毕业论文（设计）全啮合同向双螺杆挤出机螺杆齿形设计及其加工方法研究.pdf

摘要全啮合同向双螺杆是螺杆挤出机的核心零件。论文重点研究了全啮合同向双 螺杆的齿形设计以及加工方法，并对螺杆和加工刀具进行了三维造型研究。主要 研究内容如下：首先，根据相对运动和啮合原理，提出了螺杆端面齿形的设计方案；得出了 螺杆头数分别为单头、双头、三头时该类型螺杆端面啮合曲线的数学表达式；对 螺杆的端面截面积、体积、挤出量等表达式进行了推导，并利用Visual Basic语 言对其进行编程。其次，针对双头全啮合同向双螺杆，利用所设计出来的端面齿形，按螺旋面 形成原理，推导了全啮合同向双螺杆的螺旋面方程。详细规划了设计盘形成形刀 具轴向刃形的计算流程，按常规方法选定盘形刀具的基本安装参数及螺旋参数，得出了一组轴向刃形数据；对端面齿形曲线的连续性以及其一阶导数的连续性进 行研究，得出安装角与螺杆和盘形刀具之间中心距的约束关系公式，求解出盘形 成形刀具轴向刃形的另一组数据，通过两组数据对比验证了安装角和中心距的约 束关系公式的正确性。通过对安装角和中心距关系的再研究，探讨了加工双头全 啮合同向双螺杆时，成形铳刀和成形车刀的关系。第三，利用三维建模软件对螺杆进行了三维造型，并进行了运动仿真和干涉 检验，验证了全啮合同向双螺杆啮合的正确性；运用包络原理对盘形刀具进行三 维造型。最后，研究了变导程全啮合同向双螺杆的加工，对同一把刀具是否可以连续 加工一根螺杆工件使其成为整体式螺杆进行了分析并提出了双螺杆啮合间隙的 修正方法。关键词：全啮合螺杆盘形刀具三维造型变导程ABSTRACTThe fully wiped co-rotating twin-screw is the key part of twin screw extruder.This paper focus on how to design the full wiped co-rotating twin-screw5s tooth profile and how to machine the kind of the screw.Main content and conclusion of the paper are listed below:First,based on theories of relative motion and gear meshing principal,design proposal has been obtained.Derivation of the screws end section curves formation with n=1,2,3 tips has been finished.The screws formation of cross-sectional area,volume,extrusion quantity also have been derived,and they have been programmed by Visual Basic.Then,based on the fully wiped co-rotating twin-screws end section with 2 tips,we obtain the fully wiped co-rotating twin-screw helicoids formation.Axial blade of disc cutter has been computed.Center distance is between the disc cutter and a screw,and there are a formula between Angle of setting and the distance.For further study,we obtained the relation between the lathe tool and the disc cutter.The third,building the Model of the twin-screw by using the famous CAD software Pro/E,produced by America PTC Company.The disc cutter is also modeled by Pro/E in enveloping principle.Intermeshing simulation of the couple of screws and interfere check have been nm.The end,the research in processing the fully wiped co-rotating twin-screw with variational lead is been done and we draw the conclusion that we cant use the same lathe tool or the same disc cutter to process the fully wiped co-rotating twin-screw with variational lead in integral type.The gap between the twin screw is also been studied.KEY WORDS:fully wiped,screw,disc cutter,Three dimensional,modeling variational lead第一章绪论第一章绪论1.1 课题研究的背景和意义塑料挤出成型是挤出机中通过加热、加压而使塑料以熔融流动状态连续通过 口模成型的方法。采用螺杆挤出塑料等聚合物迄今已经有120多年的历史，这种方法在聚合物加工工业中已经占有十分重要的地位，据统计，全世界60%以上的塑料制品是采用挤出法来加工的，挤出成型制品的产量雄居于其他聚合物 成型制品之上。与其他成型方法相比较，塑料等聚合物的螺杆挤出成型法挤出的制品都是连 续制品，在生产及应用上都具有多方面的优点，如：生产过程连续；生产效率较 高；适用范围广，其不仅能用于加工几乎所有的热塑性塑料制品，而且也能用于 挤出一些热固性塑料。此外，螺杆挤出设备通常结构简单、操作容易，而且投资 少，收效快。因此，螺杆挤出成型法已经成为目前最广泛采用的一种聚合物成型 加工方法，螺杆挤出装备也理所当然的成为聚合物成型加工机械中最重要的机种 之一。目前，用螺杆挤出法生产的塑料制品有：管材、板材、片材、棒材、薄膜、单丝、电缆、中空制品、异型材、各种符合制品等。此外，螺杆挤出还大量用于 进行聚合物的造粒、脱水、共混、增强、反应挤出、合金化、喂料及色母料等作 业。随着挤出机高效高速的发展，挤出机采用先进的控制技术，增加辅机性能，提高产品质量及性能，提高机械自动化程度，必会使塑料挤出成型得到更广泛的 应用。螺杆是挤出生产线的基本组成部分，也是挤出机的心脏。大量生产实际例子 表明，螺杆设计的好坏对挤出制品的产量和质量有极大的影响。90年代以来，虽 然国产螺杆铳床及其配套设备开始供应客户3,但我国的塑料机械工业是从轻 工，化工等行业的机械厂发展起来的，因此与传统的机械厂有差距，一般设备条 件较差，工艺落后，对于螺杆不但在设计技术上与国际先进水平有差距，在制造 技术上更加落后，在我国的中小型企业，特别是民营和乡镇企业中，由于缺少相 关的技术和理论做指导，挤出机螺杆的设计主要依据经验和测绘仿造国外螺杆设 计，报废率极高3410查阅六、七十年以来的文献，发现大量研究主要集中在单螺杆挤出机上，与 单螺杆挤出机相比较，双螺杆挤出机问世和工业化应用都特别晚，因而对双螺杆 的研究不像单螺杆那样成熟，而是刚刚起步，再加上双螺杆挤出机类型繁多，1第一章绪论其螺杆几何学、螺杆构型及物料在螺杆中的挤出过程要比单螺杆挤出机复杂的 多，因而给这些问题的研究带来很大的困难；双螺杆挤出机无论在结构设计上，机械制造上还是配套上都比单螺杆挤出机复杂的多；双螺杆挤出机应用面广，遇 到的问题也复杂多样。这些问题给研究带来很多不便，而其中关于啮合同向双螺 杆挤出机研究的报导配,419则多是近十年多以来的事情，因为，首先上世纪九 十年代以后计算机开始普及，而啮合同向双螺杆的几何形状是个相对复杂的廓 形，借助计算机，人们可以较快速和准确的进行螺杆廓形的计算和设计；其次，随着同向双螺杆传动系统等问题的基本解决，其螺杆输出总扭矩比20世纪60年代 初提高了3倍之多冈，生产功率、产出效率更高，产量更大。我国啮合同向双螺 杆挤出机的研制起步较晚，八十年代初才开始引进，而且理论研究远远落后于实 际应用。近几年来，塑料制品的大量需求为啮合同向双螺杆的发展提供了契机，目前国内部分工厂已能生产啮合同向双螺杆挤出机。然而纵观国内的产品，可以 发现绝大多数产品都是八十年代初进口的、技术水平已经相对落后的机型，有 些产品甚至是厂家根据国内制造的产品进行二次测绘仿制的。这样做的原因一方 面是国外厂家为保护知识产权技术保密;另一方面是我国缺少经验和必要的理论 依据。鉴此，本文希望通过此课题的研究，开辟研究啮合同向双螺杆的一个分支一 全啮合同向双螺杆的新思路，并拓展其应用范畴；与此同时，通过研究全啮合双 螺杆的几何造型，为该种螺杆的设计和加工制造提供一定的理论依据。希望本文 能对我国的螺杆制造业做出一定的贡献。1.1.1 双螺杆挤出机的发展双螺杆挤出机是多螺杆挤出机中的一种，是随着聚合物加工业和食品加工业 发展而出现和发展的。确切的说，现代啮合异向双螺杆是随着热塑性聚氯乙烯（RPVC）制品发展而发展的，啮合同向双螺杆挤出机则是聚合物改性发展的结 果。关于双螺杆挤出机的问世及早期发展史，尚无定论，究竟各种双螺杆挤出机 何时、在哪个国家最早出现，其说不一，也无从考证。但比较统一的认识是：第 一台双螺杆挤出机是1869年在英格兰由Follows和Bates。】为制造香肠开发的;而 在聚合物加工中真正应用的双螺杆挤出机是在20世纪30年代，首先在意大利研制 成功Roberto Colombo研制成功了同向双螺杆挤出机，Carlo Pasquetti研制成 功了异向双螺杆挤出机。第二次世界大战前后，双螺杆挤出机发展较快；现代双 螺杆挤出机是在20世纪60年代末和70年代初发展起来的：60年代后期，双螺杆挤 出机可以用在混炼、排气、脱水、造粒、粉料直接挤出以及玻璃纤维或其它填充 2第一章绪论料的填充增强改性等方面；70年代又研制成功了组合型双螺杆挤出机，使其的应 用范围更大，成本更低，因而得到广泛的应用。目前，最主要生产双螺杆挤出机 的厂商有【：奥地利“Cincinnati Milaeron,;德国“KrauFMaflfen”、“Reifbnhauser、Battemfbld“、“W&P”、BerstoffaThyssenplastik ITi Maschinen；美国American leistrin Corp”、Bltker Perkins lnc Dupont”；日 本的“日本制钢所”、“东芝机械”。与西方国家（主要是美、德、意、英、日等）相比，双螺杆挤出机在我国 开始应用较晚（大约在20世纪70年代初）。随着对双螺杆挤出机性能认识的加深，到20世纪80年代才开始较多的由国外引进，应用范围和使用量才开始扩大。通过 引进国外技术，我国有的工厂开始生产制造双螺杆挤出机。到20世纪90年代初，我国螺杆挤出的设计制造发展很快，形成双螺杆挤出机制造热。至今，不但能生 产啮合同向双螺杆挤出机，也能生产啮合异向平行和锥形双螺杆挤出机。所生产 的双螺杆挤出机的规格已经由中小型开始向大型发展，并基本形成了系列，制定 了相应得标准,年产几百台套,除特种类型和大规格的双螺杆挤出机尚未生产外，国产双螺杆挤出机已基本能满足国内一般生产的需求。但就双螺杆挤出机的设 计、制造水平和机器的整体质量而言，与国外先进国家生产的双螺杆挤出机还有 不少差距，这表现在独立设计能力较弱，不少厂家的产品是测绘和仿制的，设计 出较高的机种较少；机械制造水平、材质、热处理水平也有差距；轴承、电器、仪器配套还不健全，电器仪表质量也较差，不够可靠。理论研究方面，我国对双 螺杆挤出机挤出理论的研究始于20世纪80年代中期，在某些方面取得的研究成果 基本与国际同步，但研究单位、研究人员太少，投入太少，因而发展较慢，与国 外有一定的差距，这影响到我国双螺杆挤出机整体水平的提高，另一方面，我国 双螺杆挤出机的应用水平也不够高，很多使用着的双螺杆挤出机生产线还未达到 最佳水平。但在国家工业整体水平不断提高的大环境下，若再对双螺杆挤出机制 造理论及技术研究的深化，一定会较快地缩短我国与先进国家在双螺杆挤出机水 平上的差距。双螺杆挤出机的发展趋势是；.高效、多功能化 塑料挤出机的高效主要体现在高产出、低能耗、低制造成 本方面。螺杆挤出机已不仅仅用于高分子材料的挤出成型和混炼加工，其用途已 拓宽到食品、饲料、电极、炸药、建材、包装、纸浆、陶瓷等领域。大型化和精密化 实现挤出成型设备的大型化可以降低生产成本，这在大 型双螺杆造粒机组、吹膜机组、管材挤出机组等方面优势更为明显。国家重点建 设服务所需的重大技术装备、大型乙烯工程配套的三大关键设备之一的大型挤压 造粒机组长期依靠进口,因此，必须加快国产化进程，满足石化工业发展需要。而 3第一章绪论精密化可以提高产品的含金量，如多层共挤复合薄膜等均需要精密挤出，而作为 实现精密挤出的重要手段一全啮合双螺杆的齿形、熔体齿轮泵的应用必须加大力 度进行开发研究。模块化和专业化模块化生产可以适应不同用户的特殊要求，缩短新产品 的研发周期，争取更大的市场份额，而专业化生产可以将挤出成型装备的各个系 统模块部件安排定点生产，甚至进行全球采购，这对保证质量、降低成本、加速 资金周转都非常有利。智能化和网络化 发达国家的挤出机已普遍采用现代电子和计算机控制技 术，对整个挤出过程的工艺参数如熔体压力和温度、各段机身温度、主螺杆和喂 料螺杆转速、喂料量、各种原料的配比以及电机的电流和电压等参数进行在线检 测，并采用微机闭环控制。有的公司已采用网上远程监测、诊断和控制，对挤出 成型生产线进行网络控制。这对于保证工艺条件的稳定，提高产品的精度都极为 有利。1.1.2 双螺杆挤出机的特点双螺杆挤出机和单螺杆挤出机的挤出原理是不同的，其主要特点是：1、强制输送：在单螺杆挤出机中，物料前移的动力，主要依赖于物料与机 筒和螺杆间摩擦系数的差值。若物料与机筒内壁的摩擦系数太小，则物料将抱住 螺杆一起转动，使物料不能向前输送。而旋转全啮合双螺杆挤出机的啮合处，一 根螺杆的螺纹插入另一根螺杆的螺槽中，使连续的螺槽被分割，螺槽中的物料就 要被相互啮合的螺纹向前推进。这就是双螺杆所具有的强制输送作用。因此，双 螺杆的生产能力大约是同样规格单螺杆挤出机的3倍。2、自洁性能：塑料在螺槽内滞留的时间过长，会引起塑料的分解变质，损 害塑料制品的质量，尤其对某些热敏性塑料更是如此。双螺杆挤出机可以较好的 解决这个问题，如旋转的双螺杆，在啮合处，螺纹和螺槽间存在速度差，在螺杆 旋转过程中，可以使粘在螺杆上的物料剥离下来。这就是所谓的自洁性能。3、混合作用：单螺杆的混合是靠螺纹和机筒间的相互运动、摩擦、挤压来 实现的。而双螺杆挤出机，无论是同向旋转还是异向旋转，在啮合处，螺纹和螺 槽间都存在速度差，啮合区的物料要受到挤压和研磨，使混炼效果更好。4、压延效应：对于旋转着的双螺杆挤出机，当物料加入后，由于物料重力 和物料与螺杆表面的摩擦力，致使物料很快被拉入螺杆啮合区间隙，在间隙中的 物料受到螺纹和螺槽的研磨和滚压，这种现象叫作压延效应。4第一章绪论1.13双螺杆挤出机的分类（1）啮合型与非啮合型双螺杆挤出机按两根螺杆的相对位置，可分为啮合型与非啮合型（如图1，图1-2）；啮合型又可按其啮合程度分为部分啮合和全啮合。设尸为螺杆齿根圆的 半径，R为螺杆齿顶半径，则全啮合的中心距/=，+R,部分啮合的中心距 Ar+R,非啮合的中心距为4之2R。非啮合型的双螺杆挤出机基本与单螺杆 挤出机对挤出质量相似，故实际使用较少。图1-1非啮合型的一种类型 图1-2全啮合型的一种类型全啮合式双螺杆啮合的间隙很小。两螺杆在输送过程中形成了几乎封闭的 C字形小室，从而对物料进行强制输送，能在较短的长度内建立起较高的压 力。而普通啮合式双螺杆的啮合间隙比较大。中心距+R以形成较大的径向 间隙；由于采取适当措施（如将两螺纹段的螺纹错开使螺纹间轴向部啮合或增加 螺槽宽度与螺纹厚度的差值使螺纹间的轴向不啮合），可增大啮合螺纹间的轴向 间隙，从而促使“C”形小室中物料相互混合并输送物料。这种输送元件的输送 能力将因漏流和倒流而受到影响，其输送物料的性能比全啮合差些。在描述啮合型双螺杆挤出机时，有的学者还提出了共匏与非共趣囚的两个概 念：所谓的共物是指一根螺杆和另一根螺杆的螺槽，具有相似的几何形状，两者 紧密相配，只留很小的啮合（制造与装配）间隙。非共趣是指一根螺杆的螺棱可 很松的配到另一个螺槽中，四周留有很大的间隙（几何间隙是有意留的）。共匏 与啮合是由区别的，部分啮合也可看作非共匏，但全啮合不等于共挽。本文所研 究的全啮合同向双螺杆是共辗的，具有完全自清洁功能。（2）开放型与封闭型开放与封闭是指啮合区的螺槽中，物料是否有沿螺槽的可能通道（不包括制 造装配间隙）。由此，可分为纵向开放或封闭、横向开放或封闭。若物料从加料区到螺杆末端有输出通道，物料可从一根螺杆流到另一根螺杆（沿螺槽有流动）则称为纵向开放型，否则称为纵向封闭性，纵向封闭的的两根 螺杆各自形成若干个互不相通的腔室，两根螺杆间没有物料的交换；在两根螺杆 5第一章绪论的啮合区，若横过螺棱有通道，即物料可从同一根螺杆的一个螺槽流向相邻的另 一个螺槽，则称为横向开放，反之，称为横向封闭。（3）同向旋转和异向旋转网双螺杆挤出机按螺杆旋转方向的不同，又可分为同向旋转和反向旋转，反向旋转的双螺杆挤出机又可分为向内和向外两种，图1-3、图14、图15所示。图13同向与异向旋转方式图1-4异向旋转 图15同向旋转 图16同向双螺杆中物料的流动示意图同向与异向旋转主要区别：一是物料的传递形式，异向双螺杆挤出机中在螺 棱与螺槽之间间隙减少到一定程度时，螺杆和简体基本构成封闭的C型腔体。物 料在进入某一个C型腔体后随着螺旋的变化，其一直在这个腔体内向前运动，而 基本不和其他腔体内的物料混合，产品质量一致性差。而同向双螺杆挤出机中螺 杆与筒体没有形成封闭的腔体，物料从一个螺杆的螺槽进入另一个螺杆的螺槽，沿“8”字形向前移动（如图16）,一个螺杆的螺棱推着另一螺杆螺槽中的物料 移动，物料混合充分，产品质量一致性好。二是剪切率的大小，异向双螺杆在啮 合处的顶部形成较高的压力，产生较大的剪切率，随着螺杆转速的提高，螺杆和 筒体磨损加大，适合于低速运转，而同向双螺杆挤出机在常规啮合处没有形成压 力，也就没有了高剪切区，螺杆和筒体的磨损较低，适合于高速运转。三是自洁 性，双螺杆的自洁性越好，越能避免单螺杆设备所出现的堵塞问题和喂料问题。同向双螺杆设备由于自身机理的原因，随着螺杆间间隙的减少自洁性能越高。而 异向双螺杆设备只有一定程度的自洁性。综合以上分析，我们可以得知同向双螺 杆在混合方面要优越于异向双螺杆。（4）圆柱双螺杆与圆锥双螺杆若两根螺杆的轴线相交称为圆锥双螺杆（图若两根螺杆的轴线平行,称为平行双螺杆，也称为圆柱双螺杆（图1.7上）。6第一章绪论图l-7a圆锥双螺杆另外，按螺杆旋转速度，有高速和低速之分；按螺杆与机筒的结构，有整体 式和组合式之分；按螺杆螺旋线起点的个数分为单头、双头、三头等。常用双螺杆通常是各类型的组合,图18是双螺杆转回与啮合的挣。异向旋转，全哦合 异向旋转,部分啮合 同向旋转,非喻合（相切）同向旋札.全哂合同向旋源.部分睢合异向旋转,非联合相切）图1-8双螺杆转向与啮合关系1.1.4双螺杆挤出机的组成与其主要技术参数（1）双螺杆挤出机的组成附（如图19）,通常分为主机挤出机 辅机控制系统主机：主机主要有下列三部分组成挤压系统它主要由螺杆和机筒组成，是挤出机的关键部分。传动系统其作用是驱动螺杆，保证螺杆在工作过程中所需要的扭矩和 转矩。加热3却系统用于满足塑料在成型加工中对温度及其控制的要求。设计一台塑料挤出机的主机必须根据被加工物料的性能、制品的要求、加 工工艺条件等进行。一般地说，它必须具备如下的综合要求：具有高的生产能力 和较广的适应性能；有较完善和先进的控制系统，能准确无误地、协调地控制挤 出机的各个动作，使挤出机的温度、压力和流量等能严格的控制在工艺条件所规 定的范围内，以获得高质量的制品；机器必须有足够的强度和刚度，结构合理、紧凑、有利于操作和维护，成本低等。7第一章绪论辅机 挤出设备的辅机的组成是根据制品的种类而定的。一般说来，辅 机是由机头、定型装置、冷却装置、牵引装置、切割装置以及制品的卷取或堆放 装置等部分所组成。机头 它是制品成型的主要部件，熔融塑料通过它获得一定的几何截面 和尺寸。定型装置作用是将从机头中挤出来的塑料的既定形状稳定下来，并对 其进行精整，从而得到更为精确的截面形状、尺寸和光亮的表面。通常 采用冷却和抽真空的方法达到这一目的。冷却装置由定型装置从机头中挤出来的塑料在此得到充分的冷却，获 得最终的形状和尺寸。牵引装置其作用为均匀的牵引制品，并对制品的截面尺寸进行控制，使挤出过程稳定的进行。切割装置其作用是将连续挤出的制品切成一定的长度和宽度。卷取装置其作用是将软制品（薄膜、软管、单丝等收卷成卷。控制系统挤出机的控制系统主要由电器、仪表和执行机构等组成，其主 要作用有：控制主、辅机的拖动电动机，使其满足工艺所要求的转速和功率，并 保证主、辅机能协调地运行；控制主、辅机的温度、压力、流量和制品的质量；实现整个挤出机组的自动控制和对产品的质量控制。（2）双螺杆挤出机的主要零部件,双螺杆挤出机的主要零部件是螺杆和机筒。它普遍采用积木式机筒、螺杆混 合，可方便的根据不同制品、物料、后处理工艺的要求改变长径比组合、机筒配 置组合（例如可在任意区间段配置不同用途的加料机筒、排气机筒、交联剂等添 加剂注入机筒等）。而螺杆则是由螺纹元件、捏合块等元件做成。它们与螺杆芯 轴采用花键连接，螺杆元件具有互换性，用户可以根据螺杆各段功能不同及所加 物料的性能不同任意组合，得到最佳混炼、捏合、塑化效果。螺杆的螺纹元件是 主要元件，其啮合技术参数直接决定双螺杆挤出机的排量大小和塑化质量性能 6 O螺杆的基本分类在上面已经介绍了，在这里不再类述。此处详细介绍整体式 与组合式螺杆、整体式与组合式机筒。双螺杆挤出机中的螺杆有整体式和组合式两类整体式螺杆由整根材料组成，虽然也可加工出各种基本结构元件，但不 能随加工工艺的要求拆换个别元件。螺杆的加工难度较大。人们为了获得各种适 当的压缩比，克服双螺杆挤出机在性能和结构上的不足而采取多种措施，从而形 成螺杆的多样性。对于平行双螺杆，为了获得适当的压缩比，螺杆的螺距自加料 8第一章绪论段开始到螺杆头逐渐变小；双螺杆的螺棱宽度有加料端向螺杆头逐渐增大，但螺 距不变。为了获得双螺杆推力轴承位置上的困难并获得一定的压缩比，出现了锥 形双螺杆（如图27a）,它靠螺杆的锥形获得压缩比。组合式螺杆 是由多个单独得螺杆元件连接成的组合体（一般是将这些元 件按一定要求和顺序装到带有导键或六角形的心轴上）。由于螺杆元件具有互换 性，因此，使用时可根据具体工艺需耍进行组合。组合式螺杆的加工难度比整体 式小一些。组合式螺杆的螺杆的元件种类很多，主要有输送元件、剪切元件、压 缩元件、混合元件及捏合元件等，但通常把它们分为两类，即输送元件和混炼元 件。（a）输送元件主要用于输送物料，给物料一定的推力，使物料能克服在流 道中所遇到的阻力。输送元件多为螺纹形结构。（b）混炼元件：包括剪切元件、混合元件、捏合元件。物料在螺杆中的混炼 过程一般是剪切与混合的结合，在双螺杆挤出机中更是如此。剪切元件由剪切盘或剪切螺纹组成，主要用于对物料进行剪切。混合元件齿形混合盘由带齿的两组盘组成，是混合元件的一种。混合元 件还有销钉段、反螺纹段等元件，主要起搅乱物料的作用，使物料均化。捏合元件主要是捏合块。捏合块由截面相同但安装时错开一定角度的一 组块组成。随着螺杆的转动，物料被挤入捏合块与机筒内壁之间的空腔且随着两 个捏合块的啮合，空腔由大变小，又由小变大，物料受到反复的剪切、膨胀挤压,从而加速和改善了物料的塑化过程，提高了塑化质量。为了适应不同的加工需要,双螺杆的捏合元件可以有很多组构成，同时捏合块的厚度也不尽相同，而厚度可 影响物料受剪切的时间。二日二也a b c d e图1-10输送元件和混炼元件a：螺纹元件，属于输送元件b：捏合块（盘），属于捏合元件c：齿形盘，起混合和剪 切的作用d：环坝，固定作用 e：反螺纹元件，属于混合元件机筒双螺杆挤出机的机筒结构形式也有整体式和组合式两种。同向旋转双螺杆挤出机的机筒大多采用分段积木式结构。每段长度是螺杆直 径的3y倍，其中有加料口段和排气口段，有的设有测量熔体温度或熔体压力或 注入液体添加剂的孔段。对于用介质冷却的机筒，各节设有冷却介质通道，固定 电加热器用的螺孔，各段连接的螺孔和相互间定位销孔等。机筒外形有圆柱形和 9第一章绪论长方形。(3)双螺杆挤出机的主要技术参数螺杆公称直径指螺杆外径，单位为机机，双螺杆的直径越大，表示机器 的加工能力越大。螺杆的长径比指螺杆的有效长度与外径之比。一般整体式双螺杆挤出机 的长径比在778之间。对于组合式双螺杆，长径比是变化的。从发展来看，长径 比有逐步加大的趋势。螺杆的转向螺杆的转向有同向和异向之分。一般同向旋转的双螺杆挤出 机多用于混料，而异向旋转的双螺杆多用于挤出成型制品。螺杆的转速范围在允许值之间，螺杆的最低转速到最高转速之间的范围。驱动功率 指驱动螺杆的电动机功率，单位为施。加热功率指双螺杆挤出机机筒上各段加热功率的总和，单位为痴。双螺杆中心距公称尺寸指平行布置得两螺杆的中心距，单位为加加。实际比功率表征每小时内平均加工1馆物料所需电动机实际使用功率的 指标。比流量指螺杆每转的生产能力，表征挤出机的生产效率。产量指每小时的挤出量，一般采用的单位为检/方。L2同向双螺杆挤出机的研究现状随着塑料制品的广泛应用，塑料挤出设备也得到了迅速的发展，其中双螺杆 挤出机发展更快。目前国内共有30多家企业在生产同向旋转双螺杆挤出机网，如兰州兰泰塑料机械有限公司、江苏科亚化工装备有限公司、南京橡塑机械厂、晨光院塑料机械研究所、北京丰阳贸集团、原航天部1院11所等。国外主要的生 产厂家有英国的APV Baker公司，德国Berstoff公司，意大利Maris公司，日本东 芝制钢所、神户制钢所，美国Welding Engineers公司等。尽管我国同向双螺杆挤 出机在设计、制造和应用等方面都取得了长足的进步，但是与国外相比仍存在很 大差距。比如，由于在结构设计和加工制造方面还存在一些问题，部分塑料制品 的生产厂家大多使用从西德、意大利等国引进的双螺杆挤出机；也有的设备 制造厂家仿照进口设备的结构，制造了双螺杆挤出机。至于我国自行设计、制造 的双螺杆挤出机还没有大批量的应用于塑料生产中。1.2.1 全啮合同向双螺杆设计的研究现状同向旋转啮合型的螺杆齿廓设计直接影响到两个螺杆的啮合程度，如不能合 第一章绪论理处理就会发生齿廓干涉，即不能实现完全啮合。这是因为同向旋转啮合型在两 螺杆节径啮合点处，两螺杆的螺旋升角相等而方向相反所造成的，对于全啮合 同向双螺杆设计的研究，在不同的假设前提下，研究者推导出了很多公式。盖雨聆、孟宪坤等考虑两条螺旋线相互平行靠在一起的情形，利用螺旋线 形成过程中其上点的相对运动关系，首先求出螺杆的轴截面方程，然后根据得出 的轴截面方程计算螺杆直径、中心距、螺杆头数、导程之间的几何约束关系。董 平、许占森网分析了螺杆的相对运动，也是首先求出螺杆的轴截面方程，然后利 用所得出的轴截面的方程计算螺杆挤出产量等参数。James L.White和Helmut Potente3阐述了螺杆轴向的切割深度与螺杆自身 旋转角度的关系；C.劳温代尔阐述了自洁同向双螺杆挤出机螺杆端面的几何 形状和螺槽深度尺寸以及深度与螺杆自身旋转角度的关系；MLBooy博士3根 据螺杆相对运动原理第一次提出了双螺杆啮合几何学，他把两个螺杆简化成两个 相互运动的圆盘，提出了双螺杆端面曲线形成的原理。刘慧10、刘光知1221根据MLBooy博士提出的双螺杆端面曲线形成的原理建 立了端面曲线的模型，首先推导了螺杆端面曲线的方程，然后根据所建立的端面 方程计算螺杆直径、中心距、螺杆头数、导程之间的几何约束关系。王丽、王华倩用梯形螺槽双螺杆代替全啮合同向双螺杆在生产中使用，并 利用UniGraphics软件对梯形螺槽双螺杆进行三维实体造型的研究。朱文华、马登 哲利用MLBooy博士提出的双螺杆端面曲线形成的原理建立了螺杆端面的曲 线方程，并利用UniGraphics软件进行了三维实体造型。全啮合双螺杆端面曲线本应为微分的多段曲线组成的一根各点具有不同曲 率的直线，孙凤萍利用作图法把螺杆端面曲线用圆弧来代替：把端面曲线分成 等份（h根据精度可以变化的），求出槽深，然后根据算出的各点槽深把轴向 槽宽分成对应得等份，算出轴向曲线廓形。上述螺杆设计过程中，有的利用作图法网计算螺杆的轴截面，设计过程复杂 繁琐，不利于设计方法的推广；有的是先建立螺杆轴截面数学模型7町，然后根 据得出的方程进行螺杆的后续设计，在建立螺杆轴截面方程的过程中缺少严密的 数学论证，不能在理论上确定其正确性，只能通过实践来验证；有的先建立螺杆 端面的数学模型固-葭曲，然后进行螺杆的后续设计，但模型建立过程需要完善和 修改，甚至有的模型阳存在不当之处。1.2.2 全啮合同向双螺杆加工的研究现状全啮合同向双螺杆表面是圆柱螺旋面，圆柱螺旋面在机械传动及机构中应用 十分广泛，如各种类型及尺寸的蜗杆、螺杆泵、螺纹以至金属切削的螺旋容屑槽,11第一章绪论螺旋面的形成原理较复杂，加工难度较大，制造精度不易保证，如何精确的加工 各种螺旋面，是机械制造中的经常遇到的一个问题，对于螺旋面加工的方法有很 多UJ5.23.291。生产中具体的有以下几种方法。表14刀具加工方法加工过程刀具加工方法加工精度设备生产类型铳削盘形铳刀成形精、半精加工普通铳床单件、大量生产指形铳刀成形粗、半精加工普通铳床单件、成批生产车削成形车刀成形，粗、半精加工普通车床单件、成批生产磨削盘型砂轮成形精加工磨床单件、成批生产指形砂轮成形精加工磨床单件、成批生产目前国内对螺杆的加工大多采用成形车削法，这是一种行之有效的方法，对 螺杆在我国的推广应用起到了很大的促进作用。国外也大多基于成形车削法的原 理,不同之处是国外的机床制造精度高于国内,且国内较多的在数控机床上实现,螺杆的加工效率及制造精度优于国内。在已有的文献和报道中，对全啮合同向双 螺杆的加工的研究也是计算出成形车刀的廓形曲线曲2月,对全啮合同向双螺杆挤 出机螺杆用盘形刀具加工没见报道。L3本文研究的内容鉴于全啮合同向双螺杆在塑料挤出方面的优良特性和其在设计和加工方面 的研究现状。本文利用微分几何、齿轮啮合原理、机械原理、机械设计、计算机 技术、刀具设计原理对其设计、加工、三维建模等进行了研究。全文安排如下：第一章介绍课题研究的背景和意义以及双螺杆挤出机的组成、双螺杆的分 类与特点；阐述全啮合同向双螺杆挤出机的设计与加工研究现状，给出本文的主 要工作内容。第二章通过对各学者所著文献的研究，在M.L.Booy关于螺杆相对运动原理 的基础上,详细分析螺杆端面曲线形成的过程,得出其端面曲线形成的通用方程;建立单头、双头、三头螺杆的端面方程数学模型，得出有关面积、体积、挤出产 量的数学表达式，并利用Visual Basic软件编制相应的软件；分析上面三种螺杆的 优缺点，实现全啮合同向双螺杆的正确设计。第三章在双头全啮合同向双螺杆研究的基础上，利用齿轮啮合原理的知识,利用盘形成形刀具对螺杆加工进行研究，得出盘形刀具的轴向廓形。第四章利用三维建模软件对全啮合同向双螺杆和盘形刀具进行三维造型；12第一章绪论第五章研究变导程全啮合同向双螺杆的加工，对同一把刀具是否可以连续 加工一根螺杆工件使其成为整体式螺杆进行分析。第六章总结与展望，总结全文，并对后续工作提出了建议和展望。13第二章全啮合同向双螺杆的齿形设计第二章全啮合同向双螺杆的齿形设计全啮合同向双螺杆挤出机螺杆又称为自扫型双螺杆，这种挤出机具有自清洁 功能，即两根螺杆能相互自动地清洁对方螺杆的表面，使粘附在螺杆表面的物料 及时地清除。这种挤出机的自清洁特性能通过端面的特殊几何形状来决定，而端 面的几何形状是螺旋面加工刀具设计的依据。本章利用全啮合原理详尽阐述端面 曲线形成的过程，就有关全啮合原理的公式推导过程补充，建立螺杆端面啮合曲 线的数学模型，为下一章根据此模型推导啮合曲面即全啮合同向双螺杆挤出机螺 杆螺旋面的数学模型奠定基础。2.1全啮合原理(1)1978年，美国杜邦公司的M.L.Booy博士叫451根据相对运动原理第一 次提出了双螺杆啮合几何学。他将每跟螺杆看成由无数个无限薄的单元盘相对其 邻盘略微转动而形成的，并把其中参与啮合的一对圆盘作为研究对象。图2-1全啮合同向双螺杆运动原理a图图2-1中，G为两螺杆的中心距，R、分别为螺杆的内外径，选择坐标系。；k匕0和。1；乂片，0，。；工匕0与螺杆1相固连，圆。代表螺杆1端面上的 圆盘，其圆心为。；M；乂片,0与螺杆2相固连，圆G代表螺杆2端面上的圆盘,其圆心为0。对于两跟全啮合螺杆，存在如下关系：CL=R+a=R+r(2-1)在某一瞬时，两螺杆在Z点啮合，在此考察双螺杆的即时啮合点：当=0时，o；x,y,0上的4点与卬乂泮上的4点在图中2点重合；当才=4时,4点在o;X,y,0上走至4,4点在血;%,几0上走至14第二章全啮合同向双螺杆的齿形设计t=w0Az;=g)M(2-2)式(21)和式(2-2)中：为、例为螺杆1、2的转动角速度；7、/为螺杆1、2经过时间4后转过的圆心角；R、舄为螺杆1、2的顶圆半径；,、o为螺杆1、2的根圆半径，即基圆；g为两螺杆的中心距(即胸)其中式(2-1)是两螺杆正确啮合的条件。(2)根据圆盘的相对运动，若以图2-1左侧的圆盘。为参考系，观察右侧 的圆盘G相对于圆盘c的运动。即：建立一动坐标系随圆盘。以角速度。顺时 针旋转，在动坐标系中圆盘c相对静止，圆盘G的圆心。1以角速度0逆时针绕。旋转，而圆盘G本身顺时针旋转的角速度为例，故在此动坐标系中看圆盘G的 角速度(或者说圆盘G相对于圆盘c的运动速度)为例-又因为q=。，故动坐标系中圆盘G的角速度为例-0=0；这种运动的特点是：假定圆盘。静 止不动，圆盘G相对于圆盘c做平动(圆盘G没有角速度，只能绕。点平移，也就是说圆盘G在绕。点运动的过程中，圆盘G上的任意两点的连线的方向保 持不变)，圆盘G上任意一点对圆盘。的相对运动轨迹为一个圆，且半径为两盘 的中心距图2-2全啮合同向双螺杆运动原理b图如图2-2,右侧的圆盘G上存在四点4、8、巴、2，根据上面的分析，它们相对于左侧圆盘c的运动轨迹为一个圆，且半径为圆心分别为斤、P；、P；、P；。假设在盘2圆周上圆弧片鸟是螺纹顶，则该弧上的中间点名和心将描 绘出从盘1上切去半月状表面积的弧线族四。切去面积的形状与回转轴相适应。15第二章全啮合同向双螺杆的齿形设计2.2端面啮合曲线的形成(1)如图23,设8为螺杆2螺棱上的任意一点，为论述方便我们取动坐标系下 的图：图23全啮合同向双螺杆端面曲线形成过程a图设8为螺杆2螺棱上的任意一点，则3在0；乜,小0中的坐标为:X R、cos 工Y=R sinE(2-3)式(2-3)中：2为。田与X轴的夹角。由以上分析可以知道，假设螺杆1不动，要使螺杆1、2正确啮合，即满足(2-4)式(2-1),则坐标系应相对于坐标系o；