螺桿磨損的原因、影響和解決方案

文/R. Dray Manufacturing公司Stephen Surley

對(duì)擠出和注塑工廠的維護(hù)與工程部門來(lái)說(shuō)，進(jìn)料螺桿和機(jī)筒的磨損是一個(gè)非常重要的問(wèn)題。因?yàn)樗芑b置中的過(guò)度磨損會(huì)導(dǎo)致一連串嚴(yán)重的性能問(wèn)題，這自然也會(huì)影響到成本和整體質(zhì)量。為了對(duì)這一問(wèn)題有更深入的了解，本文分析了螺桿磨損發(fā)生的原因以及該問(wèn)題如何影響熔體質(zhì)量，并對(duì)修復(fù)和更換磨損螺桿的成本效益進(jìn)行了對(duì)比。

典型的進(jìn)料螺桿磨損

擠出和注塑成型中的進(jìn)料螺桿磨損比較相似，大部分的磨損發(fā)生在高壓區(qū)域中，特別是在過(guò)渡段和計(jì)量段的最后幾圈。很多加工商和供應(yīng)商推測(cè)，這些區(qū)域容易發(fā)生磨損是因?yàn)楦邏簳?huì)導(dǎo)致螺桿彎曲，進(jìn)而造成螺棱外徑和機(jī)筒內(nèi)壁的金屬相接觸，從而引發(fā)磨損。這種推論的可能性不大，因?yàn)榧幢銠C(jī)筒內(nèi)的壓力很高，這些力也確實(shí)作用在螺桿上，但螺桿各個(gè)方向的受力是平衡的。

而導(dǎo)致螺桿彎曲的力是壓差產(chǎn)生的，并非通常的高壓。不過(guò)，螺棱外徑與機(jī)筒內(nèi)壁相接觸的情況確實(shí)會(huì)發(fā)生，但這是由機(jī)械條件造成的，并且預(yù)示著潛在的更嚴(yán)重的問(wèn)題：如不對(duì)中問(wèn)題、齒輪箱損壞、螺桿彎曲、機(jī)筒彎曲以及不充分的基礎(chǔ)等。許多行業(yè)的磨損測(cè)試表明，壓力和溫度的升高會(huì)導(dǎo)致摩擦力增大。而過(guò)渡段和計(jì)量段的最后幾圈通常會(huì)經(jīng)歷最高的壓力和溫度，因此可以預(yù)測(cè)，這兩個(gè)區(qū)域是螺棱外徑磨損的高發(fā)區(qū)。在檢查和修復(fù)了數(shù)千根螺桿后，經(jīng)驗(yàn)證明這種推斷是成立的。

與螺棱外徑的磨損非常相似，根部的磨損通常也在這些高壓區(qū)域中最嚴(yán)重。另外，相比螺棱后側(cè)，螺棱前進(jìn)側(cè)更易磨損。加工的樹(shù)脂類型對(duì)螺棱根部磨損的嚴(yán)重程度有很大影響。當(dāng)樹(shù)脂中含有諸如玻璃纖維或碳酸鈣等磨蝕性填料時(shí)，由于未經(jīng)熔融的顆粒所提供的潤(rùn)滑效果有限，因此當(dāng)螺棱的前進(jìn)側(cè)產(chǎn)生壓力時(shí)，就有可能在進(jìn)料段中發(fā)生嚴(yán)重磨損。另外，填料量和顆粒形狀對(duì)磨損強(qiáng)度也作用顯著。角度比較尖銳的大顆粒更容易導(dǎo)致磨損，而比較小的圓形顆粒造成磨損的程度相對(duì)較弱。出于對(duì)物理性能的要求，成型一些部件時(shí)必須使用填料。而在使用填料時(shí)，螺桿的固體輸送段磨損更快，為了減緩這種磨損，通常在聚合物已經(jīng)熔融的下游階段來(lái)添加填料，因?yàn)榇藭r(shí)聚合物能提供更好的潤(rùn)滑性。

在磨損的極端情況下，螺棱根部的前進(jìn)側(cè)會(huì)被“沖洗掉”，只留下很少的底層來(lái)支撐表面堆焊材料。由于沒(méi)有足夠的支撐，這些表面堆焊材料的邊緣會(huì)被削掉

一些采用了分散混合設(shè)計(jì)的螺桿擁有某種形式的幾何形狀倒陷，其目的是對(duì)樹(shù)脂施加高剪切力，以實(shí)現(xiàn)更理想的等溫熔融并使顏色分散更均勻。如果這種混合設(shè)計(jì)發(fā)生磨損就難以實(shí)現(xiàn)充分的分散。屏障式螺棱與分散混合設(shè)計(jì)非常相似，是通過(guò)倒陷促進(jìn)熔池與固體床的分離。當(dāng)?shù)瓜莸穆堇饽p時(shí)，屏障式設(shè)計(jì)就失去了熔融能力和效率。

性能問(wèn)題

螺桿磨損通常是一個(gè)緩慢的過(guò)程，在性能明顯降低之前不太容易被察覺(jué)。輕微的磨損對(duì)整體性能的影響不大，因?yàn)榭梢酝ㄟ^(guò)調(diào)整機(jī)器參數(shù)來(lái)保持生產(chǎn)率。當(dāng)螺桿的螺棱和機(jī)筒壁之間的徑向間隙增大時(shí)，漏流是不可避免的。操作人員通常會(huì)觀察到出料量降低和熔體溫度升高的現(xiàn)象，同時(shí)也不得不提高螺桿轉(zhuǎn)速以保持所需的出料量，這一過(guò)程往往還伴隨著更多的能耗。隨著徑向間隙的增加，螺桿無(wú)法產(chǎn)生必需的泵送壓力來(lái)保持預(yù)期的出料量。

顯然，徑向間隙是計(jì)算漏流時(shí)的關(guān)鍵變量。常見(jiàn)的經(jīng)驗(yàn)法則認(rèn)為，當(dāng)螺棱間隙達(dá)到原始公差的4倍時(shí)就需要更換螺桿。但這不是絕對(duì)的，還需要考慮所加工樹(shù)脂的黏度。因?yàn)樵趶较蜷g隙相同的情況下，黏度高的樹(shù)脂其產(chǎn)出量的損失會(huì)相對(duì)較少，而黏度低的樹(shù)脂，其產(chǎn)出量的損失較大。所以，這些經(jīng)驗(yàn)法則僅作為參考。

為了更好地預(yù)測(cè)直徑磨損的影響，你可以綜合總間隙、螺棱寬度、導(dǎo)程、機(jī)頭壓力、黏度和熔體密度等幾個(gè)因素來(lái)計(jì)算漏流。如果想要準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)擠出量，這些計(jì)算會(huì)變得非常麻煩，但如果想要預(yù)估生產(chǎn)率的損失，卻可以得到相當(dāng)準(zhǔn)確的結(jié)果。為了幫助加工商和維護(hù)部門預(yù)測(cè)這種生產(chǎn)率上的損失，筆者開(kāi)發(fā)了一個(gè)生產(chǎn)率損失計(jì)算器，用于估算因螺桿磨損造成的潛在的損失率。這種工具有助于將磨損的嚴(yán)重程度概念化，并幫助團(tuán)隊(duì)制定螺桿更換或維修的計(jì)劃。

當(dāng)螺棱和機(jī)筒之間產(chǎn)生漏流時(shí)，該部分材料要承受過(guò)大的剪切速率。這會(huì)導(dǎo)致熔體溫度升高，同時(shí)還需要提高轉(zhuǎn)速來(lái)維持所需的出料量。較高的熔體溫度會(huì)造成主要的質(zhì)量問(wèn)題，因?yàn)樵谶^(guò)高的溫度下部件的物理性能會(huì)顯著降低。當(dāng)加工無(wú)定形樹(shù)脂時(shí)，這些高剪切力會(huì)導(dǎo)致擠出物焦燒和降解，使廢品率變高。

根部磨損通常會(huì)產(chǎn)生一些容易導(dǎo)致物料掛料與降解的凹處和區(qū)域。它們會(huì)成為部件中的黑斑和浪涌。在加工硬質(zhì)PVC等樹(shù)脂時(shí)，材料降解是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題，因?yàn)镻VC在高溫下容易產(chǎn)生鹽酸，進(jìn)而對(duì)設(shè)備造成腐蝕。在極端情況下，螺棱的側(cè)面會(huì)被全部磨損掉，留下很少的底層來(lái)支撐表面堆焊材料。在沒(méi)有足夠支撐的情況下，脆性的表面堆焊材料容易慢慢碎掉，留下粗糙的邊緣，減少螺棱寬度，污染擠出物，并可能損壞下游組件。

當(dāng)螺棱重新焊接后，在其外徑上施加了Colmonoy 56號(hào)表面堆焊

更換還是修復(fù)？

不少加工商認(rèn)為，停機(jī)是成功生產(chǎn)的“絆腳石”。所以很多擠出和注塑工廠幾乎不會(huì)抽出螺桿來(lái)記錄磨損的情況。緊張的生產(chǎn)計(jì)劃和維護(hù)的復(fù)雜性迫使加工企業(yè)充分利用現(xiàn)有的設(shè)備?！叭绻鼪](méi)有壞，就不要去修理”，這可能是很多工廠的做法。

但是，當(dāng)螺桿的磨損問(wèn)題已經(jīng)嚴(yán)重到無(wú)法忽視時(shí)，這種做法會(huì)使加工商陷入困境。因?yàn)槁輻U的磨損是一個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程，開(kāi)始容易被忽視，直到廢品率快速上升、能耗顯著增加，或者出現(xiàn)嚴(yán)重的故障，才會(huì)被發(fā)現(xiàn)。如果加工商為了減少停機(jī)時(shí)間，節(jié)省與購(gòu)買、安裝新設(shè)備相關(guān)的成本，而沒(méi)有在磨損的早期對(duì)螺桿進(jìn)行修復(fù)，反而會(huì)因?yàn)槟芎脑黾雍筒牧侠速M(fèi)而花費(fèi)更多的資金。最終，當(dāng)螺桿無(wú)法修復(fù)時(shí)，等待新螺桿會(huì)導(dǎo)致更長(zhǎng)的停機(jī)時(shí)間。

其實(shí)，通過(guò)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、磨損監(jiān)控程序以及對(duì)螺桿情況的了解，維護(hù)部門和工程部門就可以大幅減少停機(jī)時(shí)間并提高其底線水平。更換高性能的進(jìn)料螺桿可能很昂貴，但是經(jīng)驗(yàn)豐富的螺桿制造商可以在更短的時(shí)間內(nèi)用很低的成本對(duì)磨損的螺桿進(jìn)行修復(fù)。

不過(guò)，在決定是否對(duì)磨損的螺桿進(jìn)行修復(fù)之前，要弄清楚幾個(gè)問(wèn)題：

1.整體磨損有多嚴(yán)重？

2.磨損的特征是什么？

3.目前的螺桿設(shè)計(jì)能否顯著改進(jìn)？

4.表面處理能否得到改善？

當(dāng)然，如果沒(méi)有對(duì)螺桿的磨損情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可能導(dǎo)致磨損程度非常嚴(yán)重，以至于難以甚至根本無(wú)法進(jìn)行可靠的修復(fù)。

修復(fù)螺桿的成本取決于磨損的嚴(yán)重程度和所需的工作量。經(jīng)驗(yàn)豐富的螺桿制造商會(huì)檢查磨損的螺桿及其加工性能，以確定當(dāng)前的設(shè)計(jì)是否值得修復(fù)。在某些情況下，一根優(yōu)化的新螺桿可以顯著提高設(shè)備整體的盈利能力，在此情況下，取代原來(lái)的低效設(shè)計(jì)是更明智的選擇。不過(guò)，不要貿(mào)然決定放棄舊螺桿，因?yàn)槟p的螺桿可能通過(guò)重新切割而實(shí)現(xiàn)性能的提升。另外，螺桿的堆焊和表面處理也可以得到改善，以提高螺桿的耐磨性和耐腐蝕性，延長(zhǎng)螺桿的整體磨損壽命。

許多著名的螺桿供應(yīng)商都表示，一根螺桿只能修復(fù)3～4次，且螺桿的使用壽命與其尺寸以及許多會(huì)對(duì)磨損嚴(yán)重程度產(chǎn)生影響的因素密切相關(guān)。但是對(duì)有經(jīng)驗(yàn)的螺桿制造商而言，多次修復(fù)同一根螺桿也并不少見(jiàn)。筆者就曾經(jīng)遇到過(guò)，通過(guò)高質(zhì)量的焊接、對(duì)制造螺桿的冶金技術(shù)的仔細(xì)考量以及適當(dāng)?shù)穆堇馄拭嫘迯?fù)，而對(duì)同一根螺桿進(jìn)行了6～8次修復(fù)的例子。

在修復(fù)過(guò)程中，要先將螺桿研磨至均勻的倒陷直徑，然后螺棱要重新焊接，以便在其表面施加擁有更高硬度的耐磨堆焊合金，這些合金能提供更好的耐磨性能。在表面堆焊后，還必須將螺桿外徑研磨至原始公差。剩余的懸垂焊縫必須進(jìn)行型面研磨，以確保盡可能小的螺棱寬度損失。在此過(guò)程中，一些不良操作會(huì)降低有效的螺棱寬度，這可能會(huì)對(duì)螺桿性能產(chǎn)生潛在的影響，并使螺桿未來(lái)的修復(fù)可能性復(fù)雜化。為了幫助緩解這些復(fù)雜的情況，一些螺桿制造商選擇減少焊接的寬度。不過(guò)，如果采用這種做法，當(dāng)這些螺桿研磨到原始公差時(shí)，硬面堆焊材料不會(huì)覆蓋整個(gè)螺棱寬度，這會(huì)對(duì)螺桿的抗磨損性能產(chǎn)生負(fù)面影響，因?yàn)闀?huì)有較軟的基材暴露在外面。

在表面堆焊后，螺桿外徑最后被打磨至原始公差

制定計(jì)劃

通過(guò)適當(dāng)?shù)幕A(chǔ)數(shù)據(jù)、磨損監(jiān)控程序以及對(duì)螺桿情況的了解，維護(hù)和工程部門可以制定高效的維護(hù)計(jì)劃，從而顯著減少停機(jī)時(shí)間并提高盈利能力。在廢品率和能耗迅速上升之前，監(jiān)控螺桿的磨損非常重要。建議不要太快扔掉磨損的螺桿。與經(jīng)驗(yàn)豐富的螺桿制造商探討一下修復(fù)螺桿的可能性，不僅可以減少停機(jī)時(shí)間，還能節(jié)省花費(fèi)，因?yàn)樾迯?fù)的成本遠(yuǎn)低于購(gòu)買新螺桿的費(fèi)用。另外，為了給多次修復(fù)螺桿創(chuàng)造良好的條件，從而減少維護(hù)成本，合理的修復(fù)操作也是必需的。

總之，一個(gè)合理地預(yù)防性維護(hù)計(jì)劃要遠(yuǎn)優(yōu)于被動(dòng)式維護(hù)。