当螺杆突然停止旋转并卡在挤出机筒或进料口时，就会出现挤出机的一个特殊严重问题。这种情况并不经常发生，但一旦发生，就会对机器造成严重破坏。

这个问题最常见的原因是螺杆和机筒之间的热膨胀不同。通常用于氟聚合物挤出的耐腐蚀螺杆对螺杆结合特别敏感。这通常会导致机器的相当大的损坏和大量的停机时间。我们将分析螺杆抱死的机制，并就如何防止这个问题提出建议

含氟聚合物的挤出

在氟聚合物的挤出工艺中，挤出机螺杆和模具通常必须使用高度耐腐蚀的材料。用于此目的的常用材料有 hastelalloy，Monel，Inconel 和 Duranickel。 这些材料表现出比大多数挤出螺杆使用的典型4140钢更好的耐腐蚀性能，但它们也具有与4140钢相当不同的其他性能。这些其他性能使得这些耐腐蚀螺杆比4140钢制造的螺杆更容易受到螺杆抱死的影响。由于螺杆抱死通常会对挤出机造成相当大的损害，并伴随着停机时间和成本，更不用说加重情况了，因此加工者必须意识到使用高耐腐蚀材料螺杆的缺陷。

螺杆抱死的机理

当螺杆安装在挤出机中时，螺杆与机筒之间的径向间隙通常为0.001d，其中d为挤出机机筒的内径。这是室温下的间隙。当机器运转时，螺杆和机筒之间的实际间隙可能会有很大的不同。在实际加工条件下，造成间隙变化的两个主要原因是加工温度和螺杆上的压缩载荷。当加工温度远远高于室温时，当螺杆和机筒的热膨胀系数不同、螺杆和机筒的温度不同时，间隙会发生变化。

温差引起的间隙变化

当螺杆和机筒的温度增加相同数量时，由于热膨胀，螺杆和机筒的直径都会增 加。如果螺杆的CTE（热膨胀系数）大于机筒的CTE，螺杆和机筒之间的间隙将随着温度的升高而减小。

对于室温以上333.3 ℃ 运行的25.40 mm 机筒，当 CTE 为11.34 × 10^-6/℃ 时，ID 增加0.0965 × 10^-2 mm。对于25.3492 mm Monel 螺杆，CTE 为13.86 × 106/℃，在室温以上333.3℃运行时，螺杆直径增加0.1168 mm。因此，螺杆的热膨胀与机筒直径的热膨胀之间的差值约为 0.02 mm，或者按半径为0.01mm。如果径向间隙为0.0254 mm，由于热膨胀的差异，间隙将减小到0.01524mm。因此，如果螺杆和机筒在相同的温度下，间隙会减小，但仍然大于零。

然而，在运行中的挤出机中，螺杆和机筒的温度不太可能相同。螺杆和机筒温度的最大差异可能发生在进料口。大多数挤出机的进料口是水冷的，因此在许多情况下接近室温。然而，由于压缩和计量部分的高温热传导会导致螺杆进料段的温度上升，因此进料部分的螺杆温度可以(并且在许多情况下将会)高得多。

如果进料口保持在室温，进料段螺杆温度提高166.7℃， 当 CTE = 13.86 × 10^-6/℃ 时，进料段螺杆直径将由25.3492 mm 增加到25.4076 mm。这对应于每毫米螺杆直径0.0023毫米。现在的螺杆直径大于进料口的直径，螺杆与机筒会结合！

有人可能会问，用 4140 钢制成的螺杆是否同样可能出现这种温差？答案是否定的，原因在于这些材料的热导率不同。耐腐蚀金属的热导率通常比钢低三到五倍（见表）。耐腐蚀材料的较低热导率将减少从螺杆传递到减速器的热量。

因此，螺杆的柄部和进料区段的温度将高于高导热率螺杆。下图展示了热膨胀量与螺杆和料筒之间温差的关系图。该图显示了几个热膨胀系数的值。从图中可以看出，考虑到热膨胀系数在 10×10^-6 至 17×10^-6/℃ 的范围内，螺杆在料筒内卡住需要 165 至 220℃ 的温差。显然，如果聚合物在 370℃ 下加工，螺杆温度比（进料段）料筒温度高出 165℃ 以上是完全有可能的。

当粘性发热显着时，螺杆温度往往会高于机筒温度，至少对于中性螺杆而言是这样。Janssen 等人发现，在没有螺杆冷却的挤出机中，螺杆温度比机筒温度更能准确地反映聚合物的平均温度。对挤出机中非等温、非牛顿流体流动的有限元分析表明，当粘性发热显着时，螺杆温度往往高于机筒温度。因此，螺杆计量段的温度可能明显高于机筒温度，所以进料段螺杆与机筒之间的温差可能比根据测量的机筒温度所推测的要大。

挤出机螺杆温度分布的分析

为了确定上一节提出的螺杆结合机理是否正确，采用有限元分析法对挤出机螺杆加工FEP中的温度分布进行了预测 采用威斯康星大学麦迪逊分校开发的FEHT程序。

为分析中采用的热边界条件；采用697个节点，1280个三角元素一起使用。 进料喉部温度设定为15.6 °C；筒体温度分别设置为288、371、371和371 °C；螺杆柄部温度设置为93 °C；螺杆尖部温度为371 °C；螺杆中心线径向的热通量为零。 程序不考虑粘性耗散和对流，纯靠传导传热。 FEP的热导率取为0.246 J/msK。

有限元分析热边界条件示意图

4140螺杆中预测的温度分布

Monel 螺杆中预测的温度分布

较后明显 Monel 螺杆的进料部分温度较高。这一定 是由于热导率，因为这是两种情况之间的唯一区别。这些研究预测，由低热导率材料制成的螺杆在挤出工艺中可以在螺杆的进料部分产生较高的温度。 在 Monel 螺杆的情况下，进料部分的螺杆温度在150到260摄氏度之间。

压缩载荷引起的间隙变化

当挤出机螺杆挤出塑料熔体使其通过模具时，螺杆末端的压力将对螺杆产生压缩推力负荷。结果，螺杆的长度会减少，而螺杆的直径会增加。螺杆直径 的相对增加可以表示为:

其中D 是直径，ΔD 是直径的增加，L 是长度，ΔL是长度的增加，P是压力，E 是弹性模量。

当压力为34.5 MPa，模量为2.07 × 10⁵mPa 时，ΔD/D = 8.3 × 10^-5。因此，对于一个25.4 mm 的螺杆，直径的增加将是0.0021 mm。因此，与差热膨胀的影响相比，由于压缩载荷引起 的直径增加是相当小的，因此，由于压缩载荷引起的螺杆径向膨胀很可能只是螺杆锁死在筒体中的一个次要因素。

分析结果

上述分析证实，与普通4140钢制造的螺杆相比，耐腐蚀螺杆确实有更大的机会锁定在挤出机中。其主要原因似乎是高耐腐蚀金属的热导率较低，在挤出过程中导致进料口与螺杆进料段之间出现较大的温差。较高的螺杆温度将导致螺杆膨胀超过进料口料筒，可能导致螺杆结合。有限元分析结果表明，耐腐蚀螺杆的热导率较低，导致螺杆进给段温度较高。

高耐腐蚀材料经常出现螺杆结合问题的原因是，这些螺杆通常用于高温(约 370°C)处理的氟聚合物。在这种情况下，有几个因素使螺杆结合更可能。首先，在如此高的加工温度下，螺杆进料段和机筒之间会有较高的温差。

其次，由于热导率较低，高耐腐蚀材料制成的螺杆与4140钢制成的螺杆相比，这种温差会更大。第三，由于这种高耐腐蚀材料的热膨胀系数高于4140钢，这种材料的螺杆将膨胀更大。

可以采取以下几种措施来减少螺杆粘合的机会:

n 给螺杆进料段的冷却

n 提高进料喉口的温度

n 降低过渡段的温度

n 降低计量部分的温度

n 增加进料喉部的间隙

大多数情况下，避免抱死问题的最佳方法是将进料部分的螺杆直径减少至少0.002 mm/mm 的螺杆直径。由于大多数塑料是以颗粒的形式进料，增加进料部分早期的螺棱间隙不大可能影响挤出机的性能，但这将大大减少螺杆卡在挤出机筒或进料口中的机会。