塑料機械課程設(shè)計指導(dǎo)書樣本

塑料機械課程設(shè)計指引書謝軍編6月一、塑料機械課程設(shè)計目塑料機械課程設(shè)計是一種重要專業(yè)教學(xué)環(huán)節(jié)，這個數(shù)學(xué)環(huán)節(jié)目：

(1)使學(xué)生進一步鞏固《塑料機械》課程中理論知識，理解塑料機械設(shè)計普通程序。

(2)使學(xué)生可以純熟地運用關(guān)于設(shè)計技術(shù)資料，如《塑料機械國標》、《機械零件設(shè)計手冊》、《塑料工程手冊》、《輕工業(yè)技術(shù)裝備手冊》及其他關(guān)于設(shè)計規(guī)范等。

(3)訓(xùn)練學(xué)生初步設(shè)計塑料機械能力，為后來工作打下初步基本。

二、塑料機械設(shè)計準備工作

1.資料及工具準備

課程設(shè)計開始前必要預(yù)先準備好《塑料機械國標》、《機械零件設(shè)計手冊》、《塑料工程手冊》、《輕工業(yè)技術(shù)裝備手冊》等技術(shù)資料，以及圖紙、繪圖儀器等工具。

2.總體方案設(shè)計

學(xué)生應(yīng)充分研究設(shè)計任務(wù)書，理解產(chǎn)品用途，所應(yīng)用樹脂，并進行工藝性及尺寸公差級別分析，在初步明確設(shè)計規(guī)定基本上，可按如下環(huán)節(jié)進行零部件總體方案論證。

(1)依照任務(wù)書中規(guī)定，擬定螺桿構(gòu)造初步方案，并畫出構(gòu)造草圖；

(2)通過螺桿構(gòu)造初步計算及查找《塑料工程手冊》、《輕工業(yè)技術(shù)裝備手冊》等技術(shù)資料，驗證各段構(gòu)造方案與否可行，構(gòu)畫各段構(gòu)造草圖。

(3)構(gòu)畫其他部件構(gòu)造草圖，進一步對螺桿構(gòu)造選取方案與否合理可行進行分析和討論。

(4)螺桿及機筒方案經(jīng)指引教師過目后，即可正式繪制裝配圖，并著手按照“設(shè)計任務(wù)書”上規(guī)定進行課程設(shè)計。

三、詳細設(shè)計環(huán)節(jié)

塑料機械課程設(shè)計可按如下幾種環(huán)節(jié)進行：

(1)對螺桿進行設(shè)計；(2)對機筒進行設(shè)計；

(3)設(shè)計塑化部件裝配圖；（4）對螺桿、機筒強度進行校核：（5）按“設(shè)計任務(wù)書”規(guī)定設(shè)計繪制零件圖；（6）按規(guī)定格式編制設(shè)計闡明書；（7）準備答辯。四．螺桿構(gòu)造設(shè)計基本思路：

1.衡量螺桿設(shè)計質(zhì)量原則和設(shè)計時應(yīng)注意問題1.1.設(shè)計質(zhì)量原則：1）生產(chǎn)能力：a比流量：Q/n單位時間內(nèi)螺桿每轉(zhuǎn)一圈擠出量。（公斤/圈）b最高生產(chǎn)能力：Q在保證塑化質(zhì)量前題下能達到最高產(chǎn)量。（公斤/時）2）功率消耗：N/Q在保證塑化質(zhì)量前題下，單位產(chǎn)量所消耗機械功率---單耗（千瓦時/公斤）3）塑化質(zhì)量：外觀質(zhì)量：指表面光滑，無波浪、竹節(jié)形、氣泡、斑紋和水紋等缺陷；混合質(zhì)量：指物料各組分分散限度。它直接影響制品物理、機械和化學(xué)性能；擠出溫度：指物料徑向、縱向溫度，在保證外觀質(zhì)量下，一是溫度越低越好，制品易定型，可縮短冷卻時間，減少輔機冷卻承擔(dān)；二是規(guī)定波動和溫差越小越好，可使制品尺寸穩(wěn)定、不易變形、防止局部過熱降解；擠出壓力：壓力波動，引起生產(chǎn)能力波動，也會導(dǎo)致制品尺寸波動。4）螺桿加工制造容易、使用壽命長。5）適應(yīng)性廣：但愿塑化效率和適應(yīng)性廣都兼?zhèn)洹?.2設(shè)計時應(yīng)注意問題1）高聚物特性-----對螺桿構(gòu)造和幾何參數(shù)有不同規(guī)定。重要涉及：形狀、大小、松密度、熔融溫度或軟化點、熔態(tài)下粘度、流動性、熱穩(wěn)定性、熔融溫度范疇及所含填料性能等。2）擠壓系統(tǒng)用途：專用還是通用？對螺桿構(gòu)造設(shè)計有不同規(guī)定。3）口模幾何形狀和阻力特性：不同口模幾何形狀和阻力特性，規(guī)定螺桿幾何參數(shù)也不同，高阻力機頭規(guī)定H3較淺，反之則規(guī)定較深H3.4）螺桿轉(zhuǎn)數(shù)熔融速率取決于剪切速率，剪切速率又與螺桿轉(zhuǎn)數(shù)關(guān)于。2擠出機普通螺桿設(shè)計普通螺桿：即常規(guī)全螺紋螺桿。普通螺桿特性涉及有：直徑D，長徑比D/L，三段構(gòu)造，螺紋升程，螺紋升角，螺紋斷面形狀及螺桿頭部構(gòu)造。2.1普通螺桿重要形式及其擬定2.1.1重要形式1）等距變深螺桿有三種，一是全長漸變，二是三段漸變，三是三段突變?nèi)毕荩簩嚎s比較大小徑螺桿強度受到影響。2）等深變距螺桿螺桿。長處：加工制造容易，成本低；螺紋升程相等物料與機筒接觸面積大，有助于物料塑化；加料段第一種螺槽深度大，有助于進料，生產(chǎn)能力大。螺槽深度不變，螺槽寬度逐漸變窄。長處：桿有足夠強度，利于用增大轉(zhuǎn)速來提高生產(chǎn)能力；有助于設(shè)計大壓縮比。缺陷：由于H3較大，在同和壓縮比下，熔料倒流量較大；物料均化作用差；加工困難，應(yīng)用較少。3）變距變深螺桿特點：可得到較大壓縮比（8：1），機械加工復(fù)雜，采用較少。2.1.2普通螺桿形式擬定非結(jié)晶型塑料熔融時有玻璃態(tài)、高彈態(tài)和粘流態(tài)三種狀態(tài)，是在一種較大溫度范疇內(nèi)進行，如HPVC軟化溫度在75~165℃結(jié)晶型塑料熔融時沒有明顯高彈態(tài)，其軟化溫度范疇較窄，如LDPE軟化溫度在83~111℃，三段漸變形三段漸變形突變形突變形2.2普通螺桿重要參數(shù)設(shè)計2.2.1直徑D擬定：理論計算D是有困難，普通是在初步擬定產(chǎn)量和轉(zhuǎn)速后，采用：Q=βD3n進行初算β---經(jīng)驗出料系數(shù)普通為0.003~0.007,對轉(zhuǎn)速高取大值；對質(zhì)韌而硬物料取大值；對采用IKV構(gòu)造機筒取大值；D計算后，應(yīng)按原則選用，即按：20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、80、90、100、110、120、150、200、250、300等，向上一檔靠。也可以按制品尺寸選定螺桿直徑，即按下表：單位：mm螺桿直徑30456590120150200硬管直徑~3010~4520~6530~12050~18080~300120~400吹膜折徑50~300100~1000400~1500700~~2500~3500~8000擠板寬度--400~800700~1200~1500~2500-2.2.2擬定長徑比：L/D從公式：Q=1/2[πDnH3(l-é)cos2Φ]-[H33(l-é)sinΦcosΦ/12η].P/L3-[π2D2δ3tgΦ/12ηLé].P/L3看出，增大L/D，就等于減少了第二和第三項倒流和漏流流量，相對提高了生產(chǎn)能力。Q/nQ/n從右圖也可看到，增大L/D，比流量也得到增長。對難于加工塑料，如含氟塑料、對規(guī)定較高溫度和壓力塑料、對吹膜制品、對粉狀料等L/D要大些；對熱敏性塑料、對進行半成品加工L/D要小些；對轉(zhuǎn)速高L/D要大些。15D20D25D30D但也不要過大，過大，則使功率消耗過大，同步給加工和安裝15D20D25D30D帶來困難；還會使螺桿產(chǎn)生彎曲，甚至刮磨機筒，減少螺桿壽命。國內(nèi)應(yīng)用較多是20~30，國外多數(shù)在33如下。2.2.3螺桿各段重要參數(shù)擬定1）加料段加料段重要幾何參數(shù)有：螺紋升角φ、螺槽深度H1和加料段長度L1.螺紋升角φ，在設(shè)計時，如果取螺紋升程等于螺桿直徑時φ=17°40′螺槽深度H1，在理論上H1大，固體輸送量增大。但在擬定期，要考慮螺桿機械強度和物料壓縮比。因而應(yīng)先擬定均化段螺槽深度后，再由螺桿幾何壓縮比來計算加料段螺槽深度。加料段長度L1擬定，理論上可由固體輸送理論公式計算，然而事實上由于影響因素諸多，難于用理論公式去計算。普通是通過塑料物理性能分析，用經(jīng)騐數(shù)據(jù)擬定。對熔點高，導(dǎo)熱性差，熱焓大塑料，L1要長些；如加工PP就要比加工PE要長些；而PS屬于非結(jié)晶塑料，它熔融過程是在一種比較大范疇內(nèi)進行，且它熱焓最低，所需L1長度可比HDPE短。依照經(jīng)驗數(shù)據(jù)：非結(jié)晶型塑料：L1=10~25%L結(jié)晶型塑料：L1=30~65%L詳細擬定期，應(yīng)按加工物料詳細物理性能而定。2）熔融段熔融段重要技術(shù)參數(shù)有：壓縮比ε和熔融段長度L2。熔融段要有足夠壓縮比，其幾何壓縮比ε用下面公式計算：ε=[π（D-H1）H1（l1-e1)]/[π（D-H3）H3（l3-e3)]≈H1/H3也有用：ε=0.93H1/H3上述壓縮比簡化公式，是在三段螺紋升程相等，螺棱寬度e也相等狀況下得到。壓縮段長度L2：依照結(jié)晶型塑料與非結(jié)晶型塑料各自特性，普通經(jīng)驗數(shù)據(jù)為：非結(jié)晶型塑料：L2=50~60%L；結(jié)晶型塑料：L2=（3~5）D詳細擬定期，應(yīng)依照加工物料實際物理性能和加料段及均化段綜合平衡來擬定。3）均化段：均化段重要參數(shù)是：螺槽深度H3和長度L3螺槽深度H3：從前面產(chǎn)量Q公式可以看出：正流與槽深一次方成正比，而倒流卻與槽深三次方成正比；也就是說，如果其他條件相似時，把H3增大一倍，正流只增大一倍，而反流卻增大8倍。因而，槽太深，反而減少了生產(chǎn)能力。從右圖可以看到：當機頭阻力不大于P*時，深螺槽時有較大生產(chǎn)能力；而當機頭阻力不不大于P*時，淺螺槽時有較大生產(chǎn)能力。從理論公式看到，淺螺槽對物料剪切作用大，有助于對物料進一步塑化和均化作用。但是，過淺螺槽，對熱敏性物料也許會引起熱分解。H3值用理論公式計算較困難，與L3同樣，大多數(shù)采用經(jīng)驗數(shù)據(jù)來擬定。H3=（0.025~0.06）D對于直徑較大螺桿，取小值；對粘度低、熱穩(wěn)定性好物料，取小值；反之，取大值。均化段長度L3：它大小對生產(chǎn)能力、擠出物質(zhì)量和螺桿工作特性均有一定影響。從熔融理論公式可看到，增大，等于減少倒流和漏流流量，在其他條件相似時，相對地提高了生產(chǎn)能力。從右圖看到，均化段長度增長50%，Qp+Ql即1′曲線，它工作特性較硬。也就是說Q(LQp+Ql它使倒流和漏流流量減少，生產(chǎn)能力增長。此外，L3大小對擠出物質(zhì)量也有1′(1.5L3)一定影響，增大L3，如果其他條件不變，2物料在均段停留時間增長，也就是增長了對物料剪切作用時間，有助于物料分散和混合伙用。但是不利于低溫擠出，對熱敏性物料也許會引起熱分解。PL3值用理論公式計算較困難，普通用下列公式選用：L3=20~25%L熱敏性物料可取短些，對高速擠出L/D大，均化段取大值，以適應(yīng)其定選用時要依照物料實際物理性能和工藝條件擬定。2.2.4螺紋斷面形狀矩形斷面螺紋，其根徑表面與螺棱推動面成90°夾角，用小圓弧過渡，螺槽容積較大，適于加料段用；鋸齒形斷面螺棱，其后緣有較大傾角α（α<30°），且過渡圓弧較大，有助于物料流動，同步有較好混合和均化物料作用，避免了渦流現(xiàn)象。普通取α=10°；而當傾角α取大值時，螺棱強度大。這種斷面合用于Φ45以上中大型機和造粒機。梯形斷面螺紋，其傾角取α=10°~15°，圓弧半徑?。?.07~0.13）D，慣用于Φ30如下小徑桿上。上述斷面應(yīng)用最多是矩形和鋸齒形兩種。r1和r2普通取0.5~1mm,r和R按下列范疇選用：r=（1/2~2/3)H3R=(1~2)r以上數(shù)值范疇，大直徑螺桿取大值。也有資料簡介按如下數(shù)據(jù)選用：R=（0.04~0.12）Dr=（0.02~0.04)D螺紋后角普通取α=10°；螺棱頂部寬度e，普通取e=（0.08~0.12）D；在保證螺棱強度條件下，應(yīng)取小些，由于比較大e值不但占據(jù)一某些螺槽容積，減少了輸送能力，并且增長了螺桿功率消耗，還容易引起物料局部過熱危險。但也不能太小，否則會削弱螺棱強度，增大漏流流量，減少了生產(chǎn)能力，特別對粘度低物料更甚。普通取e=0.1D.2.2.5螺桿螺紋頭數(shù)在螺桿直徑、螺槽深度和螺紋升程相似條件下，多頭螺紋與單頭螺紋比，多頭螺紋對物料正推力較大，攫取物料能力較強，并可減少熔料倒流現(xiàn)象。但是，整條螺桿都是多頭螺紋時，往往由于幾條螺槽進料不均勻和各條螺槽熔融、均化和對熔料輸送能力不一致，容易引起生產(chǎn)能力、壓力波動。其成果使制品質(zhì)量下降。如果在單獨在某一段上設(shè)立多頭螺紋（如加料段），則可以提高生產(chǎn)能力，又不減少制品質(zhì)量。對普通螺桿，普通都選有單頭螺紋。2.2.6螺桿頭部構(gòu)造L=(3~5)DDDDDDL=(3~5)DDDDDD魚雷體頭魚雷體頭熔料在螺槽中旋轉(zhuǎn)運動到進入口模時直線運動過程中，有一種急劇變化過程。料流在螺桿前面機筒中，料流在速度在機筒中心點最快，而在機筒壁最緩慢。合理螺桿頭形狀才干使物料平穩(wěn)地進入口模，并可避免產(chǎn)生滯流和防止物料局部過熱分解。常用螺桿頭形式如前面表中所列，其中球體和球體-流線型使用較為廣泛，扇形和大圓錐合用于流動性好塑料；錐體和圓柱-錐角型合用于PVC；魚雷體螺桿頭對物料受熱和混合有良好效果，有進一步均化和穩(wěn)壓作用，同步以增長對物料壓力，合用于PS等塑料。其與機筒間隙為H340~50%，其長度約為（3~5）D。3螺桿強度計算螺桿無論它與傳動軸如何連接，都可當作是懸臂梁。螺桿在運營過程中，重要受到來自機頭正壓力、克服物料阻力扭矩和自重產(chǎn)生彎矩。也即是受到壓、扭、彎聯(lián)合伙用下復(fù)合力，因而，歸結(jié)為壓、扭、彎聯(lián)合伙用下復(fù)共計算。螺桿根徑（特別是加料段；或排氣螺桿排氣段）處承載能力最差，因此，所謂強度計算就是在上述復(fù)合力作用下螺桿根徑（特別是加料段；或排氣螺桿排氣段）斷面強度計算。3.1由軸向力PZ產(chǎn)生壓縮應(yīng)力σcσc=(1.15~1.25)PmaxD2/(ds2-d02)kg/cm2式中：Pmax---可視為機頭壓力kg/cm2D-----螺桿外徑cmds----螺桿最小根徑cmd0-----螺桿冷卻水孔直徑cm3.2由扭矩Mt產(chǎn)生剪切應(yīng)力ττ=496000×Nmax×η/[nmaxds3(1-C4)]kg/cm2式中：Nmax---擠出機主電機最大功率KWnmax---螺桿最高轉(zhuǎn)速r/minη------擠出機傳動效率取0.923C=d0/ds3.3由螺桿自重G產(chǎn)生彎曲應(yīng)力σbσb=L2(D+ds)2γ/[ds3(1-C4)]≈L2(D+ds)2γ/ds3式中：γ---螺桿材料比重，鋼材取0.00785kg/cm3L---螺桿有螺紋某些長度cm當螺桿沒有冷卻孔時C=03.4求螺桿合成應(yīng)力σr依照材料力學(xué)可知，對塑性材料合成應(yīng)力用第三強度理論計算，其強度條件為：σr=≤[σ][σ]=σy/nσy---螺桿材料屈服極限kg/cm2n-----安全系數(shù)=338CrMoAlAσy=8500kg/cm2σ=σb+σc3.5例題：試校核SJ-150擠出螺桿和機筒強度，其關(guān)于參數(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d0=3.5cm,螺桿螺紋某些長度L=300cm，機筒外徑D0=25cm，機筒內(nèi)徑Db=15cm,螺桿最大驅(qū)動功率Nmax=75KW,螺桿最高轉(zhuǎn)速nmax=41.8r/min,螺桿、機筒材料均為38CrMoAlA(其屈服強度y=8500kg/cm2)取傳動效率η=0.923，機頭最高壓力Pmax=500kg/cm2,安全系數(shù)ny=3(故許用應(yīng)力[]=8500/3=2830kg/cm2）。解：1）螺桿強度校核：（1）求螺桿所受軸向應(yīng)力為：σc=(1.15~1.25)PmaxD2/(ds2-d02)=1.2×500×=1060kg/cm2（2）求剪切應(yīng)力：τ=496000×Nmax×η/[nmaxds3(1-C4)]=496000×75×0.923/{41.8×11.83×[1-（）4]}=495kg/cm2（3）計算彎應(yīng)力：σb=L2(D+ds)2γ/[ds3(1-C4)]≈L2(D+ds)2γ/ds3=3002（15+11.8）2×7.85×10-3/11.83=310kg/cm（4）第三強度理論計算復(fù)合應(yīng)力：σr===1690kg/cm2σr≤[σ]因此安全可用2）機筒強度校核：見背面章節(jié)。4新型螺桿設(shè)計一）普通螺桿存在重要問題及解決辦法普通螺桿存在問題較多，從螺桿三段基本職能進行分析，三段存在問題是有一定互相聯(lián)系，并非孤立存在。（一）加料段存在問題本段重要作用是輸送和壓實固體物料，從設(shè)計角度，總但愿輸送效率越高越好，并在其他兩段配合下，得到最高生產(chǎn)能力，可事實上本段輸送效率在普通狀況下只能達到設(shè)計能力20~40%，且隨著螺桿轉(zhuǎn)速提高而下降。固體輸送效率低是導(dǎo)致普通螺桿生產(chǎn)能力低重要因素之一。固體輸送效率低是由于在加料段壓力形成緩慢，加料段物料壓力低，其壓力形成重要靠機頭壓力，而機頭壓力提高，則減少了生產(chǎn)能力。（二）熔融段存在問題由于熔融理論是建立在抱負條件下，而實際生產(chǎn)擠壓過程并非按抱負狀況進行，且與螺桿參數(shù)、工藝條件及先后兩段機能關(guān)于系，重要存在問題有：A沿螺槽方向螺桿底徑錐度和熔融段長度L2如果不適應(yīng)一固體床分布函數(shù)X/W時，就會產(chǎn)生壓力波動和擠出量波動。B當固體輸送段壓力太小或局限性以壓實固體床時，則已形成熔膜將會滲入固體床縫隙中，此時熔融段浮現(xiàn)供料局限性現(xiàn)象，導(dǎo)致熔融不穩(wěn)定，使物料壓力和機頭壓力發(fā)生波動。C熔融速度慢。眾所周知，物料在壓縮段熔融重要熱量來源于機筒外加熱和物料受到摩擦和剪切作用產(chǎn)生熱量。而外加熱是靠熱傳導(dǎo)，高聚物自身導(dǎo)熱系數(shù)很低，且固體床中顆粒間又存在著間隙，影響傳熱；而固體物料受到剪切作用得到熱量不大，大某些依賴于熔膜受到剪切而產(chǎn)生熱量傳給固體床。由于這些條件限制，使物料熔融速度慢。D容易浮現(xiàn)掃膛現(xiàn)象。所謂掃膛現(xiàn)象是指螺桿與機筒內(nèi)壁刮磨現(xiàn)象，它固然與螺桿、機筒制造公差關(guān)于，但也與固體床破碎有很大關(guān)系。在固體床破碎后，機筒內(nèi)壓力產(chǎn)生不規(guī)則變化，使螺桿受力不均勻易產(chǎn)生掃膛；此外，固體床破碎后，螺棱側(cè)面沒有足夠熔膜對螺棱頂面與筒之間進行充分潤滑，也易產(chǎn)生掃膛。E擠出物易產(chǎn)氣憤泡。在壓縮段固體床破碎，產(chǎn)生熔池。在此過程中碎塊中氣體被熔體包裹，在均化段進一步熔融后易被帶入制品，影響制品質(zhì)量。（三）均化段存在問題均化段在理論上是作為定壓、定量、定溫地輸送熔料，并使之進一步均化。但事實上，由于前兩段存在問題，使本段開始之處還殘存著固體物料，其必要承擔(dān)著繼續(xù)熔化固體殘料任務(wù)，從而影響了擠出物質(zhì)量。此外，此段還要肩負對物料形成壓力以達到壓實物料和克服口模阻力作用，過淺螺槽在機頭壓力較小狀況下，必然引起生產(chǎn)能力下降。（四）解決普通螺桿存在問題某些做法1）在工藝上：a提高螺桿轉(zhuǎn)速:從產(chǎn)能公式上可以看到，在一定限度上可以提高生產(chǎn)能力，但是，轉(zhuǎn)速提高后，等于物料在螺槽中停留時間減少，使熔融速率減少，也帶來了壓力波動，影響制品質(zhì)量。螺桿轉(zhuǎn)速提高是有一定限度。b提高機筒溫度:提高機筒溫度也是有一定限度。一方面物料溫度提高了，加重了制品冷卻承擔(dān)，又導(dǎo)致了制品在冷卻過程中產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力；另一方面，對熱敏性塑料，也許引起降解。2）改進加料段構(gòu)造：如采用強制加料、對物料進行預(yù)熱干燥、機筒上開某些細淺軸向溝槽，增長物料與機筒摩擦等手段，雖然均有一定效果，但都是有限度。3）增長螺桿長徑比，但過大L/D會給螺桿制造和安裝帶來一定困難?？傊?，上述這些辦法受到一定限制，因此在螺桿構(gòu)造上人們開始作文章，浮現(xiàn)了各種形式新型螺桿，的確產(chǎn)生了較好效果。二）新型螺桿新型螺桿構(gòu)造形式不同，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。它們各千秋，單從制造難易度角度，咱們在此只簡介較易加工制造分流型螺桿（銷釘螺桿、DIS螺桿）、屏障型螺桿。（一）屏障型螺桿設(shè)計：據(jù)關(guān)于資料簡介，設(shè)計合理屏障型螺桿，比同規(guī)格擠出機擠出量可增長30%以上，出料溫度降3~20℃1）屏障段設(shè)立位置：L/D≥25可設(shè)在距頭部2D左右位置上，應(yīng)保證沒熔物料<30%.如果與銷釘（分流段）同步使用，則其基本上設(shè)在距頭部為1/3L（屏障段出料端）處，銷釘段位于螺桿頭端部。下面圖示位置是單獨使用屏障段狀況。2）剪切間隙G：Q=ΔP·G·B3/12ηB'式中：Q-流量ΔP—流經(jīng)屏障壓力降B—屏障段長度G---屏障間隙B'---剪切棱寬度η---粘度從Q公式可見：流量正比于間隙3次方，但間隙大小又直接影響剪切速率，影響塑化質(zhì)量。文獻簡介：普通取G=0.38~0.63mm,即剪切棱不大于螺桿外徑尺寸。對難于塑化、粘度較大物料PVC、PMMA、ABS、PC等取較小值，如0.5如下；對于較易塑化，并且粘度較小PE、PA、PP等，普通取0.6.槽數(shù)M流入槽與流出槽都是成對，普通為4~8對，螺桿直徑小取小值。實驗表白，槽數(shù)對剪切強度影響不大，但影響混合效果，可使料流在屏障段中不斷變化流向，交叉并重新分布，槽數(shù)多，混合效果好，溫度與壓力波動越小。普通直徑30~65取4對，90~150取6對，200以上取8對。流通截面和屏障段長度：據(jù)關(guān)于文獻簡介，當屏障段流量截面積F為均化段螺槽軸向截面積60~70%時，物料可得到良好塑化所必要壓力，又不至于產(chǎn)生過大阻力和物料發(fā)熱，還可保證較高生產(chǎn)率。F=Bmin·G·M而螺槽軸向截面積F0=（t-e）·H3∴Bmin=(0.6~0.7)（t-e）·H3/G·M當G=0.6，流量截面為螺槽軸向截面60%時，則：Bmin=（t-e）·H3/M式中：Bmin—屏障段最小長度，普通為2倍D左右，t---螺距，e---螺棱寬度H3—均化段螺槽深度，M---屏障段溝槽對數(shù)；剪切棱寬度B'：由剪切強度公式K=γB'/V可，K正比于B'，剪切棱寬度越大，剪切強度越大，可是，消耗功率也正比地增長；因而，過大，則無意義；而過小，又易磨損，普通取B'=5~8mm左右，小徑桿取小值（Φ65如下）。（二）銷釘螺桿設(shè)計1）銷釘段位置擬定普通分兩種狀況，一是在螺槽中設(shè)立銷釘，可設(shè)在壓縮段末端或在均化段上，詳細位置可依照加工條件擬定，如圖中所示位置；即可設(shè)在距桿頭部2D，4.5D，7D或9.5D處二是設(shè)立銷釘混煉段，普通高設(shè)在均化段末端2~4D左右無螺紋芯軸表面。2）銷釘數(shù)量：在螺桿槽中設(shè)立銷釘螺桿，有資料簡介為2~4排銷釘；而設(shè)立銷釘混煉段螺桿，普通設(shè)立2~6圈銷釘，混煉段長度在2~4D?？倲?shù)在30~50個左右，但對銷釘混煉段螺桿，銷釘總表面積至少應(yīng)占該段無螺紋芯軸表面積0.25~0.35較為適當。3）銷釘尺寸：銷釘高度:銷釘頂部高普通不大于螺桿外徑2~4%，底部普通與所在部位螺槽底徑相似。銷釘間間距：普通不不不大于銷釘直徑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：螺桿直徑mm456590120150200銷釘直徑mm455.566.56.5上述表中所列數(shù)據(jù)均為最小參照值，若銷釘為方形可以此值做為邊長。4）銷釘螺桿其他參數(shù)：長徑比和各段長度：與普通螺桿相似。設(shè)立銷釘螺槽深度：可比未設(shè)立銷釘之前深某些（0.5左右）。三）新型螺桿應(yīng)用慣用新型螺桿多是復(fù)合型，如下圖所示：其中有屏障段，又有銷釘混煉段同步使用。五擠出機機筒設(shè)計思路5.1普通機筒構(gòu)造類型及其選取普通機筒有整體式、分段式和雙金屬式機筒。最常用是整體式，而當前重要塑機制造廠商生產(chǎn)擠出機多采用在進料段開設(shè)軸向淺溝槽新型機筒。5.2新型機筒設(shè)計參數(shù)桿徑mm456590120150溝槽數(shù)Z4681216溝槽寬度b(mm)88101010溝槽深度h(mm)深槽：h=3~4;淺槽：h=1襯套內(nèi)孔錐度α（°）α≤3°20′螺桿直徑大及襯套較長取小值襯套長度L（mm）L=（3~5）D，L-加料口前端至縱向槽結(jié)束處長新型機筒設(shè)計重要是在進料段開設(shè)軸向淺溝槽、設(shè)立軸向開槽槽底為錐形套筒。其各部尺寸和錐度如上表所示。5.3加料口加料口多為矩形，其長邊平行于螺桿軸線，長度約為螺桿直徑1.5倍，若采用強制加料，則多為圓形。加料口斷面形狀及特點，見如下圖表：5.4機筒與機頭連接連接形式如下圖表：5.5機筒與螺桿尺寸公差及材料和熱解決表5.1螺桿與機筒間隙（ZBG95009.1-88）mm螺桿直徑2030456590120150200直徑間隙最大0.150.220.300.350.400.440.490.57最小0.050.100.150.170.220.250.290.34表5.2螺桿形位公差（SG319-83）mm螺桿直徑2030456590120150200直線度0.040.050.060.080.080.100.100.12同軸度0.0150.0150.020.0250.0250.0250.030.03端面全跳動0.0150.0150.020.0250.0250.0250.030.03表5.3機筒內(nèi)孔極限偏差（ZBG95009.1-88）mm桿直徑2030456590120150200偏差上+0.117+0.167+0.261+0.304+0.346+0.386+0.427+0.498下+0.050+0.100+0.150+0.170+0.220+0.260+0.290+0.340表5.4螺桿材料及表面解決辦法熱解決辦法材料表層厚度或深度mm硬度HRC特點火焰表面淬火45、40Cr2~3約55乙炔-氧氣為燃料，用于大型螺桿透硬淬火40Cr、42CrMo-60~65僅用于小型螺桿鍍硬鉻上述各材料0.05~0.165~70光滑，耐磨、耐蝕滲氮氮化鋼0.3~0.660~70表面硬度高，耐磨耐蝕滲碳低碳合金鋼約0.560~65表硬，耐磨，芯部韌表面堆焊堆鈷或鎳基等合金和碳化物2~340~70取決于堆材用于新桿或螺桿修復(fù)表5.5機筒材料及內(nèi)表面解決辦法解決辦法材料表層厚度或深度mm硬度HRC特點鍍硬鉻中碳及其合金鋼0.05~165~70雖光滑耐磨耐蝕易剝落，少用滲氮氮化鋼0.4~0.760~70應(yīng)用廣澆鑄合金層中碳及其合金鋼1.5~340~65取決于合金層國內(nèi)已有應(yīng)用，較少5.6機筒壁厚及強度校核表5.6某些國產(chǎn)擠出機筒壁厚mm螺桿直徑30456590120150200壁厚20~2520~2530~4540~4540~4540~4550~605.6.1機筒強度計算1）徑向應(yīng)力計算：σ-p(徑向最大應(yīng)力Mpa)式中p---機筒內(nèi)壓力，普通取p=50Mpa2)切向應(yīng)力：σtmax=p(Da2+Db2)/(Da2-Db2)Da—機筒外徑（cm）Db—機筒內(nèi)徑（cm）σtmax---切向應(yīng)力（Mpa）3)軸向應(yīng)力：σa=pDb2/(Da2-Db2)(Mpa)4）復(fù)合應(yīng)力：σ=1/2[（στ-σt）2+（σt-σa）2+(σa-στ)2]≤[σ]5.6.2機筒強度計算例題：試校核SJ-150擠出機機筒強度，其關(guān)于參數(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d0=3.5cm,螺桿螺紋某些長度L=300cm，機筒外徑D0=25cm，機筒內(nèi)徑Db=15cm,螺桿最大驅(qū)動功率Nmax=75KW,螺桿最高轉(zhuǎn)速nmax=41.8r/min,螺桿、機筒材料均為38CrMoAlA(其屈服強度y=8500kg/cm2)取傳動效率η=0.923，機頭最高壓力Pmax=500kg/cm2,安全系數(shù)ny=3(故許用應(yīng)力[]=8500/3=2830kg/cm2）。解：1）徑向應(yīng)力計算：σ-p=-500（kgf/cm2）2)切向應(yīng)力：σtmax=p(Da2+Db2)/(Da2-Db2)=500(252+152)/(252-152)=1060（kgf/cm2）3)軸向應(yīng)力：σa=pDb2/(Da2-Db2)=500×152/(252-152)=280（kgf/cm2）4）復(fù)合應(yīng)力：σ=1/2[（στ-σt）2+（σt-σa）2+(σa-στ)2]=1350<[σ]=2830（kgf/cm2）∴機筒強度足夠。6分流板設(shè)計：國內(nèi)某些擠出機分流板尺寸，見下面圖和表。平板狀分流班勢力尺寸參數(shù)分流板材料多用不銹鋼2Cr13或3Cr137單螺桿擠出機重要技術(shù)參數(shù)（ZBG95009.1-88）桿徑mmL/Dnmaxr/minQmaxKg/hNKWN/QKW/(kg/h)Q/n(Kg/h)/(r/min)筒加熱段加熱KW中心高mm20201203.21.10.340.027331000500350251604.41．50.340.02834302106.52.20.340.030353020、25160165.50.340.10035同上28、30200227.50.340.110464520、2513038130.340.29038同上28、3015550170.340.3204106520、2512090300.330.750414100050028、30145117400.340.8104189020、25100150500.331.500425100050028、30120200600.301.67053012020、2590250750.302.780540110060028、301003201000.313.20065015020、25654001250.316.100665110060028、30755001600.326.60078020020、25506002000.3312.007120110060028、30607802500.3213.008140六螺桿式注射機塑化部件設(shè)計往復(fù)螺桿式注射機塑化部件，重要涉及螺桿和機筒，它們螺桿和機筒與擠出機螺桿和機筒有較大差別，作為塑化部件通用螺桿，普通涉及螺桿、螺桿頭三小件，這三小件含：螺桿頭、止逆環(huán)和墊；而機筒則必要包具有噴咀。對各種所要加工樹脂不同，它們螺桿頭和噴咀構(gòu)造型式也不同，在設(shè)計過程中必要依照規(guī)定，按不同樹脂特性分別進行。下圖便是往復(fù)螺桿式注射機塑化部件普通構(gòu)造形式：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1往復(fù)螺桿式注射機螺桿設(shè)計注射機螺桿與擠出機螺桿基本相似，但有所不同，一是長徑比和壓縮比較??；二是它均化段螺槽較深；三是它加料段較長，而均化段較短；四是它頭部具備特殊形式。1．1按構(gòu)造形式可分為漸變型突變型通用型1．2螺桿分段長度：螺桿類型加料段L1壓縮段L2均化段L3漸變型（25~30）%50%（25~20）%突變型（65~70）%（15~5）%（20~30）%通用型（45~50）%（35~20）%（20~30）%1.3螺桿重要技術(shù)參數(shù)計算：1）螺桿直徑D（cm）D=(4V/παΚ)1/3式中：V—理論注射容積cm3α—注射系數(shù)，與頭部構(gòu)造關(guān)于，常取0.75~0.9K=Si/D,普通取3~5Si---注射行程（cm）2）理論注射容積V：V=π/4D2Si(cm3)3)理論注射速率q:q=Vρ/t(g/s)式中：ρ—塑料密度（g/s）t—注射時間（s）4)塑化能力Q：Q=βD3n（g/s）式中：β—與物料關(guān)于系數(shù)（0.003~0.007）n---螺桿轉(zhuǎn)速（r/s）5)螺桿轉(zhuǎn)速n:n=u/πD(r/min)式中：u—物料容許螺桿最大線速度(m/min)D—螺桿直徑（m）熱敏性塑料：u=15~20m/min普通塑料：u=30~45m/min1.4螺桿長徑比：L/D依照物料不同，L/D=16~221.5螺桿槽深1）均化段槽深H3均化段槽深影響螺桿預(yù)塑時回流和剪切效果，也就是說影響到塑化能力和塑化質(zhì)量。普通按經(jīng)驗公式擬定：H3=（0.03~0.07）D（cm）對大直徑桿（不不大于90mm）可取小值，槽深不適當不不大于6mm.2）加料段槽深H1：它直接影響壓縮比ε與螺桿強度。H1=εH3注射用壓縮比：樹脂代號或名稱ε較低粘度塑料如：PP、PE、PA、GPPS等3.0~3.5較高粘度塑料如：UPVC、ABS、HIPS、AS、POM、PC、PMMA等1.4~2.5其他參數(shù)與擠出機相似。1.5螺桿頭設(shè)計：螺桿頭裝配圖前料筒；2-止逆環(huán)；3-料筒螺桿頭構(gòu)造形式較多，在這里咱們只簡介較為慣用帶普通止逆環(huán)螺桿頭，如圖所示符號，各部尺寸按下述選用：1）圓錐角α=30~60°；對較高粘度取小值；對中、低粘度取較大值。2）止逆環(huán)寬b：它應(yīng)保證運動時導(dǎo)向性。b=(0.6~0.8)D3）止逆環(huán)啟閉位移量：S=(0.1~0.15)D4)止逆環(huán)外徑和機筒配合精度：DH9/f81.6螺桿強度計算例題：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)動功率N=4KW，螺桿最高轉(zhuǎn)速為n=100r/min傳動部件總效率η=0.92，注射油缸直徑D0=180mm校枋該螺桿強度。解：1）求螺桿扭應(yīng)力：τ=Mt/Ws=97360N.η/0.2d13n=97360×4×0.92/0.2×2.78×100=910kg/cm22)求螺桿壓應(yīng)力：σc=(D0/d1)2P0=(18/2.7)2×10=444kg3)求螺桿加料段處合成應(yīng)力：σr==(4442+4×9102)1/2=1873kg/cm2螺桿材料為38CrMoAl，其許用應(yīng)力為：[σ]=σy/n=8500/3=2830kg/cm2σr<[σ]故螺桿安全螺桿頭與螺桿均采用左旋螺紋連接，配合精度代號為h6.2機筒設(shè)計機筒采用整體式，它涉及有筒體、噴咀連接體和噴咀。2.1整體式機筒1）機筒壁厚δ（cm）δ=（K-1）Db/2式中：K=D0/Db,K=2~2.5,對于大直徑取小值D0---機筒外徑（cm）Db---機筒內(nèi)徑（cm）2）機筒強度校核σ（Mpa）當K=D0/Db≥1.1時，即可按厚壁筒計算中能量理論校核其強度。σ=1.732piK2/（K2-1）≤[σ]式中：Pi---注射壓力（Mpa）[σ]–機筒材料許用應(yīng)力（Mpa）3）加熱功率N（KW）N=0.15QpQp---塑化能力（kg/h）例：桿徑為D=42mm，最大轉(zhuǎn)速這n=200r/min,計算塑化能力Qp=55kg/h,計算該規(guī)格注射機機筒加熱功率為N=0.15×55=8.25（KW）實測使用功率為8KW.4）配合精度：雖然國家已有原則，從使用狀況，咱們推薦按下表較合宜：螺桿直徑mm≥15~25>25~50>50螺桿直徑公差帶代號e8d9c9機筒公差帶代號H92.2機筒與噴咀體連接構(gòu)造型式機筒與噴咀體連接構(gòu)造型式重要有螺紋連接和法蘭連接兩種型式，最慣用是后種，螺紋連接只用于超小型機上，這里不予講述。這種構(gòu)造強度大，受力均勻，密封性能好?？捎糜诖笾行蜋C上。但連接用螺栓必要采用高強度螺栓。螺栓數(shù)量和直徑需要進行核算。2.3噴咀噴咀是注射部件與模具聯(lián)接部件，其重要功能是預(yù)塑時，建立背壓，防止熔體流涎，驅(qū)除氣體保證塑化能力，提高塑化質(zhì)量；注射時，建立壓力提高剪切效應(yīng)，改進粘度加速能量轉(zhuǎn)變，提高熔料溫度，并進一步使其均化；保壓時，噴咀進行充料和補縮作用。2.3.1構(gòu)造型式有各種，這里只簡介最慣用開式噴咀通用噴嘴1）通用噴咀：其入口錐度較大，出口錐度較小，中心孔直徑為2~3mm,長約3~5mm.構(gòu)造簡樸，壓力損失小，補縮效果好，但易產(chǎn)生冷料和產(chǎn)生流涎現(xiàn)象。合用于熱穩(wěn)定性好樹脂及厚壁制品。2）尼龍噴咀尼龍噴咀出口小，約為1mm,孔長3mm左右，入口錐度小僅有20~303）硬聚氯乙烯噴咀它錐孔長，出料口短而大，沒有死折角，物料易通過。4）纖維素樹脂用噴咀噴咀有較長過渡錐孔和圓柱孔，利于物料有序通過。普通噴咀與連接體間用螺紋連接。2.3.2噴咀重要參數(shù)擬定項目符號公式