SJ90單螺桿擠出機結構設計
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沈陽化工大學科亞學院
本科畢業(yè)設計
題 目： SJ90單螺桿擠出機結構設計
專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化
班 級： 1202班
學生姓名： 呂春堂
指導教師： 侯志敏
論文提交日期： 2016 年 5 月 27日
論文答辯日期： 2016 年 6 月 7 日
畢業(yè)設計任務書
機械設計制造及自動化專業(yè)
1202班
學生：呂春堂
畢業(yè)設計題目：SJ90單螺桿擠出機結構設計
畢業(yè)設計內容： 設計說明書一份；
繪制裝配圖折合A0#圖紙一張；
繪制零件圖折合A1#圖紙兩張。
畢業(yè)設計專題部分： 單螺桿擠出機結構設計
起止時間：2016年3月1日—2016年5月29日
指導教師： 侯志敏 2016 年 3 月 1 日
摘 要
塑料是四大工業(yè)材料中發(fā)展速度最快的一種材料，塑料工業(yè)是新興的工業(yè)。近年來，隨著塑料工業(yè)的飛速發(fā)展，塑料制品的應用領域也在不斷擴展，塑料加工設備已滲透到國民經濟的各個行業(yè)，成為我國機械工業(yè)的重要組成部分，在國民經濟中起著越來越重要的作用。其中塑料成型機械是塑料工業(yè)中的一個重要組成部分，是完成塑料制品生產成型的必要手段，而擠出成型又是塑料成型加工的重要成型方法之一。
本文主要講述的是塑料擠出成型的原理、特點、結構組成、分類、主要技術參數、主要零部件及有關的調控系統(tǒng)和輔助裝置、擠出過程、設備的安全操作和維護保養(yǎng)以及主要故障的排除等內容，并闡述這些內容之間的相互關系及影響。并且在講解單桿塑料擠出機的工作原理、基本結構和有關專業(yè)知識的基礎上，具體深入分析問題，理論與實際相結合，并從機理、結構以及塑料成型工藝、設備的調控、安全及維護保養(yǎng)等方面綜合分析問題，找出矛盾的主要方面，選擇最優(yōu)的改進方案，來提高單桿塑料擠出機的綜合水平，從而獲得更好的經濟效益和社會效益。
塑料擠出機簡稱擠出機（又名壓出機），它是塑料加工過程中的主要設備之一。一般擠出機有五大部分組成：擠出部分、傳動部分、機頭、加熱冷卻系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)。
擠出部分是擠出機的主體部分，主要作用是：剪切、塑化和捏煉塑料，以一定的壓力，均勻連續(xù)的向機頭輸送塑料。由加料裝置、螺桿、機筒、襯套等組成。其中螺桿分為單頭螺桿、雙頭螺桿和多頭螺桿。襯套材料一般為 38CrMoAlA。
傳動系統(tǒng)的作用是驅動螺桿旋轉和根據工藝要求調節(jié)螺桿的轉速，傳動系統(tǒng)由電動機和減速器等組成。
機頭是擠出機的成形部分。它的作用是：使塑料由螺旋運動變?yōu)橹本€運動；在一定的壓力下，將塑料擠壓成各種所需形狀的半成品。
加熱冷卻系統(tǒng)是指為了使塑料很好的擠出，適時控制溫度，以防止塑料溫度過低或焦燒。
電氣控制系統(tǒng)的作用是滿足擠出工藝條件的需要，實現對擠出機機筒割斷溫度、集體溫度、螺桿轉速、驅動扭矩或功率、軸向力等的控制和調節(jié)。由溫控、調速和檢測裝置組成。
擠出機的基本工作過程：帶狀塑料加入加料口后，在旋轉螺桿的作用下，塑料被搓成團狀沿螺桿槽滾動前進，因螺桿的剪切、壓縮和攪拌作用塑料受到進一步的混煉和塑化，溫度和壓力逐步提高，呈現出粘流狀態(tài)，以一定的壓力和溫度通過機頭，最后得到所需的一定形狀的半成品。
關鍵詞：單螺桿； 擠出機； 加熱冷卻系統(tǒng)； 傳動系統(tǒng)； 電氣控制系統(tǒng)
Abstract
Plastic materials industry is the four fastest-growing kind of material, the plastics industry is a new industry. In recent years, with the rapid development of the plastics industry, plastic products, applications are expanding, plastics processing equipment has been infiltrated into all sectors of the national economy, has become an important part of China's machinery industry in the national economy plays an increasingly the more important role. Wherein the plastic molding machinery and plastics industry is an important part of the necessary means to complete the production of plastic molding, and extrusion molding is one of the important methods of plastic molding process.
This paper describes a plastic extrusion principle, characteristics, composition, classification, main technical parameters, the main components and related regulatory systems and auxiliary equipment, extrusion process safety, equipment operation and maintenance as well as major fault Exclude other content, and explains the relationship between the content and impact of these. And explain the basis of a single shot plastic extrusion machine works, the basic structure and relevant expertise on specific in-depth analysis of the problem, the combination of theory and practice, and the regulatory mechanism, structure and plastic molding technology, equipment, safety and maintenance maintenance and other aspects of a comprehensive analysis of the problem, identify the main aspects of conflict and choose the best improvement program to improve the single pole plastic extruder comprehensive level, leading to better economic and social benefits.
The plastic rod extruding machine abbreviation extruder (also names extruding press),it is an important implemental of the plastic reclaiming process.The extruder is made of five parts:the part of extruding;the part of passing;the head;the system of heading and cooling;the electrical control system.
The major part of the extruder is the part extruding,it is the most use of shear ,rend and pinch the plastic,under afastness pressure,continuous send plastic to the head ,it made up of fill device ,screw,barrel,liner and so on,And the screw is disport of single screw;double screw;and multi-component screw.The material of liner is 38CrMoAlA.
The part of passing is driving the screw rotation and basic the need of the art factitious process to adjustment the screw royal .The part of passing is made of electrical engineering and reducer.
The head is the extruding machine formed part .Its function is:Causes the sizing material to become the translation by the helical motion ;under the certain pressure,extrudes the sizing materials which need the shape the half-finished product.
The system of heating and cooling is for the plastic well extrusion,we control the temperate to prevent the temperate too low or born.
The electrical control system is for the need of press,control the temperate of the barrel and the head ,the royal of the screw ,drive the torsion or power ,and adjustment the head ,the royal of the screw,driver the torsion or power,and adjustment the force of the axial ,is made of the temperate controller,the speed adjustment system,and the device of test.
The extruder`s fundamental process is this:get the plastic to the filler,under the shear of the screw ,the plastic was made small ball,because of the screw`s shear pressure and stirring,the plastic was futher rend and plastic,the temperate and the pressure get higher,and the plastic get plastic flow,under fastness pressure though the head,the last get the production you need.
Keyword: single-screw; extruder; the heatng cooling system; the transmiss-
ion system; electrical control system
目 錄
第一章緒論 1
1.1 引言 1
1.2 國內外發(fā)展情況 1
1.3 單螺桿擠出機研究現狀 1
1.4 課題研究意義和目的 2
1.5 課題主要研究內容 2
第二章擠出機總體方案的確定 3
2.1 擠出機總體布局的基本要求 3
2.2 擠出機的主要參數 3
2.2.1 擠出機的主要性能參數 3
2.2.2 螺桿轉速 4
2.2.3 擠出機功率 4
2.2.4 軸向力 P 5
2.2.5 生產能力 Q 5
2.3 擠出機構設計 5
2.3.1 螺桿設計 5
2.3.2 螺槽深度和壓縮比的確定 6
2.3.3 螺距和螺紋升角的確定 8
2.4 本章小結 9
第三章螺桿方案的確定 10
3.1 螺桿類型的確定 10
3.2 螺桿的工作性能指標評定 10
3.3 螺桿的選用原則 10
3.4 螺桿的分類 11
3.5 單螺桿擠出機及其基本操作 11
3.6 本章小結 12
第四章螺桿的設計與校核 14
4.1 螺桿材料 14
4.2 螺桿形式 14
4.3 螺桿參數 14
4.4 螺桿結構 14
4.5 螺紋的斷面形狀 15
4.6 校核 15
4.7 本章小結 16
第五章機筒的設計及強度校核 17
5.1 機筒的類型 17
5.2 機筒材料的選擇 18
5.3 機筒參數 19
5.4 校核 19
5.5 本章小結 19
第六章其他零部件的設計與校核 20
6.1 螺桿與軸聯接處的花鍵的選擇與校核 20
6.2 推力軸承的選擇與校核 20
6.3 聯軸器的選擇與校核 21
6.4 機頭材料的選擇 21
6.5 溫度控制 21
6.6 電機的選擇 21
6.7 本章小結 22
結 論 23
參考文獻 24
致 謝 25
沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第一章 緒論
第一章緒論
1.1 引言
塑料的成型加工在現代先進制造領域占有越來越大的比重?，F在，塑料從合成樹脂開始，一般要從制品的性能要求、改善加工性能和降低成本等方面考慮設計配方而添加一定比例的助劑和填料，經過混煉之后再進行成型加工。塑料制品的成型加工方法主要包括擠出、注射、滾塑、吹塑、壓延、壓制等。近年來，在這些領域的科學研究和技術的進步發(fā)展十分迅猛，新技術不斷涌現，新知識的積累更是呈爆炸式地增加。
擠出是塑料加工中最基本的方法。擠出形象的描述了“施加壓力驅使聚合物通過機頭成型”的擠出成型。聚合物成型加工中，擠出加工技術可以說是最基本和最重要的加工技術。聚合物擠出加工主要可以分為兩個方面的內容，即混煉塑化和擠出成型。
1.2 國內外發(fā)展情況
我國的聚合物工業(yè)近幾十年得到迅速發(fā)展，尤其是改革開放以來，聚合物加工機械及模具工業(yè)取得了舉世矚目的成就，其年平均增長速度高于國民經濟總的增長速度，達到兩位數以上。目前，聚合物擠出成型制品現已廣泛應用于國民經濟各個領域。農業(yè)大量使用塑料薄膜。機械工業(yè)使用塑料棒材加工成各種零部件。建筑業(yè)、石油工業(yè)、汽車工業(yè)中聚合物制品的使用也相當廣泛。
1.3 單螺桿擠出機研究現狀
單螺桿擠出機是塑料加工的重要設備，按照它的工作過程可劃分為物料輸送、塑化熔斷和熔體輸送三大部分，其中物料輸送對單螺桿擠出機擠出性能有著非常重要的作用，直接影響著單螺桿擠出機的工作穩(wěn)定性。但由于系統(tǒng)的復雜性，使得對這段的研究非常困難。為了便于研究，不得不對該段的情況進行假設、簡化。而實際上，擠出是一個連續(xù)的過程，在此基礎上再進行熔斷理論的研究才可能更有效的預測整個塑化過程，才能為評價擠出機性能、確定合理的工藝參數提供有力依據。
隨著擠出機應用領域的不斷拓展和技術上的不斷進步，擠出機市場仍然保持一定上升勢頭，但國產擠出機價格大幅下跌已成現實。部分廠家粗制濫造和惡性價格戰(zhàn)已經影響到國內塑機的整體形象和市場競爭力，也阻礙了塑料加工業(yè)的發(fā)展。
1.4 課題研究意義和目的
單螺桿擠出機由于結構簡單，造價便宜，因此廣泛的應用于食品、塑料、飼料等各個領域。擠出機設計的研究工作，不但能夠提高機械設計領域的水準，還能獲得良好的經濟和社會效應。在多個方面具有積極的意義：
（一）提高設計水準，制造更多更新功能更強大的新產品，將會提高人類的生活水平和工作條件。推動人類文明的發(fā)展。
（二）促使設計者、制造者提升自身水平，帶動機械設計領域的發(fā)展，為社會做出更大貢獻。
（三）設計出來的產品，往往都具有專利權，具備很強的時代性、時尚性、功能性。能夠獲得大量的用戶追捧，能夠給設計方帶來巨大的收益。
1.5 課題主要研究內容
本設計為 SJ90 擠出機，制品可以為成品及半成品，選取的加工物料為“低密度聚乙烯” 。該擠出機適用于冷喂料的擠出，故相比之下塑料粘流態(tài)停留時間長，同時強烈的剪切產生的大量的熱需要良好的冷卻裝置。由于螺桿有較大的長徑比，同時承受剪切力和軸向力，本身還接受物料傳來的熱量，故螺桿材料應具有足夠的強度和抗摩能力，較好的耐化學腐蝕性能，良好的機械加工和熱處理及高溫下不變形的性能，所以螺桿材料優(yōu)先選取 38CrMoAlA.螺桿要輸送物料，所以螺桿的結構至關重要，根據有關知識及資料確定螺桿為單螺旋等距突變螺桿。利用電機+減速機構+螺桿，使螺桿獲得一定轉速和扭矩。螺桿所承受的軸向力由螺桿與機筒間的軸向推力軸承傳遞，擠出機了根據產品結構自行安裝。
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沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第二章 擠出機總體方案的確定
第二章擠出機總體方案的確定
2.1 擠出機總體布局的基本要求
（1） 擠出機布局首先必須滿足用戶提出的各種要求。如擠出機的加工范圍、工作精度、生產率、和經濟性等等。
（2） 在經濟、合理的條件下，盡量采用較短的傳動鏈，以簡化機構，提高傳動精度和傳動效率。
（3） 確保擠出機具有與所要求的加工精度相適應的剛度、抗震性、熱變形及噪聲水平。
（4） 擠出機必須滿足參數標準和系列型譜中關于擠出機布局方面的規(guī)定。同時，還應最大限度地考慮擠出機的系列化和部件的通用話程度。
（5） 對于生產率和自動化程度較高的擠出機，應力求便于自動上下料及納入自動線。
（6） 應便于觀察加工過程；便于操作、調整和維修機床，便于輸送、裝卸；注意擠出機的防護，確保安全生產。
2.2 擠出機的主要參數
2.2.1 擠出機的主要性能參數
本設計為 SJ90擠出機，總體結構設計圖如圖1所示：
圖1 擠出機總體結構設計圖
選取的加工物料為“低密度聚乙烯” 。本機設計的主要參數：
螺桿直徑：D=90mm
螺桿長徑比：LD=30
最高產量：Qmax =280 kg/ h
螺桿的幾何壓縮比：i螺桿最高轉速：nmax =150 r/ min
2.2.2 螺桿轉速
因為螺桿不能進料的臨界轉速為nmax =150 r/ min
螺桿的工作轉速 n=(0.2~0.7)
所以取 n=40 r/ min
2.2.3 擠出機功率
公式：N=K*L*D 2 *n/1000 （2-1）
K?計算系數
D?螺桿直徑 D=90mm=9cm
N?螺桿轉速 n=40 r/ min
所以 N=18.9336kw
減速器設計為二級斜齒減速器 取 η聯軸器 =0.99 η軸承 =0.99 η齒輪 =0.97 η總=η聯軸器·η軸承·η齒輪=0.904 N電 =Nη總 =18.9336 /0.904≈20.944kw
2.2.4 軸向力 P
因為 P=200F F=πD2 /4 （2-2）
所以 P=200πD2 /4=200×3.14×72 /4=7693kg
2.2.5 生產能力 Q
Q =β· D3·n6 （2-3）
β為計算系數 b 取 0.003~0.007
n為轉速 n=40 r / min
Q=0.005×73×40=68.6 kg / h
2.3 擠出機構設計
2.3.1 螺桿設計
螺桿是擠出機最重要的部件，其性能好壞直接影響塑化質量和產量。整個理論幾乎都是圍繞著螺桿上發(fā)生的擠出過程展開的。因此，螺桿設計是擠出理論最重要的應用領域之一。
螺桿直徑的確定：90mm，螺桿長徑比30。螺桿的長徑比L/D指螺桿的有效長度L和螺桿的直徑D之比，長徑比是代表擠出機性能的一個主要的技術參數。
歐洲塑料橡膠機械制造廠委員會建議長徑比12、15、(18)、20、(24）、25、28、30、35，括號中的數值盡量不用或少用。對于某些排氣螺桿，長徑比達到40左右或更長。本設計中螺桿的有效長度為：L=30D=30×90=2700mm
普通螺桿全長分為三段，即加料段L1 、壓縮段L2和計量段L3,計量段有時也叫均化段。過程圖如圖2所示：
圖2 擠壓加工過程示意圖
在熔融理論中，熔融起點和熔融重點以及熔融段長度Lm在螺桿上并非固定不變，他們隨著擠出工藝條件和塑料性能的變化而變化。而壓縮段指的是螺槽深度有加料段深H1變至計量段槽深H3的那段長度，它是螺桿設計者人為設計的長度，一旦螺桿設計出來這個長度也就確定了。
2.3.2 螺槽深度和壓縮比的確定
螺槽深度是很重要的參數，我們可以從制品的質量與產量兩方面來分析。
（1）計量段槽深的確定：
我們知道，計量段中熔料的剪切速率γ可按下式計算：Dp=g （2-4）
顯然，計量段螺槽深度H3愈小，在相同的螺桿轉速下剪切速率便愈大，因而分子間的內摩擦力也愈大。從式中可以看出，熔料因內摩擦而產生的熱量正比于剪切力和剪切速率。由于剪切應力而產生的熱量和螺槽深度H3的平方成反比。
2H32h=gah=gtQ0∝
Q0——熔料因剪切產生的熱量；
τ——剪切應力；
γ——剪切速率；
a——熔料的表現粘度。
由此可見，螺槽深度較淺時，物料層內部會產生較多的熱量。此外，螺桿上物料層較薄，由外界加熱器傳進來的熱量也容易將塑料熱透。這方面因素都證明了計量段槽深較小時，對促進塑料的塑化質量是很有好處的。
從混合效果上來講，計量段槽深較小時，混煉程度較高，制品比較均勻。在本章后面我們將進一步指出：當計量段槽深較淺時，壓力波動和溫度波動都比較小，這時對制品的綜合質量都是有利的。
但是，我們知道，只有那些承受高剪切速率的的塑料，如聚乙烯，才能選用較小的槽深，這類塑料的成型溫度范圍很寬（如聚乙烯成型溫度范圍為150～220℃，其范圍達70℃），熱穩(wěn)定性很好。因剪切或其他原因造成的局部過熱不易造成無法彌補的后果。相反對那些步能承受高剪切速率的塑料，如硬聚氯乙烯等熱敏性塑料，他們的粘度較高，如果螺槽深度較淺，勢必造成過多的因高剪切產生的熱量。再加上這類塑料的成型溫度范圍比較窄，粘流溫度Tf和分解溫度Td比較接近（如硬聚氯乙烯加工溫度范圍為150℃～190℃，其范圍僅40℃），熱穩(wěn)定性較差，強烈的內摩擦將使它們過熱分解甚至燒焦。因此，加工這類塑料的螺桿計量段螺槽深度H3不能選擇過小。
表中的數值并不是不可以突破的，尤其是承受高剪切的時間很短時，例如在某些新型螺桿的屏障棱上，我在后面還要進一步分析這個問題。
本設計加工物料為聚苯乙烯（PS），根據表格取γ=93S
由Dp=g93g5mm ?=150′D3.1415p得 H3
以上從擠出質量的觀點分析了計量段螺槽深度H3的影響，這種觀點是確定計量段螺槽深度的主要方法，用這種方法確定的計量段螺槽深度基本上滿足了對計量段螺槽深度的要求。
此外我們還可以從產量的角度來分析計量段螺槽深度H3的影響。從熔體輸送理論的生產率公式可以看出：正流Qd正比于螺槽深度H3，而壓力流Qp卻正比于H3的立方。由此可以分析：當機頭壓力較低時，增加計量段螺槽深度可以增加產量；而當機頭壓力增大到超過臨界壓力，加深H3并不能使生產率增加，甚至還會產生相反的作用,也可以從融體輸送理論來估算螺槽深度H3的最佳值。
DSi2φnp(6KQL3 =23H3WH3將上式對H3求導并令導數等于零，經一系列推導，可求得H3的最佳值： H3-6η(2Q0v1=dz
在式中 KQ—形狀系數未知口模系數情況下H3的值沒辦法確定。有上面的分析可知，H3的決定受到多方面的因素影響，很難用一個簡單的理論公式來進行計算。設計時，還可以根據經驗公式來決定螺槽深度H3。
H3=kD 據統(tǒng)計螺槽深系數k值，計量段螺槽深系數k大都在0.02～0.07范圍內。螺桿直徑較大者，k值應選擇較小，螺桿直徑較小者，k值應選擇較大；熱穩(wěn)定性較好的塑料k較小，熱穩(wěn)定性較差的塑料k值較大；當螺桿長徑比較大時，k值可以選擇較大。這是由于長徑比較大的螺桿的計量段L3可以設計的較長，此時由于螺槽深度H3加大造成壓力流Qp的增加和混煉段M的下降可以通過計量段的增加來彌補。根據塑料熱穩(wěn)定性的不同，系數k分為三個區(qū)域。上層適用與PVC等熱穩(wěn)定性較差的塑料，此時k值較大。下層適用熱穩(wěn)定性較好的塑料，此時k值較小。螺槽系數K的確定。根據經驗公式可以來校核，當H3=5mm時k的取值為0.033在k=0.02～0.07范圍內。
（2）加料段槽深和壓縮比的確定
加料段的主要目的是建立必要的壓力和保證穩(wěn)定的固體輸送。但自今為止加料段的槽深H1的影響還不是很清楚。按Darnell-Mol理論的固體輸送生產率公式加料段H1增加后固體輸送生產率會提高。由于加料段中的塑料并不像D塞流理論所假設的那樣整塊的移動，而是在斷面上有一速度分布。加料段螺槽較深時，壓力難以傳至螺槽底部，靠近螺槽底部的塑料運動速度較慢，這就降低了固體輸送生產率。因此存在一個最佳加料段槽深。顆粒內摩擦因數較高的塑料，要比顆粒內摩擦因數較低的塑料更接近于整塊移動。
實際上，加料段槽深是根據螺桿壓縮比和計量段槽深來確定的。所謂壓縮比是指螺槽加料段第一個螺槽容積和計量段最后一個螺槽容積之比，即幾何壓縮比，而不是螺槽深度之比。這個數值不同于物理壓縮比。后者指的是塑料在加料時的松密度和受熱熔融后的密度之比。例如，聚乙烯在松散時密度為0.55～0.64g/cm，而熔融后的密度為0.76 g/cm。因此，其物理壓縮比為1.38～1.18。
顯然幾何壓縮比應大于物理壓縮比。這是因為除了應考慮密度的變化之外，還應考慮在壓力下熔融料的壓縮性、塑料在加料段的裝填程度、擠壓過程中塑料的回流等因素，尤其還應考慮制品性能所要求的壓縮密實的必要性。應此對加工同一種塑料的的螺桿，不同設計者對其幾何壓縮比有不同的選擇，而加工不同塑料的螺桿，其壓縮比變化應更大（大多數在2～5之間，個別情況大至8，小至1）。
2.3.3 螺距和螺紋升角的確定
對單頭螺紋，螺距S、螺紋升角φ和螺紋直徑D之間有下述關系：
顯然在螺桿直徑已知以后，螺距和螺紋升角只要決定一個，另一個也就確定了。從固體輸送生產率公式和熔體輸送理論生產率公式都可以看出：生產率和螺紋升角又直接的關系。根據固體輸送理論的計算，對大多數塑料，當摩擦因數fb=fs0.25～0.5,螺紋升角等于17～20時，固體輸送生產率可以達到最大值。實驗也證明，對圓柱性塑料，最佳螺紋升角大約在17左右。而從熔體輸送理論的角度上講，將有關流率公式經數學推到簡化，并對φ角求導，并令導數等于零，可求的最佳螺紋升角為30。這也是為什么當前的螺紋升角都在17～30范圍之內的原因。
2.4 本章小結
不同的生產線對擠出機的具體要求不一樣，這就需要根據不同塑料的性能設計出合理的擠出機。本次設計的擠出機是用于聚苯乙烯(PS)生產線的擠出機，這就要求對聚苯乙烯(PS)的性能有一定的掌握和了解。本章主要對擠出機設計總體方案進行布局和確定，并且計算和確定擠出機所需要的主要參數，對于擠出機螺桿結構的設計也進行了初步的計算。
沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第三章 螺桿方案的確定
第三章螺桿方案的確定
3.1 螺桿類型的確定
螺桿是擠壓系統(tǒng)中的主要零件。它的各部分幾何形狀的變化，直接影響螺桿的工作性能效果。對塑料制品得產量和質量，都有非常重大的影響。介于本設計的加工的是溶體材料為聚苯乙烯（PS）。PS為乙烯的聚合物，在生產中無特殊的要求，因此選用普通螺桿，材料為45號鋼。
3.2 螺桿的工作性能指標評定
（1）塑化質量 按專業(yè)標準規(guī)定制造的擠出機，擠塑生產得塑料制品也應是符合質量標準。螺桿是擠塑生產影響產品質量的關鍵零件，物料得混合質量、塑化的是否均勻、物料得徑向溫差是否較小、壓力要均衡、能量消耗要比較低、生產率的提高，這些都受螺桿工作質量得影響。
（2）比流量 這個比值大，說明這根螺桿的塑化能力強，比流量得單位為（kg/h）/（r/min）
（3）比功率 這個值小，說明生產同樣質量的塑料制品，能量消耗少，比功率得單位為kw/（kg/h）
（4）通用性 指螺桿能否適應擠塑不同的塑料，能在不同塑料制品機頭阻力下工作。
（5）經濟性 制造機械加工比較容易，工作壽命比較長。
3.3 螺桿的選用原則
（1）按塑料的制品種類選擇 塑料的種類很多，有結晶型和非結晶型，它們在被擠塑生產制品時，對溫度條件要求及本身得粘度、穩(wěn)定性和流動性能都有差別。所以，生產不同種類塑料制品時，應該選擇不同類型螺桿。
（2）機頭模具的阻力對螺桿結構尺寸的影響 螺桿螺紋的均化段得的螺槽深淺與機頭阻力大小要匹配選取，機頭阻力大，這段螺紋槽要淺些；反之，當阻力小時，螺槽就應深些。對于排氣式擠出機，要求第二階段的均化段螺槽深度要比第一階螺桿的均化段螺紋槽要深些，否則排氣口處易溢料
（3）按擠出機的用途選擇 不同用途的擠出機，根據工作性質和擠塑塑料品種來選配螺桿。如果只用于一種塑料制品得選擇，可按該塑料產品得要求，訂購專用螺桿擠出機。如果擠出機要擠塑不同材料的多種制品，就應選擇螺桿具有較大得通用性。
3.4 螺桿的分類
按照螺桿得結構和螺桿螺紋部分的幾何形狀，可分為普通螺桿、新型螺桿和排氣螺桿。
（1）普通型螺桿 普通螺桿擠出機是現在廣泛使用的擠出機，能擠塑粉料和粒料。這種螺桿螺紋部分可分為加料段、塑化段和均化段。普通螺桿與新型螺桿比較有許多不足之處，有逐漸被新型螺桿取代得趨勢。
（2）新型螺桿 與普通螺桿比較，就是在螺桿的不同部位上設計了非螺紋元件，以改進塑料得混合、熔融塑化質量和縮短擠塑生產時間。
（3） 排氣螺桿 在擠塑物料得過程中，為能夠排除物料中的空氣、揮發(fā)物氣體和水蒸氣，而專門設計的螺桿。
3.5 單螺桿擠出機及其基本操作
螺桿擠出機分為單螺桿擠出機和多螺桿擠出。單螺桿擠出機是聚合物工業(yè)中最重要的一類擠出機。其主要優(yōu)點為成本較低、設計簡單、堅固而可靠、以及滿意的性能成本比。常規(guī)塑化擠出機的螺桿具有3個不同的幾何段，如圖3所示：
圖3 常規(guī)擠出機螺桿幾何形狀
這種幾何形狀也稱之為“單級”?！皢渭墶笔侵高@種螺桿盡管有3個不同的幾何段，但事實上僅有一壓縮段，第一段(最靠近進料口)的螺槽—般較深。此段中的物料大都處于固體狀態(tài)。此段稱之為螺桿的進料段。最末段(最靠近模頭)的螺槽通常較淺。此段中的物料大都為熔融狀態(tài)。此蟬桿段稱之為計量段或擠出段。第二段連接進料段和計量段。此段稱之為過渡段或壓縮段。多數情況下，螺槽深度(或螺棱高度)從進料段向計量段以線性方式減小，因而使物料在螺槽中經受壓縮．以后將證明這種壓縮作用在多數悄況下對擠出機的正確運行是必不可少的。
單螺桿擠出機的操作相當簡單。物料從加料斗進入。通常物料靠重力由加料斗流入擠出機機筒。有些物料在干燥狀態(tài)不易流動，必須采用特殊措施防止物料在進料斗中掛料。物料一旦落入擠出機機簡，即處于擠出機螺桿和機筒之間的環(huán)狀空間內，并進而為螺棱的主動螺腹和被動蝶腹螺槽所包圍。機簡靜止而蟬桿旋轉。因此，摩擦力都作用于物料以及機筒和螺桿表面。至少物枓處于固體狀態(tài)(低于熔點)，這些摩擦力負責向前輸送物料。
物料向前運動時，即因摩擦產生的熱和機筒加熱器傳導的熱而被加熱。當物料溫度超過其熔點，則在機筒內表面形成熔膜，塑化段即由此開始。必須指出，塑化段起點通常不是壓縮段起始點。各功能段的分界線取決于聚合物性能、擠出機幾何形狀以及操作條件。因而，分界線可因操作條件改變而改變。然而，螺桿的幾何段由設計確定，不因操作條件的變化而變化。當物料向前運動時，在各個位置的固態(tài)物料量將因熔融而減少。當全部固態(tài)聚合物消失時則達到塑化段末端，而熔體輸送段開始。在固體輸送段中，將熔體均勻的輸送給模頭。
當聚合物流進模頭時，即呈現模頭流道的形狀，因而，當高聚物離開模頭時，其形狀或多或少的符合模頭流道最后部分的斷面形狀。由于模頭產生流動阻力，所以需要壓力迫使物料通過模頭。這種壓力通常稱之為模頭壓力。模頭壓力因模頭形狀(特別是流道)、高聚物熔體溫度、通過模頭的流率、以及高聚物熔體的流變特性所決定。模頭壓力由模頭產生而不由擠出機產生。擠出機只是產生足夠的壓力，以迫使物料通過模頭。如聚臺物、擠出量、模頭、模頭溫度均相同，則無論擠出機是齒輪泵單螺桿擠出機，還是雙螺擠出機等都不會造成差異，機頭力相同。
3.6 本章小結
單螺桿擠出機作為一種常見的擠出機設備，用于塑料加工行業(yè)，主要用于擠出軟、硬聚氯乙烯、聚乙烯等熱塑性塑料，可加工多種塑料制品，也可用來熔融造粒。單螺桿擠出機在塑化造粒機械和成型加工機械都占有重要地位，近一些年來，單螺桿擠出機有了很大的發(fā)展。本章對螺桿方案進行了確定，首先對螺桿的分類做出了介紹，其次確定選用了螺桿的類型并對單螺桿擠出機及其基本操作做了充分的介紹。
沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第四章 螺桿的設計與校核
第四章螺桿的設計與校核
4.1 螺桿材料
螺桿材料應具有足夠的強度和抗磨能力，較好的耐化學腐蝕性能，良好的機械加工和熱處理以及在高溫度下不變形的性能。螺桿材料優(yōu)先選用 38CrMoAlA，用 38 CrMoAlA 制造的螺桿，其氮化深度一般為 0.3——0.6，硬度可達 740HV。當它經滲氮處理后會在螺桿表面形成壓應力，故疲勞極限能提高 25%——35%。耐腐蝕性也有顯著提高。
4.2 螺桿形式
本設計為 SJ90 擠出機，加工物料為低密度聚乙烯。查取有關資料確定螺桿形式為：等距突變（3~5D）型單螺桿。
4.3 螺桿參數
a、螺桿直徑 D D=90mm
b、螺桿長徑比 L/D=30 螺桿長 L=1750mm
c、螺桿的螺紋開程 I I=90mm
d、螺桿的螺紋升角θqθ取 18°°
e、螺棱寬度 e e=（0.08~0.12D）取 e=5mm
4.4 螺桿結構
螺桿工作部分大體分為加料段，熔融段，均化段。
a、加料段。此段的作用是咬入和往前輸送物料。從加料口供入的物料，由于旋轉螺桿的作用，物料被咬入螺槽內，并形成一定大小的塑團，這些塑團邊轉動邊前進
L加 =30%~65%L=525~1137.5，本設計取 900mm。
H加: 因為螺桿三段的螺紋升程相等，螺棱寬度也相等。
查《塑料機械設計》 取 i=3
H 加=i×H 3=3×3=9mm
b、熔融段 又成為壓縮段。塑團進入此段，被逐漸壓縮，由于螺桿的旋轉，物料受到強烈的剪切，攪拌和塑化。
L塑 =3~5D
H塑= 漸變
C、均化段又稱計量段。由熔融段輸送過來的物料在均化段繼續(xù)受到剪切和塑化，在螺桿的擠壓作用下，呈粘流態(tài)的物料以一定的壓力和溫度流經機頭，擠壓成所需形狀的半成品。
L擠 =20%~25%L
H擠 =0.025~0.06D H擠 取 3mm
4.5 螺紋的斷面形狀
本設計采用矩形斷面。螺紋的推料表面與螺桿根徑表面垂直，用小圓弧 r=（0.06~0.12）D；而螺紋背面具有較大的過度圓弧 R，這有利于螺槽中的塑料進行橫流，可促進塑料均勻混煉和塑化，避免產生局部焦燒，R=（0.12~0.18）D。
4.6 校核
近似認為螺桿只受扭，彎，壓的聯合作用。
1、 剪應力計算
扭矩：根據公式計算
Nmax?電機最大功率 Nmax=30KW
nmax 電機最大轉矩 nmax =1470r/min
y? 機械傳動效率（y 取 0.7~0.9） ， 取 y=0.8
所以 Mn =2337.6kg· cm
最大剪應力：τ max 加料段初始位置最容易扭斷，則抗扭截面模量近似為：
Wn = 143.07 kg /cm2
則：τ max =16.34 N /cm2
2、 壓應力計算δy
P=200F=200×3.14× 152 / 4 =3533kg
δy =P / F =3533× 4 / 3.14×122 =31.25kg / cm
實際上螺桿自重引起的彎曲應力比剪切應力和壓應力小得多，故可忽略不計，這樣按第三強度理論公式計算：
sδs =26.23 N /cm2
查得δ=163MPa
因此螺桿強度合格。
4.7 本章小結
本章進行了對螺桿的設計，其中包括對螺桿材料的選取，螺桿參數的介紹，螺桿結構的設計計算，螺紋的斷面形狀的介紹，螺桿形式的研究及螺桿強度的校核。
沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第五章 機筒的設計及強度校核
第五章機筒的設計及強度校核
5.1 機筒的類型
機筒與螺桿配合工作，組成擠出機的擠壓系統(tǒng)。在擠塑物料的工作中，它的作用和螺桿工作同樣重要。機筒和螺桿是擠塑系統(tǒng)的主要組成零件，也是擠出機的關鍵零件。對于機筒結構形式的選擇和制造精度等級，都會直接影響塑料制品的產量和質量。
機筒的結構形式設計選擇，應該是在保證其工作強度的基礎上，注意考慮它有利于被擠塑物料的塑化，結構形式方便機械加工；同時能得到較高的精度；再一點是要盡量節(jié)省一些較貴重的合金鋼。這幾點對擠出機的制造工藝及費用，都有較重大影響，常見的機筒結構形式有整體式機筒、分段式機筒、襯套式機筒、雙金屬層機筒：
（1）整體式機筒 整體式機筒應用比較多，比較起來整體式機筒的機械加工精度比較容易保證，工作時各部加熱均勻，對機筒的加熱和冷卻系統(tǒng)也較好安排和布置。一般小直徑擠出機的機筒，包括有溝槽的加料段部分。大直徑擠出機的機筒不包括加料段。如圖4所示：
圖4 整體式機筒示意圖
（2）分段式機筒 長徑比值比較大得擠出機和排氣式擠出機，由于機筒過長，為便于機械加工和節(jié)省合金鋼材，通常采用分段式機筒。但是這種機筒在機加工時也有難度。即二段機筒的內圓直徑尺寸的一致性和同心度精度的保證，很難達到要求。由于中間要用法蘭盤連接，則對機筒加熱得均勻性，連接部分要受影響。對加熱和冷卻系統(tǒng)的安排布置也帶來一定的困難。如圖5所示：
圖5 分段式機筒示意圖
（3）襯套式機筒 襯套式機筒主要用在大直徑的擠出機上，目的是為了節(jié)省較貴重的合金鋼材。機筒體用鑄鋼或普通碳素鋼制造，而機筒的內襯套用滲碳合金剛制造。當襯套磨損時，只需更換襯套即可。但由于薄而長的襯套的機械加工和熱處理很困難，所以，也很少應用。如圖6所示：
圖6 襯套式機筒示意圖
（4）雙金屬層機筒 在鑄鋼或碳素鋼機筒體的內壁，用離心澆鑄法鑄一層耐磨合金，然后機械加工內孔至所需要的尺寸。這種機筒既節(jié)省了很多合金鋼又能保證它的耐磨性和抗腐蝕性。
5.2 機筒材料的選擇
機筒一般由襯套和機身組成。由于機筒和料筒是在高溫、一定腐蝕、強烈磨損、大扭矩下工作的，因此，機筒和料筒必須由耐高溫、耐磨損、高強度的優(yōu)質材料，襯套在此結構中，為了減小塑料與機筒的摩擦，并隔離冷卻水與塑料，在機筒與螺桿間嵌入了一個襯套，故選用 38CrMoALA 制成，具有較好的耐磨和耐腐蝕性。 但現在的冷卻技術比較成熟， 所以不采用襯套結構。機身材料選取 ZG270-500。為了加工方便，機筒采用分段式，通過法蘭聯接。
5.3 機筒參數
機筒的壁厚
R1 = 70mm ， R2 =100mm ， r=39mm ， P=10×106 Pa ，δr =-P
E1=206×103 N / mm2， E 2 =180×103 N /mm2
μ1=0.28 ，μ2= 0.3
5.4 校核
①機筒內壁處的工作應力：
由 P=10×106 Pa得
δr =-10 N /mm2
δt1 =29.2 N / mm2
②機筒的軸向力：
δZ=9.6 N/ mm2
③裝配壓力 P k 計算：
Pk=31.62 N/ mm2
④機筒內壁強度校核
δxd =48.57 N/ mm2
由于機筒材料為 ZG270-500，查得屈服應力為
δs =200 N / mm2，取 n s =3.2
[δ] 62.5 N / mm2]
所以機筒強度可以保證工作要求。
5.5 本章小結
介于機筒和螺桿得配合工作，組成了擠出機的擠壓系統(tǒng)，共同完成對物料的擠壓塑化，生產出塑料制品。在完成擠塑工作時，機筒和螺桿一樣，要承受巨大的壓力、扭矩和摩擦壓力及物料得腐蝕。本章對機筒類型和機筒參數做出了介紹，確定選擇了機筒材料并進行了強度校核計算。
沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第六章 其他零部件的設計與校核
第六章 其他零部件的設計與校核
6.1 螺桿與軸聯接處的花鍵的選擇與校核]
選擇中系列，規(guī)格為10×72×82×12
花鍵擠壓強度校核：
P= 2T /φZhlD
其中:T=9.7×106 N· mm 取φ =0.8
D=82mm d=72mm Z=10 L=120 Dm =77mm H= 5mm P =52MPa
由于花鍵用于靜聯接，使用和制造情況中等，且齒面經過熱處理，查得：
[P=100MPa
由于 P< [P ]
所以擠壓強度可以保證。
6.2 推力軸承的選擇與校核
選擇 9039424E 型軸承
校驗：額定基本負荷 Ca=982KN
由于軸向力 P= P1﹢ P2
P?軸向力
P1 靜壓力?
P2 動壓力
P1= P機 =38500N
P2≈0.25P1=9625
所以 P=48125≈48KN L10h =20000h
所以此軸承適用。
6.3 聯軸器的選擇與校核
選擇彈性柱銷聯軸器 HL 型
計算： 取 K=1.7
Τc=K· T =1.7×284.56=483.75N/m
所以此聯軸器安全傳動。
6.4 機頭材料的選擇
機頭是擠出機的最主要部件之一，它的作用是使塑料螺旋運動狀態(tài)變?yōu)橹本€運動狀態(tài)。同時按照不同的擠出機工藝形成必要的壓力和一定形狀的半成品。機頭材料應具備耐磨、耐腐蝕。在內壓作用下有足夠的強度和剛度；在較高的溫度下不變形，加工容易。本設計采用材料為 ZG35。
6.5 溫度控制
(1) 溫度傳感器選擇：鉑熱電阻溫度傳感器可測溫度范圍：-200 到 650 度可用于固體表面，軸承，電站管道等管道測溫。傳感器外接。
(2) 控制調節(jié)方法：
通過傳感器根據物料在不同階段的溫度調節(jié)加熱圈。
6.6 電機的選擇[]
根據要求螺桿的轉速范圍15r/min-150r/min
根據功率，轉速等因素選取電機：
選取：封閉式三相異步電動機 Y225m —4
額定功率：90kw 轉速：1500 r / min
電流： 84.2A 效率：92.3%
此電動機軸直徑 D電 =60mm 外伸 E=140mm 中心距 H=225 0-0.5 mm
6.7本章小結
本章對單螺桿擠出機中的其他零部件進行了介紹及對其材料的選擇與強度校核計算，其中包括花鍵、推力軸承、聯軸器的選擇與校核，機頭材料的選擇，電機的選擇以及溫度的控制。
沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 結 論
結 論
本次畢業(yè)設計完成的是單螺桿擠出機的設計，從傳動系統(tǒng)，擠出系統(tǒng)，加料系統(tǒng)，冷卻和加熱進行研究。此單螺桿擠出機是通過電機將動力傳給帶輪，經減速傳給螺桿，為了滿足變速范圍的要求，采用的是普通電機進行變頻無級調速，為了便于安裝和拆卸，機筒采用的是左右剖分式結構，分三段進行加熱和冷卻。通過電磁閥和傳感器進行溫度的控制和冷卻水的進出，保證溫度在所允許的范圍內。得出的主要結論如下：
1.采用機械調速與變頻調速相結合的方式，選用普通的電機實現了擠出機的無級變速，同時可使電機功率利用更加合理。使剖分式單螺桿擠出機的螺桿轉速能夠根據生產工藝要求的不同進行調整。
2.擠出系統(tǒng)的螺桿采用整體式結構，機筒采用剖分式結構，能夠快速打開，解決了傳統(tǒng)擠出機清理困難這一難題。與傳統(tǒng)的整體式相比，設計中所采用的剖分式機筒，給拆卸帶來了方便，同時有利于螺桿的清洗。
3.螺桿采用的結構有利于降低螺桿的制造難度。
4.采用鉑熱電阻溫度傳感器進行溫度控制，能夠有效的保證擠出機在正常的溫度范圍進行工作。
沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 參考文獻
參考文獻
[1]Schaab Stoeckhert.Kunststoff Maschinen Fuhrer.Hanser 1980.
[2]Demag.Injectio
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