挤出成型-料筒设计

第一章挤出成型设备第五节料筒的设计料筒的设计1.5料筒•料筒和螺杆组成了挤压系统。•和螺杆一样，料筒也是在高压、高温、严重的磨损、一定的腐蚀条件下工作的。•在挤出过程中，料筒还有将热量传给物料或将热量从物料中传走的作用。•料筒上还要设置加热冷却系统，安装机头。•此外，料筒上要开加料口。而加料口的几何形状及其位置的选定对加料性能的影响很大。•料筒内表面的光洁度、加料段内壁开设沟槽等，对挤出过程有很大影响。•设计或选择料筒时都要考虑到上述因素。料筒的设计•料筒料筒的设计•1、料筒结构•料筒的结构分为，整体料筒和组合料筒。•1）整体料筒•在整体坯料上加工出来的。这种结构容易保证较高的制造精度和装配精度，也可简化装配工作，便于加热冷却系统的设置和装拆，而且热量沿轴向分布比较均匀，•但这种料筒要求较高的加工制造条件。料筒的设计•2）组合料筒•是指一根料筒是由几个料筒段组合起来的。实验性挤出机和排气式挤出机多用组合料筒。前者是为了便于改变料筒长度来适应不向长径比的螺杆，后者是为了设置排气段。•但实际上组合料筒对加工精度要求很高。组合料筒各料筒段多用法兰螺栓联接在一起。这样就破坏了料筒加热的均匀性，增加了热损失。也不便于加热冷却系统的设置和维修。料筒的设计•3）双金属料筒•为了既能满足料筒对材质的要求，又能节省贵重材料，不少料筒在一般碳素钢或铸钢的基体内部镶一合金钢衬套。衬套磨损后可以拆出加以更换。•衬套和料筒要配合好，要保证整个料筒壁上热传导不受影响；料筒和衬套间既不能有相对运动，又要能方便地拆出，这就要选择合适的配合精度。料筒的设计•双金属料筒图料筒的设计•4）IKV料筒•a、料筒加料段内壁开设纵向沟槽•为了提高固体输送效率，由固体输送理论知，一种方法就是增加料筒表面的摩擦系数，还有一种方法就是增加加料口处的物料通过垂直于螺杆轴线的横截面的面积。•在料筒加料段内壁开设纵向沟槽和将加料段靠近加料口处的一段料筒内壁做成锥形就是这两种方法的具体化。料筒的设计•在料筒加料段处开纵向沟槽或加工出锥度的具体结构如下：料筒的设计•锥度的长度可取（3～5）D（D为料筒内径），加工粉料时，锥度可以加长到（6—10）D。•锥度的大小决定于物料颗粒的直径和螺杆直径。螺杆直径增加时，锥度要减少（同时加料段的长度要相应增加）。•纵向沟槽只能在物料仍然是固体或开始熔融以前的那一段料筒上开。槽长约（3—5）D，有锥度。•沟槽的数目与螺杆直径有关，据IKV介绍，相当于螺杆直径（厘米）的十分之一左右，槽数太多，会导致物料回流，使输送量下降。•槽的形状可以是长方形，三角形，或其它形状的。•横截面为长方形的沟槽的宽度和深度与螺杆直径有关，具体数值可参见下表。料筒的设计•国内现有挤出机上有的也开有纵向沟槽，但具体形状和尺寸与表不尽相同。•方形沟槽的推荐数据：螺杆直径沟槽数目槽宽b槽深45483606839081041201210415016104料筒的设计•b、强制冷却加料段料筒•为了提高固体输送效率，可冷却加料段料筒，目的是使被输送的物料温度保持在软化点或熔点以下，避免熔膜出现，以保持物料的固体摩擦性质。•采用上述方法后，输送效率由0.3提高到0.6。而且挤出量对机头压力变化的敏感性较小。料筒的设计•缺点：•强力冷却会造成显著的能量损失；由于在料筒加料段末处可能产生极高的压力（有的高达80—150MPa），有损坏带有沟槽的薄壁料筒的危险；•螺杆磨损较大；•挤出性能对原料的依赖性较大。•此外，在小型挤出机上采用此结构受到限制。料筒的设计•5）加料口的形状和位置•加料口的形状及其在料筒上的开设位置对加料性能有很大影响。•加料口应能使物料自由地高效地加入料筒而不产生架桥，设计时还应当考虑到加料口是否适于设置加料装置，是否有利于清理，是否便于在此段设置冷却系统。•加料口的形状（俯视）有圆的，方的，也有矩形的。一般情况下多用矩形的，其长边平行于料筒轴线，长度约为螺杆直径1.5--2倍。圆形加料口主要用于设置机械搅拌器强制加料的场合。•下图画出了常用加料口之断面形状。料筒的设计•加料口之断面形状•其中a多见于早年的挤出机，适于带状料，不适于粒料和粉料。以f用得最成功，其一壁垂直地与料筒圆柱面相交，另一壁下方倾斜45°，加料口的中心线与螺杆轴线错开1／4料筒直径。料筒的设计•2、料筒材料及强度计算•1）料筒材料•正象螺杆一样，为满足料筒的工作要求，料筒材料必须满足如下要求：耐高温、耐磨损、耐腐蚀、高强度、良好的机加工性能和热处理性能。•料筒除了可以用45号钢、40Cr、38CrMoAL外，还可以用铸钢和球墨铸铁制造。带衬套的加料段可以用优质铸铁制成。•Xaloy合金是一种新颖的耐磨损、耐腐蚀材料，目前在国外得到广泛应用。料筒的设计•这种材料熔点低，坚硬，与钢有很好的熔接性，机加工性能好，浇铸性能也好，且无浇铸应力，浇铸后即使受到弯曲，也不会成鳞片状脱落。•将它应用到料筒上是采用这样的办法：将粉末状的Xaloy合金和料筒一起加热，由于其熔点低，大约在1200℃时即可熔融成流动状态，这时使料筒高速旋转，巨大离心力便使之浇铸在红热的料筒内壁上，其厚度约为2mm，冷却后用衍磨的方法磨去约0.2mm，即可满足一般料筒的要求。•比利时生产的Xaloy合金，硬度可达Rc58—64，482℃时，硬度无明显下降，耐腐蚀能力比渗氮钢大12倍。料筒的设计•2)料筒壁厚的决定及强度计算：•a、料筒壁厚的决定•料筒很少因强度不足报废，主要是由于腐蚀磨损。料筒壁厚的决定，除了考虑强度外，更多的是考虑料筒结构的工艺性和热惯性。•根据后两个因素决定的壁厚往往大于按强度条件计算出来的值。•由于无成熟的按照料筒传热特性计算料筒壁厚的计算方法，因此目前大多根据经验统计类比决定壁厚，再进行强度校核。料筒的设计•我国各塑料机械厂生产挤出机料筒的壁厚如表所示。•我国生产的挤出机的料筒壁厚螺杆直径料筒壁厚螺杆直径料筒壁厚3020-2512040-504520-2515040-506030-4520050-609040-45料筒的设计•b、强度计算•料筒的强度计算按厚壁筒进行。此处不再进行讨论•注意：•当料筒是脆性材料时，可用第一强度理论进行计算。•当料筒为塑性材料时，用第四强度理论进行计算。•当料筒内镶有衬套时，相当于“机械零件”中过盈配合中的压合连接，这时衬套和料筒的应力状态都比较复杂，其强度计算也比较复杂。