Problemy proiektowania i wykonywania ślimaków

Problemy proiektowania i wykonywania ślimaków

POLIMERY 2002,47,nr
441
6
JoACHIM STłSIE<I), TADEUSZ NIEszpoREx2)
Problemy proiektowania i wykonywania ślimaków
dwu ślirn akowy ch wy tłaczurók p rź e ciwb
ie
żny ch*
)
PROBLEMS OF ENGINEERING DESIGN AND PRODUCTION OF SCREWS
IN COUNTER.ROTATING TWiN-SCREW EXTRUDERS
Summary
- Sequence of basic steps required ddring conceptual design of
twin-screw plasticizing systems has been presented (Fig. 2). Bibliographic
data allowed analysis of intermeshing flows to be performed and their effect
on the plasticizing process was determined. Results of investigating the axial
and frontal screw outline were presented, confirming changeabiliĘ of the
screw outline course in different cross-sections along screw axis. Change in
the angle of flight flank inclination along the screw zone (B) requires appropriate change in the channel width, b, along this zone to maintain the existing
intermeshing gap (Fig. 3.), Also, in zones where the screw helix angles (Qri)
exceed 35o and difference of helix angles (0,, - QJ > 1.5o, suitable enhancing of
side inter-screw gap or scarfing of the flight edges are required to attain its
appropriate minimum value (> 0.5 mm). Gap between the interacting screws
varies at different locations of the flank surface of the flights
- e.g, is higher in
axial cross-section as compared with the plane perpendicular to flight inclination on the pitch diameter of screws (Fig. 11). Shape of the side intermeshing
gap should be approximately rhomboidal (Fig. 3), i.e. the difference of the side
inter-screw gap (Suma*.-Samłn) should be from 0.1 to 0'3 mm, to maintain mass
flowing through the gap along is width, h,, under approximately identical
shearing rate.
Key words: counter-rotating twin-screw extruders, engineering design, selection of intermeshing Eap, technology limitations.
Is tnie ni e znaczne) |iczby kons tru k cy ny ch r ozw iązań
wytłaczarek ślimakowych świadczy o złożonościproblematyki wytłaczania tworzyw wielkocząsteczkowych,
W celu zwiększenia wydajności wytlaczania, polepszenia jakościwytworów, a zwlaszcza efektywniejszego uPlastyczniania tworzyw trudno przetwarzalnych (w tym
niestabilnych cieplnie) opracowano, oprócz wciąz często
tów ślimaków; mają one ślimakio zwojach zazębiających się nieszczelnie, tzn' z określonymi luzami międzyzwojowymi, które spełniają istotną rolę w procesie
uplastyczniania. Wytłaczarki współbiezne charakteryzujące się znaczną efektywnościąmieszania są powszechnie używane w liniach do wtwarzania kompozytów polimerowych, natomiast wytłaczarki przeciwstosowanych wytłaczarek jednoślimakowych, wytła- biezne (stanowiące przedmiot niniejszego arĘkułu), ze
czarki wieloślimakowe liniowe, planetarne, kaskadowzględu na nieznaczne rozpraszanie energii mechaniczwe i inne t1-5]. Wśród wytłaczarek wieloślimakowych nej napędu ruchu ślimaków stosuje się przede wszystnajszersze zastosowanie znalazły wytłaczarki dwuśli- kim w przetwórstwie PVC' Dlatego też w niniejszym
makowe.
opracowaniu jako pr zetw ar zany polimer rozpatruj emy
Stosowane są wytlaczarki dwuślimakowe zarówno
wyłącznie PVC.
o przeciwbieżnym, jak i współbieznym kierunku obroRozróznia się dwa podstawowe kształty geometryczne ślimaków, mianowicie ślimaki walcowe i stozkowe'
Rysunek 1 przedstawia zmodyfiko'Wane rozwiązanie ślii)
Instytut Przetwórstwa Tworzyw Sztucznych Metalchem, ui. M.
maka stozkowego zawierającego strefy zasilania, wstępSkłodowskiei-Curie 55, 87-100 Toruń.
nego podgrzewania, mieszania, spręzania, odgazowa2)
Politechnika Częstochowska, Instytut Technologii Maszyn i Autonia i dozowania [6]' W końcowych odcinkach strefy
matyzacji Produkcji, Al. Armii Krajowej 79c,42-200 Częstochowa.
wstępnego podgrzewania i środkowych odcinkach stre'Wyklad wygłoszony w ramach VI Profesorskich Warsztatów Naufy mieszania zwoje maja wyciecia promieniowe, tzw.
kowych,,Przetwórstwo tworzyw wielkocząsteczkowych", P or a1,
79-22 czerwca 2001 r.
wybrania mieszajace. Takie rozwi ązanie konstrukcyjne,
j
POLIMERY 2002,47, nr
442
6
Wymagania dotyczące układu uplastyczniająccgo:
Icccpfura, właściwościreologiczne tworzywa
..-... jakośćwyłoczyny,
warunki Wtłaczania
typ układu uplasĘczniająccgo
-
Danc do obliczcń:
-
500
Zalcżnościmatcmatycznc do okrcślcnia:
rozkładu ciśnicnia i tcmpcrafury
zmicnności zarysu osiowcgo
-
900
długośćślimqkqL, mm
chemat konstrukcy j ny zmodyfikow anego śIimaka ( A)
oraz modelowy przebi'eg zminn stopnin sprężanin (B); strefy
śIimąka:ą
ząsilanin, b
wstępnego podgrzewąnin i mieszanin, c
spr ężanin, d
odgazowani.a, e
dozowanin ; Ml,
Mz, Ma
mieszaj7ce odcinki ślimaków, f
odcinek końcowego wymieszanin polimeru z dodatkami,Hfh = L,5
Fig. 1. Scheme of modifird screw constructinn (A) and model
course of compressi.on degree changes (B); screw zones: a
initkl heating and miłing, c
compression,
feeding, b
d
degassin1, €
metering, M1, M2, Ms
miłing screw
segments, f
ftnol polymer compounding zone with additiaes, Hfh = 1.5
Ry s. 1.
S
-
-
-
-
-
-
-
clcmcnty gcomctrycznc ukła<lu
warunki wytłaczania
właściwościtwotzylva
-
paIamctIów wytłacZania
occna wariantów konccpcji z wykorzystanicm systcmu ckspcrckicgo;
intcrprctacja w;ników (konstrukcja ślimaków' warunki wytłaczania)
wpĘw na przcbicg proccsu uplastyczniania róznych kontiguracji ślimakórv
-
-
-
Obliczcnia:
konstrukcyjnc układu
*
Porównanic wariantów konccpcji uwzglęclniającc
tcchnologic i koszty wykonania układu, wybór układu
-
Schemat I
,,inzynierii równoczesnef' [10l. Projektowanie,,równoczesne" to na ogół Praca grupowa konstruktorów, techw tym odpowiednia zmiana redukcji objętościkanałów nologów procesu wytlaczania, specjalistów od oceny
wzdłużstref, zapewnia uzyskanie znacznie korzystniejwłaściwościtizycznych tworzyw oraz technologów wyszego przebiegu procesu końcowego wymieszania two_
konywania układów uplastyczniajacych [11l.
rzywa w strefie mieszania 17-91. Konstrukcja ślimaków
Badania doświadczalne realizowane W uproszczomusi takze zapewniać odpowiednie natęzenie przepły- nych liniach technologicznych wytłaczania traktuje się
wu materiału w poszczególnych strefach ślimaków, tj. jako badania modelowe. WykorzystujAc wyznaczone
większą wydajnośćtransportowania w strefach odgazo- przy tym za|eżności,z założeniem podobieństwa enerwania i dozowania niz w strefie zasilania w celu uzyska- getycznego I'l'27,można określićpodstawowe cechy konnia niecałkowitego wypelnienia kanałów strefy odgazostrukcyjne projektowanego układu uplastyczniającego
wania wstępnie uplastycznionym tworzywem.
i warunki wytłaczania tworzywa'
Jednąz podstawowych czynności w procesie opracowywania
projektu koncepryjnego (nowego lub zmodyoGÓLNA CHARAKTERYSTYKA PRocEsU
PRoIEKToWANIA DWUŚLIMAKoWYCH UKŁADÓW
fikowanego układu uplasĘczniajacego wytłaczarki) jest
UPLAsTYczNIAJĄcYcH
dobór luzów międzyzwojowych w Poszcze1ólnych stre_
fach ślimaków, uwzględniający mozliwości wykonawW procesie projektowania przeciwbieznych układów cze w procesie wytwarzania ślimaków. Celem niniejszej
ślimakowych przeważają dzialania doświadczalne pracy była analiza przepływów międzyzwojowych oraz
v/spomagane wybranymi obliczeniami teoretycznymi
ich wpływu na przebieg procesu uplasĘczniania. Pow przeciwieństwie do projektowania układów współ- nadto przedstawiono analizę geometrycznego zarysu
bieznych, gdzie korzysta się równiez z symulacfnych
osiowego i czołowego ślimaków, a także mozliwości
pro gra mów komputerowy ch doty czących wyda jności uzyskania odpowiedniej wartości |uzów między zw ojowytłaczania oraz rozk|adu ciśnienia i temperatury two- wych w procesie obróbki ślimaków stozkowych.
rzywa wzdłuż układu uplastyczniającego.
Na schemacie I przedstawiono kolejnośćPostępowaPRZEPŁYW TWoRzYWA'T'iie'"t*E ZAZĘBIANIA sIĘ
nia podczas opracowywania projektu koncepcyjnego
dwuślimakowegoukładu uplastyczniającego.
We współczesnym ujęciu zintegrowanych procesów
Jednym z zasadniczych wymagań stawianych wytłarozwoju produkcji szczegóIne miejsce zajmuja metody
czatce do przetwórstwa tworzyw termoplastycznych
POLIMERY 200Ż, 47, nr
443
6
jest odpowiedni stosunek wydajności wytłaczania do
szybkościobrotowej ślimaka, zapewniaj4cy zarówno
krótki czas przebywania tworzywa w układzie uplastyczniającym, jak i małą częstotliwośćobrotów ślimaka
ogranicza1'4c ą zuży cie ukladu uplastyczniającego.
Dwuślimakowe układy ptzeciwbieżne tw orzą, pomijając |uzy międzyzwojowe, wzdłuznie i poprzecznie
zamknięte odcinki kanałów ślimaków
- komory' Zapewniaja one wymuszone transportowanie tworzywa,
ale są takze przyczyną małej efektywności 1'ego mieszaniawzdłużnego. Poprawę tej efektywnościmozna uzyskać dzięki zastosowaniu odpowiednich rozwiązań konzwłaszcza strefy
strukcyjnych stref ślimaków (rys' 1)
-
spręzania lub dozowania
- takich, jak np. dobór właściwych wartości luzów międzyzwojowych w poszczegó|nych strefach ślimaków. Wartośćluz6w (szczelin) międzyzwojowych (rys. 2) vrylwiera zasadniczy wpływ na
Ns. 3' Ruch tworzywa w wyizolowanej szczelinie mĘdzyzwojowej: (a) przekrój poprzeczny śIimaków; (b) przekrój
wzdłużnyprzez zazębiający sĘ zrłój;D
średnica zewnętrz-
-
na ślimakn; h
odpogłębokośćkanału śIimaka; V ol i Voz
wiednin prędkośćobwodową na średnbyzewnętrznej ślimaka
oraz na rdzeniu śIimaka (młożono prędkośćkątową śIimąków
-
-
a=1)
Fig. 3. Mass transport in the isolated intermeshing gap: (a)
screu cross-secti.on; (b) Iongitudinal sectinn of the intermeshing flight;D
external screw dinmeter; h
screw channel
depth; Vu, Voz
circumferentinl speed on the screw outer
dinmeter and screut core, respectiaely (assumed angular rselocity a = 1)
-
Rys. 2' Elementy geometryczne zazębirnia ślimaków u) przekroju osinwym: L
śIimak lewośIimak prawozwojowy,2
zwojowy, Sb min.
luz boczny minimalny, Sb maks.
Iuz
boczny maksymalny, S.
czołowy (walcowy), e
szero-luz
kośćgrzbittu zwoju, b
kąt pochyleszerokośćknnału, F
nin płaszczyzny bocznej zwoju
Fig. 2. Axial cross-sectinn of geometrical intermeshing elements: 1
right screw,2
kft screw; Su min.
side interscrew Bap (minimal), Sb -o*.
side inter-screw gap (maxi-
-
-
-
-
mąI), Sw
width, $
-calender 4ap,
-
-
-
-
e
-
-screw crest width,
flight flank inclinatinn angel
-
-
b
-
channel
przebieg Procesu uplastyczniania PVC. Przepływy
w szczelinach przeciwd ziałaja przepływowi tworzyw a
tfanspoltowanego w komorach, a jednocześnie umozliwiają wymianę tworzywa między komorami, polepszając tym Samym jego ujednorodnienie. Sprawnośćtransportowania tworzyw a, jego wymieszanie i czas przeby wania w układzie uplastyczniaiącym oraz stabilność
procesu w znacznej mierze za|eżą od wartości|uzów
międzyzwojowych ślimaków, tzn. od intensywności ruchów tworzy]^ra w szczelinach bocznych i czołowych śli-
maków (rys.3).
-
-
W obszarze
zazębiania ślimaków mozna wyróżnić
następujące r odzaje przepływów upiastycznionego two-
rzywa
14,
5,
1.3]:
międzyślimakowy, międzyzwojowy
(dzielony na przepływ w szczelinie bocznej i czołowej,
czyli walcowej) oraz przepływ przeciekowy.
Analiza prędkości odkształcenia tworzywa w dwuślimakowych przeciwbieżnych układach uplastyczniająryct wskazuje, że największe jej wartościwystępują
w czołowych szczelinach międzyzwojowych zazębiających się ślimaków (rys. 4)' Jednym z najważniejszych
względnych mierników efektywnościuplastyczniania,
w tym takze ujednorodniania, jest praca wymagana do
odkształcenia tworzywa podczas wytlaczania. Miarę
wykonywanej pracy stanowi prędkośćodkształcania
tw orzyw a, charakteryzowana gradientem poprzecznym
prędkości da*/dy występujacym w szczelinie czołowej
zazębiający ch się ślimak ów. P r zybliżone wartości takiego gradientu w dwuślimakowych układach przeciwbieżnych można obliczy ć z następując e1 zależności;
da,ldy = (Vot
-
Vo) /
5,,
(1)
gdzie: Vot iVoz
- odpozubdnin prędkośćobwodowa na średnicy zewnętrznej śIimaknoraz ną rdzeniu śIimaką (rys. 3);
Sw-
czołowy luz międzyzwojowy'
POLIMERY 2002, 47, nr
444
r ozw
6
ażaniach zanalizujemy wyłąc znie pr zepływ przez
szcze|iny boczne ślimaków.
'l
i
<-Ó-_-_--ł-
t
I
Rys. 4' Analiza przepływu międzyzwojowego tworzywa
w szczelinie czolowej: a) ruch tworzywa w wyŁolowanej
mĘdzyzwojorłej szczelinie walcowej; Vol iVoz
odpowied-
na średnĘzewnętrznej śIimakn oraz
nin prędkośćobwodowa
na rdzeniu ślimaka; S.
luz czołowy; b) rozkład ciśnbnin
(p); c) schemaĘczne przedstarłienb kfurunków dzinłania sił
na cząstkę znajdującą sĘ w obszarze najwĘkszego ciśnitnin
tworzywa
Fig. 4. Analysis of intermeshing flow in the calender gap: a)
mass transport in the isolated intermeshing gap; VoL Voz
circumferentinl speed on the screw outer dinmeter and screw
-
-
(p)
S.
- calender gap; b) pressure distributian; c) schemątb presentatinn of forces acting on a partiłIe
within the highest polymer pressure area
core, respectiaely;
Ry s, 5. S chemąt uplasty czninj 4ce go dwuśIimakow ego ukłądu
przeciwbieżne4o z zaznałzeniem ważnitj szy ch rodzaj óu) przepływu: 1śIimak prawozwojow!,2
ślimak lewozwojowy,
D
średnira zewnętrzna śIimaka, h"
wysokość zazębinnin
sĘ śIimaków, n
szybkośćobrotowa śIimąków, Su
Iuz
boczny,V,
natężenił przepływu w szczelinach bocznych,
V,
natężenit przepływu w szczelinie czołowej, V,,,
nat ężenie pr z epływu pr z eciłkow e go
Fig. 5. Fragment of the counter-rotating twin-screw plastcizing system showing the most important flow types: 1
right
screw,2
left screw, D
screw outer dinmeter, he
intermeshing height of screTt)s , n
screw rotating speed, Su
side
inter-screta.gap, V,
side gap flow rate, V,
calender gap
Ieakage flow rate
flow rate, V,
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
W przypadku ślimaków walcowych, objętościowe
natęzenie przepływu tworzywa Przez szczelinę boczną
(%), będące sumą Plzepływów wstecznych (wleczonego i ciśnieniowego) mozna wyznaczyć z uproszczone1
za|eżności(model jednowymiarowy) [1 4J :
W analizie przebiegu procesu uplastyczniania dwuślimakowego pomija się zarówno przeplywy międzyśli_
makowe, jak i przeciekowe ze względu na ich stosunko-- t- 1
-, nDn -l
wo małą wartośćw porównaniu z wartościami przepły(2)
vt=zn"|_
r^ArłsJ
wów międzyzwojowych' Poza tym podczas przepływów międzyzwojowych, zwłaszcza walcowych (rys. 4) gdzie: Su
luzy boczne, he
wlsokaśćzazębiania się śli- wzninsu)
zachodzi jednocześnie, optócz Procesu mieszania roz- maków, o - kąt pochylenia (kąt
Iinii śrubowej zwoprowadzającego, intensywny Proces mieszania ści- jów, n
szybkośćobrotowa ślimaków, D
średnicaśIimaką,
nającego, w tym takze proces ugniatania oraz rozciera- Lpu -spadek ciśnimin przepływu przez szczeliny boczne'
nia uplasĘcznionego tworzywa. ocena wPływu zarów|ak wynika z za|eżności(2), zvńększeniehr, Apu, Su,D
no elementów geometrycznych ślimaków, zwłaszcza oraz n wywołuje znaczny wzrost natęzenia przepływu
wym iarów szcz elin mię dzy zw o1owych (wys okości i sz etw or zy w a. Zby t duże wartoś ci V, (Ę. pr zepływu wstecz_
rokościszcze|iny), jak i szybkościobrotowej ślimaków nego) mogą być przyczyną wypływu tworzywa przez
(n) oraz lepkości tworzywa (r1) nastręcza pewne trudotwory odgazowania, a cieplo generowane wskutek tarności.Przepływy przez szcze|iny boczne (tj. występujacia moze powodować miejscowy rozkład cieplny twoce po obu stronach zwoju) łączą się równolegle z przerzywa. Oba te zjawiska, występujace oddzielnie lub
pływem przez szczelinę walcow4 (rys. 5) i są wywoły- równocześnie, uniemozliwiaja właściwyprzebieg procewane tym samym spadkiem ciśnienia, dlatego więc są su wytłaczania.
ściślewspółza|eżne'
Wykonanie w procesie technologicznym ślimaków
ZAGADNIENIA DoJYczĄcE WSPoŁDZIAŁANIA
o \^rymaganych luzach czołowych nie napotyka na istot-
-ffisł-]
ne trudności zewnętrzna powierzchnia grzbietów
zwojów jest szlifowana/
a uzyskanie odpowiedniego
kształtu den kanalów jest proste; dlatego teżw dalszych
Wykonanie układu uplastyczniającego, zwlaszcza
stozkowego, nastręcza wiele trudności.Jedną z kompli-
POLIMERY 2002,47,nr
445
6
kacji stanowi uzyskanie odpowiednich wartości hlzów
międzyzwjowych bocznych, w tym |uzów o wartości stałejwzdluż wysokościzazębiania się ślimaków hew strefie dozowania. Wartości Iuzów międzyzwojowych (bocznych i czołowych) w strefie dozowania powinny być stosunkowo małe (<1 mm) ze względu na konieczność występowania w tejstrefie odpowiednio wysokiego ciśnienia
potrzebnego do pokonania oporów przepływu w kanałach głowicy. P owy ższe założeniedoĘ czy zwlaszcza układów uplastyczniajacych stozkowych o duzym natęzeniu przepływu tworzy\Ą/a, gdzie końcowa częśćstref dozo]^/ania charakteryzuje się uzwojeniem o znacznej stromości pochylenia linii śrubowe1 zwojów.
Śfmaki wytłaczarek dwuślimakowych poddaje się na
ogół obróbce metodą frezowania za pómocą freza palcowego (trzpieniowo-stozkowego) o prostoliniowej powierzchni dzia|ania, rzadziejza pomocą freza krązkowego. ośfreza palcowego jest prostopadła do powierzchni
dna kanału i przesunięta względem osi ślimaka o war-
w przypadku obliczonego teoreĘcznie
w przypadku obrabiarek sterowanych numerycznie [15,
16l uzyskuje się za Pomocą Programu obliczeniowego
uwzględniajacego uzyskanie minimalnego odchylenia
|<rzywizny zarysv osiowego zwoju ślimakaod linii prostej przechodzącej przez skrajne punkty zarysu' określa
się je na podstawie wartościelementów geometrycznych
charakteryzujacych zarówno profil uzwojenia ślimaka,
jak i profil freza (rys. 6). Maksymalne odchyłkikrzywizny zarysu osiowego zwo1u ślimaka od linii prostej
-
tośćVy. Wymaganą wartośćprzesunięcia Yy freza
optymalnego
przesunięcia freza Yy są wyraźnie mniejsze od wartości
0,1mm U.5,171.
Rozkład wartościbocznych |uzów międzyzwojowych wzdłuż streĘ ślimaków w istotny sposób za|eży
m.in. od zmiany kąta pochylenia powierzchni bocznej
zwoju (p) (zwanego równiez kątem pochylenia ZaryslJ
osiowego zwoju) (rys. 6)' Wartość kąta B (pomijając odchylenia zalyslJ osiowego od linii prostej) za|eży od elementów geometrycznych ślimaka i fteza oraz od V'.
Wartośćtę mozna wyznaczyć z zależnościL9J,:
* 'o,2h)-zd'sinŁiŁsinŁ'Ł
ł cos Q, cos Q,,
'syQ. nD(D "[cos
B=arc,n[
'
(3)
gdzie: D
średnicazewnętrzna ślimaka,h
głębokośćknnału ślimąką,d7
średnicaminimalną fteza palcowego, T
kąt zarysu osiowego stożkowej powierzchni działania freza, Y ,
przesunĘcir osi freza względem osi śIimakn, Q"
kąt pochylenin linii śrubowej zwoju na średnicy zewnętrznej, Qw
kąt pochylenin linii śrubowej zwoju na średnicy rdzenia,
Znaczny dodatni wpływ na wartośćkąta p wywiera
kąt y, zw|aszcza w r azie występowania dużych kątów Qz.
Dodatni, ale mniej wyraźny wpływ ma V' ze względu na
nieznaczne jego wartości(<4 mm). Wzrost średnicyfreza
-
-
-
-
-
-
(d) z równoczesnym zmniejszaniem głębokościkanału
ślimaka(fu) powoduje zmniejszenie wartościkąta B.
Z anaIizy równania (3) wynika, że kąt B pochylenia
powierzchni bocznej zwoju nie zmienia się wzdłuz strefy ślimaka,gdy średnica, wartościkątów Q" i $," oraz
głębokośćkanalu są stale. Powyższy warunek spełniają
ślimaki walcowe ze stałym skokiem linii śrubowejzwoju lub zwojów' W przypadku ślimaków stozkowych za-
Rys. 6' Schemat względnego ustawitnin ślimaka ifreza w procesic obróbki. Oznaczenin układóln odniesbnia [1'7]: Xs,Ys, Zs
śIimaka;Xd, Yd, Za
-Zl układ
- ukłąd dzinłania freza; X1, Y1,
układ współrzędnych zarysu osiawego śIimaka;dl, dz
odpowbdnin średniłąślimakn na początku i końcu strefy; hl,
h2
-
odpowiednin wysokośćzarysu osiowego ślimaka ną
i końcu strefy; F
kąt ząrysu osiawego śIimąką;
początku
A-A
kąt ustąrl:i.enin osi freza (prostopadle do dną wrębu zwojów śIimaka)) Tx
- przesunĘcit pinnowe freza; v y - przesunĘcie pozbme
6
freza
Fig, 6. Scheme ot' relatiae positianing ot' the screw and mill
during machining. Reference coordinates [17]: Xr, Yr, Z,
crew coordinates; X6, Ya, Za
miII cutting coordinates; Xt,
coordinątes of the axinl screw profile; d1, dz- screw
dinmeters atbeginning and end of the zone, respectioeĘ;hl,hz
YL Zl
axinl screw profiles at beginning and end of the zone, res-pectiaeĘ;
cutter setB
- axial screw profile angle; 6 - millaerticąl
up angle (perpendirular to notch bottom); rx
mill
shift;Yy
horŁontal mill shift
-
POLIMERY 2002,47,nr
446
6
równo o stałej, jak i zmiennej głębokościkanałów
w praktycznych rozwiązaniach konstrukcyjnych kąt B
ulega zmianie wzdłużstrefy ślimaka; np. gdy skok 7
(wynikający zkątów 0" i 0-) ma stałą wartość, to kąt B
wyraźnie maleje wzdluż streĘ ślimakaze względu na
wzrost kąta pochylenia linii śrubowej zwoju.
geometrycznych ślimaków, głównie szerokości grzbietu
zwoju (e-in" = 5 mm), a takze mozliwości wykonawcze,
gdy dobiera się wartośćśrednicy freza (dnin. = 6 mm)'
tośćbocznych luzów międzyzwojowych zazębiający ch
się ślimaków na|eży odpowiednio zmienić szerokośćkanałów (b) wzd|uż strefy ślimaka.Wraz ze wzrastającym
skokiem linii śrubowej zwoju (T) oraz malejac4 głębo-
Istnieje obszerna literatura dotycząca obróbki ślimaków walcowych stosowanych w przekładniach ślimakowych [17], natomiast inne rodzaje ślimaków (np.
ślimakigloboidalne lub ślimakiStosowane w Wt|aczarkach do przetwórstwa twolzyw, zwłaszcza w dwuślimakowych wytłaczarkach przeciwbieznych) Są rozpatrywane raczej sporadycznie. W praktyce właśniete pozostałe rodzaje ślimaków znajduja dośćszerokie zastosowanie, a ich technologia jest skomplikowana.
We współczesnych stozkowych dwuślimakowych
wytłaczarkach przeciwbieznych wykorzystuje się również tzw. ślimaki o podwójnym stozku [18l, gdzie stożek
wierzchołków i stozek den kanałów (den wrębów zwojów) ślimakamaią różnązbieżność.Ponadto zmienia się
w nich na długościślimakawysokośćzarysu zwojów
(głębokośćkanałów ślimaka), a w efekcie
ślima- zarys
ka (kąt i przebieg zarysu osiowego ślimaka).
Precyzyjne
wykonanie ślimaka\Mymaga w procesie obróbki zmiany
w sposób ciągły względnego ustawienia ślimaka i freza
(odległościfreza od osi ślimaka). Zatem tego typu ślimaki powinny być wykonywalte za pomocą obrabiarek sterowanych numerycznie [15, 16]. Odpowiednie sterowanie obrabiarki nalezy uprzednio opracować na podstawie analizy za|eżnościzmiennościzarysu osiowego ślimaka od elementów geometrycznych narzędzia oraz od
parametrów względnego ustawienia freza i ślimaka
w procesie obróbki'
}eżeli podczas konstruowania ślimaków występuja
zmiany kąta B wzdluż streĘ to aby utrzymać stałą war-
kością(Ł) kanału ślimakastozkowego wyraźnie zmieniają sie wartości kąta B; koryguje się je zmianą wartości
b wzdłużstrefy w celu utrzymania śtałegobocznego luzumiędzyzwojowego (strefa E ślimaka, rys.7).
'1135
--ł[ ---
-Ą -
\I:19!b=35,2
C
A-A
--r---r--
Ł-ir
a-
----1
f:y4
b=29,7
fiq
c
D
E
/
1=222
\-
U:ruJ
b=4lł,2
E:!Ł
,180
280
_1
ł*
'Ś
s
ANALIZA zARYsU osIoWEGo Śrrvrłxow
STOZKOWYCH PODDAWANYCH OBROB CE
sTożKoWYM FREZEM PALCoWYM
Ustawienie freza i kinemaĘka obróbki ślimaka
trez
W procesie obróbki ślimakastozkowego sterowanym
numerycznie frezem palcowym o zarysie prostolinioWym w przekroju osiowym powierzchni działania, oś
freza ustawiona jest prostopadle do tworzącej stożka
den wyrębów zwojów ślimaka i w określonejodległości
od jego osi. odległośćosi freza t osi ślimaka (rys' 6)
I!s. 7. Przykład rozwiązanin konstrukcyjnego segmentu śIi- mozna rozłożyćna dwie składowe:
maka stożkowe4o oraz zarys osbwy freza palcowego; strefy
przesunięcie pionowe (r') polegające na odsunięślimaka:C
odgazowania, D
przejściowa, E
dazowaciu-freza od osi ślimakaw kierunku promieniowym
- w blkości char akt ery-zuj ące sf r ezow anie- zw oj u
nią ; ą i a
w celu ustawienia frezawe wrębie zwojów ślimaka,
Fig.7. Example of constructinn solutian of the conhal screw
(Vy) polegające na zsunięciu
- przesunięcie poziome
segment ąnd axinl proftle of the slotting miII; screw zones:
freza z płaszczyzny osiowej w kierunku prostopadłym
C
osi freza i osi ślimaka o określoną wartość.
- degassing, D - transient, E - feeding, a and cx - do W
parameters charącterŁing flight milling
przypadku niezerowej wartościVu wartość /l I1lUsi być tak skorygowana, aby uzyskać w danym przekroju poprzecznym ślimakażądany promień dna wrębu jePonadto w procesie projektowania ślimaków dwuśli_ go zwojów' Korygowanie r' odbywa się w płaszczyźnte
makowych wytłaczarek przeciwbieznych należy uw- równoległej do płaszczyzny osiowej ślimaka i odległej
zględnić wymagania wytrzymałościoweelementów
od niej o wartość przesunięcia poziomego' Przesunięcie
ffi
POLIMERY 2002,47,nr 6
+47
pionowe jest rózne na długościślimaka także w przypadku obróbki ślimaków stozkowych. Ustawienie freza
i ślimakaza|eży zatem od ich względnego wzajemnego
położenia, czyli musi zawierać Parametr kinematyki
względnego ruchu ślimaka ifreza w procesie obróbki.
Poza tym na|eży uwzględnić prostopadle ustawienie
osi freza do dna wrębu zwojów ślimakapod kątem 6
(półkąt stozka dna wrębów zwojów ślimaka)'
Układ równań opisujacY zarys osiowy ślimaka zawierający równanie wektorowe tworzącej narzędzia
w układzie ślimaka oraz równania opisujące warunki
obwiedni |17l- mozna zapisać w postaci ogólnej:
Q,v)
fr(u, Q, v) = 6
lz(u,l,v) = 0
l" =1"@,
(4)
(5)
(6)
punktu na prostej tworzącej
gdzie; u
- pąrąmetr położenin
zarysu osinwego freza, $
parametr powirrzchni dzinłanin
narzędzia, v
parąffietr rodziny powierzchni dzinłanin freza
-
w układzie śIimaka'
W odniesieniu do zadanej wartości parametru ł,
z układu równań (5) i (6) na|eży wyznaczyć odpowiadaj4ce mu wartości parametrów Q i v, by po podstawieniu
wartościtych trzech parametrów do równania wektorowego (4) otrzymać współrzędne punktu zarysu osiowego ślimaka.Cykl obliczeńpowtarza się, kolejno zmieniaj4c wartościparametru u' Zadajac wartościtego parametru w granicach odzera do górnej wartości granicznej
(liczbę punktów zatysu mozna zadawać w programie)
wznacza się kolejne punkty zarysu osiowego ślimaka.
Kąt zarysu osiowego ślimaka określasię w odniesieniu
do prostej poprowadz onej przez skrajne punkty zary su
osiowego (wyznaczajace połozenie dna kanału i grzbietu zwoju ślimaka)'
Liczby zwojów ślimaka nie wykorzystuje się ]M programie obliczeń, a szerokośćwrębu na średnicy zewnętrznej ślimaka (jako wielkośćpomocnicza) służydo
obliczenia wysokości zary su zw ojów ślimaka. Szerokość
wrębu określa się równolegle do osi ślimaka.
Uzytkownik programu sterującego obrabiarki zmienia dane liczbowe, uwzględniając elementy geometryczne poddawanego obróbce ślimaka lużytego freza'
Jako wyniki obliczeń otrzymuje się wartościkąta zarysu osiowego ślimaka (F) i przesunięcia pionowego freza (rr) oraz odchylenia zarysu osiowego ślimakaod
prostej łączącej skrajne punkty zarysu'
W procesie obliczeń róznych wartościIiczbowychYy,
dzięki zastosowaniu programu komputerowego/ uzyskuje się mozliwość określenia korzystnych wartości rx
i Vy, którym odpowiadają najmniejsze odchylenia zary-
su osiowego ślimaka od prostej.
wanej wytłaczarce dwuślimakowej 2T77 / 9M (opracowanej w IPTS Metalchem Toruń, wykonanej w ZMC}{
Metalchem Gliwice). Na rysunku 7 przedstawiono rozwiązanie konstrukcyjne odcinka ślimaka o uzwojeniu
ciągłym, które składa się z trzech stref trzyzwojowych
(c, F i D).
Zawarle w tabeli 1 wartościB i rx potwierdzaja
zmienność przebiegu Zarysu i kąta zarysu w róznych
przekrojach wzdluż osi ślimaka.
T a b e l a L' Prrykład wyników obliczeń kąta zarysu osiowego
ślimaka (B) i przesunięcia pionowego lreza (r,| z uwzględnieniem
korzystnych wartości Vy, doĘczący stożkowego ślimakaw zmodyf ikowanej wytłaczarce dwuślimakowe j
T a b I e 1. Example calculations of axial screw profile angle (B)
and vertical mill shift (rJ with consideration of advantageous Vu
values of a conical screw in a modified twin-screw extruder
Vr, mm
B
/r, IIIEI
lewy
2,1Ż5
9"57',26"
33,151
Prawy
lewy
prawy
-2,103
9"57',22"
33,156
3,500
-3,517
9"5g',53"
23,170
9"58',58"
23,170
Strefa
odgazowania (C
początek
dozowania (E)
koniec
)
zarys
zarys
zarys
zarys
Jak wynika z ob|tczeń, istnieje ściśleokreślona wartośćprzesunięcia poziomego freza Yy odpowiadająca
minimalnym wartościom odchyłek (odchyleń) zarysu
wrębu ślimaka od prostej; np. W omawianym przypadku nie przekraczają one'\Martości 0,003 mm (rys. 8), natomiast w przypadku wartościniekorzystnej, np. Vy =
0, odchyłki zarysu przekraczają 0,3 mm. Prawy (naporowy) i lewy bok zarysu wrębu zwojów ślimaka powinny być poddawane obróbce oddzielnie, z połozeniem
freza po przeciwnych stronach pŁaszczyzny osiowej ślimaka.
e
o
:3d
3.
p
o
nr punktu zorysu
Iłys. 8. Wartości odchyłek ząrysu osi'owego ślimakąstożkowe-
Wyniki obliczeń
go na końcu strefy E po lewej stronie boku zarysu (Y,
Badaniom zarysu osiowego ślimakapoddano odcinek ślimakastozkowego zastosowanego w zmodyfiko-
3,500), tj. po stronb naporowej zrłoju
Fig. 8. Deaiatinns of conbal screw axinl profile at end of zone
E on left flank (Yy = 3.500), i.e. on the flight thrust side
=
u8
POLIMERY 200Ż,47,nr 6
|ednak największy wPływ na kąt zarysu i sam zarys
ma Przesunięcie poziome Vy (parametr ustawiany na
obrabiarce). |ezeli odchyłki maja być minimalne na całej
dlugości ślimaka,to nalezy w sposób ciągły zmieniać
Parametry Yy i rx w procesie obróbki. Zatem dokładna
obróbka ślimaków stożkowych jest mozliwa Ęlko za pomocą obrabiarek sterowanych numerycznie.
W zakresie poszczegóInych stref przesunięcie paziomu freza zmienia się w sposób liniowy, jednak jak to
wynika z rys.9, szybkość Ęch zmian jest rózna wzdłuż
poszczególnych stref ślimaka.
witego zazębiania segmentów ślimaka(bez zukosowania krawędzi zwojów) była niemozliwa w końcowym
odcinku strefy E, gdzie krawędzie naporowe grzbietów
zwojów jednego ślimaka dotykaly powierzchni bocznych zwojów drugiego ślimaka (brak luzu bocznego,Luz
czolowy wynosił ok. 4 mm)' Na rys. 10 przedstawiono
kształt szcze|iny między zazębiającymi się ślimakami
o
Ęs' L0. Fragment
usytuowani.a wzajemnego ślimaków stożkowych w strefb dozowania E: a) przekrój poprzeczny l b) przekrój wzdłużny w obszarze zazębianin, c) szczelina mĘdzy za-
zębiającymi sĘ ślimakami w kierunku pochylenin linii śrubowej (odległościminimalne mĘdzy bokami zwojóra współpracujących śIimaków); Sst
Iuz mĘdzyzwojowy na średnicy
podziałowej
Fig. 1'0. Fragment of the placing of coniłal screws in the feeding zone E: a) cross sectian,b) longitudinal section, c) Iongitudinal intermeshing gap towards screw helix inclinatinn (minimal distances between interacting screw fights); Sł flight
gmnice stref
b
-
2
3
gap on intermesh diameter
E
c
D
Ws'9,Korzystne poziame przesunĘcb freza (Yil w poszczegóInych strefach segmentu ślimaka; 1
Itwy bok zarysu, 2
_
-
prawy bok zarysu
Fig. 9. Adaantageous horizontal mill shift (Yy) for indioidual
screw zones;1
left outline,2
right outline
-
-
Praktyczne wykonanie segmenfu ślimaka
Segment ślimakazawierający strefy
C
(odgazowa-
nia), D (przejściową)i E (dozowania) został wykonany
za pomocą obrabiarki firmy Waldrich (Coburg, Niemcy)
za Pomocą freza palcowego o minimalnej średnicyĄ^l".
= 14 mm (T = 10o); jego przesunięcie Vy po stronie naPoru zwoju wynosiło -3,526, natomiast po stronie przeciwnej zwoju 3,565' Stała wartośćprzesunięcia Vy na dlu-
gościposzczególnych stref segmentu ślimakawynika
z ograniczeń technologicznych obrabiarki' Próba całko-
-
w kierunku wzniosu linii śrubowejzwoju. Powstałe
między płaszczy znami bocznym i zw ojów ws p ó łpra cu jącycn ś[maków odległościminimalne są rózne wzdluż
wysokościzazębiania się ślimaków. Na średnirystozka
podziałowego zazębiających się ślimaków, gdzie kąty
pochylenia linii śrubowych zwoi obu ślimaków są jednakowe (0rrr = 0zrr = ok. 39o),ltszboczny jest maksymalny
wynosi Sst = ok. L,9 mm, i jest równy wartości
projektowanej. Natomiast na średnicy zewnętrznej stozka od strony naporowej przy krawędzi grzbietu zwoju
luzboczny minimalny wynosi Sb min. = 0 (Q, = ok. 32o),
a luz boczny maksymalrty Sb maks. = 0,9 mm (Q.1, = ok.
51o). odpowiednie zukosowanie krawędz i grzbietów
zwojów (a x a., rys. 7) w końcowym odcinku strefy E wyeliminowało powstały mankament, dając minimalny luz
pr zel<r aczaj4cy 0,6 mm.
Uwzględniajac napotkane problemy w uzyskaniu
odpowiednich luzów bocznych (o wartości stałej
wzdłużwysokościzazębiania się ślimaków hr) w płaszczyźnie prostopadlej do linii pochylenia zwoju na śred_
nicy podziałowej stozka ślimaków, wykonano wstępną
POLIMERY 200Ż,47,nt
M9
6
ku podziałowym Qsr są większe od 35o, a różnica kątów
pochylenia (0r - 0) > 15o' zachodzi konieczność odpo_
Ęs. L1. Zarys czołowy zazębiających sĘ ślimaków stożkowych na końcu strefy E segmentu śIimąką(wg rys. 7): 1'
ślimąkprawozwojow!, 2
śIimak leusozwojowy, S
luz
-
-
boczny w przekroju czołowym
Fig.11. Frontal profile of the intermeshing conbal screws at
end of zone E of the screw segment: 1.
right screw, 2
Ieft
screw, S
-
-
Iateral gap in front cross-sectian
-
analizę przebiegu zarysu czołowego zazębiających się
ślimaków [19]. Rysunek 11 przedstawia zarys czołowy
zazębia1ących się ślimaków na końcu strefy E (z za|ożeniem 5ą, = Q); wynika z niego, że na średnicy zewnętrznej stozka brak jest |uzu (|uz ma wartośćujemną wynoszącą -3,1' mm)' natomiast na średnicypodziałowej już
ma wartośćdodatnią (1,3 mm). Analiza zarysów czolowych zazębiających się ślimakóW w pozostałych strefach (C i D) segmentu potwierdza uzyskane wyniki pomiarów dotyczące braku stałościwartości |uzów bocznych wzdłużhe,gdy założysię prostoliniowy zarys osiowy kanału ślimaka'
PODSUMOWANIE
wiedniego zukosowania krawędzi zwojów lub zwiększenia luzu bocznego.
Istnieje pilna potrzeba rozwinięcia badań dotyczących współdzialania ślimaków, w tym ślimaków o ewolwentowym zarysie czołowym |79|.Luzy między wspóŁ
pracującymi ślimakami są rózne w poszcze9óInych
miejscach powierzchni zwojów. Tak więc w przekroju
osiowym są większe niżw prze|<roju czołowym, i kolei
no większe niż w plaszczyźnie prostopadłej do linii pochylenia z.woju na średniry podziałowej stozka ślimaków. Szczelina międzyzwojowa boczna (rys' 10) powinna mieć w przybliżeniu kształt równolegloboku
w przypadku ślimaków walcowych, tak jak przedstawia
to rys' 2, |ub kształt trapezu w przypadku ślimaków
stozkowych; wymagana róznica |uzów bocznych
(Sbmaks. - Sunłn) to 0,1-0,3 mm. Przyjmuje się, ze na
przeplywające plzez szczelinę tworzywo wzdłuż jój szerokości(ł') powinna oddziaływaćw przybliżeniu jednakowa szybkośćścinania.
LITEIG:TURA
1.
2.
fach ślimaków, z uwzględnieniem mozliwości wyko_
nawczych (ograniczenia technologiczne).
Analiza zarysu osiowego ślimaków potwierdza
zmienność jego przebiegu w różnych przekrojach
wzdłużosi ślimaka. W badaniach nalezy uwzględnić automatyczne poszukiwania korzystnej wartości Y, przez
opracowany Program (metodą kolejnych przybliżeń)'
Wyniki oceny zarysów czołowych zazębiających się ślimaków potwierdzają brak stałościwartościluzów bocznych wzdłuz wysokości zazębienia się ślimaków, jezeli
przyjmuje się, ze zarys powierzchni bocznej zwoju ślimaka wprzekroju osiowym maw przyblizeniu kształtprostoliniowy.
leże|i podczas konstruowania ślimaków zmienia się
kąt B wzdłużstrefy, to w celu utrzymania stałej wartości
luzów międzyzwojowych bocznych zazębiajacych się
ślimaków (rys. 2) na|eży odpowiednio zmienić szerokościkanałów (b) wzdłużstrefy' Poza tym w strefach,
gdzie wartości kątów pochylenia linii śrubowej na stoz-
Stasiek J.: Polimery 1997, 42,1,4.
3.,,Der
4.
5.
A
Jedną z podstawowych czynnościw procesie opraco_
wywania projektu koncepcyjnego nou/ego lub zmodyfikowanego układu uplastyczniajacego wytłaczarki jest
dobór luzów międzyzwojowych w Poszczególnych stre-
Hensen F., Knappe W., Potente H.: ,,Handbuch der Kunststoff-Extrusionstechnik, I Grundlagen" , CarI Hanser Verlag,
Monachium_Wiedeń 1989, str' 298_316.
7.
8.
v.
10.
Doppelschneckenexkuder im Extrusionsprozes", YDI
Verlag GmbH, Diisseldorf 1991, str. 73-1,23.
Sikora R':,,Przetwórstwo twofzyw wielkocząsteczkowych",
Wydawnictwo Edukacyjne, W ar szaw a 1 993, str. 58-69.
White J. L.: ,,Twin Screw Extrusion", Carl Hanser Verlag, Monachium-Wiedeń-Nowy Jork 1990, str. 148_191.
Pat. polski779 289 (1,996).
Stasiek j.: Plaste Kautsch. 1994, 36,
392..
Stasiek J.: Polimery 7995,40,542.
Stasiek J.: Plasty Kaućuk 1'998, 35, 70'
Rohatyński R': ,,Proceedings of International Seminar on
TMC 96" ,
Tools and Methods of Concurrent Engineering
Budapeszt 1 996, Materialy, str. 757
5.
Stasiek l.: l. Eng. Design 2000, 77,
12. Langhorst H.: ,,Practical Design
11.
-77
1,33.
-
of Screws for High-performance Extruders", Dissertation, RWTH Aachen 1989, str.
51-101.
fansen L. P. B. M.: ,,TWin Screw Extrusion", Elsevier Scientific
Publishing Company, Amsterdam-Oxford-Nowy Jork
1,978.
't4. Fiedler L., Pipiale A., Marinow S.: Plns
15.
te
Kąutsch.1'994,41',1'91.
Materiały informacyjne firmy Werkzeugmaschinenfabrik
Adolf Waldrich Coburg GmbH & Co (Niemcy).
firmy Weingiirtner Maschinenbau GmbH (Austria),,Schneckenfertigung von der Konstruktion-bis zur Doku-
16. Informacja
mentation". Plast. Spec. 2000, 72, 16, 60.
17. Nieszporek T. : Mechanik'1999, 72, nr'1,.
18. Pat. polskilL4 692 (1985).
19. Boral P.: ,,Analiza geometryczna układu dwóch
ślimaków
stożkowych o stałym i zmiennym skoku stosowanych w wytłaczarkach dwuślimakowych do transpor tu tw or zyw a", pr a-
ca doktorska, Politechnika Częstochowska, Częstochowa
2001,.