【文章內(nèi)容簡介】 擠出機的用途選擇 不同用途的擠出機，根據(jù)工作性質(zhì)和擠塑塑料品種來選配螺桿。如果只用于一種塑料制品得選擇，可按該塑料產(chǎn)品得要求，訂購專用螺桿擠出機。如果擠出機要擠塑不同材料的多種制品，就應(yīng)選擇螺桿具有較大得通用性。 螺桿的分類 按照螺桿得結(jié)構(gòu)和螺桿螺紋部分的幾何形狀，可分為普通螺桿、新型螺桿和排氣螺桿。 （ 1）普通型螺桿 普通螺桿擠出機是現(xiàn)在廣泛使用的擠出機，能擠塑粉料和粒料。這種螺桿螺紋部分可分為加料段、塑化段和均化段。普通螺桿與新型螺桿比較有許多不足之處，有逐漸被新型螺桿取代得趨勢。 （ 2）新型螺桿 與普 通螺桿比較，就是在螺桿的不同部位上設(shè)計了非螺紋元件，以改進(jìn)塑料得混合、熔融塑化質(zhì)量和縮短擠塑生產(chǎn)時間。 （ 3） 排氣螺桿 在擠塑物料得過程中，為能夠排除物料中的空氣、揮發(fā)物氣體和水蒸氣，而專門設(shè)計的螺桿。 螺桿方案的確定 介于本設(shè)計的加工的是溶體材料為聚苯乙烯（ PS）。 PS 為乙烯的聚合物，在生產(chǎn)中無特殊的要求，因此選用普通螺桿 ,材料為 45 號鋼。 機筒類型的確定 機筒與螺桿配合工作，組成擠出機的擠壓系統(tǒng)。在擠塑物料的工作中，它的作用和螺桿工作同樣重要。機筒和螺桿是擠塑系統(tǒng)的主要組成零件， 也是擠出機的關(guān)鍵零件。對于機筒結(jié)構(gòu)形式的選擇和制造精度等級，都會直接影響塑料制品的產(chǎn)量和質(zhì)量。 機筒的結(jié)構(gòu)形式設(shè)計選擇，應(yīng)該是在保證其工作強度的基礎(chǔ)上，注意考慮它有黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 9 利于被擠塑物料的塑化，結(jié)構(gòu)形式方便機械加工；同時能得到較高的精度；再一點是要盡量節(jié)省一些較貴重的合金鋼。這幾點對擠出機的制造工藝及費用，都有較重大影響。 （ 1） 整體式機筒 整體式機筒應(yīng)用比較多，比較起來整體式機筒的機械加工精度比較容易保證，工作時各部加熱均勻，對機筒的加熱和冷卻系統(tǒng)也較好安排和布置。一般小直徑擠出機的機筒，包括有溝槽的加料段 部分。大直徑擠出機的機筒不 包括加料段。 （ 2）分段式機筒 長徑比值比較大得擠出機和排氣式擠出機，由于機筒過長，為便于機械加工和節(jié)省合金鋼材，通常采用分段式機筒。但是這種機筒在機加工時也有難度。即二段機筒的內(nèi)圓直徑尺寸的一致性和同心度精度的保證，很難達(dá)到要求。由于中間要用法蘭盤連接，則對機筒加熱得均勻性，連接部分要受影響。對加熱和冷卻系統(tǒng)的安排布置也帶來一定的困難。 （ 3）襯套式機筒 襯套式機筒主要用在大直徑的擠出機上，目的是為了節(jié)省較貴重的合金鋼材。機筒體用鑄鋼或普通碳素鋼制造，而機筒的內(nèi) 襯套用滲碳合金剛制造。當(dāng)襯套磨損時，只需更換襯套即可。但由于薄而長的襯套的機械加工和熱處理很困難，所以，也很少應(yīng)用。 （ 4）雙金屬層機筒 在鑄鋼或碳素鋼機筒體的內(nèi)壁，用離心澆鑄法鑄一層耐磨合金，然后機械加工內(nèi)孔至所需要的尺寸。這種機筒既節(jié)省了很多合金鋼又能保證它的耐磨性和抗腐蝕性。 本章小結(jié) 介于機筒和螺桿得配合工作，組成了擠出機的擠壓系統(tǒng)，共同完成對物料的擠壓塑化，生產(chǎn)出塑料制品。在完成擠塑工作時，機筒和螺桿一樣，要承受巨大的壓力、扭矩和摩擦壓力及物料得腐蝕。因此我們選擇滲碳合金鋼 38 AAMC lor 外徑為230mm。結(jié)合本設(shè)計得要求和螺桿的形式，機筒選擇整體式。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 10 第 3 章 擠出機構(gòu)設(shè)計 不同的生產(chǎn)線對擠出機的具體要求不一樣，這就需要根據(jù)不同塑料的性能設(shè)計出合理的擠出機。本次設(shè)計的擠出機是用于聚苯乙烯 (PS)生產(chǎn)線的擠出機，這就要求對聚苯乙烯 (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 是最結(jié)構(gòu)簡單的高分子有機化合物 ,低密度聚 苯 乙烯較軟 ,多用高壓聚合 。高密度聚 苯 乙烯具有剛性、硬度和機械強度大的特性 ,多用低壓聚合。聚 苯 乙烯為蠟狀 ,有蠟一 樣的光滑感 ,不染色時 ,低密度聚 苯 乙烯透明 ,而高密度聚 苯 乙烯不透明 ，聚苯乙烯是結(jié)晶高分子，熔點達(dá)到 270℃。 螺桿設(shè)計 螺桿是擠出機最重要的部件，其性能好壞直接影響塑化質(zhì)量和產(chǎn)量。整個理論幾乎都是圍繞著螺桿上發(fā)生的擠出過程展開的。因此，螺桿設(shè)計是擠出理論最重要的應(yīng)用領(lǐng)域之一。 螺桿直徑的確定： 150mm，螺桿長徑比 20。螺桿的長徑比 L/D 指螺桿的有效長度 L和螺桿的直徑 D 之比，長徑比是代表擠出機性能的一個主要的技術(shù)參數(shù)。 歐洲塑料橡膠機械制造廠委員會建議長徑比 1 1 (18)、 (24）、 2 2 35，括號中的數(shù)值盡量不用或少用。對于某些排氣螺桿，長徑比達(dá)到 40 左右或更長。本設(shè)計中螺桿的有效長度為： L=20D=20 150=3000mm 普通螺桿全長分為三段，即加料段 L1 、壓縮段 L2 和計量段 L3,計量段有時也叫均化段。在熔融理論中，熔融起點和熔融重點以及熔融段長度 Lm 在螺桿上并非固定不變，他們隨著擠出工藝條件和塑料性能的變化而變化。而壓縮段指的是螺槽深度有加料段深 H1變至計量段槽深 H3 的那段長度，它是螺桿設(shè)計者人為設(shè)計的長度，一旦螺桿設(shè)計出來這個長度也就確定了。 螺槽深度和 壓縮比的確定 螺槽深度是很重要的參數(shù)，我們可以從制品的質(zhì)量與產(chǎn)量兩方面來分析。 （ 1）計量段槽深的確定： 我們知道，計量段中熔料的剪切速率γ可按下式計算： 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 11 3HD??? （ ） 顯然，計量段螺槽深度 3H 愈小，在相同的螺桿轉(zhuǎn)速下剪切速率便愈大，因而分子間的內(nèi)摩擦力也愈大。從式（ ）可以看出，熔料因內(nèi)摩擦而產(chǎn)生的熱量正比于剪切應(yīng)力和剪切速率。由于剪切應(yīng)力而產(chǎn)生的熱量和螺槽深度 3H 的平方成反比。 0Q ∝2322HDaa )(?????? ?? （ ） 式中 0Q —— 熔料因剪切產(chǎn)生的熱量； τ —— 剪切應(yīng)力； γ —— 剪切速率； a? —— 熔料的表現(xiàn)粘度。 由此可見，螺槽深度較淺時，物料層內(nèi)部會產(chǎn)生較多的熱量。此外，螺桿上物料層較薄，由外界加熱器傳進(jìn)來的熱量也容易將塑料熱透。這方面因素都證明了計量段槽深較小時，對促進(jìn)塑料的塑化質(zhì)量是很有好處的。 從混合效果上來講，計量段槽深較小時，混煉程度較高，制品比較均勻。在本章后面我們將進(jìn)一步指出：當(dāng)計量段槽深較淺時，壓力波動和溫度波動都比較小，這時對制品的綜合質(zhì)量都是有利的。 但是，我 們知道，只有那些承受高剪切速率的的塑料，如聚乙烯，才能選用較小的槽深，這類塑料的成型溫度范圍很寬（如聚乙烯成型溫度范圍為 150～ 220℃ ,其范圍達(dá) 70℃），熱穩(wěn)定性很好。因剪切或其他原因造成的局部過熱不易造成無法彌補的后果。相反對那些步能承受高剪切速率的塑料，如硬聚氯乙烯等熱敏性塑料，他們的粘度較高，如果螺槽深度較淺，勢必造成過多的因高剪切產(chǎn)生的熱量。再加上這類塑料的成型溫度范圍比較窄，粘流溫度 Tf 和分解溫度 Td 比較接近 （如硬聚氯乙烯加工溫度范圍為 150℃～ 190℃，其范圍僅 40℃），熱穩(wěn)定性較差，強烈的內(nèi)摩擦將使它們過熱分解甚至燒焦。因此，加工這類塑料的螺桿計量段螺槽深度 H3 不能選擇過小。 表中的數(shù)值并不是不可以突破的，尤其是承受高剪切的時間很短時，例如在某些新型螺桿的屏障棱上，我在后面還要進(jìn)一步分析這個問題。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 12 表 各塑料的最大速率 本設(shè)計加工物料為聚苯乙烯（ PS），根據(jù)表格取γ =93 1?S 由 公式3HD??? （ ） 得 mmDH 593 1 5 01 4 1 533 ???? .?? 以上從擠出質(zhì)量的觀點分析了計量段螺槽深度 3H 的影響，這種觀點是確定計量段螺槽深度的主要方法，用這種方法確定的計量段螺槽深度基本上滿足了對計量段螺槽深度的要求。 此外我們還可以從產(chǎn)量的角度來分析計量段螺槽深度 3H 的影響。從熔體輸送理論的生產(chǎn)率公式可以看出：正流 dQ 正比于螺槽深度 3H ，而壓力流 pQ 卻正比于 3H的立方。由此可以分析：當(dāng)機頭壓力較低時，增加計量段螺槽深度可以增加產(chǎn)量；而當(dāng)機頭壓力增大到超過臨界壓力，加深 H3 并不能使生產(chǎn)率增加，甚至還會產(chǎn)生相反的作用 ,也可以從融體輸送理論來估算螺槽深度 3H 的最佳值， )( 33023126 WHQHvddzp ?? η () 將上式對 3H 求導(dǎo)并令導(dǎo)數(shù)等于零，經(jīng)一系列推導(dǎo)，可求得 3H 的最佳值： 21233 6 )( φDSinLKH Q?? （ ） 在式中 QK — 形狀系數(shù) 未 知口模系數(shù)情況下 H3 的值沒辦法確定。有上面的分析可知， H3 的決定受到塑 料 最大剪切速率γ /S 1? LDPE（相對分子質(zhì)量較高） LDPE（相對分子 質(zhì)量較低） HPVC SPVC PS 56 104 26 60 92～ 108 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 13 多方面的因素影響，很難用一個簡單的理論公式來進(jìn)行計算。設(shè)計時，還可以根據(jù)經(jīng)驗公式（ ）來決定螺槽深度 H3 。 3H =kD （ ） 據(jù)統(tǒng)計螺槽深系數(shù) k 值，發(fā) 現(xiàn)大致規(guī)律如圖 所示。由圖可見，計量段螺槽深系數(shù) k 大都在 ～ 范圍內(nèi)。螺桿直徑較大者， k 值應(yīng)選擇較小，螺桿直徑較小者， k 值應(yīng)選擇較大；熱穩(wěn)定性較好的塑料 k 較小，熱穩(wěn)定性較差的塑料 k 值較大；當(dāng)螺桿長徑比較大時， k 值可以選擇較大。這是由于長徑比較大的螺桿的計量段 3L 可以設(shè)計的較長，此時由于螺槽深度 H3 加大造成壓力流 Qp 的增加和混煉段 M 的下降可以通過計量段的增加來彌補。從圖 還可以看出：根據(jù)塑料熱穩(wěn)定性的不同，系數(shù) k 分為三個區(qū)域。上層適用與 PVC 等熱穩(wěn)定性較差的塑料，此時 k值較大。下層適用熱穩(wěn)定性較好的塑料，此時 k 值較小。 圖 螺槽系數(shù) K 的確定 根據(jù)經(jīng)驗公式可以來校核，當(dāng) 3H =5mm 時 k 的取值為 在 k=～ 范圍內(nèi)。 （ 2）加料段槽深和壓縮比的確定 加料段的主要目的是建立必要的壓力和保證穩(wěn)定的固體輸送。但自今為止加料黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 14 段的槽深 H1的影響還不是很清楚。按 DarnellMol 理論的固體輸送生產(chǎn)率公式加料段 H1增加后固體輸送生產(chǎn)率會提高。由于加料段中的塑料并不像 D 塞流理論所假設(shè)的那樣整塊的移動，而是在斷面上有一速度分布。加料段螺槽較深時，壓力難以傳至螺槽底部，靠近螺槽底部的塑料運動速度較慢，這就降低了固體輸送生產(chǎn)率。因此存在一個最佳加料段槽深。顆粒內(nèi)摩擦因數(shù)較高的塑料，要比顆粒內(nèi)摩擦因數(shù)較低的塑料更接近于整塊移動。 實際上，加料段槽深是根據(jù)螺桿壓縮比和計量段槽深來確定的。所謂壓縮比是指螺槽加料段第一個螺槽容積和計量段最后一個螺槽容積之比，即幾何壓縮比，而不是螺槽深度之比。這個數(shù)值不同于物理壓縮比。后者指的是塑料在加料時的松密度和受熱熔融后的密度之比。如，聚乙烯在松散時密度為 ～ ，而熔融后的密度為 g/cm3 .因此，其物理壓縮比為 ～ 。 顯然幾何壓縮比應(yīng)大于物理壓縮比。這是因為除了應(yīng)考慮密度的變化之外，還應(yīng)考慮在壓力下熔融料的壓縮性、塑料在加料段的裝填程度 、擠壓過程中塑料的回流等因素，尤其還應(yīng)考慮制品性能所要求的壓縮密實的必要性。應(yīng)此對加工同一種塑料的的螺桿，不同設(shè)計者對其幾何壓縮比有不同的選擇，而加工不同塑料的螺桿，其壓縮比變化應(yīng)更大（大多數(shù)在 2～ 5 之間，個別情況大至 8，小至 1）。根據(jù)螺桿國內(nèi)外的資料統(tǒng)計如下： 表 常用螺桿的幾何壓縮比 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 ～ 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 15 幾何壓縮比一般用下式計算： 3311)( )( HHD HHD???? （ ） 式