纺锦纶66长丝螺杆的研究

北京中丽制机工程技术有限公司 刘凯亮／文

1 引言

PA66长丝主要用于帘子布轮胎，由于其具有强度高、耐高温、耐疲劳和抗冲击性好等优良性能，使生产出的胎体具有坚固、重量轻、载荷大等性能优势，因此发展迅速。

最近几年，随着汽车工业的快速发展，世界轮胎工业发生了巨大变化，各生产厂家均致力于产品性能综合研究，不断优化生产工艺，提升产品质量。螺杆挤压机作为熔融纺丝的核心部件对纺丝的品质起着至关重要的作用，在此机遇之下，北京中丽制机工程技术有限公司决定在现有PA66的螺杆设计的技术基础上不断创新，开发新一代专门用PA66的螺杆，打破国外厂商对高端PA66熔融纺螺杆机压机的控制，降低经营成本，提高产品在市场上的核心竞争力。

2 螺杆的工作原理

纺丝聚合物在螺杆螺套中的剪切熔融挤出，是从普通固体状态转化为高温高压粘流状态的物理过程。这个过程是在螺杆转动下连续进行的。按照物料在螺杆螺槽内的变化特征，可以划分为三个区域：固体物料输送区，熔融区和熔体物料输送区。物料的三个转化区是随着物料性质、螺杆几何结构和螺杆工作参数（压力、温度、转速）的变化而变化的。

螺杆的工作部分通常也相应地划分为三段，即：进料段、压缩段和计量段（含混炼头），各段长度设置与被加工物料的特性有关。聚合物切片从进料口靠自重进入螺杆的螺槽中，螺杆由电动机带动在螺套中旋转，推动物料在螺槽中向前移动。在这一段的起始部分需要通过冷水夹套冷却，以防止物料过早地熔化发生粘连环结影响正常进料。进料段后半部为预热区，物料吸收套筒外部电热加热器所供给的热量，开始软化并部分熔融。在压缩段中，螺槽逐渐由深变浅，已预热的物料因连续加热而发生熔融同时被压缩，并把夹带的空气向进料段的方向排出。到计量段内，被压缩的熔体进一步混合并塑化，以一定温度和压力定量地输送到纺丝箱体中进行纺丝。

3 原螺杆存在的问题

因为PA66熔体极易产生凝胶，且纺丝品质对熔体温度的变化极敏感，螺杆挤压机作为切片转换熔体的部件就对纺丝质量的影响首当其冲。纺PA66长丝用螺杆的长径比、压缩比、分区设置与常规化纤螺杆差异较大，螺杆结构、加工精度、耐磨性不同都会对PA66纺丝质量产生极大影响。

原有的纺丝用PA66螺杆问题主要有：对物料的熔融不均匀、压缩段剪切热过大、温度不易控制，产量低等。也就是说，原有用于纺PA66长丝的螺杆，存在温度不易控制，对物料的熔融不均匀，影响产品质量等技术问题。

4 新螺杆的研究

4.1 螺杆结构的研究

新设计螺杆的长径比为29.5～30.5；压缩比为2.9～3.1；进料段、压缩段、计量段和混炼段的长度比值为5：4：3：1，通过增加进料段和计量段的长度，使物料在进料段均匀受热，并在计量段充分熔融。

新设计螺杆设置进料段比原有螺杆长2～3倍的螺杆直径，当固相物料在旋转搅拌前进中被加热时，进料段增加的长度使固相物料预热更加均匀稳定，为在压缩段中熔融打下良好的基础；另外，通过加长计量段的长度来充分熔融剩余固相物料，减小了压力波动（如图1所示）。

图1 新设计螺杆结构示意图

新设计螺杆设置的压缩段分又为三段（如图2所示）。首先，在第一段槽深HX逐渐变浅，以使得剪切热逐渐变大，进而使固相物料受压缩剪切充分熔融至液相。在第二段槽深H4维持恒定槽深，进一步使得固相物料充分熔融，然后，设置第三段的槽深HY变深，以减小压缩段后段的剪切热，进而减小压缩段后段的超温现象，保证后面的计量段内物料的剪切热降低为可控制范围。

4.2 螺杆的表面处理及加工精度

图2 新设计螺杆压缩段结构示意图

由于PA66切片在挤压熔融过程中对螺棱会产生高摩擦、高腐蚀的作用，因此螺杆的制造是在38CrMoALA的基材上，在螺棱位置铣削成型槽后，将一种特殊的合金材料熔化，用特殊方法均匀地喷涂在母材上。合金的配方和比例的不同会对螺杆使用寿命影响较大。

表1 新螺杆螺棱表面材质

其成分附着强度10000Psi以上，硬度HV800～900，脆性2级，在完全消除表面应力裂纹后，可以提高螺杆使用周期。

通过提高螺杆的加工精度使其公差精确到-0.15～-0.18mm，直线度、同轴度和圆跳动都达到ф0.05mm以内，其与螺套间隙达到0.25mm以内，在螺套加热状态推入螺杆组装，从而减少了熔体回流量，螺杆在同等规格转速下增加了单位产量。

5 新螺杆的使用情况

以ф135螺杆挤压机为例，纺PA66高粘切片（相对粘度η=3.1），纺丝品种为840～1260D PA66高强丝，其运转参数如下：

表2 螺杆各加热区设置

表3 螺杆转速与产量计算

经实际测算，其实际产量已经达到计算产量的0.95Q。

表4 PA66纺丝产品的质量指标

从表4纺丝产品的质量指标和螺杆实际产量测试接近理论产量，得以证明纺PA66新螺杆研制成功。

6 结论

新设计螺杆已经批量用于生产实践，具有运行平稳、压力波动小、温度控制精确等特点。同时单位产量平均提高了20%；纺丝产品质量能保持很高水平，很好的满足客户工艺性能要求，为高端PA66长丝生产提供优良装备。