TW201703975A - 用於擠壓機之螺桿，變換螺桿之方法及擠壓機 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於一種用於一擠壓機之螺桿以及一種具有此一螺桿之擠壓機。特定言之，本發明係關於一種用於一雙螺桿擠壓機之螺桿及一種雙螺桿擠壓機。 螺桿通常具有一模組化設計。一螺桿之模組化構造導致一桿形核心，所謂的心軸，及被推至該心軸上之個別螺桿元件。為傳輸高的發生的扭矩，該等元件以一正向鎖定方式連接至該心軸且亦軸向支撐。 本發明提出將該心軸設計成無切口的。 此導致此一心軸之使用壽命及因此亦導致所使用之該螺桿之使用壽命之一明顯增加。

Description

用於擠壓機之螺桿，變換螺桿之方法及擠壓機
本發明係關於一種用於一擠壓機之螺桿以及一種具有此一螺桿之擠壓機。
特定言之，本發明係關於一種用於一雙螺桿擠壓機之螺桿及一種雙螺桿擠壓機。
螺桿通常具有一模組化設計。因此，它們可非常靈活地適於變化的任務及產品特性。一螺桿之模組化構造導致一桿形核心(所謂的心軸，在實踐中亦往往被稱為一軸件或一軸承軸件)，及被推至心軸上之個別螺桿元件。該等元件在擠壓程序中執行一螺桿之經典功能，諸如輸送、捏合、混合或剪切待被遞送及傳遞通過之塑膠。
為傳輸高的發生的扭矩，元件以一正向鎖定方式連接至心軸且亦軸向支撐。
DE 10 2008 028 289 A1揭示一種螺桿，其中扭矩在前側上經由一傳動裝置而在區段間傳輸。
DE 103 30 530 A1描述一種軸件，將一套筒焊接至該軸件上。區段螺接其上直至止擋件。DE 10 2011 112 148 A1、DE 10 2004 042 746 B4及DE 196 21 571 C2分別揭示在螺桿區段與心軸之間之特殊傳動裝置。
本發明係基於提供與先前技術相比之一替代或改良之目的。
根據本發明之一第一態樣，運用用於一擠壓機之一螺桿實現此目的，藉此螺桿具有一心軸及固持在該心軸上且軸向於彼此安置之若干區段，藉此一單獨扭矩挾帶器(entrainer)被安置在心軸與一個區段之間且藉此該扭矩挾帶器在心軸之一接觸表面處與心軸接觸，藉此螺桿之特徵在於心軸之接觸表面低切口或較佳無切口。
關於術語，解釋如下內容：「區段」係螺桿之該等組件，其等實現螺旋狀通路或若干螺旋狀通路，該(等)螺旋狀通路用於與擠壓機之圓筒合作或在一雙螺桿擠壓機的情況下亦與第二螺桿之區段合作傳遞通過擠壓機之塑膠之塑化。
在每一情況中，兩個軸向相鄰的區段在其等之區段邊界處間接或直接軸向相互碰撞。在區段之間之所得狹槽(在最簡單情況中因此係一圓環)必須密封以防止塑膠熔體進入內部，即，朝向心軸。為實現此，區段通常被軸向支撐。負法向力提供一充分密封。
「扭矩挾帶器」必須與至少一個區段合作。當在心軸上之一區段上或兩者上使螺桿負載一扭矩時，扭矩挾帶器至少大部分在區段與心軸之間傳輸扭矩。另外，扭矩可從一個區段傳輸至軸向相鄰的第二區段。
如此做，扭矩挾帶器自身並不被構形成具有第一區段或第二區段之一單件，而代之為經組裝螺桿之一單獨元件。
扭矩挾帶器可由多個個別部件組成，或其可為唯一一個部件。
一般言之，應明確注意，在此專利申請案之範疇內，不定冠詞及數字(諸如一、二等等)往往應被理解為「至少」陳述(即，「至少一個…」、「至少兩個…」等等)，前提是未從各自內容背景明確或含蓄地明白或熟習此項技術者不暸解其可僅意指或旨在意指「恰好一個…」、「恰好兩個…」等等。心軸之「接觸表面」係扭矩挾帶器抵靠 之一表面，通常但不一定具有儘可能大的面積。因此，接觸表面係在施加一扭矩時(即，在心軸相對於螺桿圓筒之一旋轉時)，所需偏心力(即，共同旋轉區段之所需扭矩)經由其傳輸至區段之表面，施加足以對抗熔體的慣性力而移動熔體(其在操作期間處於擠壓機中)之一力。
簡言之，在多數情況中大概可以說，當以截面觀察螺桿時，在心軸之截面與區段之徑向向內開口之截面之間將存在至少一個凹部。此明確言之係扭矩挾帶器必須配裝至其中以便產生一功能性螺桿之凹部。
應明確注意，並不一定必須存在一完全表面「接觸」。實情係，若心軸與扭矩挾帶器之間存在若干(較佳大量)離散點狀或線性接觸，則其亦為足夠的。因此可設想接觸表面上較小切口之存在。然而，一般言之應注意，心軸及扭矩挾帶器兩者上之動態應力越小，扭矩挾帶器與心軸之間在心軸之接觸表面之接觸越寬泛，及/或接觸表面越接近完全無切口之理想狀態。
對於先前從當前最先進技術已知之一螺桿而言，所呈現之本發明之第一態樣現在提供心軸之接觸表面無切口。換言之，在接觸表面上之截面中，心軸無切口。
一工程師具備創造設計的必要技能，而非一物理學家。因此，較小切口仍應被包含在術語「無切口(notch freedom)」中，只要工程師認為無切口至少大體上存在。
機械上，此導致比從當前最先進技術已知更低之一應力。
在當前最先進技術中，滑鍵通常被提供在心軸與區段之間作為扭矩挾帶器。然而，獨立於當前最先進技術中之扭矩挾帶器之特定構形，當本體經受拉伸、剪切或扭轉應力時，一切口效應通常出現在切割或切口本體上。切口效應基於兩個機制建立，即，一方面，可用一應力集中因數描述之一局部應力集中，及另一方面一支撐效應，其描 述材料及應力集中之特定阻尼行為抵消切口處之應力峰值。疲勞切口因數係應力集中因數與切口靈敏度之商。
額外資訊可見於DIN 743-2：軸件及輪軸之負載容量之計算-第2部分：理論應力集中因數及疲勞切口因數。
雖然迄今已在擠壓機螺桿之構造中使用之幾何形狀已有意識地接受在心軸上切口以便達成一更安全的正向鎖定連接，但此處呈現之本發明已有意識地採取對立方法，且爭取儘可能低的一應力集中因數。
有鑑於此，本發明尋求確保至少在一切口通常係強制(即在接觸表面上)之情況下，心軸之截面現在不再具有一切口。在此內容背景中，一「切口」應被理解為接觸表面內之截面之至少一內凹剖面。此一情況應在此處至少用截面中之一邊角避免。
作為心軸在其接觸表面上(即，至少在接觸表面內，然而較佳亦在接觸表面之邊界上)之切口缺乏(特定言之無切口)的結果，在螺桿之操作期間作用於心軸上之應力峰值相當明顯地減小。因此，可(例如)運用先前已知材料實現心軸，此將導致心軸之一明顯更長的使用壽命；或可由另一材料製造心軸，在此製造期間材料可經設計以更好地適於現存負載。
因此，本發明可視需要導致使用壽命之一延長或導致一成本節約，或導致兩者。亦可達成機器效能之一增加。
根據本發明之一第二態樣，運用用於一擠壓機之一螺桿實現此目的，藉此螺桿具有一心軸及固持在該心軸上且軸向於彼此安置之若干區段，藉此一單獨扭矩挾帶器被安置在心軸與一個區段之間且藉此該扭矩挾帶器在心軸之一接觸表面處與心軸接觸，藉此心軸具有垂直於螺桿之一縱向延伸軸且與接觸表面相交之一截面，藉此在該截面上，心軸具有小於2.0之一應力集中因數(根據DIN 743-2第5節)。較佳 在截面上，心軸具有小於1.75、較佳小於1.5、尤佳不超過1.4、至多1.3或至多1.25之一應力集中因數。
對於根據當前最先進技術(此處明確言之根據圖1)之心軸幾何形狀而言，發明者之原型計算具有2.21至2.39之特徵化切口之一應力集中因數α(alpha)。相比之下，根據本發明之一例示性設計具有近似1.19至1.34之一應力集中因數α。
根據本發明之一第三態樣，運用用於一擠壓機之一螺桿實現此目的，藉此螺桿具有一心軸及固持在該心軸上且軸向於彼此安置之若干區段，藉此一單獨扭矩挾帶器被安置在心軸與一個區段之間且藉此該扭矩挾帶器在心軸之一接觸表面處與心軸接觸，藉此心軸之截面中之接觸表面之剖面開始相對於一圓形周邊偏離達一第一正角，藉此第一角小於90°，且依一第二同樣正角，其再次與周邊會聚，藉此負角之總和小於90°，特定言之小於45°。最值得注意，負角之總和可小於10°，特定言之0°。
在根據圖1之幾何形狀中，例如，負角之總和係90°，即，恰好接觸表面之內圓角之邊緣之-90°。在此版本中，兩個正角係：近似30°之第一角，恰好90°之第二角。
在根據圖2之幾何形狀中，另一方面，負角之總和係零。兩個正角皆為近似45°。
根據本發明之一第四態樣，運用用於一擠壓機之一螺桿實現此目的，藉此螺桿具有一心軸及固持在該心軸上且軸向於彼此安置之若干區段，藉此一單獨扭矩挾帶器被安置在心軸與一個區段之間且藉此該扭矩挾帶器在心軸之一接觸表面處與心軸接觸，藉此扭矩挾帶器以恰好其輪廓之一側抵靠接觸表面。
在當前最先進技術中，另一方面，僅已知滑鍵之使用，其以兩側(見圖1)或以三側抵靠接觸表面。
一般言之，將最容易使心軸在截面上與一圓形周邊部分地相合。接著，心軸可由具有一圓形截面之一軸件加工(特定言之銑削)而成。
心軸係一軸件，其截面偏離圓形，明確言之通常朝向內部偏離一理論圓形周邊。製造係可行的，例如，憑藉藉由移除材料在其截面上重新加工具有一原始圓形截面之一軸件。甚至獨立於此處提出之心軸之製造方法，若心軸之圓周之各自部分在截面上係在儘可能大的程度上為圓形，即，在截面上心軸在儘可能大的程度上(例如，超過其特定量測受控圓周的至少一半)與其理論圓形周邊部分地相合，則製造將特別容易。
對於與圓形周邊部分地相合之圓周之部分而言將存在變得更小之一趨勢，提供具有扭矩挾帶器之更多接觸表面。
以鈍角偏離周邊之接觸表面已幫助減小心軸中之應力峰值。
一「鈍角」係在度數上大於π/2但小於π之一角，因此大於90°但小於180°。
此特徵應被理解為意指當在截面上觀察從心軸之理論圓形周邊過渡至接觸表面時，接觸表面僅相對於周邊偏離達鈍角。
在發明者之計算中，一心軸幾何形狀已被證明前景廣闊，其中接觸表面係心軸之一截面上之兩個圓弧區段之間之一弦。
在數學-幾何學上，「弦」係圓弧區段之兩個末端之間在截面上之最短連接。然而，應注意，其並不一定必須為一數學理想弦。熟習此項技術者(一機械工程師)將代替地暸解與一直接、筆直弦之小偏差將仍能夠充分滿足本發明之態樣。
兩個圓弧區段(弦將被放置在其等之間以形成接觸表面)可彼此分離，使得存在與心軸之截面上之圓弧區段之間之圓弧形狀的至少一個額外偏差。然而，亦可存在考量之截面上之圓形周邊之一另外連續圓 弧區段，藉此僅一個弦存在於截面中，使得唯一一個扭矩挾帶器可被配裝在心軸與此考量截面中存在之至少一個區段之間。
為使負載儘可能均勻地分佈在心軸中，提出心軸在截面上鏡像對稱，特定言之雙重鏡像對稱。
已注意，可在一個截面上繞心軸之一圓周提供若干扭矩挾帶器。此亦導致心軸中之應力之一減小，此係因為總體所需扭矩經由數個離散連接(即，考量截面上之數個扭矩挾帶器)引入至心軸之截面中。因此，每一個別扭矩挾帶器之每一個別接觸表面上之最大預期表面壓力減小，即便扭轉應力可同時增大。
在截面中，扭矩挾帶器可具有一楔形，藉此楔形物可詳細呈現許多種不同形式，即，具有至少一個部分圓形邊緣或其他，藉此在所有情況中應存在一第一平坦末端及相對於該一個末端之平坦之一抬高的另一末端。接著，楔形物在螺桿之截面上不再鏡像對稱，其在螺桿區段朝向內部之一適當相反構形中必定導致扭矩挾帶。
然而，較佳多種扭矩挾帶器存在於螺桿之一個截面上且關於螺桿之中心軸點對稱；然而，其等並非鏡像對稱，而是相對於理論鏡軸不對稱。不對稱使其特別易於在心軸與區段之間強加瞬時驅動。點對稱允許心軸中之應力儘可能均勻地分佈。
亦設想其中一或多個扭矩挾帶器彼此鏡像對稱之設計。
亦設想其中上述對稱特徵針對一截面上之若干扭矩挾帶器但非所有挾帶器存在之構形。例如，為了挾帶，扭矩挾帶器之一或多者可被配置成相反旋轉方向。
根據本發明之一第二態樣，運用一種用於變換一擠壓機之一螺桿之方法實現此目的，藉此螺桿具有一心軸及固持在該心軸上且軸向於彼此安置之若干區段，具有密封區段邊界，藉此一單獨扭矩挾帶器被安置在心軸與一個區段之間，藉此扭矩挾帶器在心軸之一接觸表面 處與心軸接觸，藉此該方法包含下列步驟：(a)將區段從心軸移除，例如借助於將區段軸向推離心軸；及(b)運用扭矩挾帶器將區段推至一心軸上，藉此扭矩挾帶器在心軸之一接觸表面處與心軸接觸且藉此心軸之接觸表面無切口。
所呈現之本發明之第二態樣已認可即使在使用一無切口或至少在接觸表面上無切口之心軸時，可繼續使用從當前最先進技術已知之區段，前提係僅扭矩挾帶器經幾何調適，例如運用滑鍵對應地調適。
不言而喻，所呈現之本發明的優點亦易於擴展至一擠壓機，特定言之一單螺桿擠壓機或一雙螺桿擠壓機，前提係其具有先前描述之類型之一螺桿。
圖1中展示之根據當前最先進技術之心軸1實質上由一主要圓柱形固體材料組成。在截面上，來自當前最先進技術之心軸1因此與一理論圓形周邊2相合(為了更好可辨識性而依一微小距離繪製)。然而，將兩個滑鍵槽3(例示性編號)安裝在來自當前最先進技術之心軸1之圓周上，使得在截面上，來自當前最先進技術之心軸1相對於一螺桿軸4點對稱。
將一習知滑鍵5插入滑鍵槽3之各者中。滑鍵在根據當前最先進技術之心軸1之圓形周邊2上方徑向向外突出，其中在經組裝螺桿(未描繪)中，其以一正向鎖定方式與區段(未描繪)之內部合作且確保扭矩挾帶。
在滑鍵槽3中，滑鍵5抵靠一含切口接觸表面6：來自當前最先進技術之心軸1在含切口接觸表面6中之截面因此由兩個實質上筆直剖面組成，然而，該等剖面具有在其等之間之一內凹內圓角7。在任何情況中，作為切口效應的結果，此處存在高應力峰值。在從一圓弧區段9至含切口接觸表面6過渡時在一側上亦存在一直角8，其將同樣導致一非所要高應力集中。
本發明實施例(見圖2)與其對比亦由一心軸組成，但具有一無切口心軸10及兩個楔形滑鍵11(例示性編號)。
無切口心軸10(嚴格地說：具有無切口接觸表面之心軸)具有特定數目之圓弧區段12、13(此處恰好兩個圓弧區段12、13)以及其間兩個(此處恰好兩個)弦14、15。
因此，無切口心軸10係雙重軸向對稱。
另外，無切口心軸10未具有一內凹區域，亦不具有一直角或一更銳角。實情係，其僅由兩個圓弧區段12、13、恰好兩個筆直弦14、15及鈍角過渡部16(例示性編號)組成。
兩個弦14、15用作用於兩個楔形滑鍵11之無切口接觸表面17(例示性編號)。
如從當前最先進技術已知，無切口心軸10需要滑鍵用於一扭矩從心軸至螺桿區段之一正向鎖定過渡。
兩個楔形滑鍵11確保此發生。
每一楔形滑鍵11具有一平坦第一末端18及一抬高第二末端19。
在一第一外部輪廓剖面20中，楔形滑鍵11之平坦第一末端18具有一較佳弧形剖面，即延續理論圓形周邊(此處未描繪)，圓弧區段12、13與該理論圓形周邊相合。僅在另一第二外部輪廓剖面21中，楔形滑鍵11在截面上向外行進脫離圓形周邊，且提供相對於區段之扭矩挾帶。
一螺桿之發明設計之無切口心軸10不僅比根據當前最先進技術之心軸1明顯更穩定；而且其亦可更容易且具成本效率地獲得。另外，在巧妙選擇楔形滑鍵11之幾何形狀的情況下，可達成無切口心軸10及楔形滑鍵11之整體結構之一外部輪廓，其與當前最先進技術之心軸1與滑鍵5之總體外部輪廓相同或至少大體上相同。因此，已存在螺桿區段可搭配新發明無切口心軸10以及其楔形滑鍵11使用。
應明確注意，在一截面上，扭矩挾帶器亦可經構形或經安置以在相反方向上挾帶旋轉。因此，一例示性實施例提供四個扭矩挾帶器，該等扭矩挾帶器較佳在截面上相同，或依其他方式安置，使得它們經構形作為針對兩個扭矩旋轉方向之挾帶器。
1‧‧‧根據當前最先進技術之心軸
2‧‧‧圓形周邊
3‧‧‧滑鍵槽
4‧‧‧螺桿軸
5‧‧‧滑鍵
6‧‧‧含切口接觸表面
7‧‧‧內凹內圓角
8‧‧‧直角
9‧‧‧圓弧區段
10‧‧‧無切口心軸
11‧‧‧楔形滑鍵
12‧‧‧圓弧區段
13‧‧‧圓弧區段
14‧‧‧弦
15‧‧‧弦
16‧‧‧鈍角過渡部
17‧‧‧無切口接觸表面
18‧‧‧平坦第一末端
19‧‧‧抬高第二末端
20‧‧‧第一外部輪廓剖面
21‧‧‧第二外部輪廓剖面
基於一例示性實施例且參考圖式，在下文中與根據當前最先進技術之一設計相比更詳細地說明本發明。圖式展示圖1示意性地在一截面中展示根據當前最先進技術之具有兩個滑鍵之一心軸，以及圖2在一類比視圖中展示具有兩個扭矩挾帶器之一心軸之一例示性發明結構，每一扭矩挾帶器在一無切口接觸表面上。
10‧‧‧無切口心軸
11‧‧‧楔形滑鍵
12‧‧‧圓弧區段
13‧‧‧圓弧區段
14‧‧‧弦
15‧‧‧弦
16‧‧‧鈍角過渡部
17‧‧‧無切口接觸表面
18‧‧‧平坦第一末端
19‧‧‧抬高第二末端
20‧‧‧第一外部輪廓剖面
21‧‧‧第二外部輪廓剖面

Claims (15)

  1. 一種用於一擠壓機之螺桿，藉此該螺桿具有一心軸及固持在該心軸上且軸向於彼此安置之若干區段，藉此一單獨扭矩挾帶器被安置在該心軸與一區段之間且藉此該扭矩挾帶器在該心軸之一接觸表面區域處與該心軸接觸，其特徵在於該心軸之該接觸表面區域無切口。
  2. 一種用於一擠壓機之螺桿，藉此該螺桿具有一心軸及固持在該心軸上且軸向於彼此安置之若干區段，藉此一單獨扭矩挾帶器被安置在該心軸與一區段之間且藉此該扭矩挾帶器在該心軸之一接觸表面區域處與該心軸接觸，藉此該心軸具有垂直於該螺桿之一縱向延伸軸且與該接觸表面區域相交之一截面，其特徵在於在該截面上，該心軸具有小於2.0之一應力集中因數。
  3. 如請求項2之螺桿，其中在該截面上，該心軸具有小於1.75、較佳小於1.5、尤佳不超過1.4、至多1.3或至多1.25之一應力集中因數。
  4. 一種用於一擠壓機之螺桿，藉此該螺桿具有一心軸及固持在該心軸上且軸向於彼此安置之若干區段，藉此一單獨扭矩挾帶器被安置在該心軸與一區段之間且藉此該扭矩挾帶器在該心軸之一接觸表面區域處與該心軸接觸，藉此該心軸之該截面中之該接觸表面區域之剖面開始相對於一圓形周邊偏離達一第一正角且藉由一第二同樣正角，其再次與該周邊會聚，其特徵在於負角之一總和小於90°、特別地小於45°。
  5. 如請求項4之螺桿，其中該等負角之總和小於10°，特定言之0°。
  6. 一種用於一擠壓機之螺桿，藉此該螺桿具有一心軸及固持在該心軸上且軸向於彼此安置之若干區段，藉此一單獨扭矩挾帶器 被安置在該心軸與一區段之間且藉此該扭矩挾帶器在該心軸之一接觸表面處與該心軸接觸，其特徵在於該扭矩挾帶器以其輪廓之恰好一側抵靠該接觸表面區域。
  7. 如前述請求項中任兩項、任三項、任四項、任五項或任六項之螺桿。
  8. 如請求項1至7中任一項之螺桿，其中在截面中，該心軸與一圓形周邊部分地相合。
  9. 如請求項1至8中任一項之螺桿，其中該接觸表面區域至少部分係該心軸之一截面上之兩個圓弧區段之間之一弦。
  10. 如請求項1至9中任一項之螺桿，其中在截面中，該心軸係鏡像對稱，特定言之雙重鏡像對稱。
  11. 如請求項1至10中任一項之螺桿，其中繞該心軸之一圓周提供若干扭矩挾帶器。
  12. 如請求項1至11中任一項之螺桿，其中在截面中，一個扭矩挾帶器具有一楔形，其具有一個平坦末端及一另一變厚末端。
  13. 如請求項1至12中任一項之螺桿，其中在該螺桿之一個截面上之該等扭矩挾帶器不對稱、點對稱或鏡像對稱。
  14. 一種用於改裝一擠壓機之一螺桿之方法，藉此該螺桿具有一心軸及固持在該心軸上且軸向於彼此安置之若干區段，具有密封區段邊界，藉此一單獨扭矩挾帶器被安置在該心軸與一區段之間，藉此該扭矩挾帶器在該心軸之一接觸表面處與該心軸接觸，該方法運用如下步驟a. 將該等區段從該心軸移除；b. 運用扭矩挾帶器將該等區段推至一心軸上，藉此該等扭矩挾帶器在該心軸之一接觸表面處與該心軸接觸且藉此產生如請求項1至13中任一項之一螺桿。
  15. 一種擠壓機，特定言之一單螺桿擠壓機或一雙螺桿擠壓機，其具有如請求項1至13中任一項之一螺桿。
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