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本科学生毕业设计-单螺杆挤出机构设计.pdf

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1、本科学生毕业设计单螺杆挤出机构设计系部名称:机电工程系专业班级:机械08-3班_ _黑龙江工程学院黑龙江工程学院本科生毕业设计摘要挤出机是塑料行业最基本的加工机械,挤出机的发展水平直接影响塑料产品的 质量。本设计的要求是设计出能够加工聚乙烯的铝塑板,由于聚乙烯的特殊性能要 求设计特殊的排气挤出机。本设计的挤出机是二阶排气挤出机,简单的说也就是两 根单螺杆串联。这就要求我们对普通单螺杆的设计要有足够的掌握而且还要对排气 的要求有深刻的了解。本设计首先介绍了螺杆挤出机的分类与发展前景等,其次为 整体方案的确定部分,详细的介绍了本设计的选择依据,最后为整体设计部分,涉 及到各参数的确定过程。主要工作

2、内容如下:(1)对各种不同挤出机的总体结构进行深入剖析。(2)根据主要技术参数设计挤出机的整体结构。(3)运运用AutoCAD绘制螺杆零件图;挤出机总体结构装配图。本课题运用AutoCAD技术进行挤出机总体结构的设计,可以缩短产品开发周期,提高产品质量,降低成本,增强企业的市场竞争能力。关键词挤出机;螺杆;机筒;机架黑龙江工程学院本科生毕业设计AbstractExtruder is the most basic machine of plastic industry,extruder level of development may have a direct impact on the qu

3、ality of plastic products.This design requirement is designed to processing of aluminum-plastic polyethylene panels,because of the special properties of PE,It is requirement to design a special exhaust extruder.The design of the extruder is the second exhaust extruder,that is a simple two single scr

4、ew series.This demands us to have a sufficient grasp of the ordinary single screw design and a deep understanding of exhaust extruder.The topic introduced the classification and development of screw extruder first;followed is the determination of the whole programme and some of the details on the ch

5、oice of the design basis.The last is the overall design part,it involves to the determination of every parameters.Major works as follows:(1)of various extruder the overall structure of an in-depth analysis.(2)under the main technical parameters extruder design the overall structure.(3)Win use AutoCA

6、D drawing screw,barrel and rack parts map;extruder overall structure of assembly.The use of AutoCAD technology issues extruder overall structure of the design,can shorten the product development cycle,improve product quality,reduce costs and enhance their competitiveness in the market.Keywords extru

7、der;screw;barrel;rackII黑龙江工程学院本科生毕业设计摘要.IAbstract.II3.4加料装置.27IV第1章绪论.11.1 单螺杆挤出机.11.1.1基本操作.11.1.2 排气挤出机.21.1.3 橡胶挤出机.31.2 多螺杆挤出机.31.2.1双螺杆挤出机.31.2.2多(2 螺杆挤出机.41.3新 型挤出机.6随着近年来市场发展的需要,国内外不同厂家纷纷推出各种特殊结构的单螺杆挤出机,以适应特殊的市场需要。以下特别介绍几种特殊挤出机在国内的研发进展。1.3.1 手提式挤出机.61.3.3往复螺杆挤出机.7第2章挤出机总体方案的确定.102.1挤出机总体布局的基本

8、要求.102.2螺杆类型的确定.102.2.1螺杆的工作性能指标评定.102.2.3 螺杆的分类.112.2.4 螺杆方案的确定.112.3机筒类型的确定.112.3.1 机筒的结构类型.122.3.2 机筒方案的确定.133.1聚苯乙烯的基本特性.143.2.1螺槽深度和压缩比的确定.153.2.2螺距和螺纹升角的确定.203.2.3螺纹头数.203.2.4三段式螺杆长度的确定.21综上所述,螺杆各段的长度为,加料段4=4XD=600mm、压缩段4二1 OXD=1500mm、计量段=900mm。.253.2.5螺纹断面设计.253.2.6螺杆设计的校核.28黑龙江工程学院本科生毕业设计3.4

9、加料装置.32结论.48致谢.49参考文献.50附录.51英文部分.51The new concept of cutting processing.51中文部分.59切削加工新概念.59对大理石、花岗石和混凝土等坚硬材料的加工,主要用切割、车削、钻孔、包IJ削、研 磨和抛光等方法。切割时可用圆锯片加磨料和水;外圆和端面可采用负前角的硬质合 金车刀,以1030米/分的切削速度车削;钻孔可用硬质合金钻头;大的石料平面可 用硬质合金刨刀或滚切刨刀刨削;精密平滑的表面,可用三块互为基准对研的方法,或磨削和抛光的方法获得。.61刀具在热强合金中的应用.61黑龙江工程学院本科生毕业设计第1章绪论1.1 单

10、螺杆挤出机螺杆挤出机分为单螺杆挤出机和多螺杆挤出。单螺杆挤出机是聚合物工业中最 重要的一类挤出机。其主要优点为成本较低、设计简单、坚固而可靠、以及满意的 性能成本比。常规塑化挤出机的螺杆具有3个不同的几何段,见图下图:图1-1常规挤出机螺杆几何形状这种几何形状也称之为“单级”。“单级”是指这种螺杆尽管有3个不同的几何 段,但事实上仅有一压缩段,第一段(最靠近进料口)的螺槽一般较深。此段中的物 料大都处于固体状态。此段称之为螺杆的进料段。最末段(最靠近模头)的螺槽通常 较浅。此段中的物料大都为熔融状态。此蝉杆段称之为计量段或挤出段。第二段连 接进料段和计量段。此段称之为过渡段或压缩段。多数情况下

11、,螺槽深度(或螺棱 高度)从进料段向计量段以线性方式减小,因而使物料在螺槽中经受压缩.以后将 证明这种压缩作用在多数悄况下对挤出机的正确运行是必不可少的。1.1.1 基本操作单螺杆挤出机的操作相当简单。物料从加料斗进入。通常物料靠重力由加料斗 流入挤出机机筒。有些物料在干燥状态不易流动,必须采用特殊措施防止物料在进 料斗中挂料。物料一旦落入挤出机机简,即处于挤出机螺杆和机筒之间的环状空间 内,并进而为螺棱的主动螺腹和被动蝶腹螺槽所包围。机简静止而蝉杆旋转。因此,摩擦力都作用于物料以及机筒和螺杆表面。至少物料处于固体状态(低于熔点),这 些摩擦力负责向前输送物料。物料向前运动时,即因摩擦产生的热

12、和机筒加热器传导的热而被加热。当物料 温度超过其熔点,则在机筒内表面形成熔膜,塑化段即由此开始。必须指出,塑化 段起点通常不是压缩段起始点。各功能段的分界线取决于聚合物性能、挤出机几何 黑龙江工程学院本科生毕业设计形状以及操作条件。因而,分界线可因操作条件改变而改变。然而,螺杆的几何段 由设计确定,不因操作条件的变化而变化。当物料向前运动时,在各个位置的固态 物料量将因熔融而减少。当全部固态聚合物消失时则达到塑化段末端,而熔体输送 段开始。在固体输送段中,将熔体均匀的输送给模头。当聚合物流进模头时,即呈现模头流道的形状,因而,当高聚物离开模头时,其形状或多或少的符合模头流道最后部分的断面形状。

13、由于模头产生流动阻力,所 以需要压力迫使物料通过模头。这种压力通常称之为模头压力。模头压力因模头形 状(特别是流道)、高聚物熔体温度、通过模头的流率、以及高聚物熔体的流变特性 所决定。模头压力由模头产生而不由挤出机产生。挤出机只是产生足够的压力,以 迫使物料通过模头。如聚台物、挤出量、模头、模头温度均相同,则无论挤出机是 齿轮泵单螺杆挤出机,还是双螺挤出机等都不会造成差异,机头力相同。1.1.2 排气挤出机排气挤出机在设计和功能上与非排气挤出机有很大区别。排气挤出机在其机筒 上有一个或多个开口(排气口),挥发物可由此逸出。因而.排气挤出机能连续从聚 合物中连续排除挥发物。这种排气增加了一种非排

14、气挤出机所没有的功能。除排出 挥发物外,还可利用排气口向聚合物添加某些组分,渚如添加剂、填充剂、反应组 分等等。这显然增加了排气挤出机的多功能性,并且还有额外的好处,即只要堵塞 排气口并在可能情况下变换螺杆几何形状,排气挤出机即可作为常规非排气挤出机。图1-2排气挤出机基本结构螺杆的设计对排气挤出机的正确运,非常关键。困扰排气挤出机的主要问题之 一是排气口溢料。在这种情况下,不仅挥发物通过排气口释放,而且也流出一定量 的聚合物。因而,挤出机螺杆必须设计成使排气口(排气段)下面的聚台物中不呈正 压,这就导致开发二级挤出螺杆,尤其是为排气挤出机所设计的二级挤出螺杆。二 级挤出螺杆有被释压/排气段所

15、分隔的两个压缩段。这由各类似于沿一根轴串联相 接的两根单级挤出螺杆。2黑龙江工程学院本科生毕业设计1.1.3橡胶挤出机用于弹性体加工的挤出机的历史比任何其它类型的挤出机都长。用于橡胶挤 出的工业机器早在19世纪下半叶即已问世。一些早期的挤出机制造商有美国John Royle和英国Frsncis Shaw。德国主要橡胶挤出机制造商之一是Paul TrosteL事实 上,Paul TrosteL仍为主要的挤出机制造商。尽管橡胶挤出机问世已超过一个世纪,但有关橡胶挤出文献的缺乏今人吃惊;某些橡胶手册讨论了橡胶挤出,但在多数情 况下,资料非常贫乏而且实用性有限。最早的橡胶挤出机是为热喂料挤出制造的。这

16、些挤出机用来辐炼机或其它混炼装置的热料喂料。1950年左右,开发了冷喂料挤 出。冷喂料挤出被认为有以下优点:设备投资小:料愠控制较好;劳功成本降低:能处理更广泛品种的配混胶料。1.2多 螺杆挤出机1.2.1双螺杆挤出机双螺杆挤出机又包括平行双螺杆挤出机和锥形双螺杆挤出机。平行双螺杆挤出 机有同向和异向之分。近几年,随着国内电子电器、通讯、汽车等领域的飞速发展,材料改性与配混技术市场需求大增。同向双螺杆配混挤出机作为市场最大的受惠者,一度几乎成为双螺杆的代名词。从最初的高技术含量设备发展至今,已成为大众化 的设备之一。尽管各个厂家仍然存在技术含量与实力的差别,不能否认的是双螺杆 挤出机在中国的发

17、展已相当成熟,尤其是在中小型机市场。相较而言,异向平行双 螺杆挤出机国内开发较少,而成型所用设备更多的为锥形双螺杆挤出机。锥形双螺 杆挤出机广泛应用于异型材成型,在建筑门窗加工领域应用获得成功。由于双螺杆 挤出机的产量高,混合性能优于常规单螺杆挤出机,普遍采用积木式结构易于根据 不同材料进行调整,因此成为挤出加工市场的主导力量。双螺杆挤出机是一种具有两根阿基米德螺杆的机器,很明显,这是非常一般的 定义。然而,一旦定义更明确,就将其限于双螺杆挤出机的特定分类之中。由于设 计、操作原理以及应用领域方面的巨大差异,双螺杆挤出机种类繁多。所以,难于 对双螺杆挤出机作出全面的评述。各种双螺杆挤出机之间的

18、差异颇大于单螺杆挤出 机之间的差异。这是可想而知的,因为双螺杆结构大量增加了设计变量的数目,诸 如旋转方向、啮合程度等等。双螺杆挤出机的分类见表表2。这种分类主要基于 双螺杆挤出机的几何构型。有些双螺杆挤出机的功能与单螺杆挤出机非常相同。其 3黑龙江工程学院本科生毕业设计它双螺杆挤出机操作完全不同于单螺杆挤出机。并且用于非常不同的应用领域。1.2.2多(2 螺杆挤出机0有各种类型的挤出机配备两根以上的螺杆。较熟知的一例是行星辐式挤出机。见图3.这种挤出机看起来类似单螺杆挤出机,实际上,进料段与标准单螺杆挤 出机的相同。然而,挤出机的混合段则大小不相同。在挤出机的行星辐段中,六个 或更多的均匀分

19、布的行星螺杆环绕主螺杆的周围旋转。在行星螺杆段中,主螺杆又 称太阳螺杆.行星螺杆与太阳螺杆和机筒啮合。因此,行星机筒段上必须行星螺杆 上的螺棱相对应螺槽。行星机筒段通常是用法兰与进料料筒段相连接的分离料筒段。在挤出机的开始部分,于行星螺杆之前,物料像在普通单螺杆挤出机中一样向 前运动。当物料达到行星段时,要在此处充分塑化,物料处于由行星螺杆、太阳螺 杆和机筒之间的辐压作用产生的强烈混合中。相对于机筒长度而言,机筒、太阳螺 杆和行星螺杆的螺旋形4黑龙江工程学院本科生毕业设计行星为轮段行展齿轮的详图图1-3行星辐式挤出机设计表面积大。导致有效的排气、热交换和温度控制。因而能加工热敏性配混 料而降解

20、最少。正因为如此,行星式齿轮挤出机常常用于硬质和增塑PVC配料的挤 出或配混。行星辐段也用作普通挤出机的附加装置以改善混合性能。另一种多螺杆 挤出机是四螺杆挤出机,如图1-4O这种挤出机主要用于排除溶剂,从40%溶剂至低达0.3%。急骤排气发生在附加 于机筒上的圆拱形排气室,然后,由急骤排气产生的多泡物料被四根螺杆输出。多 数情况下,装备有后续排气段以便进一步降低溶剂含量。5黑龙江工程学院本科生毕业设计图1-4四螺杆挤出机1.3新 型挤出机随着近年来市场发展的需要,国内外不同厂家纷纷推出各种特殊结构的单螺杆 挤出机,以适应特殊的市场需要。以下特别介绍几种特殊挤出机在国内的研发进展。1.3.1手

21、提式挤出机北京化工大学成功开发一种超高速微型手提式单螺杆挤出机。该机器螺杆直径 仅12mm,机器总重量不到2.5kg;螺杆工作转速8001200rpm,可实现连续或间歇 工作。此外由于所加工物料具有高壁面滑移性以及极易架桥的特点,配有专门设计 的强制加料装置;由于挤出机为手提式操作,设计了特殊的多路排气装置,以充分 保证气体的排出。止匕外,该机器还具有深槽大螺距、两种驱动方式可选(电动、气 动)、整机易于清理、保养、维修等特点。该机器最初为加工一种特殊的低密度低 粘度物料设计,并可用于各种低粘度物料的挤出加工,如热熔胶、低分子量树脂、各种石蜡、燃料、颜料、化妆品等的加工成型。6黑龙江工程学院本

22、科生毕业设计超微型挤出机的研究开发,存在许多一般设备设计加工过程中难以想像的困难,据介绍,该设备开发的关键在于微型挤出机的加料、排气、实现低温挤出输送等问 题的解决。1.3.2磨盘挤出机国内多个厂家已完成磨盘挤出机的开发,实现磨盘挤出机的商业化生产。高填 充物料使用普通单螺杆或双螺杆挤出机加工存在较大的难度。双螺杆挤出机用于玻 纤增强配混时,若玻纤含量超过45%,加工就会变得相当困难。在加工磁性材料时,通常磁粉的添加量高达60%70%,有时甚至达到90%以上。用普通挤出机进行磁性 材料的加工与造粒几乎是不可能的。国内一些厂家和科研院所,根据国内磁性材料 以及其他高填充物料的需要,悉心研发出独立

23、设计的磨盘挤出机。典型例子如北京 凤记和北京化工大学。磨盘挤出机可以通过调整磨盘组合以适应不同高填充材料,如玻纤增强、磁性塑料、导电材料、新型陶瓷等物料的挤出加工。为了适应高填充 物料的挤出加工需要,北京化工大学也在进行磨盘挤出机直接挤出成型的试验研究,并应用于多种复合材料的挤出成型加工试验获得成功。VV图1-5组合盘式挤出机1.3.3往复螺杆挤出机往复螺杆挤出机在前几年的国内市场红火一时,也成为不同厂家显示技术实力 的一个标志型产品。尤其是各双螺杆挤出机厂家纷纷推出往复螺杆挤出机。由于双 螺杆市场异常火爆,往复螺杆挤出机市场相对平淡,各挤出厂家还是以双螺杆挤出 机为主推产品。近日,宝应金鑫特

24、种塑料机械厂与北京化工大学合作研发出多种规 格的往复移动单螺杆挤出机,初步实现了往复移动挤出机的系列化。据悉,宝应金 7黑龙江工程学院本科生毕业设计鑫此次推出的系列化产品共包括四种规格,45、78、110和140,其中45和78两 种规格已经研发成功,即将推出H0和140两种机型。往复移动式单螺杆挤出机最大的特点是实现不同物料的高填充加工。用于玻纤 增强物料加工时,玻纤的添加量可以达到50%以上,特别适于高填充物料的加工,具有非常广阔的市场前景。由于其独特的往复式结构,不能很好的满足建压的要求,因而一般不适合用于制品的直接挤出成型。通常用于成型加工时,还需要配备专用 的成型挤出机。以上介绍的几

25、种单螺杆挤出机,可以说是当前中国市场具有一定代表性的产品。不过,尽管中国挤出机市场发展迅猛,也有不少新的机型推出,我们不能忽视中国 挤出机技术与国外发达国家相比还有较大差距。比如在超大型和微型设备领域就还 落彳爰于国际先进水平。国内企业唯有加紧努力,才能在激烈的市场竞争中赢得机会,真正从塑机大国发展为塑机强国。近年来,双螺杆挤出机市场异常火爆,相对而言,单螺杆一直处于悄寂状态。但是,单螺杆挤出机作为一种基本的塑胶加工设备,结构简单,成本较低,而且具 有更大的设计灵活性。各种不同的特种单螺杆挤出机重受关注。单螺杆挤出机因其结构简单,价廉物美,生产效率高的特点,一直是塑胶管材、板材、片材、异型材等

26、成型加工最重要的设备。随着技术的不断进步以及人们对螺 杆认识的提高,多种不同的挤出机结构形式陆续面世。特种单螺杆挤出加工技术又 有替代多螺杆技术的趋势。1.4挤 出机市场现状与发展趋势随着挤出机应用领域的不断拓展和技术上的不断进步,挤出机市场仍然保持一 定的上升势头,但国产挤出机价格大幅下跌已成现实。部分厂家粗制滥造和恶性价 格战已经影响到国内塑机的整体形象和市场竞争力,也阻碍了塑料加工业的发展。专家认为,挤出机主机和生产线今彳度的市场将向高技术含量、价格更趋走低的 方向发展。从成型设备来看,国产主机基本上以锥形双螺杆挤出机和单螺杆挤出机 为主,技术较成熟,市场销量最大,但这类产品的通用规格已

27、供大于求,只能维持 在市场顶峰期的50%60%左右。国内主机市场今彳度的重点应在于发展平行异向双螺 杆挤出机,以适应大挤出量的成型需要。平行同向双螺杆挤出机要向第六代、第七 代高速、大长径比方向发展。单螺杆挤出机则是向着超大型、超微型、大长径比、高产出、良好的排气性等方向发展,而适应特殊加工需要的螺杆机筒结构,则成为 大家争相研发的重点。实际上,单螺杆挤出机是一种低能耗、低成本的机型,只要 技术得当,结构设计合理,同样可以达到双螺杆挤出机的效能。据介绍,美国现在 8黑龙江工程学院本科生毕业设计使用的塑料挤出机就以单螺杆为主。高技术含量的单螺杆挤出机正在某些领域逐步 取代双螺杆挤出机。9黑龙江工

28、程学院本科生毕业设计第2章挤出机总体方案的确定2.1 挤出机总体布局的基本要求(1)挤出机布局首先必须满足用户提出的各种要求。如挤出机的加工范围、工 作精度、生产率、和经济性等等。(2)在经济、合理的条件下,尽量采用较短的传动链,以简化机构,提高传动 精度和传动效率。(3)确保挤出机具有与所要求的加工精度相适应的刚度、抗震性、热变形及噪 声水平。(4)挤出机必须满足参数标准和系列型谱中关于挤出机布局方面的规定。同时,还应最大限度地考虑挤出机的系列化和部件的通用话程度。(5)对于生产率和自动化程度较高的挤出机,应力求便于自动上下料及纳入自 动线。(6)应便于观察加工过程;便于操作、调整和维修机床

29、,便于输送、装卸;注 意挤出机的防护,确保安全生产。2.2螺杆类型的确定螺杆是挤压系统中的主要零件。它的各部分几何形状的变化,直接影响螺杆的 工作性能效果。对塑料制品得产量和质量,都有非常重大的影响。2.2.1螺杆的工作性能指标评定(1)塑化质量 按专业标准规定制造的挤出机,挤塑生产得塑料制品也应是 符合质量标准。螺杆是挤塑生产影响产品质量的关键零件,物料得混合质量、塑化 的是否均匀、物料得径向温差是否较小、压力要均衡、能量消耗要比较低、生产率 的提高,这些都受螺杆工作质量得影响。(2)比流量 这个比值大,说明这根螺杆的塑化能力强,比流量得单位为(kg/h)/(r/min)(3)比功率 这个值

30、小,说明生产同样质量的塑料制品,能量消耗少,比功 率得单位为kw/(kg/h)(4)通用性 指螺杆能否适应挤塑不同的塑料,能在不同塑料制品机头阻力 下工作。10黑龙江工程学院本科生毕业设计(5)经济性 制造机械加工比较容易,工作寿命比较长。2.2.2螺杆的选用原则(1)按塑料的制品种类选择 塑料的种类很多,有结晶型和非结晶型,它们 在被挤塑生产制品时,对温度条件要求及本身得粘度、稳定性和流动性能都有差别。所以,生产不同种类塑料制品时,应该选择不同类型螺杆。(2)机头模具的阻力对螺杆结构尺寸的影响 螺杆螺纹的均化段得的螺槽深 浅与机头阻力大小要匹配选取,机头阻力大,这段螺纹槽要浅些;反之,当阻力

31、小 时,螺槽就应深些。对于排气式挤出机,要求第二阶段的均化段螺槽深度要比第一 阶螺杆的均化段螺纹槽要深些,否则排气口处易溢料(3)按挤出机的用途选择不同用途的挤出机,根据工作性质和挤塑塑料品 种来选配螺杆。如果只用于一种塑料制品得选择,可按该塑料产品得要求,订购专 用螺杆挤出机。如果挤出机要挤塑不同材料的多种制品,就应选择螺杆具有较大得 通用性。2.2.3螺杆的分类按照螺杆得结构和螺杆螺纹部分的几何形状,可分为普通螺杆、新型螺杆和排 气螺杆。(1)普通型螺杆 普通螺杆挤出机是现在广泛使用的挤出机,能挤塑粉料和粒料。这种螺杆螺纹部分可分为加料段、塑化段和均化段。普通螺杆与新型螺杆比较有许 多不足

32、之处,有逐渐被新型螺杆取代得趋势。(2)新型螺杆 与普通螺杆比较,就是在螺杆的不同部位上设计了非螺纹元件,以改进塑料得混合、熔融塑化质量和缩短挤塑生产时间。(3)排气螺杆 在挤塑物料得过程中,为能够排除物料中的空气、挥发物气体 和水蒸气,而专门设计的螺杆。2.2.4螺杆方案的确定介于本设计的加工的是溶体材料为聚苯乙烯(PS)O PS为乙烯的聚合物,在生 产中无特殊的要求,因此选用普通螺杆,材料为45号钢。2.3机筒类型的确定机筒与螺杆配合工作,组成挤出机的挤压系统。在挤塑物料的工作中,它的作 用和螺杆工作同样重要。机筒和螺杆是挤塑系统的主要组成零件,也是挤出机的关 键零件。对于机筒结构形式的选

33、择和制造精度等级,都会直接影响塑料制品的产量 和质量。11黑龙江工程学院本科生毕业设计2.3.1机筒的结构类型机筒的结构形式设计选择,应该是在保证其工作强度的基础上,注意考虑它有 利于被挤塑物料的塑化,结构形式方便机械加工;同时能得到较高的精度;再一点 是要尽量节省一些较贵重的合金钢。这几点对挤出机的制造工艺及费用,都有较重 大影响。(1)整体式机筒 整体式机筒应用比较多,比较起来整体式机筒的机械加工 精度比较容易保证,工作时各部加热均匀,对机筒的加热和冷却系统也较好安排和 布置。一般小直径挤出机的机筒,包括有沟槽的加料段部分。大直径挤出机的机筒 不包括加料段。整体式机筒示意图见图2-1.图2

34、-1整体式机筒(2 分段式机筒 长径比值比较大得挤出机和排气式挤出机,由于机筒过长,为便于机械加工和节省合金钢材,通常采用分段式机筒。但是这种机筒在机加工时 也有难度。即二段机筒的内圆直径尺寸的一致性和同心度精度的保证,很难达到要 求。由于中间要用法兰盘连接,则对机筒加热得均匀性,连接部分要受影响。对加 热和冷却系统的安排布置也带来一定的困难。分段式挤出机机筒示意图见2-2.图2-2分段式机筒示意图分段式机筒的连接形式有 法兰与机筒用焊接连接,用螺纹连接和卡套式连接。焊接式连接比较简单,但合金钢材性能差,比较容易产生焊接应力,使机筒产 生变形。螺纹连接机筒上的螺纹机加工比较困难。在对机筒进行热

35、处理时,螺纹部分要 特殊保护,否则螺纹要被破坏。图2-3是机筒连接的几种结构形式。12黑龙江工程学院本科生毕业设计(a)(b)(c)图2-3分段式机筒的连接结构(a)法兰连接,应用广泛 b)(连接法兰间有螺母,调整螺母,压紧两衬套,较复杂 c)皎链式夹头连接,拆卸方便(3)衬套式机筒 衬套式机筒主要用在大直径的挤出机上,目的是为了节省较 贵重的合金钢材。机筒体用铸钢或普通碳素钢制造,而机筒的内衬套用渗碳合金刚 制造。这种结构形式见图2-5。当衬套磨损时,只需更换衬套即可。但由于薄而长 的衬套的机械加工和热处理很困难,所以,也很少应用。fe的学力彳/在图2-4衬套式机筒示意图(4)双金属层机筒

36、在铸钢或碳素钢机筒体的内壁,用离心浇铸法铸一层耐磨 合金,然后机械加工内孔至所需要的尺寸。这种机筒既节省了很多合金钢又能保证 它的耐磨性和抗腐蚀性。2.3.2机筒方案的确定介于机筒和螺杆得配合工作,组成了挤出机的挤压系统,共同完成对物料的挤 压塑化,生产出塑料制品。在完成挤塑工作时,机筒和螺杆一样,要承受巨大的压 力、扭矩和摩擦压力及物料得腐蚀。因此我们选择渗碳合金钢38外径为 230mm。结合本设计得要求和螺杆的形式,机筒选择整体式。13黑龙江工程学院本科生毕业设计第3章挤出机的整体设计不同的生产线对挤出机的具体要求不一样,这就需要根据不同塑料的性能设计 出合理的挤出机。本次设计的挤出机是用

37、于聚苯乙烯(PS)生产线的挤出机,这就要 求对聚苯乙烯(PS)的性能有一定的掌握和了解。3.1聚苯乙烯的基本特性聚苯乙烯是最结构简单的高分子有机化合物,当今世界应用最广泛的高分子材 料,由乙烯聚合而成,根据密度的不同分为高密度聚苯乙烯、中密度聚苯乙烯和低密 度聚苯乙烯。低密度聚苯乙烯较软,多用高压聚合;高密度聚苯乙烯具有刚性、硬度 和机械强度大的特性,多用低压聚合。高密度聚苯乙烯可以做容器、管道,也可以做 高频的电绝缘材料,用于雷达和电视。大量使用的常为低密度(高压)聚苯乙烯。聚 苯乙烯为蜡状,有蜡一样的光滑感,不染色时,低密度聚苯乙烯透明,而高密度聚苯 乙烯不透明,聚苯乙烯(syndiota

38、ctic)是结晶高分子,熔点达到270。3.2螺杆设计螺杆是挤出机最重要的部件,其性能好坏直接影响塑化质量和产量。整个理论 几乎都是围绕着螺杆上发生的挤出过程展开的。因此,螺杆设计是挤出理论最重要 的应用领域之一。最早出现的螺杆是不分段的,随着生产的发展,从实践和理论都证明了将螺杆 分为加料段、压实段和计量段是比较合理的。螺杆直径的确定:150mm,螺杆长径 比20。螺杆的长径比L/D指螺杆的有效长度L和螺杆的直径D之比,如果是新型的 螺杆,其有效长度中应该包括混炼段的长度。长径比是代表挤出机性能的一个主要 的技术参数。欧洲塑料橡胶机械制造厂委员会建议长径比12、15、(18)、20、(24)

39、、25、28、30、35,括号中的数值尽量不用或少用。对于某些排气螺杆,长径比达到40 左右或更长。L=20D=20X 150=3000mmz普通螺杆全长分为三段,即加料段L1、压缩段L2和计量段L3,计量段有时 也叫均化段。压缩段与熔融理论中的熔融段并不完全相同。在熔融理论中,熔融起 点和熔融重点以及熔融段长度Lm在螺杆上并非固定不变,他们随着挤出工艺条件 和塑料性能的变化而变化。而压缩段指的是螺槽深度有加料段深H1变至计量段槽 14黑龙江工程学院本科生毕业设计深H3的那段长度,它是螺杆设计者人为设计的长度,一旦螺杆设计出来这个长度 也就确定了。3.2.1螺槽深度和压缩比的确定螺槽深度是很重

40、要的参数,我们可以从制品的质量与产量两方面来分析。(1)计量段槽深的确定:我们知道,计量段中熔料的剪切速率Y可按下式计算:Dy=兀 式 3.1 4显然,计量段螺槽深度用愈小,在相同的螺杆转速下剪切速率便愈大,因而 分子间的内摩擦力也愈大。从式(3.1 可以看出,熔料因内摩擦而产生的热量正比于剪切应力和剪切速率。由于剪切应力而产生的热量和螺槽深度W的平方成反比。产w=式(3.2)H 3式中白。一一熔料因剪切产生的热量;T剪切应力;Y-剪切速率;为一一熔料的表现粘度。由此可见,螺槽深度较浅时,物料层内部会产生较多的热量。止匕外,螺杆上物 料层较薄,由外界加热器传进来的热量也容易将塑料热透。这方面因

41、素都证明了计 量段槽深较小时,对促进塑料的塑化质量是很有好处的。从混合效果上来讲,计量段槽深H3较小时,混炼程度较高,制品比较均匀。在 本章后面我们将进一步指出当计量段槽深较浅时,压力波动和温度波动都比较小,这时对制品的综合质量都是有利的。但是,我们知道,只有那些承受高剪切速率的的塑料,如聚乙烯,才能选 用较小的槽深,这类塑料的成型温度范围很宽(如聚乙烯成型温度范围为150220 C其范围达70,热稳定性很好。因剪切或其他原因造成的局部过热不易造成无 法弥补的后果。相反对那些步能承受高剪切速率的塑料,如硬聚氯乙烯等热敏性塑 料,他们的粘度较高,如果螺槽深度较浅,势必造成过多的因高剪切产生的热量

42、。15黑龙江工程学院本科生毕业设计再加上这类塑料的成型温度范围比较窄,粘流温度和分解温度比较接近(如 硬聚氯乙烯加工温度范围为150c190,其范围仅40,热稳定性较差,强烈 的内摩擦将使它们过热分解甚至烧焦。因此,加工这类塑料的螺杆计量段螺槽深度中不能选择过小。塑 料最大剪切速率Y/S-iLDPE(相对分子质量较高)56LDPE(相对分子质量较低)104HPVC26SPVC60PS108 92表中的数值并不是不可以突破的,1眉其是承受高剪切的时间很短时,例如在某些新型螺杆的屏障棱上,我在后面还要进一步分析这个问题。表3-1各塑料的最大速率根据表格取丫=93 5一1D由 公式7=口 式(3.3

43、/曰 就 3.1415x150 得 H3=-=-x 5mmy 93以上从挤出质量的观点分析了计量段螺槽深度H3的影响,此外我们还可以从产 量的角度来分析计量段螺槽深度H3的影响。从熔体输送理论的生产率公式可以看出 正流Qd正比于螺槽深度H3,而压力流廿却正比于H3的立方。由此可以分析:当机16黑龙江工程学院本科生毕业设计头压力较低时,增加计量段螺槽深度可以增加产量;而当机头压力增大到超过临界 压力,加深H3并不能使生产率增加,甚至还会产生相反的作用(图3-1。图3-1计量段槽深对产量Q得影响1一螺槽深度H 3较浅;2螺槽深度H 3较深也可以从融体输送理论来估算螺槽深度用的最佳值,去=6暇.赢)

44、(3.4)式将上式对用求导并令导数等于零,经一系列推导,可求得生的最佳值:(6K/3 UDSin式(3.5 在式中K。一形状系数未知口模系数情况下人的值没办法确定。有上面的分析可知,人的决定受到 多方面的因素影响,很难用一个简单的理论公式来进行计算。设计时,还可以根据 经验公式(3.5 来决定螺槽深度上H3=kD式(3.6)据统计螺槽深系数k值,发现大致规律如图计2所示。由图可见,计量段螺 槽深系数k大都在0.020.07范围内。螺杆直径较大者,k值应选择较小,螺杆直 17黑龙江工程学院本科生毕业设计径较小者,k值应选择较大;热稳定性较好的塑料k较小,热稳定性较差的塑料k 值较大;当螺杆长径比

45、较大时,k值可以选择较大。这是由于长径比较大的螺杆的 计量段L3可以设计的较长,此时由于螺槽深度H3加大造成压力流Q2的增加和混 炼段M的下降可以通过计量段的增加来弥补。除此之外在设计新型螺杆时,由于附 加的混炼元件保证了塑料的熔融与均化,因此新型螺杆的计量段槽深系数k也可以 取得最大值。从图A2还可以看出:根据塑料热稳定性的不同,系数k分为三个 区域。上层适用与PVC等热稳定性较差的塑料,此时k值较大。下层适用热稳定 性较好的塑料,此时k值较小。图3-2螺槽系数K的确定根据经验公式可以来校核,当&=5mm时k的取值为0.033在k=0.020.07范 围内。(2 加料段槽深和压缩比的确定加料

46、段的主要目的是建立必要的压力和保证稳定的固体输送。但自今为止加料 段的槽深Hi的影响还不是很清楚。按Damell-Mol理论的固体输送生产率公式加料 段Hi增加后固体输送生产率会提高。由于加料段中的塑料并不像D塞流理论所假 设的那样整块的移动,而是在断面上有一速度分布。加料段螺槽较深时,压力难以 传至螺槽底部,靠近螺槽底部的塑料运动速度较慢,这就降低了固体输送生产率。因此存在一个最佳加料段槽深。颗粒内摩擦因数较高的塑料,要比颗粒内摩擦因数 较低的塑料更接近于整块移动。实际上,加料段槽深是根据螺杆压缩比和计量段槽深来确定的。所谓压缩比是 指螺槽加料段第一个螺槽容积和计量段最后一个螺槽容积之比,即

47、几何压缩比,而 18黑龙江工程学院本科生毕业设计不是螺槽深度之比。这个数值不同于物理压缩比。后者指的是塑料在加料时的松密 度和受热熔融后的密度之比。如,聚乙烯在松散时密度为0.550.64g/cm1而熔融 后的密度为0.76 g/cn/.因此,其物理压缩比为1.381.18。显然几何压缩比应大于物理压缩比。这是因为除了应考虑密度的变化之外,还 应考虑在压力下熔融料的压缩性、塑料在加料段的装填程度、挤压过程中塑料的回 流等因素,尤其还应考虑制品性能所要求的压缩密实的必要性。应此对加工同一种 塑料的的螺杆,不同设计者对其几何压缩比有不同的选择,而加工不同塑料的螺杆,其压缩比变化应更大(大多数在好5

48、之间,个别情况大至8小至D。根据螺杆 国内外的资料统计如下:塑料塑料HPVC(粒料)2.5(2-3)ABS1.8(1.6-2.5)HPVC(粉料)34(2-5)P0M4(2.8-4)SPVC(粒料)3.23.5(3PP02(2-3.5)4)SPVC(粉料)PC2.5335PEPSF2.8334PPPSF3.7-43.7-4(2.5PS4)PA63.3-3.6CA2-2.5(2-4)PA663.5PMMA1.7-2PA10103.7PET3PCTFE3.5-3.72.53.3表3-2常用螺杆的几何压缩比注:括号中为选用范围,括号外为选用范围。几何压缩比一般用下式计算:(D-H3)H3式(3.7

49、19黑龙江工程学院本科生毕业设计式中,H和H3分别为螺杆加料段第一个螺槽深和计量段最后一个螺槽深。运 用此公式的条件是外径D螺距$螺纹法向棱宽e和螺纹升角6在螺杆全长上都 保持不变,螺纹头数为1.当压缩比和计量段槽深H3决定后,加料段槽深H1便可从下式算出:Hx=0.5D-D2-4SH3(D-H3)式(3.8)为了计算方便,可以用简化的公式3-7来计算压缩比。乘以系数0.93后,该 式误差仅0.1左右。=0.93HjH3 式(3.9)根据上表(3-2)取压缩比为2.4,得:乜=幺道=5x24+0.93=13加加1 0.933.2.2螺距和螺纹升角的确定对单头螺纹,螺距&螺纹升角6和螺纹直径D之

50、间有下述关系:S=riDtan4)式(3.10)显然在螺杆直径已知以后,螺距和螺纹升角只要决定一个,另一个也就 确定 了。从固体输送生产率公式和熔体输送理论生产率公式都可以看出:生产率和螺纹 升角又直接的关系。根据固体输送理论的计算,对大多数塑料,当摩擦因数0.250.5,螺纹升角等于1720时,固体输送生产率可以达到最大值。实验 也证明,对圆柱性塑料,最佳螺纹升角大约在17左右。而从熔体输送理论的角度 上讲,将有关流率公式经数学推到简化,并对6角求导,并令导数等于零,可求的 最佳螺纹升角为30。这也是为什么当前的螺纹升角都在1730范围之内的原因。而目前为了设计加工的方便,设计时大多取螺杆直

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