【文章內(nèi)容簡介】 擠出機(jī)的用途選擇 不同用途的擠出機(jī)，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(jī)。如果擠出機(jī)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(jī)是現(xiàn)在廣泛使用的擠出機(jī)，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(jì)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(shí)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(jì)的螺桿。 螺桿方案的確定 介于本設(shè)計(jì)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(jī)筒類型的確定 機(jī)筒與螺桿配合工作，組成擠出機(jī)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(jī)筒和螺桿是擠塑系統(tǒng)的主要組成零件， 也是擠出機(jī)的關(guān)鍵零件。對于機(jī)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(jī)筒的結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)選擇，應(yīng)該是在保證其工作強(qiáng)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(jì) 9 利于被擠塑物料的塑化，結(jié)構(gòu)形式方便機(jī)械加工；同時(shí)能得到較高的精度；再一點(diǎn)是要盡量節(jié)省一些較貴重的合金鋼。這幾點(diǎn)對擠出機(jī)的制造工藝及費(fèi)用，都有較重大影響。 （ 1） 整體式機(jī)筒 整體式機(jī)筒應(yīng)用比較多，比較起來整體式機(jī)筒的機(jī)械加工精度比較容易保證，工作時(shí)各部加熱均勻，對機(jī)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(jī)的機(jī)筒，包括有溝槽的加料段 部分。大直徑擠出機(jī)的機(jī)筒不 包括加料段。 （ 2）分段式機(jī)筒 長徑比值比較大得擠出機(jī)和排氣式擠出機(jī)，由于機(jī)筒過長，為便于機(jī)械加工和節(jié)省合金鋼材，通常采用分段式機(jī)筒。但是這種機(jī)筒在機(jī)加工時(shí)也有難度。即二段機(jī)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(jī)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(jī)筒 襯套式機(jī)筒主要用在大直徑的擠出機(jī)上，目的是為了節(jié)省較貴重的合金鋼材。機(jī)筒體用鑄鋼或普通碳素鋼制造，而機(jī)筒的內(nèi) 襯套用滲碳合金剛制造。當(dāng)襯套磨損時(shí)，只需更換襯套即可。但由于薄而長的襯套的機(jī)械加工和熱處理很困難，所以，也很少應(yīng)用。 （ 4）雙金屬層機(jī)筒 在鑄鋼或碳素鋼機(jī)筒體的內(nèi)壁，用離心澆鑄法鑄一層耐磨合金，然后機(jī)械加工內(nèi)孔至所需要的尺寸。這種機(jī)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(jī)筒和螺桿得配合工作，組成了擠出機(jī)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(shí)，機(jī)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(jì)得要求和螺桿的形式，機(jī)筒選擇整體式。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 第 3 章 擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 不同的生產(chǎn)線對擠出機(jī)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(jì)出合理的擠出機(jī)。本次設(shè)計(jì)的擠出機(jī)是用于聚苯乙烯 (PS)生產(chǎn)線的擠出機(jī)，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(jī)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(jī)械強(qiáng)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(shí) ,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(diǎn)達(dá)到 270℃。 螺桿設(shè)計(jì) 螺桿是擠出機(jī)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(jì)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(jī)性能的一個主要的技術(shù)參數(shù)。 歐洲塑料橡膠機(jī)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(jì)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(jì)量段 L3,計(jì)量段有時(shí)也叫均化段。在熔融理論中，熔融起點(diǎn)和熔融重點(diǎn)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(jì)量段槽深 H3 的那段長度，它是螺桿設(shè)計(jì)者人為設(shè)計(jì)的長度，一旦螺桿設(shè)計(jì)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(jì)量段槽深的確定： 我們知道，計(jì)量段中熔料的剪切速率γ可按下式計(jì)算： 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 3HD??? （ ） 顯然，計(jì)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(shí)，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(jì)量段槽深較小時(shí)，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(jì)量段槽深較小時(shí)，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(jì)量段槽深較淺時(shí)，壓力波動和溫度波動都比較小，這時(shí)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(bǔ)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(qiáng)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(jì)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(shí)間很短時(shí)，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(jì) 12 表 各塑料的最大速率 本設(shè)計(jì)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(diǎn)分析了計(jì)量段螺槽深度 3H 的影響，這種觀點(diǎn)是確定計(jì)量段螺槽深度的主要方法，用這種方法確定的計(jì)量段螺槽深度基本上滿足了對計(jì)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(jì)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(jī)頭壓力較低時(shí)，增加計(jì)量段螺槽深度可以增加產(chǎn)量；而當(dāng)機(jī)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(jì) 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(jì)算。設(shè)計(jì)時(shí)，還可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式（ ）來決定螺槽深度 H3 。 3H =kD （ ） 據(jù)統(tǒng)計(jì)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(jì)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(shí)， k 值可以選擇較大。這是由于長徑比較大的螺桿的計(jì)量段 3L 可以設(shè)計(jì)的較長，此時(shí)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(jì)量段的增加來彌補(bǔ)。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(shí) k值較大。下層適用熱穩(wěn)定性較好的塑料，此時(shí) k 值較小。 圖 螺槽系數(shù) K 的確定 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式可以來校核，當(dāng) 3H =5mm 時(shí) 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(jì) 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(shí)，壓力難以傳至螺槽底部，靠近螺槽底部的塑料運(yùn)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(shí)際上，加料段槽深是根據(jù)螺桿壓縮比和計(jì)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(jì)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(shí)的松密度和受熱熔融后的密度之比。如，聚乙烯在松散時(shí)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?yàn)槌藨?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(shí)的必要性。應(yīng)此對加工同一種塑料的的螺桿，不同設(shè)計(jì)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(jì)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(jì) 15 幾何壓縮比一般用下式計(jì)算： 3311)( )( HHD HHD???? （ ） 式