图1：严重的根部磨损，主要发生在螺棱的推进侧，导致焊接的硬质合金堆焊层严重剥落。

图2：在螺杆修复过程中，重新焊接后，在螺棱外径 (O.D.) 上堆焊科尔莫诺伊 (Colmonoy) 56号硬质合金。

图3：堆焊硬质合金工序后，螺杆外径 (O.D.) 被最终研磨至原始设备制造商 (OEM) 的公差范围。

对于挤出和注塑成型的维护及工程部门而言，螺杆和机筒的磨损都是一个亟待解决的严重问题，这一点理所当然。塑化单元的过度磨损会引发一系列严重的性能问题，自然会影响成本和整体质量。在《塑料技术》一篇文章《你的挤出机想告诉你什么？》中，来自陶氏化学公司 的作者韦斯·霍布森和迈克·鲁特科夫斯克阐述了建立基准数据和磨损监测程序以避免生产率过度损失的必要性。

霍布森和鲁特科夫斯克出色地展示了如何通过监测质量和性能问题来诊断螺杆的过度磨损。既然我们从加工者的角度对挤出机“告诉我们”的信息有了一些了解，下一步就是探讨螺杆本身发生了什么，以及可以采取哪些应对措施。在本文中，我们将探讨螺杆磨损如何影响熔体质量，以及修复与更换磨损设备的成本效益问题。

典型的螺杆磨损

挤出和注塑成型中的螺杆磨损情况类似；大部分磨损发生在压力较高的区域——特别是过渡段和计量段的最后几圈螺纹。加工商和供应商普遍认为，这些区域的磨损是由螺棱外径 (flight OD) 和机筒内径 (barrel ID) 之间的金属对金属接触造成的，这是由于螺杆在这些高压下发生弯曲所致。这种理论不太可能成立，因为螺杆周围的内部压力通常是相同的。

产生使螺杆偏转的力需要的是压力差，而非普遍的高压。金属间的接触确实可能发生，但这是机械状况导致的结果，并且是潜在更大问题的征兆：如未对准、齿轮箱损坏、螺杆弯曲、机筒弯曲、基础不稳固等。在许多行业进行的磨损测试表明，压力和温度的增加会导致摩擦增大。由于过渡段和计量段的最后几圈螺纹通常承受最高的压力和温度，我们可以预测这里是螺棱外径磨损最集中的地方。在检查和修复了数千根螺杆之后，经验证明确实如此。

与螺棱外径磨损非常相似，根部磨损通常在这些高压区域最为严重。磨损在螺棱的推进侧比后退侧更为极端。根部磨损的严重程度在很大程度上受到所加工树脂类型的影响。当加工磨蚀性填料时，例如玻璃纤维或碳酸钙，由于螺棱推进侧产生压力，而未熔融的粒料提供的润滑有限，因此在加料段就可能观察到严重磨损。填料的含量和颗粒形状对磨损的强度有很大影响。颗粒较大且边角更锋利的填料往往比颗粒较小且更圆的填料磨损更大。遗憾的是，成型部件所需的物理性能决定了必须使用的填料类型。由于在螺杆的固体输送段，（使用填料时）磨损更为迅速，因此通常会将填料在下游聚合物已熔融的区域加入，以便获得更好的润滑。

混合段和屏障型螺棱也容易磨损，因为其功能要求树脂流过其螺棱几何形状。分散混合设计采用了某种形式的底切几何形状，使树脂承受高剪切力，以促进更均匀的等温熔体和颜色。随着混合设计的磨损，其分散效果会下降。与分散混合设计非常相似，屏障型螺棱也采用底切设计，以帮助分离熔体池和固体床。随着底切螺棱的磨损，屏障型设计的熔化能力和效率可能会降低。

性能问题

螺杆磨损通常是一个缓慢的过程，在性能大幅下降之前可能不会被注意到。轻微的磨损对整体性能影响不大，因为可以通过调整机器参数来维持生产率。当螺杆螺棱与机筒壁之间的径向间隙增大时，泄漏流（返料）是不可避免的。操作员通常会观察到产量下降和熔体温度升高，从而被迫提高螺杆转速 (rpm) 和能耗以维持期望的产量。随着径向间隙的增加，螺杆无法建立必要的泵送压力来维持预期的输出。

显然，径向间隙的大小是泄漏流计算中的一个关键变量。一个常见的“经验法则”认为，当螺棱间隙达到原始公差的四倍时，就到了更换螺杆的临界点，但重要的是要考虑所加工树脂的粘度。在相同的径向间隙下，粘度较高的树脂比粘度较低的树脂造成的产量损失要小。这些经验法则只应被视为指导方针。

为了更好地预测直径磨损的影响，可以通过考虑总间隙、螺棱宽度、导程（螺距）、机头压力、粘度和熔体密度来计算泄漏流。在试图精确预测产量时，这些计算可能变得相当繁琐；但可以生成相当准确的估算值来预测潜在的产量损失。为了帮助加工商和维护部门预测这种生产率的损失，本文作者开发了一个产量损失计算器，用于估算因螺杆磨损而导致的潜在产量损失。该工具有助于将磨损的严重程度概念化，并帮助团队制定螺杆更换或维修计划。

该工具用于生成表1和表2所示的结果（译者注：原文中提到了表1和表2，但未在提供的文本中给出，故此处无法翻译表格内容），这些结果揭示了在相同条件下聚丙烯 (PP) 和聚乙烯 (PE) 的估计产量损失。请注意，粘度较高的PE比较低粘度的PP承受的产量损失更小。当加工其他剪切敏感性树脂（如聚氯乙烯 (PVC) 和聚碳酸酯 (PC)）时，由于过度剪切导致熔体温度升高，即使是轻微的磨损也会对质量产生不利影响。

当树脂从螺杆螺棱上泄漏时，物料会经历过度的剪切速率。这会提高熔体温度，而如前所述，为维持产量所需的更高螺杆转速只会加剧这一问题。较高的熔体温度会导致主要的质量问题，因为在这些过高的温度下，成型部件的物理性能会大大降低。加工无定形树脂时，这些高剪切力很容易烧焦和降解挤出物，导致废品率很高。

根部磨损通常会形成凹坑和区域，导致物料在这些地方滞留和降解。这表现为成型部件中的黑点和生产波动（喘振）。当加工像硬质PVC这样的树脂时，物料降解可能成为一个严重的问题。PVC在高温下易产生盐酸，导致设备发生极端腐蚀性磨损。在极端的根部磨损情况下，螺棱的侧面可能会被冲刷掉，几乎没有基材来支撑焊接的硬质合金堆焊层，如图1所示。没有支撑，脆性的硬质合金材料很容易剥落，留下粗糙的边缘，减小螺棱宽度，污染挤出物，并可能损坏下游部件。

更换还是修复？

正如许多加工商会认同的那样，停机时间是成功生产的大敌。许多挤出和注塑工厂很少（甚至从不）抽出螺杆来记录磨损情况。紧张的生产计划和复杂的维护工作可能迫使公司最大限度地延长现有设备的使用寿命。这让人想到一句老话：“东西没坏就别修”。

问题在于，当螺杆磨损无法再被忽视时，这类做法可能会使加工商陷入困境。请记住：螺杆磨损是一个渐进的过程，在废品率飙升、能耗猛增，或在极端情况下发生灾难性故障之前，可能不会被注意到。为了节省与购买和安装新设备相关的停机时间和成本，许多加工商在能源消耗增加和材料浪费这些隐性成本上花费了巨额资金。当螺杆最终被抽出检查时，它可能已经无法修复，从而因等待新部件而被迫延长停机时间。

通过基准数据、磨损监测程序以及对螺杆状况的了解，维护和工程部门可以显着减少停机时间并提高其利润。更换高性能螺杆可能成本高昂，但经验丰富的螺杆制造商可以在更短的时间内以低得多的成本将磨损的螺杆修复到接近全新的状态。

当考虑修复磨损的螺杆时，请问自己以下问题：

1. 整体磨损有多严重？

2. 磨损的特征是什么？

3. 当前的螺杆设计能否得到显着改进？

4. 表面处理能否得到改进？

如果忽视对磨损监测的仔细考虑，螺杆磨损可能会非常严重，以至于难以甚至不可能可靠地修复。通常，修复螺杆的成本取决于磨损的严重程度和所需的工作量。经验丰富的螺杆制造商可以检查磨损的设备和加工性能，以确定当前的设计是否值得修复。在某些情况下，一根新的、经过优化的螺杆可以大大提高整体盈利能力，而不是依赖原来效率较低的设计。通常，磨损的螺杆甚至可以重新切削，与报废旧螺杆相比，这可以提高性能。为了提高耐磨性和耐腐蚀性，可以改进表面堆焊和表面处理，以延长螺杆的整体使用寿命。

许多信誉良好的螺杆供应商声称，一根螺杆只能修复三到四次。螺杆的尺寸以及导致磨损严重程度的多种因素都会极大地影响螺杆的寿命，但对于经验丰富的螺杆制造商来说，将一根螺杆修复更多次的情况并不少见。凭借高质量的焊接、对螺杆制造中冶金方面的仔细考虑以及适当的螺棱轮廓修复，作者曾见过螺杆被修复多达六到八次。

螺杆被研磨至均匀的底切直径后，必须重新焊接螺棱，以使用具有最高耐磨性的高硬度硬质合金（图2）。堆焊后，螺杆外径必须研磨至原始公差（图3）。残留的悬垂焊缝必须进行轮廓研磨，以确保最小的螺棱宽度损失。在许多情况下，不良的操作会在此过程中减小有效的螺棱宽度，从而可能影响螺杆性能并使未来的修复潜力复杂化。为了缓解这些复杂情况，一些螺杆制造商选择减小焊缝的宽度。当这些螺杆被研磨至原始公差时，焊接的硬质合金并未覆盖整个螺棱宽度。由于暴露了较软的基体材料，这对耐磨性能会产生负面影响。

制定计划

通过适当的基准数据和到位的磨损监测程序，以及对螺杆状况的了解，维护和工程部门可以制定一个健全的维护计划，以大幅减少停机时间并提高盈利能力。在废品率和能源消耗飙升之前监测螺杆磨损非常重要。不要过早地丢弃磨损的设备。就修复螺杆的潜力咨询经验丰富的螺杆制造商，不仅可以减少停机时间，而且修复成本通常仅为新螺杆成本的一小部分。

良好的修复实践应该能够使螺杆多次得到修复，从而节省大量的维护成本。一个基于基准数据、磨损监测和对螺杆磨损基本理解的健全的计划性维护方案远胜于反应式维护。

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