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1、本科生毕业设计姓名：学号：_系首B专业：机械设计制造及其自动化设计题目：SJ170/35单螺杆挤出机的设计专 题：SJ170/35单螺杆挤出机的设计指导教师：职称：讲师2008年6月徐州工程学院毕业设计答辩及综合成绩答辩情况提出问题回 答 问题确本确一般 性错 误原则 性错 误有答答辩委员会评语及建议成绩：答辩委员会主任签字：年 月日学院领导小组综合评定成绩：学院领导小组负责人：年 月日运用计算机辅助设计技术对挤出机总体结构进行设计可以促进企业 的设计效率、优化设计方案，提高产品设计标准化水平，缩短了产品的 设计周期，减轻了设计人员的工作强度并且降低了设计成本。本课题主 要研究内容如下：(1)
2、对各种不同挤出机的总体结构进行深入剖析。根据主要技术参数设计挤出机的整体结构。运运用AutoCAD绘制螺杆、机筒和机架零件图；挤出机 总体结构装配图。本课题运用AutoCAD技术进行挤出机总体结构的设计，可以缩短产 品开发周期，提高产品质量，降低成本，增强企业的市场竞争能力。关键词：挤出机；螺杆；机筒；底座ABSTRACTCarries on the design using the computer-aided design technology to the annular gear gear cutter overall structure to be allowed to promot
3、e enterprises rated capacity, Optimization design proposal and product design standardization level enhancement, Optimization design proposal and product design standardization level enhancement, Reduced has designed personneFs working strength and to reduce the design cost. This topic main research
4、 content is as follows:(1) Carries on the thorough analysis to each kind of different engine bed overall structure.(2) Carries on the three dimensional modeling to the annular gear gear cutter overall structure the plan proof,design engine bed foundation and engine bed overall structure three dimens
5、ional modeling.(3) In the Windows platform, using AutoCAD design engine bed foundation and the engine bed overall structure three dimensional modeling, and Engine bed foundation assembly drawingThis topic carries on the annular gear gear cutter overall structure using AutoCAD and the Pro/e technolog
6、y the plane design and Improves the product quality,the three dimensional design, May reduce the product development cycle, Reduces the cost, Enhancement enterprises market competition ability.KEY WORDS ： annular gear gear cutter, three dimensional modeling,overall structure, CAD, foundation, drawin
7、g .第一章绪论L1螺杆挤出机的概述采用挤出工艺加工塑料制品，要选择对原料品种和制品规格合格的挤出生产 线，经过绝对温度（冷却和加热），压力和速度等工艺参数的 控制，完成塑料制 品生产的工艺过程。挤出生产线由挤出机（主机），模具（机头），制品成型和收 集机械（辅机）组成。挤出基本理论塑料的挤出过程，是依靠挤出机螺杆把塑料经过输送，压实，并进一步熔融， 使塑料处于完全均匀的塑化状态后，在压力下从口模挤出，经过成型机械定型，冷 却后制成所需的制品。因此挤出机是塑料挤出的关键设备，它决定了挤出制品的质 量和产量。挤出机主要由螺杆，机筒，加热冷却系统，传动系统和控制装置组成。其中螺 杆是挤出机最关键的
8、的功能部件，它担负了对物料的输送，压实，塑化，均化，加 压，和泵出等挤出过程的主要功能。典型的单螺杆挤出机是三段式的，分别是加 料，压缩和挤出段。挤出机螺杆主要参数是：螺杆直径D,螺杆长径比L/D和压 缩比。1.1. 2挤出机的分类和用途目前塑料加工中使用的挤出机主要分为单螺杆和双螺杆挤出机。单螺杆挤出机 有排气和非排气之分，双螺杆有同向和逆向之分，以及平行双螺杆和锥形双螺杆之 分。此外还有特殊挤出机，比如：多螺杆挤出机，无螺杆挤出机等。常见单螺杆挤出机我国已经能够生产螺杆直径为12mm至250mm.1 .3不同螺杆挤出机的特点单螺杆挤出机是最早获得普遍应用的挤出机，由于结构简单，加工效率高，
9、在 塑料加工成型领域获得广泛的应用。同样，为了满足不同的加工需要，各设备厂家 进行过多种螺杆、机筒结构的探索。单螺杆挤出机从最初基本的纯螺旋结构，发展 出各种不同结构，如阻尼螺块、排气挤出、开槽螺筒、销钉机筒、积木式结构等， 因而令单螺杆挤出机的成型范围更广，适应领域更广阔。由于单螺杆挤出机占用空 间小，更几乎成为复合加工与吹塑薄膜领域唯一使用的设备而独领风骚。单螺杆挤 出机技术已经成为挤出加工市场不可忽视的重要部分。双螺杆挤出机又包括平行双螺杆挤出机和锥形双螺杆挤出机。平行双螺杆挤出 机有同向和异向之分。近几年，随着国内电子电器、通讯、汽车等领域的飞速发 展，材料改性与配混技术市场需求大增。
10、同向双螺杆配混挤出机作为市场最大的受 惠者，一度几乎成为双螺杆的代名词。从最初的高技术含量设备发展至今，已成为 大众化的设备之一。尽管各个厂家仍然存在技术含量与实力的差别，不能否认的是 双螺杆挤出机在中国的发展已相当成熟，尤其是在中小型机市场。相较而言，异向 平行双螺杆挤出机国内开发较少，而成型所用设备更多的为锥形双螺杆挤出机。锥 形双螺杆挤出机广泛应用于异型材成型，在建筑门窗加工领域应用获得成功。由于 双螺杆挤出机的产量高，混合性能优于常规单螺杆挤出机，普遍采用积木式结构易 于根据不同材料进行调整，因此成为挤出加工市场的主导力量。多螺杆挤出机一般指三螺杆或三螺杆以上的挤出机，通常也是为了达到
11、更好的 混合加工效果而设计。与单螺杆、双螺杆相比较，其市场应用要少得多。行星螺杆 挤出机是近年较受市场关注的一种多螺杆挤出机，特别适合于一般通用塑料的挤出 加工，作为成型加工的混配加料器具有更好的效果。1.2挤出机市场现状与发展趋势随着挤出机应用领域的不断拓展和技术上的不断进步，挤出机市场仍然保持 一定的上升势头，但国产挤出机价格大幅下跌已成现实。部分厂家粗制滥造和恶性价格战已经影响到国内塑机的整体形象和市场竞争力，也阻碍了塑料加工业的发 展。专家认为，挤出机主机和生产线今彳爰的市场将向高技术含量、价格更趋走低的 方向发展。从成型设备来看，国产主机基本上以锥形双螺杆挤出机和单螺杆挤出机 为主，
12、技术较成熟，市场销量最大，但这类产品的通用规格已供大于求，只能维持 在市场顶峰期的50%60%左右。国内主机市场今彳爰的重点应在于发展平行异向双螺 杆挤出机，以适应大挤出量的成型需要。平行同向双螺杆挤出机要向第六代、第七 代高速、大长径比方向发展。单螺杆挤出机则是向着超大型、超微型、大长径比、 高产出、良好的排气性等方向发展，而适应特殊加工需要的螺杆机筒结构，则成为 大家争相研发的重点。实际上，单螺杆挤出机是一种低能耗、低成本的机型，只要 技术得当，结构设计合理，同样可以达到双螺杆挤出机的效能。据介绍，美国现在 使用的塑料挤出机就以单螺杆为主。高技术含量的单螺杆挤出机正在某些领域逐步 取代双螺
13、杆挤出机。L2.1特种单螺杆挤出机随着近年来市场发展的需要，国内外不同厂家纷纷推出各种特殊结构的单螺杆 挤出机，以适应特殊的市场需要。以下特别介绍几种特殊挤出机在国内的研发进 展。（1）手提式挤出机研制成功。北京化工大学成功开发一种超高速微型手提式单螺杆挤出机。该机器螺杆直径 仅12mm,机器总重量不到2.5kg：螺杆工作转速8001200rpm,可实现连续或间 歇工作。此外由于所加工物料具有高壁面滑移性以及极易架桥的特点，配有专门设 计的强制加料装置；由于挤出机为手提式操作，设计了特殊的多路排气装置，以充分保证气体的排出。此外，该机器还具有深槽大螺距、两种驱动方式可选（电动、气动）、整机易于
14、清理、保养、维修等特点。该机器最初为加工一种特殊的低密度 低粘度物料设计，并可用于各种低粘度物料的挤出加工，如热熔胶、低分子量树 脂、各种石蜡、燃料、颜料、化妆品等的加工成型。超微型挤出机的研究开发，存在许多一般设备设计加工过程中难以想像的困 难，据介绍，该设备开发的关键在于微型挤出机的加料、排气、实现低温挤出输送 等问题的解决。（2）磨盘挤出机实现商业化国内多个厂家已完成磨盘挤出机的开发，实现磨盘挤出机的商业化生产。高 填充物料使用普通单螺杆或双螺杆挤出机加工存在较大的难度。双螺杆挤出机用于 玻纤增强配混时，若玻纤含量超过45%,加工就会变得相当困难。在加工磁性材 料时，通常磁粉的添加量高达
15、60%70%,有时甚至达到90%以上。用普通挤出机 进行磁性材料的加工与造粒几乎是不可能的。国内一些厂家和科研院所，根据国内磁性材料以及其他高填充物料的需要，悉 心研发出独立设计的磨盘挤出机。典型例子如北京凤记和北京化工大学。磨盘挤出 机可以通过调整磨盘组合以适应不同高填充材料，如玻纤增强、磁性塑料、导电材 料、新型陶瓷等物料的挤出加工。为了适应高填充物料的挤出加工需要，北京化工 大学也在进行磨盘挤出机直接挤出成型的试验研究，并应用于多种复合材料的挤出 成型加工试验获得成功。（三）往复螺杆挤出机系列化往复螺杆挤出机在前几年的国内市场红火一时，也成为不同厂家显示技术实力 的一个标志型产品。尤其是
16、各双螺杆挤出机厂家纷纷推出往复螺杆挤出机。由于双 螺杆市场异常火爆，往复螺杆挤出机市场相对平淡，各挤出厂家还是以双螺杆挤出 机为主推产品。近日，宝应金鑫特种塑料机械厂与北京化工大学合作研发出多种规 格的往复移动单螺杆挤出机，初步实现了往复移动挤出机的系列化。据悉，宝应金 鑫此次推出的系列化产品共包括四种规格，45、78、110和140,其中45和78两 种规格已经研发成功，即将推出110和140两种机型。往复移动式单螺杆挤出机最大的特点是实现不同物料的高填充加工。用于玻纤 增强物料加工时，玻纤的添加量可以达到50%以上，特别适于高填充物料的加 工，具有非常广阔的市场前景。由于其独特的往复式结构
17、，不能很好的满足建压的 要求，因而一般不适合用于制品的直接挤出成型。通常用于成型加工时，还需要配 备专用的成型挤出机。以上介绍的几种单螺杆挤出机，可以说是当前中国市场具有一定代表性的产 品。不过，尽管中国挤出机市场发展迅猛，也有不少新的机型推出，我们不能忽视 中国挤出机技术与国外发达国家相比还有较大差距。比如在超大型和微型设备领域 就还落彳奏于国际先进水平。国内企业唯有加紧努力，才能在激烈的市场竞争中赢得 机会，真正从塑机大国发展为塑机强国。近年来，双螺杆挤出机市场异常火爆，相对而言，单螺杆一直处于悄寂状态。 但是，单螺杆挤出机作为一种基本的塑胶加工设备，结构简单，成本较低，而且具 有更大的设
18、计灵活性。各种不同的特种单螺杆挤出机重受关注。单螺杆挤出机因其结构简单，价廉物美，生产效率高的特点，一直是塑胶管 材、板材、片材、异型材等成型加工最重要的设备。随着技术的不断进步以及人们 对螺杆认识的提高，多种不同的挤出机结构形式陆续面世。特种单螺杆挤出加工技 术又有替代多螺杆技术的趋势。第二章挤出机的整体设计PE铝塑板的基本特性不同的生产线对挤出机的具体要求不一样，这就需要根据不同塑料的性能设计 出合理的挤出机。本次设计的挤出机是用于铝塑板生产线的挤出机，这就要求对铝 塑板的性能有一定的掌握和了解。铝塑板是由多层材料复合而成，上下层为高纯度铝合金板，中间为无毒低密度 聚乙烯(PE)芯板，其正
19、面还粘贴一层保护膜。对于室外，铝塑板正面涂覆氟碳 树脂(PVDF)涂层，对于室内，其正面可采用非氟碳树脂涂层。铝塑板是易于加工、成型的好材料。更是为追求效率、争取时间的优良产品， 它能缩短工期、降低成本。铝塑板可以切割、裁切、开槽、带锯、钻孔、加工埋 头，也可以冷弯、冷折、冷轧，还可以钾接、螺丝连接或胶合粘接等。PE铝塑板即聚乙烯铝塑板，PE,全名为Polyethylene,是最结构简单的高分子 有机化合物,当今世界应用最广泛的高分子材料，由乙烯聚合而成，根据密度的不同分 为高密度聚乙烯、中密度聚乙烯和低密度聚乙烯。低密度聚乙烯较软，多用高压聚 合;高密度聚乙烯具有刚性、硬度和机械强度大的特性
20、，多用低压聚合。高密度聚乙 烯可以做容器、管道,也可以做高频的电绝缘材料，用于雷达和电视。大量使用的常 为低密度(高压)聚乙烯。聚乙烯为蜡状，有蜡一样的光滑感，不染色时,低密度聚乙烯 透明，而高密度聚乙烯不透明。聚乙烯是通过乙烯(CH2=CH2 )的加成反应和聚合反应，由重复的-CH2-单元 连接而成的高聚合链。聚乙烯的性能取决于它的聚合方式；在中等压力(15-30大气 压)有机化合物催化条件下进行Ziegler-Natta聚合而成的是高密度聚乙烯(HDPE)。 这种条件下聚合的聚乙烯分子是线性的，且分子链很长,分子量高达几十万。如果是 在高压力(100-300MPa),高温(190-210
21、C),过氧化物催化条件下自由基聚合，生产出的 则是低密度聚乙烯(LDPE),它是支化结构的。聚乙烯不溶于水，吸水性很小，就是对一些化学溶剂，如甲苯、醋酸等，也只有在 70以上温度时才略有溶解。但是微粒状的聚乙烯，可以在15c40C之间随温度 的变化熔化或凝固，温度升高时熔化，吸收热量;温度降低时凝固，放出热量。又因为 它吸水量很小，不易潮湿，有绝缘性能，因此是很好的建筑材料。2.1 产品的设计要求制品有效宽度12201750,厚度L05mm,其中铝箔厚度0.030.5mm。2.2 螺杆设计螺杆是挤出机最重要的部件，其性能好坏直接影响塑化质量和产量。整个理论 几乎都是围绕着螺杆上发生的挤出过程展
22、开的。因此，螺杆设计是挤出理论最重要 的应用领域之一。最早出现的螺杆是不分段的，随着生产的发展，从实践和理论都证明了将螺杆 分为加料段、压实段和计量段是比较合理的。螺杆直径的确定：150mm,螺杆长 径比35o螺杆的长径比L/D指螺杆的有效长度L和螺杆的直径D之比，如果是新 型的螺杆，其有效长度中应该包括混炼段的长度。长径比是代表挤出机性能的一个 主要的技术参数。欧洲塑料橡胶机械制造厂委员会建议长径比12、15、(18)、20、(24)、毕业设计任务书学院 机电工程系 专业年级 机械设计制造及其自动化学生姓名任务下达日期：2007年1月2日毕业设计日期： 2007年1月2日 至2008年5月1
23、7日毕业设计题目：SJ170/35单螺杆挤出机的设计毕业设计主要内容和要求：设计主要内容：1 .对各种不同挤出机的总体结构进行深入剖析。2 .根据主要技术参数设计挤出机的整体结构。3 .运用AutoCAD绘制螺杆、机筒和机架零件图；挤出机总体结构装配图。设计要求：1 .挤出机总体结构的装配图AJ张.挤出机机架零件图AJ张2 .挤出机螺杆零件图AJ张.挤出机机筒零件图A J张3 .说明书（20000以上）及外文翻译1份25、28、30、35,括号中的数值尽量不用或少用。对于某些排气螺杆，长径比达 到40左右或更长。L=35D=35 X 150=5250mm普通螺杆普通螺杆全长分为三段，即加料段L
24、、压缩段L2和计量段L3,计量段 有时也叫均化段。压缩段与熔融理论中的熔融段并不完全相同。在熔融理论中，熔 融起点和熔融重点以及熔融段长度Lm在螺杆上并非固定不变，他们随着挤出工艺 条件和塑料性能的变化而变化。而压缩段指的是螺槽深度有加料段深乩变至计量 段槽深出的那段长度，它是螺杆设计者人为设计的长度，一旦螺杆设计出来这个 长度也就确定了。2. 3.1螺槽深度和压缩比的确定螺槽深度是很重要的参数，我们可以从制品的质量与产量两方面来分析。(1)计量段槽深的确定：我们知道，计量段中熔料的剪切速率丫可按下式计算：丫 = n 2(3-1)也显然，计量段螺槽深度 也愈小，在相同的螺杆转速下剪切速率便愈大
25、， 因而分子间的内摩擦力也愈大。从式(3-1)可以看出，熔料因内摩擦而产生的热 量正比于剪切应力和剪切速率。由于剪切应力而产生的热量和螺槽深度H；的平 方成反比。Qoct Y = n fl Y 2= n(3-2)Hl式中：Q一熔料因剪切产生的热量；T 一剪切应力;y一剪切速率;n 一熔料的表现粘度。由此可见，螺槽深度较浅时，物料层内部会产生较多的热量。此外，螺杆 上物料层较薄，由外界加热器传进来的热量也容易将塑料热量。这方面因素都证明 了计量段槽深较小时，对促进塑料的塑化质量是很有好处的。从混合效果上来讲，计量段槽深M较小时，混炼程度较高，制品比较均匀。 在本章后面我们将进一步指出：当计量段槽
26、深较浅时，压力波动和温度波动都比较 小，这时对制品的综合质量都是有利的。但是，我们知道，只有那些承受高剪切速率的的塑料，如聚乙烯，才能选用较 小的槽深，这类塑料的成型温度范围很宽（如聚乙烯成型温度范围为150220C, 其范围达70）,热稳定性很好。因剪切或其他原因造成的局部过热不易造成无 法弥补的后果。相反对那些步能承受高剪切速率的塑料，如硬聚氯乙烯等热敏性塑 料，他们的粘度较高，如果螺槽深度较浅，势必造成过多的因高剪切产生的热量。 再加上这类塑料的成型温度范围比较窄，粘流温度和分解温度T,比较接近（如 硬聚氯乙烯加工温度范围为150190C,其范围仅40）,热稳定性较差，强 烈的内摩擦将使
27、它们过热分解甚至烧焦。因此，加工这类塑料的螺杆计量段螺槽深 度H3不能选择过小。塑料最大剪切速率Y/S-iLDPE （相对分子质量较高）LDPE （相对分子质量较低）HPVCSPVCPS56104266010892.几种常用塑料在计量段中的最大剪切速率如表所示:表中的数值并不是不可以突破的，尤其是承受高剪切的时间很短时，例如在某 些新型螺杆的屏障棱上，我在后面还要进一步分析这个问题。根据表格取Y =71 S由公式丫 二兀2“3汨兀D. 3.1415x170 得H. =x 7.5mm/71以上从挤出质量的观点分析了计量段螺槽深度也的影响，此外我们还可以 从产量的角度来分析计量段螺槽深度孔的影响。
28、从熔体输送理论的生产率公式可 以看出：正流Q”正比于螺槽深度也，而压力流Q却正比于八的立方。由此可以 分析：当机头压力较低时，增加计量段螺槽深度可以增加产量；而当机头压力增大 到超过临界压力，加深M并不能使生产率增加，甚至还会产生相反的作用。也可以从融体输送理论来估算螺槽深度九的最佳值，*dz*dz=6r1(3-3)将上式对H3求导并令导数等于零，经一系列推导，可求得H3的最佳值:6KnL.、 1/(3-4)(3-4)H3=(A TlDSin2式中Kq模形状系数。在未知模系数情况下 心的值没办法确定。有上面的分析可知，M的决定受 到多方面的因素影响，很难用一个简单的理论公式来进行计算。设计时，
29、还可以根 据经验公式（3-5）来决定螺槽深度也HkDHkD(3-5)据统计螺槽深系数k值，发现大致规律如图14-6所示。由图可见，计量段螺 槽深系数k大都在0.020.07范围内。螺杆直径较大者，k值应选择较小，螺杆 直径较小者，k值应选择较大；热稳定性较好的塑料k较小，热稳定性较差的塑料 k值较大；当螺杆长径比较大时，k值可以选择较大。这是由于长径比较大的螺杆 的计量段L3可以设计的较长，此时由于螺槽深度也加大造成压力流Qp的增加和 混炼段M的下降可以通过计量段的增加来弥补。除此之外在设计新型螺杆时，由于 附加的混炼元件保证了塑料的熔融与均化，因此新型螺杆的计量段槽深系数k也可 以取得最大值
30、。从图14-6还可以看出：根据塑料热稳定性的不同，系数k分为三 个区域。上层适用与PVC等热稳定性较差的塑料，此时k值较大。下层适用热稳定 性较好的塑料，此时k值较小。根据经验公式可以来校核，当H,=7. 5mm时k的取值为4. 5在k=0. 02-0. 07范 围内。（二）加料段槽深和压缩比的确定加料段的主要目的是建立必要的压力和保证稳定的固体输送。但自今为止加 料段的槽深片的影响还不是很清楚。按Darnel 1-Mol理论的固体输送生产率公式 加料段片增加后固体输送生产率会提高。由于加料段中的塑料并不像D塞流理论 所假设的那样整块的移动，而是在断面上有一速度分布。加料段螺槽较深时，压力 难
31、以传至螺槽底部，靠近螺槽底部的塑料运动速度较慢，这就降低了固体输送生产 率。因此存在一个最佳加料段槽深。颗粒内摩擦因数较高的塑料，要比颗粒内摩擦 因数较低的塑料更接近于整块移动。实际上，加料段槽深是根据螺杆压缩比和计量段槽深来确定的。所谓压缩比 是指螺槽加料段第一个螺槽容积和计量段最后一个螺槽容积之比，即几何压缩比， 而不是螺槽深度之比。这个数值不同于物理压缩比。后者指的是塑料在加料时的松 密度和受热熔融后的密度之比。如，聚乙烯在松散时密度为0. 55-0. 64g/cm3,而 熔融后的密度为0.76 g/cn?.因此，其物理压缩比为1.381. 18。显然几何压缩比应大于物理压缩比。这是因为
32、除了应考虑密度的变化之外， 还应考虑在压力下熔融料的压缩性、塑料在加料段的装填程度、挤压过程中塑料的 回流等因素，尤其还应考虑制品性能所要求的压缩密实的必要性。应此对加工同一 种塑料的的螺杆，不同设计者对其几何压缩比有不同的选择，而加工不同塑料的螺 杆，其压缩比变化应更大（大多数在25之间，个别情况大至8,小至1）。根据 螺杆国内外的资料统计如下：常用螺杆的几何压缩比塑料塑料HPVC (粒2. 5 (2ABS1. 8 (1.6料）3)P0M2. 5)HPVC (粉34 (24 (2. 8料）5)PPO4)SPVC (粒3. 23. 5PC2 (2料）(3-4)3. 5)注：括号中为选用范围，括
33、号外为选用范围。SPVC （粉料）35PSF2. 53PE34PSF2. 83PP3. 74PA63. 74PS(2. 54)PA663. 3-3. 6CA22. 5 (24)PA10103. 5PMMA1. 723. 7PET3PCTFE3. 53. 72. 5 3. 3几何压缩比一般用下式计算:3-6式中，出和 小分别为螺杆加料段第一个螺槽深和计量段最后一个螺槽深。运 用此公式的条件是外径D、螺距S、螺纹法向棱宽e和螺纹升角”在螺杆全长上都 保持不变，螺纹头数为1.当压缩比和计量段槽深山决定后，加料段槽深I便可从下式算出：H,=0. 5D-y/D2 -4H3(D-H3) 3-7为了计算方便
34、，可以用简化的公式3-8来计算压缩比。乘以系数0.93后, 该式误差仅0. 1左右。=0.933-8根据上表取压缩比为3.3,TT H.e “H 1 261nHi o0.932. 3.2螺距和螺纹升角的确定对单头螺纹，螺距S、螺纹升角6和螺纹直径D之间有下述关系：S=nDtan3-9显然在螺杆直径已知以后，螺距和螺纹升角只要决定一个，另一个也就确定 了。从固体输送生产率公式6-4和熔体输送理论生产率公式11-27都可以看 出：生产率和螺纹升角又直接的关系。根据固体输送理论的计算，对大多数塑料， 当摩擦因数f广九0.250.5,螺纹升角等于1720时，固体输送生产率可以达到 最大值。实验也证明，
35、对圆柱性塑料，最佳螺纹升角大约在17左右。而从熔体输 送理论的角度上讲，将有关流率公式经数学推到简化，并对6角求导，并令导数等 于零，可求的最佳螺纹升角为30 o这也是为什么当前的螺纹升角都在1730 范围之内的原因。而目前为了设计加工的方便，设计时大多取螺杆直径等于螺距， 这时螺纹升角就等于1742”。2. 3. 3螺纹头数目前挤出机的螺杆大都是单头螺纹。虽然出现过双头螺纹的螺杆加料段，但考 虑两个原因，多头螺纹仍然用的很少。原因之一是多头螺纹减少了螺槽横断面积，w同时加大了”的值。按固体输送理论，这会减少固体输送流率。原因之二是在多H头螺纹计量段的几个螺槽中，熔体填充情况有可能不同，从而容
36、易导致个螺槽间挤 出量不等而发生波动，挤出压力也会发上波动，这些都直接影响到挤出制品的质 量。此外多头螺纹的加工也相对比较麻烦。2. 3. 4三段式螺杆长度的确定热塑性材料分为无定型和结晶型两大类。无定型材料没有明显的熔点，再塑料 温度上升时，它逐渐软化。经过一段时间后，即在螺杆上经过一段长度后，塑料才 能全部熔融。在此过程中，塑料体积也逐渐变小。为了适应这个渐变过程，加工这 类塑料的螺杆应该较早地开始压缩，它的螺纹深度也应逐渐发生变化，因此其压缩 段L2也设计的比较长。相反，结晶型塑料由固态刀熔融态的转化温度范围很窄，当塑料温度没有达到 熔点Tm时，它的体积变化很少，而当温度一旦达到熔点，它
37、便迅速熔融，其体积 也突然变小。为了适应这个特点，加工结晶型肃立哦啊的螺杆的压缩段一般出现的 比较晚，而且长度也比较短。因此，过去设计的加工结晶型塑料的螺杆，其压缩段 仅(0.5-1) Do但是，结晶型材料在冷却过程中都不可能完全结晶，存在着一定 的结晶度。根据冷却速度等工艺条件的不同，它们总是或多或少地存在着无定行部 分，这一部分的熔融规律和无定形材料一样的，需要一定的逐渐软化-熔融时间， 因此，压缩段L2也需要一定的长度。此外，即使对已结晶的那一部分塑料来说， 正像前面我们已分析过的那样，螺杆的熔融段和压缩段的位置不是等同的，在设计 时压缩段位置已被人为的固定不变，而熔融段位置却随操作条件
38、和塑料性能的不同 而不同。因此如果压缩段L2很短，实际上很难保证这部分结晶型塑料正好在压缩 段上开始熔融并完成完全熔融过程。而且从熔融理论上我们知道，熔融过程是 X/W从1到0的过程，这个过程总需要一定的长度，不可能在很短的(0.5-1) D 长度上实现。从上述几点出发，近年来，为加工结晶型材料所设计的螺杆，其压缩 段都有加长的趋势，一般在大约(25) D之间，甚至于更长。在文献中还指 出：在实验的条件下，聚丙烯从开始熔融到完全熔融大约需要5D长度，而热导率 较大的聚丙烯和聚苯乙烯便不需要这样长。在需要准确计算压缩段长度时，可以按照熔融理论中介绍的方法，首先设定螺 杆有关参数，然后很据工艺操作
39、条件和塑料性能来计算固相分布函数X/W=f(z)o 如果正好在压缩段上完成了 X/W从1到0的过程，那么便可以认为原来设计的参数 是合理的。如果相差太多，那便应重新设计螺杆参数，再行计算。当然，此时不仅 设计了压缩段长度L2,而且也一起设计了其他螺杆参数。加料段的作用是产生足够的稳定的压力，保证稳定的固体输送并且将分界面上 的塑料预热到熔融所需要的温度。因此，加料段Li也应该有足够的长度。不同的塑料，预热到熔融温度所需要的热量是不同的。显然，塑料的比热容 Cs愈大，熔融点Tm愈高，预热到熔融温度所需要的热量也愈多。对结晶型材料 来讲，还需加上熔融潜热入（无定形塑料没有这一项）。此外，由于塑料是
40、不良的 导热体，因此其热导率Ks也是一个分钟要的参数。热导率愈低，热量从固体塞的 表面传往其中心就比较慢，这从固体输送理论的非等温模型可以看得很清楚。从上面的分析，我们可以得出结论：为了保证在加料段结束时分界面上的塑料 基本预热到熔融温度，为了保证在压缩段塑料能基本熔融完毕，加工那些比热容 大，熔点高，热导率低，熔融潜热大的塑料，螺杆加热段Li应该长一些。固然可以用固体输送理论非等温模型的有关公式来计算加料长度Li。但由于 计算过程比较复杂，所以至今为止，在决定加料段Li的长度时，还必须参考实验 得到的数据和经验公式。文献中报导了以螺杆直径为计算单位的几种塑料的熔融起始点的实验数 据。从图14
41、-3可以看出，在同等压力的情况下，聚丙烯由于其熔点高 （170 ）、热导率低（）,因此，其开始熔融点A要比高密度聚乙烯（熔点， 热导率）和聚苯乙烯要晚得多。实验也测出，在加料中，聚丙烯要经过8个螺杆的 长度才开始熔融（当压力等于4MP时），而高密度聚乙烯和聚苯乙烯则只要4.5 个螺距的长度和2.5个螺距的长度便已开始熔融。从图14-3还可以看出：如果能在加料段中及早形成较高的压力，熔融起点可 提前，这也是在机筒加料段上开纵向沟槽的优点之一。在理想的情况下，压缩段与熔融段重叠，塑料移动到压缩段末端时应该全部熔 融。但是，无论在组分上、或者在温度分布上、或者在相对分子质量分布上，刚熔 化的物料都是
42、很不均匀的，如果此时姜物料从机头挤出，制品的质量将极为恶劣。 计量段的第一个作用就是要消除这些不均匀的现象，这正是为什么计量段又称为均 化段的原因。Martin将塑料堪称牛顿型流体，根据混炼理论，表征计量段螺槽 中混炼程度的关系式可以导出：M=3.71 .（la + Q） （14-1）式中，L3和H3为计 小（1一。）量段长度和深度，a为截流比，a=QpQd。显然，M值愈大，均化作用也愈佳。从 式（14-10中可以看出：加长L3对均化作用是有利的。从熔体输送理论的生产率公式（12-27）可以看出：计量段愈长，相应的压力 流Qp和漏流Ql都愈小，挤出机的实际生产率便俞高。也就是说，螺杆特性也比
43、较硬，产量受压力的影响较小。计量段长度L3和产量的关系如图14-4所示。又上可知：在可能的条件下，计量段长度愈长，对提高螺杆的产量和改善混合 均匀度都是有利的。这就是计量段长度为什么愈来愈长的原因。目前，有些螺杆的 计量段长度甚至达到了螺杆全长的50%.但是，过长的计量有可能导致已熔融物料 温度不断升高，这对那些易于分解的热敏性塑料，如PVC等未必有利。可以用熔体输送理论生产率公式（11-27）中的压力流Qp来初步估算计量段长 度L3Qp=riSin2 Qp=riSin2 3DH .R12rli L3(3-10)L3=nSin2d)(3-11)12nl Qp如果令Qp0.05Q,即因机头压力而
44、引起的产量损失小于总产量的5%, 小角一般为17.6。根据料温和剪切速率丫二兀纭，可以从附录二查出粘度n1。计算“3系主任签字:指导教师签字:时可以现令机头压力p-15MPao此时L3的计算公式可简化为:L3=72DH1例如：螺杆直径为65 nini的挤出机，其产量要求为165kg/h,相应体积流率 6. 2xl05m3/so此时，按式（14-4）计算，L3为320 mln,大致相当于5D左右。转速n、产量Q、剪切速率丫、粘度ni与机头压力p等参数之间是互相影响 的。例如，当转速下降时，不仅产量降低，而且粘度也会因剪切速率的降低而增 高，压力也会适当减小，它们之间并非线性的关系。此外，计量段长
45、度又与螺杆总 的长径比关系很大，尤其是和计量段螺槽深度 小的关系很大（成立方关系，参考 式14-4）,任何影响槽深M因素都会反过来影响计量段长度L3o因此，按式 （14-4）得到结果也只能作为参考之用，实际设计时还得根据上面的定性分析和经 验数据作适当修正。还可按表14-1提供的数据来考虑螺杆三段长度的分配。螺杆三段长度分配塑料类型加料段L,压缩段L,计量段L3无定性塑料20%30%45% 50%25% 30%结晶型塑料40%60%(25) D30% 45%从上面一系列分析可以看出，为了保证挤出机各方面的性能，加料段、压缩段 和计量段都有加长的趋势，这势必引起螺杆长径比的增加。长径比增大后，塑
46、料在 机筒中塑化得更均匀，从而提高了产品的质量，另一方面，长径比增加后，在塑化 质量要求不变的前提下（主要体现在塑料在机筒中停留时间不变），螺杆的转速便 可以提高，从而便提高了生产率。长径比增加不仅仅由上述因素引起。为了完成某些特定的生产工艺，最近发展 和出现的一系列特种挤出机，往往都需要较大的长径比。例如，排气挤出机和反应 挤出机。其长径比都达到40左右或更长。事物都是一分为二的。长径比增大后，螺杆、机筒的加工与机器的装配都比较 困难，成本也相应提高。长径比增大以后，螺杆弯曲的可能性也增增加，容易发生 螺杆与机筒的刮磨。因此，在不需要较大的长径比时，便不应麻木地增加长径比。 应当力求在较小的
47、长径比下，获得制品的高质量和高产量。一般说来，长径比有增 大的趋势（表14-2）。目前，世界上最大的单螺杆挤出机的最大长径比以达56, 但大多数都在2535范围内。螺杆长径比有增大趋势（3）螺纹断面设计年 份1940193019601950196019701970198019902000L/D8八-1515八-20182520352545目前常见的螺纹断面有两种，一是矩形断面，另一种是锯齿型断面 14-8.前者装料体积较大，后者改善了塑料的流动状态，避免了存料现 象的发生。推进面的圆弧半径为凡比后面的圆弧半径R?小，一般后角a 为20%Rr（%） H33-12R2= （2-3） R,3-13螺杆直径较大者，圆弧半径R可取得较大。图 14-8除了上述两种典型的螺纹断截面形状之外，还有双楔型螺纹断面图 14-9,设计这种螺纹断截面的出发点是：根据塞流固体输送理论，认为 塑料在槽中是以密实的固体存在，组成固体塞在的固体颗粒间没有没有 相对运动。但是，正如非塞流固体输送理论指出的那样：只有当外压力 很大，而且料粒间内摩擦因数也较高时，才有这种可