单螺杆挤出机构设计说明书汇总

1、本科学生毕业设计单螺杆挤出机构设计系部名称：机电工程学院专业班级：机械设计制造及其自动化08-3班学生姓名：指导教师：职称：讲师黑龙江工程学院二。一二年六月黑龙江工程学院本科生毕业设计近年来，随着塑料工业的飞速发展，塑料制品的应用领域不断扩展，塑料加工设备已渗透到国民经济的各个行业，成为我国机械工业的重要组成部分，在国民经济中起着越来越重要的作用。其中塑料成型机械是塑料工业中的一个重要组成部分，是完成塑料制品生产成型的必要手段。而挤出成型又是塑料成型加工的重要成型方法之一。本文主要讲述其基本成型原理、结构组成、主要技术参数、主要零部件及有关的调控系统和辅助装置、设备的安全操作和维护保养以及主要

2、故障的排除等内容，并阐述这些内容之间的相互关系及影响。并且在讲解单杆塑料挤出机的工作原理、基本结构和有关专业知识的基础上，具体深入分析问题，理论与实际相结合，并从机理、结构以及塑料成型工艺、设备的调控、安全及维护保养等方面综合分析问题，找出矛盾的主要方面，选择最优的改进方案，来提高单杆塑料挤出机的综合水平，从而获得更好的经济效益和社会效益。关键词单螺杆；挤出机；塑料成型机械；挤出原理；塑料成型工艺。AbstractInrecentyears,withtherapiddevelopmentintheplasticindustry,plasticproducthasbeencontinuously

3、enlargedinapplicationfieldTheplasticmachinehasbeenusedinmanyfieldsthatisdetachedtothenationaleconomy,hasbecometheimportantpart,andthisroleisgettinggraduallyimportant.whileplastic-moldingmachineryplaysavitalroleinplasticindustry,anditisthenecessarywaytoaccomplishtheplastic-molding,whereastheinjection

4、machineisoneofthemostcrucialmethodstomaketheplastic-molding.Itismainlyinvolvedinthebasicmoldingprinciple,structurecomposition,chieftechparameter,generalpartsandrelevantcoordinationsystem,assistequipment,andhowtooperatesafelyandmaintain,aswellashowtoobviatetheerror,surlytheconnectionandmutualimpactam

5、ongtheseitem.Furthermore,onthebasisofworkingprinciple,structure,andrelevantsubjects,thisthesisgivesadeeperanalysis,boththeoreticallyandpractically,andabenignpromotiontothetraditionaltypes.Itdoesstudyontheproblemofprincipals,structure,plastic-moldingprocessinsynthesis,separatethemaincontradictionando

6、ptimizetheplaninordertobenefitthehighestprofitandsocialinterest.Keywordssingle-screw;extrudingmachine;plastics-shapingmachine;Extrusionprinciple;Plasticinjectionmoldingprocess.II黑龙江工程学院本科生毕业设计目录摘要IAbstractII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21.2 多螺杆挤出机31.2.1 双螺杆挤出机31.2.2 多螺杆挤出机31.3 新

7、型挤出机41.3.1 手提式挤出机41.3.2 磨盘式挤出机51.3.3 往复螺杆挤出机51.4 本文的主要内容6第2章挤出机总体方案的确定72.1 挤出机总体方案布局的基本要求72.2 螺杆类型的确定72.2.1 螺杆的工作性能指标评定72.2.2 螺杆的选用原则82.2.3 螺杆的分类82.2.4 螺杆方案的确82.3 机筒类型的确定82.4 本章小结9第3章挤出机的整体设计103.1 聚苯乙烯的基本特征103.2 螺杆设计103.2.1 螺杆深度和压缩比的确定103.2.2 螺距和螺纹开角的确定153.2.3 螺纹头数163.2.4 三段式螺杆长度的确定163.2.5 螺纹断面设计203

8、.2.6 螺杆设计的校核223.3 螺杆与机筒的间隙263.4 加料装置263.5 加热冷却装置263.6 本章小结27第4章传动机构设计284.1 计算传动装置的运动和动力参数284.1.1 减速器传动比的分配284.1.2 减速器各轴动力参数的计算284.2 齿轮的设计计算284.2.1 高速级齿轮的计算284.2.2 低速级齿轮的计算314.3 轴的设计计算344.3.1 输入轴轴I的设计344.3.2 中间轴轴II的设计和计354.3.3 输出轴轴田的设计364.4 键的选择与校核384.5 滚动轴承的选择和计算404.6 润滑与密封404.7 减速器的设计资料414.8 本章小结41

9、结论42参考文献4344致谢黑龙江工程学院本科生毕业设计第1章绪论1.1 单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1.1: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）槽螺槽一般较深。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

10、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，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

11、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

12、分的断面形状。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

13、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。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/排气段所分隔的两个压缩段。这由各类似于沿一根轴串

14、联相接的两根单级挤出螺杆。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JohnRoyle和英国FrsncisShaw。德国主要橡胶挤出机制造商之一是PaulTrosteL事实上，PaulTrosteL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。这些挤出机用来辗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

15、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

16、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

17、转方向、啮合程度等等。双螺杆挤出机的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 多螺杆挤出机这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辗式挤出机。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。在挤出机的行星辗段中，六个或更多的均匀分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

18、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辗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最少。正因为如此，行星式齿轮挤出机常常用于硬质和增塑PVCE料的挤出或配混。行星辗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1.2。这种挤出机主要用于排除溶剂，从40%§剂至低达0.3%。急骤排气发生在附加于机

19、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。图1.2四螺杆挤出机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8001200rpni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

20、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。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。1.3.1 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

21、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%Z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。1.3.2 往复螺杆挤出机往复螺杆挤出机在前几年的

22、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110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%Z上，特别适于高填充物料

23、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

24、，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 本文的主要内容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爰的市场将向

25、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供大于求，只能维持在市场顶峰期的50%60眩右。国内主机市场今彳爰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

26、国现在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。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

27、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，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

28、量得单位为(kg/h)/(r/min)(3)比功率这个值小，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。(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o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

29、之，当阻力小时，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之处

30、，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)。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择和制造精度等

31、级，都会直接影响塑料制品的产量和质量。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。(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。

32、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。(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。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。(4)双金属层机筒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

33、腐蚀性。2.4 本章小结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38C,M°AiA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。第3章挤出机构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，低密度聚苯乙烯较软

34、，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。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，聚苯乙烯是结晶高分子，熔点达到270Co3.2 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。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，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）、25

35、、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。本设计中螺杆的有效长度为：L=20D=20X150=3000mm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。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

36、的确定：我们知道，计量段中熔料的剪切速率丫可按下式计算：(3.1)DV=n七显然，计量段螺槽深度也愈小，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H3的平方成反比。Q"/=2=，3DL（3.2）H3式中Q0熔料因剪切产生的热量；T剪切应力；Y剪切速率；a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。

37、从混合效果上来讲，计量段槽深较小时，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150220C,其范围达70C）,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。再加上这类塑料的成型温度范围比较窄，粘流温度Tf和分解温度Td比较接

38、近（如硬聚氯乙烯加工温度范围为150c190C,其范围仅40C）,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匕不能选择过小。表中的数值并不是不可以突破的，尤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各塑料的最大速率塑料最大男切速率丫/SLDPE（相对分子质里较局）56ldpe（相对分子质量较低）104HPVC26SPVC60PS92108本设计加工物料为聚苯乙烯（PS）,根据表格取y=93S，D由公式¥=兀（3.3）H3/日一二D3.1415150得H3=5mm93以上从挤出质量的

39、观点分析了计量段螺槽深度H3的影响，这种观点是确定计量段螺槽深度的主要方法，用这种方法确定的计量段螺槽深度基本上满足了对计量段螺槽深度的要求。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Qp却正比于H3的立方。由此可以分析：当机头压力较低时，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，也可以从融体输送理论来估算螺槽深度H3的最佳值，dP八，必2Q0一二6"(23(3.4)(3.5)dzH；WH；将上式对H3求导并令导数等于零，经

40、一系列推导，可求得H3的最佳值:6KqL31H3=(-)2二DSi2n在式中Kq形状系数未知口模系数情况下匕的值没办法确定。有上面的分析可知，匕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H3。H3=kD(3.6)据统计螺槽深系数k值，发现大致规律如图3.2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，

41、此时由于螺槽深度H3加大造成压力流Qp的增加和混炼段M的下降可以通过计量段的增加来弥补。从图3.1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3.1螺槽系数K的确定根据经验公式可以来校核，当H3=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Darnell-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

42、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，即几何压缩比，而不是螺槽深度之比。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/cm3,而熔融后的密度为0.76g/cm3.因止匕，其物理

43、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25之间，个别情况大至8,小至1）。根据螺杆国内外的资料统计如下：表3.2常用螺杆的几何压缩比塑料£塑料£HPVC（粒料）2.5(23)ABS1.8(1.62.5)HPVC（粉料）34(25)POM4(2.84)SPVC（粒料）3.23.5

44、(34)PPO2(23.5)SPVC粉料）35PC2.53PE34PSF2.83PP3.74(2.5PSF3.74PS4)PA63.33.6CA22.5(24)PA663.5PMMAPET1.723PA10103.7几何压缩比一般用下式计算：(D-Hi)Hi3=(3.7)(D-H3)H3式中，H1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S、螺纹法向棱宽e和螺纹开角小在螺杆全长上都保持不变，螺纹头数为1.当压缩比e和计量段槽深山决定后，加料段槽深Hi便可从下式算出：Hi=0.5D-V；D2-4sH3(D-H3)(3.8)为了计算方便，可以用简化的公

45、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。6=0.93H1/H3(3.9)根据上表3.2取压缩比为2.4,Ho；得：H1=一=5M24+0.93=13mm0.933.2.2 螺距和螺纹开角的确定对单头螺纹，螺距S、螺纹开角小和螺纹直径D之间有下述关系：S=nDtan(|)(3.10)显然在螺杆直径已知以后，螺距和螺纹开角只要决定一个，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fb=fs0.250.5,螺纹开角等于17°20°时，固体输

46、送生产率可以达到最大值。实验也证明，对圆柱性塑料，最佳螺纹开角大约在170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，并对小角求导，并令导数等于零，可求的最佳螺纹开角为300。这也是为什么当前的螺纹开角都在170300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径等于螺距，这时螺纹开角就等于250。3.2.3 螺纹头数目前挤出机的螺杆大都是单头螺纹。虽然出现过双头螺纹的螺杆加料段，但考虑两个原因，多头螺纹仍然用的很少。原因之一是多头螺纹减少了螺槽横断面积，W同时加大了H的值。按固体输送理论，这会减少固体输送流率。原因之二是在多头螺纹计量段的几个螺槽中，熔体填

47、充情况有可能不同，从而容易导致个螺槽间挤出量不等而发生波动，挤出压力也会发上波动，这些都直接影响到挤出制品的质量。此外多头螺纹的加工也相对比较麻烦。3.2.4 三段式螺杆长度的确定热塑性材料分为无定型和结晶型两大类。无定型材料没有明显的熔点，再塑料温度上升时，它逐渐软化。经过一段时间后，即在螺杆上经过一段长度后，塑料才能全部熔融。在此过程中，塑料体积也逐渐变小。为了适应这个渐变过程，加工这类塑料的螺杆应该较早地开始压缩，它的螺纹深度也应逐渐发生变化，因此其压缩段L2也设计的比较长。相反，结晶型塑料由固态刀熔融态的转化温度范围很窄，当塑料温度没有达到熔点Tm时，它的体积变化很少，而当温度一旦达到

48、熔点，它便迅速熔融，其体积也突然变小。为了适应这个特点，加工结晶型肃立哦啊的螺杆的压缩段一般出现的比较晚，而且长度也比较短。因此，过去设计的加工结晶型塑料的螺杆，具压缩段仅（0.51）Do但是，结晶型材料在冷却过程中都不可能完全结晶，存在着一定的结晶度。根据冷却速度等工艺条件的不同，它们总是或多或少地存在着无定行部分，这一部分的熔融规律和无定形材料一样的，需要一定的逐渐软化-熔融时间，因此，压缩段L2也需要一定的长度。止匕外，即使对已结晶的那一部分塑料来说，正像前面我们已分析过的那样，螺杆的熔融段和压缩段的位置不是等同的，在设计时压缩段位置已被人为的固定不变，而熔融段位置却随操作条件和塑料性能

49、的不同而不同。因此如果压缩段L2很短，实际上很难保证这部分结晶型塑料正好在压缩段上开始熔融并完成完全熔融过程。而且从熔融理论上我们知道，熔融过程是X/W从1到0的过程，这个过程总需要一定的长度，不可能在很短的（0.51）D长度上实现。从上述几点出发，近年来，为加工结晶型材料所设计的螺杆，其压缩段都有加长的趋势，一般在大约（25）D之间，甚至于更长。在文献中还指出：在实验的条件下，聚丙烯从开始熔融到完全熔融大约需要5D长度，而热导率较大的聚丙烯和聚苯乙烯便不需要这样长。加料段的作用是产生足够的稳定的压力，保证稳定的固体输送并且将分界面上的塑料预热到熔融所需要的温度。因此，加料段Li也应该有足够的

50、长度。不同的塑料，预热到熔融温度所需要的热量是不同的。显然，塑料的比热容Cs愈大，熔融点Tm愈高，预热到熔融温度所需要的热量也愈多。对结晶型材料来讲，还需加上熔融潜热入（无定形塑料没有这一项）。止匕外，由于塑料是不良的导热体，因此其热导率Ks也是一个分钟要的参数。热导率愈低，热量从固体塞的表面传往其中心就比较慢，这从固体输送理论的非等温模型可以看得很清楚。从上面的分析，我们可以得出结论：为了保证在加料段结束时分界面上的塑料基本预热到熔融温度，为了保证在压缩段塑料能基本熔融完毕，加工那些比热容大，熔点高，热导率低，熔融潜热大的塑料，螺杆加热段Li应该长一些。固然可以用固体输送理论非等温模型的有关

51、公式来计算加料长度Li。但由于计算过程比较复杂，所以至今为止，在决定加料段Li的长度时，还必须参考实验得到的数据和经验公式。户图3.2熔融起始点A和压力P以及物料得关系以螺杆直径为计算单位的几种塑料的熔融起始点的实验数据。从图3.2可以看出，在同等压力的情况下，聚丙烯由于其熔点高（170°）、热导率低（），因此，其开始熔融点A要比高密度聚乙烯（熔点，热导率）和聚苯乙烯要晚得多。实验也测出，在加料中，聚丙烯要经过8个螺杆的长度才开始熔融（当压力等于4MP时）,而高密度聚乙烯和聚苯乙烯则只要4.5个螺距的长度和2.5个螺距的长度便已开始熔融。在理想的情况下，压缩段与熔融段重叠，塑料移动到

52、压缩段末端时应该全部熔融。但是，无论在组分上、或者在温度分布上、或者在相对分子质量分布上，刚熔化的物料都是很不均匀的，如果此时姜物料从机头挤出，制品的质量将极为恶劣。计量段的第一个作用就是要消除这些不均匀的现象，这正是为什么计量段又称为均化段的原因。Martin2将塑料堪称牛顿型流体，根据混炼理论，表征计量段螺槽中混炼程度的关系式可以导出：= 3.71L3(1.64 a)H 3(1 a)(3.11)46式中，L3和H3为计量段长度和深度，a为截流比，a=QpQd。显然，M值愈大，均化作用也愈佳。从式（3.11）中可以看出：加长L3对均化作用是有利的。从熔体输送理论的生产率公式可以看出：计量段愈

53、长，相应的压力流Qp和漏流QL都愈小，挤出机的实际生产率便俞高。也就是说，螺杆特性也比较硬，产量受压力的影响较小。计量段长度L3和产量的关系如图3.3所示。P图3.3计量段长L度对挤出量的影响3又上可知：在可能的条件下，计量段长度愈长，对提高螺杆的产量和改善混合均匀度都是有利的。这就是计量段长度为什么愈来愈长的原因。目前，有些螺杆的计量段长度甚至达到了螺杆全长的50%.但是，过长的计量有可能导致已熔融物料温度不断升高，这对那些易于分解的热敏性塑料，如PVC等未必有利。可以用熔体输送理论生产率公式中的压力流Qp来初步估算计量段长度L3PL3DH33QP=Sin2|L3 二江Sin2(|)DH12

54、TlpQp124i如果令Qp<0.05Q,即因机头压力而引起的产量损失小于总产量的5%,小角一般为17.6。根据料温和剪切速率丫=兀Dn,可以从附录二查出粘度”1。计算时H3可以现令机头压力p=15MPa。此时L3的计算公式可简化为：L3二72皿Q n 1例如：螺杆直径为65mm的挤出机，其产量要求为165kg/h,相应体积流率6.2x105m3/s。此时，按式（3.14）计算，L3为320nlm,大致相当于5D左右。转速n、产量Q、剪切速率丫、粘度刀1与机头压力p等参数之间是互相影响的。例如，当转速下降时，不仅产量降低，而且粘度也会因剪切速率的降低而增高，压力也会适当减小，它们之间并非

55、线性的关系。此外，计量段长度又与螺杆总的长径比关系很大，尤其是和计量段螺槽深度H3的关系很大（成立方关系，参考式（3.14）,任何影响槽深H3因素都会反过来影响计量段长度L30因此，按式（3.13）得到结果也只能作为参考之用，实际设计时还得根据上面的定性分析和经验数据作适当修正。还可按表3.3提供的数据来考虑螺杆三段长度的分配。表3.3螺杆三段长度分配塑料类型加料段L1压缩段L2计量段L3无定性塑料20%-30%45%-50%25%-30%结晶型塑料40360%(25)D30%-45%表3.4螺杆长径比有增大趋势年份193019401950196019601970197019801990200

56、0L/D8151520182520352545综上所述，螺杆各段的长度为，加料段L=4XD=600mm压缩段L2=10XD=1500mm计量段L3=6XD=900mm3.2.5 螺纹断面设计目前常见的螺纹断面有两种，一是矩形断面，另一种是锯齿型断面（如图3.4）前者装料体积较大，后者改善了塑料的流动状态，避免了存料现象的发生。推进面的圆弧半径为R1比后面的圆弧半径R2小，一般后角口为200。Ri=(1223)H3R2=(2-3)Ri螺杆直径较大者，圆弧半径R可取得较大 （1，）图3.4螺纹断面形状a一矩形断面b锯齿型断面图3.5螺槽中的滞流区和双楔形螺杆1机筒；2滑移面；3移动料；4潘流区；5矩形断面；6双楔形断面除了上述两种典型的螺纹断截面形状之外，还有双楔型螺纹断面图3.5,设计这种螺纹断截面的出发点是：根据寒流固体输送理论，认为塑料在槽中是以密实的固体存在，组成固体塞在的固体颗粒间没有没有相对运动。但是，正如非寒流固体输送理论指出的那样：只有当外压力很大，而且料粒间内摩擦因数也较高时，才有这种可能性。当内摩擦因数较低时，