Usura delle viti: cause, conseguenze e soluzioni

I componenti meccanici e la maggior parte dei sistemi ingegneristici in cui sono presenti corpi in movimento l'uno rispetto all'altro possono incorrere in disfunzioni e deterioramento delle prestazioni a causa dell'usura che si verifica in questi componenti. Gli estrusori sono utilizzati in un'ampia gamma di industrie di processo e l'elevata affidabilità è essenziale per mantenere una produzione economicamente vantaggiosa. Le parti critiche dell'estrusore sono il cilindro e la vite, che devono resistere a diversi ambienti di usura e corrosione a seconda dell'utente finale.

Cause di usura della vite

Nell'estrusore, le parti mobili relative sono la vite e la canna e c'è anche un fluido che scorre attraverso i canali che può causare ulteriore usura. Sono molti i fattori che possono causare l'usura del cilindro e della vite:

• Avvio a freddo della vite
• Lavorazione errata del materiale (ad es. polimeri corrosivi per una vite non adatta a polimeri corrosivi)
• Riscaldamento non uniforme del cilindro
• Allineamento improprio della vite e del cilindro
• Non linearità della vite
• Additivi abrasivi nella formula del polimero
• Materiale della vite e/o del cilindro non corretto
• Corrosione dovuta alla degradazione del polimero o dell'additivo

Tutti questi fattori si riferiscono a tre principali fenomeni di usura: abrasiva, corrosiva e adesiva.
L'usura abrasiva è causata dalle particelle dure (ad esempio, fibra di vetro, carbonato di calcio, ritardanti di fiamma) a cui sono aggiunti i polimeri. Lo scorrimento del polimero nel canale della vite ad alte pressioni e temperature provoca fenomeni di abrasione da parte delle particelle dure che strisciano e colpiscono le superfici metalliche della vite e del cilindro. L'entità dell'usura abrasiva dipende anche dalla durezza delle particelle, dalla loro forma e dimensione. Questo tipo di usura può essere ridotto mediante l'indurimento della superficie della vite e del cilindro (ad es. nitrurazione, cromatura).
L'usura corrosiva è dovuta agli additivi corrosivi e alle particelle di polimero degradato che attaccano chimicamente i componenti dell'estrusore. La maggior parte dell'usura corrosiva si verifica solitamente nella zona di dosaggio, dove le temperature sono più elevate e il materiale rimane più a lungo, aumentando la possibilità di degradazione del prodotto. Gli effetti di questa usura possono essere ridotti utilizzando gli stessi trattamenti superficiali che riducono l'usura abrasiva.
L'usura adesiva può essere causata dal contatto metallo-metallo tra il cilindro e la vite che, ruotando, può provocare un contatto momentaneo tra la cresta del filetto e la superficie del cilindro, da cui si origina una sorta di piccola saldatura, immediatamente rimossa dalla rotazione della vite. Questo fenomeno di usura può essere efficacemente ridotto o addirittura eliminato con un corretto allineamento della vite nel cilindro e rendendo la vite e il cilindro il più possibile rettilinei.

I primi segni di usura della vite

La prima conseguenza dell'usura che si può osservare è la riduzione della portata massima che può essere lavorata dall'estrusore. La vite, che è progettata per ruotare all'interno del cilindro, ha un diametro del filetto leggermente inferiore al diametro del cilindro per consentire la libera rotazione della vite. Lo spazio tra la cresta della filettatura e la superficie del cilindro è piccolo e viene riempito di polimero fuso che funge da lubrificante. I polimeri non abrasivi e il corretto allineamento della vite all'interno del cilindro possono garantire un funzionamento continuo dell'estrusore fino a dieci anni, con un'usura pressoché nulla. Quando si lavorano polimeri abrasivi, l'allineamento non è corretto o si verificano alcuni degli altri fattori di usura sopra citati, i fenomeni di usura si ripercuotono soprattutto sulla filettatura della vite, consumando soprattutto la cresta della filettatura e aumentando così lo spazio tra la filettatura e la superficie del cilindro. Con l'aumento del divario, le prestazioni dell'estrusore diminuiscono, ovvero aumentano le temperature del polimero all'uscita dell'estrusore, aumentano le instabilità del processo e diminuiscono le portate.

"La degradazione porta a una perdita irreversibile delle proprietà meccaniche e ottiche del polimero estruso".

I primi segni di usura progressiva si manifestano quando la portata del materiale lavorato dall'estrusore diminuisce. Quando si raggiunge un'usura elevata, si verifica un'eccessiva perdita di materiale al di sopra della filettatura e quindi la portata totale in uscita dall'estrusore si riduce.
Nel caso di una vite usurata, è necessario aumentare la velocità di rotazione per mantenere la portata e la pressione di scarico originali. La quantità massima di usura accettabile è quella che rende il processo di estrusione ancora economicamente conveniente. L'usura può verificarsi in tutte le parti della vite, ma di solito tende ad essere maggiore dove le pressioni in gioco sono maggiori e quindi nelle zone di transizione e di dosaggio.
Un'altra conseguenza dell'usura della filettatura è l'aumento della temperatura del polimero. L'aumento della temperatura rompe innanzitutto i legami deboli tra le macromolecole, ma poi anche i legami covalenti, portando alla degradazione chimica del polimero. La degradazione termica, che si verifica al di sopra della temperatura di fusione, può avvenire o perché le temperature raggiunte sono troppo elevate o perché il polimero viene mantenuto ad alte temperature per troppo tempo. La degradazione porta a una perdita irreversibile delle proprietà meccaniche e ottiche del polimero estruso. La rottura dei legami covalenti porta alla formazione di specie volatili, poiché dalla rottura delle macromolecole si formano piccole molecole allo stato gassoso. Un'altra conseguenza della degradazione termica è l'ingiallimento del polimero fuso e, quindi, del prodotto finito; nei casi peggiori è possibile che si formino anche residui carboniosi.

Soluzioni su misura per l'usura delle viti

Le viti Bausano sono progettate specificamente per le esigenze produttive di ogni cliente e quindi si adattano perfettamente alle caratteristiche del polimero che verrà lavorato. In particolare, le viti Bausano sono rivestite con un metallo duro (ad esempio la stellite) che previene l'usura della vite. Lo stesso rivestimento viene applicato anche al cilindro. In questo modo, la durata della vite viene notevolmente aumentata, eliminando tutti i problemi legati alla parziale compatibilità tra la vite e il materiale da lavorare.