【正文】 機所設計的二級擠出螺桿。這由各類似于沿一根軸串聯(lián)相接的兩根單級擠出螺桿。用于橡膠擠出的工業(yè)機器早在 19 世紀下半葉即已間世。德國主要橡膠擠出機制造商之一是 Paul TrosteL 事實上 , Paul TrosteL 仍為主要的擠出機制造商。最早的橡膠擠出機是為熱喂料擠出制造黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 3 的。 1950 年左右，開發(fā)了冷喂料擠出。 多螺桿擠出機 雙螺桿擠出機 雙螺桿擠出機又包括平行雙螺桿擠出機和錐形雙螺桿擠出機。近幾年，隨著國內(nèi)電子電器、通訊、汽車等領域的飛速發(fā)展，材料改性與配混技術市場需求大增。從最初的高技術含量設備發(fā)展至今，已成為大眾化的設備之一。相較而言，異向平行雙螺桿擠出機國內(nèi)開發(fā)較 少，而成型所用設備更多的為錐形雙螺桿擠出機。由于雙螺桿擠出機的產(chǎn)量高，混合性能優(yōu)于常規(guī)單螺桿擠出機，普遍采用積木式結構易于根據(jù)不同材料進行調整，因此成為擠出加工市場的主導力量。然而，一旦定義更明確，就將其限于雙螺桿擠出機的特定分類之中。所以，難于對雙螺桿擠出機作出全面的評述。這是可想而知的，因為雙螺桿結構大量增加了設計變量的數(shù)目，諸如旋轉方向、嚙合程度等等。有些雙螺桿擠出機的功能與單螺桿擠出機非常相同。并且用于非常不同的應用領域。較熟知的一例是行星輥式擠出機。然而，擠出機的混合段則大小不相同。在行星螺桿段中，主螺桿又稱太陽螺桿 .行星螺桿與太陽螺桿和機筒嚙合。行星機筒段通常是用法蘭與進料料筒段相連接的分離料筒段。當物料達到行星段時，要在此處充分塑化，物料處于由行星螺桿、太陽螺桿和機筒之間的輥壓作用產(chǎn)生的強烈混合中。導致有效的排氣、熱交換和溫度控制。正因為如此，行星式齒輪擠出機常常用于硬質和增塑 PVC 配料的擠出或配混。另一種多螺桿擠出機是四螺桿擠出機，如圖 。急驟排氣發(fā)生在附加于機筒上的圓拱形排氣室，然后，由急驟排氣產(chǎn)生的多泡物料被四根螺桿輸出。 圖 四螺桿擠出機 新型擠出機 隨著近年來市場發(fā)展的需要，國內(nèi)外不同廠家紛紛推出各種特殊結構的單 螺桿擠出機，以適應特殊的市場需要。 手提式擠出機 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 5 北京化工大學成功開發(fā)一種超高速微型手提式單螺桿擠出機。此外由于所加工物料具有高壁面滑移性以及極易架橋的特點，配有專門設計的強制加料裝置；由于擠出機為手提式操作，設計了特殊的多路排氣裝置，以充分保證氣體的排出。該機器最初為加工一種特殊的低密度低粘度物料設計，并可用于各種低粘度物料的擠出加工，如熱熔膠、低分子量樹脂、各種石蠟、燃料、顏料、化妝品等的加工成型。 磨盤擠出機 國內(nèi)多個廠家已完成磨盤擠出機的開發(fā)，實現(xiàn)磨盤擠出機的商業(yè)化生產(chǎn)。雙螺桿擠出機用于玻纖增強配混時，若玻纖含量超過 45%， 加工就會變得相當困難。用普通擠出機進行磁性材料的加工與造粒幾乎是不可能的。典型例子如北京鳳記和北京化工大學。為了適應高填充物料的擠出加工需要，北京化工大學也在進行磨盤擠出機直接擠出成型的試驗研究，并應用于多種復合材料的擠出成型 加工試驗獲得成功。尤其是各雙螺桿擠出機廠家紛紛推出往復螺桿擠出機。近日，寶應金鑫特種塑料機械廠與北京化工大學合作研發(fā)出多種規(guī)格的往復移動單螺桿擠出機，初步實現(xiàn)了往復移動擠出機的系列化。 往復移動式單螺桿擠出機最大的特點是實現(xiàn)不同物料的高填充加工。由于其獨特的往復式結構，不能很好的滿足建壓的要求，因而一般不適合用于制品的直接擠出成型。 以上介紹的幾種單螺桿擠出機，可以說是當前中國市場具有一定代表性的產(chǎn)品。比如在超大型和微型設備領域就還落後于國際先進水平。 近年來，雙螺桿擠出機市場異?；鸨鄬Χ?，單螺桿一直處于悄寂狀態(tài)。各種不同的特種單螺桿擠出機重受關注。隨著技術的不斷進步以及人們對螺桿認識的提高，多種不同的擠出機 結構形式陸續(xù)面世。 本文的主要內(nèi)容 隨著擠出機應用領域的不斷拓展和技術上的不斷進步，擠出機市場仍然保持一定的上升勢頭，但國產(chǎn)擠出機價格大幅下跌已成現(xiàn)實。 專家認為，擠出機主機和生產(chǎn)線今後的市場將向高技術含量、價格更趨走低的方向發(fā)展。國內(nèi)主機市場今後的重點應在于發(fā)展平行異向雙螺桿擠出機，以適應大擠出量的成型需要。單螺桿擠出機則是向著超大型、超微型、大長徑比、高產(chǎn)出、良好的排氣性等方向發(fā)展，而適應特殊加工需要的螺桿機筒結構，則成為大家爭相研發(fā)的重點。據(jù)介紹，美國現(xiàn)在使用的塑料擠出機就以單螺桿為主。 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 7 第 2 章 擠出機總體方案的確定 擠出機總體布局的基本要求 （ 1） 擠出機布局首先必須滿足用戶提出的各種要求。 （ 2） 在經(jīng)濟、合理的條件下，盡量采用較短的傳動鏈，以簡化機構，提高傳動精度和傳動效率。 （ 4） 擠出機必須滿足參數(shù)標準和系列型譜中關于擠出機布局方面的規(guī)定。 （ 5） 對于生產(chǎn)率和自動化程度較高的擠出機，應力求便于自動上下料及納入自動線。 螺桿類型的確定 螺桿是擠壓系統(tǒng)中的主要零件。對塑料制品得產(chǎn)量和質量，都有非常重大的影響。螺桿是擠塑生產(chǎn)影響產(chǎn)品質量的關鍵零件，物料得混合質量、塑化的是否均勻、物料得徑向溫差是否較小、壓力要均衡、能量消耗要比較低、生產(chǎn)率的提高，這些都受螺桿工作質量得影響。 （ 5）經(jīng)濟性 制造機械加工比較容易，工作壽命比較長。所以，生產(chǎn)不同種類塑料制品時，應該選擇不同類型螺桿。對于排氣式擠出機，要求第二階段的均化段螺槽深度要比第一階螺桿的均化段螺紋槽要深些，否則排氣口處易溢料 （ 3）按擠出機的用途選擇 不同用途的擠出機，根據(jù)工作性質和擠塑塑料品種來選配螺桿。如果擠出機要擠塑不同材料的多種制品，就應選擇螺桿具有較大得通用性。 （ 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。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。 （ 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，而專門設計的螺桿。 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。在擠塑物料的工作中，它的作用和螺桿工作同樣重要。對于機筒結構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)量和質量。這幾點對擠出機的制造工藝及費用，都有較重大影響。一般小直徑擠出機的機筒，包括有溝槽的加料段 部分。 （ 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。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，很難達到要求。對加熱和冷卻系統(tǒng)的安排布置也帶來一定的困難。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。但由于薄而長的襯套的機械加工和熱處理很困難，所以，也很少應用。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。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。結合本設計得要求和螺桿的形式，機筒選擇整體式。本次設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。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。 螺桿設計 螺桿是擠出機最重要的部件，其性能好壞直接影響塑化質量和產(chǎn)量。因此，螺桿設計是擠出理論最重要的應用領域之一。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參數(shù)。對于某些排氣螺桿，長徑比達到 40 左右或更長。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。 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量與產(chǎn)量兩方面來分析。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力和剪切速率。 0Q ∝2322HDaa )(?????? ?? （ ） 式中 0Q —— 熔料因剪切產(chǎn)生的熱量； τ —— 剪切應力； γ —— 剪切速率； a? —— 熔料的表現(xiàn)粘度。此外，螺桿上物料層較薄，由外界加熱器傳進來的熱量也容易將塑料熱透。 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。 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 70℃），熱穩(wěn)定性很好。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。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。 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 12 表 各塑料的最大速率 本設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。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。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（相對分子質量較高） LDPE（相對分子 質量較低） HPVC SPVC PS 56 104 26 60 92～ 108 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 13 多方面的因素影響，很難用一個簡單的理論公式來進行計算。 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。螺桿直徑較大者， k 值應選擇較小，螺桿直徑較小者， k 值應選擇較大；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；當螺桿長徑比較大時， k 值可以選擇較大。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。下層適用熱穩(wěn)定性較好的塑料，此時 k 值較小。 （ 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。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。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。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。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。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。 顯然幾何壓縮比應大于物理壓縮比。應此對加工同一種塑料的的螺桿，不同設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，其壓縮比變化應更大（大多數(shù)在 2～ 5 之間，個別情況大至 8，小至 1）。運用此公式的條件是外徑 D、螺距 S、螺紋法向棱寬 e 和螺紋升角φ在螺桿全長上都保持不變，螺紋頭數(shù)為 1. 當壓縮比ε和計量段槽深 H3決定后，加料段槽深 H1 便可從下式算出： 1H =[D )(4 332 HDHD ?? ? ] （ ） 為了計算方便，可以用簡化的公式 37 來計算壓縮比 ? 。 HH?? （ ） 根據(jù)上表 取壓縮比為 ， 得 ： mmHH 31 ????? ? 螺距和螺紋升角的確定 對單頭螺紋，螺距 S、螺紋升角φ和螺紋直徑 D 之間有下 述關系： S=? Dtanφ （ ） 顯然在螺桿直徑已知以后，螺距和螺紋升角只要決定一個，另一個也就 確定了。根據(jù)固體輸送理論的計算，對大多數(shù)塑料，當摩擦因數(shù)fb =fs ～ ,螺紋升角等于 170 ～ 200 時，固體輸送生產(chǎn)率可以達到最大值。而從熔體輸送理論的角度上講，將有關流率公式經(jīng)數(shù)學推到簡化，并對φ角求導，并令導數(shù)等于零，可求的最佳螺紋升角為 30 0 。而目前為了設計加工的方便，設計時大多取螺桿直徑等于螺距，這時螺紋升角就等于 250 。雖然出現(xiàn)過雙頭螺紋的螺桿加料段，但考慮兩個原因，多頭螺紋仍然用的很少。按固體輸送理論，這會減少固體輸送流率。此外多頭螺紋的加工也相對比較麻煩。無定型材料沒有明顯的熔點，再塑料溫度上升時，它逐漸軟化。在此過程中，塑料體積也逐漸變小。 相反，結晶型塑料由固 態(tài)刀熔融態(tài)的轉化溫度范圍很窄，當塑料溫度沒有達到熔點 Tm 時，它的