DE10352202B4

DE10352202B4 - Planetwalzenextruder mit Planetenspindeln und Anlaufring

Info

Publication number: DE10352202B4
Application number: DE10352202.6A
Authority: DE
Inventors: Harald Rust
Original assignee: Entex Rust and Mitschke GmbH
Current assignee: Entex Rust and Mitschke GmbH
Priority date: 2003-11-05
Filing date: 2003-11-05
Publication date: 2017-06-01
Anticipated expiration: 2023-11-06
Also published as: DE10352202A1

Abstract

Planetwalzenextruder mit einer Zentralspindel, Planetenspindeln und einer innen verzahnten Gehäusebuchse oder einem innen verzahnten Gehäuse, wobei die Planetenspindeln mit den in Richtung des Schmelzestromes hinteren Stirnflächen Gleitflächen bilden und mit diesen an einer Gleitfläche eines Anlaufringes gleiten, wobei die Gleitflächen an den Planetenspindeln und/oder die Gleitfläche am Anlaufring gehärtet sind, dadurch gekennzeichnet, a) dass die Gleitflächen (21) durch eine Auftragsschweißung (I, II, III) gebildet werden, b) wobei die Auftragsschweißung (I, II, III) eingeebnet und geschliffen ist, c) wobei deren Härte größer als die Härte eines Planetenspindel-Grundmaterials ist und d) die Härte größer als 80 HRC ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Planetwalzenextruder nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Planetwalzenextruder sind spezielle Extruder. Extruder dienen vorzugsweise der Verarbeitung von Kunststoff. Dabei wird Kunststoff zumeist in Granulatform zusammen mit Zuschlägen in den Extruder eingesetzt. Die Einsatzmischung wird plastifiziert, homogenisiert, anschließend auf Extrusionstemperatur abgekühlt und im schmelzflüssigen Zustand wieder ausgetragen. Die Austragdüse wird als Extruderwerkzeug bezeichnet.
Der Planetwalzenextruder hat gegenüber anderen Extruderformen beim Plastifizieren, Homogenisieren und Abkühlen erhebliche Vorteile.
Deshalb gewinnt der Planetwalzenextruder zunehmend an Bedeutung.
Seine besondere Wirkungsweise gewinnt der Planetwalzenextruder durch seinen Aufbau und die Wirkungsweise seiner Einzelteile. Kern des Planetwalzenextruders ist eine Zentralspindel, die mit einer Vielzahl von Planetenspindeln (Planetwalzenspindeln) kämmt. Zumeist handelt es sich um 6 bis 12 Planetspindeln. Die Zahl der Planetenspindeln steht in der Regel im Zusammenhang mit dem Extruderdurchmesser. Die Planetenspindeln kämmen zugleich mit der Innenverzahnung einer umgebenden Gehäusebuchse oder der Innenverzahnung des Gehäuses. Während der Drehung der Zentralspindel laufen die Planetenspindeln um die Zentralspindel um.
Die Einsatzmischung wird zwischen der Zentralspindel, den Planetenspindeln und der Buchse in extremer Weise bearbeitet. Die Bearbeitung ist intensiv und besonders schonend, weil die Molekülketten nicht oder nur minimal geschert werden.
Die Zentralspindel wird in axialer Richtung durch Lager gehalten, welche die Axialkräfte aufnehmen. Die Planetenspindeln laufen gegen einen in Strömungsrichtung der Schmelze am Ende der Planetenspindeln angeordneten Anlaufring. Sie gleiten mit ihren Stirnflächen entlang der Stirnfläche des Anlaufringes.
Nach der DE 19721808 A1 werden die Reibungsverhältnisse zwischen den Planetenspindeln und dem Anlaufring durch eine besondere Gestaltung der Planetenspindelenden und/oder eine besondere Materialauswahl verbessert. Die besondere Gestaltung sieht vor, dass die Planetenspindeln und/oder der Anlaufring mit einem Gleitstück versehen sind. Aufgabe des Gleitstückes ist es, den Umfang der Gleitfläche auf ein Maß zu beschränken, bei dem noch eine zulässige Flächenpressung zwischen den Planetenspindeln und dem Anlaufring besteht. Das Gleitstück soll am Anlaufring und an den Planetenspindeln anmontiert sein. Die Gleitstücke können dabei die Form von Stiften besitzen. Für jede Planetenspindel ist ein Stift vorgesehen, der am betreffenden Spindelende mittig in die Planetenspindel eingelassen ist. Wahlweise ist auch eine zusätzliche Härtung der Gleitflächen am Anlaufring und an den Planetenspindeln vorgesehen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Planetenspindeln vorzugsweise ohnehin gehärtet werden, um dem an den Planetenspindeln wirkenden Verschleiß Rechnung zu tragen.
Unter dem Druck der Planetenspindeln erfahren die Gleitflächen noch einen zusätzlichen Verschleiß, dem nach der DE 19721808 A1 durch zusätzliche Härtung begegnet wird. Mit der zusätzlichen Härtung sind an den Gleitflächen Härten bis 62 HRC (Rockwell-Härte) vorgesehen.
Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, den Vorschlag der DE 19721808 A1 noch zu verbessern. Nach der Erfindung wird das dadurch erreicht, dass bei einem Planetwalzenextruder nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 die Gleitflächen durch eine Auftragsschweißung gebildet werden, wobei die Auftragsschweißung eingeebnet und geschliffen ist, wobei deren Härte größer als die Härte des Planetenspindel-Grundmaterials ist und die Härte größer als 80 HRC ist.
Die Auftragsschweißung erlaubt es, für die Planetspindeln auch besonders zähe und zugleich biegsame Stähle einzusetzen, die sich an der Gleitfläche bei notwendiger schonender Behandlung nur begrenzt härten lassen. Durch die Auftragsschweißung kann an der Gleitfläche dagegen ein Stahl mit besonders guter Härte bzw. mit besonders guter Härtfähigkeit aufgetragen werden. Die Auftragsschweißung kann teilflächig oder vollflächig an den Stirnflächen der Planetspindeln und/oder an dem Anlaufring vorgesehen sein. Die Auftragsschweißung bildet zunächst eine unebene Oberfläche. Deshalb ist nach dem Schweißen eine Einebnung der Auftragsschweißung vorgesehen. Die Einebnung wird vorzugsweise durch Schleifen erreicht. Sofern eine übliche spanabhebende Bearbeitung durch Fräsen oder Drehen Anwendung findet, müssen die Schwierigkeiten aus der härteren Oberfläche überwunden werden. Beim Schleifen ist das leichter als beim Drehen und Fräsen.
Zum Auftragsschweißen kann die Stirnfläche der Planetspindeln glatt bzw. eben sein, so daß auf der Stirnfläche der Planetspindeln eine Schicht entsteht. Es können auch Bohrungen oder andere Vertiefungen in die Stirnfläche eingearbeitet werden, die durch das Auftragsschweißen ausgefüllt werden. Vorzugsweise wird die Auftragsschweißung darüber hinaus so ausgeführt, daß auf der Stirnfläche der Planetspindeln eine Erhebung entsteht, die ganz oder teilweise wieder eingeebnet wird.
Vorzugsweise ist eine konische Bohrung mit Aufweitung nach außen in der Stirnfläche der Planetspindeln vorgesehen. Die konische Bohrung erleichtert das Auftragsschweißen im Grund der Bohrung, weil dadurch weniger Gefahr für den Schweißer besteht, mit der Elektrode die Wand der Bohrung zu berühren und die Elektrode zu früh zu zünden.
Noch weiter bevorzugt, nimmt die Aufweitung nach außen zu. Das kann kontinuierlich oder in Stufen erfolgen. Die größere Aufweitung außen schafft außen eine größere Fläche der Auftragsschweißung.
Günstig ist die Fertigung in Stufen, wobei die Aufweitung/Konizität am außenseitigen Ende der Bohrung vorzugsweise mindestens 90 Grad und höchstens 150 Grad, noch weiter bevorzugt 110 bis 130 Grad beträgt. Vorzugsweise ist diese große Aufweitung/Konizität über eine Bohrungslänge bis zu 5 mm vorgesehen, noch weiter bevorzugt über eine Bohrungslänge bis zu 3 mm. Der übrige konische Teil der Bohrung hat eine Aufweitung/Konizität von 30 bis 90 Grad, vorzugsweise eine Aufweitung von 50 bis 70 Grad.
Die Tiefe der Bohrung ist abhängig von der gewünschten Schichtdicke der Auftragsschweißung. Die Schichtdicke der Auftragsschweißung beträgt vorzugsweise mindestens 1 mm und unter Anwendung der Pufferschicht bis 20 mm, noch weiter bevorzugt 3 bis 15 mm und höchst bevorzugt 10 bis 14 mm.
Die Anzahl der Schichten beträgt vorzugsweise mindestens 2 und unter Anwendung der Pufferschicht bis 6, vorzugsweise 3 bis 5. Die Anzahl der Lagen wird durch deren Dicke bestimmt. Vorzugsweise ist eine Lagendicke von 2 bis 5 mm, noch weiter bevorzugt eine Lagendicke von 3 bis 4 mm vorgesehen.
Günstig ist ferner eine mehrschichtige Auftragsschweißung, wobei als erste Schweißschicht eine Pufferschicht Anwendung findet. Aufgabe der Pufferschicht ist, die Verbindung der zu härtenden Schweißschicht mit dem Grund-Material der Planetspindeln zu erleichtern und/oder den Aufbau von Spannungen in der Verbindung zwischen Auftragsschweißung und dem Grand-Material der Planetspindeln zumindest zu begrenzen. Das Grund-Material ist vorzugsweise ein kohlenstoffreicher Stahl, die harte Auftragsschweißung ein kohlenstoffarmer Stahl.
Durch mehrlage Ausbildung der kohlenstoffarmen Auftragsschweißung kommt es zu immer reineren und deshalb auch härteren Schweißlagen.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt:
1 zeigt einen Extruder mit überlangem Planetwalzenteil 11 und einer Einlaufschnecke 1. Der Planetwalzenteil setzt sich aus drei Modulen mit einer gemeinsamen Zentralspindel 9 zusammen. Jedes Modul besteht aus einem äußeren Gehäuse 5 in Rohrform, das an beiden Enden Flansche 6 bzw. 7 aufweist. An den Flanschen 6 und 7 sind die Module miteinander verschraubt. Dabei werden die Gehäuse 5 durch Zentrierringe zentriert. Die Zentrierringe sind in entsprechenden Ausnehmungen der Gehäuseflansche eingelassen.
Zu jedem Planetwalzenmodul gehört auch eine Buchse. Die Buchse sitzt innen im Gehäuse 5. Die Buchsen werden bei der Montage in die Gehäuse eingeschoben. Das geschieht vorzugsweise vor der Verschraubung der Flansche 6 und 7. Die Buchsen können aber auch nach der Verschraubung der Flansche 6 und 7 eingeschoben werden. Dazu sind die Zentrierringe mit einer Bohrung versehen, die gleich der Gehäusebohrung ist.
Zwischen den Buchsen sitzt jeweils ein Anlaufring 8. Der Anlaufring hält die Planetspindeln 10 in ihrer Umlaufposition um die gemeinsame Zentralspindel 9.
Die Spitze der Zentralspindel ist mit 12 bezeichnet und korrespondiert mit einem vorderen Anlaufring 11, der die gleiche Funktion wie die Anlaufringe 8 hat und darüber hinaus einen Spalt bildet, durch den das extrudierte Material in die Extruderdüse gedrückt wird. Die Extruderdüse ist nicht dargestellt.
Zur Zentrierung des Anlaufringes 12 sind spezielle Zentrierringe vorgesehen, die mit dem Gehäuse 5 fest verbunden sind. Die Zentrierringe füllen einerseits die Ausnehmung im Flansch 6 aus, der für die Zentrierringe bestimmt ist. Andererseits bilden die Zentrierringe frontseitig einen zusätzlichen Zentrierflansch.
Am rechten Ende bildet die Zentralspindel 9 eine Schnecke für eine Einlaufzone. In diesem Bereich ist ein separates Gehäuse 1 mit einer Einlauföffnung 2 vorgesehen. Das Gehäuse 1 ist aufgebaut wie das Gehäuse 5. Die zugehörigen Flansche sind mit 3 und 4 bezeichnet. Das Zusammenwirken des Flansches 4 mit dem Anschlußflansch 7 des nächsten Gehäuses 5 ist das gleiche wie das Zusammenwirken der Flansche 6 und 7. Die Füllschnecke am rechten Teil der Zentralspindel hat nur Füllfunktion, im Ausführungsbeispiel keine Plastitizierungs- und keine wesentliche Homogenisierungsfunktion.
Jedes Gehäuse 5 eines Moduls ist mit zwei Kühlstrecken/Beheizungsstrecken versehen. Zu der einen Strecke gehören spiralförmig an der Gehäuseinnenfläche verlaufende Kanäle, die über Anschlüsse mit einem Kühl-/Beheizungsmedium beschickt werden können. Zur anderen Strecke gehören spiralförmig verlaufende Kanäle an der Gehäuseinnenfläche, die über Anschlüsse mit Kühlmittel/Beheizungsmittel beschickt werden können.
Jedes Modul ist im Ausführungsbeispiel 600 mm lang, so dass sich eine Gesamtlänge von 1,8 m ergibt.
Beide Planetwalzenteile sind in nicht dargestellter Weise so abgestützt, daß eine für den Betrieb wesentliche Durchbiegung nicht gegeben ist.
Jedes Modul besitzt 9 Planetenspindeln.
Die 2 zeigt einen Ausschnitt des anlaufseitigen Endes einer Planetspindel aus Chrom/Molybdän/Vanadium-Stahl. Die Gleitfläche der Planetspindel ist mit 21 bezeichnet. Die Planetspindel gleitet mit der Fläche 21 an dem Anlaufring.
In die Stirnfläche ist eine zylindrische Bohrung mit einem Durchmesser von 6 mm und einer Tiefe von 13 mm zentrisch eingebracht worden. Der in der Zeichnung untere Bereich 23 der Bohrung bleibt zylindrisch. Der darüber liegende Bereich 22 ist mit einem Konuswinkel von 60 Grad konisch aufgebohrt worden. Der obere Bereich 24 ist mit einem Konuswinkel von 120 Grad konisch aufgebohrt worden. Der Bohrungsdurchmesser an der Gleitfläche beträgt 18 mm.
Die Planetspindeln werden mit den Bohrungen auf das Maß gehärtet, mit dem die gewünschte Verschleißfestigkeit am Umfang/an den Zähnen der Planetspindeln erreicht werden soll.
Eine noch größere Härte wird durch Auftragsschweißung erreicht, mit der die Bohrung gefüllt wird. Dabei wird ein Stahl gewählt, der schon durch Abkühlen an der Luft eine gewünschte größere Härte erreicht. Im Ausführungsbeispiel ist ein Schweißmaterial gewählt worden, bestehend aus C, Mn, Mo, Si, Cr, V, Mo, Stabilisatoren und Fe. Der C-Anteil ist gegenüber dem nachfolgend erläuterten Puffermaterial vergleichsweise hoch.
Im unteren Bereich ist eine Schweißlage P aus einem Puffermaterial vorgesehen. Als Puffermaterial ist ein Schweißmaterial gewählt worden, bestehend aus C, Ni, Cr, Nb, Ti, Stabilisatoren und Fe. Dabei ist der C-Anteil gering. Im Bereich 22 sind zwei Schweißlagen I und II aus einem härtenden Stahl vorgesehen, der schon durch Luftkühlung härtet. Im Bereich 24 ist eine dritte Lage III aus dem gleichen aushärtenden Stahl vorgesehen.
Sämtliche Auftragsschweißung erfolgt elektrisch mit Elektroden, die in der Bohrung abschmelzen. Nach dem Schweißen erreicht die Auftragsschweißung unbehandelt eine deutlich höhere Härte als das Grundmaterial der Planetspindel.
Die Schweißlage III wölbt sich gegenüber der Gleitfläche 21 vor. Die Vorwölbung wird anschließende auf das Niveau der Gleitfläche 21 beigeschliffen.
In anderen Ausführungsbeispielen ragt die Auftragsschweißung trotz Planschliffes gegenüber den ursprünglichen Stirnfläche der Planetspindeln vor. Das Maß beträgt vorzugsweise bis 3 mm, noch weiter bevorzugt bis 2 mm.
In anderen Ausführungsbeispielen werden größere oder kleinere (Schweißgut gefüllte) Bohrungen zentrisch vorgesehen. In weiteren Ausführungsbeispielen sind bei Planetspindeln mit besonders großem Durchmesser wahlweise auch mehrere Bohrungen vorgesehen.
Vorzugsweise ist die Planetspindel am anlaufseitigen Ende etwas zurückgeschnitten. Der Rückschnitt bewirkt eine geringe konische Neigung der Stirnfläche an der Planetspindel und reicht bis annähernd an die Auftragsschweißung, so daß die Planetspindelkräfte im Wesentlichen von der Auftragsschweißung auf den Anlaufring übertragen werden.
3 zeigt eine Einzelansicht einer Planetspindel 30. In die Planetspindel 30 ist in Förderrichtung der Schmelze am hinteren Ende ein Stift 31 eingesetzt. Der Stift 31 ist besonders verschleißfest ausgelegt, hier besonders gehärtet. Der Stift 31 hat einen Durchmesser der kleiner als der halbe Fußkreis der Verzahnung der Planetspindel 30 ist.

Claims

Planetwalzenextruder mit einer Zentralspindel, Planetenspindeln und einer innen verzahnten Gehäusebuchse oder einem innen verzahnten Gehäuse, wobei die Planetenspindeln mit den in Richtung des Schmelzestromes hinteren Stirnflächen Gleitflächen bilden und mit diesen an einer Gleitfläche eines Anlaufringes gleiten, wobei die Gleitflächen an den Planetenspindeln und/oder die Gleitfläche am Anlaufring gehärtet sind, dadurch gekennzeichnet, a) dass die Gleitflächen (21) durch eine Auftragsschweißung (I, II, III) gebildet werden, b) wobei die Auftragsschweißung (I, II, III) eingeebnet und geschliffen ist, c) wobei deren Härte größer als die Härte eines Planetenspindel-Grundmaterials ist und d) die Härte größer als 80 HRC ist.
Planetwalzenextruder nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine teilflächige Auftragsschweißung (I, II, III).
Planetwalzenextruder nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen mehrschichtigen Aufbau der Auftragsschweißung (I, II, III), bei der die in dem Aufbau untere Auftragsschicht eine Pufferschicht (P) ist.
Planetwalzenextruder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Dicke der Auftragsschweißung (I, II, III) von 1 bis 20 mm, vorzugsweise 3 bis 15 mm und höchst bevorzugt 10 bis 14 mm.
Planetwalzenextruder nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Schichtdicke jeder Auftragslage (I, II, III) bis 6 mm, vorzugsweise von 2 bis 5 mm und noch weiter bevorzugt von 3 bis 4 mm.
Planetwalzenextruder nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Grundmaterial der Planetenspindeln Bohrungen (22, 23, 24) vorgesehen und mit einer Auftragsschweißung (I, II, III) verfüllt sind.
Planetwalzenextruder nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch Bohrungen (22, 24), die eine Aufweitung aufweisen, die sich nach außen konisch erweitert.
Planetwalzenextruder nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufweitung nach außen kontinuierlich größer wird.
Planetwalzenextruder nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufweitung der Bohrung in Stufen größer wird.
Planewalzenextruder nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufweitung der Bohrung (24) am außenseitigen Ende 130 bis 150 Grad, vorzugsweise 110 bis 130 Grad beträgt.
Planetwalzenextruder nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufweitungung der Bohrung (22) im übrigen konischen Teil 30 bis 90 Grad, vorzugsweise 50 bis 70 Grad beträgt.
Planetwalzenextruder nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Auftragsschweißung (I, II, III) sich nach dem Verfüllen der Bohrung (22, 23, 24) gegenüber der ursprünglichen Stirnfläche der Planetspindeln vorwölbt und abgeschliffen wird, so daß die geschliffene Fläche gegenüber der ursprünglichen Stirnfläche vorsteht oder mit der ursprünglichen Stirnfläche fluchtet.
Planetwalzenextruder nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch ein Vorstehen von bis zu 3 mm, vorzugsweise bis zu 2 mm.
Planetwalzenextruder nach einem der Ansprüche 6 bis 13, gekennzeichnet durch jeweils eine zentrische Bohrung (23) oder durch mehrere verteilte Bohrungen in der ursprünglichen Stirnfläche.
Planetwalzenextruder nach einem der Ansprüche 1 bis 14, gekennzeichnet durch die Auswahl eines Schweißmaterials, das nach seinem Auftragen unbehandelt eine größere Härte als das Grundmaterial der Planetspindel erreicht.