資源目錄里展示的全都有，所見即所得。下載后全都有,請放心下載。原稿可自行編輯修改=【QQ：401339828 或11970985 有疑問可加】 摘 要 本設計的目的為設計一款單螺桿的塑料擠出機，塑料擠出機也屬于塑料機械的種類之一。單螺桿有效長度一般分為三段，按螺桿直徑大小、螺深、螺距確定三段有效長度，一般按各占三分之一劃分。料口最后一道螺紋開始叫輸送段,物料在此處要求不能塑化，且在此處要預熱、受壓擠實，此處物料實際是固體塞，可以理解為此處物料受擠壓后像是子一樣是一固體，因此它的功能就是完成輸送任務了。第二段叫壓縮段，此時螺槽體積由大逐漸變小，并且溫度要達到物料塑化程度，此處產生壓縮由輸送段三，在這里壓縮到一，這叫螺桿的壓縮比－－3﹕1，有的機器也有變化，完成塑化的物料進入到第三段。第三段是計量段，此處物料保持塑化溫度，像計量泵那樣準確、定量輸送熔體物料，以供給機頭，此時溫度不能低于塑化溫度，一般略高點。以擠出機機頭料流方向以及螺桿中心線的夾角為根據(jù)，可以將擠出機機頭分成直角機頭和斜角機頭等。一是用螺栓使機頭的外殼固定于機身之上，模芯座在機頭里面的模中，然后用螺帽將其固定于機頭的進線端口，模芯座的內部還裝有模芯，而且都有孔位于模芯和模芯座的中心，其作用為通過芯線。依據(jù)加壓方式種類的不同可將擠出工藝可以分成連續(xù)擠出和間歇擠出兩大類。以上為該設計的設計理論構想。 在本設計中通過前期準備查閱資料，根據(jù)設計任務書要求，并且因加工材料的特殊性，初步該設計確定為單螺桿排氣式擠出機，并開始準備工作，資料收集整理完成后，設計可行性得到驗證，于是開始相關的機件設計工作。設計工作開始后，通過對比新型擠出機，單螺桿擠出機和多螺桿擠出機的技術參數(shù)，發(fā)現(xiàn)單螺桿排氣擠出機，更適用于塑料的加工，隨后根據(jù)設計指標確定了螺桿的技術參數(shù)。進而根據(jù)螺桿的參數(shù)推算出機筒等相關配件的設計方案，初步完成整體設計方向。整體設計方向完成后，根據(jù)產品的技術指標，根據(jù)已選定的螺桿對螺槽深度、壓縮比、螺紋斷面等一系列配件進行設計和論證，并對螺桿設計的長徑比、加料段、塑化段等設計進行驗證。以上工作完成后，開始第一階段的設計校核工作，經校核發(fā)現(xiàn)整體設計工作合理無誤，并開始著手準備第二階段的設計工作并進行校核與驗算，經校核發(fā)現(xiàn)設計符合技術指標并符合設計指導書要求，設計完成。 總的來說本課題在完成設計說明書要求的前提下，完成了如下內容： （1） 對各種不同類型的擠出機總體結構進了深入的探究 （2） 根據(jù)設計說明書的主要技術參數(shù)設計完成了擠出機的整體結構設計。 （3） 運用AutoCAD繪制裝配圖1張，零件圖2張。 （4） 本設計運用AutoCAD進行整體結構的設計，可以縮短產品的開發(fā)周期，提高產品質量降低成本。 關鍵詞：塑料機械；塑化； 成型加工； 壓縮； Abstract The purpose of this design is to design a single-screw plastic extruder, plastic extrusion machines also belong to one type of plastic machinery. Single screw effective length is generally divided into three sections, according to the screw diameter, screw depth, the effective length of the pitch to determine the three sections, each one-third by the general division. After discharge port last thread started calling transportation section, the material here can not claim plastics, and here is preheated, the real squeeze pressure, the material here is actually a solid plug, can be understood as the material is squeezed here like a child, like a solid, so its function is to complete the transportation task. The second stage compression section called, this time by a large spiral groove volume becomes smaller, and the temperature to achieve the degree of plastics materials, produced here by the transportation section of a three compression, where the compression to a, called the screw compression ratio - 3: 1, some machines have changed, complete the plastics material into the third. Third is the metering section, where plastics material to maintain the temperature, as accurate as metering pumps, quantitative material conveying melt to supply the nose, then the temperature not lower than the plasticizing temperature, generally slightly higher point. Extruder head at an angle and material flow direction according to the center line of the screw can be divided into a crosshead extruder head and angled nose and so on. First, make head bolts that hold the cover on top of the fuselage, the mandrel holder in the head inside the mold, followed by nuts fixed to the head of the line ports, internal mandrel seat is also equipped with core, and have holes in the center of the mold core and core holder, through its role as the core. Based on the way the different types of pressure can be extrusion process can be divided into continuous extrusion and intermittent extrusion two categories. Above for the design theory conceived design. In this design, prepared by the early access to information, according to the design task book requirements, and because of the special nature of the work material, designed to determine the initial single-screw vented extruder, and started preparatory work, the data collected after the completion of the design feasibility has been verified, mechanical design work began dependent. After the design work began by comparing the technical parameters of the new extruder, a single screw extruder and a multi-screw extruder, single-screw vented extruder was found more suitable for plastics processing, the screw is then determined in accordance with design specifications technical parameters. And then extrapolated based on the parameters of screw barrel and other related accessories design, initially completed the overall design direction. After the completion of the overall design direction, depending on product specifications, according to the selected screw depth of the grooves, the compression ratio, the threaded section and a series of accessories for the design and feasibility studies, and the aspect ratio of screw design, feed zone, plastic of the segment, such as design verification. After completion of the above, check the beginning of the first phase of the design work, after checking found that the overall design is correct and reasonable, and began preparing for the second phase of the design work and checking and checking, after checking found that the design meets the technical indicators guide book and meet the design requirements, the design is complete. Overall this topic at the completion of the design specification requirements of the premise, completed the following: (1) for various types of extruders overall structure into the depth inquiry (2) Based on the technical parameters of the design specification of the design is completed the overall design of the extruder. (3) the use of AutoCAD assembly drawing 1, Fig. 2 parts. (4) The use of AutoCAD design of the overall structure of the design, it can shorten product development cycles, improve product quality and reduce costs. Key words：Plastic Machinery; Plasticizing; Molding Processing; The Compression 目 錄 第一章緒論 1 1.1 單螺桿擠出機 1 1.1.1 基本操作 1 1.1.2 排氣擠出機 2 1.1.3 橡膠擠出機 3 1.2多螺桿擠出機 3 1.2.1 雙螺桿擠出機 3 1.2.2 多螺桿擠出機 4 1.3 擠出機市場現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 5 第二章擠出機總體方案的確定 7 2.1 擠出機總體布局的基本要求 7 2.2 螺桿類型的確定 7 2.2.1 螺桿的工作性能指標評定 8 2.2.2 螺桿的選用原則 8 2.2.3 螺桿的分類 9 2.2.4 螺桿方案的確定 9 2.3 機筒類型的確定 9 2.3.1 機筒的結構類型 9 2.3.2 機筒方案的確定 12 2.4 本設計整體方案得確定 12 第三章擠出機的整體設計 14 3.1 PE鋁塑板的基本特性 14 3.2 產品的設計要求 14 3.3 螺桿設計 14 3.3.1 螺槽深度和壓縮比的確定 15 3.3.2 螺距和螺紋升角的確定 21 3.3.3 三段式螺桿長度的確定 21 3.3.4 螺紋斷面設計 26 3.3.5 螺桿設計的校核 29 3.3.6 第二階螺桿各參數(shù)的確定 34 結論 37 致謝 39 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第一章緒論 第一章緒論 1.1單螺桿擠出機 螺桿擠出機分為多螺桿擠出機和單螺桿擠出機。單螺桿擠出機為聚合物工業(yè)中最重要的一種擠出機。主要優(yōu)點為設計簡單、堅固而可靠、成本較低、以及性價比高。塑化擠出機的螺桿一般具有3個不同的幾何段，見下圖1-1： 圖1-1常規(guī)擠出機螺桿幾何形狀 這種幾何形狀被稱作“單級”。“單級”是指該類型螺桿盡管有3個不同的幾何段，但實際上只有一壓縮段，最靠近進料口的第一段螺槽—般較深。物料在此段中大都以固體狀態(tài)存在，因此這一段被稱為螺桿的進料段。最靠近模頭的最末段螺槽一般較淺。物料在此段中大多以熔融狀態(tài)存在。此單桿段被稱為擠出段或計量段。第二段連接著進料段和計量段。此段稱為壓縮段或過渡段。 1.1.1基本操作 單螺桿擠出機的操作及其簡便，從加料斗添加物料。通常物料因重力由加料斗向擠出機機筒運動。在干燥狀態(tài)下部分物料流動性差，為防止部分物料在進料斗中產生掛料必須采用特殊措施。若物料進入機簡，即處于機筒和螺桿之間的環(huán)狀空隙內，并進而被螺棱主動螺腹及被動蝶腹螺槽包圍，機簡靜止同時蟬桿旋轉。由此，摩擦力作用于物料以及機筒和螺桿表面。至少低于熔點處于固體狀態(tài)，這些摩擦力用于向前輸送物料。 物料向前輸送時，即因摩擦生熱和機筒加熱器散熱而被加熱。當溫度超過物料熔點，將在機筒的內表面形成熔膜，塑化段開始。必須指出的是，塑化段起點通常不是壓縮段起始點。由聚合物性能、擠出機的幾何形狀和操作條件決定各功能段的分界線。因此，分界線會隨著操作條件變化而變化。然而，螺桿的幾何段由設計定型，不會因操作條件變化而改變。當物料向前運動時，在熔融變化作用下各個位置的固態(tài)物料量而減少。當全部固態(tài)聚合物熔融時將達到塑化段的末端，熔體輸送段開始。在固體輸送段中，會把熔體均勻輸送給模頭。 當聚合物進入模頭后，即呈現(xiàn)出模頭流道的形狀，當高聚物離開模頭時，其形狀和模頭流道最后斷面形狀相對符合。因模頭會產生流動阻力，須有壓力迫使物料通過模頭。該壓力通常被稱為模頭壓力。模頭壓力由模頭形狀(特別是流道)、通過模頭的流率、高聚物熔體溫度、以及高聚物熔體的流變特性所決定。模頭壓力不因擠出機產生而由模頭產生。擠出機只產生一定的壓力，來使物料通過模頭。如果模頭、模頭溫度、擠出量、聚臺物均相同，則不論擠出機哪個類別擠出機等都不會造成差異，機頭力相同。 1.1.2排氣擠出機 在設計與功能方面排氣擠出機同非排氣擠出機差別巨大。排氣擠出機機筒上有一個或一個以上排氣口，揮發(fā)物經此逸出。排氣擠出機能不間斷從聚合物內連續(xù)排放揮發(fā)物。排氣增添了非排氣擠出機沒有的功能。除去排出揮發(fā)物，還能利用排氣口向聚合物混合某些組分，例如填充劑、反應組分和添加劑等等。該功能提升了排氣擠出機的功能性，而且還據(jù)有額外優(yōu)點，即只要封閉排氣口并在可能情況下改變螺桿的幾何形狀，排氣擠出機便可用作常規(guī)非排氣擠出機。 圖1-2排氣擠出機基本結構 螺桿設計的關鍵在于對排氣擠出機的正確運用。排氣口溢料是排氣擠出機的主要技術瓶頸之一。該條件下，排氣口釋放揮發(fā)物的同時，聚合物也會產生部分外流。所以擠出機螺桿得設計必須保證排氣口(排氣段)下面聚合物為負壓，由此必須研發(fā)二級擠出螺桿，最重要的是排氣擠出機設計的二級擠出螺桿。二級擠出螺桿因兩個壓縮段是被釋壓/排氣段分隔，類似于沿一根軸串聯(lián)相接的兩個單級擠出螺桿。 1.1.3橡膠擠出機 用于加工彈性體的擠出機的歷史長于任何其它類型。橡膠加工擠出機在19世紀后期問世。早期一些擠出機制造商們包括美國John Royle和英國Frsncis Shaw，德國主要的橡膠擠出機制造商之一是Paul TrosteL。最早的橡膠擠出機制造目的為熱喂料擠出。這些擠出機負責輥煉機及其它混煉裝置熱料喂料工作。1950年前后冷喂料擠出被開發(fā)出來。冷喂料擠出公認具有如下優(yōu)點： ——設備投資資本小： ——料溫控制性好； ——節(jié)約勞動成本； ——適用于更廣泛品種配混膠料。 1.2多螺桿擠出機 1.2.1雙螺桿擠出機 雙螺桿擠出機分為錐形雙螺桿擠出機及平行雙螺桿擠出機兩類。平行雙螺桿擠出機有異向和同向的區(qū)別。近年來，伴隨著國內工業(yè)、電子等領域的高速發(fā)展，材料改性與配混技術的需求增大。同向雙螺桿配混擠出機的市場需求量最大，曾經成為雙螺桿的代名詞。但由最初高技術含量設備轉變?yōu)槠毡樯a設備。 按一般定義來說雙螺桿擠出機有兩根阿基米德螺桿。定義更加明確后其將歸類到雙螺桿擠出機這一特定分類中。因操作原理、設備設計以及實用領域方面存在巨大差異，使雙螺桿擠出機分類龐雜，故很難全面評價雙螺桿擠出機。因結構原因雙螺桿擠出機結構復雜性遠高于單螺桿擠出機。因為設計變量參數(shù)，例如旋轉角度、嚙合度等等在雙螺桿結構設計中大量增加。雙螺桿擠出機分類見表表1-2。幾何構型是雙螺桿擠出機分類的主要依據(jù)。部分雙螺桿擠出機與單螺桿擠出機功能上異常類似。此外的雙螺桿擠出機得操作模式與單螺桿擠出機完全不同。 1.2.2多螺桿擠出機 配備兩根以上螺桿的擠出機普遍存在，最為人所知的一例是行星輥式擠出機。見圖1-3. 圖1-3行星輥式擠出機 該擠出機表面上類似與單螺桿擠出機，但進料段同標準單螺桿擠出機一致。但擠出機混合段存在差異。在擠出機行星輥段內，均勻分布著不少于六個行星螺桿環(huán)繞在主螺桿四周旋轉。行星螺桿段內，主螺桿又稱作太陽螺桿，太陽螺桿同行星螺桿與機筒嚙合。所以，該行星螺桿必須同行星機筒段上的螺棱對應螺槽。并且行星機筒段一般用法是與進料料筒段相連接著的分離料筒段。 在擠出機的源頭部分，在行星螺桿前端，物料和普通單螺桿擠出機中做運動向前。塑化過程在物料到達行星段時充分進行，在行星螺桿、機筒和太陽螺桿之間的輥壓作用產生的物料產生強烈的混合。相對機筒長度而言，螺旋形設計的太陽螺桿、機筒和行星螺桿的表面積大。進而產生有效的排氣、熱交換與溫度控制。故能加工熱敏性配混料并使降解最小。也如以上原因，行星式齒輪擠出機通常用作增塑和硬質PVC配料的配混和擠出。行星輥段也被用作普通擠出機的一般附加裝置來改善混合性能。四螺桿擠出機則是另一種多螺桿擠出機形式，如圖1-4。 圖1-4四螺桿擠出機 排除溶劑是這種擠出機的主要用途，可使溶劑從40%低至0.3%。附加在機筒上的圓拱形排氣室則為急驟排氣發(fā)生場所，其后四根螺桿排出因急驟排氣產生的多泡物料。普遍情況下，都裝備著后續(xù)排氣段用來進一步降的低溶劑含量。 1.3 擠出機市場現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 在擠出機應用方向不斷拓展以及技術越加完善的前提下，與擠出機市場的上升勢頭相悖的是國產擠出機的價格低迷。由于國內部分廠家惡意競價導致產品粗制濫造的行為，已經嚴重影響到我國企業(yè)的國際聲譽和品牌形象，還嚴重影響了我國擠出機產業(yè)發(fā)展。 學者研究認為，今后擠出機產業(yè)的發(fā)展會朝向低價格、高技術含量的趨勢發(fā)展。就目前研究成果看，單螺桿擠出機和錐形雙螺桿擠出機將是國產主機的發(fā)展趨勢，技術愈加成熟，銷量最大化，供大于求已是這類產品的通用規(guī)格所面臨的現(xiàn)狀。發(fā)展平行異向雙螺桿擠出機是國內主機市場今后的重點方向，如此才能適應大擠出量前提下的成型需要。第六代、第七代高速、大長徑比則為平行同向雙螺桿擠出機發(fā)展趨勢。超微型、大長徑比、超大型、優(yōu)良排氣性、高產出等為單螺桿擠出機的發(fā)展趨勢。適應特殊加工需要的螺桿機筒結構，必將成為大家爭相研發(fā)的重點。事實上，單螺桿擠出機是一種低能耗、低成本的技術模式，只要是合理的結構設計，包括雙螺桿擠出機的效率達到應有效能。據(jù)報道美國先以用單螺桿擠出機為主。 34 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第二章擠出機總體方案的確定 第二章擠出機總體方案的確定 2.1 擠出機總體布局的基本要求 （一）螺桿擠出機必須先滿足用戶。例如處理操作的材料，生產流程，操作范圍，經濟效益。 （二）在經濟性高并合理的條件，使用盡可能短的傳動鏈，精簡有關機構、改善傳輸精度傳輸效率。 （三）確保擠出機正確處理震動的強度、熱變形、噪聲水平等技術問題。 （四）擠出機必須滿足于其布局參數(shù)標準系列。同時盡可能保證擠出機構成系列化產品。 （五）對于高生產率和高自動化程度的擠出機，應盡可能提高其自動化水平。 （六）必須易于觀察操作處理；易于維護調整機床，容易運輸裝運和拆分；提高防護性，保障安全生產。 2.2 螺桿類型的確定 擠壓系統(tǒng)的主要零件為螺桿。它各部分的形狀變化，直接影響螺桿的作業(yè)效果。對塑料產品產量、質量存在非常嚴重的影響。以擠出機機頭料流方向以及螺桿中心線的夾角為根據(jù)，可以將擠出機機頭分成直角機頭和斜角機頭等。一是用螺栓使機頭的外殼固定于機身之上，模芯座在機頭里面的模中，然后用螺帽將其固定于機頭的進線端口，模芯座的內部還裝有模芯，而且都有孔位于模芯和模芯座的中心，其作用為通過芯線。依據(jù)加壓方式種類的不同可將擠出工藝可以分成連續(xù)擠出和間歇擠出兩大類。前者所用的設備為螺桿式擠出機，后者的設備為柱塞式擠出機。因此通常不常選用本法生產，該罰僅適用于黏度非常大的塑料或者是流動性極差，例如硝酸纖維素塑料一類塑料制品的成型加工。因而根據(jù)設計說明書的設計指標和所生產產品的塑料聚乙烯材料特性，確定為單螺桿排氣式擠出機。 2.2.1 螺桿的工作性能指標評定 （1）塑化質量 據(jù)擠出機的專業(yè)規(guī)定標準，擠塑生產的塑料產品應必須符合質量標準。螺桿為擠出生產影響產品質量的關鍵要素，材料的混合質量，塑化均勻與否，材料徑向溫度差是否足夠低，且壓力必須是平衡的，少量消耗能源，提高生產率，這些都受到螺桿作業(yè)質量的影響。 （2）比流量 該比值越高，該螺桿的塑化能力也隨著增大，比流量單位是（kg/h）/（r/min） （3）比功率 該比值越小，生產同樣數(shù)量的塑料制品，消耗能量越少，比功率單位（kw/ /h） （4）通用性 指螺桿能否適用于不同的塑料擠塑工藝，機頭能在不同塑料產品阻力下工作。 （5）經濟性 制造機械成型加工比較容易，易于維護，工作壽命比較長。 2.2.2 螺桿的選用原則 （1）根據(jù)塑料產品種類選擇 塑料產品的種類很多，有非結晶型及結晶型，擠塑生產兩種制品時，對本身得粘度、穩(wěn)定性和流動性能及溫度條件要求都不相同。因此不同的螺桿類型適用于不同產品。 （2）螺桿結構尺寸受機頭模具的阻力的影響 擠出機螺桿螺紋均化段的螺槽深淺度當和機頭阻力大小要相互匹配選取，機頭阻力則螺紋槽要淺些；阻力小時則螺槽就應深些。相對排氣式擠出機來說，要求在第二階段，其均化段螺槽深于第一階螺桿均化段螺紋槽要，否則易出現(xiàn)排氣口處易溢料現(xiàn)象。 （3）按擠出機用途來選擇 不同種類不同用途擠出機，以工作性質和擠出制品種來作為選配螺桿的依據(jù)。對于特定擠出塑料制品的擠出機，可按該塑料制品的要求，訂購專門螺桿擠出機。若擠出機要擠塑不同的制品，則應選擇的螺桿要具有較大通用性。 2.2.3 螺桿的分類 依據(jù)螺桿的結構與其螺桿螺紋部分的幾何特性，分為普通螺桿、排氣螺桿和新型螺桿。 (1)普通螺桿 普通螺桿擠出機是目前使用最為廣泛的擠出機類型，能擠塑粉料與粒料。該螺桿螺紋可分為加料段、塑化段及均化段。普通螺桿與新型螺桿相比存在許多不足，有逐步被新型螺桿代替的趨勢。 (2) 排氣螺桿 在擠塑生產的過程中，為排除物料中的、水蒸氣揮發(fā)物氣體和空氣，而專門進行設計的螺桿。 (3)新型螺桿 該螺桿與普通螺桿比較，在螺桿不同點位設計了非螺紋元件，用于改進塑料的熔融塑化質量、混合以及縮短擠塑生產時長。 2.2.4 螺桿方案的確定 鑒于本設計要求為設計加工一種PE鋁塑板擠出機。PE是乙烯的一種高聚合物，為使在擠出PE過程中排除揮發(fā)物、水蒸氣和空氣，故而選用排氣螺桿。并根據(jù)設計產量得要求確定為70/25螺桿。 2.3 機筒類型的確定 機筒與螺桿相互配合工作，共同構成擠出機擠壓系統(tǒng)。擠塑物料中機筒的作用和螺桿工作的重要性相當。螺桿與機筒是擠塑系統(tǒng)零件主要組成部分，更是擠出機關鍵零件。機筒結構形式選擇和制造的精度等級等因素，將會直接影響塑料產能和質量。 2.3.1 機筒的結構類型 機筒結構形式設計的選擇，應在確保機筒工作強度的基礎上，優(yōu)先考慮機筒有利于原料的塑化，結構形式應方便機械加工；且能得到出眾的精度；其二是要盡量減少使用較貴重合金鋼。以上幾點對擠出機的制造工藝和制造費用，都有巨大的影響。 （1）整體式機筒 使用整體式機筒的情況較多，相對而言整體式機筒有利于保障機械加工精度，設備運轉中各部加熱較均勻，也有利于機筒的加熱系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的設置。通常小直徑擠出機機筒都包括溝槽加料段部分。大直徑擠出機的機筒則無加料段。整體式機筒的示意圖見圖2-1. 圖2-1 整體式機筒 （2）分段式機筒 因機筒過長，長徑比值比較大的擠出機及排氣式擠出機，為方便機械加工及節(jié)省合金鋼材，普遍運用分段式機筒。該類別機筒在機加工時較有難度。難點為二段機筒內圓直徑同心度精度和尺寸一致性的保證難以達到指標。因中間使用法蘭盤連接，因而對機筒加熱均勻性上，致使連接部分受到影響。也給加熱系統(tǒng)和系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)的設置造成較大難度。分段式擠出機的機筒示意圖見2-2. 圖2-2 分段式機筒示意圖 分段式機筒連接形式有兩種分別為：法蘭與機筒焊接連接，螺紋連接和卡套式連接。 焊接式連接相對簡便，缺點合金鋼材性能差，易出現(xiàn)焊接應力，使機筒出現(xiàn)形變。 螺紋連接的機筒螺紋機制造難度大。進行機筒熱處理過程中，要特殊保護螺紋部分，防止螺紋損壞。圖2-3是幾種常見機筒連接的結構形式。 圖2-3 分段式機筒的連接結構 （a）法蘭連接。（b）有襯套法蘭連接。（c）鉸鏈式夾頭連接。 （3）卡套式連接相對容易，在機筒連接處加工出溝槽，將兩個半圓環(huán)裝入槽內，在半環(huán)上連接法蘭套，最后用螺栓緊固法蘭套。為防止法蘭套轉動，將固定鍵裝在法蘭和機筒間，如圖2-4.這種連接方式加工簡單，裝卸方便，應用十分廣泛。 圖2-4 機筒用卡套式法蘭連接示意圖 （3）襯套式機筒 大直徑擠出機上應用最廣泛的是襯套式機筒，來節(jié)省較貴重的合金鋼材。用普通碳素鋼或鑄鋼制造機筒，滲碳合金剛則制造機筒的內襯套。該結構形式見圖2-5。當襯套磨損時，將襯套更換即可。但因襯套薄而長導致熱處理和機械加工難度較大，因此使用較少。 圖2-5 襯套式機筒示意圖 （4）雙金屬層機筒 用離心澆鑄法在機筒體碳素鋼或鑄鋼的內壁上鑄一層耐磨合金，通過機械加工內孔尺寸。該機筒既節(jié)省了合金鋼的同時抗腐蝕性和耐磨性得到保障。 2.3.2 機筒方案的確定 擠出機得擠壓系統(tǒng)由螺桿和機筒相互配合進行工作，協(xié)助進行擠壓塑化工藝，生產出擠塑產品。在擠塑工藝結束后，同螺桿和機筒承受的很大壓力力、物料得腐蝕以及扭矩和摩擦壓。因而確定滲碳合金鋼38。結合設計得所需和螺桿的形式，選擇雙段焊接式的機筒。 2.4 本設計整體方案得確定 在市場化競爭條件下，擠出機產品因市場的開放性和全球性競爭也越發(fā)激烈，產品的質量、技術水平、開發(fā)時間、創(chuàng)新能力、成本和服務這一系列附加條件都將成為擠出機產品的競爭指標。老舊的設計思路、生產技術和經營模式都是企業(yè)亟待解決的問題，盡可能最大限度運用先進的手段設計，優(yōu)化產品總體性能，節(jié)約資本的同時縮短生產周期，并且根據(jù)市場和用戶需求及時調整車略，抓住有利時機快速進入市場。所以每個現(xiàn)代企業(yè)都需要運用綜合手段提升產品的科技水準，提升產品質量及生產模式，高產能的同時節(jié)約成本。 擠出機的總體結構的設計圖2-6所示： 圖2-6 擠出機得總體結構 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第三章擠出機的整體設計 第三章擠出機的整體設計 不同生產線對擠出機要求具有差異性，擠出機的設計性能需要根據(jù)不同塑料做合理的規(guī)劃。根據(jù)本次擠出機的設計需求，要對擠出機的生產塑化制品有一定的了解。 3.1 PE鋁塑板的基本特性 鋁塑板是由高純度鋁合金板、無毒低密度聚乙烯（PE）芯板、保護膜等多層材料復合而成。鋁塑板正面涂覆氟碳樹脂（PVDF）涂層時可用于室外，當其正面可采用非氟碳樹脂涂層時可用于室內。 P板聚乙烯鋁塑板即E鋁塑，PE,的全拼為Polyethylene，是高分子有機化合物中最結構簡單的,是由聚乙烯合成的當今應用最廣泛的高分子材料,按照密度的分類為低密度聚乙烯、中密度聚乙烯和高密度聚乙烯。因低密度聚乙烯較軟而多用高壓聚合;高密度聚乙烯具機械強度大、剛性強和硬度大而多用低壓聚合。 3.2 產品的設計要求 設計制品有的效寬度1220～1750;厚度為1.0～5mm;其中鋁箔厚度為0.03～0.5mm;產量為500～550kg/h;中心高為1000mm。 3.3 螺桿設計 擠出機最重要部件為螺桿，產品質量與產量直接受其性能影響。螺桿上發(fā)生的擠出過程為整個理論的基礎依據(jù)。故而擠出機螺桿的設計其理論最重要實用化方向。 不分段的設計的最早設計方式，伴隨產業(yè)進步，把螺桿計量段、壓實段和分為加料段是比較合理的的事實被實踐及理論二者證明。螺桿直徑確定： 70mm，螺桿長徑比25。螺桿有效長度L和螺桿的直徑D之比便為螺桿的長徑比L/D，若為新型螺桿，螺桿有效長度中須包含混煉段長度。故而長徑比為代表擠出機性能的重要指標。歐洲的塑料橡膠機械制造業(yè)委員會建議的長徑比為12、15、(18)、20、(24）、25、28、30、35，應盡可能少用或不用括號中的數(shù)值。對于特定的排氣螺桿，40左右或更長的長徑比為最佳。 L=25D=25×150=3750mm 普通螺桿全長應分為三段，分別是加料段L1 、壓縮段L2以及計量段L3,計量段也被稱作均化段。熔融理論中，熔融起點及熔融重點和熔融段長度Lm于螺桿中并非固定不變，各自隨著擠出工藝條件及塑料性能改變而改變。螺槽深度由加料段深H1變化為計量段槽深H3區(qū)間被稱作壓縮段，長度為螺桿設計者人為設計的，當螺桿設計出來時該長度便已經確定。 3.3.1螺槽深度和壓縮比的確定 螺槽深度是極其重要的參數(shù)，能從制品的質量與產量兩個方面加以分析。 （1）計量段槽深的確定： 計量段中的熔料的剪切速率γ可按下式計算： （式3.1） 顯然易見，計量段螺槽深度越小，同一個的螺桿轉速下剪切速率便愈大，故而分子間內摩擦力隨之增大。從式（3.1）中可以看出，熔料發(fā)生內摩擦產生的熱量正與剪切應力和剪切速率成正比關系。因剪切應力產生的熱量與螺槽深度H的平方成反比。 Q∝ （式3.2） 式中Q——熔料因剪切產生的熱量； τ——剪切應力； γ——剪切速率； ——熔料的表現(xiàn)粘度。 由已知可得，當螺槽深度較淺，則物料層內部會產生比較多的熱。除此之外，因螺桿上物料層較薄，故而由外界加熱器傳進來的熱量也易將塑料加熱。以上因素都證明了當計量段槽深較小時，對促進塑料的塑化質量有較大好處。由混合效果得出，當計量段槽深H較小，而混煉程度較高，制品會比較均勻。在本章后面我們將深入證明：當計量段槽深較淺，而壓力波動與溫度波動都比較小會對制品的綜合質量起優(yōu)化作用。但我們應知道，如聚乙烯等能承受高剪切速率的的塑料，才可選用較小槽深，因為這類塑料的成型溫度范圍相對寬（如聚乙烯成型溫度范圍是150～220℃,其范圍達70℃），熱穩(wěn)定性優(yōu)良。當剪切或其他一些因素造成的局部過熱時，不易造成嚴重后果。相反如硬聚氯乙烯等熱敏性塑料無法承受高剪切速率的塑料，因其粘度較高，若是螺槽深度較淺，將引起過多的因高剪切產生的熱量。加之此類塑料的成型溫度范圍比較窄，粘流溫度T和分解溫度T比較接近（如硬聚氯乙烯加工溫度范圍為150℃～190℃，其范圍僅40℃），熱穩(wěn)定性差，強烈的內摩擦過程放熱會使它們因過熱分解甚至燒焦。故而加工這類塑料的螺桿計量段螺槽深度H不能選擇過小。表中的數(shù)值并非無法突破，尤其是短時間承受高剪切時，例如在某些類型新型螺桿的屏障棱上，文章在后面還要進一步分析此類問題。 表3-1 各塑料的最大切速率 塑 料 最大剪切速率γ/S LDPE（相對分子質量較高） 56 LDPE（相對分子質量較低） 104 HPVC 26 SPVC 60 PS 108～92 根據(jù)表格取γ=71 由 公式 （式3.3） 得 以上計算從擠出質量的方向剖析了計量段螺槽深度H的影響，除此之外我們還可以從產量的角度對計量段螺槽深度H的影響加以分析。從熔體輸送理論生產率公式得：正流Q正比于螺槽深度H，而壓力流Q正比于H的立方。由此可得：當機頭壓力較低，若增加計量段螺槽深度可增加產量；當機頭壓力持續(xù)增大到超過臨界壓力時，加深H不再使生產率增加，而且甚至還產生負作用（圖3-1）。 圖3-1計量段槽深對產量Q得影響 1—螺槽深度H較淺；2—螺槽深度H較深 也可由融體輸送理論對螺槽深度的最佳值加以估算， (式3.4) 將上式對求導并令導數(shù)等于零，經一系列推導，可求得的最佳值： （式3.5） 在式中 —形狀系數(shù) 當口模系數(shù)未知時H的值無法加以確定。有以上分析可得，H的決定受到方方面面因素影響，難以用單一簡單理論公式加以計算。設計時，也可根據(jù)經驗公式（3.5）來決定螺槽深度H =kD （式3.6） 據(jù)統(tǒng)計螺槽深系數(shù)k值，發(fā)現(xiàn)一般規(guī)律如圖3—2。由圖可得，計量段螺槽深系數(shù)k普遍位于0.02～0.07范圍中。若是螺桿直徑較大，則k值應選擇較小，若是螺桿直徑較小，則k值應選擇較大；熱穩(wěn)定性較好的塑料k普遍較小，熱穩(wěn)定性較差的塑料k值普遍較大；且當螺桿長徑比較大時，k值可選擇較大。原因為長徑比較大的螺桿計量段L可以設計的較長，此時因螺槽深度H加大而造成壓力流Q的增加以及混煉段M的下降可以通過計量段的增加彌補。并且在設計新型螺桿時，因附加混煉元件保證了塑料的熔融與均化，故而新型螺桿的計量段槽深系數(shù)k也可以取得最大值。從圖3—2還可得出如下結論：根據(jù)塑料熱穩(wěn)定性的不同，系數(shù)k分為三個區(qū)域。上層適用與PVC等熱穩(wěn)定性較差的塑料，此時k值較大。下層適用熱穩(wěn)定性較好的塑料，此時k值較小。 圖3-2螺槽系數(shù)K的確定 根據(jù)經驗公式加以校核，當=3.3mm時k的取值為4.5在k=0.04～0.05范圍內。 （2）加料段槽深和壓縮比的確定 加料段的最大作用為建立必要的壓力以及保證穩(wěn)定的固體輸送環(huán)境。但目前為止加料段的槽深H的影響尚不明朗。按Darnell-Mol理論中固體輸送生產率公式加料段H增加后固體輸送生產率將提升。因加料段中的塑料并非如D塞流理論所假設的整塊進行移動，而是在斷面上保持一定速度分布。加料段螺槽較深時，導致壓力將難以傳至螺槽底部，導致靠近螺槽底部的塑料運動較低，如此便降低了固體輸送生產率。因而存在必然存在某個最佳加料段槽深。而顆粒內摩擦因數(shù)相對高的塑料，要比顆粒內摩擦因數(shù)相對低的塑料更接近整塊移動的狀態(tài)。 事實上加料段槽深是根據(jù)螺桿壓縮比以及計量段槽深來加以確定的。所謂壓縮比指的是螺槽加料段的第一個螺槽容積與計量段最后一個螺槽的容積之比，即所謂幾何壓縮比，而非螺槽深度比。該數(shù)值不同于物理壓縮比。后者所指的為塑料加料時的松密度及受熱熔融之后的密度比。如，聚乙烯在松散時密度為0.55～0.64g/cm，而熔融后的密度為0.76 g/cm.故而其物理壓縮比為1.38～1.18。 幾何壓縮比顯然應大于物理壓縮比。因其除了應考慮密度的變化外，也應考慮塑料在加料段的裝填程度、擠壓過程中塑料的回流、壓力下熔融料的壓縮性等諸多因素，更應考慮制品性能所不可或缺壓縮密實的必要性。故而對加工同一種類塑料的螺桿，不同設計者對其幾何壓縮比都有不同選擇，而加工生產不同塑料的螺桿時，其壓縮比變化應更大（大多數(shù)在2～5之間，個別情況大至8，小至1）。根據(jù)螺桿國內外的資料統(tǒng)計如 表3—2常用螺桿的幾何壓縮比 塑料 ε 塑料 ε 塑料HPVC（粉料） 2.5（2～3） ABS 1.8（1.6～2.5） SPVC（粒料） 3～4（2～5） POM 4（2.8～4） SPVC（粒料） PE 3.2～3.5（3～4） 3～5 PPO PC 2（2～3.5） 2.8～3 PP 3～4 PSF 3.7～4 PS 3.7～4（2.5～4） PSF 3.3～3.6 CA 2～2.5（2～4） PA6 PMMA 1.7～2 PA66 3.5 PET 3 PA1010 3.7 注：括號中為選用范圍，括號外為選用范圍。 幾何壓縮比一般用下式計算： （式3.7） 式中，H和H分別為螺桿加料段第一個螺槽深以及計量段最后一個螺槽深。運用此公式的條件為外徑D、螺距S、螺紋法向棱寬e和螺紋升角φ在螺桿全長上皆保持不變，螺紋頭數(shù)為1. 當壓縮比ε和計量段槽深H決定后，加料段槽深H便可從下式算出： =0.5[D-] （式3.8） 為計算方便，可用簡化的公式3-8來計算壓縮比。乘以系數(shù)0.93后，該式誤差僅0.1左右。 （式3.9） 根據(jù)上表（3-2）取壓縮比為3.3，得： （式3.9） 3.3.2 螺距和螺紋升角的確定 對單頭螺紋，螺距S、螺紋升角φ和螺紋直徑D之間有如下關系： S=∏Dtanφ （式3.10） 顯而易見當螺桿直徑已知以時，螺距和螺紋升角其一另確定一個也隨之確定。 從固體輸送生產率公式與熔體輸送理論生產率公式皆可看出：生產率和螺紋升角有直接關聯(lián)。根據(jù)固體輸送理論進行計算，對大多數(shù)塑料而言，當摩擦因數(shù)f=f0.25～0.5,螺紋升角等于17～20時，固體輸送生產率將能達到最大值。該實驗也證明，對圓柱形的塑料，最佳螺紋升角約在17。但熔體輸送理論的角度來講，將有關流率公式經由數(shù)學推倒簡化，并對φ角進行求導，并令導數(shù)等于零，可求得最佳螺紋升角應為30。這也闡釋了為什么所有的螺紋升角都在17～30范圍內。迄今為止為了設計加工的方便，設計時大都選區(qū)螺桿直徑等于螺距，這時螺紋升角就等于1742。 3.3.3三段式螺桿長度的確定 無定型材料并沒有明顯熔點，當塑料溫度上升時，無定型材料會逐漸軟化。經過一定時間后，即在螺桿上經過一段長度后，塑料才將全部熔融。在這一過程中，塑料體積也逐漸減小。為適應該漸變過程，加工這類塑料的螺桿盡可能早的開始壓縮，它的螺紋深度也應逐漸改變，因此其壓縮段L2也設計的也比較長。 與之相反，結晶型塑料由固態(tài)到熔融態(tài)的轉化溫度范圍相對較窄，當塑料溫度未達到熔點Tm時，其體積變化很少，而溫度一旦達到熔時點，它將迅速熔融，其體積也突然縮小。為了適應其這一特點，加工結晶型塑化螺桿的壓縮段普遍較晚出現(xiàn)，且其長度也相對較短。因此，老式加工結晶型塑料的螺桿，其壓縮段僅（0.5～1）D。故而結晶型材料在冷卻過程中都無法完全結晶，存在著一定的結晶度。根據(jù)冷卻速度等工藝條件的差別，它們總是一定程度的存在著無定行部分，這一部分的熔融規(guī)律和無定形材料是相同的，需要一定的時間逐漸軟化到熔融，故而壓縮段L2也需要一定的長度。除此之外，即使對已結晶的那一部分塑料來說，正像如同前面我們經分析得到的結論，螺桿的熔融段和壓縮段的位置并不相同，在設計者在設計時壓縮段位置固定不變，而熔融段位置卻隨操作條件和塑料性能的不同而不同。因此如果壓縮段L2很短，應用中將很難保證這部分結晶型塑料正好在壓縮段上開始熔融且完成完全熔融過程。且從熔融理論上我們知道，熔融過程是X/W從1到0的過程，該過程必須在一定長度內才能完成，無法在很短的（0.5～1）D長度上實現(xiàn)。從上述幾點出發(fā)，近年來，為加工結晶型材料所設計的螺桿，其壓縮段都有加長的趨勢，一般在大約（2～5）D之間，甚至于更長。在文獻中還指出：在實驗的條件下，聚丙烯從開始熔融到完全熔融大約需要5D長度，而熱導率較大的聚丙烯和聚苯乙烯便不需要這樣長。 在需要準確計算壓縮段長度時，可以按照熔融理論中介紹的方法，首先設定螺桿有關參數(shù)，然后根據(jù)工藝操作條件和塑料性能來計算固相分布函數(shù)X/W=f(z)。如果正好在壓縮段上完成了X/W從1到0的過程，那么便可以認為原來設計的參數(shù)是合理的。如果相差太多，那便應重新設計螺桿參數(shù)，再行計算。當然，此時不僅設計了壓縮段長度L2，而且也一起設計了其他螺桿參數(shù)。 加料段的作用是產生足夠的穩(wěn)定的壓力，保證穩(wěn)定的固體輸送并且將分界面上的塑料預熱到熔融所需要的溫度。因此，加料段L1也應該有足夠的長度。 不同的塑料，預熱到熔融溫度所需要的熱量是不同的。顯然，塑料的比熱容Cs愈大，熔融點Tm愈高，預熱到熔融溫度所需要的熱量也愈多。對結晶型材料來講，還需加上熔融潛熱λ（無定形塑料沒有這一項）。此外，由于塑料是不良的導熱體，因此其熱導率Ks也是一個分鐘要的參數(shù)。熱導率愈低，熱量從固體塞的表面?zhèn)魍渲行木捅容^慢，這從固體輸送理論的非等溫模型可以看得很清楚。 從上面的分析，我們可以得出結論：為了保證在加料段結束時分界面上的塑料基本預熱到熔融溫度，為了保證在壓縮段塑料能基本熔融完畢，加工那些比熱容大，熔點高，熱導率低，熔融潛熱大的塑料，螺桿加熱段L1應該長一些。 固然可以用固體輸送理論非等溫模型的有關公式來計算加料長度L1。但由于計算過程比較復雜，所以至今為止，在決定加料段L1的長度時，還必須參考實驗得到的數(shù)據(jù)和經驗公式。 圖3-3熔融起始點A和壓力P以及物料得關系 以螺桿直徑為計算單位的幾種塑料的熔融起始點的實驗數(shù)據(jù)。從圖3-3可以看出，在同等壓力的情況下，聚丙烯由于其熔點高（ 170°）、熱導率低（），因此，其開始熔融點A要比高密度聚乙烯（熔點，熱導率）和聚苯乙烯要晚得多。實驗也測出，在加料中，聚丙烯要經過8個螺桿的長度才開始熔融（當壓力等于4MP時），而高密度聚乙烯和聚苯乙烯則只要4.5個螺距的長度和2.5個螺距的長度便已開始熔融。 從圖3-3還可以看出：如果能在加料段中及早形成較高的壓力，熔融起點可提前，這也是在機筒加料段上開縱向溝槽的優(yōu)點之一。 在理想的情況下，壓縮段與熔融段重疊，塑料移動到壓縮段末端時應該全部熔融。但是，無論在組分上、或者在溫度分布上、或者在相對分子質量分布上，剛熔化的物料都是很不均勻的，如果此時姜物料從機頭擠出，制品的質量將極為惡劣。計量段的第一個作用就是要消除這些不均勻的現(xiàn)象，這正是為什么計量段又稱為均化段的原因。Martin〔2〕將塑料堪稱牛頓型流體，根據(jù)混煉理論，表征計量段螺槽中混煉程度的關系式可以導出： （式3.11） 式中，和為計量段長度和深度，a為截流比，a=QpQd。顯然，M值愈大，均化作用也愈佳。從式（3-10）中可以看出：加長L3對均化作用是有利的。 從熔體輸送理論的生產率公式可以得出如下結論：若計量段愈長，則相應的壓力流Qp和漏流QL都將愈小，相反擠出機的實際生產率便俞發(fā)高。這就是說，螺桿特性也比較硬，產量受壓力的影響較小。計量段長度L3和產量的關系如圖3-4所示。 圖3-4計量段長L度對擠出量的影響 又上可知：在可能的條件下，計量段長度愈長，對提高螺桿的產量和改善混合均勻度都是有利的。這就是計量段長度為什么愈來愈長的原因。目前，有些螺桿的計量段長度甚至達到了螺桿全長的50﹪.但是，過長的計量有可能導致已熔融物料溫度不斷升高，這對那些易于分解的熱敏性塑料，如PVC等未必有利。 可以用熔體輸送理論生產率公式中的壓力流Qp來初步估算計量段長度L3 （式3.12） （式3.13） 如果令Qp≤0.05Q，即因機頭壓力而引起的產量損失小于總產量的5%，φ角一般為17.6°。