UHMWPE板材成型

1、北京化工大学毕业设计目 录前言（1）第1章 绪论（2）第1.1节 课题的提出（2）第1.2节 UHMWPE材料性能（2）第1.3节 UHMWPE加工方法和研究现状（3）第1.4节 课题意义及研究内容（5）第2章 工艺设计（7）第2.1节 生产线总体工艺设计（7）第2.2节 锥形双螺杆机挤出工艺（8）第2.3节 其他参数的确定（8）第3章 结构设计（10）第3.1节 辊的布置与设计（10）第3.2节 箱体的结构设计（15）第3.3节 其他设备的设计与选型（16）第3.4节 生产线总体视图（19）第4章 辊组工作状态下受力分析（20）第4.1节 模拟方案及建模（20）第4.2节 三组辊组的结果分析

2、（23）第3.4节 辊组分析结论（28）结论（29）参考文献（31）致谢（33）前 言超高分子量聚乙烯材料是一种新型的工程材料，其优异的抗冲击性，耐磨性，化学稳定性等使其具有广泛的应用前景，但是其加工性能较差，在熔融状态下几乎没有流动性，很难成型。目前为止管材的挤出成型技术相对成熟，可以挤出质量较好的管材，而板材很难挤出，通常方法还是压制烧结，因此生产过程缺乏连续性，为了解决板材成型的连续性，开展了本课题，旨在设计出一种用管材成型板材的方法。本论文分为4章，第1章绪论：对材料的性能、研究意义及背景进行概述；第2章工艺设计：设计了工艺路线，确定了相关参数；第3章结构设计：对结构进行了合理化布置和

3、设计并对一些辅机进行了选型；第4章辊组的受力分析：对辊组进行了有限元模拟分析。第1章 绪论第1.1节 课题的提出超高分子量聚乙烯是一种性能优异的工程塑料，其良好的抗冲击性，耐磨性和生物相容性等，其应用潜力非常巨大，目前已经在军工，医疗，机械等较前沿行业领域有所应用，但是其加工的难度较大，目前技术上难以实现连续化大生产，尤其是板材的连续化生产很难实现。因此提高UHMWPE板材的生产效率是目前研究的重要课题之一。 目前是研究方向以对其流动性的改性为主，而本课题重点在对其加工设备的结构上的设计，通过一种理论上可行的管材直剖平展方法，达到成型板材的目的，希望通过结构和工艺上的匹配实现板材的连续性生产。

4、第1.2节 UHMWPE材料性能超高分子量聚乙烯 （UHMWPE，高强高模聚乙烯纤维） 是继碳纤维、 芳纶纤维之后出现的第三代高性能纤维，是新型热塑性工程塑料，其分子结构单元和普通聚乙烯相同，是一种线性聚合物，相对分子质量达 150 万至1 000万，密度 0. 920. 96g/,是目前世界上比强度和比模量最高的纤维1,2。UHMWPE常用指标见表1·13。表1·1 UHMWPE常用指标项 目数 值相对分子质量（万）>150结晶度（%）6585密度（g/）0.920.96洛氏硬度（HRM）4060熔点（）135137热变形温度（）>85脆化温度（）<-1

5、37拉伸强度（MPa）3050冲击强度（KJ/）不断断裂伸长率（%）300500吸水率（%）<0.01耐环境应力开裂/h>4000其他物理性质：熔融状态时呈现橡胶状高粘弹性体，临界剪切速率低，熔体易破裂，摩擦系数小，成型温度比较窄，易氧化降解。采用超高分子量聚乙烯材料的优势：比强度比模量最高，非常优异的耐磨，耐冲击，耐腐蚀，自润滑性能，板材的主要应用场合，如医疗器材，运动器材，军工防弹材料，输送行业，零件称层等4。然而制造加工方面存在许多问题，熔体粘度高，摩擦系数小，临界剪切速率低，易降解5，因此其实际应用能力远达不到理论潜力6。2010年国外UHMW-PE产能约14.09万吨，2

6、010年国外UHMW-PE表观消费量约 12.0万吨，主要用于生产防弹衣和武器装备等军工产品。预 计 2010-2015年国外UHMW-PE产能和需求量的年均增长速率分别约为 5.0%和 5.9%，2015年国外UHMW-PE产能和需求量分别约为18万吨和16万吨。2010年我国UHMW-PE产能约6.48万吨，2010年，我国UHMW-PE产 量 约3.0万吨，表观消费量约2.5万吨，主要用于制造防刺服、防弹衣、防弹头盔、绳缆、远洋渔网、劳动防护等。我国UHMW-PE有效产能将进一步提高，预计2015年我国UHMW PE产能约 7.7万吨，2010-2015年期间年均产能增长速率约3.5%。

7、据预计，2010-2015年是我国UHMW-PE产业的高速发展期，产品质量和产品结构将进一步优化，我国UHMW-PE需求量的年均增长速率约为14.9%，2015年我国UHMW-PE需求量将达约5.0万吨。第1.3节 UMHWPE加工方法及研究现状1.3.1压制成型制板压制成型工艺是UHMWPE最原始的加工方法。此法生产效率颇低,易发生氧化和降解。辊压成型工艺指在UHMWPE熔点一下对其施加很大的压力使粒子形变并从模口挤出物料，一般与挤出机联用。辊压成型法的专利相对较多，如美国约瑟夫等人通过抑制模具退出时下方的结晶温度，优化背压装置，从而补偿了加工特性的变化，实现UHMWPE板材成型的改善7。W

8、erner和Pfleiderer公司开发了一种超高速熔结加工法,采用叶片式混合机,叶片旋转的最大速度可达150m/s,使物料仅在几秒内就可升至加工温度8。2012年北京化工大学首次引入称为松散烧结的方法制备超高分子量聚乙烯（UHMWPE）微孔材料9。韩国一个专利介绍了一种用于生产UHMWPE板材的装置，此装置特点是能实现自动化生产，缩短周期 10。压制的方法制造UHMWPE板材可行性较好，加工设备简单，成本低，但也存在劳动强度大，板材质量不稳定，生产效率低等特点。仍然是目前生产板材最广泛的方法。1.3.2 挤出成型板材挤出工艺一般需要改性改变其流动特性，如用低分子量共混改性11，无机填料改性，

9、聚合填充改性12，交联改性13等。但是改性后产品分子量降低，机械性能也降低。四川大学的孙阳,袁辉对双螺杆挤出UHMWPE板材进行了研究。研究得出采用双螺杆机是最佳的连续高效挤出改性UHMWPE的设备，气辅挤出能使粘滑转变提前发生，共混体系挤出的板材有一定优势。该研究仍有许多不完善的地方，比如形成气膜的方式存在缺陷，气膜不稳定，没有对粘滑转变点定量分析等14,15。双螺杆板机头挤出板材的工艺由于UHMWPE流动性差，几乎不可能实现，所以一定要进行改性，改性后的UHMWPE分子量降低，机械性能下降，但是连续性好。UHMWPE的诸多优良特性皆取决于它极高的分子量特性，在加工过程中保住了超高制品的分子

10、量，就等于保住了超高的一切优良特性。因此对于纯净的UHMWPE板材挤出成型工艺还有许多问题值得研究。1.3.3注塑成型 UHMWPE 注塑成型技术最早由日本三井石油化学公司在 1974 年开始研究，并于 1976 年实现商业化。北京化工大学塑料机械及塑料工程研究所继 1997 年 UHMWPE 单螺杆挤出管材技术开发成功之后，2000 年又针对 UHMWPE 物料特性而专门研制出 UZ300 型 UHMWPE 注射机，在该注射机上实现了改性 UHMWPE 在低温、低压和低注射速度条件下的注射成型，制品形状、尺寸稳定，达到了工业化水平16。1.3.4 与本课题相似的片材生产装置刘阜东设计的UHM

11、WPE单丝及其热拉伸加工方法提供了一种板材加工的可能，方案如下，单螺杆挤出管材，挤出后由切刀纵向剖开管材，展开成板材，加热压延得到膜片17,18。压延之前的工序可以借鉴，之后可以进行板材的压平等工序。1.3.5直缝焊管与钢带加工 天津理工大学的研究指出了目前板材加工成钢管的方法，单半径辊式成型，双半径辊式成型，W双半径孔型等，主要的步骤都是用辊子一级一级的弯曲变形，使板材最终弯成管19。而江苏常州的朱建平则刚好相反，将常规的金属钢带做钢管的方法改为由管做带，通过将管材剖开后逐渐展开压延平整而得到金属钢带20。 钢管钢带的制造与应用对高分子材料的加工有指导的意义，将管材剖开展平压延，将是本课题的

12、主要过程与设计重点。1.3.6 其他特殊加工工艺冻胶纺丝成型 冻胶纺丝是一种新颖的纺丝技术，它要求聚合物的平均分子量高，且分子量分布合理，而UHMWPE满足这些要求。1979年，荷兰DSM公司首先申请了UHMWPE冻胶纺丝的专利并实现工业化生产。射频加工成型 加拿大Gauvin介绍了用射频加工UHMWPE的新方法：将UHMWPE粉末和介电损耗高的粉末添加剂（如炭黑）混合均匀后，用射频辐照，产生的热可使UHMWPE粉末表面软化，使其易于在适当的压力下固结。采用这种方法可以在几分钟内模压出大型部件。气辅挤出技术 在传统的UHMWPE挤出成型中，熔体和挤出口模壁面之间大多是非滑移黏着口模挤出方式。R

13、.F.Liang等首次研究了气体辅助挤出方法（Gas-assisted Extrusion）。研究发现：当以较低的速率将气体注入到模具与熔融物料的界面时，可以在界面处形成一稳定的气体层，进而能够提供壁面全滑移边界条件21。激光烧结法 Goodridge(英国的拉夫堡大学)等研究了激光烧结法加工UHMWPE制品的可行性，证实了利用这种方法能够生产具有多层复合结构的制品 22。第1.4节 课题意义及研究内容超高分子量聚乙烯材料的耐冲击性，耐磨性，化学稳定性非常优异，因此具有很大的应用前景。目前已经在军工，生物领域得到普遍认可。但因其一直存在加工方法上的问题，即不能像其他塑料大批量连续生产，尤其是分

14、子量较大的纯净的超高分子量聚乙烯板材，很难通过挤出实现连续生产，目前的方法是烧结压制,压制法周期长，效率偏低，成品致密程度与整体品质不如挤出的产品。目前超高分子量聚乙烯管材的挤出成型已经趋于成熟，许多方法可以挤出分子量较高的UHMWPE管材，如近熔点挤出法等，美国泰科纳公司最高可以生产1050万分子量的管材，我国生产厂家的技术也普遍可以达到400万以上，而且制品质量可靠，已经应用到工程中。本课题针对目前超高分子量聚乙烯管材和板材成型方法的差异，结合现有的一些专利，即已有管材剖开成型片材的经验，自主设计了一种管材直剖平展成板材的成型方法，方案中的成品规格为外径为400，壁厚为8mm的管材。设计思

15、路大致如下：挤出机成型管材，剖开管材，热处理去应力，后处理。本课题是一次探索性设计，主要借鉴了管材剪切成型片材的工艺，和钢板轧制，直缝焊管，压光机等工艺及结构，进行了二维和三维图的设计，并对辊筒等主要部件进行了部分分析与对比，并确定相对合理的结构。该方案设计速度即挤出速度，因此相对于压制烧结解决了板材成型的连续性，能进一步的提高生产效率，缩短板材成型周期。第2章 工艺设计第2.1节 生产线总体工艺设计本课题设计的板参数为宽度为1200mm，厚度为8mm。拟用外径400mm，壁厚8mm的管材为原料加工。拟定工艺如下：锥形双螺杆挤出机挤出外径400mm，壁厚8mm的管材，挤出速度为1mm/s，出机

16、头后冷却至80下，进入热风箱，电锯切开管材底部，之后进过1m长的支撑架，缓慢撑开，并逐渐升温，软化。后进过第一组辊组，辊组为凹凸辊组，第一组向上翘曲，目的是进一步展平管材，并进行厚度方向的矫正；第二组为直辊组，目的是进一步展平，基本上把厚度方向矫正在5%的偏差范围内；第三组凹凸辊组，向下翘曲，本辊组主要目的是防止板材成型后应力回弹变形，在超过熔点的温度下，给板反向的作用，使其进一步去应力；第四组为直辊，目的为将板材定型为平板，并再次对厚度进行矫正。出辊组后再保温10分钟出热风箱。板材进过热风箱用时80分钟左右。出风箱后，由托架运送在空气中冷却至室温，然后对板边缘进行剪切，目的是对板宽度进行修正

17、，然后按规格进行剪板、堆料。如图2·1流程图。图2·1 流程图第2.2节 锥形双螺杆机挤出工艺由于UHMWPE与金属的摩擦系数很小,物料易在机筒内打滑,在固体输送区物料难以压实,若挤出速率较高则易因熔体流动性较差而在熔融区形成料塞。双螺杆挤出具有强制输送物料的特性,可有效地遏制物料在输送中的打滑现象。由于UHMWPE的熔体粘度极高,若以异向旋转的双螺杆来挤出,熔体输到机头时要将一个个C形熔体块融合,需要较长的距离,故对于UHMWPE这样高粘度的聚合物的共混体更宜采用混合作用较强的同向旋转的双螺杆挤出机来成型。生产流程如下：挤出温度的设定见表2·1。 表2·

18、;1 挤出温度设定 可知,在较高转速下成型制品时,机筒和机头温度可略设置高些。但温度升高对挤出物表面质量的影响远不及螺杆转速的影响23。第2.3节 其他参数的确定加工参数的确定：由目前对UHMWPE受热变形的研究24可以得到以下结论：当加热温度高于138时，UHMWPE内应力开始急剧释放，即UHMWPE进入熔融状态，UHMWPE收缩开始变慢，将两数算数平均值定义为UHMWPE的熔点，即141。而多数的实验表明高于熔点5至30是UHMWPE热变形加工的合适温度。本课题热风箱设计工作温度为160，此温度小于降解温度20025，在理论得出的合适温度范围内。 通常加工板材常用的烧结法工艺中加热温度达到

19、150以上，加工压力为10MPa以上，设计工作压力为20MPa。因为实际中不可能是线压力，而且UHMWPE的特性决定了它达到熔点后不具有流动性，否则就不必要施加很大的力去加工，因此假设两者的接触宽度达到1mm。辊筒的基本参数确定：辊筒工作温度为热风箱温度，热风箱温度的确定参考烧结压制板材的温度160左右。热风箱内部由于一直送热风，热风机直接抽取空气为工作气体，空气中有水分，在受热的情况下，箱体内部易发生腐蚀，因此选择用不锈钢材料，设计采用S30408。第3章 结构设计第3.1节 辊的布置与设计3.1.1、布辊方案与结构 在最初的方案中图3·1，对管材的展开曾采用多组支架，而考虑到UH

20、MWPE的加工性能，虽然160超过了材料的熔点，但是材料的性质决定了它的内应力不能全部释放，内应力没有完全释放就会产生不贴合支架的变形，而不贴合支架的变形必然受力不均匀，这将导致最终产品不能完全展平，甚至是出现板材断裂的现象。因此考虑用辊压的方法对管材施加变形力，这样受力较均匀。图3·1 最初支架方案辊组设置较多板材成型厚度就越精确，质量相应就越好，但成本相应就会提高；而设置较少会出现板材未压平，厚度不均匀等缺陷。初步设计为4组异形辊。异形辊为压辊，目的是对展开的板材施加作用力，使其受力变形到需要的状态，板材经过支架初步展开后进入辊组，第一组辊设计为向上翘曲的，即上辊为凹形辊，下辊为

21、凸形辊如图3· 2第一组辊。第一组辊子上辊和下辊的中高都是200mm，两辊跨度都是1320mm，辊壁厚都是20mm，上辊端部外径320mm，下辊端部外径80mm。设置第一组辊子的目的是进一步使管材展开，并对板材的厚度定型。图3·2 第一辊组模型图 第二组辊组的设计展开弧度应更小，设计为直辊，两辊外径都为200mm，辊子跨度1320mm，壁厚20mm，下辊的轴线高度和第一组辊子相同，第三组、第四组的下辊轴线高度与第一组都相同，这样设计的目的在于板材在展开和压制定型的过程中，更加平稳。辊组设计如图3·3，第二组辊设计目的是初次实现展平，在展平的同时也能使板材厚度更加均

22、匀。第三辊组的设计弧度与第一辊组反向，即上辊为凸形辊，下辊为凹形辊。两辊中高200mm，壁厚20mm，上辊端部外径80mm，下辊端部外径320mm，和前两辊组一样，上辊为施力辊，轴承座可移动，下辊为固定辊，主动转动。此结构的设置会使管材展平后向原曲率的反向弯曲变形，因为超高分子量聚乙烯材料的性质，在加热过熔点20时内应力没有释放完全，反向弯曲使板材释放一部分内应力，展平后回弹缩小，有利于板材保持平展。第三辊组如图3·4。第四辊组设计与第二辊组相同，设计为直辊，目的为第二次展平板材，使辊压出的板材基本平展，并能再次修正板材厚度方向的偏差，保证出箱的板材的厚度均匀和平展。设计如图3

23、83;5。图3·3 第二辊组模型图图3·4 第三辊组模型图图3·5 第四辊组模型图上述四组辊子的上辊都是施力辊，油缸提供加载。四组辊在热风箱内的排布图如3·6图3·7。图3·6 箱体内部四辊排布图3·7 箱体内部四辊排布3.1.2、辊筒的加工方法辊的设计应尽量减小重量，参考轧辊的结构设计26，设计为中空筒状，辊筒的制造方法采用离心浇注的方法27-29，异形辊的制造只要改变铸型的形状浇注。图3·8 直辊卧式浇注方案图异形辊的制造参考直辊浇注的方案见图3·8，若直接改变铸型铸造出的异形辊厚度不均匀，铸件厚度不

24、均匀冷却收缩会出现缺陷。因此要对铸造工艺进行改进，初步方案是在筒壁内加筒芯，铸造后拔模取出即可。对于凸形辊的铸造不能一次成型，需要二次成型。第3.2节 箱体的结构设计图3·9 最初热风箱箱体设计箱体主体结构的初步设计定为长方体如图3·9，因为箱体有加热机构，即热风机送风，而采用长方体箱体内部空间过大，有一些空间设置的没有必要，空间的浪费还会导致预热时间增加，效率变低。因此对箱体的主题结构采取优化，缩小了一部分箱体内空间，最后的箱体结构如图3·10。图3·10 最终的箱体结构箱体总体尺寸如下，总长度约5m，后部分宽度约2m，后部分箱体高度约1m。箱体的上部

25、有两个可以打开的盖，盖板用螺栓固定，采用密封条密封，密封条选用高温硅橡胶条，规格直径16mm，此密封可以耐受260的高温，能够满足工作要求。可开盖的结构方便安装调试。箱体采用不锈钢材料，选用高合金钢板S30408。箱体内设有滑轨，辊支座安装在滑轨上，箱体的前部中部后部都设有温度传感器，传感器用来测量预热温度，当三部分温差小于一定值时，就可以开始进料展开管材。箱体的底部有支撑架，防止箱体跨距太大而失稳。底部结构如图3·11。图3·11 箱体底部结构。第3.3节 其他设备的设计与选型3.3.1、双螺杆机的选型鉴于超高分子量聚乙烯剪切速率低，物料易分解，选择锥形双螺杆机，锥形双螺

26、杆机具有具有剪切速率小，物料不易分解，塑化混炼均匀，质量稳定，产量高，适用范围广，使用寿命长等特点。双螺杆机的选型参考表3·1双螺杆挤出机螺杆直径与管材规格的关系，本设计管材成型尺寸外径400mm，因此选用直径80的锥形双螺杆机。市场上常见的锥形双螺杆机型号SJZS80/156，电动机功率50kW以上。表3·1 双螺杆挤出机螺杆直径与管材规格螺杆直径（小头）/mm45556580管材直径/mm12-11020-25032-30060-4003.3.2、塑料剪板机选用气动剪板机，由于UHMWPE抗拉强度在30MPa-50MPa之间，故应选用，最大可加工尺寸高于1200mm，可

27、选择1600mm，剪切速率根据所需板材长度和牵引速度而定。一般主电机功率在7.5kW以上，剪切斜角1.3°以内。3.3.3、牵引机图3·12 牵引机在板材输送的过程中，因为板材是由管材挤出成型，整个生产线速度由挤出速度决定，履带式的牵引机不适合板材的牵引，结合工厂实践经验，用橡胶辊进行牵引效果很好，如图3·12牵引机。配以伺服电机，调速使橡胶辊线速度至与挤出管材的线速度一致。3.3.4、油缸的选型辊子受力分析中可以得到，辊子施加的压力为30000N，3种形式的辊子中，最重的自重与轴和轴承座等总重小于5000N。每一个上辊即施加压力的辊配以2个油缸，每个油缸至少要能

28、提供2500N的拉力，和18000N的推力。油缸的工作环境为160，普通油缸高于80就可能失效，而采用耐高温密封材料的油缸普遍可以达到180环境中正常工作。因此要采用耐高温材料的油缸。 油缸型号参数为内径为80mm，活塞杆直径45mm，面积比为1.4，使用工作压力15MPa。推力75.4kN，拉力51.54kN。3.3.5、极位制动结构 在移动轴承座上和辊组支撑座上有四组平面极位块，由于油缸工作有缓冲区，不能精确停留，因此用极位结构限制上辊的位移，极位块设置的接触位置恰好为上下辊中高8mm位置。一方面能够大大消除油缸定位不准确的情况，即可以使加工的板厚更加准确，另一方面也能避免油缸位移过大引起

29、板材的报废。上辊轴承座极位块下平面为工作面，位于支架的极位块上平面为工作面，加极位块工形状位置精度尽可能高。极位块设计如图3·13。图3·13 极位块第3.4节 生产线总体视图冷却托辊架裁边机辊压展平双螺杆挤出机管材剖开开剪板机热风送风口底部滑轨图3·14 生产线模型第4章 辊组工作状态下受力分析第4.1节 模拟方案及建模有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因

30、为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元求解法的基本步骤是相同的，只是具体公式推导和运算求解不同。有限元分析可分成三个阶段，前置处理、计算求解和后置处理。前置处理是建立有限元模型，完成单元网格划分；后置处理则是采集处理分析结果，了解计算结果。本设计辊筒材料选用ZG270-500（），热处理工艺采用调质处理，调质后铸钢塑性性能明显提高。辊筒分为三种，凹形，凸形，直辊，为了保证平展后的板材高度和平展前管材的上切线高度一致，并且异型辊组使用的机架一致，设计

31、三种辊子中高都是200。凹形辊受力分析：20MPa施加在1mm 宽的辊面上凹形辊受力图如图4·1。图4·1 凹形辊受力图辊子两端受力大小：20MPa×0.001m×1.35m=2F计算后向上取整F=14kN以第凹形辊为例ANSYS分析：1.选取单元类型：凹形辊材料采用铸钢，铸钢有各向同性，塑性较低，变形量较大，辊子建模采用3D块，选用solid185单元，该单元用于构造三维固体结构，通过8个节点来定义，每个节点有3个沿着xyz方向平移的自由度单元具有超弹性、应力钢化、大变形和大应变能力。设置各向同性和线弹性。2.建模和网格划分：辊子模型参数如下：两端面长

32、度1320mm，端面直径320mm，辊子中高200mm，筒壁厚20mm，两端部板厚60mm，端面孔直径80mm，还要在辊面上建立一个转角为0.58°的面。由于倒角和圆角对辊子内部应力分布的影响很小，为了简化网格划分建模时都可以忽略不计。图4·2 网格划分（1）网格划分如下：将辊面弧线划分为25段，筒壁分为4段，端面0.58°圆弧划分为2段因为尺寸比较小所以划分的分数也少，端面除0.58°的圆弧其余圆弧划分为60段，端面厚度方向划分为5段，端面径向方向分为15段。建成的模型共有8556个单元。网格划分后如图4·2网格划分（1）和图4·3

33、网格划分（2）。图4·3 网格划分（2）3.加载、求解：图4·4 施加约束后的辊子本分析旨在求解辊子的受力状态，不考虑振动辊子给板材施加力的瞬间可以视为静载荷，即此刻辊子不转动，将两端面80mm的孔弧面全约束。如图4·4。第4.2节 三组辊组的结果分析凹形辊求解后结果如下图4·5图4·6，主要分析X方向的位移和拉伸应力，图4·5 X方向位移图图4·6 凹形辊应力图X方向位移直接影响加工出的板材厚度方向的偏差，X方向位移图如图4·5。凹形辊应力图如图4·6。图中显示最大位移在压辊面的中心处，最大位移值为-0

34、.384mm，其值小于百分之五板厚，因此也是可以接受的。最大拉伸应力出现在两端约束处，及辊子最外表面力的作用线上，最大值=14.8MPa，14.8MPa<<270MPa，凸形辊子受力分析：受力如图4·7。图4·7 凸形辊受力图 图4.·7 凸辊受力图20MPa×0.001m×1.35m=2F计算后向上取整F=14KN凸形辊两端直径80mm，假设壁厚为20mm，ANSYS建模分析得到结果： 见图4·8凸形辊X方向最大位移图，X方向最大位移在压辊面的中心处，最大位移值为-0.121mm，0.121：8=1.5%<5%，厚

35、度偏差值在可以接受的范围内。在图4·9凸形辊拉伸应力图中可以看出最大拉伸应力出现在两端约束处，及辊子最外表面力的作用线上，最大值=14.8MPa，16.2MPa<<270MPa，应力较小。凹凸辊组综合分析：因为凹凸辊工作状态下组合使用，出于设计的简洁性考虑，4组辊组上辊都是受油缸控制位移并提供压力，而下辊都是固定，且为主动辊，而板材的受压变性后的位移既受到上辊作用又受到下辊作用，因此板材的厚度方向偏差将上下辊变形位移相加得到的结果更趋于可靠， 0.384+0.121=0.505mm0.505：8=6.3%<10%因为最大位移为负值，即板材的厚度偏差值为正，表明板材加

36、工后是>8mm，再图4·8 凸形辊X方向最大位移图图4·9 凸形辊拉伸应力图经过直辊，是可以再次矫正的，通过对后续直辊的分析发现矫正后的板厚最大偏差可以控制在<5%以内，因此凹凸辊组位移偏差小于10%是合理的。直辊受力分析：如图4·10。图4·10 直辊受力图20MPa×0.001m×1.35m=2F计算后向上取整F=14KN直辊直径200mm，假设壁厚为20mm，ANSYS建模分析得到结果： 见图4·11直辊X方向最大位移图X方向最大位移在压辊面的中心处，最大位移值为-0.181mm，0.181：8=2.2%&

37、lt;5%，厚度偏差值在可以接受的范围内。在图4·12直辊拉伸应力图中可以看出最大拉伸应力出现在两端约束处，及辊子最外表面力的作用线上，最大值=7.0MPa，7.0MPa<<270MPa，应力较小。直辊组综合分析：直辊组的目的在于展平板材，因此使直辊组的偏差尽量小是保证板材加工成型后厚度复合要求的主要技术手段，加工成型后的板材厚度偏差小于5%是较合理的偏差范围，直辊的受力图可以看出直辊位移为负值，那么加工出的板材偏差为正值，上下两组直辊同时辊压板材，因此两辊的位移偏差相加对于板材厚度的分析更加可靠。0.181+0.181=0.3620.362:8=4.5%<5%直辊

38、组加工出的板材最大厚度偏差出现在板带的中间，厚度偏差为正，小于5%，图4·11 直辊X方向位移图因此板材从直辊出去后，厚度基本符合要求。图4·12 直辊拉伸应力图第4.3节 辊组分析结论通过以上分析可以得到如下结论：1.在展开后的辊压过程中，不论是凹凸辊组还是直辊组，板材的成型形状为两端低，中间高；2.ANSYS分析发现影响辊子失效的形式是刚度失效而不是强度失效，并且拉伸应力很小，因此可以通过对辊筒的热处理如调质，镀铬，保温处理等提高刚度。也可以通过改变材料来提高刚度，即选用弹性模量较高的材料；3.凹凸辊组加工出的板材偏差高于直辊组，因此在结构设计方面，凹凸辊组后接直辊组，

39、可以保证厚度偏差更小；4.辊子端部力在不考虑重力的情况下都是15KN左右，而不同形状的辊筒重力差别不大因此可以使用统一规格的油缸进行调节。结 论本设计通过对直缝焊管工艺和管材直剖生产带材的方法的类比，进一步结合超高分子量聚乙烯受热变形性能，以及烧结压制、挤出等传统工艺，探索并设计了一种新的加工板材的方法。并进行了三维结构和二维图的设计。在本设计中辊组为异形辊，辊面程复杂的曲面，难以进行传统的计算，因此用ANSYS建模并进行了简单的静力分析，对辊的X方向（即径向）位移和拉伸应力进行了模拟分析。 本设计的主要创新点包括：（1）设计了一种以管材为原料加工板材的工艺路线，路线如下，双螺杆挤出机挤出管材

40、，管材进入热风箱底部剖开，通过支撑架撑开，进过4组不同的辊组逐渐去应力展平，出热风箱，裁边，剪板，堆料。（2）设计了4组异形辊组对板材进行去应力压平，第1组辊组向上翘曲，目的为进一步展平，第2组辊组为直辊，目的展平矫正，第3组辊组向下翘曲，目的消除回弹应力，第4组辊组为直辊，目的再次展平。 得到的主要结论包括：（1）在展开后的辊压过程中，不论是凹凸辊组还是直辊组，板材的成型形状为两端低，中间高；（2）ANSYS分析发现影响辊子失效的形式是刚度失效而不是强度失效，并且拉伸应力很小。辊子刚度直接影响板材厚度的均匀性。因此可以通过对辊筒的热处理如调质，镀铬，保温处理等提高刚度。也可以通过改变材料来提

41、高刚度，即选用弹性模量较高的材料；（3）凹凸辊组加工出的板材偏差高于直辊组，因此在结构设计方面，直辊设置在凹凸辊组后，可以保证厚度偏差更小，结构上更加合理。在今后的研究中仍需解决的问题：（1）结构的合理性优化，本设计给出了总体的布局及主要部件的结构，其他结构存在改进的空间，如对管材底部剖开的锯片处缺乏一个除屑机构，如辊组工作状态下施加的压力测量系统等。（2）在凸形辊制造工艺中，为达到离心铸造的壁厚相对均匀，就必须分两半各自浇注，若仿照凹形辊的工艺加装芯筒浇注后将不能取出芯筒，分瓣浇注后需要焊接，而焊接会影响工作面的力学性能。（3）开发一套把CAD和有限元模拟和结果直观表达出来的辊压连续生产的动

42、态软件，提高机组设计的效率和科学性。参考文献1 余黎明.我国超高分子量聚乙烯行业发展现状及前景J.化学工业,2012,30(9): 1-5.2 黄安平,朱博超,贾军纪,李艳芹. 超高分子量聚乙烯的研发及应用J.高分子通报,2012,(4):127-132.3 王小俊.超高分子量聚乙烯的流变行为及其在材料加工中的应用D.广州:华南理工大学,2010.4 Higgins, Joel, Schroeder, David.Using isostatic pressing techniques to mold UHM-WPER. San Francisco, CA, USA,1995.5 许中义.超高分

43、子量聚乙烯成型工艺及在化工领域中的应用J.炼油与化工,2004,15(1):8-15.6 Ma L.Y.,Ko F.,Li P.,Yang H.,Guan J.,Denommee S.,Simard,B.Ultra-strong fibres by super drawing of gel-spun UHMWPE/SWCNTR. Montreal, QC, Canada,2011.7 Joseph V.Gregg(US),Wesley Allen Kohler(US).PRODUCTION OF UHMWPE SHEET MATERIALS:USA,US7758796B2P:2010-07-2

44、0.8 李飞跃. 对超高分子量聚乙烯的研究J.内蒙古石油化工.2012,(5):22-23.9 Zhang Qiang, Jia Mingyin, Xue Ping. Study on molding process of UHMWPE microp-orous filter materialsJ. Journal of Applied Polymer Science,2012,126(4):1406-1415.10 Jun Yong Jin. Manufacturing device for plate UHMWPE molding product: KR, 101001971P:2010-

45、06-11.11X.  Ren,  X.  Q.  Wang, G.  Sui, W.  H.  Zhong, M.  A.  Fuqua,  C.  A.  Ulven.Effects of Carbon Nanobers on CrystallineStructures and Properties of UHMWPEBlend Fabricated Using Twin-Screw ExtrusionJ.Wiley InterScience,2008,107:2837-2845.12 LimingFang.Processing and mechanical properties of HA/UHMWPE nanocompositesJ. B