具有减小的顶锥角的螺杆元件 |
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| 申请号 | CN200980123296.3 | 申请日 | 2009-06-09 | 公开(公告)号 | CN102066066A | 公开(公告)日 | 2011-05-18 |
| 申请人 | 拜尔技术服务有限责任公司; | 发明人 | M·比尔德尔; T·克尼希; U·利森费尔德; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及用于具有成对同向并且成对精确刮削的螺杆轴的多轴螺杆机的螺杆元件，螺杆元件在多轴螺杆机中的应用以及用于制备本发明螺杆元件的方法。 | ||||||
| 权利要求 | 1.用于具有成对同向和成对精密刮削的螺杆轴、具有两个或更多螺杆导程Z、具有轴距A和外直径DE的多轴螺杆机的螺杆元件，其特征在于，元件对的顶锥角之和大于0并且小于 |
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| 说明书全文 | 具有减小的顶锥角的螺杆元件技术领域[0001] 本发明涉及用于具有成对同向和成对精密刮削的螺杆轴的多轴螺杆机的螺杆元件，螺杆元件在多轴螺杆机中的应用以及用于产生螺杆元件的方法。 背景技术[0002] 其转子互相精密刮削(abschabend)的同向旋转的两轴机或必要时多轴机很久以来已经是公知的(DP 862 668)。在聚合物制备和处理中，以精密刮削的型线(Profil)的原理为基础的螺杆机得到多种多样的使用。这特别由于聚合物熔体附着于表面上并且在通常的处理温度下随着时间降解，这通过精密刮削的螺杆的自洁作用来禁止。用于产生精密刮削的螺杆型线的规则例如在Klemens Kohlgrüber的“DerDoppelschneckenextruder”(Hanser Verlag München 2007，第96页及以下)[1]中得以描绘。在那里，单导程、双导程和三导程型线的构造被描述。 [0003] 技术人员公知的是，在螺杆齿( )领域中在熔化中消耗特别多的能量，这在产品中局部导致强烈过热。这例如在[1]中在第160页及以下上予以描绘。该局部过热可能导致产品中的受损，例如气味、颜色、化学成分或相对分子质量方面的改变或者导致产品中不均匀性的形成，例如导致凝胶体或斑点。特别是大的顶锥角(Kammwinkel)在此情况下是有害的。 [0004] 能量输入在双螺杆挤出机中以高值的电能进行，使得可以出于成本和环境原因而力求能量输入的减少。此外，高能量输入导致高产品温度，这又可能导致质量方面的缺点。此外，高能量输入在许多工艺的情况下也限制双螺杆挤出机的可能吞吐量并从而限制经济性。 [0005] 在双螺杆挤出机中能量输入通过过程参数吞吐量和转速、通过产品的材料特性以及通过所使用的螺杆轴的几何形状确定。现代双螺杆挤出机具有积木式系统，其中可以把不同的螺杆元件安排在核芯轴上。对此，技术人员可以使双螺杆挤出机匹配于相应的方法任务。通常，目前使用具有两导程和三导程型线的螺杆元件，因为单导程螺杆型线由于其大的顶锥角而具有高得多的能量输入。 [0006] 按照现有技术(例如参见[1]第101页)，精密刮削的螺杆元件的几何形状通过不相关的参量即螺纹头数Z、轴距A和外壳直径(对应于精密刮削的轮廓的直径DE)的说明确定。螺纹头数在此情况下是每个元件的圆弧的数目，所述圆弧净化(abreinigen)外壁。这种圆弧的与回转中点有关的角度被称为顶锥角KW0。在顶锥角的范围中，型线的外半径等于外壳半径。KW0按照现有技术不是可调以及可与任务要求相匹配的参量，而是从方程式1得出： [0007] (方程式1) [0008] 其中KW0是以弧度为单位的精密刮削的型线的顶锥角，π是圆周率(π≈3.14159)。紧密啮合的元件对的两个元件上的顶锥角之和SKW0必然得出 [0009] (方程式2) [0010] 技术人员公知的是，直接刮削的螺杆型线不能直接被应用于双螺杆挤出机，更确切地说，两个螺杆之间的间隙是必要的。技术人员基于精密刮削的螺杆的轮廓利用例如在[1]中所述的已知方法获得所实施的螺杆几何形状的几何数据。对于输送元件，在[1]中在第28页及以下上描述了不同的可能策略。在使用在那里所说明的纵切面等距线或空间等距线时，实际所实施的螺杆的顶锥角KWA0(例如在[1]第100页所述)相对于角度KW0减小。尤其螺杆之间大的间隙导致KWA0减小。但是用于减小顶锥角的在螺杆之间大的间距是不利的，因为由此螺杆的互相自洁的效果被降低并且在螺杆元件的表面处出现长的停留时间，所述长的停留时间导致局部产品损坏并从而导致产品的质量下降。对技术人员还已知的是，由于间隙的增大而消极地影响在输送作用和压力建立方面螺杆元件的效率，使得为实现给定的工艺任务而不允许将间隙选择得太大。 [0011] 如果双螺杆挤出机的区域以用熔体部分填充的方式运行(这例如为脱气或作为用于压力建立区的预留而发生)，则熔体在齿之前旋转[1]。在此情况下，每个螺杆型线均具有“推(schiebend)”熔体和“挽(ziehend)”熔体的齿面(Flanke)。螺杆轴如此旋转，使得“推式”齿面赶在前面和挽式齿面紧跟。在部分填充的状态下，熔体在“推式”齿面之前旋转。在所述旋转的熔体中能量消耗以及例如用于脱气任务的功效除了顶锥角和间隙之外还依赖于在“推式”齿面之前熔体通道的几何形状。按照现有技术缺乏使该几何形状与任务要求相适应的可能性。 [0012] 在运行中，多轴挤出机的轴在传动装置中通常被安置在同时是产品加料侧的驱动侧。在产品退料侧，在熔体流体产品中进行安置，因为在产品退料区处外部安置是有阻碍的。在起动过程中在给多轴挤出机装载产品之前，轴在不润滑其齿的情况下在外壳的材料上运行。这可能导致轴和外壳的磨损、损坏以及产品的污染。为了避免齿的过度磨损，需要一定的最小顶锥角。因此，值得期望的是，可以自由选择该顶锥角。 [0013] 双螺杆挤出机也可能经受磨损。这在纯聚合物的情况下可能发生在熔化区中。用固态填充和加固剂(例如滑石粉、碳酸钙或特别是玻璃纤维)填充的产品产生特别强的磨损。如果产品例如包含或者解离酸，则腐蚀也是可能的。这种磨粒磨损和腐蚀特别强地作用于构成型线的齿边界的棱，其中例如可能发生材料磨损或碎裂。型线角处的这种变化以决定性的方式影响多轴挤出机的效果，这是不期望的。被倒圆的棱相对于这种影响显著少地受影响，但是按照现有技术无自洁损耗是不可能的。 发明内容[0014] 因此，基于现有技术任务是，提供用于多轴螺杆机的紧密啮合的螺杆元件，所述螺杆元件不经受按照现有技术的螺杆元件的上述限制。任务是，提供螺杆元件，其中能量输入得以减少。另外任务是，提供螺杆元件，其中关于相应的任务要求可以如此设计推式和挽式齿面的几何形状，使得在多轴螺杆机中得出产品的最佳加工。 [0015] 出人意外地，找到了解决所述任务的、具有相对于现有技术减小的顶锥角的螺杆元件。 [0016] 因此本发明的主题是用于具有成对同向和成对精密刮削的螺杆轴的、具有两个或多个螺杆导程的多轴螺杆机的螺杆元件，其特征在于，元件对的所有顶锥角KWk之和SKW可自由选择地大于0并且小于 其中Z是螺纹头数，A是两个螺杆元件之间的轴距，和DE是螺杆元件的外直径，以及从所述精密刮削的型线通过调整间隙导出的螺杆元件。在对所有顶锥角求和时，下标k从1至2*Z。在本发明螺杆元件的情况下，在推式和挽式齿面上的几何形状按照需求可以单独地被设计并且构成齿边界的棱按照需求被倒圆。 [0017] 在此，本发明不局限于由螺杆元件和核芯轴组成的螺杆的目前常见的模块结构类型的螺杆元件，而是也可应用于实体结构类型。因此，概念“螺杆元件”也可以被理解为实体结构类型的螺杆。 [0018] 本发明螺杆元件的螺纹头数Z优选地为2、3、4、5、6、7或8；所述螺纹头数Z特别优选地为2至4。 [0019] 螺杆型线的外半径为RE＝DE/2，内直径DK和内半径RK＝DK/2。因此，A＝RE+RK始终适用。 [0020] 本发明螺杆元件的型线(“螺杆型线(Schneckenprofil)”)优选地由圆弧组成，这些圆弧以切线的方式过渡到彼此。所述螺杆型线由至少6*Z个圆弧组成。 [0021] 圆弧的大小通过其中心角和其半径的说明给出。下面，圆弧的中心角被简称为圆弧的角度。圆弧的位置通过其圆心点的位置和通过其两个端点的位置给出。 [0022] 本发明螺杆元件的型线的特征在于，一个或多个圆弧能够具有零大小的半径。在这种情况下，型线具有一个或多个弯折(Knicke)。 [0023] 双螺杆挤出机的第一轴上的预先给定的螺杆型线(“用来产生的(erzeugende)”)明确地确定相邻的第二轴上的螺杆型线(“被产生的(erzeugte)”)。双螺杆挤出机的第一轴上的螺杆型线因此被称为用来产生的螺杆型线，而双螺杆挤出机的相邻的第二轴上的螺杆型线被称为被产生的螺杆型线。在多轴挤出机的情况下，在相邻轴上总是交替地使用用来产生的螺杆型线和被产生的螺杆型线。 [0024] 本发明螺杆型线始终是闭合的和凸状的。每个元件的各个圆弧的角度之和始终是2π。 [0025] 本发明螺杆元件的特征在于，被产生的螺杆型线的圆弧分别与用来产生的螺杆型线的圆弧相对应。“对应”被理解为 [0026] ●相对应的圆弧的角大小相同， [0027] ●相对应的圆弧的半径之和等于轴距， [0028] ●用来产生的螺杆型线的圆弧的圆心点和其端点之间的连接线中的每一个都平行于被产生的螺杆型线的相对应的圆弧的圆心点和其端点之间的连接线中的每一个，[0029] ●用来产生的螺杆型线的圆弧的端点从圆弧的圆心点出发所在的方向与被产生的螺杆型线的相对应的圆弧的端点从被产生的螺杆型线的圆弧的圆心点出发所在的方向分别相反， [0030] ●用来产生的螺杆型线的圆弧的圆心点至被产生的螺杆型线的相对应的圆弧的圆心点具有间距，该间距对应于轴距， [0031] ●用来产生的螺杆型线的圆弧的圆心点和被产生的螺杆型线的相对应的圆弧的圆心点之间的连接线平行于用来产生的螺杆型线的回转点和被产生的螺杆型线的回转点之间的连接线， [0032] ●为了与被产生的螺杆型线的相对应的圆弧的圆心点重合而必须将用来产生的螺杆型线的圆弧的圆心点移动的方向，是为了与被产生的螺杆型线的回转点重合而必须将用来产生的螺杆型线的回转点移动的相同方向。 [0033] 图1示出两个相对应的圆弧的例子。用来产生的螺杆的回转中点是DR，被产生的螺杆的回转中点是DL。在该图中圆弧1是用来产生的圆弧和圆弧1’是被产生的圆弧。 [0034] 本发明螺杆元件的用来产生的螺杆型线具有Z个圆弧，其半径等于RE并且其圆心点与回转中点重合(“齿弧( )”)。 [0035] 本发明螺杆元件的用来产生的螺杆型线具有Z个圆弧，其半径等于RK并且其圆心点与回转中点重合(“槽弧( )”)。相对应的被产生的螺杆型线同样具有Z个齿弧和Z个槽弧。 [0036] 本发明用来产生的螺杆型线的齿弧和槽弧的角度之和可自由选择，大于0并且小于 [0037] 被产生的和用来产生的螺杆型线的所有齿弧的角度之和等于用来产生的螺杆型线的顶锥角和槽角之和并且根据本发明大于0并且小于 [0038] [0039] 在本发明螺杆元件的优选实施方案中，如此布置齿弧和槽弧，使得所述齿弧和槽弧在环绕型线运行时交替地出现，也就是说，在运行时在每个齿弧之后是槽弧，在每个槽弧之后是齿弧。由此对于被产生的螺杆型线强制性地得出，齿弧和槽弧如此被布置，使得所述齿弧和槽弧在环绕型线运行时交替地出现，也就是说，在运行时，在每个齿弧之后是槽弧，在每个槽弧之后是齿弧。 [0040] 在本发明螺杆元件的优选实施形式中，对于用来产生的螺杆元件可以发现线“K1”，该线从元件的回转中点出发被引导直至齿弧上的点，使得存在(Z-1)个其他线，所述其他线在用来产生的螺杆元件的回转中点与第一线相交并且在那里与第一线成角度2*(i-1)*π/Z，并且分别与本发明型线的其他齿弧相交，其中i经历从2至Z的所有数。所述线此外被表示为Ki。 [0041] 对于该优选实施形式此外适用的是，从回转中点出发并且与线“K1”成角度(2*j-1)*π/Z的每个线与槽弧相交，其中j经历从1至Z的所有数。所述线此外被表示为Nj。 [0042] 如果在两个线Ki和Nj之间的角度恰好是π/Z，则两个线被称为“相邻的”。对于线K1和N1、K2和N2、...以及对于线N1和K2、N2和K3、...直至NZ和K1是这种情况。 [0043] 对于其他实施方案，在两个相邻线Ki和Nj之间的螺杆型线被称为“部分型线”。可以设想由2*Z个部分型线建立整个螺杆型线。 [0044] 如果两个部分型线通过共同的线Ki或Nj被彼此隔开，则所述两个部分型线被称为“相邻的”。 [0045] 在本发明部分型线中圆弧的数量至少为四。如果直接在线Ki或Nj之一处过渡到彼此的两个相邻的圆弧具有相同的圆心点和相同的半径，则可能的是，所述两个圆弧在对整个型线的圆弧计数时组成唯一的圆弧，使得对于整个型线而言圆弧的该数目可以少于每个单个部分型线的圆弧的数目之和。 [0046] 如果两个部分型线的所有部分圆相互对应，则两个部分型线被称为相对应的。 [0047] 在本发明螺杆元件的优选实施形式中，用来产生的螺杆型线的至少一个与齿弧相邻的圆弧是具有半径0(也即尖锐的棱)的圆弧，用来产生的螺杆型线的至少一个与槽弧相邻的圆弧是具有等于轴距A的半径的圆弧。这强制性地导致，在被产生的螺杆型线上至少一个与齿弧相邻的圆弧是具有半径0的圆弧，至少一个与槽弧相邻的圆弧具有半径A＝轴距。 [0048] 在本发明螺杆元件的另一优选实施方案中，用来产生的螺杆元件的至少一个与齿弧相邻的圆弧是具有半径＞0并且小于0.1乘以螺杆直径DE的圆弧，用来产生的螺杆型线的至少一个与槽弧相邻的圆弧是具有半径小于轴距A并且大于A-0.1*DE的圆弧。这强制性地导致，在被产生的螺杆型线上至少一个与齿弧相邻的圆弧是具有半径＞0并且小于0.1乘以螺杆直径DE的圆弧，至少一个与槽弧相邻的圆弧具有小于A并且大于A-0.1*DE的半径。 [0049] 在优选的实施形式中，本发明螺杆元件的螺杆型线在两个螺杆轴上(必要时除了对于偶数Z旋转π/Z之外)是相同的并且相对于相应的型线的回转点是点对称的。该型线的特征在于，该型线由两种部分型线组成(以下用“X”和“Y”表示)。部分型线X属于用来产生的螺杆型线，部分型线Y属于被产生的螺杆型线。通过围绕用来产生的螺杆型线的回转中点将型线X旋转2πk/Z(其中k经历从1至Z-1的所有整数)，将螺杆型线补充到相应的部分段中。通过围绕被产生的螺杆型线的回转中点将型线Y旋转2πk/Z(其中k经历从1至Z-1的所有整数)，将螺杆型线补充到相应的部分段中。此外，通过部分型线Y补充用来产生的螺杆型线，而且这样补充，使得被产生的螺杆型线的部分型线Y通过在从被产生的螺杆型线的回转中点向用来产生的螺杆型线的回转中点的方向移动轴距并且在偶数Z时附加地通过旋转π/Z被复制到用来产生的型线上。此外，通过部分型线X补充被产生的螺杆型线，而且这样补充，使得用来产生的螺杆型线的部分型线X通过在从用来产生的螺杆型线的回转中点向被产生的螺杆型线的回转中点的方向移动轴距和在偶数Z时附加地通过旋转π/Z被复制到被产生的型线上。部分段的圆弧的数目大于或等于四，优选地大于或等于六。 [0050] 在本发明螺杆元件的另一优选实施形式中，螺杆型线在两个螺杆轴上(必要时除了对于偶数Z旋转π/Z之外)是相同的、相对于相应的型线的回转点点对称并且此外其特征在于，所有线Ki和Nj是型线的对称线。在该情况下，型线明确地通过线K1和N1之间的部分型线确定并且基于该部分型线，分别对于相邻的部分型线通过在两个部分型线之间的对称线处的镜像来获得。为了描述点对称以及镜像对称螺杆型线，引入线FP。FP具有为A/2的与回转中点的最小间距，与线K1和N1相交并且垂直于N1和K1之间的角二等分线。 [0051] 本发明螺杆元件的该优选实施形式的线K1和N1之间的部分型线的特征在于，部分型线的圆弧在位于FP上的点以切线方式过渡到彼此。由此FP是所述圆弧的切线。通过圆弧与FP相切所在的点将部分型线X划分成两个另外的部分型线X1和X2。部分型线X1包括从K1直至FP处的接触点的圆弧，部分型线X2包括从FP处的接触点直至N1的圆弧。被产生的螺杆上的部分型线Y1是与X1的圆弧相对应的。通过在两个螺杆型线的回转点之间的中心垂直的直线处镜像并且通过随后围绕被产生的型线的回转中点旋转π/Z，将部分型线Y1转移到部分型线X2上。因此完成的部分型线X可以通过在线N1、K2、N2、...处连续镜像而产生完整的用来产生的螺杆型线。被产生的螺杆上的螺杆型线通过移动用来产生的螺杆上的螺杆型线和如果Z是偶数则通过围绕被产生的型线的回转中点旋转π/Z来获得。 [0052] 对于本发明螺杆元件的螺杆型线，可以使用关于螺杆型线的直径在0.1至0.001范围内的间隙，优选地0.002至0.05，并且特别优选地0.004至0.02。如技术人员所公知的，间隙在螺杆和外壳之间和在螺杆和螺杆之间可以大小不同或相同。在螺杆和外壳之间的间隙被表示为δ，螺杆和螺杆之间的间隙被表示为s。所述间隙也可以是恒定的，或者在所说明的界线内是可变的。也可能在间隙内移动螺杆型线。用以基于预先给定的、精密刮削的螺杆型线导出具有间隙的螺杆型线的方法对技术人员是已知的。为此已知的方法例如是：在[1]中在第28页及以下上所述的、轴距增大、纵切面等距线和空间等距线的可能性。在轴距增大情况下，较小直径的螺杆型线被构造并且相互分开螺杆之间的间隙的数值。在纵切面等距线的方法情况下，将纵向型线曲线(平行于相应元件的回转轴)垂直于型线曲线向内、朝向回转轴的方向移动螺杆-螺杆间隙的一半。在空间等距线的方法的情况下，从空间曲线(在所述空间曲线上净化螺杆元件)出发将螺杆元件在垂直于精密刮削的型线的面的方向上缩小螺杆和螺杆之间的间隙的一半。优选地使用纵切面等距线和空间等距线，特别优选地使用空间等距线。 [0053] 螺杆元件的外半径RE与轴距A之比RE/A对于两导程的本发明螺杆优选地在0.54和0.7之间并且特别优选地在0.58和0.63之间，对三导程螺杆优选地在0.53和0.57之间并且特别优选地在0.54和0.56之间，以及对于四导程螺杆优选地在0.515和0.535之间。 [0054] 本发明螺杆元件可以被构造为输送元件或搓揉元件或混合元件。 [0055] 众所周知，输送元件的特征在于(例如参见[1]，第227-248页)，螺杆型线在轴向上连续地螺旋形地被扭转并且继续。在此，输送元件可以是右或左旋的。输送元件的螺距优选地处于轴距的0.1倍至10倍的范围中，其中螺距被理解为轴向长度，其对于螺杆型线的完全旋转是必要的，并且输送元件的轴向长度优选地位于螺杆直径的0.1倍至10倍的范围中。 [0056] 众所周知，搓揉元件(Knetelement)的特征在于(例如参见[1]，第227-248页)，使螺杆型线在轴向上分段地以搓揉圆盘的形式继续。搓揉圆盘的布置可以以右或左旋的方式或输送不偏不倚地( )进行。搓揉圆盘的轴向长度优选地位于轴距的0.05倍至10倍的范围中。两个相邻的搓揉圆盘之间的轴向间距优选地位于螺杆直径的 0.002倍至0.1倍的范围中。 [0057] 众所周知，混合元件的特征在于(例如参见[1]，第227-248页)，实施在螺杆齿中有缺口的输送元件。混合元件可以是右或左旋的。其螺距优选地位于轴距的0.1倍至10倍的范围中，并且元件的轴向长度优选地位于轴距的0.1倍至10倍的范围中。缺口优选地具有u或v状沟槽的形状，所述沟槽优选地以反输送或轴平行的方式被布置。优选地存在多个缺口，所述缺口以彼此间恒定的角度被布置。 [0058] 此外，本发明的主题是本发明螺杆元件在多轴螺杆机中的应用。优选地，将本发明螺杆元件应用于两轴螺杆机。螺杆元件在多轴螺杆机中可以以搓揉元件、混合元件或输送元件的形式存在。同样可能的是，在螺杆机中将搓揉、输送和混合元件相互组合。也可以将本发明螺杆元件与例如按照现有技术已知的其他螺杆元件组合。 [0059] 此外，本发明的主题是用于产生本发明螺杆元件的方法。本发明方法能够仅仅利用圆规和量角规实现相对应的部分型线的几何构造，使得所述方法可以轻易地被理解。有利地，所述方法被实现为计算机程序。首先确定要构造的螺杆元件的定义参量Z、DE和A。然后以间距A画入用来产生的和被产生的部分型线的回转点。通向齿弧的点的线K1合乎目的地被选择为，使得该线从用来产生的型线的回转点出发并且通向被产生的型线的回转点方向。 [0060] 在用来产生的部分型线的回转点中以与线K1成角度π/Z绘制线N1。计算参量RE＝DE/2和RK＝A-RE。然后确定部分型线的圆弧的数目n。圆弧的数目n优选地是6，但是也可以更小或更大。 [0061] 接着，选择顶锥角α，并且作以用来产生的螺杆的中心为圆心的、具有在0和α优选α/2之间的角度并且具有半径RE的圆弧，其中弧的末端位于线K1上并且弧在N1方向上被作出。对于槽角，选择角度β，该角度β可以等于、但不是强制性地必须等于α。为此，从线N1在方向K1上作弧β/2，所述弧是齿弧。 [0062] 接着，绘制相切的圆弧2，该圆弧紧接齿弧。对于该圆弧可以选择角度和半径，其中圆弧的半径必须小于或等于轴距。在选择时，可能发生的是，在接下来的步骤中不再实现部分型线的闭合，因为条件“闭合型线”或“凸形型线”被违反。如果是这种情况，则必须减小角度或半径并且开始新的尝试。圆弧也可以具有半径0。 [0063] 为了构造相切的圆弧，始终从已有的圆弧的端点向用来产生的螺杆型线的该已有圆弧的圆心点方向作垂线。该垂线被称为两个圆弧的界线。给每个界线分配方向，其中所述方向从圆弧的圆心点出发并且通向相应圆弧的端点。两个相切圆弧的圆心点始终位于界线上。通过以下方式获得所搜索的圆弧的圆心点，即围绕该已有圆弧的端点以所搜索的圆弧的半径作圆。该圆与界线的交点是所搜索的圆心点。 [0064] 半径等于0的圆弧如具有非常小的半径eps的圆弧那样被处理，其中eps趋向于0，使得可以进一步构造切线式过渡。可替代地，可以如此处理半径等于0的圆弧，使得螺杆型线在该圆弧的位置处具有弯折，其中弯折的大小通过该圆弧的角度给出。 [0065] 之后还可以紧接一个或多个相切的圆弧3、4、...至n-4。对于圆弧n-3、n-2和n-1，确定半径r(n-3)、r(n-2)和r(n-1)。如果被产生的螺杆型线在齿处应该具有尖锐的棱，则选择圆弧n-1的半径等于A。 [0066] 于是以以下方式闭合型线：围绕圆弧n-3的圆心点作具有半径r(n-3)-r(n-2)的圆。围绕圆弧n-1的圆心点作具有半径r(n-1)-r(n-2)的圆。该圆的两个交点中的在其相应的方向上位于N1和K1之间的交点是圆n-2的圆心点。圆弧n-1的界线于是通过连接圆弧n-1的圆心点与圆弧n-2的圆心点得出，对于圆弧n-3和n-2的界线相应地得出。于是圆弧n-3、n-2和n-1以通过其界线限定的方式被作出。 [0067] 被产生的螺杆上的相对应的部分型线以如下方式产生：将圆弧M1、M2至Mn的所有圆心点平行于用来产生的型线的回转点和被产生的型线的回转点之间的线向被产生的型线的方向移动轴距，并且因此得出相对应的点M1’、M2’至Mn’。将与点M1至Mn相交的界线首先同样平行于用来产生的型线的回转点和被产生的型线的回转点之间的线向被产生的型线的方向移动轴距。这些所移动的界线分别在相应的点M1’、M2’至Mn’中相交。如果所述界线分别跟其方向相反地穿过相应的点M1’、M2’至Mn’被延长，并且相应的半径r1’、r2’至rn’从相应圆心点M1’、M2’至Mn’出发在相应被延长的界线上被截取，使得对于所有相对应的圆弧i和i’的半径ri和ri’之和始终等于轴距，则获得圆弧1’、2’至n’的界线并且从而获得相应的圆弧本身。 [0068] 适当的是，在计算机上执行用于产生螺杆型线的方法。螺杆元件的尺寸于是以以下形式存在，以所述形式，所述尺寸可以被输送给用于产生螺杆元件的CNC机床(CNC＝Computerized Numerical Control(计算机数字控制))。因此本发明的主题也是计算机程序产品，具有用于在计算机上实施用于产生本发明螺杆型线的本发明方法的程序代码装置。在优选的实施形式中，优选图形用户界面可供计算机程序产品的用户使用，借助于所述用户界面，用户可以输入要选择的参数(用来产生的和被产生的螺杆型线的圆弧的数目、半径、角度)。在此，如果通过选择参数值得到非成对刮削的螺杆型线，则用户优选地获得计算机系统的支持，所述计算机系统向用户指出这一点。优选地，用户在输入参数值时以以下方式被支持，即所允许的参数值范围被指明。所允许的参数值被理解为导致成对刮削的螺杆型线的参数值的这些组合。 [0069] 在优选的实施形式中，不仅仅型线而是整个螺杆元件虚拟地在计算机上被构造。构造的结果优选地以构造图的形式在屏幕上或在打印机上被输出。同样可以设想的是，作为电子文件输出结果，所述电子文件在优选的实施形式中可以被转发给用于产生相应螺杆元件的CAD铣床。 [0070] 在以所述方式产生型线之后，可以例如利用铣床、车床或涡流机产生本发明螺杆元件。用于产生螺杆元件的优选材料是钢、尤其是渗氮钢、铬钢、工具钢和优质钢、基于铁、镍或钴的以粉末冶金方式制造的金属复合材料、例如氧化锆石或碳化硅的工程陶瓷材料。 [0071] 本发明方法允许从根本上如此设计螺杆的型线，使得最佳地适用于预先给定的任务。按照现有技术已知的螺杆元件绝大部分不是根据具体任务最佳地被设计。相反，制造商与具体任务无关地从确定的积木式系统提供螺杆元件(输送、捏和和混合元件)。通过本发明方法可能的是，几乎完全自由地设计并从而根据应用通过参数的最小变化为相应的应用来优化自洁螺杆元件的型线。关于此点应指出，用于产生螺杆型线的圆弧的数目不被限制。由此可能的是，通过足够高数量的圆弧以所期望的精度近似不是由圆弧建立的并从而不是自洁的螺杆型线。在此，借助于圆弧近似的型线自然是自洁的。 [0072] 也应指出，可以从(用来产生的或被产生的)螺杆型线计算相应的纵向区段型线。优选地，使用螺杆型线的每个圆弧，以便借助于显式函数计算纵向区段的属于该圆弧的部分。为了计算螺杆型线的圆弧的点的间距s，在第一步骤中直线g与圆弧kb的的交点(Sx，Sy)被确定，其中所述直线g通过以下方式来表征，即所述直线位于螺杆型线的层面内，穿过螺杆型线的回转点并且直线的取向通过角度 给出；所述圆弧kb通过其半径r和其圆心点(Mx，My)的位置来表征。在第二步骤中计算交点(Sx，Sy)与螺杆型线的回转点的间距。直线与圆弧的交点的计算可以通过显式函数表示。同样适用于间距计算。因此适用于间距。在螺杆元件的已知螺距t的情况下，角度 通过可以被换算成轴向位置z_ax，使得 适 用于间距。函数s(z_a x，r，Mx，My)描述螺杆型线的圆弧的所搜索的纵向区段。 附图说明 [0073] 下面根据图示例性地进一步描述本发明，但是本发明并不局限于所述图。 具体实施方式[0074] 图1以横截面的方式示意性示出用来产生的和被产生的螺杆型线的两个相对应的圆弧的例子。用来产生的螺杆型线的回转中点是DR，被产生的螺杆型线的回转中点是DL。在该图中，圆弧1是用来产生的圆弧，圆弧1’是被产生的圆弧。圆弧1具有圆心点M1、半径r1和角度α1。圆弧1’具有圆心点M1’、半径r1’和角度α1’，所述角度α1’根据本发明等于α1。半径r1和r1’之和根据本发明等于轴距A。在圆弧1的圆心点M1和其端点之间虚线绘制的连接线形成圆弧1的界线。所述连接线分别平行于相对应的圆弧1’的界线，也就是说，平行于在圆弧1’的圆心点M1’和其端点之间虚线绘制的连接线。 [0075] 圆弧1的端点从圆弧1的圆心点M1出发所在的方向分别与相对应的圆弧1’从圆弧1’的圆心点出发所在的方向相反。 [0076] 圆弧1的圆心点M1与相对应的圆弧1’的圆心点M1’具有间距，该间距相应于轴距。 [0077] 在圆弧1的圆心点M1和相对应的圆弧1’的圆心点M1’之间的连接线平行于回转点DR和回转点DL之间的连接线。 [0078] 为了与相对应的圆弧1’的圆心点M1’重合而必须将圆弧1的圆心点M1移动的方向，是为了与回转点DL重合而必须将回转点DR移动的相同方向。 [0079] 图2以横截面的方式示出两导程的、按照现有技术已知的螺杆元件的型线。轴距为48mm，螺杆型线的外直径为58mm，内直径相应于38mm和顶锥角KW0以弧度为单位为0.3788(相当于21.7°)。所有顶锥角之和SKW0以弧度为单位为1.5152。 [0080] 图3a和3b以横截面的方式以示意图示例性地示出本发明两导程螺杆元件的用来产生的螺杆型线的部分型线X和被产生的螺杆型线的与之相对应的部分型线Y。部分型线X通过圆弧1、2、3、4、5和6构成。部分型线Y通过与部分型线X的相应圆弧相对应的圆弧1’、2’、3’、4’、5’和6’构成。圆弧通过其相应的圆心点M1、M2、..、M6和M1’、M2’、...、M6’、其相应的角度和半径明确地被定义(参见图3a)。 [0081] 在本例子中，轴距为48mm，螺杆型线的外直径为58mm和内直径为38mm。圆弧1是用来产生的部分型线的齿弧，圆弧6是槽弧。圆弧2具有半径0，也就是说，用来产生的型线在齿弧处具有弯折。 [0082] 在图3b中，为了清楚明了起见，圆弧和圆心点的附图标记被去除。部分型线X和Y与在图3a中所示的部分型线相同。 [0083] 用来产生的和被产生的螺杆元件对的总型线可以从位于相邻的线K1和N1之间的部分型线X产生(例如参见图4和对此所述的文本)。线K1水平走向，线N1与穿过回转中点的连接线垂直。 [0084] 针对其原点位于用来产生的螺杆轴的回转点上、其x轴位于被产生的螺杆轴的回转点方向并且其y轴垂直于x轴(在图中向上)的坐标系而言，下表1示出圆弧的半径、圆弧的圆心点的x坐标和y坐标、圆弧的起始角、圆弧的端角以及针对在图3a和3b中所示的圆弧的圆弧的角度。圆弧的起始角是圆弧的界线的在数学正的意义上具有较小值的角度。在起始角大于零和端角(Endwinkel)小于零的圆弧的情况下，在该观察中2*π可以被添加到端角。 [0085] [0086] 表1：在图3a和3b中所示的本发明螺杆元件的部分型线X和Y的几何大小 [0087] 图4以横截面的方式示意性地示出具有点对称螺杆型线的本发明螺杆元件，如果在图3a和3b中所示的部分型线点对称地被继续，则所述点对称螺杆型线从图3a或3b得出。所有顶锥角是相同的并且等于0.17454(10°)。例如顶锥角KW被绘出。所有顶锥角之和SKW为0.698，小于按照现有技术的元件的一半。这与现有技术相比是显著的优点。该螺杆型线还具有以下优点，即与挽式侧相比，在顺时针的旋转方向时推式齿面与外壳构成大得多的角度，这在部分填充的情况下再次导致小得多的能量输入。同样，也可以使旋转方向相反，这导致齿的提高的延伸。 [0088] 图5以横截面的方式示意性地示出具有镜像对称和点对称螺杆型线的本发明螺杆元件。在本例子中，轴距为48mm，螺杆型线的外直径为58mm，内直径对应于38mm并且顶锥角的每一个均为0.175(10°)。例如顶锥角KW被绘出。所有顶锥角之和SKW为0.69813，小于按照现有技术的元件的顶锥角之和的一半。在此情况下，优点在于较小的能量消耗。 [0089] 图6以横截面的方式示意性地示出两导程的按照现有技术已知的螺杆元件的型线。轴距为48mm，螺杆型线的外直径为56mm，内直径为40mm和顶锥角KW0为0.4886。在两个元件上所有顶锥角之和SKW0为1.954。如果将该螺杆型线与图2的螺杆型线相比较，则明显看出顶锥角与按照方程式1的轴距与直径之比的按照现有技术有缺点的依赖性。 [0090] 图7a和7b示出本发明螺杆元件的两个相对应的(用来产生的螺杆型线的)部分型线X和(被产生的螺杆型线的)Y。部分型线X通过圆弧1、2、3、4、5和6构成。部分型线Y通过相应相对应的圆弧1’、2’、3’、4’、5’和6’构成。圆弧的圆心点通过小圆圈表示。圆弧的界线被表示为细线。在本例子中，轴距为48mm，螺杆型线的外直径为56mm，内直径为 40mm。圆弧1是齿弧和圆弧6是用来产生的部分型线的槽弧。紧接齿弧的圆弧2具有半径＞0，也就是说，型线在该位置与在图3a和3b中所示的型线相比不具有棱。 [0091] 与齿弧6’相邻接的圆弧5’具有半径0，也就是说，在齿弧处，被产生的型线具有弯折。圆弧5’的圆心点与该弯折重合。“弯折的大小”通过相应的角度给出，也就是说，从圆弧4’向圆弧6’的过渡通过围绕圆弧5’的角度旋转来实现。或者换句话说：在圆弧5’的圆心点中圆弧4’的切线和同样在圆弧5’的圆心点中圆弧6’的切线以相应于圆弧5’的角度的角度相交。但是在考虑圆弧5’的情况下，所有相邻的圆弧4’→5’、5’→6’根据本发明以切线的方式过渡到彼此。 [0092] 在图7b中所示的部分型线X和Y与在图7a中所示的部分型线相同。在图7b中，为了清楚明了起见而放弃圆弧、圆心点和界线的附图标记。代替地示出线K1和N1。线K1水平走向，线N1垂直于通过回转中点的连接线。用来产生的和被产生的螺杆元件对的总型线可以从位于相邻线K1和N1之间的部分型线X来产生(例如参见图8和对此所描述的文本)。 [0093] 图7c针对图7a的所有圆弧示出圆心点的x和y坐标(Mx和My)、圆弧的半径R和角度α。以弧度为单位进行角度说明；所有剩余尺寸基于轴距被标准化并且从而是无量纲的。 [0094] 下表2针对原点位于用来产生的螺杆轴的回转点、x轴处于被产生的螺杆轴的回转点方向并且y轴垂直于x轴(在图中向上)的坐标系示出圆弧的半径、圆弧的圆心点的x坐标和y坐标、圆弧的起始角、圆弧的端角以及图7a和7b的圆弧的角度。 [0095] [0096] 表2：在图7a和7b中所示的本发明螺杆元件的部分型线X和Y的几何大小 [0097] 图8以横截面的方式示意性地示出具有点对称螺杆型线的本发明螺杆元件，其中如果以点对称的方式继续，则所述点对称螺杆型线从图7中得出。在本例子中，所有顶锥角为0.14。顶锥角KW示例性地被绘出。所有顶锥角之和SKW为0.56。也即利用这种螺杆型线这里实现使顶锥角减小到约3.5分之一，这导致明显减小的能量输入。此外，在逆时针旋转时，推式齿面的棱被倒圆，这在磨损方面提供优点。 [0098] 图9a和9b示出本发明螺杆元件的两个相对应的(用来产生的螺杆型线的)部分型线X和(被产生的螺杆型线的)Y。部分型线X通过圆弧1、2和3构成。部分型线Y通过相应相对应的圆弧1’、2’和3’构成。圆弧的圆心点通过小圆圈表示。圆弧的界线被表示为细线。在本例子中，轴距为A＝48mm，螺杆型线的直径为52mm，螺纹头数Z＝3。 [0099] 在图9b中所示的部分型线X和Y与在图9a中所示的部分型线相同。在图9b中，为了清楚明了起见，放弃圆弧、圆心点和界线的附图标记。代替地示出了线K1和N1、角二等分线W-K1N1和垂直于角二等分线的直线FP。直线FP在其端点之一上接触圆弧3并且在该端点处与圆弧3相切。从部分型线X出发可以构造对称的三导程螺杆元件的优选实施形式的总型线(参见图10和对此的所描述的文本)。 [0100] 图9c对于图9a的所有圆弧示出圆心点的x和y坐标(Mx和My)、圆弧的半径R和角度α。角度说明以弧度为单位进行；所有剩余尺寸基于轴距被标准化并且从而是无量纲的。 [0101] 下表3对于原点位于用来产生的螺杆轴的回转点、x轴位于被产生的螺杆轴的回转点方向并且y轴垂直于x轴(在图中向上)的坐标系示出圆弧的半径、圆弧的圆心点的x坐标和y坐标、圆弧的起始角和圆弧的端角以及图9a和9b的圆弧的角度。 [0102] [0103] 表3：在图9a和9b中所示的本发明螺杆元件的部分型线X和Y的几何大小。 [0104] 图10以横截面的方式示意性地示出具有镜像对称和点对称螺杆型线的本发明螺杆元件，如果以镜像对称的方式进行，则所述螺杆型线从图9a和9b中得出。与在传统螺杆元件情况下0.2576的顶锥角KW0相比，所有顶锥角为0.1048(6°)。 [0105] 图11a示例性地示出本发明的点对称和镜像对称螺杆元件的两个相对应的(用来产生的螺杆型线的)部分型线X和(被产生的螺杆型线的)Y。部分型线X1通过圆弧1和2构成。部分型线Y1通过相应相对应的圆弧1’和2’构成。圆弧2和2’与直线FP相切。 以圆弧的弧度为单位说明角度并且在坐标系中说明圆弧的圆心点的坐标，所述坐标系的原点处于左侧型线的回转点。外半径与轴距之比为0.6042。 [0106] 图11b示出：图11a的型线如何能够通过对在两个螺杆型线的回转点之间的中心垂直的直线镜像并且通过随后围绕被产生的型线的回转中点旋转π/Z来继续。通过所述继续(Fortsetzung)，获得部分型线X2和Y2。对圆弧的描述对应于图11a的描述。 [0107] 图11c示出通过对用来产生的和被产生的总型线的旋转和镜像从型线11b继续的型线。如此获得的螺杆型线具有大小为0.2795的顶锥角。以外直径与轴距的该比，按照现有技术的螺杆元件具有为0.379的顶锥角KW0。与按照现有技术所有顶锥角之和1.515相比，所有顶锥角之和SKW相应地为1.117。在该图中总型线分别由总共12个圆弧组成，对于型线而言圆弧的最小数量Z＝2。 [0108] 图12a示出本发明点对称和镜像对称螺杆元件的例子的两个相对应的(用来产生的螺杆型线的)部分型线X1和(被产生的螺杆型线的)Y1。部分型线X1通过圆弧1、2和3构成。部分型线Y1通过相应相对应的圆弧1’、2’和3’构成。回转点的间距被标准化到 1。圆弧3与直线FP相切。在表4中说明了半径、角度、圆弧的起始点和圆弧的圆心点。 [0109] [0110] 表4：在图12a、12b和12c中所示的本发明螺杆元件的部分型线X和Y的几何大小。 [0111] 图12b示出通过按照本发明镜像、继续和旋转由图12a所得出的精密刮削的型线。精密刮削的螺杆轮廓的顶锥角KW为0.1598。所有顶锥角之和SKW为0.3196。按照现有技术精密刮削的轮廓具有0.399的顶锥角KW0和0.799的所有顶锥角之和SKW0。 [0112] 图12c示出基于图12b中的精密刮削的型线按照空间等距线的方法构造的型线。外壳直径为0.61，在外壳和螺杆之间的间隙δ和在螺杆和螺杆之间的间隙s分别为0.02。 螺距为1.2。 [0113] 该型线的所实施的顶锥角为KWA＝0.208。所有所实施的顶锥角之和SKWA为0.319。 [0114] 图12d示出具有与在图12c中相同的间隙和相同的螺距的按照现有技术的型线。该型线具有0.329的所实施的顶锥角KWA0和0.658的所实施的顶锥角之和。 |
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