JP6324312B2 - 押出し機スクリュ、押出し機および押出し機スクリュを製造する方法 - Google Patents

Description

本発明は、押出し機軸と少なくとも１つの押出し機セグメントとを備えた押出し機スクリュに関する。押出し機軸は、外側歯列と心棒長手方向軸線とを備えた角柱状の心棒を有している。押出し機セグメントは、内側歯列と内側歯列長手方向軸線とを有していて、心棒に被嵌め可能であり、これによって、押出し機セグメントが、心棒に相対回動不能に結合可能となる。内側歯列は、係合歯形を備えた歯形を有していて、押出し機セグメントの第１の端面と第２の端面との間の内側範囲に、基本横断面を有する角柱状の基本歯形を備えている。

第２の側面によれば、本発明は、本発明に係る押出し機スクリュを備えた押出し機、特に二軸スクリュ押出し機に関する。

第３の側面によれば、本発明は、本発明に係る押出し機スクリュまたは押出し機を製造する方法に関する。

押出し機は、全般的に、外側歯列を備えた心棒を有している。この心棒には、押出し機セグメントが相対回動不能に配置されている。これによって、必要である限り、押出し機セグメントを交換するかまたは置き換えることが可能となる。押出し機を可能な限り高いトルクで運転することが所望されており、これによって、高い処理性能が達成可能となる。しかしながら、トルクの増加には制限がある。なぜならば、臨界的なトルクを上回ると、押出し機セグメントが壊れてしまうからである。

本発明の課題は、心棒を変えずにトルクを高める、すなわち、トルク容量が高められた押出し機スクリュまたは押出し機を提供することである。

本発明は、冒頭で述べた押出し機スクリュにおいて、押出し機セグメントの内側歯列が、押出し機セグメントの少なくとも一方の端面に隣接して、基本歯形よりも小さな縁部横断面を少なくとも係合歯形の範囲に有する縁部歯形を備えており、内側歯列長手方向軸線が、心棒長手方向軸線に対して同軸的に延びており、内側歯列が、外側歯列に噛み合っており、これによって、押出し機セグメントが、心棒に相対回動不能に結合されていることによって、上述した問題を解決している。

第２の側面によれば、本発明は、冒頭で述べた押出し機において、本発明に係る少なくとも１つの押出し機スクリュを備えた押出し機によって、上述した問題を解決している。

第３の側面によれば、本発明は、本発明に係る押出し機スクリュを製造する方法において、（ａ）ハンマ工具を用いたハンマ打撃によって外側歯列を備えた角柱状の心棒を製造し、（ｂ）角柱状の内側歯列を備えた予備押出し機セグメントを製造し、（ｃ）当該ハンマ工具を用いて放電加工工具を製造し、（ｄ）この放電加工工具を用いた型彫り放電加工によって内側歯列の歯形寸法差部もしくは歯形補正部を製作することによって、上述した問題を解決している。

本発明では、有利には、損害が生じる前に、より高いトルクを押出し機スクリュに加えることができる。

更なる利点は、本発明を少ない手間で実現することができる点にある。押出し機セグメントをその縁部で加工することしか必要とならず、押出し機の残りのデザインを変更する必要はない。

本発明の根底には、外側歯列を備えた従来の角柱状の心棒を使用し、この心棒に被せ嵌めるべき、内側歯列を備えた１つ以上の押出し機セグメントを、この押出し機セグメントが、確かに、心棒に相対回動不能に結合されているものの、押出し機セグメントの少なくとも一方の端面の領域において内歯の歯面と外歯の歯面との間に、すなわち、両歯の側方に、ほぼ楔状の中間室が生じるように形成するという思想がある。ただし、この中間室は、心棒と押出し機セグメントとの相対回動不能な結合が可能となる程度の長さでしかない。押出し機セグメントの内歯の歯面は中間室の範囲に、有利には湾曲を有しており、これによって、内側歯列の滑らかな輪郭が得られる。この場合、本発明の根底には、全体的により高い耐摩耗性が得られるようにするために、内側歯列を局所的に弱化させることが有利であるという知見がある。この知見は、押出し機セグメントの摩耗形成に基づき獲得された。つまり、心棒の歯形も押出し機セグメントの歯形も純粋に角柱状である場合には、押出し機セグメントの端面にじかに負荷ピークが生じることが判った。この負荷ピークは微小切欠きを招き、この微小切欠きから亀裂が生じてしまう。

本明細書の範囲において、「縁部歯形が、基本歯形よりも小さな縁部横断面を有している」という特徴は、心棒長手方向軸線に対して垂直な平面上への心棒長手方向軸線に沿った縁部横断面の投影図が、少なくとも係合歯形の範囲において基本歯形よりも小さいということを意味している。基本歯形の、この投影図を越えて延びる範囲が存在していることが可能であり、縁部歯形が、係合歯形の範囲により小さな縁部横断面を有していることが重要である。係合歯形は、歯形の、周方向に作用する荷重を伝達する部分である。

「歯形」とは、各範囲における内側歯列の二次元の表面を意味している。基本歯形は、内側範囲における歯形の部分である。縁部歯形は、端面に隣接した歯形の部分である。

各横断面、すなわち、「基本横断面または縁部横断面」とは、各歯形の範囲における内側歯列の内側歯列長手方向軸線に対して垂直な内側歯列の横断面を意味している。

有利な態様では、内側歯列が、歯列長手方向軸線を有しており、歯形が、内側歯列の内側歯列長手方向軸線に対して同軸的に延びる長手方向軸線を備えた、歯高さの半分の高さにおいて延びる仮想円柱面と係合歯形長手方向曲線を描くように交わっており、この係合歯形長手方向曲線が、数学的な意味で滑らかである。これは、係合歯形長手方向曲線が常に連続微分可能であることを意味している。この記載は、歯列長手方向軸線に沿って延びる軸線を備えた円筒座標系に関係している。

係合歯形長手方向曲線は、内側範囲において真っ直ぐに延びている。すなわち、係合歯形長手方向曲線は直線である。なぜならば、基本歯形が角柱状であるからである。少なくとも一方の端面に隣接して、係合歯形長手方向曲線は湾曲させられて延びている。特に端面からの間隔が増加するにつれて、曲率半径がより大きくなる。この態様では、切欠き効果の増加の危険が最小限に抑えられることが有利である。

好ましくは、歯形が、内側歯列長手方向軸線に対して垂直に延びかつ前述した端面と第２の端面との間の区間の半分において延びる対称平面に対して鏡像対称的である。

好ましくは、内側歯列が、最も近い端面からの縁部間隔に関連した、基本横断面からの縁部横断面の寸法差を表す歯形補正部を有しており、この歯形補正部が、最も近い端面から少なくとも２ｍｍ、特に少なくとも５ｍｍの縁部間隔にまで延びている。

これによって、歯形補正部は、与えられた縁部間隔において、心棒に対して垂直に延びる平面上への心棒の長手方向軸線に沿った基本横断面の投影図から縁部横断面だけ減少させられた量によって形成される。したがって、歯形補正部は、最も近い端面からのあらゆる間隔に対して、縁部間隔に関連した面である。

歯形補正部の単位面積は、好ましくは、最も近い端面からの間隔の増加につれて、特に厳密に単調に減少している。こうして、荷重が加えられている際に、押出し機セグメントを比較的広幅の範囲にわたって外側歯列に密着させることができ、これによって、特に良好な力導入が達成される。このことは、摩耗の確率を減少させる。

好ましくは、歯形補正部が、押出し機セグメント幅の最大で１／３である歯形補正長さにわたって延びている。より大きな歯形補正長さは逆効果を招くことが判った。

好ましくは、歯形補正部が、内側歯列の歯高さよりも歯底隅肉部曲率半径を差し引いた分だけ小さい歯形補正高さを有している。これは、歯形補正部の加工によって、望ましくない小さな切欠き曲率半径がもたらされないということを確保している。

好ましくは、内側歯列が、インボリュート歯列である。このような歯列は、故障の確率が特に低いことが判った。押出し機セグメントを製造する方法に対して、歯形寸法差が型彫り放電加工によってもたらされると特に有利であると判った。これによって、特に高い寸法安定性を達成することができる。このことは、やはり、押出し機セグメントの故障に対する確率を低下させる。

型彫り放電加工が、押出し機の心棒の製造と同じハンマ工具を用いて製造された放電加工工具によって実施されると特に有利である。これは、内側歯列の各歯に対して歯形寸法差が等しく、これによって、荷重が特に均一に分配されることを確保している。

本発明における押出し機セグメントの縮尺通りの斜視図である。 図１ａに示した区分を拡大して示す図である。 端面の高さにおける内側歯列の１つの歯の正面図である。 図１ｃに示した歯の平面図である。 本発明に係る押出し機の押出し機軸の心棒の横断面図である。 図２ａに示した心棒の部分的な側面図である。

以下に、本発明を添付の図面に基づき詳しく説明する。

図１には、本発明における押出し機セグメント１０が示してある。この押出し機セグメント１０は内側歯列１２を有している。この内側歯列１２によって押出し機セグメント１０は、押出し機軸の心棒に設けられた相補的な外側歯列に相対回動不能に被嵌め可能となる。内側歯列１２は、図１ｃに示した係合歯形Ｐを有している。

図１ａに示したように、押出し機セグメント１０は外側スクリュ１４を有している。択一的に押出し機セグメント１０は、たとえば搬送構造、混練構造または混合構造を有していてよい。

押出し機セグメント１０は、第１の端面１６と、この第１の端面１６と反対の側に位置していて、この第１の端面１６に対して平行に延びる第２の端面１８とを有している。内側歯列１２は歯列長手方向軸線Ｌ_１２を有している。この歯列長手方向軸線Ｌ_１２に沿って押出し機セグメント１０はセグメント幅Ｂ_１０を有している。

図１ｂには、図１ａに示した区分Ａが示してある。認めることができるように、内側歯列１２は、それぞれ同じ輪郭を有する多数の歯２０．１，２０．２，…を備えている。内側歯列１２は内側範囲２２を有している。この内側範囲２２には、端面側の範囲２４が続いている。内側範囲２２と端面側の範囲２４との間の境界は一点鎖線によって図示してある。

内側歯列１２は内側範囲２２に角柱状の基本歯形Ｐ_Ｇを有している。この基本歯形Ｐ_Ｇの基本横断面は図１ｃに示してある。さらに、図１ｂに示したように、内側歯列１２は端面側の範囲２４に縁部歯形Ｐ_Ｒを有している。この縁部歯形Ｐ_Ｒの縁部横断面も同じく図１ｃに示してある。「歯形Ｐ」とは、各範囲における内側歯列１２の二次元の表面を意味している。基本歯形Ｐ_Ｇは、内側範囲２２における歯形Ｐの部分であり、縁部歯形Ｐ_Ｒは、縁部範囲と呼ぶこともできる端面側の範囲２４における歯形Ｐの部分である。

各横断面、すなわち、「基本横断面もしくは縁部横断面」とは、各歯形の範囲における内側歯列１２の内側歯列長手方向軸線Ｌ_１２（図１ａ参照）に対して垂直な内側歯列１２の横断面を意味している。

内側歯列１２は端面１６に隣接して、基本横断面よりも小さい縁部横断面を有する縁部歯形Ｐ_Ｒを備えている。図１ｂには、このことを、内側歯列１２が端面１６に隣接して、この端面１６に向かって先細りにされていることによって認めることができる。押出し機セグメント１０が押出し機軸の角柱状の心棒に装着されると、端面１６に隣接して小さな空所が形成される。この空所では、内側歯列１２は心棒の外側歯列に全面にわたって接触していない。

図１ｃには、端面１６の高さにおける１つの歯、たとえば歯２０．１の正面図が示してある。これは、心棒長手方向軸線に対して垂直に延びる平面、つまり、図示平面上への心棒長手方向軸線に沿った歯形の投影図に相当している。基本横断面としての基本歯形Ｐ_Ｇと、縁部横断面としての縁部歯形Ｐ_Ｒとを認めることができる。縁部横断面は基本横断面よりも小さく形成されている。

さらに、図１ｂには、仮想円柱面２６が示してある。この仮想円柱面２６は図１ｃに一点鎖線として記入してあり、歯高さＺの半分の高さにおいて延びている。仮想円柱面２６は、図１ｄに記入した係合歯形長手方向曲線ｋ（ｘ）を描くように歯形Ｐと交わっている。図１ｄは、図１ｃに示した歯の平面図である。

図１ｄには、内側歯列長手方向軸線Ｌ_１２に沿って縦座標としてのｘを作図した歯形を上方から見た図が示してある。ｘ＝０は、端面１６が位置する平面が内側歯列長手方向軸線Ｌ_１２と交わる点に当てはまる。認めることができるように、係合歯形長手方向曲線ｋ（ｘ）は内側範囲２２において直線であり、縁部範囲２８において湾曲させられて延びている。係合歯形長手方向曲線ｋ（ｘ）は滑らかである、すなわち、連続微分可能である。このことは、特に縁部範囲２８と内側範囲２２との間の境界に当てはまる。

縁部歯形Ｐ_Ｒは、端面１６からの間隔ｘに関連している。図１ｃには、ｘ＝０に対する状況、すなわち、じかに第１の端面１６における状況が示してある。基本横断面と縁部横断面との間の面を表す歯形補正部Ｄを認めることができる。内側歯列長手方向軸線Ｌ_１２に対して垂直な縁部間隔ｘ内の平面上への基本歯形の投影図と、当該平面による縁部歯形の断面図との間の面としての歯形補正部Ｄの説明も同じことである。

したがって、歯形補正部Ｄは縁部間隔ｘに関連している。歯形補正部Ｄは、端面１６から、歯形補正長さＬ_Ｄと呼ばれる縁部間隔ｘにまで延びている。歯形補正長さＬ_Ｄは、図１ｄに記入してある。この歯形補正長さＬ_Ｄは、図１ａに記入した押出し機セグメント幅Ｂ_１０の最大で１／３に寸法設定されている。

さらに、歯形補正部Ｄは歯形補正高さＨ_Ｄを有している。この歯形補正高さＨ_Ｄは、半径方向軸線ｒに沿った、歯形補正部Ｄが付与された高さに対する延在長さを表している。歯形補正高さＨ_Ｄは、好ましくは歯高さＺよりも、基本歯形Ｐ_Ｇの係合歯形Ｐ_Ｅを歯底範囲Ｐ_Ｆに移行させる歯底隅肉部曲率半径Ｒを差し引いた分だけ小さく寸法設定されている。

図２ａには、本発明に係る押出し機の押出し機軸の心棒３０の横断面図が示してある。この心棒３０は、内側歯列１２に対して相補的に形成された外側歯列３２を有している。この心棒３０は、内側歯列長手方向軸線Ｌ_１２（図１ａ参照）に合致する心棒長手方向軸線Ｌ_３０を有している。

図２ｂには、心棒３０が部分的に縦断面図で示してある。この縦断面図には、外側歯列３２を認めることができる。

本発明における押出し機セグメント１０は、特に、まず、角柱状の内側歯列を備えた予備押出し機セグメントが製造されることによって形成される。引き続き、型彫り放電加工によって歯形補正部Ｄが製作される。放電加工処理のために、好ましくは、心棒３０の外側歯列３２を製作するためにも使用された放電加工工具が使用される。

１０ 押出し機セグメント
１２ 内側歯列
１４ 外側スクリュ
１６ 第１の端面
１８ 第２の端面
２０ 歯
２２ 内側範囲
２４ 端面側の範囲
２６ 円柱面
２８ 縁部範囲
３０ 心棒
３２ 外側歯列
Ｂ_１０ 押出し機セグメント幅
Ｄ 歯形補正部
Ｌ_Ｄ 歯形補正長さ
Ｈ_Ｄ 歯形補正高さ
ｋ（ｘ） 係合歯形長手方向曲線
Ｌ_１２ 内側歯列長手方向軸線
Ｌ_３０ 心棒長手方向軸線
Ｐ 歯形
Ｐ_Ｅ 係合歯形
Ｐ_Ｇ 基本歯形
Ｐ_Ｒ 縁部歯形
Ｒ 歯底隅肉部曲率半径
ｘ 縁部間隔
Ｚ 歯高さ

Claims (11)

1. 押出し機スクリュにおいて、該押出し機スクリュが、
   外側歯列（３２）および心棒長手方向軸線（Ｌ_３０）を備えた角柱状の心棒（３０）を有する押出し機軸と、
   内側歯列（１２）および内側歯列長手方向軸線（Ｌ_１２）を備えた、心棒（３０）に被嵌め可能な少なくとも１つの押出し機セグメント（１０）であって、前記内側歯列（１２）は、前記押出し機セグメント（１０）の内側全体にわたって形成されている、押出し機セグメント（１０）と
   を備えており、
   内側歯列（１２）が、係合歯形（Ｐ_Ｅ）を備えた歯形（Ｐ）を有していて、第１の端面（１６）と第２の端面（１８）との間の内側範囲（２２）に、基本横断面を有する角柱状の基本歯形（Ｐ_Ｇ）を備えており、
   内側歯列長手方向軸線（Ｌ_１２）が、心棒長手方向軸線（Ｌ_３０）に対して同軸的に延びており、内側歯列（１２）が、外側歯列（３２）に噛み合っており、これによって、押出し機セグメント（１０）が、心棒（３０）に相対回動不能に結合されており、
   内側歯列（１２）が、少なくとも一方の端面に隣接して、基本歯形（Ｐ_Ｇ）よりも小さな縁部横断面を少なくとも係合歯形（Ｐ_Ｅ）の範囲に有する縁部歯形（Ｐ_Ｒ）を備えていることを特徴とする、押出し機スクリュ。
2. 歯形（Ｐ）が、内側歯列（１２）の内側歯列長手方向軸線（Ｌ_１２）に対して同軸的に延びる長手方向軸線を備えた、歯高さの半分の高さにおいて延びる仮想円柱面（２６）と係合歯形長手方向曲線（ｋ（ｘ））を描くように交わっており、該係合歯形長手方向曲線（ｋ（ｘ））が、数学的な意味で滑らかである、請求項１記載の押出し機スクリュ。
3. 内側歯列（１２）が、最も近い端面（１６）からの縁部間隔（ｘ）に関連した、基本横断面からの縁部横断面の寸法差を表す歯形補正部（Ｄ）を有しており、該歯形補正部（Ｄ）が、最も近い端面（１６）から少なくとも２ミリメートルの縁部間隔（ｘ）にまで延びている、請求項１または２記載の押出し機スクリュ。
4. 歯形補正部（Ｄ）が、押出し機セグメント幅（Ｂ_１０）の最大で１／３である歯形補正長さ（Ｌ_Ｄ）にわたって延びている、請求項１から３までのいずれか１項記載の押出し機スクリュ。
5. 歯形補正部（Ｄ）が、内側歯列（１２）の歯高さ（Ｚ）よりも歯底隅肉部曲率半径（Ｒ）を差し引いた分だけ小さい歯形補正高さ（Ｈ_Ｄ）を有している、請求項１から４までのいずれか１項記載の押出し機スクリュ。
6. 内側歯列（１２）が、インボリュート歯列である、請求項１から５までのいずれか１項記載の押出し機スクリュ。
7. 歯形（Ｐ）が、内側歯列長手方向軸線（Ｌ_１２）に対して垂直にかつ第１の端面（１６）と、該第１の端面（１６）と反対の側に位置する第２の端面（１８）との中間において延びる対称平面に対して鏡像対称的である、請求項１から６までのいずれか１項記載の押出し機スクリュ。
8. 少なくとも一方の端面に隣接して、内側歯列（１２）が外側歯列（３２）に全面にわたって接触していない中間室が存在している、請求項１から７までのいずれか１項記載の押出し機スクリュ。
9. 請求項１から８までのいずれか１項記載の少なくとも１つの押出し機スクリュを備えた押出し機。
10. 請求項１から８までのいずれか１項記載の少なくとも１つの押出し機スクリュを備えた二軸スクリュ押出し機。
11. 請求項１から８までのいずれか１項記載の押出し機スクリュを製造する方法において、
    （ａ）ハンマ工具を用いたハンマ打撃によって外側歯列（３２）を備えた角柱状の心棒（３０）を製造し、
    （ｂ）角柱状の内側歯列（１２）を備えた予備押出し機セグメントを製造し、
    （ｃ）前記ハンマ工具を用いて放電加工工具を製造し、
    （ｄ）該放電加工工具を用いた型彫り放電加工によって内側歯列（１２）の歯形補正部（Ｄ）を製作する
    ことを特徴とする、押出し機スクリュを製造する方法。

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