塑料擠出機畢業(yè)設(shè)計.doc

塑料擠出機螺桿、機筒設(shè)計初探內(nèi)容摘要首先介紹聚氯乙烯板擠出成型生產(chǎn)工藝，單螺桿擠出機的工作原理、基本結(jié)構(gòu)及各系統(tǒng)在工作中的作用，根據(jù)設(shè)計任務(wù)書要求確定擠出機的基本參數(shù),并對擠出機主要零件螺桿和機筒進(jìn)行了設(shè)計,最后對螺桿和機筒的制造要求、修復(fù)方法提出了自己的一些看法。關(guān)鍵詞擠出成型 擠出機 螺桿 機筒 設(shè)計一、PVC塑料板擠出成型工藝及主要工藝流程擠出成型是橡膠工業(yè)的基本加工工藝之一。它是指利用擠出機及其輔機，使膠料在螺桿的推動下，連續(xù)不斷地向前運動，再借助于口型擠出各種所需形狀的半成品，然后由特定的輔機配合，來完成擠出成型或其他作業(yè)的工藝過程。擠出成型工藝的優(yōu)點主要是操作簡單、經(jīng)濟，半成品質(zhì)地均勻、致密，容易變換規(guī)格和斷面形狀，設(shè)備占地面積小，結(jié)構(gòu)簡單，造價低，靈活機動性大，生產(chǎn)能力大，且能連續(xù)操作。（一）聚氯乙烯板擠出成型生產(chǎn)工藝流程及主要裝置1、工藝流程塑料板的擠出成型可用聚氯乙烯聚乙烯聚丙烯聚碳酸酯ABS聚偏氟乙烯和聚苯乙烯等樹脂。其生產(chǎn)工藝順序如圖一。原料混合擠出機造粒擠出機塑化成型三輥壓光冷卻輸送切邊按聚氯乙烯板制品用配方選料計量牽引切割質(zhì)量檢查入庫圖一 PVC-U異型材的生產(chǎn)工藝路線主要分為單螺桿擠出機成型工藝和雙螺桿擠出機成型工藝。單螺桿擠出成型工藝適用于小批量、小規(guī)格異型材生產(chǎn)及裝飾型材生產(chǎn)。其塑料板擠出機成型設(shè)備生產(chǎn)線如圖二。圖二 塑料板擠出生產(chǎn)線1擠出機 2成型模具 3三輥壓光機 4冷卻輸送輥組5切邊裝置 6牽引裝置 7切斷機 8制品檢查堆放平臺2、主要裝置（1）擠出成型裝置擠出機與成型模具，它是制件成型的主要部件，熔融塑料通過它獲得一定的幾何截面和尺寸。本設(shè)計將主要針對擠出機的工作原理進(jìn)行分析研究。（2）冷卻定型裝置該裝置包括真空定型和水冷卻兩部分。當(dāng)溫度為190左右，PVC-U熔融型坯從機頭口模出口后，立即進(jìn)入冷卻定型模。模內(nèi)抽真空，使型材外壁和定型模具表面貼緊，并用水通過定型套進(jìn)行冷卻定型。對真空吸附要求吸附力大而且均勻，定型套分型要求密封性好，特別是在筋與棱角處吸附要好，以保證型材外觀和尺寸精度及表觀質(zhì)量。（3）牽引裝置異型材擠出型坯進(jìn)入定型套后，由于真空吸附力和摩擦力作用，必須配置牽引力牽伸，才能保證正常擠出，同時也保證型材壁厚、尺寸公差、性能及外觀要求，使型材擠出速度和牽引速度相匹配。門窗異型材生產(chǎn)中通常采用履帶式牽引機，其夾緊面較寬，型材受力均勻，牽引速度穩(wěn)定。（4）切割與翻轉(zhuǎn)裝置為使擠出異型材滿足運輸、儲存和裝配要求,需將型材切割成一定長度。這里選用的是行走式圓鋸。翻轉(zhuǎn)裝置主要作用是支承制品，使制品定向，保證制品平直并將其堆積成垛，這里選用的是采用氣動翻板式。制品切割后自動進(jìn)入托架。二、擠出機的工作原理（一）擠出機的分類隨著塑料擠出機成型工藝的廣泛應(yīng)用和發(fā)展，塑料擠出機的類型日益增多，分類方法也不一致。按螺桿的空間位置可分為臥式和立式擠出機；按螺桿的轉(zhuǎn)速又可分為普通擠出機、高速和超速擠出機；按螺桿的數(shù)量來分，分為無螺桿擠出機、單螺桿擠出機、雙螺桿擠出機和多螺桿擠出機等。目前，我們主要研究的是單螺桿擠出機和它的結(jié)構(gòu)特點以及它的工作原理。（二）單螺桿擠出機的結(jié)構(gòu)圖三 單螺桿擠出機基本結(jié)構(gòu)單螺桿擠出機基本結(jié)構(gòu)1機頭聯(lián)接板 2分流板 3冷卻器 4加熱器 5螺桿 6機筒 7液壓泵 8測速電機 9止推軸承 10料斗 11減速機 12冷卻管單螺桿擠出機主要由傳動系統(tǒng)、加料系統(tǒng)、擠壓系統(tǒng)、加熱冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和機架等幾部分組成。其基本結(jié)構(gòu)如圖三所示。1、傳動系統(tǒng)由驅(qū)動電機、減速機8、止推軸承9等組成，其作用是驅(qū)動螺桿5旋轉(zhuǎn), 為螺桿5旋轉(zhuǎn)提供所需的扭距和轉(zhuǎn)速，承受螺桿軸向力。2、加料系統(tǒng)由料斗10、加料斗座等組成。料斗用于儲存一定量的塑料。加料斗座除支撐斗外，還在機筒6和減速機之間起連接作用。3、擠壓系統(tǒng)由螺桿5、機筒6等組成，是擠出機工作的“心臟”部分，完成對塑料的連續(xù)輸送、塑化、均化、定壓定量擠出。4、加熱冷卻系統(tǒng)由加熱器4、冷卻器3、冷卻管12等組成，以保證擠壓系統(tǒng)中的塑料能夠在一定工藝要求的溫度范圍內(nèi)完成塑化和均化。5、控制系統(tǒng)由電控柜、檢測元件、儀器、電氣元器件及其他電器裝置等組成，實現(xiàn)對擠出機的運轉(zhuǎn)及工藝條件的測控。（三）單螺桿擠出機工作原理當(dāng)擠壓系統(tǒng)加熱到給定工藝溫度并保溫一定時間后，啟動電機，通過減速機提供給螺桿所需的扭矩和轉(zhuǎn)速。料斗中的塑料在自重或加料器推力的作用下，由加料口進(jìn)入螺槽。隨著螺桿的旋轉(zhuǎn)，塑料在與機筒螺桿摩擦力的作用下被向前輸送。物料在擠壓系統(tǒng)中的形態(tài)變化（如圖四所示）。圖四塑料自料口進(jìn)入螺桿后，在旋轉(zhuǎn)著的螺桿作用下，通過料筒內(nèi)壁和螺桿表面的摩擦作用向前輸送。在成型過程中，物料以粉狀或顆粒狀從料斗加入至擠出機后，要完成輸送，壓實，壓縮，熔融塑化、均化成均勻融體的過程。在螺桿加料段，松散的固體粒料（或料末）充滿螺槽，隨著物料的不斷輸送，物料開始被壓實。當(dāng)物料進(jìn)入壓縮段后，由于螺桿螺槽深度逐漸變淺以及機頭的阻力，使塑料逐漸形成高壓，并進(jìn)一步被壓實與此同時，在料筒外加熱以及螺桿與料筒內(nèi)表面對物料的強烈攪拌、混合和剪切摩擦所產(chǎn)生的內(nèi)摩擦剪切熱的作用下，塑料溫度不斷升高，與料筒相接觸的某一點，塑料溫度到達(dá)熔點，開始熔融。隨著物料的輸送，繼續(xù)加熱，熔融的物料量逐漸增多，而未熔融物料量相應(yīng)減少。大約在壓縮段的結(jié)束處，全部物料都轉(zhuǎn)變黏流態(tài)，但這時各點溫度尚未均勻，經(jīng)過均化段的均化作用就比較均勻了，最后螺桿將熔融物料定量、定壓、定溫地擠入到機頭。機頭中口模是個成型部件，物料通過它而獲得一定截面的幾何形狀和尺寸，再經(jīng)過冷卻定型和其它工序，就可得到成型好的制品。三、擠出系統(tǒng)的設(shè)計（一）單螺桿擠出機的基本參數(shù)螺桿是擠出機中最關(guān)鍵的部件，其結(jié)構(gòu)和參數(shù)直接影響整個擠出機的性能以及擠出制品的質(zhì)量。從結(jié)構(gòu)上可分為普通螺桿和新型螺桿；而普通螺桿又分為漸變螺桿與突變螺桿。這里，我們選用普通漸變螺桿進(jìn)行研究。螺桿的直徑是擠出機的主要參數(shù)，擠出成型板材擠出機規(guī)格選擇可按成型板的寬度尺寸選取。由于生產(chǎn)塑料板材寬度為7001200mm,查表可知螺桿直徑D=90mm。根據(jù)單螺桿擠出機電機功率24KW，擠出機產(chǎn)量為40100kg/h的要求，查表可得到硬聚氯乙烯（PVC）擠出機的基本參數(shù)（標(biāo)準(zhǔn)JB/T80611996），如表一所示：參數(shù)數(shù)值單位螺桿直徑 D90mm螺桿長徑比L/D25螺桿轉(zhuǎn)速 n1166r/min擠出產(chǎn)量Q40100kg/h電機功率N24kw名義比功率0.25kw /(kg/h)比流量q1.8(kg/h)/(r/min)機筒加熱段數(shù)E3機筒加熱功率24P/kw中心高H1000mm外形尺寸2570mm 表一（二）螺桿的基本結(jié)構(gòu)和主要參數(shù)的確定1、結(jié)構(gòu)螺桿是擠出機的重要部件，本設(shè)計采用漸變型螺桿。漸變型螺桿是指螺桿的螺紋部分螺距相等，而螺紋槽的深度從加料段向均化段由深逐漸變淺。這種螺桿結(jié)構(gòu)適于聚氯乙烯等非結(jié)晶型塑料的擠出機塑化。而突變型螺桿是指螺桿的加料段和均化段深度不變，而塑化段（壓塑段）很短，螺紋槽深在塑化段突然由深變淺，這種螺桿結(jié)構(gòu)適合聚烯烴等結(jié)晶型塑料的擠出塑化。本設(shè)計采用漸變型螺桿，加料段和均化段的螺紋槽深不變而在塑化段的螺紋槽由深逐漸變淺。將螺桿工作長度分為三個基本功能段（加料段L1、壓縮段L2和計量段L3）的螺桿。如圖五所示。圖五 螺桿2、主要參數(shù)的確定（1）螺桿直徑:表示擠出機規(guī)格的大小，D=90mm。（2）長徑比：螺桿螺紋部分長度與直徑的比值，即L/D。JB/T80611996中規(guī)定螺桿長徑比值（2030）：1。則L=25D=2590=2250mm。（3）計量段：a）螺槽深度:計量段螺槽深度與螺桿直徑有關(guān)，由經(jīng)驗公式確定（0.020.06）D，計算的4.5mm。b）計量段長度：由公式（2025）L，長一些，可以使物料得到相對長一些的均化時間，也可以減少壓力、溫度、產(chǎn)量的波動。但不能過長，否則會使壓縮段和加料段在螺桿全長中占的比例過小，不利于物料的熔融，甚至使螺桿加長。設(shè)計此螺桿是等距的，因此，242250mm540mm。（4）加料段：a）螺槽深度:計量段螺槽深度一經(jīng)確定，加料段螺槽深度便不能隨意而定，因為在擠出過程中，既要保證物料的充分壓實，又不能壓縮過大。因此，要根不同的物料選擇不同的壓縮比，查表可得到硬聚氯乙烯的壓縮比為34（25），由公式3.54.5mm15.75mm。b）加料段：設(shè)計此螺桿是等距的，所以，=540mm。（5）壓縮段:a）直徑D2:直徑從81mm漸變至58.5mm。b）壓縮段長度: 則=L-=2250-540-540=1170mm。（6）螺距S和螺旋角，通常情況下SD90mm 。（7）螺棱法向?qū)挾?螺棱寬度大，占據(jù)螺槽空間，擠出量減少。螺棱寬度太小，漏流量增大，也會減少擠出量，物料粘度低時更為明顯。螺棱寬度一般為0.1D0.190mm9mm。（8）螺棱垂直寬度W，=77.3mm。螺桿參數(shù)列表如表二所示：參數(shù)數(shù)值單位螺桿直徑D90mm加料段長度540mm直徑D181壓縮段長度1170mm直徑D2直徑81漸變至直徑58.5計量段長度540mm直徑D358.5加料段螺槽深度15.75mm計量段螺槽深度4.5mm77.3mm螺距S90mm螺旋角度螺棱法向?qū)挾?mm壓縮比3.5 表二 螺桿主要參數(shù)（三）機筒的設(shè)計1、機筒的結(jié)構(gòu)機筒也是擠出機的關(guān)鍵部件，它與螺桿一起構(gòu)成擠出機的“心臟”部分，完成對物料的輸送、熔融、均化以及定量定壓擠出。和螺桿一樣，機筒也是在高溫、高壓、嚴(yán)重磨損、有一定腐蝕的條件下工作的。機筒的結(jié)構(gòu)形式有整體式、分段式、襯套式和雙金屬式。該系統(tǒng)的機筒選為整體式結(jié)構(gòu)（如圖六所示），這種結(jié)構(gòu)容易保證較高的制造精度和裝配精度，也可以簡化裝配工作，便于設(shè)置外加熱器和裝拆，而且熱量沿軸向分布也較為均勻。圖六 整體式機筒結(jié)構(gòu)2、機筒的加熱和冷卻方法的選用加熱與冷卻是塑料擠出成型得以順利進(jìn)行的必要條件。為了使塑料始終能在其他加工工藝所要求的溫度范圍內(nèi)擠出，一般是通過加熱或冷卻的方式不斷地調(diào)節(jié)機筒內(nèi)物料的溫度來實現(xiàn)的。機筒加熱是為給機筒內(nèi)的原料塑化提供熱量，機筒冷卻是為防止原料在受擠壓、摩擦塑化時產(chǎn)生過多的熱量而使溫度升高。供熱、冷卻的交替使用，使擠出機的機筒熱量控制在原料塑化需要的工藝溫度范圍內(nèi)，保證擠出機能夠正常連續(xù)生產(chǎn)。機筒的加熱方式：電阻加熱、電感應(yīng)加熱、載熱體加熱。冷卻方式有水冷和風(fēng)冷兩種。該系統(tǒng)的加熱方式選用電阻加熱法，其加熱器采用鑄鋁加熱器，將電阻絲裝入金屬管中并填入氧化鎂等絕緣材料制成電熱棒，按照所需形狀彎制，然后鑄入鋁合金中。它的外形尺寸較小，重量較輕，裝拆方便，加熱溫度較高，使用壽命長，具有防潮、防震和防爆等性能。而該系統(tǒng)冷卻則選用風(fēng)冷方式，主要采用空氣冷卻，就是用電動鼓風(fēng)機送風(fēng)，將風(fēng)吹向機筒需要降溫的部位，帶走機筒熱量，使機筒達(dá)到降溫目的，但冷卻速度慢。該設(shè)備具有結(jié)構(gòu)簡單，熱沖擊小，無污染，風(fēng)力集中，冷卻效率較高，安裝維修較為方便等特點。四、螺桿、機筒的制造要求（一）螺桿的制造要求 螺桿的制造材料應(yīng)選用性能好、在高溫環(huán)境中工作變形小的合金鋼或優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼,如38CrMoAlA、40Cr或45鋼等。 制造螺桿的毛坯應(yīng)經(jīng)鍛造成型，然后進(jìn)行退火處理，以消除鋼材鍛造時產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。 螺桿毛坯經(jīng)粗加工（車削）后應(yīng)進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，硬度為HB260290。 螺桿精車后螺紋工作表面要進(jìn)行氮化處理，氮化層深度為0.30.6mm,硬度為HV700840。 螺桿精加工后，外圓精度應(yīng)達(dá)到GB18079中8級精度要求。 螺桿螺紋工作面粗糙度Ra值：螺紋兩側(cè)面不大于1.6um,螺紋槽底和外圓不大于0.8um。 螺桿脆性不大于2級。（二）機筒的制造要求 整體式機筒制造用材料多采用380CrMoAlA、40Cr或45鋼。 機筒制造用毛坯應(yīng)采用鍛造成型（鑲襯套用機筒體多采用鑄造法成型），然后再經(jīng)退火處理，消除鍛造產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。 機筒經(jīng)粗加工后要調(diào)質(zhì)處理，硬度為HB260290。 機筒精加工后精度應(yīng)達(dá)到7級（GB1184）。機筒壁厚要均勻一致。 機筒內(nèi)孔工作表面要氮化處理，氮化層深度應(yīng)在0.400.70mm范圍內(nèi)，硬度為HV950以上。 內(nèi)孔工作表面精加工后粗糙度Ra應(yīng)不大于1.6um。五、螺桿和機筒的損壞原因及修復(fù)螺桿和機筒這兩個零件的組合工作質(zhì)量,對物料的塑化、制品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率，都有重要影響。它們的工作質(zhì)量與兩個零件的制造精度、裝配間隙有關(guān)。當(dāng)兩零件磨損嚴(yán)重、擠出機的產(chǎn)量下降時，就應(yīng)該安排對螺桿、機筒的維修。（一）螺桿和機筒的損壞原因 螺桿在機筒內(nèi)轉(zhuǎn)動，物料與二者的摩擦，使螺桿與機筒的工作表面逐漸磨損,螺桿直徑逐漸縮小，機筒的內(nèi)孔直徑逐漸加大。這樣，螺桿與機筒的配合直徑間隙，隨著二者的逐漸磨損而一點點加大。可是，由于機筒前面機頭和分流板的阻力沒有改變，這就增加了被擠塑物料前進(jìn)時的漏流量，即物料從直徑間隙處向進(jìn)料方向流動量增加。結(jié)果使擠出機生產(chǎn)量下降。這種現(xiàn)象又使物料在機筒內(nèi)停留時間增加，造成物料分解。如果是聚乙烯，分解產(chǎn)生的氯化氫氣體加強了對螺桿和機筒的腐蝕。 物料中如有碳酸鈣和玻璃纖維等填充料，能加快螺桿和機筒的磨損。 由于物料沒有塑化均勻，或是有金屬異物混入料中，使螺桿轉(zhuǎn)動扭矩力突然增加，這種扭矩超出螺桿的強度極限，使螺桿扭斷。這是一種非常規(guī)事故損壞。（二）螺桿的修復(fù) 扭斷的螺桿要根據(jù)機筒的實際內(nèi)徑來考慮，按與機筒的正常間隙給出新螺桿的外徑偏差進(jìn)行制造。 磨損螺桿直徑縮小的螺紋表面經(jīng)處理后，熱噴涂耐磨合金，然后再經(jīng)磨削加工至尺寸。這種方法一般有專業(yè)噴涂廠加工修復(fù)，費用還比較低。 在磨損螺桿的螺紋部分堆焊耐磨合金。根據(jù)螺桿磨損的程度堆焊12mm厚，然后磨削加工螺桿至尺寸。這種耐磨合金由C、Cr、Vi、Co、W和B等材料組成，增加螺桿的抗磨損和耐腐蝕的能力。專業(yè)堆焊廠對這種加工的費用很高，除特殊要求的螺桿，一般很少采用。 修復(fù)螺桿也可用表面鍍硬鉻方法，鉻也是耐磨和抗腐蝕的金屬，但硬的鉻層比較容易脫落。（三）機筒的修復(fù)機筒的內(nèi)表面硬度高于螺桿，它的損壞要比螺桿來得晚。機筒的報廢就是內(nèi)徑直徑由于時間磨損而增大。它的修復(fù)方法如下： 因磨損增加直徑的機筒，如果還有一定的滲氮層時，可把機筒內(nèi)孔直接進(jìn)行鏜孔，研磨至一個新的直徑尺寸，然后按此直徑配制新螺桿。 機筒內(nèi)徑經(jīng)機加工修整重新澆鑄合金，厚度在12mm間，然后精加工至尺寸。 一般情況下機筒的均化段磨損較快，可將此段（取57D長）經(jīng)鏜孔修整，再配一個滲氮合金鋼襯套，內(nèi)孔直徑參照螺桿直徑，留在正常配合間隙，進(jìn)行加工配制。在這里強調(diào)一點，螺桿和機筒這兩個重要零件，一個是細(xì)長的螺紋桿，一個是直徑比較小而長的孔，它們的機械加工和熱處理工藝都比較復(fù)雜，精度的保證都比較困難。所以，對這兩個零件的磨損后是修復(fù)還是更換新件，一定要從經(jīng)濟角度全面分析。如果修理費用比換新螺桿費用低些，就決定修，這不一定是正確的選擇，修理費用與更新費用的比較，只是一個方面。另外還要看修理費用與修理后使用螺桿時間與更新費用和更新螺桿使用時間的比值。采用比值小的方案才經(jīng)濟，是正確的選擇。六、擠出機的發(fā)展趨勢螺桿擠出機因其結(jié)構(gòu)簡單，價廉物美，生產(chǎn)效率高的特點，一直是塑膠管