押し出しの基礎: ネジの扱い方

アラン・グリフ 2021年9月19日

地球は 0.0007 rpm の速度で回転しています。 計算は簡単です: 1 日あたり 1 回転、24 で割って回転/時を求め、60 で割って回転/分 = rpm を求めます。 線速度に関しては、お住まいの地域によって異なります。 私がいる北カリフォルニアでは北緯 38 度にあり、時速 1,230 マイルで移動しています。 これは音速に近い速度ですが、私たちの周りの空気も同じ速さで動いているため、音を感じたり聞いたりすることはありません。 これは、どの押出機内よりもはるかに高速です。12 インチ/30 cm バレル内で 100 rpm で高速運転しても、バレル壁の粒子の速度は依然として 314 フィート/分、つまり 1 時間あたり 0.36 マイルに達します。 押出機を稼働させる上でこれはどれも重要ではありませんが、私たちエンジニアにとっては楽しいものです。

ただし、ネジがどのように機能するかを理解することが重要です。 これは、私のプラスチック押出操作マニュアル (第 24 版、2021 年) の単一ネジに関するセクションの要約版です。

システムの長さを長さと直径の比 (L/D) で表します。 最も一般的な L/D は約 24:1 です。 30:1 またはそれ以上の長いものもあれば、20:1 ほど短いものもあります。 加熱、溶解、または混合が出力制限である場合、長さが長いほど出力が増加する可能性があります

標準ネジには 3 つのゾーンがあります。

多くのネジは正方形ピッチです。つまり、1 つのネジ山から次のネジ山までの距離は直径と同じです。 これにより、ターンを数えるだけで簡単にL/Dを取得できます。 送り口の下の部分はL/Dに含めるべきではありませんが、ねじが長く見えるため数えている人も多いです。

スクリューの圧縮率は、最初のフライトの体積と最後のフライトの体積の比であり、通常は 2 ～ 4 です。 多くの場合、これは、等ピッチねじの最初と最後の溝の深さの比と見なされます。 圧縮比は便利ですが、これは不定の数値であり、少なくとも 1 つの溝の深さがわかっていなければ、スクリューを適切に記述することはできません。

フライト幅（厚み）はバレル径の10％程度です。 フライトが広いとスクリューの長さが無駄になり、バレル壁との隙間で過剰な熱が発生しますが、フライトが狭いとそれらの隙間での流れ（漏れ）が多すぎる可能性があります。 フライトと根元の接触部分でのよどみを避けるため、角は丸くなっています。

スクリューは通常、機械加工可能なスチールですが、バレルに最も近いフライト表面は摩耗を遅らせるためにさらに処理されています。 軽度に使用する場合は火炎硬化で十分です。 ネジの表面全体を窒化処理して硬化させることもできますが、通常はこれらのフライト面に硬質合金のキャップを付ける処理が行われます。

バレルは通常、耐摩耗合金で裏打ちされた鋼製シリンダーです。

新しいネジのネジ山とバレルの間の隙間は 0.005 ～ 0.010 インチ (0.125 ～ 0.25 mm) で、非常に小さなネジではこれより小さくなり、非常に大きなネジではより大きくなります。 ぴったりとフィットすると、熱が発生しすぎてコストが高くなります。 これらの値を超える摩耗は通常は無害であり、役立つ場合もあります。そのため、再構築または交換する前に実際に問題があることを確認してください (同じ出力に対してネジをより速く回転させる必要があるため、過熱など)。

抵抗 (ねじ先端の圧力)、必要な出力速度、および材料の粘度がわかっていれば、ねじをコンピュータで設計できますが、金属を切断する前に、ある程度の経験を積んでコンピュータを「シーズニング」することをお勧めします。

ネジをクロムメッキすると、根元の滑りが増し（これは良いことです）、特に機械から外したときの腐食を防ぐ可能性がありますが、ほとんどのプラスチックには不要です。 摩耗性の高い材質の場合、ねじ表面全体を硬化させることができます。 最後に、PVDC および一部のフッ素樹脂は、鉄ベースの材料が腐食し、めっきが十分に長く持続しないため、特殊な金属が必要です。

一部のネジには中央に通路が開けられています。 全長を水冷することで最終フライトでのミキシングを向上させます。 硬質 PVC にはオイルが使用されており、ネジの先端を約 300°F (150°C) に保持するため、そこで PVC が劣化することはありません。 スクリューの冷却はバレルの途中までのみ、供給ゾーンでスクリューの根元に固着するのを防ぐためにプラスチックを使用して行われます。

マドックセクションは、直径約 2 倍の長さのスクリューで、通常は終端の数回転前にあり、フライトの代わりにペアになった大きな溝 (フルートと呼ばれます) があります。

各入口フルートには対応する出口があり、それらの間にはバリアリッジがあります (下の図を参照)。 この尾根上のバレルまでのクリアランスは約 0.020 ～ 0.030 インチ (0.50 ～ 0.75 mm) です。 最初のマドックスはねじ軸に平行な溝を持っていましたが、現在はより多くの溝が螺旋状になっています。

溶融物は入口フルートに入り、バリアリッジを越えて流れ、出口を通って流出します。 未溶解のペレットは全体を通過することはできませんが、せん断されて平らになり、最終的には溶融物として通過します。 また、低温の溶融物は高温の溶融物よりも高せん断領域に長く留まり、熱の均一性が向上します。 マドック ミキシング ヘッドと呼ばれることが多いですが、スクリューの端 (ヘッド) にあることはほとんどなく、ミキサーというよりはストレーナーとして機能します。

バリア スクリューには、圧縮ゾーンの大部分を占めるセクションがあり、2 つの平行なチャネル (溶融物用とペレット用) を形成する追加のフライトが付いています。 新しいフライトとバレルの間の隙間は、ペレット チャネル内で形成された溶融物が溶融物チャネルに逆流できるほど十分な大きさですが、ペレットをブロックするには十分小さく、約 0.060 インチ (1.5 mm) です。 ペレットはメイン チャネル内に留まりますが、余分な溶融物は排出されるため、ペレットが互いに擦れ合うときにより多くの摩擦熱が発生します。 その結果、毎分あたりの溶解効率が向上します。 材料がスクリューを下に移動すると、より多くの溶融物が生成されるため、溶融物チャネルの体積が増加します。 ただし、未溶解のペレットが少なくなるにつれてペレット チャネルは小さくなり、最終的にセクションが終了し、ペレットがなくなり、1 回の飛行で溶融物が計量ゾーンを通って運び去られます。 このようなバリアを計量ゾーンのマドックセクションまたは別の特別な混合装置と組み合わせるのが一般的です。

図面のバリア セクションの長さは直径 4 倍だけですが、わかりやすくするために短縮されています。 通常の長さは少なくとも直径の 10 倍です。

ミキシングピンは、スクリューの根元から突き出たリング状のスタッドで、小川の岩のように流線を乱し、混合を改善します。 通常、ネジの最後の 4 分の 1 に挿入されます。

溝付きバレルは、高密度ポリエチレンのような滑りやすい硬質プラスチックの取り込みを改善するために、水冷された別個の供給ゾーンに軸方向または螺旋状の溝がバレルにあります。 より浅い送りとより深い計量ゾーンを備えたスクリューが必要であり、多くの場合圧縮がまったくありません。 計量ゾーンが深いと混合が不十分になるため、スクリューの出力端に集中混合セクションを設置するか、ヘッドに静的ミキサーを設置するか、さらなるハードウェアが必要になります。

ベント付き (2 段階) 押出では、ベントの前にすべての材料を溶かす必要があるため、非常に長いスクリューが使用されます (通常、全長の約 70%)。 この最初の部分は通常の 3 ゾーン スクリューですが、その後突然再び深くなり、溶融圧力が低下するため、バレルの穴 (ベント) を通して真空を適用して、空気、湿気、その他の揮発性物質を除去できます。 溶融物は下流に進み、再圧縮され、最終の計量および混合セクションを通過して、ダイから出ます。

通気孔を通して、発泡ガスや発泡剤、スクラップ、ブレンド樹脂、微量添加剤などの材料を追加できます。 ガラス繊維などの非熱可塑性プラスチックも挿入できます。ガラス繊維は溶融する必要がなく、硬くて固体の飼料粒子と混合するよりも溶融材料に添加した方が摩耗性がはるかに低くなります。

ベント付きスクリューでは、第 2 ステージは、第 1 (後部) ステージがベントゾーンに入れたものを取り除き、ヘッドの抵抗にも対抗する必要があります。 したがって、第 2 ステージのポンピング能力は、ゼロ抵抗に対抗する第 1 ステージのポンピング能力よりも大きくする必要があり、そうでない場合は、溶融プラスチックがベントから出てしまうのを避けるために、供給量を個別に制御する必要があります。 通常、前部と後部の計測深度の比率は 1.5 ～ 2.0 です。 ただし、深いチャネルでは高圧に対して十分なポンプ動作ができないため、一般的なベント付きスクリューは約 2500 psi (17 MPa) の最大抵抗 (スクリーンを含む) に対してのみ機能します。 ヘッド抵抗を高くするには、制御された供給か、または通気を可能にするギア ポンプのいずれかが必要です。

ダブルフライト スクリューは、スクリューの一部または全体に 2 つの平行な経路があります。 計量ゾーンでは、これにより熱伝達が促進されるため、押出コーティングなど、非常に高い温度が必要な場合に使用されることがあります。 ダブルフライトフィードゾーンはよりスムーズなフィード（脈動の減少）をもたらすと考えられていますが、今日ではほとんど見られません。 すべてのバリア スクリューのバリア セクションはダブル フライトですが、上で説明したように 2 つの経路は等しくありません。 ウェーブ スクリューでは、2 つ (または 3 つ) の経路の幅は同じですが、それらの間には溶融物が流れるのに十分な低さの障壁があります。 チャネルの深さは波状に増減しており、互いに位相がずれているため、一方の経路が浅い場合、障壁を横切る経路は深くなり、融液は浅いところから深いところへ流れます。 半回転すると深さが逆転します。 溶融物は依然として浅いところから深いところに流れるため、下流に進むにつれて障壁を越えて前後に移動するため、混合に適し、流れが安定します。

著者について

アラン・グリフはベテランの押出成形エンジニアで、大手樹脂サプライヤー向けの技術サービスからスタートし、現在はコンサルタントとして、訴訟の専門証人として、そして特に公開ウェビナーやセミナーを通じて教育者として長年働いています。そして社内で、そして今では彼の新しいオーディオビジュアルバージョンです。 彼は、米国初の実用的な押出成形本である「プラスチック押出技術」と、ほぼ毎年更新され、英語だけでなくスペイン語とフランス語でも入手できる「プラスチック押出操作マニュアル」を執筆しました。 詳細については、彼の Web サイト www.griffex.com をご覧いただくか、[email protected] まで電子メールでお問い合わせください。

グリフ氏によると、バーチャル視聴覚セミナーはライブよりも優れているため、近い将来、あるいは今後もライブセミナーの予定はありません。 移動やライブ日程を待つ必要はなく、同じ PowerPoint スライドですが、音声説明と書面によるガイドが付いています。 自分のペースで見てください。 グループ参加は、電子メールで質問し、徹底的な回答を得る権利を含む単一料金で提供されます。 詳細については、301/758-7788 に電話するか、電子メール [email protected] でお問い合わせください。

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