【单螺杆挤出机的结构设计7100字（论文）】

iii单螺杆挤出机的结构设计摘要塑料管可用于多种液体的输送管路，具有重量轻，耐腐蚀，不易结垢，阻力小和安装，维修都比较方便。广泛应用在化工，农业，建筑，矿产行业中。主要用于生活用水的输送和污水的排放，采暖。本次设计为单螺杆挤出机，意义是结合四年所学和已有的资料来熟悉了解塑料挤出机工艺过程。关键词：塑料管、单螺杆挤出机、塑料挤出工艺、挤出机结构目录摘要 i第一章绪论 1一、课题的目的与意义 1二、塑料挤出成型的工艺过程 1三、单螺杆挤出机结构组成 1四、国内情景 2五、国外情景 2六、行业前景 2第二章、挤出机与机头的结构设计与方案选择 2（二）单螺杆挤出机的传动方案 3（三）挤出机驱动功率的选择 3（四）电动机的选择 3（五）传动部分传动比的方案设计 3（一）螺杆材料的确定 3（二）螺杆的结构 4（三）螺杆的表面处理 4（一）机筒材料 4第三章主要结构设计及校核计算 8一、齿轮减速装置的设计 8（一）齿轮计算 8（二）传动轴的参数计算 10二、螺杆参数计算于强度校核 10（一）螺杆参数计算 10（二）螺杆力学强度计算 12三、机筒得计算与力学强度校核 14（一）机筒的壁厚及与螺杆间隙 14（二）机筒的力学强度校核 14四、机头的设计和强度校核 15（一）机头的主要零件设计参数 15（二）机体整体尺寸设计 17参考文献 20致谢 21第一章绪论一、课题的目的与意义新中国建国初期，我国是百废俱兴，因为历史原因，未能登上十八世纪的工业列车，故塑料制造业在此前是一片空白，但是经过几十年的努力，我国建成了体系完备的塑料工业体系。并且渐渐接近世界先进水平，在这样的情况下塑料挤出机机械也迅速发展。通过这次设计熟悉管材挤出机的加工工艺并且能够将我四年的学习回顾并加以实践。二、塑料挤出成型的工艺过程按塑料管材成型用料配方要求，将各种原料计量后装入混合机的混合腔内，高速搅拌混合均匀，将降温过的物料投入料斗内；料斗内的原料通过机筒进料口进入机筒内；随着螺杆的旋转，原料被强制推向机筒前方，由于螺杆螺纹容积的逐渐减小，加上机筒前的分流板，成型摸具的阻力，原料在机筒内收到的压力越来越大；同时原料受机筒外部加热装置的影响，同时受到摩擦力，剪力的作用，原料逐渐从固态变为熔融高弹态，最后成为粘流态，达到完全塑化。由于螺杆不断在旋转，就可以将塑化后的原料一直向前挤出，最后塑化后的原料被等量的从成型摸具中挤出，得到最后的成品——塑料管胚。再经冷却定性，按一定的长度切断，即完成挤出成型塑料管材。三、单螺杆挤出机结构组成本次设计的单螺杆挤出机的结构如下：传动部分：电动机、减速器、调速器组成单螺杆挤出机的传动部分。它的作用是驱动螺杆，使螺杆能在选定的工艺条件下获得必须的扭矩且能均匀的转动。完成对塑料的塑化和运输。压塑部分：螺杆与机筒组成压塑部分，在螺杆固定转速下，原料通过螺杆的加料段、熔融段、均化段，在压力与温度的双重作用下完全塑化，被均匀的挤进机头模具中。加料系统：主要包括挤出机的料斗，为料斗送料的上料装置及为原料祛湿的干燥装置。这些装置保证了挤出机生产时能够及时连续的为挤出机的机筒提供生产原料。冷却加热系统：挤出机的加热和冷却系统，主要是指挤出塑化系统中的机筒、模具、螺杆的加热和冷却。对这些部位的加热和冷却的目的是更好的控制产品质量与生产效率，并且延长机器的使用寿命。四、国内情景塑料行业的产品有百分之六十五是通过挤出机得到的。目前我国已经具备生产直径20mm~300mm的塑料管材的能力，民间的塑料挤出机公司早期多在东南沿海一带，以浙江，广东为主，并且机器的精度，寿命，安全性有待提高。虽然我国在这方面进步巨大，但离世界领先水平还有较大进步空间。五、国外情景以德国为例，德国在塑料挤出行业处于领先水平，具备生产大型螺杆挤出机的能力，可以生产螺杆直径达到700mm，每小时产量达到36吨。商用的高速塑料管材挤出机转速可达300转每分钟以上，长径比可达36。而日本的贝驰公司的D3螺杆转速可达3000转每分钟，每小时产量300kg。六、行业前景随着时间的发展，塑料行业与我们愈来愈关系密切且重要，而塑料行业中有百分之六十五的产品是靠挤出成型得到的，都是经过了原材料的塑化挤出这一工艺流程，那么如何设计使挤出机的精度、寿命、稳定性得到提升这是一个永不过时的命题，随着塑料行业的发展，对于挤出机的要求也会越来越高，所以行业前景十分可观。第二章、挤出机与机头的结构设计与方案选择一、挤出机传动部分（一）传动部分的设计要求传动部分的要求主要是能驱动螺杆，使其能在选定工艺条件下获得必须的扭矩且能均匀的旋转，使其能完成对塑料袋塑化和输送。单螺杆挤出机的传动方案“电动机+联轴器+齿轮减速装置”与“电动机+皮带+齿轮减速装置”是两种单螺杆挤出机的传动形式。本设计书中选择“电动机+联轴器+齿轮减速装置“传动的方案，一来本设计中所得产品塑料管材得直径较小，所以需要的电动机转速并不是很大，传动比的分配十分简易。这样的选择可以减少成本，并且传动方式较为简洁，使精度得到提高。挤出机驱动功率的选择由经验公式可以得到挤出机驱动功率N=KD2n（2其中N——电动机额定功率/kW；D——螺杆直径/cm；N——转速/r/min；K——额定系数，当D≤90时，取k=0.00354，当D＞90mm时，取K=0.008。因为本设计中螺杆的直径D=35mm，所以k取k=0.008电动机的选择根据（2-1）的计算可得，电动机选用Y2-16M1-8型电机。电动机参数：额定功率—4KW；满载转速——20r/min；质量——118kg；额定电流——10.3A；传动部分传动比的方案设计总传动比：i方案：i1=2；i2螺杆的选择与材料、表面处理的确定（一）螺杆材料的确定由于螺杆的工作环境比较恶劣，所以所选钢材要有较好的加工性能，在高温的环境中工作及进行热处理是变形要小，没有气孔，耐磨性能优良，耐腐蚀性能也优良。本设计中选用氮化后的38CrMoAl。38CrMoAl的力学性能：密度ρ（gcm3屈服强度σs(MPa)：≥835；伸长率δ（二）螺杆的结构螺杆的类型有两种：渐变型螺杆与突变型螺杆。渐变型螺杆与突变型螺杆的不同在于前者螺纹高度由加料段到均化段逐渐降低，后者则是在熔融段发生较明显的斜率变化，本设计采用渐变型螺杆，渐变型螺杆加工难度较为复杂但加工精度更高，有利于物料在机筒内被均匀挤出。（三）螺杆的表面处理经过热处理后，硬度达到58~62HRC（氮化处理），氮化深度约为0.5mm，渗氮层脆性≤2.机筒材料与机筒结构（一）机筒材料本设计机筒材料选择氮化38CrMoAl。机筒的工作环境与螺杆一致，都是需要材料耐高温，耐腐蚀，热处理时热变形小，没有气孔，故选择38CrMoAl。（二）机筒表面处理热处理后，硬度达到58~62HRC（氮化处理），氮化深度约为0.4~0.7mm，渗氮层脆性≤2.（三）机筒结构图1塑料挤出机机筒的结构形式单螺杆挤出机的机筒结构有四种，分别是整体式、分段式、衬套式、双金属式。整体式的结构因为没有过多配合精度相对较高，加热效果也比较均匀，装配也简单，但是拆卸相对困难，一旦出现故障，修理难度较难；分段式的结构是由多段机筒由法兰、螺钉等方式连接的，可根据每段的作用随心的设置机筒加工长短，比较有利于机器的改进或者是维修，但是因为是由多端连接而成不可避免地精度会相对较低，连接部位的加热效果也会出现不均匀的现象；衬套式的机筒部分材料一般采用铸钢或者碳钢，然后内衬套材料用合金钢，这样的选择可以节约材料，当然了衬套式一般用作大型挤出机的机筒机构，装卸，加工，设计相对麻烦，但是可以节约很大的成本。本设计的挤出机属于小型挤出机，故不采用衬套式；双金属层式，采用表面处理的方式将机筒内表面浇铸2mm左右的硬合金曾，再研磨至所需要的尺寸，这样一来机筒的结构结合的十分牢靠，力学性能表现最好，耐腐蚀性也很高，使用寿命也相对较长，但是成本是几种方式中最高的，所以本设计也不考虑双金属层式机筒结构。考虑到本设计中螺杆的尺寸35mm，长径比20，是小型挤出机的一种，所以选择整体式最佳。（四）机筒与机头的连接方式图2如上图2所示，机筒与机头的连接方法有部分卡箍连接，螺钉连接，面型螺母连接，铰状螺钉等方式。部分卡箍连接，由几块卡箍再通过螺钉连接起来，连接方式简单，目前广泛应用于各类挤出机；冕型螺母连接，拆卸简单但是加工难度大，应用少；螺钉连接：连接结构简单明了，安装快捷方便但拆卸不易，一般广泛应用于直通式机头；铰装螺钉连接，加工难度大，成本高，虽然拆卸快捷方便，但本设计不考虑。本设计采用直通式机头，故机头机筒的连接方式采用螺钉连接。（五）机筒的加热机筒和模具的加热方式有电感应加热，电阻加热，热载体加热等方式。电阻加热圈，电阻丝和云母片和外壳构成电阻加热圈。特点是轻便，拆装简易，但是容易受潮，容易氧化；铸铝加热器：将电阻丝加入金属管内，然后管内装满氧化镁粉绝缘材料，再把金属管铸在铝合金属套中。由于关内有氧化镁粉绝缘，密封性好，这样一来电阻丝不易氧化，能延长电阻丝的工作寿命。铸铝合金外套与机筒的接触面积大，传热性能好，因此得以广泛应用；电感应加热：原理是电圈通过电磁效应产生涡流来使机筒发热，类比电磁炉加热原理，它是由机筒直接加热塑料，因此预热升温实践较短（约30min左右），在机筒径向方向上的温度梯度较小。由于电感应线圈的温度不会超过机筒温度，它比较省电，且在正确的冷却和使用的情况下，感应加热的寿命较长。本设计选用电感应加热，因为本设计的挤出机为小型挤出机，对精度要求较高，加热的稳定性决定产品的质量。机筒升温梯度较小，温度控制更灵敏，更有利。所以选取电感应加热。四、机头的结构选择与材料选用 塑料成型模具是一种成型塑料制品用的模具。挤出成型模具将挤出机的熔融料，在被挤压的条件下，从其空腔内通过，成型出机构、形状、尺寸达到工艺要求的型胚，经冷却后定型为制品。通常人们也把这钟与挤出机机筒连接在一起的成型制品的模具称之为“机头”。机头由口模，芯棒，过滤板，分流器和分流器支架，机头体，调节螺栓和压盖组成（一）结构选用管材机头有以下几种类型：直通式硬管机头、直角式软管机头、PVC波纹管机头、筛孔式机头、双层异性机头。直通式硬管机头：机头物料基础方向与机头方向一致，具有结构简单，制造容易，成本低，料流阻力小等优点，缺点是生产大点的管材芯棒加热困难。直角软管机头：一般适于生产小型软管，管子不需要真空定型，管胚挤出后直接下水定型冷却。PVC波纹管机头：波纹管是由基础机头与两半边模块组合的两对循环同向等速运行的装置定型。筛孔式机头：适用于生产大口径管材与流动性能佳的聚烯烃塑料管材，挤出的管材没有熔接痕和合流线，机头结构紧凑，体积小，料流稳定，容易控制流速均匀。本设计选用直通式硬管机头。（二）材料的选择由于模具制造加工精度要求较高，其生产加工工艺也比较复杂，因此一般塑料制造成型用模具的加工费用都较高。所以都希望模具的使用寿命长一些，对模具的使用、维护、保养条件都要求高些，以使其保持工作精度、延长使用时间。对模具制造选用材料提出了下列要求：钢材要有较好的加工性能，在高温的环境中工作及进行热处理是变形要小。模具空腔中的熔料流道工作面，应对料流阻力小，这样就应降低工作面的表面粗糙度的数值，对钢材要求应有很好的抛光性能，材料中无杂质，无气孔。耐磨性能优良。耐腐蚀性能好。钢材应有足够的工作强度。本设计的材料选用合金结构钢中的38CrMoAlA，经热处理后，硬度达到58~62HRC（氮化处理）时，主要用于制作模具体，分配型模具中的机筒、螺杆和口模等第三章主要结构设计及校核计算一、齿轮减速装置的设计齿轮计算Ⅰ、传动比的设计方案 两级齿轮减速的总传动比为8，为方便计算，使i转动和扭矩：高速轴：=720/1=720r/min（3-1）=9550p/=53.06N/m（3-2）中速轴：=720/2=360r/min（3-3）=9550p/=106.11N/m（3-4）低速轴：=360/4=90r/min（3-5）=9550p/=424.4N/m（3-6）Ⅱ、高速轴小齿轮与中速轴大齿轮设计m≥AmAm螺旋角系数，直齿轮取12.6;K=1.5;YFs=3;z=25;d=0.8;6FP=350得到m=1.4，故取m=2高速轴小齿轮：z-齿数；d-分度圆直径；da-齿顶圆直径;dφ本设计中取z=25；∵d=mz（3-8）da=m（z+2）（3-9）dφ=m（z−2.5）（3∴d=50；da=54；中速轴大齿轮：取大齿轮z=50，根据式（3-8）（3-9）（3-10）可得大齿轮的参数：d=100；da=104；dφ=95Ⅲ、中速轴小齿轮、低速轴大齿轮的参数计算根据（3-7）计算中速轴小齿轮模数m满足条件：m≥1.76本设计取m=2根据上文计算可得中速轴小齿轮参数如下：d=50；da=54；d低速轴大齿轮参数如下：d=200；da=204；d传动轴的参数计算本设计传动轴的材料选择用40Cr。根据扭转强度来计算各个传动轴的最小轴径。对实心轴有dmin≥17.23T的输入转矩,N/m;τp由（3-11）得：高速轴：d1≥17.017mm；中速轴：d2二、螺杆参数计算于强度校核螺杆参数计算D=35mmL=20D螺杆直径；L螺杆总长∴L螺杆分为三部分，分别是加料段L1，压缩段L2，均化段L3，根据《塑料管挤出成型》可得L1=20%~30%L;L2=45%~%50L;L3=20%~30%L∴本设计取L1=140;L2=420;L3=140单位mmⅡ、螺槽深度h1和h3螺杆根径的渐变都若用表示，则：=（h1-h3）/L2（3-12）式中h1，h3分别是加料段和均化段螺槽深度，L2为压缩段长度。查表取=2.5h3=0.02~0.04D（3-13）取h3=0.04D=1.4mm=h1/h3（3-14）综上可得h1=3.5mm=0.0005螺距（s）与螺旋角（θ）由经验公式得s=D（3-15）螺旋角θ=17°39′24″（3-16）法相螺棱宽度（e）与轴向宽度（b）e=（0.08～0.12）D（3-17）b=ecosθ（3本设计取e=0.1D即e=3.5mm,所以b=3.16mm螺杆与机筒的间隙δ根据JB/T8061-2011现行规定，当螺杆直径为35mm时，螺杆与机筒的间隙取值范围为δ=（0.11～0.24）mm本设计取δ=0.2mm螺杆的表面粗糙度螺杆表面粗糙度：螺杆外圆表面粗糙度值Ra不大于0.8μm，螺棱两侧表面及螺槽底径粗糙度Ra不大于0.4μm。螺杆头部形状大体上分为锥体、半球体、圆头、外头、等。锥体的锥角范围为60°到90°，本设计的产品为pvc系列材料，故选用应用范围最广泛的椎体形状即可，锥角为60°。螺杆尾部密封，目的是防止所加入的原料因为螺杆的旋转超反方向挤压，从而泄露。本设计的螺杆尾部密封方式采用螺纹尾部再加工一段螺槽，这也是应用最广的密封方式。如下图所示图3螺杆力学强度计算螺杆承受的转矩Mn=9550Nn注：n（r/min）—螺杆转速；N（kw）—电机输出功率；η-电机到螺杆机械效率∴根据式（3-19）可得Mn=407.64N∗mP—机头压力，在强度计算式，一般取P=50MPaP（小写）—螺杆承受轴向力p=D²∗P（3-20）根据式（3-20）可得p=61250MPaσaσa=4D2p注：Ds—螺杆最小根径；d0本设计中无螺杆冷却孔，故d∴由式（3-21）得转矩产生的剪应力τ=48640Nη∗1000nDs由式（3-22）可得自重产生的弯应力σw=L2D+L—螺杆螺纹部分的长度;ρ—螺杆材料的密度，ρ根据式（3-23）合成应力σ根据第三强度理论，强度条件为σ=σa+∴由式（3-224）可得σ—许用应力（MPa）；σ=σsnaσs—螺杆材料屈服极限，（MPa）；na—安全系数，σ38CrMoAl∴σ=∵σ≥σ三、机筒得计算与力学强度校核机筒的壁厚及与螺杆间隙查下表可得，当螺杆直径为35mm时，取机筒壁厚为20mm；机筒的内径与螺杆直径相等，取机筒内径为35mm，所以可以得到机筒的外径为75mm。本设计取机筒与螺杆的间隙为0.2mm。图4（二）机筒的力学强度校核单螺杆挤出机机筒与螺杆的工作环境力学情况十分复杂，压力与摩擦力的分布不均匀，所以选取机筒压力的上限作为计算压力时相对合理的选择。且由于机筒的内径外径之比大于1.1，所以可以视为厚机筒壁进行力学强度校核计算。σrmax=−p（3-26σr—机筒径向力；p—机头最大压力σtmax=pσt由式（3-27）得σa=pσa由式（3-28）得根据第四强度理论，机筒的强度条件为σ=½σr−σσ—轴向应力根据式（3-29）可得由于螺杆与机筒得材料都是38CrMoAl，由上文中螺杆得强度校核可得：σ≥σ机头的设计和强度校核机头的主要零件设计参数Ⅰ、分流器结构及参数分流器是挤出机的重要零件，它将圆柱形料流分为均匀的圆环形料流，并支撑芯模。分流器顶尖到多孔板的距离一般为10~20mm，距离过长会使料流停止时间长容易分解，过小流苏不稳定。本设计选20mm。扩张角α。α的确定与物料黏度相关。一般低粘度物料α为60°~90°，高粘度物料α为30°~60°。本设计取α=60°。锥体长，一般（3-40）D=35mm=2D=70mm支架长，，单不得小于20，本设计取分流体头部圆角半径R。一般R=0.5~2mm，本设计取R=2mm分流器支架内径（3-41）Ⅱ、管材机头口模、芯棒主要技术参数口模和芯棒是形成管材内外表面的部件。它们在机头内组成装在一起构成环状缝隙。本设计取管材壁厚t=1.05mm，取管材外径=30mm1）芯棒的收缩角，2）芯棒压缩段长度，（3-42）3）口模定性段长度，（3-43）4）口模压缩角与芯棒收缩角相似，所以取口模压缩角=45°6）管材机头口模内径与芯棒外径的确定（3-44）管材外径；系数，取决于塑料种类；PE取1.20芯棒外径=（3-45）t管材壁厚；p系数，取1.16~1.20，p=1.20综上得到机体整体尺寸设计长：20+70+20+28+87.5=325.5mm取340mm宽：180mm高：180mm（四）紧固螺钉的强度校核1）口模与机体固定螺钉计算与校核选取螺钉规格是M*25Z=2，（3-46）所以单个螺钉受力：（3-47）螺钉的截面积：