塑料挤出机机头结构设计

1、塑料挤出机机头结构设计摘要 :挤出成型方法广泛应用于管材、棒材、异型材、中空制品以及单丝等 产品的生产。挤出机同时还可以对塑料进行混合、塑化、脱水、造粒、和喂料等 准备工序或半成品加工。因此挤出成型已成为最普遍的塑料成形加工方法之一。 挤出成型是在挤出机中通过加热、 加压而使物料以流动状态连续通过口模成型的 方法, 是一种技术要求较高的成型方法。 挤出模的设计要求设计者对塑料特性的 完全掌握和对挤出模具设计具有的丰富经验。 单螺杆挤出机做为应用范围最广泛 的挤出机,而在设计过程中,实际遇到的问题很复杂,由于塑料的种类不同,它 们的剪切速度、表面粘度不同,以及润滑剂、填充剂由于种类和配量的不同,

2、其 流动性也不同。 故挤出模的结构设计仍以实际经验为主, 多数采用最终试模的方 式确定其形状。 本设计中主要设计的是挤出模中各零件的工作面尺寸、 外形尺寸、 整体结构形式, 由于塑料材质特性对于挤出模的要求非常的高, 所以进行了主要 零件的加工制造工艺的设计,还进行了机头和挤出主机的连接方式的设计。关键词:挤出机;挤出模;硬质 PVC ;1绪论1.1挤出机的发展历程自第一台挤出机问世以来, 挤出技术得到的良好快速的发展。 从开始的柱塞 式到更为先进的螺杆式, 从原始的手动操作到完全的自动控制, 从产品单一到产 品的多元化,挤出成型技术正逐渐成熟。如今,挤出成型具有生产效率高,制造 方便, 可以

3、连续化生产等特点, 他、 它在塑料成型加工工业中占有很重要的地位。 半个世纪以来, 我国的塑料工业经历了从无到有, 从小到大的发展过程, 尤 其是改革开放二十年来得到高速发展, 已初步形成了部类齐全的工业体系, 从产 量上已跻身于世界先进行列。塑料机械行业是为塑料工业提供技术装备的行业, 强劲的市场需求促进塑料机械工业的发展。挤出成型技术得到了很好的发展。1.2挤出机的分类及挤出制品用途1.2.1 挤出机分类塑料挤出机按其螺杆数量分为单螺杆、双螺杆和多螺杆挤出机。目前 以单螺杆挤出机应用最为广泛,适宜于一般材料的挤出加工。双螺杆挤出 机由于具有由摩擦产生的热量较少、物料所受到的剪切比较均匀、螺

4、杆的 输送能力较大、挤出量比较稳定、物料在机筒内停留长 , 混合均匀 。单螺杆挤出机无论作为塑化造粒机械还是成型加工机械都占有重要地 位。其发展的主要标志在于其关键零件螺杆的发展。近几年以来,人 们对螺杆进行了大量的理论和实验研究,至今已有近百种螺杆且已标准化。 常见的有分离型、剪切型、屏障型、分流型与波状型等。 从单螺杆发展来 看,尽管近年来单螺杆挤出机已较为完善,但随着高分子材料和塑料制品 不断的发展,还会涌现出更有特点的新型螺杆和特殊单螺杆挤出机。从总 体而言,单螺杆挤出机向着高速、高效、专用化方向发展。1.2.2 挤出制品的用途热塑性塑料和部分热固性塑料适用于挤出成型。其制品主要有管材

5、、棒材、板材、异型材、薄膜、单丝、扁带和电线电缆等。塑料挤出制品广泛应用于国民 经济各个领域。薄膜、中空制品、打包带等是包装材料的重要组成部分;农副业 大量使用塑料薄膜作育秧薄膜、 棚模; 机械工业使用塑料棒材可以方便的加工各 种零部件; 建筑工业使用的挤出成型的制品越来越多, 如墙壁装饰板、 窗用密封 条等; 石油工业大量使用塑料管材作输油管道。 挤出机同时还可以对塑料进行混 合、塑化、脱水、造粒、和喂料等准备工序或半成品加工。因此挤出成型已成为 最普遍的塑料成形加工方法之一。1.3 挤出机的发展趋势1模块化和专业化塑料挤出机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

6、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,这对保证整期质量、降低成本、加速 资金周转都非常有利。2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。 在功能方 面, 螺杆塑料挤出机已不仅用于高分子材料的挤出成型和混炼加工, 它的用途已 拓宽到食品、饲料、电极、炸药、建材、包装、纸浆、陶瓷等领域。3大型化和精密化实现塑料挤出机的大型化可以降低生产成本,这在大型双螺杆塑料造粒机 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

7、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。4 智能化和网络化发达国家的塑料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及温度、 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、电机的电流电压等参数进行在线检测,并采用微机闭环控制。 这对保证工艺条件的稳定、提高产品的精度都极为有利。2 挤出模结构及功能挤出模又称挤出机机头。 塑料在经过螺杆和料筒后成为熔融态, 再通过挤出 机机头, 经过挤出模的定型而产出产品。 在挤出机的整体结构中, 机头应与主机 相配合。 即使是性能良好的主机, 若无相应的机头与之配合是很难生产出高质

8、量 的产品。所以挤出模的设计好坏将直接影响挤出机的性能。2.1 挤出模结构及功能2.1.1 挤出模结构挤出模的主要零件有口模、芯棒、过滤板、过滤网、分流器、分流器支架、 调节螺钉、定型套和机头体。各自作用如下:1口模是成形塑件的外表面,2 芯棒是成形塑件的内表面,3过滤板是将塑料熔体由螺旋运动变为直线运动并造成一定压力,促进熔 体塑化均匀及支撑滤网的作用,4过滤网主要是过滤杂质和造成一定压力,5分流器是使通过它的熔体变成薄环状,平稳地进入成形区。同时,进一 步加热和塑化塑料,6分流器支架主要用于支撑分流器和芯棒,同时也能对分流后的塑料熔体 加强混合作用,7定型套对成形管材进行冷却定型,以保证制

9、品良好质量,正确的尺寸和 几何形状,8调节螺钉用来控制成形区内的口模和芯棒之间的间隙及同轴度,以保证 挤出塑件壁厚的均匀,9机头体用来组装机头各零件并与挤出机相连接。2.2.2 挤出模功能挤出模做为挤出成型装置,其结构形式就决定其功能如何。根据挤出成型 特点知其主要功能如下:a:使来自挤出机的塑料熔体由螺旋运动转化为直线运动;主要是通过过滤 板来完成的,b:通过模腔流道的剪切流动使塑料熔体进一步塑化均匀;这是由塑料粘度 决定的,c:通过模腔几何形状与尺寸的变化产生成形压力,以使型材致密;主要是 由于压缩比的存在,d:通过成形段及模唇的调节作用,获得所需截面形状的连续型材。2.3 挤出模设计准则

10、及设计步骤2.3.1挤出模设计准则根据挤出模的功能可知挤出机头的设计不但要满足塑料成型工艺的要 求,而且其结构要简单,故确定具体设计方案如下:1正确选择机头结构形式,应按照所要挤出的制品的原料和要求及成型工 艺的特点,正确选用和确定机头结构形式;2具有一定的成形功能和作用,机头应能将塑料熔体从挤出的螺旋运动转 换成直线运动,并在机头内产生适当的压力;3应设计出压缩区保证足够的压缩比;4内腔呈光滑流线型,保证塑料熔体在机头内均匀平稳流动顺利挤出,且 机头的截面变化要均匀,避免死角、凹槽等;5要设计有调节装置;6机头要有足够的刚度和强度,结构要简单、紧凑、与机筒连接紧密、装 卸方便、易加工、易操作

11、,同时机头设计成对称形状,以保证受热均匀; 7机头成型区应有正确的截面形状,设计时要合理的确定流道尺寸,控制 成型长度,从而保证截面形状,保证制品质量;8合理选择机头材料。与塑料熔体相接触的部分,由于摩擦磨损及塑料成 型时产生的气体对机头的腐蚀,机头体、口模、芯棒和分流器及支架等零件的材料应选取耐热、耐磨、耐腐蚀、韧性高、硬度高、热处理变形小及 加工性能好的钢材和合金钢。2.3.2 挤出模设计步骤根据以上设计原则,挤出模的设计不是简单的几何尺寸的计算,设计 时需要确定机头中各零件的功能作用,同时要准确掌握挤出成型工艺特点。 设计步骤如下:1 根据设计要求了解材料材质特性并确定挤出机形式,2 计

12、算口模内径和芯棒外径尺寸,3 确定过滤板出口处直径 D 0,4 确定拉伸比和压缩比,5 确定机头内其他尺寸,6 机头结构的具体设计,7 冷却定型套的设计与计算,8 机头主要零件的加工工艺设计,9 机头和挤出主机的连接方式的设计。3 挤出模参数设计计算3.1材料材质特性根据任务书要求,我所设计的挤出机要加工的塑料是硬质聚氯乙烯。硬质 PVC 主要性能:机械强度高,电气性能优良,化学稳定性好,粘度高。其成型性 能:非结晶材料,吸湿性小,流动性差,极易分解,在高温下与钢、铜接触更易 分解。 高粘度使得与其相接触的零件表面粗糙度要求高, 同时非结晶性、 流动性 差、 极易分解等都是设计时必须考虑的因素

13、。 硬质 PVC 的性能及成型性能决定了 挤出机中所有与 PVC 接触的零件的性能要求要高, 在设计过程中这些性能是这些 零件的设计准则。3.2 挤出机形式的确定根据任务书所给数据知挤出机型号为 SJ-45。即该挤出机为单螺杆,螺 杆直径为 45mm ,机头为直通式。直通式机头结构简单,容易制造,但经过 分流器及分流器支架时形成的分流痕不易消除,其结构笨重、长度较大。 其主要特点:熔体在机头内挤出流向与挤出机螺杆平行。再根据硬质 PVC 材料的特性以及挤出加工的要求选择机头中与 PVC 直接接触的零件的材料 为 38CrMoALA (铬钼钢。3.3 挤出模各零件尺寸设计根据管材的挤出特点, 对

14、于不同塑料的管机头的主要零件尺寸及其工艺参数 都有一定的限制, 以保证挤出的管材质量及其优良的成型工艺。 本设计中采用的 塑料是硬质 PVC 。 根据硬质 PVC 的性能特点可以确定一些零件在设计过程是用到 的公式中的系数,同时可以确定挤出模的压缩比和分流器扩展角。3.3.1挤出模各零件工作表面尺寸设计计算1、口模的设计计算口模是成型管材外部轮廓的机头零件,其结构如图 1,其主要尺寸有口模内 径 D 、 定型长度 L 1、 压缩段长度 L 2和压缩区锥角 。 尺寸的设计主要靠经验公式, 查有关设计手册,有关经验公式如下: 图 1:口模结构图1 、口模内径 D :D= d1/k 3-1式中: D

15、口模内径(mm d1 塑料管材外径(mm k系数(见表1表1系数 k 选取表 2 、口模定型段长度 L 1:L1=(0.33.0 d 1 3-2或L1=ct 3-3 式中: L1口模定型段长度(mm d1塑料管材外径(mm c系数(见表 2t塑料管材壁厚(mm 表 2系数 c 选取表 3 、压缩区锥角 :压缩区的锥角一般在 10°60°范围内选取,当 过大时,挤出的管材表 面会较粗糙,对于低粘度材料可选取较大值,反之取较小值。4 、口模压缩段长度 L 2:L2=(1.52.5 D3-4 式中: L2口模压缩段长度(mm D0塑料熔体在过滤板出口处的流道直径(mm 5 、根据

16、以上公式计算口模内径尺寸如下:根据聚氯乙烯的成型特性, 塑料熔体在通过挤出模后, 由于冷却管材会出现 弹性回复, 即管材直径会增大, 同时还要经过定性套定型, 再根据表 1确定系数 k=1.00 。 即口模内径 D= d1/k=40/1.00=40.00(mm 实际口模内径根据经验和试模后而定,并通过调节螺钉调节口模与芯棒间 的间隙使其达到合理值。2、芯棒的设计计算芯棒是成型管材内部轮廓的机头零件,其结构如图 2,通过用螺纹与分流 器联接,其主要尺寸有芯棒外径 d 、芯棒定型段长度 L 3、芯棒压缩段长度 L 4。各 尺寸的设计主要靠经验公式来确定。查有关设计手册,有关经验公式如下: 图 2:

17、芯棒结构图1 、芯棒外径 d :d=D -2 3-5 式中:d 芯棒外径(mm D口模内径(mm 口模与芯棒的单边间隙, 通常取 (0.830.94 ×塑料管材 壁厚(mm 2 、芯棒定型段长度 L 3= L1,3 、芯棒压缩段长度 L 4 = L2=(1.52.5 D 0,4 、根据公式计算芯棒外径尺寸如下 :由硬质 PVC 的成型特性以及已确定的口模直径知, 经过挤出的成型塑件会 膨胀,所以这里选取的芯棒外径小于实际管材内径,即系数 小于 1。本设计中 取 0.94。 即芯棒外径 d=D -2=40-2×0.94×2.00=36.2(mm 3、过滤板出口处直径

18、 D 0的确定:该直径应与挤出机机筒出口处直径一致。 机筒出口处直径根据螺杆直径确定 为 45mm, 由此确定过滤板出口处直径 D 0=45(mm。4、拉伸比和压缩比的确定 :拉伸比和压缩比是塑料挤出成型工艺参数,两者都与口模和芯棒尺寸有关。 各种塑料的拉伸比和压缩比都是通过实验确定的。拉伸比:是指口模与芯棒在成型区的环形间隙截面积与所挤出的管材的截面 积之比。挤出时,管材离开口模后,由于压力降低,塑料制品出现因弹性回复而 膨胀的现象,管材截面积将增大。另一方面,又由于牵引和冷却收缩的关系,管 材截面积也有缩小的趋势。 这种膨胀与缩小的大小于塑料性质、 口模温度与压力、 定径套的结构形式等因素

19、有直接关系。 目前, 由于理论计算尚不成熟, 通常根据 拉伸比来确定口模与芯棒间环形空隙的截面积与挤出管材的截面积之比。即:管材拉伸比经验公式:I= (d12-d 22/(D2-d 2 3-6 式中: I拉伸比D 、 d 分别为口模内径和芯棒外径d1、 d2塑料管材的外内径表 3 常用塑料挤出所允许的拉伸比 压缩比:是指过滤板出口处最大进料截面积与口模和芯棒在成型区的环形间 隙截面积之比。它反映挤出成型过程中塑料熔体的压实程度。对于低粘度塑料, 压缩比 =410;对于高粘度塑料, =2.56.0 。1根据所计算数据确定拉伸比 I= (d12-d 22/(D2-d 2=1.05较大拉伸比的好处有

20、:(1 、在生产过程中,变更管材规格时,一般不需拆装口模和芯棒,可以通 过改变拉伸比来实现;(2 、 在加工某些容易产生熔体破裂现象的塑料时, 用较大尺寸的口模和芯 棒,可以生产较小规格的管材,这样既可以避免产生熔体破裂,又可提高产量。 2根据硬质 PVC 为高粘度材料,故确定压缩比 =5。5、口模和芯棒其他主要尺寸计算:1 、口模定型段长度根据表 2L 1 =ct=(1833×2=3666 (mmL1 =(0.33.0 d1=(0.33.0×40.00=12120(mm L1的确定与塑件的壁厚、直径、形状、塑料性能即牵引速度有关。过长则料 流阻力增大,使牵引困难,且管材表

21、面粗糙;过短则起不到定型作用。根据两种 计算结果确定口模定型段长度 L 1=50(mm 。2 、口模压缩段长度 L2 =(1.52.5 D=1.8×45=80(mm 3 、压缩区锥角 :根据塑料材料硬 PVC 的成型性能知,取 =30°。4 、芯棒的定型长度 L 3应与口模定型长度 L 1相等,故:L3=L1=50(mm 5 、芯棒压缩段长度:此处长度应与口模压缩段长度保持一致。故:L 4= L2=80(mm。6、分流器和分流器支架的设计计算1分流器参数设计分流器与分流器支架结构如图 3。 对于小型挤出机分流器和分流器支架可设 计成一体形式。分流器主要参数有:扩展角 、分流

22、锥面长度 L 5、分流器头部圆 角 R 、分流器表面粗糙度 R 。各参数的确定原则如表 5。图 3:分流器结构图表 5 分流器参数确定表 根据以上原则确定分流器各参数:分流器的直径 d 2应等于芯棒外径,故取 d 2=36.2 (mm,扩展角 =45°,分流锥面长度:根据分流器直径与扩展角的三角函数关系,以及经验公式取 L 5=(0.61.5D 0确定 L 5=1×45=45(mm ,分流器头部圆角 R=1.0mm,分流器表面粗糙度 R =0.3m 。2分流器支架参数的设计分流器支架内径 d 3可根据口模压缩段长度与压缩角的三角函数关系计算得 到, d 3=2×t

23、an15°×80+36.2=81(mm ,分流筋呈流线型, 且熔料进口处锥角 1比出口处锥角 1大, 根据经验取为:1=40°, 1=20°,分流筋应尽可能少些,以免产生过多分流痕迹。本设计为 小型机头,分流筋取 3根,筋厚取 12mm 。分流器支架宽度取 30mm 。分流器头部与过滤板间的长度 L 6通常取 1020mm, 或稍小于 0.1D 0过小料流 不均,过大则停料时间太长。这里取 L 6=10mm。7、过滤板和过滤网的设计计算过滤板是一个厚金属圆盘, 具有许多与螺杆轴平行紧密排列的平行孔。 过滤 板应与机筒对中, 其上孔眼的分布原则是使流过它的

24、物料流速均匀, 因机筒壁阻 力大, 故有的过滤板中间的孔分布疏, 边缘分布密, 也有的过滤板边缘孔的直径 大, 中间的孔直径小。 过滤板的孔眼多按同心圆周排列, 孔眼直径一般为 37mm , 孔眼的总面积为多孔板总面积的 30%70%。根据成功经验确定过滤板的尺寸:过滤板大径 Q=55mm, 通孔分布在直径为 45mm 的圆内,孔径 r=5mm,厚度 M=15mm。具体截面形状如图 4: 图 4过滤板截面图过滤网的主要功能是阻止杂质和未塑化的物料进入 , 此外还可提高熔体压 力。这里采用 60目的过滤网。8、定型套的设计计算:塑料管材的定型和冷却的任务是确定管材尺寸、 几何形状, 乃至表面粗糙

25、度。 因而定型套的设计是定型模设计中的关键, 设计合理与否, 对管材冷却与定型质 量影响极大。 根据所设计挤出机型号特点, 将定型与冷却设计成一体形式, 即定 型的同时进行冷却。管材定径方法通常有三种:压缩空气外定径、内定径、真空外定径。本设计 中, 根据三种定径方法的应用场合选用真空吸附法外定径方式定径, 其结构如图 5所示。其主要参数有:定型套长度 L 、定型套直径 T 、定型套锥度。图 5:真空定型套宜以导热性良好的金属材料制成。 通常选用铝合金制成, 内壁须 镀铬。定型套内部真空度为 53.366.7kPa 。抽真空的孔径为 0.61.2mm, 塑料 粘度大或管材壁厚较大的取大值,反之

26、,取小值。1 、定型套长度 L: 定型套长度取决于管材尺寸、塑料特性、管坯温度、挤出速 度、 冷却效率及热传导性能。 根据成功经验公式对于硬质 PVC 管材其定型套长度 为管材直径的 36倍。本设计中取 L=40×5=200(mm。2 、定型套内径 T :就外定径而言,定型套内径比管材外径大 0.8%1.2%。本设 计中取 1%,即 T=40+40×1%=40.4(mm 。3定型套锥度:通常定型套的出口直径比进口直径略小,即带有锥度。在定型 过程中,管材因冷却而收缩,其收缩幅度随冷却水温度、管材材料不同而不同, 其锥度应满足此种需要。 使用带锥度的定型套, 可使管材与定型套

27、内壁形成较大 面积接触, 从而保证了管材的冷却效果及其外观质量。 就外定径而言, 通常取 5 10的轴向锥度。4抽真空孔径与塑料粘度和管材厚度有关,本设计中取 0.8mm 。3.3.2挤出模各零件整体尺寸设计机头的整体形式要合理,便于外部加热器加热。各零件具体尺寸的设计要 满足装配要求,且各零件间的连接要合理,满足挤出性能要求。1、口模与机头体连接,两者通过环形圆盘用螺钉连接。故设计出台阶面。根据挤出机挤出特性以及所选取制造材料特性, 在满足口模强度的要求的前提下确定 各部分厚度。由于塑料挤出机对于机头各零件强度要求不高。 在本设计中取: h 1=15mm, h 2=10mm。如图 6, 图

28、6:口模结构图2、芯棒要有通入压缩空气的内孔,内孔直径取 6mm 。芯棒与分流器通过螺纹连 接在一起,芯棒内螺纹孔直径取 16mm (M6 ,深 20mm 。如图 7, 图 7:芯棒结构图3、分流器与芯棒配合,与芯棒连接段螺纹长度为 15mm 。又分流器支架要与分流 器组合,故取 h 3=45mm,分流器支架外轮廓厚度取 10mm , =16mm。如图 8,图 9。 图 8:分流器结构图 图 9:分流器支架结构图4、机头体的整体尺寸设计由于机头体是用来组装机头各零件并与挤出机相连接。其结构图如图 7。其 具体尺寸根据内部零件尺寸设计得到。 h 4= 101mm,h5=45mm。 H=172mm

29、。机头体与 挤出机主机通过法兰连接,机头法兰紧固在机头体上。在满足连接要求的同时, 外部加热器加热要方便。如图4挤出模的加工制造与塑料直接接触的零件有口模、 芯棒、 分流器和分流器支架及机头体。 根据 硬质 PVC 特性,机头内部工作表面要耐热、耐磨、耐腐蚀、高韧性、高硬度, 且 材 料 热 处 理 变 形 小 及 加 工 性 能 好 。 因 此 选取加工材料为 38crMoALA 。 38crMoALA 是调质钢,耐磨性、耐腐蚀性好。其主要成分中, Cr 主要作用是提高 淬透性, Mo 能细化晶粒提高钢的回火稳定性, Al 则可以加速钢的氮化过程。 根据选取的加工材料和挤出模各零件尺寸较小以

30、及零件的性能要求确定零 件毛坯制造方法为锻造。 生产出来的零件必须满足挤出机工作性能, 其制造要求 如下:1 毛坯经锻造成型后进行退火处理,以消除钢材锻造时产生的内应力 ; 毛坯 经粗加工后进行调质处理,硬度不小于 40HRC;2 精加工后工作表面要进行氮化处理,氮化层深度为 0.50.6mm ,3 零件工作面的粗糙度要满足工艺要求, R <0.4m ,4 应保证零件的强度和韧性,5 零件工作面不允许有明显碰伤、拉毛、锈蚀、烧伤等缺陷。4.1各零件的技术要求根据挤出机的工作要求,挤出机头的各零件的技术要求查有关设计手册得 到。 口模是成型塑件的外表面, 由于塑件成型时会出现弹性回复和收缩现象, 因 此对于其偏差要求不高, 同样芯棒也是一样。 而芯棒与分流器连接处的尺寸偏差 有严格的要求。 因为其中要通入压缩空气, 必须保证密封性。 分流器支架外轮廓 与机头体配合,其偏