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雙螺桿擠出機設計畢業(yè)論文
畢業(yè)設計(說明書)
雙螺桿擠出機設計
畢業(yè)論文
學生姓名
學院名稱
專業(yè)名稱
指導教師
2013年
3月
16日
摘 要
近年來，隨著塑料工業(yè)的飛速發(fā)展，塑料制品的應用領域不斷擴展，塑料加工設備已滲透到國民經濟的各個行業(yè)，成為我國機械工業(yè)的重要組成部分，在國民經濟中起著越來越重要的作用。其中塑料成型機械是塑料工業(yè)中的一個重要組成部分，是完成塑料制品生產成型的必要手段。而擠出成型又是塑料成型加工的重要成型方法之一。
本文是關于工業(yè)用塑料聚合物雙螺桿擠出機的設計。在工業(yè)上和實驗室中，雙螺桿和雙螺桿擠出機都應用極其普遍，是塑料加工設備的重要元部件之一。作為工業(yè)中使用的雙螺桿擠出機，在設計過程中，除了要求能夠完成固體輸送、增壓、熔融、熔體輸送和泵壓等一系列通用過程以外，還要求涉及到復合塑料與聚合物顆粒之間的混合，以及物料喂料量的控制。物料喂料量的控制則是通過控制主螺桿及其輔助喂料螺桿的轉速來完成的。同時，雙螺桿擠出機具有分布混合和分散混合效果良好、自潔作用較強、可實現(xiàn)高速運轉、產量高等特點，特別適合聚合物的改性，如共混、填料、增強及反應擠出。有利于增加擠出機的擠出產量，提高塑化質量。
關鍵詞：雙螺桿擠出機；塑料；擠出原理
Abstract
In recent years, with the rapid development in the plastic industry, plastic product has been continuously enlarged in application field。The plastic machine has been used in many fields that is detached to the national economy, has become the important part, and this role is getting gradually important. while plastic-molding machinery plays a vital role in plastic industry, and it is the necessary way to accomplish the plastic-molding, whereas the injection machine is one of the most crucial methods to make the plastic-molding.
This paper is about the design of plastic polymer single-screw extruder that used in industry.The single-screw and twin-screw extruder intensively used in the fields of industry and experiment,and it is one of the important units of polymer processing equipment.As a single-screw extruder used in industry,it requires to complete a series of general process such as transportation of solid,increase of pressure,melt,transportation of melt.Besides,it refers to mix the composite plastics and polymer grain,and the control of the material feed quantity.These are the innovations in this design.On the base of the design of common single-screw extruder,i increased two auxiliary feed screws which are used to trans-portate materials of composite plastics and used it to mix kinds of plastics.The control of the quantity of material feed is done by the control of the chief screw and the speed of auxiliary feed screws.Meanwhile,i used twin wedge-shaped thread section in the design of screw thread section.This is good to increase the outcome of the extruder, and to improve the quality of plasticity comparing with common tectangular thread section.
Keyword: Twin-screw Extruder; Plastics;Extrusion principle
II
雙螺桿擠出機設計畢業(yè)論文
目 錄
摘 要 …………………………………………………………………………………………I
Abstract………………………………………………………………………………………II
第1章 緒論…………………………………………………………………………………1
1.1 雙螺桿擠出機………………………………………………………………………1
1.1.1 基本操作 ……………………………………………………………………1
1.1.2 排氣擠出機 …………………………………………………………………2
1.1.3 橡膠擠出 ……………………………………………………………………2
1.2 多螺桿擠出機………………………………………………………………………3
1.2.1 雙螺桿擠出機 ………………………………………………………………3
1.2.2 多螺桿擠出機 ………………………………………………………………3
1.3 新型擠出機 ………………………………………………………………………4
1.3.1 手提式擠出機 ………………………………………………………………4
1.3.2 磨盤式擠出機 ………………………………………………………………5
1.3.3 往復螺桿擠出機 ……………………………………………………………5
1.4本文的主要內容 …………………………………………………………………6
第2章 擠出機總體方案的確定 ……………………………………………………7
2.1 擠出機總體方案布局的基本要求 ………………………………………………7
2.2 螺桿類型的確定 …………………………………………………………………7
2.2.1 螺桿的工作性能指標評定 ………………………………………………7
2.2.2 螺桿的選用原則 …………………………………………………………8
2.2.3 螺桿的分類 ………………………………………………………………8
2.2.4 螺桿方案的確 ……………………………………………………………8
2.3 機筒類型的確定…………………………………………………………………8
2.4 本章小結…………………………………………………………………………9
第3章 擠出機機構設計 ……………………………………………………………10
3.1 聚苯乙烯的基本特征 …………………………………………………………10
3.2 螺桿設計 ………………………………………………………………………10
3.2.1 螺桿的基本尺寸確定 …………………………………………………10
3.2.2 螺桿的材料選擇 ………………………………………………………15
3.2.3 螺桿的設計計算 ………………………………………………………16
3.2.4 螺桿的強度校核及計算 ………………………………………………16
3.2.5 螺桿的技術要求 ………………………………………………………20
3.2.6 螺桿傳動系統(tǒng)及止推軸承布置設計 …………………………………22
3.3 送料螺桿的設計 ……………………………………………………………26
3.4 機筒的設計 ……………………………………………………………………26
3.4.1 機筒的結構尺寸設計 …………………………………………………10
3.4.2 機筒的材料選擇………………………………………………………15
3.4.3 螺桿與機筒的配合間隙 ………………………………………………16
3.4.4 螺桿與機筒的對中性 …………………………………………………16
3.5料斗的設計 ……………………………………………………………………18
3.6擠出機電機的選擇 ……………………………………………………………20
3.7傳動系統(tǒng)的設計………………………………………………………………22
3.8本章小結………………………………………………………………………24
第4章 支架的設計………………………………………………………………25
4.1 支架的結構類型 ………………………………………………………………26
4.1.1 按支架的形式分 ………………………………………………………27 4.1.2 按支架的制造方法和材料分 …………………………………………28
4.2 支架的結構選擇 ………………………………………………………………28
結論 ………………………………………………………………………………………29
參考文獻 …………………………………………………………………………………30
致謝 ………………………………………………………………………………………31
第1章 緒 論
1.1雙螺桿擠出機
螺桿擠出機分為單螺桿擠出機、雙螺桿擠出機和多螺桿擠出。雙螺桿擠出機是聚合物工業(yè)中最重要的一類擠出機。其主要優(yōu)點為成本較低、設計簡單、堅固而可靠、以及滿意的性能成本比。常規(guī)塑化擠出機的螺桿具有3個不同的幾何段，見圖1：
圖1 雙螺桿示意圖
現(xiàn)代塑料擠出工業(yè)螺桿長徑比較早期螺桿大，國內應用較多的長徑比一般范圍是20~25，多采用25，最長可達40乃至更高。螺桿長徑比的增加有如下好處：（1）螺桿加壓充分，能提高塑料制品的物理機械性能。（2）提高塑化質量，制品外觀質量好。（3）有利于類似于PVC粉料擠管的成型。（4）螺桿特性曲線斜率小，擠出量穩(wěn)定，擠出量可以提高20%~40%。但螺桿長徑比與很多因素有關，因此可以根據加工條件和實際需要再由試驗確定，還可以由統(tǒng)計類比的方法來確定。
1.1.1基本操作
雙螺桿擠出機的操作相當簡單。物料從加料斗進入。通常物料靠重力由加料斗流入擠出機機筒。有些物料在干燥狀態(tài)不易流動，必須采用特殊措施防止物料在進料斗中掛料。物料一旦落入擠出機機簡，即處于擠出機螺桿和機筒之間的環(huán)狀空間內，并進而為螺棱的主動螺腹和被動蝶腹螺槽所包圍。機簡靜止而蟬桿旋轉。因此，摩擦力都作用于物料以及機筒和螺桿表面。至少物枓處于固體狀態(tài)(低于熔點)，這些摩擦力負責向前輸送物料。
物料向前運動時，即因摩擦產生的熱和機筒加熱器傳導的熱而被加熱。當物料溫度超過其熔點，則在機筒內表面形成熔膜，塑化段即由此開始。必須指出，塑化段起點通常不是壓縮段起始點。各功能段的分界線取決于聚合物性能、擠出機幾何形狀以及操作條件。因而，分界線可因操作條件改變而改變。然而，螺桿的幾何段由設計確定，不因操作條件的變化而變化。當物料向前運動時，在各個位置的固態(tài)物料量將因熔融而減少。當全部固態(tài)聚合物消失時則達到塑化段末端，而熔體輸送段開始。在固體輸送段中，將熔體均勻的輸送給模頭。
當聚合物流進模頭時，即呈現(xiàn)模頭流道的形狀，因而，當高聚物離開模頭時，其形狀或多或少的符合模頭流道最后部分的斷面形狀。由于模頭產生流動阻力，所以需要壓力迫使物料通過模頭。這種壓力通常稱之為模頭壓力。模頭壓力因模頭形狀(特別是流道)、高聚物熔體溫度、通過模頭的流率、以及高聚物熔體的流變特性所決定。模頭壓力由模頭產生而不由擠出機產生。擠出機只是產生足夠的壓力，以迫使物料通過模頭。如聚臺物、擠出量、模頭、模頭溫度均相同，則無論擠出機是齒輪泵雙螺桿擠出機，還是雙螺擠出機等都不會造成差異，機頭力相同。
1.1.2排氣擠出機
排氣擠出機在設計和功能上與非排氣擠出機有很大區(qū)別。排氣擠出機在其機筒上有一個或多個開口(排氣口)，揮發(fā)物可由此逸出。因而．排氣擠出機能連續(xù)從聚合物中連續(xù)排除揮發(fā)物。這種排氣增加了一種非排氣擠出機所沒有的功能。除排出揮發(fā)物外，還可利用排氣口向聚合物添加某些組分，渚如添加劑、填充劑、反應組分等等。這顯然增加了排氣擠出機的多功能性，并且還有額外的好處，即只要堵塞排氣口并在可能情況下變換螺桿幾何形狀，排氣擠出機即可作為常規(guī)非排氣擠出機。
螺桿的設計對排氣擠出機的正確運，非常關鍵。困擾排氣擠出機的主要問題之一是排氣口溢料。在這種情況下，不僅揮發(fā)物通過排氣口釋放，而且也流出一定量的聚合物。因而，擠出機螺桿必須設計成使排氣口(排氣段)下面的聚臺物中不呈正壓，這就導致開發(fā)二級擠出螺桿，尤其是為排氣擠出機所設計的二級擠出螺桿。二級擠出螺桿有被釋壓/排氣段所分隔的兩個壓縮段。這由各類似于沿一根軸串聯(lián)相接的兩根單級擠出螺桿。
1.1.3橡膠擠出機
用于彈性體加工的擠出機的歷史比任何其它類型的擠出機都長。用于橡膠擠出的工業(yè)機器早在19世紀下半葉即已間世。一些早期的擠出機制造商有美國John Royle和英國Frsncis Shaw。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。盡管橡膠擠出機問世已超過一個世紀，但有關橡膠擠出文獻的缺乏今人吃驚；某些橡膠手冊討論了橡膠擠出，但在多數情況下，資料非常貧乏而且實用性有限。最早的橡膠擠出機是為熱喂料擠出制造的。這些擠出機用來輥煉機或其它混煉裝置的熱料喂料。1950年左右，開發(fā)了冷喂料擠出。冷喂料擠出被認為有以下優(yōu)點：設備投資?。涣蠎C控制較好；勞功成本降低；能處理更廣泛品種的配混膠料。
1.2 多螺桿擠出機
1.2.1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。平行雙螺桿擠出機有同向和異向之分。近幾年，隨著國內電子電器、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。同向雙螺桿配混擠出機作為市場最大的受惠者，一度幾乎成為雙螺桿的代名詞。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。盡管各個廠家仍然存在技術含量與實力的差別，不能否認的是雙螺桿擠出機在中國的發(fā)展已相當成熟，尤其是在中小型機市場。相較而言，異向平行雙螺桿擠出機國內開發(fā)較少，而成型所用設備更多的為錐形雙螺桿擠出機。錐形雙螺桿擠出機廣泛應用于異型材成型，在建筑門窗加工領域應用獲得成功。由于雙螺桿擠出機的產量高，混合性能優(yōu)于常規(guī)雙螺桿擠出機，普遍采用積木式結構易于根據不同材料進行調整，因此成為擠出加工市場的主導力量。
雙螺桿擠出機是一種具有兩根阿基米德螺桿的機器，很明顯，這是非常一般的定義。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。由于設計、操作原理以及應用領域方面的巨大差異，雙螺桿擠出機種類繁多。所以，難于對雙螺桿擠出機作出全面的評述。各種雙螺桿擠出機之間的差異頗大于雙螺桿擠出機之間的差異。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目，諸如旋轉方向、嚙合程度等等。雙螺桿擠出機的分類主要基于雙螺桿擠出機的幾何構型。有些雙螺桿擠出機的功能與雙螺桿擠出機非常相同。其它雙螺桿擠出機操作完全不同于雙螺桿擠出機。并且用于非常不同的應用領域。
1.2.2多螺桿擠出機
這種類型的擠出機配備兩根以上的螺桿。較熟知的一例是行星輥式擠出機。 這種擠出機看起來類似雙螺桿擠出機，實際上，進料段與標準雙螺桿擠出機的相同。然而，擠出機的混合段則大小不相同。在擠出機的行星輥段中，六個或更多的均勻分布的行星螺桿環(huán)繞主螺桿的周圍旋轉。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。因此，行星機筒段上必須行星螺桿上的螺棱相對應螺槽。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。
在擠出機的開始部分，于行星螺桿之前，物料像在普通雙螺桿擠出機中一樣向前運動。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生的強烈混合中。相對于機筒長度而言，機筒、太陽螺桿和行星螺桿的螺旋形
設計表面積大。導致有效的排氣、熱交換和溫度控制。因而能加工熱敏性配混料而降解最少。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。行星輥段也用作普通擠出機的附加裝置以改善混合性能。另一種多螺桿擠出機是四螺桿擠出機，如圖2。這種擠出機主要用于排除溶劑，從40%溶劑至低達0.3%。急驟排氣發(fā)生在附加于機筒上的圓拱形排氣室，然后，由急驟排氣產生的多泡物料被四根螺桿輸出。多數情況下，裝備有后續(xù)排氣段以便進一步降低溶劑含量。
圖2 四螺桿擠出機
1.3新型擠出機
隨著近年來市場發(fā)展的需要，國內外不同廠家紛紛推出各種特殊結構的雙螺桿擠出機，以適應特殊的市場需要。以下特別介紹幾種特殊擠出機在國內的研發(fā)進展。
1.3.1手提式擠出機
北京化工大學成功開發(fā)一種超高速微型手提式雙螺桿擠出機。該機器螺桿直徑僅12mm，機器總重量不到2.5kg；螺桿工作轉速800~1200rpm，可實現(xiàn)連續(xù)或間歇工作。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。此外，該機器還具有深槽大螺距、兩種驅動方式可選（電動、氣動）、整機易于清理、保養(yǎng)、維修等特點。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。
超微型擠出機的研究開發(fā)，存在許多一般設備設計加工過程中難以想像的困難，據介紹，該設備開發(fā)的關鍵在于微型擠出機的加料、排氣、實現(xiàn)低溫擠出輸送等問題的解決。
1.3.2磨盤擠出機
國內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。高填充物料使用普通雙螺桿或雙螺桿擠出機加工存在較大的難度。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。在加工磁性材料時，通常磁粉的添加量高達60%~70%，有時甚至達到90%以上。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。國內一些廠家和科研院所，根據國內磁性材料以及其他高填充物料的需要，悉心研發(fā)出獨立設計的磨盤擠出機。典型例子如北京鳳記和北京化工大學。磨盤擠出機可以通過調整磨盤組合以適應不同高填充材料，如玻纖增強、磁性塑料、導電材料、新型陶瓷等物料的擠出加工。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。
1.3.3往復螺桿擠出機
往復螺桿擠出機在前幾年的國內市場紅火一時，也成為不同廠家顯示技術實力的一個標志型產品。尤其是各雙螺桿擠出機廠家紛紛推出往復螺桿擠出機。由于雙螺桿市場異?；鸨?，往復螺桿擠出機市場相對平淡，各擠出廠家還是以雙螺桿擠出機為主推產品。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)格的往復移動雙螺桿擠出機，初步實現(xiàn)了往復移動擠出機的系列化。據悉，寶應金鑫此次推出的系列化產品共包括四種規(guī)格，45、78、110和140，其中45和78兩種規(guī)格已經研發(fā)成功，即將推出110和140兩種機型。
往復移動式雙螺桿擠出機最大的特點是實現(xiàn)不同物料的高填充加工。用于玻纖增強物料加工時，玻纖的添加量可以達到50%以上，特別適于高填充物料的加工，具有非常廣闊的市場前景。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。通常用于成型加工時，還需要配備專用的成型擠出機。
以上介紹的幾種雙螺桿擠出機，可以說是當前中國市場具有一定代表性的產品。不過，盡管中國擠出機市場發(fā)展迅猛，也有不少新的機型推出，我們不能忽視中國擠出機技術與國外發(fā)達國家相比還有較大差距。比如在超大型和微型設備領域就還落後于國際先進水平。國內企業(yè)唯有加緊努力，才能在激烈的市場競爭中贏得機會，真正從塑機大國發(fā)展為塑機強國。
近年來，雙螺桿擠出機市場異?；鸨鄬Χ?，雙螺桿一直處于悄寂狀態(tài)。但是，雙螺桿擠出機作為一種基本的塑膠加工設備，結構簡單，成本較低，而且具有更大的設計靈活性。各種不同的特種雙螺桿擠出機重受關注。
雙螺桿擠出機因其結構簡單，價廉物美，生產效率高的特點，一直是塑膠管材、板材、片材、異型材等成型加工最重要的設備。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。特種雙螺桿擠出加工技術又有替代多螺桿技術的趨勢。
1.4 本文的主要內容
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，但國產擠出機價格大幅下跌已成現(xiàn)實。部分廠家粗制濫造和惡性價格戰(zhàn)已經影響到國內塑機的整體形象和市場競爭力，也阻礙了塑料加工業(yè)的發(fā)展。
專家認為，擠出機主機和生產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。從成型設備來看，國產主機基本上以雙螺桿擠出機為主，技術較成熟，市場銷量最大。國內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。平行同向雙螺桿擠出機要向第六代、第七代高速、大長徑比方向發(fā)展。雙螺桿擠出機則是向著超大型、超微型、大長徑比、高產出、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。實際上，雙螺桿擠出機是一種低能耗、低成本的機型，只要技術得當，結構設計合理，同樣可以達到雙螺桿擠出機的效能。
第2章 擠出機總體方案的確定
2.1 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。如擠出機的加工范圍、工作精度、生產率、和經濟性等等。
（2） 在經濟、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。
（3） 確保擠出機具有與所要求的加工精度相適應的剛度、抗震性、熱變形及噪聲水平。
（4） 擠出機必須滿足參數標準和系列型譜中關于擠出機布局方面的規(guī)定。同時，還應最大限度地考慮擠出機的系列化和部件的通用話程度。
（5） 對于生產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。
（6） 應便于觀察加工過程；便于操作、調整和維修機床，便于輸送、裝卸；注意擠出機的防護，確保安全生產。
2.2 螺桿類型的確定
螺桿是擠壓系統(tǒng)中的主要零件。它的各部分幾何形狀的變化，直接影響螺桿的工作性能效果。對塑料制品得產量和質量，都有非常重大的影響。
2.2.1 螺桿的工作性能指標評定
（1）塑化質量 按專業(yè)標準規(guī)定制造的擠出機，擠塑生產得塑料制品也應是符合質量標準。螺桿是擠塑生產影響產品質量的關鍵零件，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、生產率的提高，這些都受螺桿工作質量得影響。
（2）比流量 這個比值大，說明這根螺桿的塑化能力強，比流量得單位為（kg/h）/（r/min）
（3）比功率 這個值小，說明生產同樣質量的塑料制品，能量消耗少，比功率得單位為kw/（kg/h）
（4）通用性 指螺桿能否適應擠塑不同的塑料，能在不同塑料制品機頭阻力下工作。
（5）經濟性 制造機械加工比較容易，工作壽命比較長。
2.2.2 螺桿的選用原則
（1）按塑料的制品種類選擇 塑料的種類很多，有結晶型和非結晶型，它們在被擠塑生產制品時，對溫度條件要求及本身得粘度、穩(wěn)定性和流動性能都有差別。所以，生產不同種類塑料制品時，應該選擇不同類型螺桿。
（2）機頭模具的阻力對螺桿結構尺寸的影響 螺桿螺紋的均化段得的螺槽深淺與機頭阻力大小要匹配選取，機頭阻力大，這段螺紋槽要淺些；反之，當阻力小時，螺槽就應深些。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，根據工作性質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，就應選擇螺桿具有較大得通用性。
2.2.3 螺桿的分類
按照螺桿得結構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計了非螺紋元件，以改進塑料得混合、熔融塑化質量和縮短擠塑生產時間。
（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，而專門設計的螺桿。
2.2.4 螺桿方案的確定
介于本設計的加工的是溶體材料為聚苯乙烯（PS）。PS為乙烯的聚合物，在生產中無特殊的要求，因此選用普通螺桿,材料為45號鋼。
2.3 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，也是擠出機的關鍵零件。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量和質量。
機筒的結構形式設計選擇，應該是在保證其工作強度的基礎上，注意考慮它有利于被擠塑物料的塑化，結構形式方便機械加工；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。
（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。即二段機筒的內圓直徑尺寸的一致性和同心度精度的保證，很難達到要求。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，而機筒的內襯套用滲碳合金剛制造。當襯套磨損時，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，也很少應用。
（4）雙金屬層機筒 在鑄鋼或碳素鋼機筒體的內壁，用離心澆鑄法鑄一層耐磨合金，然后機械加工內孔至所需要的尺寸。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。
2.4 本章小結
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。結合本設計得要求和螺桿的形式，機筒選擇整體式。
第3章 擠出機構設計
不同的生產線對擠出機的具體要求不一樣，這就需要根據不同塑料的性能設計出合理的擠出機。本次設計的擠出機是用于聚苯乙烯(PS)生產線的擠出機，這就要求對聚苯乙烯(PS)的性能有一定的掌握和了解。
3.1 聚苯乙烯的基本特性
聚苯乙烯是最結構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，聚苯乙烯是結晶高分子，熔點達到270℃。
3.2螺桿設計
螺桿是擠出機的核心部分，是輸送、塑化塑料的最重要部件。其結構性能將直接影響擠出機的生產率、塑化混合質量和能量消耗。
由于聚氯乙烯（PVC）為非結晶型高聚物，它從玻璃化溫度到粘流溫度的溫度范圍較大，其熔融過程是在一個比較長的距離后才能全部熔融，出于制造成本和膠料的均勻混煉和塑化考慮，采用漸變型普通螺桿，螺紋斷面形狀為矩形。
3.2.1 螺桿的基本尺寸初步確定
螺桿的螺紋長度為：L=27D=27×59=1593mm
根據實踐經驗，螺桿三段長度的分配如表3.1。
表3.1 長度分配比例表
塑料類型
加料段
壓縮段
計量段
非結晶型塑料
10%~25%全長
55%~65%全長
22%~25%全長
結晶型塑料
60%~65%全長
1~2 螺距
25%~35%全長
所以：加料段=（10%~25%）L，取 =0.15L=0.15×1593=239mm
壓縮段=（55%~65%）L，取 =0.6L=0.6×1593=956mm
計量段=（22%~25%）L，取=0.25L=0.25×1593=398mm
螺桿壓縮比。因壓縮比的確定非常復雜，目前國內根據經驗選取。對塑料而言，螺桿幾何壓縮比大多數為2~5,根據常用塑料螺桿的幾何壓縮比表，選取螺桿壓縮比：ε=3
為了加工方便，等距螺桿取S=D
螺距S： S=D=59mm
螺紋頭數： i=1
螺紋升角：
螺棱法向寬度e：根據對緊密共軛齒廓的要求和齒輪傳動嚙合基本原理，考慮到螺桿制造和安裝方便，同時為了更好的對物料進行充分混合，把螺桿設計成接近共軛型，取螺棱法向寬度為： e==30mm
螺棱軸向寬b：b=e/Cosφ=30/Cos17.66=31.4mm
螺槽法向寬E：E=S×Cos－27=59×Cos17.66－27=29.22mm
螺槽軸向寬B：B=D―b=59―31.4=27.6mm
螺桿與機筒間隙δ=0.3mm
3.2.2螺桿材料的選擇
螺桿工作時不僅所受扭矩較大，而且是在高溫、高壓下工作。因螺桿要與機筒配合工作，所以還要受到機械摩擦磨損、刮磨及塑料摩擦的作用，某些塑料還會有較強的化學腐蝕作用。所以螺桿可能產生扭斷、因磨損嚴重而與機筒間隙增大使產量降低等失效形式。
根據以上螺桿的實際工況，要保證螺桿能正常工作，必須選擇合適的材料。其材料性能要求為：機械性能好，耐磨性能好，耐腐蝕性能好，加工性能好。由于38CrMoA1綜合性能好且是擠出機螺桿應用最廣泛的材料，因此選擇38CrMoA1作為螺桿的材料。
3.2.3螺桿設計計算
到此已知螺桿參數為：
最高轉速：
最高產量：G=200Kg/h
螺桿直徑：D=59mm
螺距S： S=59 mm
長徑比： L/D=27
螺槽法向寬度：E=29.22mm
螺槽軸向寬度：B=27.6mm
螺棱法向寬度：e=30mm
螺棱軸向寬度：b=31.4mm
螺紋升角：=17.66
查表得:聚氯乙烯（PVC）的堆積密度為
固相密度
液相密度
熔池溫度
由于雙螺桿擠出機的理論很不成熟，加之螺桿嚙合部分容積相對于整個螺桿來說很小，故可以把雙螺桿看成兩根單螺桿進行計算，然后做一定的因雙螺桿嚙合帶來數據校正。
（1）計算熔融速率。
為了保證穩(wěn)定的擠出過程，熔體輸出量、固體輸送量和固體熔融量應該平衡。即：
式中 ——固體輸送量；
——單位面積熔融速率；
——固體粒料與機筒的接觸面積；
——熔體密度；
——熔體輸出量；
取螺桿轉速下塑料的輸出量為：G=200Kg/h
=
估算面積A。由于螺桿嚙合部分沒有機筒對物料進行加熱，但螺紋嚙合處沒有機筒部分占整個機筒的比例較小，因此機筒的總面積約為1.8,其中螺槽占56.3%，假設其中固體與熔體塑料各占一半，則固體總面積A：
熔融速率：=0.228
（2）計算計量段螺槽深度。
為了保證螺桿的硬特性，避免壓力波動引起過大的輸出量波動，應取較小的值，但為了達到較好的混合質量，又不能取得過小。綜合上述原因，取：
由得：=
由于是雙螺桿，則有：
= 取
（3）驗算計量段長度。
螺桿的剪切速率為：=
當溫度為時，由流變曲線得：
有上文可知：=
令=，由式：得：
= 398mm >94.7mm 合格
（4）確定加料段螺槽深度。
根據常用塑料的幾何壓縮比表，?。害?3
則加料段螺紋槽深度為： ==5.72mm
取 =5.7mm 驗算壓縮比=2.99 正確
（5）驗算壓縮段長度。
計算螺槽內固體粒料厚度減小的速率，即形成熔膜的速率,
=
即固體粒料在壓縮段中移動時，在每秒鐘移動的距離上螺槽深度的減小量不能超過0.456mm .否則固體粒料來不及完全熔融而堵塞螺槽，引起產量波動。此時固體粒料順著螺槽的流動速率：=
則壓縮段順著螺槽展開的長度:=1403
則壓縮段的最小長度為:==756mm
由于956mm >756mm
（6）螺桿中心距的確定。
考慮到螺桿的安裝和物料的混合均勻，又不至于螺桿產生干涉，取螺桿的中心距a:a==25.7mm
（6）歸納設計結果。
加料段長度：=239mm
加料段螺槽深度：=5.7mm
壓縮段長度：=956mm
計量段長度：=398mm
計量段螺槽深度：
螺槽軸向寬度：B=27.6mm
螺棱軸向寬度：b=31.4mm
螺桿中心距a：a =25.7mm
3.2.4 螺桿的強度校核與計算
雙螺桿擠出機中需要進行強度計算的主要零部件是螺桿和機筒。進行螺桿的強度計算時，必須先確定原始數據。決定螺桿強度的原始數據包括：機頭最大壓力P、螺桿軸向力及螺桿扭矩。
（1）機頭壓力的確定
機頭壓力可以用理論計算方法和實測方法得到。當螺桿轉速增加到一定程度時，實際機頭壓力與轉速的關系并不成正比，在實際生產中常以試驗測定機頭壓力。
根據實際生產中產量為200 的國產雙螺桿擠出機的機頭壓力一般為，取：P=40.0MPa
（2）螺桿軸向力的確定
螺桿軸向力的大小受到物料物理性能、機頭壓力、螺棱構型、螺桿轉速及機筒溫度等、因素的影響。螺桿軸向力可按下式計算：
式中 ——物料作用在螺桿端面上的總壓力，單位為N；
=πD/4
式中 ——螺桿端部的物料壓力，單位為MPa，國產擠出機一般取=30~50MPa。
——動載荷產生的附加壓力的沿軸向的力的分量， 約為的1/8~1/4，即=（0.125~0.25），?。?0.2πD/4
所以有：= 1.2πD/4
（3）螺桿冷卻孔直徑確定
由于聚合物在擠出過程中與金屬接觸面積中有一半在螺桿上，為了避免螺桿過熱需在擠出過程中對螺桿進行冷卻。
取螺桿冷卻水孔的直徑：
（3）螺桿強度的計算
螺桿與減速箱傳動軸的連接有固定式和浮動式兩種。無論是哪種連接方式在進行強度計算時，都將螺桿視為一端固定的懸臂梁。螺桿主要受到物料壓力P，克服物料阻力所需的扭矩和螺桿自重G的作用。由于雙螺桿的嚙合角度很小，所以計算時近似認為螺桿所受徑向力大小相對方向相反，可以抵消。螺桿所受軸向力為。由于螺桿軸向彎曲作用較小可忽略不計。螺桿自重G對螺桿產生橫向彎曲作用。因此，螺桿所受的綜合受力作用為：螺桿軸向力、螺桿扭矩及螺桿自重產生的壓、扭、彎的力的組合。由于加料段螺桿的根徑較小，承載能力最低，所以強度計算以加料段的根徑截面為強度計算、校核截面。
由軸向力產生的壓應力：=69.5
式中 ——軸向力產生的壓應力，MPa；
——螺桿的最小內徑端面直徑，mm；
——螺桿冷卻水孔直徑，mm.
由扭矩產生的剪切應力τ：
=35.8
——主電機的最大傳遞功率，KW;
——螺桿的最高轉速，r/min。
——電動機傳遞效率，此時校核取1；
C——；
——螺桿的剪切應力，MPa；
由螺桿自重產生的彎曲應力：
==
式中 L——螺桿的有效長度，mm；
——螺桿材料密度，，鋼取7.85；
——由自重產生的彎曲應力，單位MPa；
螺桿的合成應力
合成應力用第三強度理論計算，其強度條件為：
查表得的屈服極限： =
有： =71.2MPa<=833MPa
由此可知，該螺桿在工作中是安全的。
由于是雙螺桿嚙合需要，使后續(xù)的配位齒輪難于安裝，螺桿在無齒端的直徑的大小必然會大大降低，因此有必要計算螺桿無齒端的最小直徑。
螺桿無齒端只受扭矩的作用。
查表的剪切疲勞極限=288
由得：
=25.6mm
3.2.5 螺桿的技術要求
材料：采用氮化鋼38CrMoA1。
表面處理：對材料進行氮化處理，處理深度為0.3~0.6mm，
螺桿外圓硬度>65HRC，脆性不大于2級。
螺桿外圓極限偏差應符合GB/T1184-1999 h8的規(guī)定。螺桿的上、下偏差分別為：
上偏差：es=0μm
下偏差：ei=－39μm
螺桿全長直線度公差值應符合 GB/T1184-1996 h7的精度等級規(guī)定。所以螺桿的直線度公差值為：
螺桿外圓：螺紋槽底徑的表面粗糙度不大于0.8μm，螺棱兩側的表面粗糙度不大于1.6μm。
3.2.6 螺桿傳動系統(tǒng)及止推軸承布置設計
設計雙螺桿傳動系統(tǒng)比較困難的問題是配位齒輪和止推軸承的布置。因受螺桿嚙合條件的限制使安裝配位齒輪和止推軸承在空間上受到很大的限制。本設計傳動系統(tǒng)及止推軸承的布置從機頭開始的順序為：深溝球軸承配位齒輪止推軸承。將止推軸承布置在減速箱之后。
3.3送料螺桿的設計
為了使塑料與其他材料能夠進行定量定比例的加入，因此要在機筒加料口上方添加兩根送料螺桿。其中，一根螺桿用于輸送聚合物塑料顆粒，另一根螺桿用于輸送其他復合材料。工作時，只需要分別控制兩根送料螺桿的轉速比及兩根送料螺桿與主螺桿之間的轉速關系，就能夠較精確地將復合原材料通過送料螺桿送入到塑料顆粒中去混合。沒根螺桿按照最大輸送能力200kg/h進行設計。所設計螺紋斷面形狀為矩形。
送料螺桿的基本參數設計如下。
螺桿直徑D d=48mm
螺紋升角φ φ=17.41°
螺距S S= 48mm
螺紋頭數 單頭螺紋
螺棱法向寬e e=0.1d=0.1×48=4.8mm
螺棱軸向寬b b=e/Cosφ=5mm
螺槽法向寬W W=SCosφ－e=45.8-4.8=41mm
螺槽軸向寬B B=d－b=35.8mm
螺桿與機筒之間的間隙
摩擦因數、 ==0.27
轉速n n=200r/min
敞開式固體輸送 ==0
由于送料螺桿主要是用于顆粒狀或粉末狀材料的輸送，因此送料螺桿可按照普通螺桿送料段的設計方法來進行設計計算。
螺桿在n=200r/min的轉速下的輸出量為G=200kg/h。
則固體輸送量Q：
由得：=15.5mm
3.4機筒的設計
機筒是雙螺桿擠出機最重要的部件之一。機筒的結構設計是否合理直接影響到擠出機的熱量傳遞的穩(wěn)定性及均勻性；機筒的加料段設計影響到塑料固體輸送效率；機筒的加工與裝配影響擠出機的工作性能和機器壽命。所以，對于擠出機機筒，涉及到其結構形式選擇、機筒加料口形式確定及其各段與機頭的連接等問題。機筒的結構類型有多種，主要有分段式、整體式、雙金屬和軸向開槽結構形式。
整體式機筒的特點是加工精度容易滿足，轉配誤差小；長徑比大，零件數目少；機筒受熱均勻，配置加熱器不受限制。但整體式機筒對加工設備及加工技術要求較高，且磨損后修復困難。
分段式機筒是將機筒分成若干段來加工，各段加工好后通過法蘭連接起來。這種機筒加工比較容易，可適應多種長徑比的要求，對于長徑大的螺桿，因過長的機筒整體難以加工，也配以分段式機筒，但分段多，對中性不易保證，連接法蘭也會影響到機筒的加熱均勻性。為減少裝配困難，分段盡量少。為減少熱量損失，法蘭尺寸盡可能小。
雙金屬機筒有澆鑄式和襯套式兩種結構形式。襯套式機筒具有易更換、壽命長、節(jié)約貴金屬等優(yōu)點，但其設計、制造、裝配都較為復雜。澆鑄式機筒的優(yōu)點是合金層與機筒合為一體，在擠出機機筒的內表面結合均勻，不會脫落或開裂，耐磨性好，壽命長，滑動性好，但成本高。
軸向開槽機筒能提高固體輸送率，但其結構設計需要綜合考慮被加工物料的性能，如物料的大小、幾何形狀、物料顆粒間的摩擦系數值，顆粒在凹槽中的抗剪切強度，由顆粒組成的楔形結構的抗剪強度，套筒的冷卻性能，螺桿的轉速，以及與加熱機筒的隔熱程度等因素。
綜合上述各種結構類型機筒的優(yōu)劣以及雙螺桿螺桿擠出機的設計要求，選擇分段式機筒。
3.4.1機筒的結構尺寸設計
機筒壁厚的設計，要考慮機筒的強度要求，還要考慮其結構工藝性以及機筒傳熱效率等因素，使加工容易，傳熱快且穩(wěn)定。雙螺桿擠出機筒斷面形狀為型，在綜合了經驗和理論計算結果的基礎上，我國擠出機生產廠家提出了擠出機機筒壁厚的參考值。
根據參考值，可選擇機筒壁厚h為： h=42.5mm
機筒的內徑
機筒的外徑 取150mm。
機筒兩孔的中心距為310mm.
機筒總長度L的確定。
3.4.2機筒的材料選擇
工作時機筒受到刮磨、摩擦磨損以及塑料摩擦的作用，一些塑料還會有較強的化學腐蝕作用。普通機筒材料為一般鋼材（如45號鋼）、鑄鋼或球磨鑄鐵。為了提高機筒的耐磨性，國際上的擠出機機筒有采用氮化鋼制造，其強度極限約為900MPa。
這里我們選擇40Cr鋼作為機筒的制造材料。
機筒的強度計算
機筒內部受塑料熔料的壓力作用，熔料在機筒內產生的力沿機筒軸向的分布是相當復雜的，各處壓力不等。由于機頭處壓力最大，因此一般取機頭壓力為計算壓力值。
進行機筒設計時，用壁厚圓筒理論來對料筒進行強度計算。
根據厚壁圓筒的理論，當筒壁內受到物料壓力P的作用時，筒壁上各點處于三向應力狀態(tài)，三向應力分別為：徑向應力，軸向應力，切向應力。
機筒的內壁處，徑向應力和切向應力都達到最大值。
徑向應力：
切向應力：=63.1MPa
軸向應力為： =11.6MPa
由于機筒為塑性材料，可用第四強度理論進行設計計算和強度校核，機筒壁厚的強度條件為：
查表得40Cr的屈服強度極限為540MPa,
則：，有：
=89.3MPa<
機筒強度校核合格，該機筒可安全工作。
機筒設計的技術要求
（1） 材料：40Cr。
（2） 內孔表面：對機筒內表面進行鍍鉻，鍍層深度為0.05~0.1mm，機筒體硬度45HRC，鍍鉻層硬度>55HRC，脆性不大于2級。
（3）公差：機筒內孔極限偏差：上偏差ES=0.231mm 下偏差EI=0.130mm機筒內孔軸線的直線度公差值應符合GB/T1184-1996 7級的精度規(guī)定。則所設計機筒的直線度公差為：
（4）機筒內孔：表面粗糙度不大于1.6。
3.4.3 螺桿與機筒的配合間隙
螺桿與機筒的配合間隙值影響到擠出機的功率消耗、生產能力、使用壽命、機器加工成本等問題。取值過大，加工、裝配比較容易容易，但生產能力會降低，塑料原料在機筒內的停留時間難以控制，甚至會造成熱分解。如果取值過小，功率消耗大，加工、裝配困難，且易使螺桿和機筒發(fā)生磨損，降低擠出機使用壽命。
螺桿與機筒之間的間隙值可按JB1291-73來選取。則設計的雙螺桿擠出機的螺桿和機筒之間的間隙取值：
3.4.4螺桿與機筒的對中性
擠出機螺桿與機筒的對中性在設計上要求螺桿的中心線與機筒的中心線重合。然而由于制造、裝配過程中所產生的螺桿定位面與螺桿中心線不同心、機筒內孔偏差、螺桿徑向跳動、螺桿推力面與螺桿中心線不垂直、法蘭平面對機筒中心不垂直、內孔徑向跳動等安裝誤差和加工誤差都會影響對中性。要保證螺桿與機筒的對中性，一般需要采取以下措施提高對中性：選取有效的定位基準和合理的連接方式；提高零件的加工與裝配精度，減少零件數目。
3.5料斗的設計
料斗的設計遵循不允許物料結成團、架橋和掛料的原則。料斗角度應該大于塑料顆粒的靜止角。為了達到設計所需要求，該擠出機設置兩個料斗：一個用于盛裝主料；另一個用于盛裝添加料。如下圖3所示：
圖3 料斗
3.6 擠出機電機的選擇
為了實現(xiàn)在調速范圍內的無級調速和保證雙螺桿擠出機50r/min~260r/min 的調速范圍，選擇直流電機作為擠出機電機。雙螺桿擠出機功率的確定通常是根據經驗選取，根據我國同向雙螺桿擠出機基本參數表(JB/T 5420-91)選取擠出機主電機功率為：P=55KW
擠出機電機選擇某公司生產的型號為Z3-250-31直流電動機，其主要技術參數為：額定功率為55 KW、額定電壓440V、額定轉速為500r/min。
3.7傳動系統(tǒng)的設計
本設計選取的直流電動機的額定轉速為500r/min，擠出機設計的最高轉速為260 r/min，因此需要在電機輸出軸和螺桿之間設置減速器，總傳動比：==1.92。由于受擠出機螺桿上配位齒輪大小的限制，防止發(fā)生擠出機螺桿的配位齒輪與高速級從動齒輪產生干涉，因此把減速箱和螺桿配位齒輪整個傳動系統(tǒng)設計成兩級減速一級增速。
傳動比的分配：由于配位齒輪受到螺桿直徑的限制，如果第一級傳動比取得過小，則減速器的第二根軸上的小齒輪會較小，而此軸的直徑較第一根軸大，如此對鍵和齒輪的強度有很大的不利，因此應把第一級減速的傳動比設置大些?。海瑒t后續(xù)總傳動比=0.8。
3.8 本章小結
本章對擠出機構中的螺桿進行了設計與校核，并對螺桿與螺筒的配合間隙進行了討論與確定，確定了加熱裝置為鑄鋁加熱器并確定了加料裝置。最終設計的螺桿如圖4所示：
圖4 螺桿