塑料機(jī)械課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書

2009年6月(2)使學(xué)生能夠熟練地運(yùn)用有關(guān)設(shè)計(jì)技術(shù)資料，如《塑料機(jī)械國家標(biāo)(3)訓(xùn)練學(xué)生初步設(shè)計(jì)塑料機(jī)械的能力，為以后的工作打下初步的基學(xué)生應(yīng)充分研究設(shè)計(jì)任務(wù)書，熟悉產(chǎn)品用途，所應(yīng)用的樹脂，并進(jìn)行工藝性及尺寸公差等級(jí)分析，在初步明確設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，可按下列步(4)對(duì)螺桿、機(jī)筒強(qiáng)度進(jìn)行校核：(5)按“設(shè)計(jì)任務(wù)書”要求設(shè)計(jì)繪制零件圖；(6)按規(guī)定格式編制設(shè)計(jì)說明書；(7)準(zhǔn)備答辯。4)螺桿的加工制造容易、使用壽命長。專用還是通用?對(duì)螺桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有不一致要求。要求H3較淺，反之則要求較深的H3.優(yōu)點(diǎn)：桿有足夠的強(qiáng)度，利于用增大轉(zhuǎn)速來提高生產(chǎn)能力；有利于設(shè)計(jì)大的壓縮3)變距變深螺桿特點(diǎn)：可得到較大的壓縮比(8:1),機(jī)械加工復(fù)雜，使用較少。非結(jié)晶型塑料熔融時(shí)有玻璃態(tài)、高彈態(tài)與粘流態(tài)三種狀態(tài)，是在一個(gè)較大的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，如HPVC的軟化溫度在75~165℃,故選用等距變深螺桿較好；度在83~111℃,選用等距突變螺桿較好，理論上突變?yōu)?1~2)D,實(shí)際上通常為(3~5)螺桿直徑吹膜折徑擠板寬度加料段的要緊幾何參數(shù)有：螺紋升角φ、螺槽深度H?與加料段長度L螺紋升角φ,在設(shè)計(jì)時(shí)，假如取螺紋升程等于螺桿直徑時(shí)φ=17°40'螺槽深度H,在理論上H大，固體輸送量增大。但在確定時(shí)，要考慮螺桿的機(jī)械強(qiáng)度與物料的壓縮比。因此應(yīng)先確定均化段螺槽深度后，再由螺桿的幾何壓縮比來計(jì)算加料段的螺槽深度。加料段長度L?的確定，理論上可由固體輸送理論公式計(jì)算，然而實(shí)際上由于影響因素很多，難于用理論公式去計(jì)算。通常是通過塑料的物理性能分析，用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定。對(duì)熔點(diǎn)高，導(dǎo)熱性差，熱焓大的塑料，L?要長些；如加工PP的就要比加工PE的要長些；而PS屬于非結(jié)晶塑料，它的熔融過程是在一個(gè)比較大的范圍內(nèi)進(jìn)行，且它的熱焓最低，所需的L?長度可比HDPE短。2)熔融段E=[π(D-H,)H?(1:-e)]/[π(D-Hs)H?(13esUPVC(粒料)UPVC(粉料)SPVC(粒)PC2.5~3SPVC(粉)3~5PPO(緊苯硫醛)2(2~3.5)PE3~4(磨風(fēng))PSF2~3PP3.7~4(2.5~4)PA6PS2~2.5(2~4)3.73PA112.8(2.6~4.7)1.7~233.5~3.72.5~4磨全氟乙丙師上述壓縮比的簡化公式，是在三段的螺紋升程相等，螺棱寬度e也相壓縮段長度L2:根據(jù)結(jié)晶型塑料與非結(jié)晶型塑料的各自特性，通常的3)均化段：從前面產(chǎn)量Q公式能夠看出：正流與槽深一次方成正比，而倒流卻與槽深的三次方成正比；也就是說，假如其它條倍，正流只增大一倍，而反流卻增大8倍。因而，槽太深，反而降低了生L值用理論公式計(jì)算較困難，通常用下列公式選?。簾崦粜晕锪峡扇《绦?，對(duì)高速擠出L/D大的，均化段取大值，以習(xí)慣其定選取時(shí)要根據(jù)物料的實(shí)際物理性能與工藝條件確定。2.2.4螺紋斷面形狀矩形斷面的螺紋，其根徑表面與螺棱推進(jìn)面成90°夾角，用小圓弧過鋸齒形斷面的螺棱，其后緣有較大傾角α(a<30°),且過渡圓弧較大，有利于物料的流淌，同時(shí)有較好的混合與均化物料的作用，避免了渦流現(xiàn)象。通常取α=10°;而當(dāng)傾角α取大值時(shí)，螺棱的強(qiáng)度大。這種斷面適用于φ45以上的中大型機(jī)與造粒機(jī)。梯形斷面螺紋，其傾角取α=10°~15°,圓弧半徑取(0.07~0.13)D,常用于φ30下列的小徑桿上。上述斷面應(yīng)用最多的是矩形與鋸齒形兩種。r?與r?通常取0.5~1mm,r與R按下以上數(shù)值范圍，大直徑螺桿取大值。也有資料介紹按下列數(shù)據(jù)選?。篟=(0.04~0.12)D螺紋后角通常取α=10°;螺棱頂部寬度e,通常取e=(0.08~0.12)D;在保證螺棱強(qiáng)度條件下，應(yīng)取小些，由于比較大的e值不僅占據(jù)一部分螺槽容積，減少了輸送能力，而且增加了螺桿的功率消耗，還容易引起物料的局部過熱的危險(xiǎn)。但也不能太小，否則會(huì)削弱螺棱強(qiáng)度，增大漏流流量，降低了生產(chǎn)能力，特別對(duì)粘度低的物料更甚。通常取e=0.1D.2.2.5螺桿的螺紋頭數(shù)在螺桿直徑、螺槽深度與螺紋升程相同的條件下，多頭螺紋與單頭螺紋比，多頭螺紋對(duì)物料的正推力較大，攫取物料的能力較強(qiáng)，并可降低熔料的倒流現(xiàn)象。只是，整條螺桿都是多頭螺紋時(shí)，往往由于幾條螺槽的進(jìn)料不均勻與各條螺槽的熔融、均化與對(duì)熔料的輸送能力不一致，容易引起生產(chǎn)能力、壓力的波動(dòng)。其結(jié)果使制品的質(zhì)量下降。假如在單獨(dú)在某一段上設(shè)置多頭螺紋(如加料段),則能夠提高生產(chǎn)能力，又不降低制品質(zhì)量。對(duì)普通螺桿，通常都選有單頭螺紋。廣用角較小)PVC等用(惟角90~廣用)圓柱一德角(對(duì)尼龍，惟角可取140°)有防止物料變團(tuán)作用(裁園框體)同上熔料在螺槽中的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)到進(jìn)入口模時(shí)的直線而在機(jī)筒壁最緩慢。合理的螺桿頭形狀才能使物化與穩(wěn)壓作用，同時(shí)以增加對(duì)物料的壓力，適用于PS等塑料。其與機(jī)筒的間隙為H3的40~50%,其長度約為(3~5)D。螺桿根徑(特別是加料段；或者排氣螺桿的排氣段)處的承載能力最差，因此，所謂強(qiáng)度計(jì)算就是在上述復(fù)合力作用下螺桿根徑(特別是加料段；或者排氣螺桿的排氣段)斷面的強(qiáng)度計(jì)算。3.1由軸向力P?產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力σcds---螺桿最小根徑cm3.2由扭矩Mt產(chǎn)生的剪切應(yīng)力tt=496000×Nmax×nmaxdskgcmn-------擠出機(jī)傳動(dòng)效率取0.9233.3由螺桿自重G產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力abσy=L2(D+ds)2γ/[ds3(1-Cdsds式中：γ--螺桿材料的比重，鋼材取0.00785kg/cm3L---螺桿有螺紋部分長度cm當(dāng)螺桿沒有冷卻孔時(shí)C=03.4求螺桿的合成應(yīng)力σr[σ]=σy/nσy--螺桿材料的屈服極限kg/cm2螺桿外徑D=15cm,螺桿螺紋尾部斷面根徑ds=11.8cm,螺桿冷卻水孔直徑do=3.5cm,螺桿螺紋部分長度L=300cm,機(jī)筒外徑Do=25cm,機(jī)筒內(nèi)徑Db=15cm,螺桿最大驅(qū)動(dòng)功率Nmax=75KW,螺桿最高轉(zhuǎn)速nm=41.8r/min,螺桿、機(jī)筒材料均為38CrMoAlA(其屈服強(qiáng)度σy=8500kg/cm2)取傳動(dòng)效率n=0.923,機(jī)頭最高壓力Pmax=500kg/cm2,安全系數(shù)ny=3(故許用應(yīng)力[σ]=8500/3=2830kg/cm2)。1)螺桿強(qiáng)度校核：(1)求螺桿所受的軸向應(yīng)力為：(2)求剪切應(yīng)力：T=496000×Nmax×n/[nmaxds3(1-C)]=496000×75×0.92(3)計(jì)算彎應(yīng)力：σx=L2(D+ds)2γ/[ds3(1-C)dsds=3002(15+11.8)2×7.85×1(4)第三強(qiáng)度理論計(jì)算復(fù)合應(yīng)力：ar≤[o]因此安全可用2)機(jī)筒的強(qiáng)度校核：4新型螺桿的設(shè)計(jì)普通螺桿存在的問題較多，從螺桿三段的基本職能進(jìn)行分析，三段存在的問題是有一定的相互聯(lián)系，并非孤立存在的。(一)加料段存在的問題本段的要緊作用是輸送與壓實(shí)固體物料，從設(shè)計(jì)角度，總希望輸送效率越高越好，并在其它兩段配合下，得到最高的生產(chǎn)能力，可實(shí)際上本段的輸送效率在通常情況下只能達(dá)到設(shè)計(jì)能力的20~40%,且隨著螺桿的轉(zhuǎn)速(二)熔融段存在的問題A沿螺槽方向的螺桿底徑的錐度與熔融段長度L2假如不習(xí)慣一固體膜將會(huì)滲入固體床的縫隙中，如今熔融段出現(xiàn)供料不而固體物料受到的剪切作用得到的熱量不大，大塊中的氣體被熔體包裹，在均化段進(jìn)一步熔融后易(三)均化段存在的問題均化段在理論上是作為定壓、定量、定溫地輸送熔料，并使之進(jìn)一步均化的。但實(shí)際上，由于前兩段存在的問題，使(四)解決普通螺桿存在問題的一些做法1)在工藝上：率降低，也帶來了壓力波動(dòng)，影響制品質(zhì)量。螺桿轉(zhuǎn)速提高是有一定限度度提高了，加重了制品的冷卻負(fù)擔(dān)，又導(dǎo)致了制品在冷卻過程中產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力；另一方面，對(duì)熱敏性塑料，可能引起降解。2)改進(jìn)加料段結(jié)構(gòu)：如使用強(qiáng)制加料、對(duì)物料進(jìn)行預(yù)熱干燥、機(jī)筒上開一些細(xì)淺的軸向溝槽，增加物料與機(jī)筒的摩擦等手段，盡管都有一定的效果，但都是有限度的。3)增加螺桿的長徑比，但過大的L/D會(huì)給螺桿的制造與安裝帶來一總之，上述這些辦法受到一定的限制，因此在螺桿結(jié)構(gòu)上人們開始作文章，出現(xiàn)了各類形式的新型螺桿，確實(shí)產(chǎn)生了較好的效果。二)新型螺桿新型螺桿的結(jié)構(gòu)形式不一致，有分離型螺桿(BM桿)、分流型螺桿(銷釘螺桿、DIS螺桿)、屏障型螺桿、波狀螺桿、HM型(六角形)螺桿等。它們各的千秋，單從制造難易度角度，我們?cè)诖酥唤榻B較易加工制造的分流型螺桿(銷釘螺桿、DIS螺桿)、屏障型螺桿。據(jù)有關(guān)資料介紹，設(shè)計(jì)合理的屏障型螺桿，比同規(guī)格的擠出機(jī)擠出量可增加30%以上，出料溫度降3~20℃效果較為顯著是。L/D≥25的可設(shè)在距頭部2D左右位置上，應(yīng)保證沒熔物料<30%.假如與銷釘(分流段)同時(shí)使用，則其基本上設(shè)在距頭部為1/3L(屏障段的出料端)處，銷釘段位于螺桿頭端部。下面圖示的位置是單獨(dú)使用屏障段的情海2(m)(對(duì))回耘.數(shù)229446222954632244662695?2556(329446キシン夕部の位置流入槽與流出槽都是成對(duì)的，通常為4~8對(duì)，螺桿直徑小的取小溫度與壓力波動(dòng)越小。通常直徑30~65的取4對(duì)，90~150的取6對(duì)，200以上的取8對(duì)。圖17150mmφ,L/D=22D7ん-下消付這バり7型支豐シングスクり土段射圖(×タりン?部)四1150mm,L/D=220)7ル一下滿付き八り了型：豐シングえク可ュ段時(shí)圖(豐シン少部)斷面B-B(流入滿，流出灣)F=Bmin·G·M而螺槽的軸向截面積Fo=(t-e)·H?當(dāng)G=0.6,流量截面為螺槽軸向截面的60%時(shí)，則：式中：Bmin一屏障段最小長度，通常為2倍小，又易磨損，通常取B'=5~8mm左右，小徑桿取小值(φ65下列)。(二)銷釘螺桿設(shè)計(jì)在距桿頭部2D,4.5D,7D或者9.5D處圖1-3-29螺槽中設(shè)置銷釘?shù)匿N釘螺桿2)銷釘?shù)臄?shù)量：的螺桿，有資料介紹為2~4排銷釘；而設(shè)置銷釘混煉段螺桿，通常設(shè)置2~6圈銷釘，混煉段長度在2~4D?？倲?shù)在30~50個(gè)左右，但對(duì)銷釘混煉段螺桿，銷釘?shù)目偙砻娣e最少應(yīng)占該段無螺紋芯軸表面積的0.25~0.35較為適宜。3)銷釘?shù)某叽纾轰N釘間的間距：通常不大于銷釘直徑的1.5倍銷釘直徑：所有銷釘直徑都相等。以圓柱銷釘為例其直徑為：4上述表中所列數(shù)據(jù)均為最小的參考值，若銷釘為方形的能夠此值做為4)銷釘螺桿的其它參數(shù)：五擠出機(jī)機(jī)筒設(shè)計(jì)思路5.1普通機(jī)筒的結(jié)構(gòu)類型及其選擇參數(shù)桿徑mm溝槽寬度b(mm)溝槽深度h(mm)襯套內(nèi)孔錐度a(°)襯套的長度L(mm)1—機(jī)簡2一加料斗座3一加料口4—縱面藥稻5—襯套6—冷卻水道7—隔熱層圖1-3-47軸向開槽錐形套筒新型機(jī)筒的設(shè)計(jì)要緊是在進(jìn)料段開設(shè)軸向淺溝槽、設(shè)置軸向開槽的槽5.3加料口式a64用于粒料和粉料。應(yīng)用少左醒垂直但向中移1/4D,右壁下5.4機(jī)筒與機(jī)頭的連接頭麻煩，連度慢。應(yīng)用于大型直連機(jī)頭卡擦為2～3塊，用結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，加工方便。應(yīng)用較少5.5機(jī)筒與螺桿的尺寸公差及材料與熱處理間隙最小桿直徑偏差上+0.1177146+0.3878下+0.0500000+0.26+0.29+0.34熱處理方法mm特點(diǎn)火約55—光滑，耐磨、耐蝕滲氮氮化鋼表面硬度高，耐磨耐蝕低碳合金鋼表硬，耐磨，芯部韌基等合金與碳化物取決于用于新桿或者螺桿修復(fù)處理方法表層厚度或者深度硬度特點(diǎn)中碳及其合金鋼雖光滑耐磨耐蝕易剝落，少用滲氮氮化鋼應(yīng)用廣澆鑄合金層中碳及其合金鋼取決于合金層國內(nèi)已有應(yīng)用，較少5.6機(jī)筒的壁厚及強(qiáng)度校核表5.6部分國產(chǎn)擠出機(jī)筒壁厚螺桿直徑壁厚20~2520~2530~4540~4540~4540~4550~605.6.1機(jī)筒的強(qiáng)度計(jì)算1)徑向應(yīng)力計(jì)算：σt=-p(徑向最大應(yīng)力Mpa)式中p---機(jī)筒內(nèi)壓力，通常取p=50MpaDa—機(jī)筒外徑(cm)Db—機(jī)筒內(nèi)徑(cm)otmax-切向應(yīng)力(Mpa)5.6.2機(jī)筒強(qiáng)度計(jì)算例題：試校核SJ-150擠出機(jī)機(jī)筒的強(qiáng)度，其有關(guān)參數(shù)為：螺桿外徑D=15cm,螺桿螺紋尾部斷面根徑ds=11.8cm,螺桿冷卻水孔直徑do=3.5cm,螺桿螺紋部分長度L=300cm,機(jī)筒外徑Do=25cm,機(jī)筒內(nèi)徑Db=15cm,螺桿最大驅(qū)動(dòng)功率Nmax=75KW,螺桿最高轉(zhuǎn)速nm=41.8r/min,螺桿、機(jī)筒材料均為38CrMoAlA(其屈服強(qiáng)度σy=8500kg/cm2)取傳動(dòng)效率n=0.923,機(jī)頭最高壓力Pmax=500kg/cm2,安全系數(shù)6分流板設(shè)計(jì)：平板狀分流班勢(shì)力尺寸參數(shù)桿徑孔眼徑板厚板至桿頭距244中間為4.8中24,外32200分流板的材料多用不銹鋼2Cr13或者3Cr137單螺桿擠出機(jī)的要緊技術(shù)參數(shù)(ZBG95009.1-88)桿徑QN筒加熱段加熱高中心高m33343535同上4638同上44445566778六螺桿式注射機(jī)塑化部件的設(shè)計(jì)包含有噴咀。對(duì)各類所要加工的樹脂不一致，它們1-噴嘴2-螺桿頭3-止逆環(huán)4-墊圈5-料筒6-螺桿7-加熱圈8-冷卻水圈通用型1.2螺桿的分段長度：螺桿類型加料段L1壓縮段L2漸變型突變型通用型1.3螺桿的要緊技術(shù)參數(shù)計(jì)算：1)螺桿直徑D(cm)K=Si/D,通常取3~52)理論注射容積V:式中：β—與物料有關(guān)的系數(shù)(0.003~0.007)(r/min)1.5螺桿槽深1)均化段槽深H?均化段槽深影響螺桿預(yù)塑時(shí)的回流與剪切效果，也就是說影響到塑化能力與塑化質(zhì)量。通常按經(jīng)驗(yàn)公式確定：對(duì)大直徑桿(大于90mm)的可取小值，槽深不宜大于6mm,2)加料段槽深H1:它直接影響壓縮比ε與螺桿的強(qiáng)度。注射用的壓縮比：樹脂代號(hào)或者名稱E3.0~3.5其它參數(shù)與擠出機(jī)相同。螺桿頭的結(jié)構(gòu)形式較多，在這里我們只介紹較為常用的帶普通止逆環(huán)的螺桿頭，如圖所示的符號(hào)，各部尺寸按下述選?。?)圓錐角α=30~60°;對(duì)較高粘度的取小值；對(duì)中、低粘度的取較大2)止逆環(huán)寬b:它應(yīng)保證運(yùn)動(dòng)時(shí)的導(dǎo)向性。3)止逆環(huán)啟閉位移量：4)止逆環(huán)外徑與機(jī)筒的配合精度：例題：已知螺桿直徑為42mm,H1=7.5mm,H3=2.7mm,螺距為40mm,螺棱寬為4mm,注射壓力為1190kg/cm2,螺桿驅(qū)動(dòng)功率N=4KW,螺桿的最高轉(zhuǎn)速為n=100r/min傳動(dòng)部件的總效率η=0.92,注射油缸直徑Do=180mm校解：1)求螺桿的扭應(yīng)力：t=Mt/Ws=97360N.η/0.2d3n=92)求螺桿的壓應(yīng)力：σc=(Do/d,)2P?=(18/2kgcm3)求螺桿加料段處的合成應(yīng)力：螺桿材料為38CrMoA1,其許用應(yīng)力為：σr<[σ]故螺桿安全螺桿頭與螺桿均使用左旋螺紋連接，配合精度代號(hào)為h6.2.機(jī)筒設(shè)計(jì)2.1整體式機(jī)筒1)機(jī)筒壁厚δ2)機(jī)筒強(qiáng)度校核σ(Mpa)