单螺杆挤出机构设计说明书

单螺杆挤出机构设计说明书内容摘要：

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。 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，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。 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。 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，注意考虑它有黑龙江工程学院本科生毕业设计 9 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。 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腐蚀性。 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 38 AAMC lor 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。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 10 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。 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 ,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 270℃。 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 1 1 (18)、 (24）、 2 2 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=20 150=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。 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）计量段槽深的确定： 我们知道，计量段中熔料的剪切速率γ可按下式计算： 黑龙江工程学院本科生毕业设计 11 3HD （ ） 显然，计量段螺槽深度 3H 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（ ）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 3H 的平方成反比。 0Q ∝2322HDaa )(  （ ） 式中 0Q —— 熔料因剪切产生的热量； τ —— 剪切应力； γ —— 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。 此外，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。 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 150～ 220℃ ,其范围达 70℃），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 比较接近 （如硬聚氯乙烯加工温度范围为 150℃～ 190℃，其范围仅 40℃），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 H3 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。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 12 表 各塑料的最大速率 本设计加工物料为聚苯乙烯（ PS），根据表格取γ =93 1S 由 公式3HD （ ） 得 mmDH 593 1 5 01 4 1 533  . 以上从挤出质量的观点分析了计量段螺槽深度 3H 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 3H 的影响。 从熔体输送理论的生产率公式可以看出：正流 dQ 正比于螺槽深度 3H ，而压力流 pQ 却正比于 3H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 3H 的最佳值， )( 33023126 WHQHvddzp  η () 将上式对 3H 求导并令导数等于零，经一系列推导，可求得 3H 的最佳值： 21233 6 )( φDSinLKH Q （ ） 在式中 QK — 形状系数 未 知口模系数情况下 H3 的值没办法确定。 有上面的分析可知， H3 的决定受到塑 料 最大剪切速率γ /S 1 LDPE（相对分子质量较高） LDPE（相对分子 质量较低） HPVC SPVC PS 56 104 26 60 92～ 108 黑龙江工程学院本科生毕业设计 13 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（ ）来决定螺槽深度 H3。 3H =kD （ ） 据统计螺槽深系数 k 值，发 现大致规律如图 所示。 由图可见，计量段螺槽深系数 k 大都在 ～ 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 3L 可以设计的较长，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 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 螺槽系数 K 的确定 根据经验公式可以来校核，当 3H =5mm 时 k 的取值为 在 k=～ 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。 但自今为止加料黑龙江工程学院本科生毕业设计 14 段的槽深 H1的影响还不是很清楚。 按 DarnellMol 理论的固体输送生产率公式加料段 H1增加后固体输送生产率会提高。 由于加料段中的塑料并不像 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 ～ ，而熔融后的密度为 g/cm3 .因此，其物理压缩比为 ～。 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 2～ 5 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 常用螺杆的几何压缩比 塑料 ε 塑料 ε HPVC（粒料） HPVC（粉料） SPVC（粒料） SPVC(粉料 ) PE PP PS CA PMMA PET （ 2～ 3） 3～ 4（ 2～ 5） ～ （ 3～4） 3～ 5 3～ 4 ～ 4（ ～4） 2～ （ 2～ 4） ～ 2 3 ABS POM PPO PC PSF PSF PA6 PA66 PA1010 （ ～ ） 4（ ～ 4） 2（ 2～ ） ～ 3 ～ 3 ～ 4 ～ 黑龙江工程学院本科生毕业设计 15 几何压缩比一般用下式计算： 3311)( )( HHD HHD （ ） 式。