SJ17035单螺杆挤出机的设计

徐州工程学院 08 届本科生毕业设计（论文）- I -本 科 生 毕 业 设 计姓 名： 学 号： 系 部： 专 业： 机械设计制造及其自动化 设计题目： SJ170/35 单螺杆挤出机的设计 专 题： SJ170/35 单螺杆挤出机的设计 指导教师： 职 称： 讲师 2008 年 6 月 徐州工程学院 08 届本科生毕业设计（论文）- II -毕业设计任务书学院 机电工程系 专业年级 机械设计制造及其自动化 学生姓名 任 务 下 达 日 期 ： 2007 年 1 月 2 日毕业设计日期： 2007 年 1 月 2 日 至 2008 年 5 月 17 日毕业设计题目：SJ170/35 单螺杆挤出机的设计毕业设计主要内容和要求：设计主要内容：1.对各种不同挤出机的总体结构进行深入剖析。2.根据主要技术参数设计挤出机的整体结构。3.运用 AutoCAD 绘制螺杆、机筒和机架零件图；挤出机总体结构装配图。设 计 要 求：1.挤出机总体结构的装配图 A 1 张02.挤出机机架零件图 A 1 张3.挤出机螺杆零件图 A 1 张4.挤出机机筒零件图 A 1 张5.说明书（20000 以上）及外文翻译 1 份徐州工程学院 08 届本科生毕业设计（论文）- III -系主任签字： 指导教师签字：徐州工程学院 08 届本科生毕业设计（论文）- IV -指导教师评阅书指导教师评语（基础理论及基本技能的掌握；独立解决实际问题的能力；研究内容的理论依据和技术方法；取得的主要成果及创新点；工作态度及工作量；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 指导教师签字：年 月 日徐州工程学院 08 届本科生毕业设计（论文）- V -评阅教师评阅书评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 评阅教师签字：年 月 日徐州工程学院 08 届本科生毕业设计（论文）- VI -徐州工程学院毕业设计评阅教师评阅书评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 评阅教师签字：年 月 日徐州工程学院 08 届本科生毕业设计（论文）- VII -徐州工程学院毕业设计答辩及综合成绩答 辩 情 况回 答 问 题提 出 问 题 正确基本正确有一 般性 错误有原 则性 错误没有回答答辩委员会评语及建议成绩：答辩委员会主任签字： 年 月 日学院领导小组综合评定成绩：学院领导小组负责人： 年 月 日徐州工程学院 08 届本科生毕业设计（论文）- VIII -摘要运用计算机辅助设计技术对挤出机总体结构进行设计可以促进企业的设计效率、优化设计方案，提高产品设计标准化水平，缩短了产品的设计周期，减轻了设计人员的工作强度并且降低了设计成本。本课题主要研究内容如下： (1) 对各种不同挤出机的总体结构进行深入剖析。(2) 根据主要技术参数设计挤出机的整体结构。(3) 运运用 AutoCAD 绘制螺杆、机筒和机架零件图；挤出机总体结构装配图。本课题运用 AutoCAD 技术进行挤出机总体结构的设计，可以缩短产品开发周期，提高产品质量，降低成本，增强企业的市场竞争能力。关键词：挤出机;螺杆；机筒；底座 徐州工程学院 08 届本科生毕业设计（论文）- IX -ABSTRACTCarries on the design using the computer-aided design technology to the annular gear gear cutter overall structure to be allowed to promote enterprises rated capacity, Optimization design proposal and product design standardization level enhancement, Optimization design proposal and product design standardization level enhancement, Reduced has designed personnels working strength and to reduce the design cost. This topic main research content is as follows:(1) Carries on the thorough analysis to each kind of different engine bed overall structure.(2) Carries on the three dimensional modeling to the annular gear gear cutter overall structure the plan proof,design engine bed foundation and engine bed overall structure three dimensional modeling.(3) In the Windows platform, using AutoCAD design engine bed foundation and the engine bed overall structure three dimensional modeling, and Engine bed foundation assembly drawingThis topic carries on the annular gear gear cutter overall structure using AutoCAD and the Pro/e technology the plane design and Improves the product quality,the three dimensional design, May reduce the product development cycle, Reduces the cost, Enhancement enterprises market competition ability.KEY WORDS：annular gear gear cutter, three dimensional modeling，overall structure, CAD, foundation, drawing .徐州工程学院 08 届本科生毕业设计（论文）第 10 页第一章 绪论1.1 螺杆挤出机的概述采用挤出工艺加工塑料制品，要选择对原料品种和制品规格合格的挤出生产线，经过绝对温度（冷却和加热），压力和速度等工艺参数的 控制，完成塑料制品生产的工艺过程。挤出生产线由挤出机（主机），模具（机头），制品成型和收集机械（辅机）组成。1 . 1 . 1 挤出基本理论塑料的挤出过程，是依靠挤出机螺杆把塑料经过输送，压实，并进一步熔融，使塑料处于完全均匀的塑化状态后，在压力下从口模挤出，经过成型机械定型，冷却后制成所需的制品。因此挤出机是塑料挤出的关键设备，它决定了挤出制品的质量和产量。挤出机主要由螺杆，机筒，加热冷却系统，传动系统和控制装置组成。其中螺杆是挤出机最关键的的功能部件，它担负了对物料的输送，压实，塑化，均化，加压，和泵出等挤出过程的主要功能。典型的单螺杆挤出机是三段式的，分别是加料，压缩和挤出段。挤出机螺杆主要参数是：螺杆直径 D，螺杆长径比 L/D 和压缩比。 1 . 1 . 2 挤出机的分类和用途目前塑料加工中使用的挤出机主要分为单螺杆和双螺杆挤出机。单螺杆挤出机有排气和非排气之分，双螺杆有同向和逆向之分，以及平行双螺杆和锥形双螺杆之分。此外还有特殊挤出机，比如：多螺杆挤出机，无螺杆挤出机等。常见单螺杆挤出机我国已经能够生产螺杆直径为 12mm 至 250mm1 . 1 . 3 不同螺杆挤出机的特点 单螺杆挤出机是最早获得普遍应用的挤出机，由于结构简单，加工效率高，在塑料加工成型领域获得广泛的应用。同样，为了满足不同的加工需要，各设备厂家进行过多徐州工程学院 08 届本科生毕业设计（论文）第 11 页种螺杆、机筒结构的探索。单螺杆挤出机从最初基本的纯螺旋结构，发展出各种不同结构，如阻尼螺块、排气挤出、开槽螺筒、销钉机筒、积木式结构等，因而令单螺杆挤出机的成型范围更广，适应领域更广阔。由于单螺杆挤出机占用空间小，更几乎成为复合加工与吹塑薄膜领域唯一使用的设备而独领风骚。单螺杆挤出机技术已经成为挤出加工市场不可忽视的重要部分。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。多螺杆挤出机一般指三螺杆或三螺杆以上的挤出机，通常也是为了达到更好的混合加工效果而设计。与单螺杆、双螺杆相比较，其市场应用要少得多。行星螺杆挤出机是近年较受市场关注的一种多螺杆挤出机，特别适合于一般通用塑料的挤出加工，作为成型加工的混配加料器具有更好的效果。 1.2 挤出机市场现状与发展趋势 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後的市场将向高技术含量、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，技徐州工程学院 08 届本科生毕业设计（论文）第 12 页术较成熟，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%左右。国内主机市场今後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。1.2.1 特种单螺杆挤出机 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）手提式挤出机研制成功。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 8001200rpm，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，设计了特殊的多路排气装置，以充分保证气体的排出。徐州工程学院 08 届本科生毕业设计（论文）第 13 页此外，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。 （2）磨盘挤出机实现商业化 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%以上。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徐州工程学院 08 届本科生毕业设计（论文）第 14 页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。（三）往复螺杆挤出机系列化 往复螺杆挤出机在前几年的国内市场红火一时，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%以上，特别适于高填充物料的加工，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後于国际先进水平。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，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、板徐州工程学院 08 届本科生毕业设计（论文）第 15 页材、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。徐州工程学院 08 届本科生毕业设计（论文）第 16 页第二章 挤出机的整体设计2.1 PE 铝塑板的基本特性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铝塑板生产线的挤出机，这就要求对铝塑板的性能有一定的掌握和了解。铝塑板是由多层材料复合而成，上下层为高纯度铝合金板，中间为无毒低密度聚乙烯（PE ）芯板，其正面还粘贴一层保护膜。对于室外，铝塑板正面涂覆氟碳树脂（PVDF）涂层，对于室内，其正面可采用非氟碳树脂涂层。铝塑板是易于加工、成型的好材料。更是为追求效率、争取时间的优良产品，它能缩短工期、降低成本。铝塑板可以切割、裁切、开槽、带锯、钻孔、加工埋头，也可以冷弯、冷折、冷轧，还可以铆接、螺丝连接或胶合粘接等。PE 铝塑板即聚乙烯铝塑板，PE,全名为 Polyethylene，是最结构简单的高分子有机化合物,当今世界应用最广泛的高分子材料,由乙烯聚合而成,根据密度的不同分为高密度聚乙烯、中密度聚乙烯和低密度聚乙烯。低密度聚乙烯较软,多用高压聚合;高密度聚乙烯具有刚性、硬度和机械强度大的特性,多用低压聚合。高密度聚乙烯可以做容器、管道,也可以做高频的电绝缘材料,用于雷达和电视。大量使用的常为低密度(高压)聚乙烯。聚乙烯为蜡状,有蜡一样的光滑感,不染色时,低密度聚乙烯透明,而高密度聚乙烯不透明。聚乙烯是通过乙烯( CH2=CH2 )的加成反应和聚合反应，由重复的 CH2单元连接而成的高聚合链。聚乙烯的性能取决于它的聚合方式；在中等压力(15-30 大气压)有机化合物催化条件下进行 Ziegler-Natta 聚合而成的是高密度聚乙烯(HDPE)。这种条件下聚合的聚乙烯分子是线性的,且分子链很长,分子量高达几十万。如果是在高压力(100-300MPa),高温(190 210 C),过氧化物催化条件下自由基聚合,生产出的则是低密度聚乙烯(LDPE),它是徐州工程学院 08 届本科生毕业设计（论文）第 17 页支化结构的。聚乙烯不溶于水,吸水性很小,就是对一些化学溶剂,如甲苯、醋酸等,也只有在 70以上温度时才略有溶解。但是微粒状的聚乙烯,可以在 1540之间随温度的变化熔化或凝固,温度升高时熔化,吸收热量;温度降低时凝固,放出热量。又因为它吸水量很小 ,不易潮湿,有绝缘性能,因此是很好的建筑材料。2.2 产品的设计要求制品有效宽度 12201750，厚度 1.05mm，其中铝箔厚度 0.030.5mm。 2.3 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。最早出现的螺杆是不分段的，随着生产的发展，从实践和理论都证明了将螺杆分为加料段、压实段和计量段是比较合理的。螺杆直径的确定：150mm，螺杆长径比 35。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，如果是新型的螺杆，其有效长度中应该包括混炼段的长度。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、(2 4）、25、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。 L=35D=35150=5250mm普通螺杆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。压缩段与熔融理论中的熔融段并不完全相同。在熔融理论中，熔融起点和熔徐州工程学院 08 届本科生毕业设计（论文）第 18 页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。2.3.1 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）计量段槽深的确定：我们知道，计量段中熔料的剪切速率 可按下式计算：= （3-1）3HDn显然，计量段螺槽深度 H 愈小，在相同的螺杆转速下剪切速率便愈大，因而分3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 4 。由于剪切应力而产生的热量和螺槽深度 H 的平方成反比。3Q= = (3-2)a2a23)(Dn式中： Q熔料因剪切产生的热量；剪切应力；剪切速率； 熔料的表现粘度。a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量。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 H 较小时，混炼程度较高，制品比较均匀。在本章3徐州工程学院 08 届本科生毕业设计（论文）第 19 页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 150220,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 T 和分解温度 T 比较接近（如硬聚氯乙烯加工温度范围为f d150190，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 H 不能选择过小。3. 几种常用塑料在计量段中的最大剪切速率如表所示：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。塑 料 最大剪切速率 /S 1LDPE（相对分子质量较高）LDPE（相对分子质量较低）HPVCSPVCPS56104266010892徐州工程学院 08 届本科生毕业设计（论文）第 20 页根据表格取 =71 1S由 公式 = 3HDn得 =n3 m5.7104.以上从挤出质量的观点分析了计量段螺槽深度 H 的影响，此外我们还可以从产量3的角度来分析计量段螺槽深度 H 的影响。从熔体输送理论的生产率公式可以看出：正流3Q 正比于螺槽深度 H ，而压力流 Q 却正比于 H 的立方。由此可以分析：当机头压力较d3p3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 H并不能使生产率增加，甚至还会产生相反的作用。3也可以从融体输送理论来估算螺槽深度 H 的最佳值，3(3-3)2(6331WQvdzp将上式对 H 求导并令导数等于零，经一系列推导，可求得 H 的最佳值：3 3H =（ ） (3-4)326DSinLKQ1式中 _口模形状系数。Q在未知口模系数情况下 H 的值没办法确定。有上面的分析可知，H 的决定受到多方3 3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 H3H =kD （3-5）3据统计螺槽深系数 k 值，发现大致规律如图 14-6 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，徐州工程学院 08 届本科生毕业设计（论文）第 21 页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 L 可以设计的较3长，此时由于螺槽深度 H 加大造成压力流 Q 的增加和混炼段 M 的下降可以通过计量段的3p增加来弥补。除此之外在设计新型螺杆时，由于附加的混炼元件保证了塑料的熔融与均化，因此新型螺杆的计量段槽深系数 k 也可以取得最大值。从图 14-6 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。根据经验公式可以来校核，当 H =7.5mm 时 k 的取值为 4.5 在 k=0.020.07 范围内。3（二）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 H 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 H 增加1 1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 0.550.64g/cm ，而熔融后的密度为 0.76 3g/cm .因此，其物理压缩比为 1.381.18。3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，徐州工程学院 08 届本科生毕业设计（论文）第 22 页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：常用螺杆的几何压缩比塑料 塑料 HPVC（粒料）HPVC（粉料）SPVC（粒料）SPVC(粉料)PEPPPSCAPMMAPETPCTFE2.5（23）34（25）3.23.5（34）35343.74（2.54）22.5（24）1.7233.53.72.53.3ABSPOMPPOPCPSFPSFPA6PA66PA10101.8（1.62.5）4（2.84）2（23.5）2.532.833.743.33.63.53.7注：括号中为选用范围，括号外为选用范围。几何压缩比一般用下式计算：= 3-631)(HD式中，H 和 H 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13式的条件是外径 D、螺距 S、螺纹法向棱宽 e 和螺纹升角 在螺杆全长上都保持不变，螺纹头数为 1.徐州工程学院 08 届本科生毕业设计（论文）第 23 页当压缩比 和计量段槽深 H 决定后，加料段槽深 H 便可从下式算出：3 1H =0.5D- 3-71 )(4332D为了计算方便，可以用简化的公式 3-8 来计算压缩比 。乘以系数 0.93 后，该式误差仅 0.1 左右。=0.93 H /H 3-813根据上表取压缩比为 3.3，得 ： H 。m2693.012.3.2 螺距和螺纹升角的确定对单头螺纹，螺距 S、螺纹升角 和螺纹直径 D 之间有下述关系：S=Dtan 3-9显然在螺杆直径已知以后，螺距和螺纹升角只要决定一个，另一个也就 确定了。从固体输送生产率公式 6-4 和熔体输送理论生产率公式 11-27 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f =f 0.250.5, 螺纹升角等于 17 20 时，固体输送生产率可以达到最大值。实验也证bs 0明，对圆柱性塑料，最佳螺纹升角大约在 17 左右。而从熔体输送理论的角度上讲，将有0关流率公式经数学推到简化，并对 角求导，并令导数等于零，可求的最佳螺纹升角为30 。这也是为什么当前的螺纹升角都在 17 30 范围之内的原因。而目前为了设计加0 0工的方便，设计时大多取螺杆直径等于螺距，这时螺纹升角就等于 17 42 。02.3.3 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，同时加大徐州工程学院 08 届本科生毕业设计（论文）第 24 页了 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HW几个螺槽中，熔体填充情况有可能不同，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。2.3.4 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，其压缩段仅（0.51）D 。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。此外，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 1 中还指徐州工程学院 08 届本科生毕业设计（论文）第 25 页出：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。在需要准确计算压缩段长度时，可以按照熔融理论中介绍的方法，首先设定螺杆有关参数，然后很据工艺操作条件和塑料性能来计算固相分布函数 X/W=f(z)。如果正好在压缩段上完成了 X/W 从 1 到 0 的过程，那么便可以认为原来设计的参数是合理的。如果相差太多，那便应重新设计螺杆参数，再行计算。当然，此时不仅设计了压缩段长度 L2，而且也一起设计了其他螺杆参数。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 L1 也应该有足够的长度。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 （无定形塑料没有这一项）。此外，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 L1 应该长一些。固然可以用固体输送理论非等温模型的有关公式来计算加料长度 L1。但由于计算过程比较复杂，所以至今为止，在决定加料段 L1 的长度时，还必须参考实验得到的数据和经验公式。文献 1 中报导了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14-3 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。实验徐州工程学院 08 届本科生毕业设计（论文）第 26 页也测出，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。从图 14-3 还可以看出：如果能在加料段中及早形成较高的压力，熔融起点可提前，这也是在机筒加料段上开纵向沟槽的优点之一。在理想的情况下，压缩段与熔融段重叠，塑料移动到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：M=3.71 （14-1） 式中， L3 和 H3 为计量段长度和深度，a 为截流)1(64.3aHL比，a=QpQd 。显然，M 值愈大，均化作用也愈佳。从式（14-10 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（12-27）可以看出：计量段愈长，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 14-4 所示。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（11-27）中的压力流 Qp 来初步估算计量段长度 L3 Qp=Sin 2 （3-10）31LpDH徐州工程学院 08 届本科生毕业设计（论文）第 27 页L3=Sin 2 （3-11）QpDH13如果令 Qp0.05Q，即因机头压力而引起的产量损失小于总产量的 5%， 角一般为17.6。根据料温和剪切速率 = ,可以从附录二查出粘度 1 。计算时可以现令机3Hn头压力 p=15MPa。此时 L3 的计算公式可简化为：L3=72 13QD例如：螺杆直径为 65的挤出机，其产量要求为 165kg/h，相应体积流率6.2x10 m /s。此时，按式（ 14-4）计算，L 3 为 320，大致相当于 5D 左右。53转速 n、产量 Q、剪切速率 、粘度 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 H 的关系很大（成立方关系，参考式 14-4），任何影响槽深 H3因素都会反过来影响计量段长度 L 。因此，按式（ 14-4）得到结果也只能作为参考之用，3 3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 14-1 提供的数据来考虑螺杆三段长度的分配。螺杆三段长度分配塑料类型 加料段 L1压缩段 L 2计量段 L 3无定性塑料结晶型塑料20%30%40%60%45% 50%（25）D25% 30%30% 45%从上面一系列分析可以看出，为了保证挤出机各方面的性能，加料段、压缩段和计量段都有加长的趋势，这势必引起螺杆长径比的增加。长径比增大后，塑料在机筒中塑化得更均匀，从而提高了产品的质量，另一方面，长径比增加后，在塑化质量要求不变的前提下（主要体现在塑料在机筒中停留时间不变），螺杆的转速便可以提高，从而便提高了生产率。长径比增加不仅仅由上述因素引起。为了完成某些特定的生产工艺，最近发展和出徐州工程学院 08 届本科生毕业设计（论文）第 28 页现的一系列特种挤出机，往往都需要较大的长径比。例如，排气挤出机和反应挤出机。其长径比都达到 40 左右或更长。事物都是一分为二的。长径比增大后，螺杆、机筒的加工与机器的装配都比较困难，成本也相应提高。长径比增大以后，螺杆弯曲的可能性也增增加，容易发生螺杆与机筒的刮磨。因此，在不需要较大的长径比时，便不应麻木地增加长径比。应当力求在较小的长径比下，获得制品的高质量和高产量。一般说来，长径比有增大的趋势（表 14-2）。目前，世界上最大的单螺杆挤出机的最大长径比以达 56，但大多数都在 2535 范围内。螺杆长径比有增大趋势年 份 1930194019501960196019701970198019902000L/D 815 1520 1825 2035 2545（3）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 14-8.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 R 比后面的圆弧半径 R 小，一般后角 为 20 。1 20R =（ ）H 3-12123R =（23）R 3-131螺杆直径较大者，圆弧半径 R 可取得较大。图 14-8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 14-9，设计这种螺纹断截面的出发点是：根据塞流固体输送理论，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，正如非塞流固体输送理论指出的那样：只有当外压力很大，而且料粒徐州工程学院 08 届本科生毕业设计（论文）第 29 页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，各层塑料间将存在着相对滑移，下层塑料不易被机筒拖拽向前推进。因此，在螺槽底部便容易形成一层滞流，在螺纹推进面、后面也会形成类似的滞流。这时，以较快速度运动的上层塑料将自傲下层塑料上滑移，而它们之家的摩擦因数将是内摩擦因数 f ，而不是外摩擦因数 f 。前者将比后者大 5 倍左右。这就i a相当于增大了塑料与螺杆的摩擦因数，根据固体输送理论，这将降低固体输送流率。从固体力学可以推到出，由于螺棱侧面和螺槽地面的综合影响，剪切滑移面将和螺棱的两个侧面形成 和 的角度，因此，可以将螺棱的两个4 2侧面设计成双楔形以适应上述情况。不同的塑料和不同的粒料形状其内摩擦角是不同的。因此，楔角 和 将 2433在之间。但是由于螺槽是螺旋形的，固体压力自傲两个侧面将不相等。因此 和 的数值不相等， 角一般小于 角，建议用=30， =45。实验的结果表明：双楔形断面的螺杆与矩形端面螺杆相比，对包括 HPVC在内的多种塑料都具有较好的效果，螺杆运转稳定，塑化质量良好，产量能提高 30%50%.目前对这种螺杆还在研究之中。螺棱法向宽度 e 和轴向宽度 b： e=(0.080.12)D (3-14)b= (3-15)Cose徐州工程学院 08 届本科生毕业设计（论文）第 30 页几种塑料的内摩擦角 i塑 料 形 状 内摩擦角/PSPSPEPEPPPPPVC球状料粒料粉料粒料粉料粒料粉料24422736383933一般取 e=0.1D。当螺棱 e 或 b 较大时会增大螺棱上的功率消耗。过大的螺棱宽还会较少螺槽的容积。但 e 值 也不能太小，太小的值会使漏流增加，从而降低生产率，同时还会增加螺杆的磨损。螺棱顶面形状进行了深入的研究提出了将直线形螺顶改成阶梯形螺顶和楔形螺顶。这种设计的主要目的是为了较少螺杆与机筒的直接接触，保证在螺棱和机筒间形成稳定的熔融物润滑膜以减少螺杆与机筒间的磨损。一般直线形螺顶中，螺棱的锐边有可能将螺棱间隙中的熔融物刮去，徐州工程学院 08 届本科生毕业设计（论文）第 31 页破坏熔膜的润滑作用。而在阶梯形螺顶和楔形螺顶上，压力的分布都是中间高两边低，产生的还原力会使螺杆悬浮于机筒之间不会产生金属的直接接触从而减少螺杆和机筒之间的磨损。根据的计算的结果，对 D=150、e=20 、=0.15的挤出机，阶梯形螺杆的合理尺寸为 /=1.8，e /e =2.5。而楔形螺顶的合理尺寸为 110/=2.2， e /e =5。110采用这两种螺顶结构之后，虽然能减少螺杆和机筒的磨损，但是由于平均螺棱间隙 加大，漏流量也将增大 20%左右。根据以上分析螺杆参数初步确定如下：螺杆直径 D=17010 m；长径比 L/D=35;3螺距 S=17010 m；螺棱宽 e=1510 m；螺纹头数 M=1；3 3加料段长度 L =137010 m；加料段螺槽深度 H =2610 m；13 13压缩段长度 L =136010 m；23计量段长度 L =340mm; 计量段螺槽深度 H =7.5mm;3 3为了设计的科学性，对螺杆的参数做以下校核：（1） 螺杆挤出参数螺杆直径 D=17010 m；长径比 L/D=35;3螺距