1、1一、引言在塑料成型中，螺杆挤出机是塑料成型加工最主要设备之一。可以广泛应用于管材、板材、薄膜、棒材、单丝、打包带等的成型。而在挤出系统中螺杆是一个核心部件。螺杆设计的合理与否直接影响到挤出成型机的工作性能。由于塑料在加热条件下的性质各不相同。因此，在设计螺杆时，必须考虑各种因素，以适应不同塑料的特性。螺杆的主要作用是在机筒内完成对塑料的连续输送、塑化、均化、定压定量挤出过程。螺杆的类型有：等螺距渐变型螺杆、等螺距深度突变型螺杆、变深变距螺杆等。本设计的螺杆用于 ABS 的加工， ABS 物料的特性是结晶性大、熔融温度范围窄、热稳定性好，所以我们设计的螺杆是普通螺杆中螺纹距相等而螺纹槽深不等的
2、渐变型螺杆。螺杆在工作时，不仅受到高温、高压的作用，机械刮磨以及一些物料化学腐蚀作用，同时还受到大的转矩作用。螺杆的材料一般选用氮化钢。所以本次设计采用的是 38CrMoAlA 氮化钢。本次设计的主题为 ABS 板材用挤出机螺杆，在设计中我们将会详细的介绍螺杆的类型，螺杆的直径、长径比、压缩比、螺槽深度、螺杆转速、螺距等结构参数。让大家对ABS 挤出板材用螺杆有一个全面的了解。二、 设计任务题目：SJ-65/25 单螺杆设计1.原材料牌号的选择及其相关性能指标1. 1 牌号：2. 性能参数分析项目 指标 试验方法熔体流动速率，g/10min0.7 GB/T 36822000缺口冲击强度，J/m
3、 2 40 GB/T9341-2000密度，g/cm 3 1.03 GB/T 103386断裂伸长率，% 40拉伸强度，MPa 38GB/T 104092三、制品成型工艺过程及主要工艺条件参数的确定21. 加工工艺ABS挤出板材生产工艺流程如图1所示。在生产时，前一工序对后面的所有工序都会产生影响，所以，越是在前的工序越要精心控制。图1 ABS挤出板材生产工艺流程图 2. 加工工艺条件参数用于挤塑的ABS原料的熔体流动速率(MFR)多在0.22.0glOmin之间。MFR是反映熔体粘度的重要指标，ABS树脂的成型速率几乎与其熔体粘度成反比。它的熔体粘度不仅随温度上升、分子量下降和分子量分布幅度
4、加大而变小，同时还随着剪切速率的上升而下降。在制定工艺参数时，我们希望得到ABS原料在某一温度下的剪切应力和剪切速率曲线图，借以作为工艺条件设定的依据。但是，实际生产中，即使同一厂家同一牌号的ABS树脂，由于其批次不同，其MFR存在一定差异，况且还要添加部分回头料或其他辅助材料，故在操作时还需通过实践经验对工艺参数作相应调整。ABS板材挤出温度参数设定如表l。表1 挤出机各区段温度 区段 温度 区段 温度1 180195 4 2152252 200220 机头 1902103 200225螺杆最大转速 n=78/min;机头最大压力 P=20MPa配料 干燥 挤出 三辊压光成型冷却 裁边 叠板
5、包装切割牵引检验3三、螺杆的设计1.螺杆类型的确定按螺杆结构和螺紋部分几何形状的不同，可把螺杆分为普通型螺杆、新型螺杆和排气型螺杆。普通型螺杆一种应用最多、最常见型螺杆，广泛地应用在各种类型挤出机中。按螺杆上的螺距和螺纹深浅，又可分为螺纹距相等而螺纹槽深不等型，螺纹距不等而螺纹槽深相等型及螺纹距、螺纹槽深均不相等型螺杆。新型螺杆与普通型螺杆相比，它的不同之处是：在螺杆的螺纹部位设置些非螺纹元件，如加些圆销钉或再加一条与原螺纹距不同的螺紋，用以改进塑料的混合、塑化效果，提高物料的熔融塑化质量，缩短挤出时间，提高生产量。排气型螺杆为了能够较顺利地排除被挤出物料中的空气、挥发性气体和水蒸气而专门设计
6、的一种特殊型螺杆。我们设计的螺杆主要是用于 ABS 的加工。ABS 物料的特性是结晶性大、熔融温度范围窄、热稳定性好，所以我们设计的螺杆是普通螺杆中螺纹距相等而螺纹槽深不等的渐变型螺杆。2.螺杆结构参数的确定挤压系统由螺杆和机筒组成，是挤出工作的“心脏”部分，螺杆在机筒内完成对塑料的连续输送、塑化、均化、定压定量挤出过程。螺杆的类型有：等螺距渐变型螺杆、等螺距深度突变型螺杆、变深变距螺杆等。以常用的等螺距渐变型螺杆为例研究其结构。其主要特征：螺杆的螺纹部分螺距相等，而螺纹槽的深度在加料段和均化段的螺纹槽深不变，而在塑化段的螺纹槽深由深逐渐变浅，它是适于多种塑料的挤出塑化。2.1 螺杆直径 D
7、的确定 螺杆直径可以根据所加工制品的断面尺寸、所加工塑料的种类和所要求的生产率来确定。一般说来，大截面的制品选大的螺杆直径，小截面的制品选小的螺杆直径。表3 列出了螺杆直径与挤出制品尺寸的经验统计关系。由此，在本设计中以类比法得出加工板材宽1000mm（壁厚2mm）的制品时选择螺杆直径为65mm。表3 螺杆直径与挤出制品尺寸之间的关系mm螺杆直径 20 30 45 65 70 90板材宽度 300450 400650 700900 8001000 9001150 120015002.2螺杆长径比L/D的确定 4长径比L/D反映了挤出机的规格及性能。长径比加大后，螺杆的长度增加，塑料在料筒中停留
8、的时间长，塑化得更充分、更均匀，可以保证制品质量。但L/D加大后，螺杆、料筒的加工和装配都比较困难和复杂，成本高。因此，应力求在较小的长径比条件下获得高质量和高产量。目前，长径比取在20-30范围内。所以我们设计的长径比L/D=25（D=65mm,L=1625mm)。2.3螺杆三段的确定各分段的长度与加工的塑料性能有关。(1)加料段L 1：为保证压缩段能基本熔融，对于加工熔点高、热导性差的塑料，此段应长一些。(2)塑化段L 2：由于非结晶形塑料无明显熔点，必须经过一段时间才会熔融，因此对于非结晶型塑L 2应设计较长一些，而结晶型塑料可稍短。(3)均化段L 3：L 3长一些，可使物料得到相对长一
9、些的均化时间，也可以减少压力、温度、产量的波动。但L 3不能过长，否则会使压缩和加料段在螺杆全长中占的比例过小，不利于物料的熔融。我们设计的螺杆主要是用于 ABS 的加工。ABS 物料的特性是结晶性大、熔融温度范围宽、热稳定性好，所以加料段 L1取 30%65%，熔融段 L2取 10%25%，均化段 L3取25%45%。再进一步的确定我们把螺杆的三段确定为 L1=390mm, L2=845mm, L3=390mm.2.4 螺杆压缩比 的确定压缩比 的作用是将物料压缩、排除气体、建立必要的压力，保证物料达到螺杆末端时又足够的致密度。因此，对于加工不同物料，甚至加工同种物料， 都有不同的选择（大多
10、数是在 25 之间，个别情况小至 1，大到 8） 。表 4 列出了加工常用物料几何压缩比，用于加工 ABS 的螺杆压缩比 在 35，我们取中间值 =3.14。2.5 螺槽深度 h 的确定螺槽深度是很重要的螺杆参数，不仅影响挤塑机的产量，还影响制品的质量。对于普通单螺杆（即 D、s、e 和 在螺杆全长都保持不变，加料段和均化段采用等深螺槽，而熔融段采用变深螺槽） ，主要确定下面两个螺槽： 均化段螺槽深度 h3 在设计 h3时，不仅要考虑机头压力的大小，而且还要考虑物料的性能、工艺要求和螺杆的强度。由于影响 h3的因素很多，因此，h 3的确定比较复杂，目前仍以经验方法来确定。h3=kD5式中，k=
11、（0.020.07）D。计算得出 h3=3.5mm. 加料段螺槽深度 h1，当 和 h3确定后，可以根据公式： 319.0得出 h1=11mm.值得注意的是：h 1不能过大（即 和 h3不能过大） 。2.6 螺距 s 的确定1.螺纹头数 为了提高输送效率应采用单头螺纹而避免采用多头螺纹，实际上目前挤出机的螺杆大都是单头螺纹。2.螺距和螺旋升角确定 对单头螺纹，螺距S、螺旋升角和螺杆直径之间有下述关系：tanD为加工和设计的方便，我们取S=D，这时的螺旋升角为1742。2.7 螺棱断面形状与尺寸的确定目前常用的螺棱断面形状有两种，一种是锯齿形断面，另一种是矩形断面。前者改善了物料的流动情况，有利
12、于搅拌塑化，也避免了物料的滞流，用于均化段。后者有最大的装料体积，而且加工比较容易，用于加料段。若用 R1 表示螺棱推进面螺棱根部的圆角半径，用 R2 表示螺棱拖拽面螺棱根部的圆角半径，根据经验，它们分别为R1=(1/22/3)hR2=（12）R1螺杆直径较大者，以上数值范围取较大，反之，取小值。对于锯齿形断面的螺棱，其拖拽与水平方向的夹角一般取 =100120，随泸螺杆直径的增大取大值。2.8 螺杆头部的确定随着螺杆的旋转，熔体被挤压进入机头流道时，料流形式急剧改变，由螺旋带状的流动变成自线流动。为了得到较好的挤塑质量，要求物料尽可能平稳地从螺杆进入机头，我们采用钝头形状的螺杆。因此，综上所
13、诉螺杆各主要参数如表5 所示。表5 螺杆参数6参数 数值 参数 数值螺杆直径D 65mm加料段螺槽深度H 1 11mm加料段长度L 1 390mm计量段螺槽深度H 3 3.5mm压缩比 3.14压缩段长度L 2 845mm螺距S 65mm 均化段长度L 3 390mm2.9 螺杆与机筒配合间隙的确定螺杆与机筒配合间隙()的确定 螺杆与机筒的配合间隙、机筒内孔极限偏差可在下列 表 6 杆与机筒配合代号中选择，并符合 GB/1800.4-1999 所规定的配合代号。表 6 杆与机筒配合代号因此我们根据螺杆得到直径 D=65mm 从表中选择：最大间隙 max=0.310mm；最小间隙 min=0.1
14、70mm。2.10 螺杆转速、功率的确定挤出机最高产量为27kg/h，电机功率为8KW ，螺杆最大转速78r/min，长径比为25：1。其主要参数如表所示表7 主要技术参数螺杆直径/mm20 35 45 65 70 80直径间隙2/mm0.0850.017 0.1200.221 0.1800.281 0.1700.310 0.2000.320 0.2000.320配合代号 )(8902.53176fD)(8903.12.hC)(8903.24.1hB)(89046.2.1h)(9046.27.B)(89046.27.h产品名称 螺杆直径(mm)长径比L/D电机功率（KW）螺杆转速(r/min)
15、生产能力(kg/h)7总结课程设计是对我们知识运用能力的一次全面的考核，也是对我们所学知识的总结以及在实际中的应用，可以培养我们综合运用所学知识独立地分析问题和解决问题的能力，为以后撰写专业学术论文和工作打下良好的基础。课程设计的完成离不开老师和同学的帮助。在本次设计中给与我大力支持和帮助的汪蓓蓓老师，每有问题，老师总是耐心的解答，使我能够充满热情的投入到毕业设计中去；还要感谢我的同学们，他们热心的帮助，使我感到了来自兄弟姐妹的情谊；最后还要感谢相关资料的编著者和给予我们支持的社会各界人士，感谢您们为我们提供一个良好的环境，使本次设计圆满完成。【参考文献】【1】林师沛塑料配置与成型M北京：化学工业出版社，2004【2】刘坤伦,任冬云,任志敏.用于单螺杆挤出过程仿真的螺杆参数效据库的开发J.塑料,2002,31(6):35-37.【3】朱复华.挤出理论及应用M.北京:中国轻工业出版社,2001.【4】康凯敏.用VB实现Solid Works对挤出机新型螺杆的参数化设计J.塑料,2007,36(6):94-96.SJ65/25 65 25:1 8 78 27
