专利名称：挤出机螺杆的敷层方法
技术领域：
本发明涉及通过机械功进行混合和/或塑化的设备以及各种材料，如橡胶的挤出设备。具体地讲，本发明涉及一种敷层方法，该敷层方法可以防止由于至少一种旋转物与一种静止物之间的接触摩擦而造成的磨损。本发明还涉及一种挤出机螺杆，该挤出机螺杆上至少有一部分隆起部分带有这种敷层。
本发明所涉及的混合与挤出螺纹可以作为挤出头的隆起部分，而挤出头则邻近于塑化材料的排出口，该隆起部分的功能是排出上述材料。
本发明的应用领域不仅仅局限于橡胶，还可以容易地扩展到塑料和弹性合成材料，甚至可以扩展到任何在受到或多或少的各种机械功的作用后能够被混合与挤出的材料。
在橡胶混料的备料工作中，需要使用带一个混合滚筒的挤出机，挤出机中有至少一个金属螺杆，金属螺杆是在一根芯轴上成形出一条或多条适宜形状的环绕螺纹后制成的。
螺纹可以理解为芯轴上的任何隆起部分，用于混合/剪切一种或多种基底材料，从而可将从一个型腔或给定轮廓中获得的混料挤出。
将要被塑化的材料被引入上述机器的混合滚筒中并受到每个内部螺杆的旋转所带来的机械变形功(主要是剪切功)的作用；每个螺杆以及每个螺纹的尺寸取决于塑化所需的作功量；所需做功越多，螺杆的长度与它的芯轴直径之比越大。在螺杆的旋转作用下，材料会呈现出相当大的机械阻力，这种机械阻力会使芯轴产生或多或少的弹性应变，该芯轴则会与混合滚筒的内壁相接触。这种接触会使螺杆螺纹的冠壁磨损，所谓冠壁是指螺纹上与混合滚筒内壁距离最近且与该内壁相面对的部分。在挤出头上用于将塑化材料推出挤出机的隆起部分上也会出现类似现象。
螺杆螺纹的这种磨损问题已是众所周知，为了提高挤出机螺杆的移动部分抵抗静止物摩擦的寿命并保持较低的费用，现已提出在螺杆螺纹的冠壁附加一个合金基体的敷层，这种敷层的耐磨损性能要比构成螺纹的基体金属强。例如，可采用钨铬钴6或钨铬钴12等合金，这些合金的硬度和耐磨损性能可以显著提高挤出机螺杆的使用寿命。
一种现有的敷层方法包括通过焊接附着一种合金；还需要一道精加工过程，即磨削螺纹表面以获得所需的表面质量和尺寸。应指出，由于敷层的硬度很高，对其加工需要特殊的加工工具，因而磨削过程较为困难。
从磨损的角度出发，希望附着的金属具有最高的硬度；然而，高硬度的敷层尽管耐磨，但当敷层受到机械剪应力时，例如在挤出机中就会遇到这种情况，这种敷层具有脆性大的缺点。一种所谓的剥落现象会发生，即高硬度敷层的表面会沿着大致平行于应力作用表面的一个平面碎裂。在上述敷层的碎片被剥落后，还会在敷层上继续发生剥落现象；所谓碎片是指这样的金属片其体积明显大于普通磨损所形成的颗粒。随着高硬度敷层的削弱，会有从敷层上磨下的碎片出现在混合材料中，这将导致在混合材料中含有体积较大的异物，这些异物会在将来的使用中影响上述挤出材料的性能。由于有这种剥落现象，因此，为了避免在挤出材料中含有敷层碎片，需要装备监视系统以监视螺杆的表面状态；当然，上述监视系统又增加了费用。此外，敷层部分需要频繁修复；附着材料的修复或更新过程虽然可行，但由于敷层材料硬度高，因而操作困难。
根据本发明的一个方面，提出了一种敷层方法，用于给一个芯轴外壁上的至少一个隆起部分的冠壁加上敷层，该芯轴在一个中空的滚筒中旋转，滚筒上有一个内壁与上述芯轴的上述外壁相对。相对于芯轴外壁上的其它部分，冠壁距离中空滚筒最近，冠壁被限定在二侧壁之间，每个上述侧壁与上述冠壁的相交处形成一个棱边，该棱边可以切割(即剪切)一种可被机械功塑化的材料。
根据本发明的冠壁敷层方法可以使该部分的耐磨性能优于通过现有方法所获得的耐磨性能，本发明的冠壁敷层方法包含下面个步骤在每个将要被附加敷层的隆起部分的冠壁的至少一个棱边上面及其附近附着硬度为D1的第一种材料，该材料只占据该冠壁宽度的一小部分；在冠壁的其它未加敷层部分附着硬度为D2的第二种材料，该硬度D2大于硬度D1；磨削在上述各步骤中形成的附着物，以获得芯轴上的各隆起部分的外轮廓与尺寸。
冠壁的宽度是沿着被附加敷层部件的旋转轴线方向测量的。
本发明的方法可以用于制作新的部件，也可以用于修复在使用中被磨损了的混合和/或挤出部件。
如果一种将要附着的材料的硬度小于另外一种材料的硬度，那么硬度较小材料的附着可以在上述另一种材料附着之前也可以在之后。附着在至少一个棱边上面及其附近的材料为一种金属材料，这可以采用焊接熔滴附着法获得。
为了达到最佳效果，构成敷层的硬度为D2的第二种金属可以采用高硬度的镍基合金或是高硬度的陶瓷材料。
本发明还涉及一种挤出机螺杆，该螺杆上有至少一个隆起部分从一个芯轴上伸出，该芯轴安装在一个挤出滚筒的内部并可旋转，该螺杆用于混合一种可以塑化的材料并且挤出该材料。隆起部分包括一个冠壁，该冠壁由二侧壁确定，每个侧壁与该冠壁的交线分别构成一个棱边，棱边用于在材料的塑化过程中切割该材料；相对于芯轴外壁表面上的其它点来说，该隆起部分的位置应尽可能接近挤出滚筒内壁。
此外，芯轴上的至少一个隆起部分的冠壁加有敷层以提高其耐磨能力，从而显著提高该隆起部分的使用寿命。冠壁的这种敷层的特征在于，敷层中包含至少两种材料，这些材料在冠壁并排布置且具有不同的硬度D1和D2，在冠壁承受高剪应力处优选附加硬度较低的材料。
在冠壁与上述隆起部分的侧壁相交处所形成的每个棱边上面及其附近所附加的敷层材料的硬度应小于附加在棱边以外的一种或多种敷层材料的硬度。
冠壁棱边上面及其附近所附加的敷层材料用于剪切将要被塑化和/或将要被挤出的材料，该敷层的硬度D1优选比附加在冠壁其它部位的敷层的硬度D2小至少5HRc。
采用根据本发明的方法所获得的敷层同各种普通敷层相比，可以显著提高耐磨损能力并减少剥落现象出现的几率。
根据本发明的敷层方法的一个优点是可以拓宽敷层材料的选择范围，这是因为可以在剥落可能性较小的区域内采用硬度非常高的材料，这种材料可以从，例如，镍基合金或陶瓷材料中选择。
下面将通过采参考附图而对本发明的一些派生形式进行解释，这些派生形式只是用作示例以帮助理解本发明的。
图1是一个挤出机螺杆的截面示意图，该螺杆上有一条螺纹，螺纹的冠壁附加了根据本发明的敷层；图2是一个挤出机螺杆的螺纹的截面示意图，该螺纹通过本发明的方法而被修复。
图1中只显示了一个根据本发明的挤出机螺杆1的一部分，该螺杆1包含一个金属芯轴2，芯轴2为细长圆柱形并具有轴线XX’，芯轴2的外壁3上缠有一条螺纹4，螺纹4呈螺旋状并具有相同的轴线XX’。
位于芯轴2的外壁3上的螺纹4由两个侧壁5、6和一个冠壁7构成。在图1所示的例子中，螺纹4的冠壁7是圆柱面形并与芯轴2的外壁3同轴；当螺杆1被安装进挤出机的混合筒后，希望冠壁7尽可能接近该混合筒的内壁(此处未画出)。
为了提高该螺杆1的螺纹4的使用寿命，冠壁7(大约15mm宽)将附加一个约1.5mm厚的敷层，沿着轴线XX’的方向看，根据本发明的敷层由三部分构成，这三部分沿XX’方向排列。第一部分71和第三部分73均由硬度为D1的金属构成并附加住螺纹4的冠壁7的两个棱边8、9上，二棱边8、9分别是侧壁5、6与该冠壁7的交线；第二部分72由硬度为D2的金属构成，在所给例子中D2要明显大于D1，第二部分72附加在冠壁7上的位于棱边8、9之间且第一部分71和第三部分73未附加到的区域，这样就形成了整个敷层。
这样就得到了一个挤出机螺杆1，该螺杆1包含一个螺纹4，螺纹4上加有一个高效敷层，该敷层在混合和/或挤出将要被挤出的材料时即使受到强剪应力的作用，也能有效防止接触磨损并排除了剥落现象。
二敷层间的优选硬度差为至少5HRc。为了使敷层的保护作用有效且持久，敷层厚度可以在0.5mm至4mm之间。
在一个派生例子中，敷层材料为镍基合金(具有较好的焊接性能和研展性能，因而易于成形)，敷层的硬度为在棱边附近的部分最多为52HRc(洛式硬度)，在中间部分的敷层合金硬度约62HRc。
在另一个派生例子中，提出了在镍基合金中加入钨的方法，钨的含量在30％至60％之间，通过加入具有很高硬度(超过70HRc)的钨填料，可以提高混合材料的耐磨损能力；加入钨的合金优选用在敷层的至少中间部位。
在另一个派生例子中，在敷层的至少中间部位上采用了一种陶瓷型材料，现已知这种材料具有高硬度和低摩擦系数；由于这种敷层结构具有低磨损率，因而为有效减小敷层厚度提供了可能。
对于任何包含有或快或慢磨损部分并需要附加敷层以阻止这种磨损的部件，均可以在将要被附加敷层的外壁的至少一部分上采用上述各种数据，当然在选择敷层材料时不必仅局限于此。
图2中显示了一个挤出机的螺纹77的一个部分的横截面，该横截面通过该螺纹所在螺杆的旋转轴线。为了便于理解，在图2中的螺纹77上显示了敷层方法的各个不同阶段。
曲线770代表螺纹77的冠壁磨损后的轮廓，该冠壁需要修复。对于这种磨损形式，应先检查螺纹是否有任何破裂处，再稍微磨削一下该螺纹的冠壁，然后再采用本发明的敷层方法进行处理，本发明的敷层方法如下所述在磨损螺纹77的棱边88和99上面及其附近附着上由硬度为D1的合金构成的第一个珠粒11和第二个珠粒13(二珠粒的轮廓771和772以虚线示意表示出)；之后，在螺纹冠壁位于珠粒11和13之间的中间部位上附着硬度为D2的第二种金属一硬度D2要明显大于硬度D1(中间部位的轮廓773以虚线示意表示出)；磨削冠壁并清理螺纹侧壁55和66上的焊接飞溅，以获得所需的螺纹外形与尺寸，从而完成对螺纹77的修复(在图2中，最终外形的轮廓775以虚线示意表示出)。
在实际应用中，通常是采用TIG(钨极惰性气体保护)焊接方法，甚至是通过MIG(熔化极惰性气体保护)焊接机器人或是采用PTA(等离子传递弧)焊接方法将金属珠粒附着在螺纹的冠壁。PTA焊接附着法可以限制金属向构成螺纹的基体金属中渗透，因而能够获得非常纯的合金。
最后，现已发现，对于总沿相同方向旋转的螺杆，为了完成对材料的塑化工作和/或挤出塑化后的材料，可以只在螺纹冠壁的前棱边附近附加一个硬度小于冠壁其它部分(包括另一个棱边)的敷层硬度的敷层。这种方法对于窄的螺纹，即宽度小于15mm的螺纹更具有实际意义。所谓前棱边，是指螺纹上距离材料挤出口较近一侧的棱边，该棱边承受着将要被塑化的材料的大部分剪切力。
权利要求
1．一种敷层方法，用于给位于一个芯轴的外壁上的隆起部分加上敷层，该隆起部分用于塑化和/或挤出一种材料，所述芯轴可旋转地安装在一个中空滚筒内，滚筒的内壁与芯轴的外壁相面对，该隆起部分包含一个冠壁和二侧壁，每个上述侧壁与该冠壁的交线分别形成一个棱边，棱边用于在材料塑化过程中剪切该材料，相对于芯轴外壁表面上的其它点来说，该隆起部分的位置应尽可能接近该中空滚筒，所述敷层方法包括以下各步骤-在每个将要被附加敷层的隆起部分的冠壁的至少一个棱边上面及其附近附着硬度为D1的第一种材料，该材料只占据该冠壁宽度的一小部分；-在冠壁的其它未加敷层部分附着硬度为D2的第二种材料，该硬度D2大于硬度D1；-磨削各附着物，以获得芯轴上的各隆起部分的外轮廓与尺寸。
2．根据权利要求1的方法，其中，该硬度为D2的材料在包含镍基合金材料和高硬度陶瓷材料的材料组中选择。
3．根据权利要求2的方法，其中，至少一种上述材料的附着可以通过焊接实现。
4．一种挤出机螺杆，其具有至少一个隆起部分从一个芯轴上伸出，该芯轴可旋转地安装在一个挤出滚筒的内部，该螺杆用于塑化一种材料并且在该材料被塑化后将其挤出，该隆起部分包括一个冠壁以及与该冠壁相交的两个侧壁，每个上述侧壁与冠壁的交线分别构成一个棱边，棱边用于在材料的塑化过程中切割该材料，该隆起部分的冠壁附加有一个敷层，该敷层由至少两种具有不同硬度D1、D2的材料构成，这些材料在冠壁上并排布置。
5．根据权利要求4的挤出机螺杆，其中，附加在至少一个棱边上面及其附近的敷层材料的硬度D1比第二种敷层材料的硬度D2小至少5HRc。
6．根据权利要求4的挤出机螺杆，其中，附加在每个棱边上面及其附近的敷层材料的硬度D1比附加在螺纹冠壁位于该二棱边之间的中间部位上的敷层材料的硬度D2小至少5HRc。
7．根据权利要求5的挤出机螺杆，其中，附加在至少一个棱边上面及其附近的敷层材料的硬度D1最大为52HRc。
8．根据权利要求4的挤出机螺杆，其中，敷层材料中至少有一种是一种镍基合金。
9．根据权利要求4的挤出机螺杆，其中，敷层材料中至少有一种是加入了钨填料的镍基合金。
10．根据权利要求4的挤出机螺杆，其中，敷层材料中至少有一种是一种陶瓷型材料。
全文摘要
一种敷层方法,其用于给一个挤出机螺杆的至少一个隆起部分的冠壁附加敷层,该方法包括以下各步骤:在每个将要被附加敷层的隆起部分的冠壁的至少一个棱边上面及其附近附着一个硬度为D1的珠粒,该珠粒只占据该冠壁宽度的一小部分;之后,在冠壁的其它未加敷层部位附着硬度为D2的第二种材料,该硬度D2与硬度D1明显不同;磨削在上述各步骤中形成的附着物,以获得螺杆上的各隆起部分的外轮廓与尺寸。
文档编号B29C47/60GK1221674SQ98125869
公开日1999年7月7日 申请日期1998年12月22日 优先权日1997年12月22日
发明者克里斯蒂安·杜里, 让－路易斯·赫伯特恩 申请人:米什兰集团总公司