UHMWPE板材成型

1、北京化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)目 錄前言（1）第1章 緒論（2）第1.1節(jié) 課題的提出（2）第1.2節(jié) UHMWPE材料性能（2）第1.3節(jié) UHMWPE加工方法和研究現(xiàn)狀（3）第1.4節(jié) 課題意義及研究內(nèi)容（5）第2章 工藝設(shè)計(jì)（7）第2.1節(jié) 生產(chǎn)線總體工藝設(shè)計(jì)（7）第2.2節(jié) 錐形雙螺桿機(jī)擠出工藝（8）第2.3節(jié) 其他參數(shù)的確定（8）第3章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（10）第3.1節(jié) 輥的布置與設(shè)計(jì)（10）第3.2節(jié) 箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（15）第3.3節(jié) 其他設(shè)備的設(shè)計(jì)與選型（16）第3.4節(jié) 生產(chǎn)線總體視圖（19）第4章 輥組工作狀態(tài)下受力分析（20）第4.1節(jié) 模擬方案及建模（20）第4.2節(jié) 三組輥組的結(jié)果分析

2、（23）第3.4節(jié) 輥組分析結(jié)論（28）結(jié)論（29）參考文獻(xiàn)（31）致謝（33）前 言超高分子量聚乙烯材料是一種新型的工程材料，其優(yōu)異的抗沖擊性，耐磨性，化學(xué)穩(wěn)定性等使其具有廣泛的應(yīng)用前景，但是其加工性能較差，在熔融狀態(tài)下幾乎沒有流動性，很難成型。目前為止管材的擠出成型技術(shù)相對成熟，可以擠出質(zhì)量較好的管材，而板材很難擠出，通常方法還是壓制燒結(jié)，因此生產(chǎn)過程缺乏連續(xù)性，為了解決板材成型的連續(xù)性，開展了本課題，旨在設(shè)計(jì)出一種用管材成型板材的方法。本論文分為4章，第1章緒論：對材料的性能、研究意義及背景進(jìn)行概述；第2章工藝設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)了工藝路線，確定了相關(guān)參數(shù)；第3章結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了合理化布置和

3、設(shè)計(jì)并對一些輔機(jī)進(jìn)行了選型；第4章輥組的受力分析：對輥組進(jìn)行了有限元模擬分析。第1章 緒論第1.1節(jié) 課題的提出超高分子量聚乙烯是一種性能優(yōu)異的工程塑料，其良好的抗沖擊性，耐磨性和生物相容性等，其應(yīng)用潛力非常巨大，目前已經(jīng)在軍工，醫(yī)療，機(jī)械等較前沿行業(yè)領(lǐng)域有所應(yīng)用，但是其加工的難度較大，目前技術(shù)上難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)化大生產(chǎn)，尤其是板材的連續(xù)化生產(chǎn)很難實(shí)現(xiàn)。因此提高UHMWPE板材的生產(chǎn)效率是目前研究的重要課題之一。 目前是研究方向以對其流動性的改性為主，而本課題重點(diǎn)在對其加工設(shè)備的結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)，通過一種理論上可行的管材直剖平展方法，達(dá)到成型板材的目的，希望通過結(jié)構(gòu)和工藝上的匹配實(shí)現(xiàn)板材的連續(xù)性生產(chǎn)。

4、第1.2節(jié) UHMWPE材料性能超高分子量聚乙烯 （UHMWPE，高強(qiáng)高模聚乙烯纖維） 是繼碳纖維、 芳綸纖維之后出現(xiàn)的第三代高性能纖維，是新型熱塑性工程塑料，其分子結(jié)構(gòu)單元和普通聚乙烯相同，是一種線性聚合物，相對分子質(zhì)量達(dá) 150 萬至1 000萬，密度 0. 920. 96g/,是目前世界上比強(qiáng)度和比模量最高的纖維1,2。UHMWPE常用指標(biāo)見表1·13。表1·1 UHMWPE常用指標(biāo)項(xiàng) 目數(shù) 值相對分子質(zhì)量（萬）>150結(jié)晶度（%）6585密度（g/）0.920.96洛氏硬度（HRM）4060熔點(diǎn)（）135137熱變形溫度（）>85脆化溫度（）<-1

5、37拉伸強(qiáng)度（MPa）3050沖擊強(qiáng)度（KJ/）不斷斷裂伸長率（%）300500吸水率（%）<0.01耐環(huán)境應(yīng)力開裂/h>4000其他物理性質(zhì)：熔融狀態(tài)時(shí)呈現(xiàn)橡膠狀高粘彈性體，臨界剪切速率低，熔體易破裂，摩擦系數(shù)小，成型溫度比較窄，易氧化降解。采用超高分子量聚乙烯材料的優(yōu)勢：比強(qiáng)度比模量最高，非常優(yōu)異的耐磨，耐沖擊，耐腐蝕，自潤滑性能，板材的主要應(yīng)用場合，如醫(yī)療器材，運(yùn)動器材，軍工防彈材料，輸送行業(yè)，零件稱層等4。然而制造加工方面存在許多問題，熔體粘度高，摩擦系數(shù)小，臨界剪切速率低，易降解5，因此其實(shí)際應(yīng)用能力遠(yuǎn)達(dá)不到理論潛力6。2010年國外UHMW-PE產(chǎn)能約14.09萬噸，2

6、010年國外UHMW-PE表觀消費(fèi)量約 12.0萬噸，主要用于生產(chǎn)防彈衣和武器裝備等軍工產(chǎn)品。預(yù) 計(jì) 2010-2015年國外UHMW-PE產(chǎn)能和需求量的年均增長速率分別約為 5.0%和 5.9%，2015年國外UHMW-PE產(chǎn)能和需求量分別約為18萬噸和16萬噸。2010年我國UHMW-PE產(chǎn)能約6.48萬噸，2010年，我國UHMW-PE產(chǎn) 量 約3.0萬噸，表觀消費(fèi)量約2.5萬噸，主要用于制造防刺服、防彈衣、防彈頭盔、繩纜、遠(yuǎn)洋漁網(wǎng)、勞動防護(hù)等。我國UHMW-PE有效產(chǎn)能將進(jìn)一步提高，預(yù)計(jì)2015年我國UHMW PE產(chǎn)能約 7.7萬噸，2010-2015年期間年均產(chǎn)能增長速率約3.5%。

7、據(jù)預(yù)計(jì)，2010-2015年是我國UHMW-PE產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展期，產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)將進(jìn)一步優(yōu)化，我國UHMW-PE需求量的年均增長速率約為14.9%，2015年我國UHMW-PE需求量將達(dá)約5.0萬噸。第1.3節(jié) UMHWPE加工方法及研究現(xiàn)狀1.3.1壓制成型制板壓制成型工藝是UHMWPE最原始的加工方法。此法生產(chǎn)效率頗低,易發(fā)生氧化和降解。輥壓成型工藝指在UHMWPE熔點(diǎn)一下對其施加很大的壓力使粒子形變并從?？跀D出物料，一般與擠出機(jī)聯(lián)用。輥壓成型法的專利相對較多，如美國約瑟夫等人通過抑制模具退出時(shí)下方的結(jié)晶溫度，優(yōu)化背壓裝置，從而補(bǔ)償了加工特性的變化，實(shí)現(xiàn)UHMWPE板材成型的改善7。W

8、erner和Pfleiderer公司開發(fā)了一種超高速熔結(jié)加工法,采用葉片式混合機(jī),葉片旋轉(zhuǎn)的最大速度可達(dá)150m/s,使物料僅在幾秒內(nèi)就可升至加工溫度8。2012年北京化工大學(xué)首次引入稱為松散燒結(jié)的方法制備超高分子量聚乙烯（UHMWPE）微孔材料9。韓國一個(gè)專利介紹了一種用于生產(chǎn)UHMWPE板材的裝置，此裝置特點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)，縮短周期 10。壓制的方法制造UHMWPE板材可行性較好，加工設(shè)備簡單，成本低，但也存在勞動強(qiáng)度大，板材質(zhì)量不穩(wěn)定，生產(chǎn)效率低等特點(diǎn)。仍然是目前生產(chǎn)板材最廣泛的方法。1.3.2 擠出成型板材擠出工藝一般需要改性改變其流動特性，如用低分子量共混改性11，無機(jī)填料改性，

9、聚合填充改性12，交聯(lián)改性13等。但是改性后產(chǎn)品分子量降低，機(jī)械性能也降低。四川大學(xué)的孫陽,袁輝對雙螺桿擠出UHMWPE板材進(jìn)行了研究。研究得出采用雙螺桿機(jī)是最佳的連續(xù)高效擠出改性UHMWPE的設(shè)備，氣輔擠出能使粘滑轉(zhuǎn)變提前發(fā)生，共混體系擠出的板材有一定優(yōu)勢。該研究仍有許多不完善的地方，比如形成氣膜的方式存在缺陷，氣膜不穩(wěn)定，沒有對粘滑轉(zhuǎn)變點(diǎn)定量分析等14,15。雙螺桿板機(jī)頭擠出板材的工藝由于UHMWPE流動性差，幾乎不可能實(shí)現(xiàn)，所以一定要進(jìn)行改性，改性后的UHMWPE分子量降低，機(jī)械性能下降，但是連續(xù)性好。UHMWPE的諸多優(yōu)良特性皆取決于它極高的分子量特性，在加工過程中保住了超高制品的分子

10、量，就等于保住了超高的一切優(yōu)良特性。因此對于純凈的UHMWPE板材擠出成型工藝還有許多問題值得研究。1.3.3注塑成型 UHMWPE 注塑成型技術(shù)最早由日本三井石油化學(xué)公司在 1974 年開始研究，并于 1976 年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。北京化工大學(xué)塑料機(jī)械及塑料工程研究所繼 1997 年 UHMWPE 單螺桿擠出管材技術(shù)開發(fā)成功之后，2000 年又針對 UHMWPE 物料特性而專門研制出 UZ300 型 UHMWPE 注射機(jī)，在該注射機(jī)上實(shí)現(xiàn)了改性 UHMWPE 在低溫、低壓和低注射速度條件下的注射成型，制品形狀、尺寸穩(wěn)定，達(dá)到了工業(yè)化水平16。1.3.4 與本課題相似的片材生產(chǎn)裝置劉阜東設(shè)計(jì)的UHM

11、WPE單絲及其熱拉伸加工方法提供了一種板材加工的可能，方案如下，單螺桿擠出管材，擠出后由切刀縱向剖開管材，展開成板材，加熱壓延得到膜片17,18。壓延之前的工序可以借鑒，之后可以進(jìn)行板材的壓平等工序。1.3.5直縫焊管與鋼帶加工 天津理工大學(xué)的研究指出了目前板材加工成鋼管的方法，單半徑輥式成型，雙半徑輥式成型，W雙半徑孔型等，主要的步驟都是用輥?zhàn)右患壱患壍膹澢冃?，使板材最終彎成管19。而江蘇常州的朱建平則剛好相反，將常規(guī)的金屬鋼帶做鋼管的方法改為由管做帶，通過將管材剖開后逐漸展開壓延平整而得到金屬鋼帶20。 鋼管鋼帶的制造與應(yīng)用對高分子材料的加工有指導(dǎo)的意義，將管材剖開展平壓延，將是本課題的

12、主要過程與設(shè)計(jì)重點(diǎn)。1.3.6 其他特殊加工工藝凍膠紡絲成型 凍膠紡絲是一種新穎的紡絲技術(shù)，它要求聚合物的平均分子量高，且分子量分布合理，而UHMWPE滿足這些要求。1979年，荷蘭DSM公司首先申請了UHMWPE凍膠紡絲的專利并實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。射頻加工成型 加拿大Gauvin介紹了用射頻加工UHMWPE的新方法：將UHMWPE粉末和介電損耗高的粉末添加劑（如炭黑）混合均勻后，用射頻輻照，產(chǎn)生的熱可使UHMWPE粉末表面軟化，使其易于在適當(dāng)?shù)膲毫ο鹿探Y(jié)。采用這種方法可以在幾分鐘內(nèi)模壓出大型部件。氣輔擠出技術(shù) 在傳統(tǒng)的UHMWPE擠出成型中，熔體和擠出口模壁面之間大多是非滑移黏著口模擠出方式。R

13、.F.Liang等首次研究了氣體輔助擠出方法（Gas-assisted Extrusion）。研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)以較低的速率將氣體注入到模具與熔融物料的界面時(shí)，可以在界面處形成一穩(wěn)定的氣體層，進(jìn)而能夠提供壁面全滑移邊界條件21。激光燒結(jié)法 Goodridge(英國的拉夫堡大學(xué))等研究了激光燒結(jié)法加工UHMWPE制品的可行性，證實(shí)了利用這種方法能夠生產(chǎn)具有多層復(fù)合結(jié)構(gòu)的制品 22。第1.4節(jié) 課題意義及研究內(nèi)容超高分子量聚乙烯材料的耐沖擊性，耐磨性，化學(xué)穩(wěn)定性非常優(yōu)異，因此具有很大的應(yīng)用前景。目前已經(jīng)在軍工，生物領(lǐng)域得到普遍認(rèn)可。但因其一直存在加工方法上的問題，即不能像其他塑料大批量連續(xù)生產(chǎn)，尤其是分

14、子量較大的純凈的超高分子量聚乙烯板材，很難通過擠出實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，目前的方法是燒結(jié)壓制,壓制法周期長，效率偏低，成品致密程度與整體品質(zhì)不如擠出的產(chǎn)品。目前超高分子量聚乙烯管材的擠出成型已經(jīng)趨于成熟，許多方法可以擠出分子量較高的UHMWPE管材，如近熔點(diǎn)擠出法等，美國泰科納公司最高可以生產(chǎn)1050萬分子量的管材，我國生產(chǎn)廠家的技術(shù)也普遍可以達(dá)到400萬以上，而且制品質(zhì)量可靠，已經(jīng)應(yīng)用到工程中。本課題針對目前超高分子量聚乙烯管材和板材成型方法的差異，結(jié)合現(xiàn)有的一些專利，即已有管材剖開成型片材的經(jīng)驗(yàn)，自主設(shè)計(jì)了一種管材直剖平展成板材的成型方法，方案中的成品規(guī)格為外徑為400，壁厚為8mm的管材。設(shè)計(jì)思

15、路大致如下：擠出機(jī)成型管材，剖開管材，熱處理去應(yīng)力，后處理。本課題是一次探索性設(shè)計(jì)，主要借鑒了管材剪切成型片材的工藝，和鋼板軋制，直縫焊管，壓光機(jī)等工藝及結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了二維和三維圖的設(shè)計(jì)，并對輥筒等主要部件進(jìn)行了部分分析與對比，并確定相對合理的結(jié)構(gòu)。該方案設(shè)計(jì)速度即擠出速度，因此相對于壓制燒結(jié)解決了板材成型的連續(xù)性，能進(jìn)一步的提高生產(chǎn)效率，縮短板材成型周期。第2章 工藝設(shè)計(jì)第2.1節(jié) 生產(chǎn)線總體工藝設(shè)計(jì)本課題設(shè)計(jì)的板參數(shù)為寬度為1200mm，厚度為8mm。擬用外徑400mm，壁厚8mm的管材為原料加工。擬定工藝如下：錐形雙螺桿擠出機(jī)擠出外徑400mm，壁厚8mm的管材，擠出速度為1mm/s，出機(jī)

16、頭后冷卻至80下，進(jìn)入熱風(fēng)箱，電鋸切開管材底部，之后進(jìn)過1m長的支撐架，緩慢撐開，并逐漸升溫，軟化。后進(jìn)過第一組輥組，輥組為凹凸輥組，第一組向上翹曲，目的是進(jìn)一步展平管材，并進(jìn)行厚度方向的矯正；第二組為直輥組，目的是進(jìn)一步展平，基本上把厚度方向矯正在5%的偏差范圍內(nèi)；第三組凹凸輥組，向下翹曲，本輥組主要目的是防止板材成型后應(yīng)力回彈變形，在超過熔點(diǎn)的溫度下，給板反向的作用，使其進(jìn)一步去應(yīng)力；第四組為直輥，目的為將板材定型為平板，并再次對厚度進(jìn)行矯正。出輥組后再保溫10分鐘出熱風(fēng)箱。板材進(jìn)過熱風(fēng)箱用時(shí)80分鐘左右。出風(fēng)箱后，由托架運(yùn)送在空氣中冷卻至室溫，然后對板邊緣進(jìn)行剪切，目的是對板寬度進(jìn)行修正

17、，然后按規(guī)格進(jìn)行剪板、堆料。如圖2·1流程圖。圖2·1 流程圖第2.2節(jié) 錐形雙螺桿機(jī)擠出工藝由于UHMWPE與金屬的摩擦系數(shù)很小,物料易在機(jī)筒內(nèi)打滑,在固體輸送區(qū)物料難以壓實(shí),若擠出速率較高則易因熔體流動性較差而在熔融區(qū)形成料塞。雙螺桿擠出具有強(qiáng)制輸送物料的特性,可有效地遏制物料在輸送中的打滑現(xiàn)象。由于UHMWPE的熔體粘度極高,若以異向旋轉(zhuǎn)的雙螺桿來擠出,熔體輸?shù)綑C(jī)頭時(shí)要將一個(gè)個(gè)C形熔體塊融合,需要較長的距離,故對于UHMWPE這樣高粘度的聚合物的共混體更宜采用混合作用較強(qiáng)的同向旋轉(zhuǎn)的雙螺桿擠出機(jī)來成型。生產(chǎn)流程如下：擠出溫度的設(shè)定見表2·1。 表2·

18、;1 擠出溫度設(shè)定 可知,在較高轉(zhuǎn)速下成型制品時(shí),機(jī)筒和機(jī)頭溫度可略設(shè)置高些。但溫度升高對擠出物表面質(zhì)量的影響遠(yuǎn)不及螺桿轉(zhuǎn)速的影響23。第2.3節(jié) 其他參數(shù)的確定加工參數(shù)的確定：由目前對UHMWPE受熱變形的研究24可以得到以下結(jié)論：當(dāng)加熱溫度高于138時(shí)，UHMWPE內(nèi)應(yīng)力開始急劇釋放，即UHMWPE進(jìn)入熔融狀態(tài)，UHMWPE收縮開始變慢，將兩數(shù)算數(shù)平均值定義為UHMWPE的熔點(diǎn)，即141。而多數(shù)的實(shí)驗(yàn)表明高于熔點(diǎn)5至30是UHMWPE熱變形加工的合適溫度。本課題熱風(fēng)箱設(shè)計(jì)工作溫度為160，此溫度小于降解溫度20025，在理論得出的合適溫度范圍內(nèi)。 通常加工板材常用的燒結(jié)法工藝中加熱溫度達(dá)到

19、150以上，加工壓力為10MPa以上，設(shè)計(jì)工作壓力為20MPa。因?yàn)閷?shí)際中不可能是線壓力，而且UHMWPE的特性決定了它達(dá)到熔點(diǎn)后不具有流動性，否則就不必要施加很大的力去加工，因此假設(shè)兩者的接觸寬度達(dá)到1mm。輥筒的基本參數(shù)確定：輥筒工作溫度為熱風(fēng)箱溫度，熱風(fēng)箱溫度的確定參考燒結(jié)壓制板材的溫度160左右。熱風(fēng)箱內(nèi)部由于一直送熱風(fēng)，熱風(fēng)機(jī)直接抽取空氣為工作氣體，空氣中有水分，在受熱的情況下，箱體內(nèi)部易發(fā)生腐蝕，因此選擇用不銹鋼材料，設(shè)計(jì)采用S30408。第3章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第3.1節(jié) 輥的布置與設(shè)計(jì)3.1.1、布輥方案與結(jié)構(gòu) 在最初的方案中圖3·1，對管材的展開曾采用多組支架，而考慮到UH

20、MWPE的加工性能，雖然160超過了材料的熔點(diǎn)，但是材料的性質(zhì)決定了它的內(nèi)應(yīng)力不能全部釋放，內(nèi)應(yīng)力沒有完全釋放就會產(chǎn)生不貼合支架的變形，而不貼合支架的變形必然受力不均勻，這將導(dǎo)致最終產(chǎn)品不能完全展平，甚至是出現(xiàn)板材斷裂的現(xiàn)象。因此考慮用輥壓的方法對管材施加變形力，這樣受力較均勻。圖3·1 最初支架方案輥組設(shè)置較多板材成型厚度就越精確，質(zhì)量相應(yīng)就越好，但成本相應(yīng)就會提高；而設(shè)置較少會出現(xiàn)板材未壓平，厚度不均勻等缺陷。初步設(shè)計(jì)為4組異形輥。異形輥為壓輥，目的是對展開的板材施加作用力，使其受力變形到需要的狀態(tài)，板材經(jīng)過支架初步展開后進(jìn)入輥組，第一組輥設(shè)計(jì)為向上翹曲的，即上輥為凹形輥，下輥為

21、凸形輥如圖3· 2第一組輥。第一組輥?zhàn)由陷伜拖螺伒闹懈叨际?00mm，兩輥跨度都是1320mm，輥壁厚都是20mm，上輥端部外徑320mm，下輥端部外徑80mm。設(shè)置第一組輥?zhàn)拥哪康氖沁M(jìn)一步使管材展開，并對板材的厚度定型。圖3·2 第一輥組模型圖 第二組輥組的設(shè)計(jì)展開弧度應(yīng)更小，設(shè)計(jì)為直輥，兩輥外徑都為200mm，輥?zhàn)涌缍?320mm，壁厚20mm，下輥的軸線高度和第一組輥?zhàn)酉嗤?，第三組、第四組的下輥軸線高度與第一組都相同，這樣設(shè)計(jì)的目的在于板材在展開和壓制定型的過程中，更加平穩(wěn)。輥組設(shè)計(jì)如圖3·3，第二組輥設(shè)計(jì)目的是初次實(shí)現(xiàn)展平，在展平的同時(shí)也能使板材厚度更加均

22、勻。第三輥組的設(shè)計(jì)弧度與第一輥組反向，即上輥為凸形輥，下輥為凹形輥。兩輥中高200mm，壁厚20mm，上輥端部外徑80mm，下輥端部外徑320mm，和前兩輥組一樣，上輥為施力輥，軸承座可移動，下輥為固定輥，主動轉(zhuǎn)動。此結(jié)構(gòu)的設(shè)置會使管材展平后向原曲率的反向彎曲變形，因?yàn)槌叻肿恿烤垡蚁┎牧系男再|(zhì)，在加熱過熔點(diǎn)20時(shí)內(nèi)應(yīng)力沒有釋放完全，反向彎曲使板材釋放一部分內(nèi)應(yīng)力，展平后回彈縮小，有利于板材保持平展。第三輥組如圖3·4。第四輥組設(shè)計(jì)與第二輥組相同，設(shè)計(jì)為直輥，目的為第二次展平板材，使輥壓出的板材基本平展，并能再次修正板材厚度方向的偏差，保證出箱的板材的厚度均勻和平展。設(shè)計(jì)如圖3

23、83;5。圖3·3 第二輥組模型圖圖3·4 第三輥組模型圖圖3·5 第四輥組模型圖上述四組輥?zhàn)拥纳陷伓际鞘┝?，油缸提供加載。四組輥在熱風(fēng)箱內(nèi)的排布圖如3·6圖3·7。圖3·6 箱體內(nèi)部四輥排布圖3·7 箱體內(nèi)部四輥排布3.1.2、輥筒的加工方法輥的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量減小重量，參考軋輥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)26，設(shè)計(jì)為中空筒狀，輥筒的制造方法采用離心澆注的方法27-29，異形輥的制造只要改變鑄型的形狀澆注。圖3·8 直輥臥式澆注方案圖異形輥的制造參考直輥澆注的方案見圖3·8，若直接改變鑄型鑄造出的異形輥厚度不均勻，鑄件厚度不

24、均勻冷卻收縮會出現(xiàn)缺陷。因此要對鑄造工藝進(jìn)行改進(jìn)，初步方案是在筒壁內(nèi)加筒芯，鑄造后拔模取出即可。對于凸形輥的鑄造不能一次成型，需要二次成型。第3.2節(jié) 箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖3·9 最初熱風(fēng)箱箱體設(shè)計(jì)箱體主體結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計(jì)定為長方體如圖3·9，因?yàn)橄潴w有加熱機(jī)構(gòu)，即熱風(fēng)機(jī)送風(fēng)，而采用長方體箱體內(nèi)部空間過大，有一些空間設(shè)置的沒有必要，空間的浪費(fèi)還會導(dǎo)致預(yù)熱時(shí)間增加，效率變低。因此對箱體的主題結(jié)構(gòu)采取優(yōu)化，縮小了一部分箱體內(nèi)空間，最后的箱體結(jié)構(gòu)如圖3·10。圖3·10 最終的箱體結(jié)構(gòu)箱體總體尺寸如下，總長度約5m，后部分寬度約2m，后部分箱體高度約1m。箱體的上部

25、有兩個(gè)可以打開的蓋，蓋板用螺栓固定，采用密封條密封，密封條選用高溫硅橡膠條，規(guī)格直徑16mm，此密封可以耐受260的高溫，能夠滿足工作要求?？砷_蓋的結(jié)構(gòu)方便安裝調(diào)試。箱體采用不銹鋼材料，選用高合金鋼板S30408。箱體內(nèi)設(shè)有滑軌，輥支座安裝在滑軌上，箱體的前部中部后部都設(shè)有溫度傳感器，傳感器用來測量預(yù)熱溫度，當(dāng)三部分溫差小于一定值時(shí)，就可以開始進(jìn)料展開管材。箱體的底部有支撐架，防止箱體跨距太大而失穩(wěn)。底部結(jié)構(gòu)如圖3·11。圖3·11 箱體底部結(jié)構(gòu)。第3.3節(jié) 其他設(shè)備的設(shè)計(jì)與選型3.3.1、雙螺桿機(jī)的選型鑒于超高分子量聚乙烯剪切速率低，物料易分解，選擇錐形雙螺桿機(jī)，錐形雙螺

26、桿機(jī)具有具有剪切速率小，物料不易分解，塑化混煉均勻，質(zhì)量穩(wěn)定，產(chǎn)量高，適用范圍廣，使用壽命長等特點(diǎn)。雙螺桿機(jī)的選型參考表3·1雙螺桿擠出機(jī)螺桿直徑與管材規(guī)格的關(guān)系，本設(shè)計(jì)管材成型尺寸外徑400mm，因此選用直徑80的錐形雙螺桿機(jī)。市場上常見的錐形雙螺桿機(jī)型號SJZS80/156，電動機(jī)功率50kW以上。表3·1 雙螺桿擠出機(jī)螺桿直徑與管材規(guī)格螺桿直徑（小頭）/mm45556580管材直徑/mm12-11020-25032-30060-4003.3.2、塑料剪板機(jī)選用氣動剪板機(jī)，由于UHMWPE抗拉強(qiáng)度在30MPa-50MPa之間，故應(yīng)選用，最大可加工尺寸高于1200mm，可

27、選擇1600mm，剪切速率根據(jù)所需板材長度和牽引速度而定。一般主電機(jī)功率在7.5kW以上，剪切斜角1.3°以內(nèi)。3.3.3、牽引機(jī)圖3·12 牽引機(jī)在板材輸送的過程中，因?yàn)榘宀氖怯晒懿臄D出成型，整個(gè)生產(chǎn)線速度由擠出速度決定，履帶式的牽引機(jī)不適合板材的牽引，結(jié)合工廠實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，用橡膠輥進(jìn)行牽引效果很好，如圖3·12牽引機(jī)。配以伺服電機(jī)，調(diào)速使橡膠輥線速度至與擠出管材的線速度一致。3.3.4、油缸的選型輥?zhàn)邮芰Ψ治鲋锌梢缘玫?，輥?zhàn)邮┘拥膲毫?0000N，3種形式的輥?zhàn)又?，最重的自重與軸和軸承座等總重小于5000N。每一個(gè)上輥即施加壓力的輥配以2個(gè)油缸，每個(gè)油缸至少要能

28、提供2500N的拉力，和18000N的推力。油缸的工作環(huán)境為160，普通油缸高于80就可能失效，而采用耐高溫密封材料的油缸普遍可以達(dá)到180環(huán)境中正常工作。因此要采用耐高溫材料的油缸。 油缸型號參數(shù)為內(nèi)徑為80mm，活塞桿直徑45mm，面積比為1.4，使用工作壓力15MPa。推力75.4kN，拉力51.54kN。3.3.5、極位制動結(jié)構(gòu) 在移動軸承座上和輥組支撐座上有四組平面極位塊，由于油缸工作有緩沖區(qū)，不能精確停留，因此用極位結(jié)構(gòu)限制上輥的位移，極位塊設(shè)置的接觸位置恰好為上下輥中高8mm位置。一方面能夠大大消除油缸定位不準(zhǔn)確的情況，即可以使加工的板厚更加準(zhǔn)確，另一方面也能避免油缸位移過大引起

29、板材的報(bào)廢。上輥軸承座極位塊下平面為工作面，位于支架的極位塊上平面為工作面，加極位塊工形狀位置精度盡可能高。極位塊設(shè)計(jì)如圖3·13。圖3·13 極位塊第3.4節(jié) 生產(chǎn)線總體視圖冷卻托輥架裁邊機(jī)輥壓展平雙螺桿擠出機(jī)管材剖開開剪板機(jī)熱風(fēng)送風(fēng)口底部滑軌圖3·14 生產(chǎn)線模型第4章 輥組工作狀態(tài)下受力分析第4.1節(jié) 模擬方案及建模有限元分析是用較簡單的問題代替復(fù)雜問題后再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對每一單元假定一個(gè)合適的(較簡單的）近似解，然后推導(dǎo)求解這個(gè)域總的滿足條件(如結(jié)構(gòu)的平衡條件），從而得到問題的解。這個(gè)解不是準(zhǔn)確解，而是近似解，因

30、為實(shí)際問題被較簡單的問題所代替。由于大多數(shù)實(shí)際問題難以得到準(zhǔn)確解，而有限元不僅計(jì)算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。對于不同物理性質(zhì)和數(shù)學(xué)模型的問題，有限元求解法的基本步驟是相同的，只是具體公式推導(dǎo)和運(yùn)算求解不同。有限元分析可分成三個(gè)階段，前置處理、計(jì)算求解和后置處理。前置處理是建立有限元模型，完成單元網(wǎng)格劃分；后置處理則是采集處理分析結(jié)果，了解計(jì)算結(jié)果。本設(shè)計(jì)輥筒材料選用ZG270-500（），熱處理工藝采用調(diào)質(zhì)處理，調(diào)質(zhì)后鑄鋼塑性性能明顯提高。輥筒分為三種，凹形，凸形，直輥，為了保證平展后的板材高度和平展前管材的上切線高度一致，并且異型輥組使用的機(jī)架一致，設(shè)計(jì)

31、三種輥?zhàn)又懈叨际?00。凹形輥受力分析：20MPa施加在1mm 寬的輥面上凹形輥受力圖如圖4·1。圖4·1 凹形輥受力圖輥?zhàn)觾啥耸芰Υ笮。?0MPa×0.001m×1.35m=2F計(jì)算后向上取整F=14kN以第凹形輥為例ANSYS分析：1.選取單元類型：凹形輥材料采用鑄鋼，鑄鋼有各向同性，塑性較低，變形量較大，輥?zhàn)咏２捎?D塊，選用solid185單元，該單元用于構(gòu)造三維固體結(jié)構(gòu)，通過8個(gè)節(jié)點(diǎn)來定義，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)沿著xyz方向平移的自由度單元具有超彈性、應(yīng)力鋼化、大變形和大應(yīng)變能力。設(shè)置各向同性和線彈性。2.建模和網(wǎng)格劃分：輥?zhàn)幽Ｐ蛥?shù)如下：兩端面長

32、度1320mm，端面直徑320mm，輥?zhàn)又懈?00mm，筒壁厚20mm，兩端部板厚60mm，端面孔直徑80mm，還要在輥面上建立一個(gè)轉(zhuǎn)角為0.58°的面。由于倒角和圓角對輥?zhàn)觾?nèi)部應(yīng)力分布的影響很小，為了簡化網(wǎng)格劃分建模時(shí)都可以忽略不計(jì)。圖4·2 網(wǎng)格劃分（1）網(wǎng)格劃分如下：將輥面弧線劃分為25段，筒壁分為4段，端面0.58°圓弧劃分為2段因?yàn)槌叽绫容^小所以劃分的分?jǐn)?shù)也少，端面除0.58°的圓弧其余圓弧劃分為60段，端面厚度方向劃分為5段，端面徑向方向分為15段。建成的模型共有8556個(gè)單元。網(wǎng)格劃分后如圖4·2網(wǎng)格劃分（1）和圖4·3

33、網(wǎng)格劃分（2）。圖4·3 網(wǎng)格劃分（2）3.加載、求解：圖4·4 施加約束后的輥?zhàn)颖痉治鲋荚谇蠼廨佔(zhàn)拥氖芰顟B(tài)，不考慮振動輥?zhàn)咏o板材施加力的瞬間可以視為靜載荷，即此刻輥?zhàn)硬晦D(zhuǎn)動，將兩端面80mm的孔弧面全約束。如圖4·4。第4.2節(jié) 三組輥組的結(jié)果分析凹形輥求解后結(jié)果如下圖4·5圖4·6，主要分析X方向的位移和拉伸應(yīng)力，圖4·5 X方向位移圖圖4·6 凹形輥應(yīng)力圖X方向位移直接影響加工出的板材厚度方向的偏差，X方向位移圖如圖4·5。凹形輥應(yīng)力圖如圖4·6。圖中顯示最大位移在壓輥面的中心處，最大位移值為-0

34、.384mm，其值小于百分之五板厚，因此也是可以接受的。最大拉伸應(yīng)力出現(xiàn)在兩端約束處，及輥?zhàn)幼钔獗砻媪Φ淖饔镁€上，最大值=14.8MPa，14.8MPa<<270MPa，凸形輥?zhàn)邮芰Ψ治觯菏芰θ鐖D4·7。圖4·7 凸形輥受力圖 圖4.·7 凸輥受力圖20MPa×0.001m×1.35m=2F計(jì)算后向上取整F=14KN凸形輥兩端直徑80mm，假設(shè)壁厚為20mm，ANSYS建模分析得到結(jié)果： 見圖4·8凸形輥X方向最大位移圖，X方向最大位移在壓輥面的中心處，最大位移值為-0.121mm，0.121：8=1.5%<5%，厚

35、度偏差值在可以接受的范圍內(nèi)。在圖4·9凸形輥拉伸應(yīng)力圖中可以看出最大拉伸應(yīng)力出現(xiàn)在兩端約束處，及輥?zhàn)幼钔獗砻媪Φ淖饔镁€上，最大值=14.8MPa，16.2MPa<<270MPa，應(yīng)力較小。凹凸輥組綜合分析：因?yàn)榘纪馆伖ぷ鳡顟B(tài)下組合使用，出于設(shè)計(jì)的簡潔性考慮，4組輥組上輥都是受油缸控制位移并提供壓力，而下輥都是固定，且為主動輥，而板材的受壓變性后的位移既受到上輥?zhàn)饔糜质艿较螺佔(zhàn)饔?，因此板材的厚度方向偏差將上下輥?zhàn)冃挝灰葡嗉拥玫降慕Y(jié)果更趨于可靠， 0.384+0.121=0.505mm0.505：8=6.3%<10%因?yàn)樽畲笪灰茷樨?fù)值，即板材的厚度偏差值為正，表明板材加

36、工后是>8mm，再圖4·8 凸形輥X方向最大位移圖圖4·9 凸形輥拉伸應(yīng)力圖經(jīng)過直輥，是可以再次矯正的，通過對后續(xù)直輥的分析發(fā)現(xiàn)矯正后的板厚最大偏差可以控制在<5%以內(nèi)，因此凹凸輥組位移偏差小于10%是合理的。直輥受力分析：如圖4·10。圖4·10 直輥受力圖20MPa×0.001m×1.35m=2F計(jì)算后向上取整F=14KN直輥直徑200mm，假設(shè)壁厚為20mm，ANSYS建模分析得到結(jié)果： 見圖4·11直輥X方向最大位移圖X方向最大位移在壓輥面的中心處，最大位移值為-0.181mm，0.181：8=2.2%&

37、lt;5%，厚度偏差值在可以接受的范圍內(nèi)。在圖4·12直輥拉伸應(yīng)力圖中可以看出最大拉伸應(yīng)力出現(xiàn)在兩端約束處，及輥?zhàn)幼钔獗砻媪Φ淖饔镁€上，最大值=7.0MPa，7.0MPa<<270MPa，應(yīng)力較小。直輥組綜合分析：直輥組的目的在于展平板材，因此使直輥組的偏差盡量小是保證板材加工成型后厚度復(fù)合要求的主要技術(shù)手段，加工成型后的板材厚度偏差小于5%是較合理的偏差范圍，直輥的受力圖可以看出直輥位移為負(fù)值，那么加工出的板材偏差為正值，上下兩組直輥同時(shí)輥壓板材，因此兩輥的位移偏差相加對于板材厚度的分析更加可靠。0.181+0.181=0.3620.362:8=4.5%<5%直輥

38、組加工出的板材最大厚度偏差出現(xiàn)在板帶的中間，厚度偏差為正，小于5%，圖4·11 直輥X方向位移圖因此板材從直輥出去后，厚度基本符合要求。圖4·12 直輥拉伸應(yīng)力圖第4.3節(jié) 輥組分析結(jié)論通過以上分析可以得到如下結(jié)論：1.在展開后的輥壓過程中，不論是凹凸輥組還是直輥組，板材的成型形狀為兩端低，中間高；2.ANSYS分析發(fā)現(xiàn)影響輥?zhàn)邮У男问绞莿偠仁Ф皇菑?qiáng)度失效，并且拉伸應(yīng)力很小，因此可以通過對輥筒的熱處理如調(diào)質(zhì)，鍍鉻，保溫處理等提高剛度。也可以通過改變材料來提高剛度，即選用彈性模量較高的材料；3.凹凸輥組加工出的板材偏差高于直輥組，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，凹凸輥組后接直輥組，

39、可以保證厚度偏差更??；4.輥?zhàn)佣瞬苛υ诓豢紤]重力的情況下都是15KN左右，而不同形狀的輥筒重力差別不大因此可以使用統(tǒng)一規(guī)格的油缸進(jìn)行調(diào)節(jié)。結(jié) 論本設(shè)計(jì)通過對直縫焊管工藝和管材直剖生產(chǎn)帶材的方法的類比，進(jìn)一步結(jié)合超高分子量聚乙烯受熱變形性能，以及燒結(jié)壓制、擠出等傳統(tǒng)工藝，探索并設(shè)計(jì)了一種新的加工板材的方法。并進(jìn)行了三維結(jié)構(gòu)和二維圖的設(shè)計(jì)。在本設(shè)計(jì)中輥組為異形輥，輥面程復(fù)雜的曲面，難以進(jìn)行傳統(tǒng)的計(jì)算，因此用ANSYS建模并進(jìn)行了簡單的靜力分析，對輥的X方向（即徑向）位移和拉伸應(yīng)力進(jìn)行了模擬分析。 本設(shè)計(jì)的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)包括：（1）設(shè)計(jì)了一種以管材為原料加工板材的工藝路線，路線如下，雙螺桿擠出機(jī)擠出管材

40、，管材進(jìn)入熱風(fēng)箱底部剖開，通過支撐架撐開，進(jìn)過4組不同的輥組逐漸去應(yīng)力展平，出熱風(fēng)箱，裁邊，剪板，堆料。（2）設(shè)計(jì)了4組異形輥組對板材進(jìn)行去應(yīng)力壓平，第1組輥組向上翹曲，目的為進(jìn)一步展平，第2組輥組為直輥，目的展平矯正，第3組輥組向下翹曲，目的消除回彈應(yīng)力，第4組輥組為直輥，目的再次展平。 得到的主要結(jié)論包括：（1）在展開后的輥壓過程中，不論是凹凸輥組還是直輥組，板材的成型形狀為兩端低，中間高；（2）ANSYS分析發(fā)現(xiàn)影響輥?zhàn)邮У男问绞莿偠仁Ф皇菑?qiáng)度失效，并且拉伸應(yīng)力很小。輥?zhàn)觿偠戎苯佑绊懓宀暮穸鹊木鶆蛐浴Ｒ虼丝梢酝ㄟ^對輥筒的熱處理如調(diào)質(zhì)，鍍鉻，保溫處理等提高剛度。也可以通過改變材料來提

41、高剛度，即選用彈性模量較高的材料；（3）凹凸輥組加工出的板材偏差高于直輥組，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，直輥設(shè)置在凹凸輥組后，可以保證厚度偏差更小，結(jié)構(gòu)上更加合理。在今后的研究中仍需解決的問題：（1）結(jié)構(gòu)的合理性優(yōu)化，本設(shè)計(jì)給出了總體的布局及主要部件的結(jié)構(gòu)，其他結(jié)構(gòu)存在改進(jìn)的空間，如對管材底部剖開的鋸片處缺乏一個(gè)除屑機(jī)構(gòu)，如輥組工作狀態(tài)下施加的壓力測量系統(tǒng)等。（2）在凸形輥制造工藝中，為達(dá)到離心鑄造的壁厚相對均勻，就必須分兩半各自澆注，若仿照凹形輥的工藝加裝芯筒澆注后將不能取出芯筒，分瓣澆注后需要焊接，而焊接會影響工作面的力學(xué)性能。（3）開發(fā)一套把CAD和有限元模擬和結(jié)果直觀表達(dá)出來的輥壓連續(xù)生產(chǎn)的動

42、態(tài)軟件，提高機(jī)組設(shè)計(jì)的效率和科學(xué)性。參考文獻(xiàn)1 余黎明.我國超高分子量聚乙烯行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及前景J.化學(xué)工業(yè),2012,30(9): 1-5.2 黃安平,朱博超,賈軍紀(jì),李艷芹. 超高分子量聚乙烯的研發(fā)及應(yīng)用J.高分子通報(bào),2012,(4):127-132.3 王小俊.超高分子量聚乙烯的流變行為及其在材料加工中的應(yīng)用D.廣州:華南理工大學(xué),2010.4 Higgins, Joel, Schroeder, David.Using isostatic pressing techniques to mold UHM-WPER. San Francisco, CA, USA,1995.5 許中義.超高分

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