺杆外形的第j’圆弧的起点相对于被制螺杆外形的第j’圆弧的中点的方向， 与制造螺杆外形的第j圆弧的起点相对于制造螺杆外形的第j圆弧的中点的方向相反，其 中j和j’为从1到圆弧数η或η’的范围内的所有值中的整数。本发明方法的特征在于，其可以单利用角尺和圆规来实施。因此，在制造螺杆外形 的第j和第(j+1)个圆弧之间构造正切过渡，其方式是，围绕第j圆弧的终点形成一个半径 为IV1的圆，并且该圆与穿过第j圆弧的中点和终点的直线的、接近于制造螺杆外形旋转点 的交点是第(j+Ι)圆弧的中点。值得推荐的是，制造螺杆外形的方法在计算机上执行。于是，螺杆元件的尺寸为以 下形式该尺寸可以被输入到CAD压磨机中以便产生螺杆元件。因此，本发明的主题还在于 一种计算机程序产品，其具有计算机代码工具用于在计算机上执行本发明的制造本发明螺 杆外形的方法。在优选实施例中，给计算机程序产品的用户提供一种优选为图形的用户界 面，借助该界面用户可以输入要选择的参数(制造和被制螺杆外形的圆弧数、半径、角)。优 选地，用户在这里可以获得计算机系统的支持，由计算机系统指示用户何时通过选择参数 值产生并不成对精确刮擦的螺杆外形。优选地，用户在输入参数值时通过以下方式得到支 持显示允许的参数值范围。允许的参数值被理解为造成成对精确刮擦的螺杆外形的参数 值的那些组合。在一种优选的实施形式中，不仅外形而且整个螺杆元件都虚拟地在计算机上被构 造。构造的结果优选地以构造图的形式在屏幕或打印机上输出。同样可以想到将结果作为 电子文件输出，该文件可以在一种优选实施形式中被进一步输入到CAD压磨机中制造相应 的螺杆元件。在以上述方式制造好外形之后，本发明的螺杆元件例如可以利用压磨机进行制 造。制造螺杆元件的材料是钢、尤其是氮化钢、铬钢、工具钢和不锈钢，以及用粉末冶金制作 的基于铁、镍或钴的复合材料。本发明方法允许完全如此地构造螺杆的外形，使得其最佳地适用于预定的任务。 现有技术所公开的螺杆元件大部分不能根据具体的任务而最佳地被构造。具体说，制造商 从固定的积木式系统中独立于具体的任务地提供螺杆元件(传送元件、捏合元件和混合元 件)。通过本发明的方法，可以几乎完全自由地构造自清洁的螺杆元件的外形，由此按照应 用通过参数的最小变动而对相应的应用进行优化。在此要指出的是，用于制造螺杆外形的 圆弧数是没有限制的。因此可以通过足够多数量的圆弧以所希望的精度来近似不是由圆弧 构成且因此不是自清洁的螺杆外形。这里借助于圆弧近似的外形自然是自清洁的。还要指出的是，根据(制造或被制)螺杆外形可以计算相应的纵剖面外形。优选地， 利用螺杆外形的每个圆弧以便用显函数计算纵剖面的属于该圆弧的部分。为了计算螺杆外形的圆弧的点的间距s，在第一步，确定直线g与圆弧1Λ的交点(Sx，Sy)，所述直线g的特 征在于所述直线g位于螺杆外形的平面内并穿过螺杆外形的旋转点，并且该直线g的定向 通过角Φ来给定，所述圆弧1Λ的特征在于，其半径为r并且其中点的位置为(Mx，My)。在 第二步，计算交点(Sx，Sy)离螺杆外形的旋转点的间距。计算直线与圆弧的交点可以通过 显函数来描述。同样也适用于间距计算。因此对于间距适用8=8((^，1~，1^，1^)。角Φ在 螺杆元件的已知螺距t的情况下通过Φ /2 π *t而被换算成轴向位置z_ax，使得对于间距适 用 s=s (z_ax, r, Mx, My)= s ( Φ/2 π *t, r, Mx, My)。函数 s (z_ax, r, Mx, My)描述了所要找寻的 螺杆外形的圆弧的纵剖面。本发明的主题还在于本发明的螺杆元件在多轴螺杆挤出机中的用途。优选地，本 发明的螺杆元件被用于双轴的螺杆挤出机中。所述螺杆元件可以存在于捏合元件、混合元 件或传送元件形式的多轴螺杆挤出机中。同样可以在一个螺杆挤出机中相互组合捏合元 件、传送元件和混合元件。本发明的螺杆元件也可以与例如由现有技术公知的其它螺杆元 件进行组合。本发明的螺杆元件在具有成对同向的且成对精确擦刮的螺杆轴的多轴螺杆挤出 机中形成一个在其整个范围上延伸的沟道。这里，所述沟道具有交替上升和下降的沟道宽 度。这里，这种沟道被称为收敛-发散沟道。在这种收敛-发散沟道中，在工作时在其整个 长度上出现具有非常好分散效应的剪切流动和拉伸流动的组合。相较于传统的现有技术所 公开的在外形中具有拐弯的螺杆元件，能量输入被降低。偏心布置的圆盘同样形成一种收 敛-发散沟道。但本发明的螺杆元件比偏心布置的圆盘具有更小的范围区域，在该范围区 域中存在非常窄的缝隙。因此，相较于采用偏心布置的圆盘，在多轴螺杆挤出机中采用本发 明的螺杆元件降低了能量输入。


接下来借助于附图示例性地阐述本发明，但并不局限于此。有意义的是，利用无维的特征数工作，以便简化转用到不同的挤出机尺寸。提供轴 间距a作为几何量的参量，例如长度或半径，因为该量在一个挤出机上不能改变。对于多个附图使用下面的规则坐标χ和y具有的原点在轴的旋转点处。所有角 度数据用弧度表示。其余所有量度数据被归一化到轴间距，并通过大写字母来表示A=a/ a ； Rj=rj/a ； RA=ra/a ； RI=ri/a; T=t/a,等等。Mx和My是制造外形的圆弧的圆中点的χ和y坐 标，R是被归一化到轴间距a的半径，α是圆弧的弧度角。另外，RG为归一化的机筒半径， RV为归一化的虚拟机筒半径，RA为精确擦刮的外形的归一化的外半径，RF为要制造的螺杆 的归一化的外半径，S为归一化的螺杆的相互间空(缝隙)，D为螺杆到机筒的归一化的间空， VI3R为归一化的外形偏移值，VPW为用弧度表示的外形偏移的角度，VLR为归一化的左轴偏 移值，VLff为左轴的偏移角度，VRR为归一化的右轴偏移值，VRff为右轴的偏移角度。图1用剖面图示出了现有技术的两个以间隔A相互布置的精确擦刮的双螺纹螺杆 元件。螺杆元件具有相同的轴对称外形。右边的螺杆元件相对于左边的被旋转90度。用 1-1表示的点给出了螺杆元件所在的轴的旋转点。所示的外形由多个对称的片段组成。在 多个片段的过渡处出现拐弯(其中一个拐弯由箭头1 一 2表示)。在顶锥角KW的区域，产品 在具有这种螺杆元件的多轴螺杆挤出机运行时经受高度的剪切，而没有拉伸。
该缺点通过本发明的具有图2所示的外形的螺杆元件来避免。图加用剖面图示 出了双螺纹的精确擦刮的螺杆元件(制造螺杆元件)的1/4外形。该外形相对于x、y轴是轴 对称的，使得整个外形可以通过在x、y轴上镜像所示的1/4得到。于是，通过把进制造螺杆 元件的外形旋转90度角来得到相应的(被制)螺杆元件的外形。在该附图和其它所有附图 中，坐标原点标记了轴的旋转点D。围绕外形用外半径RA绘出了一个虚线圆。机筒腔通过 与之共心的圆用一个相对于外半径被扩大间空S的半径RG表示(RG=RA+S)。图加所示的 螺杆外形由两个在没有拐弯的情况下互相过渡的圆弧组成。在图加中给出了圆弧的坐标。 圆1的中点M1在穿过旋转点的水平线上，圆1’的中点M1,在穿过旋转点的垂直线上(Mly=O ； Mrx=0)o圆1到圆1，的过渡在点Pfp处进行，两个圆在该点与直线re相切。所示的外形片段的构造可以通过下述步骤来实现
一确定点Pa离螺杆元件的旋转点D的间隔对应于螺杆元件的外半径RA， 一确定点P1离螺杆元件的旋转点D的间隔对应于螺杆元件的内半径RI，其中，点P1位 于穿过点D的直线DP1上，该直线DP1与穿过点Pa和D的直线DPa形成360°/ (2-Z)的夹角， 一确定直线FP离旋转点D的间隔对应于螺杆元件的轴间距A的一半，并具有用弧度表 示的螺距-l/tan(Ji/(2-Z))，
一确定围绕旋转点D且半径为RA的外圆上的点Pa处的切线Ta与直线FP的交点，并确 定在直线FP上的点PFP，该点Pfp离交点的间距与Pa相同，且离旋转点的间距小于半径RA， 一确定中点M1,该中点M1位于直线FP在点Pfp处的垂线与直线DPa的交点上， 一确定中点M1,,该中点M1,位于直线FP在点Pfp处的垂线与直线DP1的交点上， 一在点Pa和Pfp之间围绕中点M1生成圆弧1， 一在点P1和Pfp之间围绕中点Mr生成圆弧1’。图2b示例性地示出了本发明的由三个圆组成的双螺纹螺杆元件的外形片段。点 D表示螺杆元件(制造螺杆元件)的旋转点。对应的螺杆元件(被制螺杆元件)的旋转点位于 离旋转点D为间隔A的地方。在旋转点D的周围绘出了一个具有内半径RI的圆(内圆)，以 及一个具有螺杆元件的外半径RA的圆(外圆)。内圆和外圆形成一个圆环。外形片段的所 有点以及由此产生的本发明螺杆元件的整体外形位于该圆环上。APa表示半径为R1以及 中点为连接线段D-Pa上的M1的第一圆弧1的起点。APa位于外圆上。AP1表示半径为 R3=A-Ii1的圆弧3的起点。它的中点M3位于线段D-P1上。半径为&=A/2的圆弧2连续可导 地连接在圆弧1和圆弧3之间。它的中点M2离点P1的间距为(A/2) -R1,离点M3的间距为 R3-(A/2)。通过在穿过点D和Pa的直线上和在穿过点D和P1的直线上连续地镜像所示的 外形片段，可以构造本发明的螺杆元件(制造螺杆元件)的整个外形。对应的螺杆元件(被制 螺杆元件)的外形在这里可以简单地通过将制造螺杆外形的外形围绕旋转点D旋转90度的 角而得到。图2c示出了本发明螺杆元件的一个例子，其中通过虚线表示的外形片段并不能 通过用实线表示的外形片段进行轴向镜像而被覆盖。替而代之，该外形相对于旋转点是点 对称的。本发明的螺杆元件的一个特殊实施例示例性地在图3中被示出。其特征在于，用 大于螺杆外形外半径的半径来实施机筒腔，并且螺杆外形成对地相对于机筒腔的中点偏 移，但(通过小圆示出的)旋转点并不被保持在机筒腔的中心。由此令人惊奇地得到进一步明显地降低的能量输入。以该方式偏心地旋转的螺杆元件可以在机筒腔内任意地偏移。在 图3中示出了特别突出的情况，两个外形在穿过两个旋转点的直线方向上被平行地偏移一 个相同的值(与和该直线垂直时一样)，直到它们接触到机筒轮廓。由此实现了螺杆相互精 确地擦刮，但每个轴的两个螺杆顶部中总是只有一个精确地擦刮到机筒。该装置对全部表 面提供了完整的刮擦(Abreinigimg)，并同时降低能量输入。至此，仅仅涉及了精确擦刮的螺杆外形。但在技术实现的挤出机中，需要不同于精 确擦刮的几何形状的情况，以便在刮擦时遵守精确限定的缝隙。为了阻止金属“侵蚀”、补偿 制造容差以及避免缝隙中过多的能量浪费，这是必要的。各种策略可以用于制造均勻的缝 隙。最为广泛的是制造在挤出机的纵剖面中为等距的缝隙。在[1]的第103及其后页中描 述了制造相应螺杆外形的方式。制造具有限定缝隙的螺杆外形的规则可以被应用于本发明的螺杆元件。图4示出了本发明的具有缝隙(间空)的螺杆元件的外形。在图如中，在互相刮擦 螺杆时缝隙S的大小被选择成与在刮擦机筒时的缝隙D相同。在图4b中，缝隙S小于D，相 反，在图4c和4d中D小于S。用图5示出了，根据本发明也可以通过构造具有缝隙的螺杆外形并随后在缝隙内 偏移该外形来获得偏心的外形。图fe — d的外形等于图4d的外形。相对于穿过螺杆元件 旋转点的直线，图fe中偏移了 0度角，图恥中偏移了 30度角，图5c中偏移了 60度角，图 5d中偏移了 90度角。图5示出的例子中，两个轴以相同的偏移矢量被偏移。原则上也可以 以不同的矢量来偏移间空内的轴。于是获得以在轴旋转期间变化的缝隙进行刮擦的外形。公知的是，通过在轴向上连续螺形地旋转所述的外形，可以得到外形对的传送效 应。通过该方式形成一种传送螺纹，如图6a示例性所示。通过把由自清洁的外形构成的多 个棱柱形圆盘相互旋转一个错开角而布置在轴上，可以获得比传送螺纹具有更高分散功率 的捏合元件。图6b示出了具有7个捏合圆盘的捏合元件，这些捏合圆盘以30度的错开角 被布置在轴上。在图1 一 6中仅仅涉及双螺纹的螺杆元件。但相同的原理也同样适用于具有三或 多螺纹的螺杆元件。图7用剖面示出了现有技术的两个三螺纹的螺杆元件(参见例如[1] 的第103页)。图7中的三螺纹外形由三个对称的片段构成。在片段的过渡处出现拐弯，该 外形构成了螺杆顶部(示例性地用箭头7-1表示)。这里，外形以离机筒窄的间隔进行旋转， 并且在具有所述缺点的情况下给聚合物熔体施加纯剪切。相反，图8示出了本发明的三螺纹螺杆元件的外形片段。因为该外形相对于以60 度角相互布置的三条直线(Si，S2, S3)是轴对称的，因此穿过坐标原点看去，这里只示出了 一个60度片段。整个外形通过在镜像直线Si、S2和S3上连续地镜像所示的外形曲线而 得到。在所示的位于直线Sl和S3之间的片段中，外形曲线由两个圆弧构成。对于螺杆产 生一种收敛-发散的沟道，该沟道在其整个范围内为混合物施加剪切流动和拉伸流动的组 合。在制造外形的圆1和1’之间的正切过渡发生在该外形与直线FP相正切的位置处。对 于三螺纹外形，直线FP以离旋转点为半个轴间距的间隔和螺距-1. 73而延伸。图8所示的 结构可以按类似方式适用于螺杆外半径与轴间距之比为0. 5-0. 577的所有比例。对于三螺纹外形，可以构造偏心地旋转的外形。这种螺杆外形在图9a — d中被示 出。这种方式类似于双螺纹外形的方式。外形的外半径相对于机筒半径变小，并且外形成对地被偏移，其中旋转点被保持在机筒的中心。尤其有趣的是以下螺杆外形，其中螺杆相互 完整地刮擦，并且机筒只与三个顶部之一刮擦。在图9a中示出了这种外形的制造，方式是 将外形在水平线上向右偏移，直到右边的螺杆顶部到达机筒轮廓。在该布置中，在外形和机 筒之间产生对称的螺杆螺纹。通过将外形相对于穿过旋转点的直线偏移20度角(图9b)或 40度角(图9c)，可以获得三个螺杆顶部之一与机筒刮擦的其它布置。在这些外形的情况下 产生的螺杆螺纹是非对称的。通过增加偏移来产生具有更强剪切的区域(在图9b和9c上 方)和具有不够强剪切的区域(在图％和9c下方)。通过相对于穿过旋转点的直线将外形 偏移60度角(图9d)，可以产生三个顶部中的两个与机筒刮擦的布置。这里，最明显的特点 就是非对称性。产生具有非常强的剪切负荷的两个区域(图9d上方)和具有低的剪切负荷 的一个区域(图9d下方)。因此，需要被处理的材料经受剧烈变化的应力，这在分散任务中 是很有帮助的。在相互刮擦外形和刮擦机筒的情况下产生缝隙，是与双螺杆外形的方式完全一致 地进行的。三螺纹外形可以按照图IOa被用作连续的传送螺纹，或者按照图IOb被用作捏合 圆盘。通过螺杆外形的45度片段来完整地限定轴对称的四螺纹螺杆外形。图11示出了 本发明轴对称的四螺纹螺杆元件的外形片段，其由两个圆弧组成。该结构类似地可被用于 螺杆外半径与轴间距之比为0. 5-0. 541的所有比例。在刮擦的情况下产生偏心的外形和产生缝隙，以与双螺纹和三螺纹外形相类似的 方式和方法来进行，这里不再示出。四螺纹外形可以按照图1 被用作连续的传送螺纹，或者按照图12b被用作捏合圆盘。具有多于四个螺纹的本发明外形可以用类似方式被制造出来。同样可以用类似的 方式变化缝隙和产生偏心的外形。在图13a中简要地用剖面图示出了本发明螺杆元件对的 一个例子。制造螺杆外形通过左边的螺杆外形来表示。被制螺杆外形通过右边的螺杆外形 来表示。两个螺杆外形由16个圆弧构成。制造和被制螺杆外形的圆弧通过粗的实线来表 示，其设有相应的圆弧号。圆弧的中点通过小圆来表示。用细的实线将圆弧的中点不但与 所属圆弧的起点而且与该圆弧的终点(分界线)相连接。螺杆外半径对于制造和被制螺杆外 形而言是大小相同的。在螺杆机筒的区域，螺杆外半径通过细的虚线表示，在咬合区域用细 的点线表示。根据圆弧的多个数量和根据借助于计算机程序来产生图形，各个圆弧的号可 能与分界线重叠，因而难以被看见。尽管各个号中有一部分可读性差，通过结合本说明书和 图1 的坐标数据可以从上下文清楚地看到该外形的结构。图13a所示的本发明螺杆外形对是点对称的，但不是轴对称的。直线FP(用点线表 示)并不正切。这种螺杆元件对于分散效应实现了非常大的自由，因为在顶部前面和后面 的对于分散效应具有重大意义的区域能够准确地与任务进行匹配，而无需顾及直线FP进 行的几何限制。图13b针对图13a的所有圆弧示出了中点的χ坐标和y坐标(Mx和My )、圆 弧的半径R和角α。角数据用弧度表示；所有其余量度数据被归一化到轴间距，因此是无 维的。
权利要求
1.用于多轴螺杆挤出机的螺杆元件，所述多轴螺杆挤出机具有成对同向的且成对精确 擦刮的螺杆轴，所述螺杆轴具有两个或多个螺杆螺纹，其特征在于，螺杆外形在整个剖面上 总是能通过连续可导的外形曲线来描绘。
2.根据权利要求1的螺杆元件，其特征在于，所述螺杆元件在整个剖面上由四个或更 多圆弧组成，其中所述圆弧在其起点和终点处彼此正切地过渡。
3.根据权利要求1或2的螺杆元件，其特征在于， -制造和被制螺杆外形相互具有轴间距a， -制造螺杆外形的圆弧数为n，-制造螺杆外形的外半径ra大于0 (ra>0)并小于所述轴间距a(ra<a)， -制造螺杆外形的内半径ri大于0 (ri>0)并小于或等于ra(ri ( ra), -制造螺杆外形的所有圆弧彼此正切地过渡，-所述的圆弧形成一个闭合的螺杆外形，也即所有圆弧j的角α j的总和等于2 π，其 中π是圆周率(π 3. 14159)，-所述的圆弧形成凸出的螺杆外形，-制造螺杆外形的每个圆弧位于外半径为ra和内半径为ri的圆环的边界内或上，所述 圆环的中点位于制造螺杆外形的旋转点上，-制造螺杆外形的至少一个圆弧在点Pa接触到制造螺杆外形的外半径ra， -制造螺杆外形的至少一个圆弧在点P1接触到制造螺杆外形的内半径ri， -被制螺杆外形的圆弧数η’等于制造螺杆外形的圆弧数η，-被制螺杆外形的外半径ra’等于制造螺杆外形的轴间距减去内半径ri所得的差 (ra， =a-ri),-被制螺杆外形的内半径ri’等于制造螺杆外形的轴间距减去外半径ra所得的差 (ri， =a-ra),-被制螺杆外形的第j’圆弧的角α /等于制造螺杆外形的第j圆弧的角α ρ其中j 和j’为从1到圆弧数η或η’的范围内的所有值中的整数，-被制螺杆外形的第j’圆弧的半径r/与制造螺杆外形的第j圆弧的半径&之和等 于轴间距a，其中j和j’为从1到圆弧数η或η’的范围内的所有值中的整数，-被制螺杆外形的第j’圆弧的中点离制造螺杆外形的第j圆弧的中点的间隔等于轴间 距a，被制螺杆外形的第j’圆弧的中点离被制螺杆外形的旋转点的间隔等于制造螺杆外形 的第j圆弧的中点离制造螺杆外形的旋转点的间隔，而且被制螺杆外形的第j’圆弧的中点 与制造螺杆外形的第j圆弧的中点之间的连线是被制螺杆外形的旋转点和制造螺杆外形 的旋转点之间的连线的平行线，其中j和j’为从1到圆弧数η或η’的范围内的所有值中 的整数，-被制螺杆外形的第j’圆弧的起点相对于被制螺杆外形的第j’圆弧的中点的方向，与 制造螺杆外形的第j圆弧的起点相对于制造螺杆外形的第j圆弧的中点的方向相反，其中 j和j’为从1到圆弧数η或η’的范围内的所有值中的整数。
4.根据权利要求1一 3之一的螺杆元件，其特征在于，该螺杆元件是点对称的，并且外 形曲线在360度/ (2 · Ζ)的片段上由至少两个圆弧组成，其中Z是螺杆元件的螺纹数。
5.根据权利要求1一 3之一的螺杆元件，其特征在于，该螺杆元件是轴对称的，并且外形曲线在360度/ (2 · Z)的片段上由至少两个圆弧组成，其中Z是螺杆元件的螺纹数。
6.根据权利要求5的螺杆元件，其特征在于，所述外形曲线在所述片段上由两个圆弧 组成，其中所述圆弧在点Pfp处是彼此连续可导地过渡的，点Pfp位于直线FP上，该直线FP 在点Pfp处的垂线通过两个圆弧的中点。
7.根据权利要求6的螺杆元件，具有旋转点D、位于一个围绕旋转点且具有螺杆元件的 外半径ra的圆上的点Pa、位于一个围绕旋转点且具有螺杆元件的内半径ri的圆上的点Pp 穿过点Pa和D的直线DPa、以及穿过点P1和D的直线DP1,在使用直角坐标系具有原点处的 点D和χ轴上的点Pa的情况下，其特征在于，所述垂线在所述圆弧中的一个圆弧的中点处 与直线DPa相交，在另一个圆弧的中点处与直线DP1相交，而且直线FP离旋转点的间距为轴 间距a的一半，螺距用弧度表示为-l/tan(ji/(2-Z))0
8.根据权利要求1一 7之一的螺杆元件，其特征在于，所述螺杆元件被构造为混合元件 或传送元件。
9.根据权利要求1一 7之一的螺杆元件，其特征在于，所述螺杆元件被构造为捏合元件。
10.根据权利要求1一 9之一的螺杆元件在多轴螺杆挤出机中的用途。
11.根据权利要求10的用途，其特征在于，所述螺杆元件成对地在其整个范围内以固 定的缝隙刮擦。
12.根据权利要求10的用途，其特征在于，所述螺杆元件成对地以并非在其整个范围 内固定的缝隙刮擦。
13.根据权利要求10的用途，其特征在于，所述螺杆元件的外形成对地相对于被置于 机筒腔中心的旋转点被移动。
14.多轴螺杆挤出机的螺杆元件的制造方法，其中所述多轴螺杆挤出机具有成对同向 的且成对精确擦刮的螺杆轴，其特征在于，将多个圆弧组合成连续可导的曲线来构造螺杆 外形。
全文摘要
本发明涉及一种用于多轴螺杆挤出机的新颖螺杆元件，所述多轴螺杆挤出机具有成对同向的且成对精确擦刮的螺杆轴。
文档编号B29B7/48GK102066065SQ200980122901
公开日2011年5月18日 申请日期2009年6月6日 优先权日2008年6月20日
发明者M·比尔德尔, T·科尼希, U·利森费尔德 申请人:拜尔技术服务有限责任公司