塑料机械课程设计指导书

塑料机械课程设计指导书谢军编2009年6月一、塑料机械课程设计目的塑料机械课程设计是一个重要的专业教学环节，这个数学环节的目的：(1)使学生进一步巩固《塑料机械》课程中的理论知识，了解塑料机械设计的一般程序。(2)使学生能够熟练地运用有关设计技术资料，如《塑料机械国家标准》、《机械零件设计手册》、《塑料工程手册》、《轻工业技术装备手册》及其它有关设计规范等。(3)训练学生初步设计塑料机械的能力，为以后的工作打下初步的基础。二、塑料机械设计准备工作1.资料及工具准备课程设计开始前必须预先准备好《塑料机械国家标准》、《机械零件设计手册》、《塑料工程手册》、《轻工业技术装备手册》等技术资料，以及图纸、绘图仪器等工具。2.总体方案设计学生应充分研究设计任务书，了解产品用途，所应用的树脂，并进行工艺性及尺寸公差等级分析，在初步明确设计要求的基础上，可按以下步骤进行零部件总体方案的论证。(1)根据任务书中规定，确定螺杆结构的初步方案，并画出结构草图；(2)通过螺杆结构初步计算及查找《塑料工程手册》、《轻工业技术装备手册》等技术资料，验证各段结构方案是否可行，构画各段的结构草图。(3)构画其它部件的结构草图，进一步对螺杆结构选择方案是否合理可行进行分析和讨论。(4)螺杆及机筒方案经指导教师过目后，即可正式绘制装配图，并着手按照“设计任务书”上的要求进行课程设计。三、具体设计步骤塑料机械课程设计可按以下几个步骤进行：(1)对螺杆进行设计；(2)对机筒进行设计；(3)设计塑化部件装配图；（4）对螺杆、机筒强度进行校核：（5）按“设计任务书”要求设计绘制零件图；（6）按规定格式编制设计说明书；（7）准备答辩。四．螺杆结构设计的基本思路：31.衡量螺杆设计质量标准和设计时应注意的问题1.1.设计质量标准：1）生产能力：a比流量：Q/n单位时间内螺杆每转一圈的挤出量。（公斤/圈）b最高生产能力：Q在保证塑化质量的前题下能达到的最高产量。（公斤/时）2）功率消耗：N/Q在保证塑化质量的前题下，单位产量所消耗的机械功率---单耗（千瓦时/公斤）3）塑化质量：外观质量：指表面光滑，无波浪、竹节形、气泡、斑纹和水纹等缺陷；混合质量：指物料的各组分的分散程度。它直接影响制品的物理、机械和化学性能；挤出温度：指物料的径向、纵向温度，在保证外观质量下，一是温度越低越好，制品易定型，可缩短冷却时间，减少辅机的冷却负担；二是要求波动和温差越小越好，可使制品尺寸稳定、不易变形、防止局部过热降解；挤出压力：压力波动，引起生产能力波动，也会造成制品的尺寸波动。4）螺杆的加工制造容易、使用寿命长。5）适应性广：希望塑化效率和适应性广都兼备。1.2设计时应注意的问题1）高聚物的特性-----对螺杆的结构和几何参数有不同的要求。主要包括：形状、大小、松密度、熔融温度或软化点、熔态下的粘度、流动性、热稳定性、熔融温度范围及所含填料的性能等。2）挤压系统的用途：专用还是通用？对螺杆的结构设计有不同要求。3）口模的几何形状和阻力特性：不同口模的几何形状和阻力特性，要求螺杆的几何参数也不同，高阻力机头要求H3较浅，反之则要求较深的H3.4）螺杆转数熔融速率取决于剪切速率，剪切速率又与螺杆转数有关。2挤出机普通螺杆的设计普通螺杆：即常规全螺纹的螺杆。普通螺杆的特征包括有：直径D，长径比D/L，三段结构，螺纹升程，螺纹升角，螺纹断面形状及螺杆头部结构。2.1普通螺杆的主要形式及其确定2.1.1主要形式1）等距变深螺杆有三种，一是全长渐变，二是三段渐变，三是三段突变4缺点：对压缩比较大的小径螺杆的强度受到影响。2）等深变距螺杆螺杆。优点：加工制造容易，成本低；螺纹升程相等物料与机筒接触面积大，有利于物料塑化；加料段的第一个螺槽深度大，有利于进料，生产能力大。螺槽深度不变，螺槽宽度逐渐变窄。优点：杆有足够的强度，利于用增大转速来提高生产能力；有利于设计大的压缩比。缺点：由于H3较大，在同和压缩比下，熔料倒流量较大；物料均化作用差；加工困难，应用较少。3）变距变深螺杆特点：可得到较大的压缩比（8：1），机械加工复杂，采用较少。2.1.2普通螺杆形式的确定非结晶型塑料熔融时有玻璃态、高弹态和粘流态三种状态，是在一个较大的温度范围内进行，如HPVC的软化温度在75~165℃，故选用等距变深螺杆较好；结晶型塑料熔融时没有明显的高弹态，其软化温度范围较窄，如LDPE的软化温度在83~111℃，选用等距突变螺杆较好，理论上突变为（1~2）D，实际上通常为（3~5）D。2.2普通螺杆主要参数的设计2.2.1直径D的确定：理论计算D是有困难的，一般是在初步确定产量和转速后，采用：三段渐变形突变形5Q=βD3n进行初算β---经验出料系数一般为0.003~0.007,对转速高的取大值；对质韧而硬的物料取大值；对采用IKV结构机筒的取大值；D计算后，应按标准选取，即按：20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、80、90、100、110、120、150、200、250、300等，向上一档靠。也可以按制品尺寸选定螺杆直径，即按下表：单位：mm螺杆直径30456590120150200硬管直径~3010~4520~6530~12050~18080~300120~400吹膜折径50~300100~1000400~1500700~2000~2500~3500~8000挤板宽度--400~800700~1200~1500~2500-2.2.2确定长径比：L/D从公式：Q=1/2[πDnH3(l-é)cos2Φ]-[H33(l-é)sinΦcosΦ/12η].P/L3-[π2D2δ3tgΦ/12ηLé].P/L3看出，增大L/D，就等于减少了第二和第三项的倒流和漏流流量，相对提高了生产能力。从右图也可看到，增大L/D，比流量也得到增加。对难于加工的塑料，如含氟塑料、对要求较高温度和压力的塑料、对吹膜制品、对粉状料等L/D要大些；对热敏性塑料、对进行半成品加工的L/D要小些；对转速高的L/D要大些。但也不要过大，过大，则使功率消耗过大，同时给加工和安装带来困难；还会使螺杆产生弯曲，甚至刮磨机筒，降低螺杆寿命。国内应用较多的是20~30，国外多数在33以下。2.2.3螺杆各段主要参数的确定1）加料段加料段的主要几何参数有：螺纹升角φ、螺槽深度H1和加料段长度L1.螺纹升角φ，在设计时，如果取螺纹升程等于螺杆直径时φ=17°40´螺槽深度H1，在理论上H1大，固体输送量增大。但在确定时，要考虑螺杆的机械强度和物料的压缩比。因此应先确定均化段螺槽深度后，再由螺杆的几何压缩比来计算加料段的螺槽深度。加料段长度L1的确定，理论上可由固体输送理论公式计算，然而实际上由于影响因素很多，难于用理论公式去计算。一般是通过塑料的物理性能分析，用经騐数据确定。对熔点高，导热性差，热焓大的塑料，L1要长些；如加工PP的就要比15D20D25D30DQ/n6加工PE的要长些；而PS属于非结晶塑料，它的熔融过程是在一个比较大的范围内进行，且它的热焓最低，所需的L1长度可比HDPE短。根据经验数据：非结晶型塑料：L1=10~25%L结晶型塑料：L1=30~65%L具体确定时，应按加工物料的具体物理性能而定。2）熔融段熔融段的主要技术参数有：压缩比ε和熔融段长度L2。熔融段要有足够的压缩比，其几何压缩比ε用下面公式计算：ε=[π（D-H1）H1（l1-e1)]/[π（D-H3）H3（l3-e3)]≈H1/H3也有用:ε=0.93H1/H3上述压缩比的简化公式，是在三段的螺纹升程相等，螺棱宽度e也相等的情况下得到的。压缩段长度L2：根据结晶型塑料与非结晶型塑料的各自特性，一般的经验数据为：非结晶型塑料：L2=50~60%L；结晶型塑料：L2=（3~5）D具体确定时，应根据加工的物料实际物理性能和加料段及均化段综合平衡来确定。3）均化段：均化段的主要参数是：螺槽深度H3和长度L3螺槽深度H3：从前面产量Q公式可以看出：正流与槽深一次方成正比，而倒流却与槽深的三次方成正比；也就是说，如果其它条件相同时，把H3增大一倍，正流只增大一倍，而反流却增大8倍。因而，槽太深，反而降低了生产能力。从右图可以看到：当机头阻力小于P*时，深螺槽时有较大的生产能7力；而当机头阻力大于P*时，浅螺槽时有较大的生产能力。从理论公式看到，浅螺槽对物料的剪切作用大，有利于对物料进一步塑化和均化作用。不过，过浅螺槽，对热敏性物料可能会引起热分解。H3值用理论公式计算较困难，与L3一样，大多数采用经验数据来确定。H3=（0.025~0.06）D对于直径较大的螺杆，取小值；对粘度低、热稳定性好的物料，取小值；反之，取大值。均化段长度L3：它的大小对生产能力、挤出物的质量和螺杆工作特性都有一定的影响。从熔融理论公式可看到，增大，等于减少倒流和漏流的流量，在其它条件相同时，相对地提高了生产能力。从右图看到，均化段的长度增加50%，即1´曲线，它的工作特性较硬。也就是说Q(L3)它使倒流和漏流的流量减少，生产能力增加。另外，L3的大小对挤出物的质量也有1´(1.5L3)一定的影响，增大L3，如果其它条件不变，2物料在均段的停留时间增加，也就是增加了对物料的剪切作用的时间，有利于物料的分散Qp+Ql8和混合作用。不过不利于低温挤出，对热敏性物料可能会引起热分解。PL3值用理论公式计算较困难，一般用下列公式选取：L3=20~25%L热敏性物料可取短些，对高速挤出L/D大的，均化段取大值，以适应其定选取时要根据物料的实际物理性能和工艺条件确定。2.2.4螺纹断面形状矩形断面的螺纹，其根径表面与螺棱推进面成90°夹角，用小圆弧过渡，螺槽容积较大，适于加料段用；锯齿形断面的螺棱，其后缘有较大倾角α（α30°），且过渡圆弧较大，有利于物料的流动，同时有较好的混合和均化物料的作用，避免了涡流现象。一般取α=10°；而当倾角α取大值时，螺棱的强度大。这种断面适用于Φ45以上的中大型机和造粒机。梯形断面螺纹，其倾角取α=10°~15°，圆弧半径取（0.07~0.13）D，常用于Φ30以下的小径杆上。上述断面应用最多的是矩形和锯齿形两种。r1和r2一般取0.5~1mm,r和R按下列范围选取：r=（1/2~2/3)H3R=(1~2)r以上数值范围，大直径螺杆取大值。也有资料介绍按以下数据选取：R=（0.04~0.12）Dr=（0.02~0.04)D螺纹后角一般取α=10°；螺棱顶部宽度e，一般取e=（0.08~0.12）D；在保证螺棱强度条件下，应取小些，因为比较大的e值不仅占据一部分螺槽容积，减少了输送能力，而且增加了螺杆的功率消耗，还容易引起物料的局部过热的危险。但也不能太小，否则会削弱螺棱强度，增大漏流流量，降低了生产能力，尤其对粘度低的物料更甚。通常取e=0.1D.2.2.5螺杆的螺纹头数在螺杆直径、螺槽深度和螺纹升程相同的条件下，多头螺纹与单头螺纹比，多头螺纹对物料的正推力较大，攫取物料的能力较强，并可降低熔料的倒流现象。不过，整条螺杆都是多头螺纹时，往往由于几条螺槽的进料不均匀和各条螺槽的熔融、均化和对熔料的输送能力不一致，容易引起生产能力、压力的波动。其结果使制品的质量下降。如果在单独在某一段上设置多头螺纹（如加料段），则可以提高生产能力，又不降低制品质量。对普通螺杆，一般都选有单头螺纹。92.2.6螺杆头部结构熔料在螺槽中的旋转运动到进入口模时的直线运动过程中，有一个急剧的改变的过程。料流在螺杆前面的机筒中，料流在速度在机筒中心点最快，而在机筒壁最缓慢。合理的螺杆头形状才能使物料平稳地进入口模，并可避免产生滞流和防止物料局部过热分解。常见的螺杆头形式如前面表中所列，其中球体和球体-流线型使用的较为广泛，扇形和大圆锥适用于流动性好的塑料；锥体和圆柱-锥角型适用于PVC；魚雷体的螺杆头对物料的受热和混合有良好的效果，有进一步均L=(3~5)DDDDDD魚雷体头10化和稳压作用，同时以增加对物料的压力，适用于PS等塑料。其与机筒的间隙为H3的40~50%，其长度约为（