KR20070056096A - 압출기 스크류, 압출기 및 샤프트-허브 연결체 - Google Patents

압출기 스크류, 압출기 및 샤프트-허브 연결체 Download PDF

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Abstract

압출기 스크류(11)는 스크류 샤프트(12)와, 이 스크류 샤프트에 분해 가능하게 부착되거나, 이 스크류 샤프트에 부착되는 다수의 스크류 요소들(16a, 16b, 16c)을 구비한다. 여기에서 스크류 샤프트는 외향 톱니부(16)를 구비하고, 스크류 요소들은 외향 톱니부와 맞물리는 내향 톱니부(22a, 22b, 22c)를 구비한다. 이들 외향 및 내향 톱니부의 톱니(28, 33)의 톱니 프로파일은 비대칭이다. 압출기 스크류의 우선 회전 방향(R)과 관련하여, 이들 외향 및 내향 톱니부의 톱니의 토크 전달 톱니 플랭크(flank)(29, 34)는 각각 이들 외향 및 내향 톱니부의 대향 톱니 플랭크(30, 35)에 비해 회전 축선(A)의 법선(N)에 대해 더 작은 각도를 가진다. 압출기와 샤프트-허브 연결체도 마찬가지로 개시되어 있다.

Description

압출기 스크류, 압출기 및 샤프트-허브 연결체{EXTRUDER SCREW, EXTRUDER AND SHAFT-HUB CONNECTION}
본 발명은 스크류 샤프트와, 이 스크류 샤프트에 분해 가능하게 장착되거나 이 스크류 샤프트에 장착되는 다수의 스크류 요소들을 구비한 압출기 스크류에 관한 것이며, 여기에서 스크류 샤프트는 외향 톱니부를 구비하고, 스크류 요소들은 외향 톱니부와 맞물리는 내향 톱니부를 구비한다.
이와 같이 플러그 타입 스크류라고 불리는 압출기 스크류는 공지되어 있고, 다양한 스크류 요소에 대한 요구에 따라 운반 요소, 반죽 요소, 또는 혼합 요소가 스크류 샤프트 상에 상이한 열로 배치되기 때문에 압출기 스크류의 가변 구성을 가능하게 한다. 한편으로는 압출기 모터를 통해 토크가 공급되는 스크류 샤프트를 스크류 요소들에 장착할 수 있도록, 다른 한편으로는 스크류 샤프트의 작동에 필요한 토크를 스크류 요소들로 전달할 수 있도록, 샤프트-허브 연결체가 스크류 샤프트와 스크류 요소들 사이에 제공되며, 즉 스크류 샤프트에는 외향 톱니부가 마련되는 반면에, 허브로서 역할을 하는 스크류 요소들에는 자신의 구멍 내측에 내향 톱니부가 마련되며, 여기에서 양자의 톱니부는 서로 맞물린다.
일반적으로 압출기 스크류의 경우 샤프트-허브 연결체는 표준 DIN 5480, DIN 5464 또는 ISO 4156에 따라 인벌루트 기어의 형태로 이용되고 있다. 이러한 포지티브 결합형 대칭 기어는 스크류 요소들의 동시적인 간단한 조립성 및 분해성 때문에 상당한 토크 전달을 가능하게 한다.
압출기의 경우 일반적으로 가능한 한 높은 효율에 대한 요구가 존재하며, 이러한 효율은 주로 달성 가능한 처리량으로 반영된다. 이 경우, 기계 설계의 분야에서는 이용 가능한 토크, 즉 스크류 샤프트를 통해 스크류 요소들로 효과적으로 전달할 수 있는 토크, 스크류 회전수 및 이에 따른 구동 출력, 그리고 자유롭게 이용 가능한 스크류 부피가 중요한 설계 기준을 나타낸다. 기본적으로 이용 가능한 토크의 크기가 유리한데, 왜냐하면 이것은 높은 충전율을 허용하기 때문이며, 나아가 느린 중간 전단 속도(shear rate)와 낮은 제조 온도가 달성되기 때문이다. 압출기 내에 제품의 체류 시간이 줄어들고, 제품 부하가 낮은 토크를 이용한 종래의 공정 단계에 비해 전체적으로 더 작다. 대체로 더 높은 토크가 더 높은 스크류-회전수와 이에 따라 더 높은 처리량을 허용한다.
그러나 회전 토크의 상승은 주로 스크류 샤프트와 스크류 요소의 재료 특성에 의해, 그리고 기어의 구성을 통해 특정되는 요소의 형상 안정성에 의해 한계가 지워지며, 이 외에도 최대로 전달 가능한 토크가 마지막으로 특정된다. 특정의 재료 보존 사후 처리를 통해서도 여전히 약간의 토크 상승이 달성될 수 있지만, 이것은 한계적이고 일반적으로 높은 비용과 결합된다.
처리량을 높일 수 있는 다른 가능성은 스크류 외경(Da) 대 스크류 내경(Di)의 관계의 형태로 체적비로서 주어지는 이용 가능한 부피의 확장을 들 수 있다. 통 상적인 체적비는 예컨대 동일하게 회전하는 2중 스크류 압출기의 경우 1.4부터 최대 1.6까지의 범위에 존재한다. 소용돌이의 증가를 통한 부피의 확대는 동일한 축선간 거리에서는 개선된 진입과 낮은 전단 변형률을 제공하면서, 낮은 에너지 유입에 의한 낮은 재료 온도를 달성하며, 그 결과 최종적으로 처리량을 높이면서 더 높은 스크류 회전수로 동작한다. 그러나 이 경우 축선간 거리가 동일하기 때문에 체적비를 증가시키면 스크류 샤프트가 점점 가늘어지거나, 스크류 요소의 벽이 매우 얇게 되는 단점이 있다. 비율이 1.6 이상을 취하는 큰 체적비의 경우, 이러한 기하 구조에 의존하는 상황은 높은 토크가 더 이상 전달될 수 없게 되는데, 왜냐하면 스크류 샤프트의 스크류 요소로의 토크 전달 시에 전달되는 힘이 부분적으로 허용되지 않는 높은 응력에 이르게 하고, 최종적으로는 샤프트-허브 연결체의 손상에 이르게 하기 때문이다.
따라서 이러한 문제점에 기초하여 본 발명은 이러한 문제점에 대해 개선되고 특히 큰 부피의 스크류인 경우에 일반적으로 매우 높은 토크 전달이 허용되는 압출기 스크류를 제공하는 데에 목적이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 본 발명에 따르면 서두에 언급한 형태의 압출기 스크류를 제공하며, 여기에서는 외향 및 내향 톱니부의 톱니들의 톱니 프로파일이 비대칭이며, 압출기 스크류의 우선 회전 방향과 관련하여 외향 및 내향 톱니부의 톱니들의 토크 전달 톱니 플랭크들이 각각 상기 외향 및 내향 톱니부의 톱니들에 대향하는 톱니 플랭크들에 비해 회전 축선의 법선에 대해 더 작은 각도를 가진다.
종래 기술과는 달리 본 발명은 특별한 플랭크 기하 구조를 가진 비대칭 톱니부의 이용을 제안하고 있다. 이러한 비대칭 톱니부를 이용하면, 압출기의 다양한 응용예에서 현저한 토크 증가가 달성될 수 있다. 본 발명은 압출기 스크류가 우수한 우선 회전 방향을 가지는, 즉 압출기의 구동 시에 재료가 공급 및 가공되어야 하는 경우에 전적으로 일방향으로 회전한다는 원리에 기초하고 있다. 이러한 회전 방향과 관련하여 단지 본 발명에 따른 톱니 프로파일의 경우 서로 맞물려 있고 샤프트 외향 톱니부의 토크가 허브 내향 톱니부로 전달되는 외향 및 내향 톱니부의 톱니 플랭크는 회전 축선의 법선에 대해 상대적으로 작은 각도를 제공한다. 이에 대해 모멘트 전달에 참여하지 않는 대향하는 톱니 플랭크는 회전 축선의 법선에 대해 분명히 큰 각도로 연장한다. 이러한 비대칭으로 인해 본 발명에 따른 톱니 프로파일은 전적으로 대칭적인 모멘트 전달과 비교하여 실질적으로 더 넓은 이뿌리를 보여준다. 이러한 더 넓은 이뿌리는 확실히 더 높은 모멘트 전달을 가능하게 하고, 이에 의해 이뿌리에서 어느 정도 발생하는 응력, 특히 응력 집중의 영향은 실질적으로 줄어든다. 토크를 전달하는 서로 맞물린 톱니 플랭크들, 즉 선행측 외향 톱니부 플랭크와 추종측 내향 톱니부 플랭크의 선택된 경사로 인해 허브 내로 유도되는 반경 방향 응력 성분이 현저하게 감소되고, 게다가 실질적으로 또는 배타적으로 접선 방향 응력이 존재한다. 이때 이러한 응력 성분은 플랭크 경사가 증가함에 따라 증가한다. 이에 의해 부하 플랭크를 통해 허브로 도입되는 팽창력이 확실하게 감소되며, 이것은 예컨대 충분하게 경화된 내마모 스크류 요소와 같이 표준 응력 감지 재료의 이용을 유리하게 하고, 허브의 경우 (특히 단면에 따라 매우 얇은 벽 두께를 가진) 회전 대칭의 외측 윤곽 없이 응력 거동에 매우 유리하게 영향을 미친다. 다시 말해서 모멘트 전달 시에 형성되는 응력 관계는 본 발명에 따라 이용되는 비대칭 톱니 형상에 의해 확실하게 개선된다.
비대칭 톱니 형상의 또 다른 장점은 다음과 같다. 통상적인 인벌루트 기어와 비교하여 톱니 개수가 확실하게 증가될 수 있으며, 이에 의해 더 높은 지지 능력이 달성되며, 따라서 더 높은 토크가 전달될 수 있다. 통상적인 인벌루트 기어의 경우 선택된 모듈로 인해 지금까지 가령 24개의 톱니가 제공되는 경우라면, 이제는 확실히 더 높은 모멘트 전달로 인해 적당한 모듈 선택을 통해 예컨대 36개의 톱니가 제공될 수 있다.
따라서 본 발명에 따라 제공된 샤프트-허브 연결체의 비대칭은 종래 기술에서 일반적으로 인벌루트 기어의 형태로 배타적으로 이용된 대칭 톱니부와 비교하여 개별 요소로 전달되는 스크류 샤프트의 토크의 확실한 증가를 허용한다. 이때, 이러한 토크 증가는 스크류의 경우 선택적인 체적비를 달성하게 하는데, 왜냐하면 부하 및 응력 최적화 프로파일 설계로 인해 응력이 연결 영역에서 실제의 상황에 대응하여 최적화되기 때문이다. 또한 큰 나사산 깊이에 기인하는 감소된 중심 또는 벽 두께로 인해 전달 가능한 토크를 제한하는 기하 구조가 생기는 큰 체적비, 즉 1.6 이상의 Da/Di의 관계를 가진 스크류의 경우, 현저한 토크 증가가 달성되고, 예컨대 1.65 또는 1.7의 체적비의 경우에도 지금까지 전달할 수 없었던 토크가 달성된다.
토크 전달 톱니 플랭크에 대한 더 작은 각도는 0°부터 5°까지이어야 하고, 다시 말해서 각도 0°부하 플랭크의 경우 회전 축선에 대해 반경 방향으로 이어지고, 기껏해야 5°의 매우 작은 각도를 최대로 취한다. 더 큰 각도는 45°부터 15°까지이어야 한다. 더욱 최적화하기 위해 더 작은 각도는 0°부터 2°까지이어야 하고, 더 큰 각도는 25°부터 35°까지이어야 한다. 구체적으로, 특히 바람직한 플랭크 기하 구조는 더 작은 각도가 0°로, 그리고 더 큰 각도가 30°로 제공된다. 다시 말해서 부하 플랭크들은 각각 회전 축선에 대해 직각을 이루고, 대향하는 플랭크들은 이들 부하 플랭크에 대해 30°의 각도를 취한다. 45°부터 15°까지, 특히 30°의 주어진 기본 범위에서 무작용 플랭크의 맞물림 각도는 정체된 스크류를 해제하기 위한 흔하지 않은 특별한 경우에 가끔 요구되는 바와 같이 스크류의 역방향 회전을 가능하게 하는 데에 특히 유리하다. 이와 유사하게, 각도 30°의 플랭크는 통상적인 DIN-5480 인벌루트 기어의 경우처럼 동일한 토크 전달을 가능하게 하며, 이러한 인벌루트 기어는 일반적으로 자신의 대칭 구조로 인해 양쪽 회전 방향으로 동일한 전달 능력을 가능하게 하고, 이 경우 일반적으로 각도 30°의 플랭크가 양측에 제공된다. 선택적으로는 주어진 최대 범위에 속하는 어떠한 중간 각도도 각각의 각도값이 상세하게 설명되지 않았더라도 본 발명의 필수사항으로서 명백히 적용되는 것이 자명하다는 것을 나타낸다.
각도 0°의 부하 플랭크의 경우에 대략 제로인 확장력 내지 반경 방향 힘을 특히 최소화하기 위한 것처럼 최적의 모멘트 전달을 고려하여, 바람직한 본 발명의 실시 형태는 부하 플랭크 또는 무작용 플랭크에 상관없이 서로 대향하는 플랭크 섹션을 편평하게 형성하게 된다. 이 경우 "편평한"이라는 단어는 어떠한 경우에도 적절하다면 평면이거나 최소한도로 볼록한 표면을 의미한다. 이것은 또한 마찬가지로 실질적으로 편평할 수 있는 외향 및 내향 톱니부의 이끝면의 형태와 관련하여 적용된다.
본 발명의 특히 바람직한 실시 형태에서, 내향 톱니부 및/또는 외향 톱니부의 이끝면에는 필요에 따라 부하를 전달하는 톱니 플랭크들 각각에 대해 톱니형 바(toothed bar)를 남기는 방식으로 형성되고/거나 위치 조정되는 오목부가 마련되어 있다. 이때, 피상적으로는 적어도 하나의 오목부를 통해 내향 톱니부 및/또는 외향 톱니부의 이끝면은 각각의 토크 전달 플랭크에 바람직하게는 어느 정도의 응력 집중을 고려하여 유리한 라운딩 처리를 통해 돌기 또는 톱니형 바가 남겨지는 방식으로 프로파일로 형성되며, 이 돌기 또는 톱니형 바는 자신의 내측에서 결합되는 오목부로 맞춰진다. 이에 의해 응력 집중 돌기의 형태의 효과가 서로 맞물리는 플랭크의 영역에서 최소화된다. 이후 잔류하는 톱니형 바 또는 돌기는 어느 정도 소성 변형될 수 있고, 여기에서 발생하는 힘 또는 압축 응력의 분산이 달성될 수 있다. 다시 말해서 이러한 톱니형 바 또는 돌기에서는 대응하는 프로파일 형성에 의해 통상의 톱니 단면과 관련하여 제공되는 어느 정도 취약하고 소성 변형 가능한 영역이 생기며, 이 영역은 응력 분산에 기여한다. 이와 같이 이끝면에서 프로파일의 형성은 바람직하게는 스크류 요소의 내향 톱니부에서 이루어지는데, 왜냐하면 토크 전달시에 모멘트 전달 톱니 플랭크의 영역에서 가장 높은 압축 응력이 개방된 가장자리에서 이끝면까지 발생하기 때문이다. 응력 관계의 최적화를 위해 본 발명에 따라 제공된 프로파일 형성으로 인한 이러한 응력 피크는 분산되는 것이 유리할 수 있다. 이 경우 오목부는 바람직하게는 큰 각도로 형성된 톱니 플랭크로부터 출발하여 실질적으로 대향 톱니 플랭크의 방향으로 내측면으로 확장되어야 한다. 또한 이끝면에는 일종의 평탄부가 형성되며, 이 평탄부는 자신에 대해 더 높은 톱니형 바로 전이된다. 이렇게 형성된 평탄부는 실질적으로 편평한 이끝면과 같이 각각의 요소가 위치한 지점에서 내측 반경 또는 외측 반경과 관련될 수 있고, 마찬가지로 종종 반경에 의존하여 쉽게 만곡될 수 있다.
또한 대칭적인 프로파일인 경우 종래 기술에서 모멘트 전달을 제한하는 핵심 문제는 일반적으로 매우 날카로운 이뿌리 라운딩 처리를 통해 이뿌리에서 발생하는 높은 노치 효과 내지 응력 집중을 야기하며, 이로 인해 극도의 부하 상승을 야기한다. 비록 충분한 이뿌리 라운딩 처리는 ISO 4156에 제공되어 있지만, 이것은 샤프트 중심 단면 내지 요소 벽 단면의 뚜렷한 감소로 인해 불리하다. 이 경우 ISO 4516과 종래의 표준은 일정한 라운딩 처리 반경을 제공한다. 어느 경우에도 이에 의해 종래 기술에서 전달 가능한 토크의 상승은 제한을 받는다.
이에 대하여 본 발명은 외향 및 내향 톱니부의 이뿌리를 최적의 반경 변화를 통해 충분하게 라운딩 처리하도록 되어 있다. 이것은 본 발명에 따른 비대칭 톱니 프로파일의 경우 플랭크의 위치로 인해 즉석에서 가능하다. 샤프트 중심 단면은 요소 중심 단면처럼 충분한 라운딩 처리에도 불구하고 단지 약간만 감소되는데, 왜냐하면 비대칭으로 인해 이뿌리가 상대적으로 넓고, 변화하는 라운딩 처리 반경이 나머지 단면의 감소를 전혀 야기하지 않거나 단지 최소로 야기한다. 여기에서는 또한 톱니 개수가 확실하게 증가될 수 있고, 그에 따라 톱니 거리도 감소될 수 있다는 상황이 특별한 역할을 한다. 이 경우 외향 톱니부의 이뿌리에서 반경은 0.35m부터 0.45m까지, 특히 0.4m이며, 내향 톱니부의 이뿌리에서 반경은 0.3m부터 0.4m까지, 특히 0.35m이다. 각기 선택된 반경은 샤프트 내지 허브 직경뿐만 아니라 선택된 모듈에 일치시킨다는 것은 자명하다.
또한 외향 및 내향 톱니부의 모듈은 적어도 외향 톱니부의 톱니가 적어도 이끝면 영역에서 탄성적으로 만곡되는 방식으로 선택된다. 적어도 상부의 톱니 영역에서 용이한 탄성 만곡은 톱니가 대응물에 더 잘 맞춰질 수 있는 것이 유리하다. 비대칭으로 인해 톱니 너비는 이끝면에서부터 감소되며, 이에 의해 대응하는 높은 모듈의 경우 당연히 작은 탄성 만곡이 이끝면 영역에서 허용 편차 거동을 촉진하기 위해, 필요에 따라 이뿌리 영역에서도 부분적인 소성 변형을 이용하면서 달성될 수 있다. 본래 비대칭으로 인해 더 높게 선택 가능한 모듈이 탄성 만곡과 결합하여 전달 가능한 토크를 추가로 높이기 위한 것뿐만 아니라 톱니부 사이의 포지티브 결합을 최적화하기 위해 높은 지지력을 제공한다.
본 발명에 따른 압출기 스크류의 톱니부가 바 헤드(bar head)를 통한 직경 센터링부를 제공하는 경우에 추가의 개량이 달성될 수 있다. 직경 센터링부는 특히 동일 중심 공차에 대한 요구가 이루어지는 경우에 이용될 수 있다.
결국 스크류 샤프트는 적어도 외향 톱니부 영역에서 소성 변형 가능한 재료로 형성되는 반면에 스크류 요소는 적어도 내향 톱니부 영역에서 외향 톱니부 영역에 대해 경화되도록 구성될 수 있다. 이것은 외향 톱니부의 자신의 상대방에 대한 소성 맞춤을 어느 정도 가능하게 하며, 이에 따라 샤프트-허브 연결체의 포지티브 결합 및 전달 특성을 개선시킬 수 있다.
압출기 스크류 자체 외에도, 본 발명은 압출기에 관한 것이며, 전술한 형태의 하나 이상의 압출기 스크류를 포함한다. 이 경우 단일 스크류 압출기이지만 동일하거나 반대로 움직이는 이중 스크류 압출기 또는 다중 샤프트 압출기가 중요하다. 본 발명에 따른 압출기 스크류을 이용하여 달성 가능한 장점은 다양한 압출기 타입에도 불구하고 유사하게 실현될 수 있다. 특히 본 발명에 따른 압출기 스크류의 이용하면 1.6 이상, 즉 예컨대 1.65 및 1.7의 매우 높은 체적비를 가진 고성능 압출기가 실현될 수 있으며, 이러한 높은 체적비는 매우 높은 토크의 전달 내지 높은 특정 토크 밀도(Md/a3)(Md=토크, a=축선 거리)의 실현뿐만 아니라 높은 회전수를 허용하며, 이는 샤프트-허브 연결체가 모멘트 전달뿐만 아니라 대응하는 압축 응력 및 응력 집중에 대해 최적화되기 때문이다.
본 발명에 따른 비대칭 샤프트-허브 연결체를 구비한 압출기 스크류 외에도, 본 발명은 샤프트가 외향 톱니부를 구비하고 허브가 자신의 내부에서 맞물리는 내향 톱니부를 구비한 통상적인 샤프트-허브 연결체에 관한 것이다. 본 발명에 따른 샤프트-허브 연결체는 외향 및 내향 톱니부의 톱니들의 톱니 프로파일들이 비대칭이며, 여기에서 샤프트의 우선 회전 방향과 관련하여, 외향 및 내향 톱니부의 톱니들의 토크 전달 톱니 플랭크들이 각각 외향 및 내향 톱니부의 톱니들에 대향하는 톱니 플랭크들에 비해 회전 축선의 법선에 대해 더 작은 각도를 가진다. 이들 톱니부의 비대칭은 이미 서두에 기술한 바와 같이 우선 회전 방향으로 토크의 전달을 허용한다. 본 발명에 따른 샤프트-허브 연결체 내지 샤프트-허브 장치의 다른 장점은 종속 청구항으로부터 생긴다.
본 발명의 다른 장점, 특징 및 특성은 후술하는 실시 형태뿐만 아니라 도면들을 참조하여 생긴다. 이들 도면 중에서,
도 1은 압출기의 개략도이며,
도 2는 플러그 타입 압출기 스크류의 개략적인 분해도이며,
도 3은 동일하게 회전하고 서로 맞물려 있는, 조립 위치에서 나란하게 도시된 본 발명에 따른 2개의 압출기 스크류의 단면도이며,
도 4는 스크류 샤프트의 외향 톱니부의 확대도이며,
도 5는 스크류 요소의 내향 톱니부의 확대도이며,
도 6은 서로 맞물린 톱니부를 보여주는 도면이다.
도 1은 하류에 기어박스(3)를 가진 모터(2)와, 다수의 실린더 섹션(5)을 가진 압출 실린더(4)를 구비한 압출기를 보여주며, 이 압출 실린더의 내측에 도시된 예에서 2개의 압출기 스크류가 해당 홀에 수용되어 있고, 이들 압출기 스크류는 상세하게 도시되지는 않았지만 널리 공지된 커플링을 통해 결합되는 기어 박스(3)에 의해 구동된다. 상기 압출기는 예컨대 동일한 방향으로 회전하는 압출기에 관한 것이다. 상기 압출 실린더(4)는 해당 설치 케이스(6) 속에 설치되는 필요한 냉각제 라인, 전류 라인 및 제어 라인과 함께 받침대(7) 상에 설치되며, 이 받침대는 기계 프레임(9)의 측판(8)에 재차 지지된다. 공급 및 제어실(10)에는 냉각제 및 공급 장치뿐만 아니라 제어 장치가 위치하며, 이들 장치를 통해 개개의 성분이 공급된다. 이와 같은 압출기의 구성은 널리 공지되어 있다.
전술한 바와 같이, 서로 분해 가능하게 결합된 다수의 실린더 섹션(5)을 구비한 압출 실린더의 내측에는 2개의 압출기 스크류가 배치되어 있다. 이와 같은 압출기 스크류는 특히 가공될 재료 또는 제조될 제품과 관련하여 설치되거나 구성될 수 있는 소위 플러그 타입 스크류이다. 이들 압출기 스크류는 필요에 따라 압출 실린더(4)로부터 분리될 수 있다.
도 2는 샤프트(12)를 구비한 압출기 스크류(11)를 보여주는 개략도이며, 이 샤프트는 한편으로 넓은 후방 단부에 제1 외향 톱니부(13)를 구비하고, 이 외향 톱니부를 통해 기어박스(3)와 구동 가능하게 결합될 수 있다. 외향 톱니부(16)를 가진 샤트프 섹션(15)이 정지 칼라(14)와 연결된다. 이러한 샤프트 섹션(15)에는 가공될 재료 또는 제조될 제품에 따라 다양한 별도의 스크류 요소가 장착되거나 나사결합될 수 있고, 정지 칼라(14)에 대향 지지될 수 있다. 도 2는 3개의 스크류 요소(16a, 16b, 16c)를 예시하고 있다. 스크류 요소(16a)는 예컨대 스크류(17)를 구비한 운반 요소가 될 수 있으며, 여기에서는 회전하는 동안에 재료가 운반된다. 스크류 요소(16b)는 예컨대 마찬가지로 스크류(18)를 구비한 혼합 요소가 될 수 있으며, 이 스크류에는 관통 구멍(19)이 형성되어 있다. 마지막으로 스크류 요소(16c)는 적당한 반죽 섹션(20)을 가진 반죽 요소가 될 수 있다. 그러한 반죽 요소로 인 해 가공될 재료는 높은 에너지의 인가 상태에서 가공되고, 예컨대 용도에 따라 소성 가공되거나 용융 가공될 수 있다.
샤프트 섹션(15)에 장착하기 위해 스크류 요소(16a, 16b, 16c)는 모두 중심 구멍(21a, 21b, 21c)을 구비하며, 이들 중심 구멍의 내측, 즉 허브에는 내향 톱니부(22a, 22b, 22c)가 각각 형성되어 있으며, 이들 내향 톱니부와 함께 상기 중심 구멍이 샤프트 섹션(15)의 외향 톱니부(16)에 장착되며, 그 결과 내향 톱니부와 외향 톱니부가 서로 맞물린다. 이러한 맞물림은 이하에서 상세하게 설명될 포지티브 샤프트-허브 결합이다.
도 3은 압출 실린더(4)에서 서로에 대해 위치 조정되는 것처럼 서로에 대해 나란하게 도시되어 있는 본 발명에 따른 2개의 압출 스크류(23a, 23b)를 보여준다. 스크류 샤프트(24a, 24b)가 축선간 거리(a)만큼 서로 이격되어 있다. 또한 스크류 외경(Da)뿐만 아니라 스크류 뿌리의 스크류 내경(Di)이 도시되어 있다. 스크류 또는 압출기의 체적비가 Da/Di의 관계로부터 생기며, 여기에서 체적비는 압출기의 파라미터이다.
또한 샤트트(24a, 24b)의 외향 톱니부(25a, 25b)뿐만 아니라 스크류 요소(27a, 27b)의 허브의 내향 톱니부(26a, 26b)도 도시되어 있다. 이들 외향 및 내향 톱니부 각각은 R로 표시되는 2개의 화살표로 나타낸 특히 압출기 스크류(23a, 23b)의 특정의 우선 회전 방향과 관련하여 설계되는 비대칭 톱니 프로파일에 관한 것이라는 것이 도 3으로부터 자명하다. 본 발명에 따른 톱니 형상의 세부 사항은 도 4와 도 5로부터 알 수 있다.
도 4는 스크류 샤프트(24a)의 외향 톱니부(25a)를 일부 절취한 확대 상세도를 보여주며, 물론 이것은 샤프트(24b)의 톱니부에 대해서도 동일하게 적용된다. 이 상세도에는 톱니들(28)이 도시되어 있다. 이들 톱니(28)는 모두 우선 회전 방향(R)과 관련하여 스크류 요소의 내향 톱니부의 해당 톱니 플랭크와 연동하거나 맞물리는 진행측 톱니 플랭크(leading tooth flank)(29)를 가지고 있다. 이 진행측 톱니 플랭크에 대향하여 톱니(28)의 추종측 무작용 플랭크(30)가 위치하며, 이 무작용 플랭크는 우선 회전 방향(R)으로 운동할 때 일반적으로 내향 톱니부의 관련 대향 톱니 플랭크로부터 최소의 간격(백래시)을 백분의 일 밀리미터보다 더 작은 범위로 가진다.
본 발명에 따른 비대칭 톱니 프로파일은 적어도 개방된 이끝면에 대해 상측에 위치하는 영역에서 편평하게 형성되는 진행측 토크 또는 부하 전달 톱니 플랭크(29)가 스크류 샤프트의 회전 축선(A)의 법선(N)과 관련하여 0°의 각도를 가지는 것만으로도 특징이 있다. 다시 말해서 톱니 플랭크(29)는 대향 플랭크에 맞물려 부하를 전달하는 영역에서 회전 축선(A)에 대해 반경 방향으로 연장한다.
이에 반해, 추종측 톱니 플랭크(30)는 회전 축선(A)의 법선(N)에 대해 30°의 각도를 가진다. 또한 이러한 톱니 플랭크(30)는 이뿌리의 전이부까지 편평하다. 이러한 배치로 인해 톱니 플랭크가 이뿌리(31)까지 연장하기 때문에 매우 넓은 이뿌리 두께(Z)가 형성된다는 것을 알 수 있다. 또한 이뿌리(31)는 충분히 만곡되는데, 이것은 이뿌리 두께(Z)의 너비 및 이에 따라 샤프트 중심을 향해 감소하는 톱니 공간으로 인해 가능하다. 만곡 반경(r)은 가령 0.35m에 이른다. 이끝면(32) 자 체는 도시된 예에서는 거의 편평하지만, 외향 톱니부의 외향 반경에 대응하여 약간만 볼록하게 만곡된다.
이와 유사하게 도 5에 도시되어 있는 스크류 요소(27a)의 내향 톱니부(26a)의 프로파일이 고려되며, 여기에서도 해당 실시 형태가 내향 톱니부(26b)에도 적용된다는 것은 당연하다. 또한 톱니들(33)이 도시되어 있는데, 각각의 톱니(33)는 우선 회전 방향(R)과 관련하여 추종측 토크 또는 부하 전달 플랭크(34)를 가지며, 이 추종측 플랭크도 역시 스크류 샤프트의 회전 축선(A)의 법선(N)에 대해 0°의 각도를 가진다. 이에 대하여 우선 회전 방향(R)으로 진행하는 톱니 플랭크(35)도 역시 회전 축선(A)의 법선(N)에 대해 30°의 각도를 가진다. 다시 말해서 개개의 플랭크의 각도 모양은 외향 톱니부의 그것과 동일하며, 이것은 양호한 포지티브 맞물림을 가능하게 하며, 이때 마찬가지로 해당 톱니 플랭크들도 맞물림 영역에서 편평하게 이루어지는 것은 당연하다.
또한 통상적인 대칭 스플라인 톱니부와 비교하여 매우 넓은 이뿌리 두께(Z)가 형성되며, 이것은 전술한 바와 같이 이뿌리까지 서로 연장하는 톱니 플랭크에 기인할 수 있다. 마찬가지로 이뿌리(36)도 충분히 라운딩되는데, 반경(r)은 약 0.4m에 이른다. 충분한 라운딩 가능성은 역시 매우 넓은 이뿌리 두께(Z)와 그 결과로서 테이퍼지는 이뿌리(36)에 기인할 수 있다. 스크류 샤프트의 경우뿐만 아니라 스크류 요소의 경우에도 충분한 만곡으로 인해 각각의 중심 단면이 약간 감소하는 것이 바람직하다. 다시 말해서 본 발명에 따른 톱니부의 경우 라운딩에 기인하는 특별한 장점이 응력 집중과 관련하여 충분히 이용될 수 있다.
외향 톱니부의 이끝면(32)의 경우와 달리 내향 톱니부의 경우 이끝면(37)이 프로파일을 가진다. 이 이끝면에는 30°의 각도를 가지는 진행측 톱니 플랭크(35)로부터 각도 0°의 추종측 부하 플랭크(34)까지 이르지만 반경 방향으로 감소하는 오목부(38)가 마련되어 있으며, 그 결과 부하 플랭크(34)까지 연장하는 톱니형 바(toothed bar)(39)가 남는다. 이와 같이 재료의 절취로 인해 생긴 톱니형 바(39)는 특히 이 영역에서 토크 전달 시에 톱니형 바의 재료의 소성 변형에 의해 발생하는 압축 응력의 상당한 감소를 가능하게 한다. 이에 의해 응력 감소로 인해 이 영역에서 에지 압력 상승의 효과가 감소될 수 있다는 것이 바람직하다.
도 6은 서로 맞물려 있는 양쪽 톱니부의 개략도를 보여준다. 우선 회전 방향(R)으로 스크류 샤프트(24a)가 회전하며, 그리하여 각도 0°의 톱니 플랭크(29)의 각도 0°의 톱니 플랭크(34)로의 토크 전달이 일어난다. 이들 톱니 플랭크는 자신의 편평도 및 모든 위치에서 동일한 각도로 인해 대면적으로 서로 접촉하고 있다는 것을 알 수 있으며, 그 결과 표면 압력이 감소한다. 이러한 표면 압력의 감소는 더욱 유용한데, 이는 비대칭 프로파일로 인해 톱니부 각각의 톱니의 개수가 분명히 증가될 수 있기 때문이며, 즉 모듈이 프로파일 비대칭의 결과로 인하여 종래의 대칭 표준 톱니부의 경우보다 더 크게 선택될 수 있기 때문이다.
이 외에도 각도 0°의 톱니 플랭크는 바람직하게는 부하 플랭크에 대해 평행한 반경 방향으로 작용하는 열팽창을 허용한다. 이 경우에 토크 전달은 백래시 없이 연속으로 가능하며, 이 때문에 본 발명에 따른 비대칭 프로파일은 온도 응력 변동에 적합하다. 또한 각도 0°의 플랭크는 허브, 따라서 스크류 요소의 내향 톱니 부에서 팽창력을 최소화시킨다. 왜냐하면 플랭크 위치로 인해 거의 전적으로 접선방향 힘이 내향 톱니부의 톱니 각각으로 상호 유도되지만, 어떠한 반경 방향 힘도 통상적인 톱니 샤프트 프로파일의 경우처럼 유도되지 않는다. 이것은 예컨대 내향 톱니부의 영역에서 충분히 경화된 내마모성 재료와 같이 표준 응력 감지 재료 또는 세라믹 요소의 이용을 가능하게 한다. 또한 허브의 응력 거동은 특히 섹션 별로 매우 얇은 벽 두께에도 불구하고 팽창력의 최소화로 인해 충분히 영향을 받는다.
특히 바람직하게는 이뿌리(31, 36) 각각에서 라운딩 처리가 효과적이다. 부하 전달 톱니 플랭크(29, 43) 각각의 이뿌리로의 전이부에서는 가장 높은 응력 및 이에 따른 가장 높은 응력 집중이 일어난다. 그러나 충분한 이뿌리 라운딩 처리로 인해 이뿌리에서의 최적의 기하학 구조를 통해 응력 집중이 확실하게 감소될 수 있으며, 이와 동시에 톱니 공간의 테이퍼 처리의 결과에 따른 상대적으로 작은 라운딩 반경으로 인해 샤프트 중심 단면과 스크류 요소에서의 대응 단면은 각각 여전히 충분하게 단단하다. 매우 넓은 톱니 공간과 급경사의 이뿌리로의 톱니 전이부를 가진 대칭의 톱니 샤프트 프로파일과는 달리 충분한 라운딩으로 인한 더 높은 응력 영역이 도 6에서 점선(L1)을 통해 예시적으로 표시되어 있다.
전술한 바와 같이, 톱니형 바(39)를 통해 이러한 에지 영역에 대응하는 압축 응력의 감소가 발생한다. 이러한 톱니형 바의 소성 거동으로 인해 압축 응력이 편향되며, 응력 중심이 선(L2)으로 표시된 바와 같이 톱니형 바(39)의 오목부(38)로의 전이 영역에서 형성된다.
본 발명에 따른 비대칭 톱니 프로파일의 다른 장점은 다음과 같다. 톱니가 적어도 이끝면의 상부 영역에서 어느 정도 탄성적으로 만곡하는데, 이는 도면에 도시된 바와 같이 이뿌리에서 이끝면까지 확실하게 테이퍼져 있기 때문이다. 이러한 만곡 탄성은 필요에 따라서는 이뿌리 영역에서 약간의 부분적인 소성 변형을 이용하면서 변형 허용 거동을 촉진시키는 데에 유용하다. 다시 말해서, 이러한 만곡 탄성으로 인해 토크 전달 시에 대향 지지부, 즉 내향 톱니부의 톱니에 맞춰지면서 어느 정도 공차를 보상할 가능성이 존재한다. 따라서 이것은 특히 내향 톱니부가 일반적으로 확실히 경화되었을 때 필요에 따라 특별하게 상부 표면 처리가 이루어진다. 게다가 큰 항복 강도 거동을 가진 스크류 샤프트 재료가 선택되는 것이 바람직한데, 이것은 동적인 부하의 인가 상태에서 더 높은 피로 강도에 이르게 한다. 이 외에도 토크 상승은 일반적으로 예컨대 톱니부의 숏트 블라스팅(shot blasting), 이차 롤링, 냉간 압연, 또는 유사 처리를 통해 외향 톱니부의 영역뿐만 아니라 내향 톱니부의 영역에서 달성될 수 있다.
본 발명에 따른 압출기 스크류와 본 발명에 따른 비대칭 프로파일은 종래의 대칭 프로파일보다 확실히 더 높은 토크를 전달할 수 있는 가능성을 제공하는데, 이것은 이미 본 발명에 따른 프로파일로부터 생긴다. 왜냐하면 이것은 압축 응력처럼 응력 집중과 관련하여 최적화된 기하 구조에 특징이 있기 때문이다. 다른 장점은 톱니 개수를 분명히 증가시킬 가능성에 있는데, 이것은 마찬가지로 전달 가능한 토크의 증가 가능성을 촉진시킨다. 특별한 장점은 본 발명에 따른 프로파일을 이용하면 먼저 극도로 큰 부피의 스크류 및 압출기를 설계할 때 관계 Di/Da > 1.6 이상의 범위에서, 즉 예컨대 1.66, 1.68, 1.70, 또는 그 이상의 범위에서 높은 토크를 제공할 가능성이 존재한다는 점에서 결국 알 수 있다. 이것은 지금까지 달성되지 못한 처리량에 대하여 본 발명에 따른 압출기의 출력 효율의 확실한 증가에 이른다.

Claims (26)

  1. 스크류 샤프트와, 이 스크류 샤프트에 분해 가능하게 장착되거나 이 스크류 샤프트에 장착되는 다수의 스크류 요소들을 구비하는 압출기 스크류에 있어서,
    상기 스크류 샤프트는 외향 톱니부를 구비하고, 상기 스크류 요소들은 상기 외향 톱니부와 맞물리는 내향 톱니부를 구비하며, 상기 외향 및 내향 톱니부(16, 25a, 25b, 22a, 22b, 22c, 26a, 26b)의 톱니(28, 33)의 톱니 프로파일은 비대칭이며, 상기 압출기 스크류(12, 23a, 23b)의 우선 회전 방향(R)과 관련하여, 상기 외향 및 내향 톱니부(16, 25a, 25b, 22a, 22b, 22c, 26a, 26b)의 톱니(28, 33)의 토크 전달 톱니 플랭크(29, 34)는 각각 상기 외향 및 내향 톱니부(16, 25a, 25b, 22a, 22b, 22c, 26a, 26b)의 톱니(28, 33)에 대향하는 톱니 플랭크(30, 35)에 비해 회전 축선(A)의 법선(N)에 대해 더 작은 각도를 가지는 것을 특징으로 하는 압출기 스크류.
  2. 제1항에 있어서, 상기 더 작은 각도는 0°부터 5°까지이고, 더 큰 각도는 45°부터 15°까지인 것을 특징으로 하는 압출기 스크류.
  3. 제2항에 있어서, 상기 더 작은 각도는 0°부터 2°까지이고, 더 큰 각도는 25°부터 35°까지인 것을 특징으로 하는 압출기 스크류.
  4. 제3항에 있어서, 상기 더 작은 각도는 0°이고, 더 큰 각도는 30°인 것을 특징으로 하는 압출기 스크류.
  5. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 외향 및 내향 톱니부(16, 25a, 25b, 22a, 22b, 22c, 26a, 26b)의 서로 대향하는 플랭크 섹션은 편평한 것을 특징으로 하는 압출기 스크류.
  6. 제1항 내지 제5항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 외향 및 내향 톱니부(16, 25a, 25b, 22a, 22b, 22c, 26a, 26b)의 이끝면(32, 37)은 실질적으로 편평한 것을 특징으로 하는 압출기 스크류.
  7. 제1항 내지 제6항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 내향 톱니부(22a, 22b, 22c, 26a, 26b) 및 상기 외향 톱니부(16, 25a, 25b) 중의 하나의 이끝면(32, 37)에는 필요에 따라 부하를 전달하는 톱니 플랭크(29, 34) 각각에 대해 톱니형 바(39)를 남기는 방식으로 형성 및 위치 조정되거나 형성 또는 위치조정되는 오목부(38)가 마련되는 것을 특징으로 하는 압출기 스크류.
  8. 제7항에 있어서, 상기 오목부(38)는 더 큰 각도로 형성되는 톱니 플랭크(30, 35)에서 출발하여 다른 톱니 플랭크(29, 34)의 방향으로 실질적으로 편평하게 이어지는 것을 특징으로 하는 압출기 스크류.
  9. 제1항 내지 제9항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 외향 및 내향 톱니부(16, 25a, 25b, 22a, 22b, 22c, 26a, 26b)의 이뿌리(31, 36)는 라운딩되는 것을 특징으로 하는 압출기 스크류.
  10. 제9항에 있어서, 상기 외향 톱니부(16, 25a, 25b)의 이뿌리(31)에서 반경(r)은 0.35m부터 0.45m까지, 특히 0.4m이며, 상기 내향 톱니부(22a, 22b, 22c, 26a, 26b)의 이뿌리(36)에서 반경(r)은 0.3m부터 0.4m까지, 특히 0.35m인 것을 특징으로 하는 압출기 스크류.
  11. 제1항 내지 제10항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 외향 및 내향 톱니부(16, 25a, 25b, 22a, 22b, 22c, 26a, 26b)의 모듈은 적어도 상기 외향 톱니부(16, 25a, 25b)의 톱니(28)가 적어도 이끝면(32)에서 탄성적으로 만곡되는 방식으로 선택되는 것을 특징으로 하는 압출기 스크류.
  12. 제1항 내지 제11항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 스크류 샤프트(12, 24a, 24b)는 적어도 상기 외향 톱니부(16, 25a, 25b)의 영역에서 소성 변형 가능한 재료로 구성되는 반면에, 상기 스크류 요소(16a, 16b, 16c, 27a, 27b)가 적어도 상기 내향 톱니부(22a, 22b, 22c, 26a, 26b)의 영역에서 소성 변형에 대해 경화되는 것을 특징으로 하는 압출기 스크류.
  13. 제1항 내지 제12항 중의 어느 하나에 따라 하나 이상의 압출기 스크류(11, 23a, 23b)를 포함하는 압출기.
  14. 제13항에 있어서, 2개 이상의 압출기 스크류(11, 23a, 23b)를 삽입할 때 동일하거나 반대로 회전하는 것을 특징으로 하는 압출기.
  15. 샤프트가 외향 톱니부를 구비하고, 허브가 상기 외향 톱니부와 맞물리는 내향 톱니부를 구비한 샤프트-허브 연결체에서, 상기 외향 및 내향 톱니부(16, 25a, 25b, 22a, 22b, 22c, 26a, 26b)의 톱니(28, 33)의 톱니 프로파일은 비대칭이며, 상기 샤프트(12, 24a, 24b)의 우선 회전 방향(R)과 관련하여, 상기 외향 및 내향 톱니부(16, 25a, 25b, 22a, 22b, 22c, 26a, 26b)의 톱니(28, 33)의 토크 전달 톱니 플랭크(29, 34)는 각각 상기 외향 및 내향 톱니부(16, 25a, 25b, 22a, 22b, 22c, 26a, 26b)의 톱니(28, 33)에 대향하는 톱니 플랭크(30, 35)에 비해 회전 축선(A)의 법선(N)에 대해 더 작은 각도를 가지는 것을 특징으로 하는 샤프트-허브 연결체.
  16. 제15항에 있어서, 상기 더 작은 각도는 0°부터 5°까지이고, 더 큰 각도는 45°부터 15°까지인 것을 특징으로 하는 샤프트-허브 연결체.
  17. 제16항에 있어서, 상기 더 작은 각도는 0°부터 2°까지이고, 더 큰 각도는 25°부터 35°까지인 것을 특징으로 하는 샤프트-허브 연결체.
  18. 제17항에 있어서, 상기 더 작은 각도는 0°이고, 더 큰 각도는 30°인 것을 특징으로 하는 샤프트-허브 연결체.
  19. 제15항 내지 제18항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 외향 및 내향 톱니부(16, 25a, 25b, 22a, 22b, 22c, 26a, 26b)의 서로 대향하는 플랭크 섹션은 편평한 것을 특징으로 하는 샤프트-허브 연결체.
  20. 제15항 내지 제19항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 외향 및 내향 톱니부(16, 25a, 25b, 22a, 22b, 22c, 26a, 26b)의 이끝면(32, 37)은 실질적으로 편평한 것을 특징으로 하는 샤프트-허브 연결체.
  21. 제15항 내지 제20항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 내향 톱니부(22a, 22b, 22c, 26a, 26b) 및 상기 외향 톱니부(16, 25a, 25b) 중의 적어도 하나의 이끝면(32, 37)에는 필요에 따라 부하를 전달하는 톱니 플랭크(29, 34) 각각에 대해 톱니형 바(39)를 남기는 방식으로 형성 또는 위치 조정되거나 형성 및 위치조정되는 오목부(38)가 마련되는 것을 특징으로 하는 샤프트-허브 연결체.
  22. 제21항에 있어서, 상기 오목부(38)는 더 큰 각도로 형성되는 톱니 플랭 크(30, 35)에서 출발하여 다른 톱니 플랭크(29, 34)의 방향으로 실질적으로 편평하게 이어지는 것을 특징으로 하는 샤프트-허브 연결체.
  23. 제15항 내지 제22항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 외향 및 내향 톱니부(16, 25a, 25b, 22a, 22b, 22c, 26a, 26b)의 이뿌리(31, 36)는 라운딩되는 것을 특징으로 하는 샤프트-허브 연결체.
  24. 제23항에 있어서, 상기 외향 톱니부(16, 25a, 25b)의 이뿌리(31)에서 반경(r)은 0.35m부터 0.45m까지, 특히 0.4m이며, 상기 내향 톱니부(22a, 22b, 22c, 26a, 26b)의 이뿌리(36)에서 반경(r)은 0.3m부터 0.4m까지, 특히 0.35m인 것을 특징으로 하는 샤프트-허브 연결체.
  25. 제15항 내지 제24항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 외향 및 내향 톱니부(16, 25a, 25b, 22a, 22b, 22c, 26a, 26b)의 모듈은 적어도 상기 외향 톱니부(16, 25a, 25b)의 톱니(28)가 적어도 이끝면(32)에서 탄성적으로 만곡되는 방식으로 선택되는 것을 특징으로 하는 샤프트-허브 연결체.
  26. 제15항 내지 제25항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 샤프트(12, 24a, 24b)는 적어도 상기 외향 톱니부(16, 25a, 25b)의 영역에서 소성 변형 가능한 재료로 구성되는 반면에, 상기 스크류 요소(16a, 16b, 16c, 27a, 27b)가 적어도 상기 내향 톱니부(22a, 22b, 22c, 26a, 26b)의 영역에서 소성 변형에 대해 경화되는 것을 특징으로 하는 샤프트-허브 연결체.
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