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雙螺桿擠出機(jī)設(shè)計畢業(yè)論文
畢業(yè)設(shè)計(說明書)
雙螺桿擠出機(jī)設(shè)計
畢業(yè)論文
學(xué)生姓名
學(xué)院名稱
專業(yè)名稱
指導(dǎo)教師
2013年
3月
16日
摘 要
近年來，隨著塑料工業(yè)的飛速發(fā)展，塑料制品的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，塑料加工設(shè)備已滲透到國民經(jīng)濟(jì)的各個行業(yè)，成為我國機(jī)械工業(yè)的重要組成部分，在國民經(jīng)濟(jì)中起著越來越重要的作用。其中塑料成型機(jī)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(chǎn)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。
本文是關(guān)于工業(yè)用塑料聚合物雙螺桿擠出機(jī)的設(shè)計。在工業(yè)上和實(shí)驗(yàn)室中，雙螺桿和雙螺桿擠出機(jī)都應(yīng)用極其普遍，是塑料加工設(shè)備的重要元部件之一。作為工業(yè)中使用的雙螺桿擠出機(jī)，在設(shè)計過程中，除了要求能夠完成固體輸送、增壓、熔融、熔體輸送和泵壓等一系列通用過程以外，還要求涉及到復(fù)合塑料與聚合物顆粒之間的混合，以及物料喂料量的控制。物料喂料量的控制則是通過控制主螺桿及其輔助喂料螺桿的轉(zhuǎn)速來完成的。同時，雙螺桿擠出機(jī)具有分布混合和分散混合效果良好、自潔作用較強(qiáng)、可實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)轉(zhuǎn)、產(chǎn)量高等特點(diǎn)，特別適合聚合物的改性，如共混、填料、增強(qiáng)及反應(yīng)擠出。有利于增加擠出機(jī)的擠出產(chǎn)量，提高塑化質(zhì)量。
關(guān)鍵詞：雙螺桿擠出機(jī)；塑料；擠出原理
Abstract
In recent years, with the rapid development in the plastic industry, plastic product has been continuously enlarged in application field。The plastic machine has been used in many fields that is detached to the national economy, has become the important part, and this role is getting gradually important. while plastic-molding machinery plays a vital role in plastic industry, and it is the necessary way to accomplish the plastic-molding, whereas the injection machine is one of the most crucial methods to make the plastic-molding.
This paper is about the design of plastic polymer single-screw extruder that used in industry.The single-screw and twin-screw extruder intensively used in the fields of industry and experiment,and it is one of the important units of polymer processing equipment.As a single-screw extruder used in industry,it requires to complete a series of general process such as transportation of solid,increase of pressure,melt,transportation of melt.Besides,it refers to mix the composite plastics and polymer grain,and the control of the material feed quantity.These are the innovations in this design.On the base of the design of common single-screw extruder,i increased two auxiliary feed screws which are used to trans-portate materials of composite plastics and used it to mix kinds of plastics.The control of the quantity of material feed is done by the control of the chief screw and the speed of auxiliary feed screws.Meanwhile,i used twin wedge-shaped thread section in the design of screw thread section.This is good to increase the outcome of the extruder, and to improve the quality of plasticity comparing with common tectangular thread section.
Keyword: Twin-screw Extruder; Plastics;Extrusion principle
II
雙螺桿擠出機(jī)設(shè)計畢業(yè)論文
目 錄
摘 要 …………………………………………………………………………………………I
Abstract………………………………………………………………………………………II
第1章 緒論…………………………………………………………………………………1
1.1 雙螺桿擠出機(jī)………………………………………………………………………1
1.1.1 基本操作 ……………………………………………………………………1
1.1.2 排氣擠出機(jī) …………………………………………………………………2
1.1.3 橡膠擠出 ……………………………………………………………………2
1.2 多螺桿擠出機(jī)………………………………………………………………………3
1.2.1 雙螺桿擠出機(jī) ………………………………………………………………3
1.2.2 多螺桿擠出機(jī) ………………………………………………………………3
1.3 新型擠出機(jī) ………………………………………………………………………4
1.3.1 手提式擠出機(jī) ………………………………………………………………4
1.3.2 磨盤式擠出機(jī) ………………………………………………………………5
1.3.3 往復(fù)螺桿擠出機(jī) ……………………………………………………………5
1.4本文的主要內(nèi)容 …………………………………………………………………6
第2章 擠出機(jī)總體方案的確定 ……………………………………………………7
2.1 擠出機(jī)總體方案布局的基本要求 ………………………………………………7
2.2 螺桿類型的確定 …………………………………………………………………7
2.2.1 螺桿的工作性能指標(biāo)評定 ………………………………………………7
2.2.2 螺桿的選用原則 …………………………………………………………8
2.2.3 螺桿的分類 ………………………………………………………………8
2.2.4 螺桿方案的確 ……………………………………………………………8
2.3 機(jī)筒類型的確定…………………………………………………………………8
2.4 本章小結(jié)…………………………………………………………………………9
第3章 擠出機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計 ……………………………………………………………10
3.1 聚苯乙烯的基本特征 …………………………………………………………10
3.2 螺桿設(shè)計 ………………………………………………………………………10
3.2.1 螺桿的基本尺寸確定 …………………………………………………10
3.2.2 螺桿的材料選擇 ………………………………………………………15
3.2.3 螺桿的設(shè)計計算 ………………………………………………………16
3.2.4 螺桿的強(qiáng)度校核及計算 ………………………………………………16
3.2.5 螺桿的技術(shù)要求 ………………………………………………………20
3.2.6 螺桿傳動系統(tǒng)及止推軸承布置設(shè)計 …………………………………22
3.3 送料螺桿的設(shè)計 ……………………………………………………………26
3.4 機(jī)筒的設(shè)計 ……………………………………………………………………26
3.4.1 機(jī)筒的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計 …………………………………………………10
3.4.2 機(jī)筒的材料選擇………………………………………………………15
3.4.3 螺桿與機(jī)筒的配合間隙 ………………………………………………16
3.4.4 螺桿與機(jī)筒的對中性 …………………………………………………16
3.5料斗的設(shè)計 ……………………………………………………………………18
3.6擠出機(jī)電機(jī)的選擇 ……………………………………………………………20
3.7傳動系統(tǒng)的設(shè)計………………………………………………………………22
3.8本章小結(jié)………………………………………………………………………24
第4章 支架的設(shè)計………………………………………………………………25
4.1 支架的結(jié)構(gòu)類型 ………………………………………………………………26
4.1.1 按支架的形式分 ………………………………………………………27 4.1.2 按支架的制造方法和材料分 …………………………………………28
4.2 支架的結(jié)構(gòu)選擇 ………………………………………………………………28
結(jié)論 ………………………………………………………………………………………29
參考文獻(xiàn) …………………………………………………………………………………30
致謝 ………………………………………………………………………………………31
第1章 緒 論
1.1雙螺桿擠出機(jī)
螺桿擠出機(jī)分為單螺桿擠出機(jī)、雙螺桿擠出機(jī)和多螺桿擠出。雙螺桿擠出機(jī)是聚合物工業(yè)中最重要的一類擠出機(jī)。其主要優(yōu)點(diǎn)為成本較低、設(shè)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(jī)的螺桿具有3個不同的幾何段，見圖1：
圖1 雙螺桿示意圖
現(xiàn)代塑料擠出工業(yè)螺桿長徑比較早期螺桿大，國內(nèi)應(yīng)用較多的長徑比一般范圍是20~25，多采用25，最長可達(dá)40乃至更高。螺桿長徑比的增加有如下好處：（1）螺桿加壓充分，能提高塑料制品的物理機(jī)械性能。（2）提高塑化質(zhì)量，制品外觀質(zhì)量好。（3）有利于類似于PVC粉料擠管的成型。（4）螺桿特性曲線斜率小，擠出量穩(wěn)定，擠出量可以提高20%~40%。但螺桿長徑比與很多因素有關(guān)，因此可以根據(jù)加工條件和實(shí)際需要再由試驗(yàn)確定，還可以由統(tǒng)計類比的方法來確定。
1.1.1基本操作
雙螺桿擠出機(jī)的操作相當(dāng)簡單。物料從加料斗進(jìn)入。通常物料靠重力由加料斗流入擠出機(jī)機(jī)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(jìn)料斗中掛料。物料一旦落入擠出機(jī)機(jī)簡，即處于擠出機(jī)螺桿和機(jī)筒之間的環(huán)狀空間內(nèi)，并進(jìn)而為螺棱的主動螺腹和被動蝶腹螺槽所包圍。機(jī)簡靜止而蟬桿旋轉(zhuǎn)。因此，摩擦力都作用于物料以及機(jī)筒和螺桿表面。至少物枓處于固體狀態(tài)(低于熔點(diǎn))，這些摩擦力負(fù)責(zé)向前輸送物料。
物料向前運(yùn)動時，即因摩擦產(chǎn)生的熱和機(jī)筒加熱器傳導(dǎo)的熱而被加熱。當(dāng)物料溫度超過其熔點(diǎn)，則在機(jī)筒內(nèi)表面形成熔膜，塑化段即由此開始。必須指出，塑化段起點(diǎn)通常不是壓縮段起始點(diǎn)。各功能段的分界線取決于聚合物性能、擠出機(jī)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(shè)計確定，不因操作條件的變化而變化。當(dāng)物料向前運(yùn)動時，在各個位置的固態(tài)物料量將因熔融而減少。當(dāng)全部固態(tài)聚合物消失時則達(dá)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(dāng)聚合物流進(jìn)模頭時，即呈現(xiàn)模頭流道的形狀，因而，當(dāng)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(chǎn)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(chǎn)生而不由擠出機(jī)產(chǎn)生。擠出機(jī)只是產(chǎn)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(jī)是齒輪泵雙螺桿擠出機(jī)，還是雙螺擠出機(jī)等都不會造成差異，機(jī)頭力相同。
1.1.2排氣擠出機(jī)
排氣擠出機(jī)在設(shè)計和功能上與非排氣擠出機(jī)有很大區(qū)別。排氣擠出機(jī)在其機(jī)筒上有一個或多個開口(排氣口)，揮發(fā)物可由此逸出。因而．排氣擠出機(jī)能連續(xù)從聚合物中連續(xù)排除揮發(fā)物。這種排氣增加了一種非排氣擠出機(jī)所沒有的功能。除排出揮發(fā)物外，還可利用排氣口向聚合物添加某些組分，渚如添加劑、填充劑、反應(yīng)組分等等。這顯然增加了排氣擠出機(jī)的多功能性，并且還有額外的好處，即只要堵塞排氣口并在可能情況下變換螺桿幾何形狀，排氣擠出機(jī)即可作為常規(guī)非排氣擠出機(jī)。
螺桿的設(shè)計對排氣擠出機(jī)的正確運(yùn)，非常關(guān)鍵。困擾排氣擠出機(jī)的主要問題之一是排氣口溢料。在這種情況下，不僅揮發(fā)物通過排氣口釋放，而且也流出一定量的聚合物。因而，擠出機(jī)螺桿必須設(shè)計成使排氣口(排氣段)下面的聚臺物中不呈正壓，這就導(dǎo)致開發(fā)二級擠出螺桿，尤其是為排氣擠出機(jī)所設(shè)計的二級擠出螺桿。二級擠出螺桿有被釋壓/排氣段所分隔的兩個壓縮段。這由各類似于沿一根軸串聯(lián)相接的兩根單級擠出螺桿。
1.1.3橡膠擠出機(jī)
用于彈性體加工的擠出機(jī)的歷史比任何其它類型的擠出機(jī)都長。用于橡膠擠出的工業(yè)機(jī)器早在19世紀(jì)下半葉即已間世。一些早期的擠出機(jī)制造商有美國John Royle和英國Frsncis Shaw。德國主要橡膠擠出機(jī)制造商之一是Paul Trostel事實(shí)上, Paul Trostel仍為主要的擠出機(jī)制造商。盡管橡膠擠出機(jī)問世已超過一個世紀(jì)，但有關(guān)橡膠擠出文獻(xiàn)的缺乏今人吃驚；某些橡膠手冊討論了橡膠擠出，但在多數(shù)情況下，資料非常貧乏而且實(shí)用性有限。最早的橡膠擠出機(jī)是為熱喂料擠出制造的。這些擠出機(jī)用來輥煉機(jī)或其它混煉裝置的熱料喂料。1950年左右，開發(fā)了冷喂料擠出。冷喂料擠出被認(rèn)為有以下優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備投資?。涣蠎C控制較好；勞功成本降低；能處理更廣泛品種的配混膠料。
1.2 多螺桿擠出機(jī)
1.2.1雙螺桿擠出機(jī)
雙螺桿擠出機(jī)又包括平行雙螺桿擠出機(jī)和錐形雙螺桿擠出機(jī)。平行雙螺桿擠出機(jī)有同向和異向之分。近幾年，隨著國內(nèi)電子電器、通訊、汽車等領(lǐng)域的飛速發(fā)展，材料改性與配混技術(shù)市場需求大增。同向雙螺桿配混擠出機(jī)作為市場最大的受惠者，一度幾乎成為雙螺桿的代名詞。從最初的高技術(shù)含量設(shè)備發(fā)展至今，已成為大眾化的設(shè)備之一。盡管各個廠家仍然存在技術(shù)含量與實(shí)力的差別，不能否認(rèn)的是雙螺桿擠出機(jī)在中國的發(fā)展已相當(dāng)成熟，尤其是在中小型機(jī)市場。相較而言，異向平行雙螺桿擠出機(jī)國內(nèi)開發(fā)較少，而成型所用設(shè)備更多的為錐形雙螺桿擠出機(jī)。錐形雙螺桿擠出機(jī)廣泛應(yīng)用于異型材成型，在建筑門窗加工領(lǐng)域應(yīng)用獲得成功。由于雙螺桿擠出機(jī)的產(chǎn)量高，混合性能優(yōu)于常規(guī)雙螺桿擠出機(jī)，普遍采用積木式結(jié)構(gòu)易于根據(jù)不同材料進(jìn)行調(diào)整，因此成為擠出加工市場的主導(dǎo)力量。
雙螺桿擠出機(jī)是一種具有兩根阿基米德螺桿的機(jī)器，很明顯，這是非常一般的定義。然而，一旦定義更明確，就將其限于雙螺桿擠出機(jī)的特定分類之中。由于設(shè)計、操作原理以及應(yīng)用領(lǐng)域方面的巨大差異，雙螺桿擠出機(jī)種類繁多。所以，難于對雙螺桿擠出機(jī)作出全面的評述。各種雙螺桿擠出機(jī)之間的差異頗大于雙螺桿擠出機(jī)之間的差異。這是可想而知的，因?yàn)殡p螺桿結(jié)構(gòu)大量增加了設(shè)計變量的數(shù)目，諸如旋轉(zhuǎn)方向、嚙合程度等等。雙螺桿擠出機(jī)的分類主要基于雙螺桿擠出機(jī)的幾何構(gòu)型。有些雙螺桿擠出機(jī)的功能與雙螺桿擠出機(jī)非常相同。其它雙螺桿擠出機(jī)操作完全不同于雙螺桿擠出機(jī)。并且用于非常不同的應(yīng)用領(lǐng)域。
1.2.2多螺桿擠出機(jī)
這種類型的擠出機(jī)配備兩根以上的螺桿。較熟知的一例是行星輥式擠出機(jī)。 這種擠出機(jī)看起來類似雙螺桿擠出機(jī)，實(shí)際上，進(jìn)料段與標(biāo)準(zhǔn)雙螺桿擠出機(jī)的相同。然而，擠出機(jī)的混合段則大小不相同。在擠出機(jī)的行星輥段中，六個或更多的均勻分布的行星螺桿環(huán)繞主螺桿的周圍旋轉(zhuǎn)。在行星螺桿段中，主螺桿又稱太陽螺桿.行星螺桿與太陽螺桿和機(jī)筒嚙合。因此，行星機(jī)筒段上必須行星螺桿上的螺棱相對應(yīng)螺槽。行星機(jī)筒段通常是用法蘭與進(jìn)料料筒段相連接的分離料筒段。
在擠出機(jī)的開始部分，于行星螺桿之前，物料像在普通雙螺桿擠出機(jī)中一樣向前運(yùn)動。當(dāng)物料達(dá)到行星段時，要在此處充分塑化，物料處于由行星螺桿、太陽螺桿和機(jī)筒之間的輥壓作用產(chǎn)生的強(qiáng)烈混合中。相對于機(jī)筒長度而言，機(jī)筒、太陽螺桿和行星螺桿的螺旋形
設(shè)計表面積大。導(dǎo)致有效的排氣、熱交換和溫度控制。因而能加工熱敏性配混料而降解最少。正因?yàn)槿绱?，行星式齒輪擠出機(jī)常常用于硬質(zhì)和增塑PVC配料的擠出或配混。行星輥段也用作普通擠出機(jī)的附加裝置以改善混合性能。另一種多螺桿擠出機(jī)是四螺桿擠出機(jī)，如圖2。這種擠出機(jī)主要用于排除溶劑，從40%溶劑至低達(dá)0.3%。急驟排氣發(fā)生在附加于機(jī)筒上的圓拱形排氣室，然后，由急驟排氣產(chǎn)生的多泡物料被四根螺桿輸出。多數(shù)情況下，裝備有后續(xù)排氣段以便進(jìn)一步降低溶劑含量。
圖2 四螺桿擠出機(jī)
1.3新型擠出機(jī)
隨著近年來市場發(fā)展的需要，國內(nèi)外不同廠家紛紛推出各種特殊結(jié)構(gòu)的雙螺桿擠出機(jī)，以適應(yīng)特殊的市場需要。以下特別介紹幾種特殊擠出機(jī)在國內(nèi)的研發(fā)進(jìn)展。
1.3.1手提式擠出機(jī)
北京化工大學(xué)成功開發(fā)一種超高速微型手提式雙螺桿擠出機(jī)。該機(jī)器螺桿直徑僅12mm，機(jī)器總重量不到2.5kg；螺桿工作轉(zhuǎn)速800~1200rpm，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)或間歇工作。此外由于所加工物料具有高壁面滑移性以及極易架橋的特點(diǎn)，配有專門設(shè)計的強(qiáng)制加料裝置；由于擠出機(jī)為手提式操作，設(shè)計了特殊的多路排氣裝置，以充分保證氣體的排出。此外，該機(jī)器還具有深槽大螺距、兩種驅(qū)動方式可選（電動、氣動）、整機(jī)易于清理、保養(yǎng)、維修等特點(diǎn)。該機(jī)器最初為加工一種特殊的低密度低粘度物料設(shè)計，并可用于各種低粘度物料的擠出加工，如熱熔膠、低分子量樹脂、各種石蠟、燃料、顏料、化妝品等的加工成型。
超微型擠出機(jī)的研究開發(fā)，存在許多一般設(shè)備設(shè)計加工過程中難以想像的困難，據(jù)介紹，該設(shè)備開發(fā)的關(guān)鍵在于微型擠出機(jī)的加料、排氣、實(shí)現(xiàn)低溫擠出輸送等問題的解決。
1.3.2磨盤擠出機(jī)
國內(nèi)多個廠家已完成磨盤擠出機(jī)的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)磨盤擠出機(jī)的商業(yè)化生產(chǎn)。高填充物料使用普通雙螺桿或雙螺桿擠出機(jī)加工存在較大的難度。雙螺桿擠出機(jī)用于玻纖增強(qiáng)配混時，若玻纖含量超過45%，加工就會變得相當(dāng)困難。在加工磁性材料時，通常磁粉的添加量高達(dá)60%~70%，有時甚至達(dá)到90%以上。用普通擠出機(jī)進(jìn)行磁性材料的加工與造粒幾乎是不可能的。國內(nèi)一些廠家和科研院所，根據(jù)國內(nèi)磁性材料以及其他高填充物料的需要，悉心研發(fā)出獨(dú)立設(shè)計的磨盤擠出機(jī)。典型例子如北京鳳記和北京化工大學(xué)。磨盤擠出機(jī)可以通過調(diào)整磨盤組合以適應(yīng)不同高填充材料，如玻纖增強(qiáng)、磁性塑料、導(dǎo)電材料、新型陶瓷等物料的擠出加工。為了適應(yīng)高填充物料的擠出加工需要，北京化工大學(xué)也在進(jìn)行磨盤擠出機(jī)直接擠出成型的試驗(yàn)研究，并應(yīng)用于多種復(fù)合材料的擠出成型加工試驗(yàn)獲得成功。
1.3.3往復(fù)螺桿擠出機(jī)
往復(fù)螺桿擠出機(jī)在前幾年的國內(nèi)市場紅火一時，也成為不同廠家顯示技術(shù)實(shí)力的一個標(biāo)志型產(chǎn)品。尤其是各雙螺桿擠出機(jī)廠家紛紛推出往復(fù)螺桿擠出機(jī)。由于雙螺桿市場異?；鸨?，往復(fù)螺桿擠出機(jī)市場相對平淡，各擠出廠家還是以雙螺桿擠出機(jī)為主推產(chǎn)品。近日，寶應(yīng)金鑫特種塑料機(jī)械廠與北京化工大學(xué)合作研發(fā)出多種規(guī)格的往復(fù)移動雙螺桿擠出機(jī)，初步實(shí)現(xiàn)了往復(fù)移動擠出機(jī)的系列化。據(jù)悉，寶應(yīng)金鑫此次推出的系列化產(chǎn)品共包括四種規(guī)格，45、78、110和140，其中45和78兩種規(guī)格已經(jīng)研發(fā)成功，即將推出110和140兩種機(jī)型。
往復(fù)移動式雙螺桿擠出機(jī)最大的特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)不同物料的高填充加工。用于玻纖增強(qiáng)物料加工時，玻纖的添加量可以達(dá)到50%以上，特別適于高填充物料的加工，具有非常廣闊的市場前景。由于其獨(dú)特的往復(fù)式結(jié)構(gòu)，不能很好的滿足建壓的要求，因而一般不適合用于制品的直接擠出成型。通常用于成型加工時，還需要配備專用的成型擠出機(jī)。
以上介紹的幾種雙螺桿擠出機(jī)，可以說是當(dāng)前中國市場具有一定代表性的產(chǎn)品。不過，盡管中國擠出機(jī)市場發(fā)展迅猛，也有不少新的機(jī)型推出，我們不能忽視中國擠出機(jī)技術(shù)與國外發(fā)達(dá)國家相比還有較大差距。比如在超大型和微型設(shè)備領(lǐng)域就還落後于國際先進(jìn)水平。國內(nèi)企業(yè)唯有加緊努力，才能在激烈的市場競爭中贏得機(jī)會，真正從塑機(jī)大國發(fā)展為塑機(jī)強(qiáng)國。
近年來，雙螺桿擠出機(jī)市場異?；鸨?，相對而言，雙螺桿一直處于悄寂狀態(tài)。但是，雙螺桿擠出機(jī)作為一種基本的塑膠加工設(shè)備，結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，而且具有更大的設(shè)計靈活性。各種不同的特種雙螺桿擠出機(jī)重受關(guān)注。
雙螺桿擠出機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡單，價廉物美，生產(chǎn)效率高的特點(diǎn)，一直是塑膠管材、板材、片材、異型材等成型加工最重要的設(shè)備。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步以及人們對螺桿認(rèn)識的提高，多種不同的擠出機(jī)結(jié)構(gòu)形式陸續(xù)面世。特種雙螺桿擠出加工技術(shù)又有替代多螺桿技術(shù)的趨勢。
1.4 本文的主要內(nèi)容
隨著擠出機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展和技術(shù)上的不斷進(jìn)步，擠出機(jī)市場仍然保持一定的上升勢頭，但國產(chǎn)擠出機(jī)價格大幅下跌已成現(xiàn)實(shí)。部分廠家粗制濫造和惡性價格戰(zhàn)已經(jīng)影響到國內(nèi)塑機(jī)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。
專家認(rèn)為，擠出機(jī)主機(jī)和生產(chǎn)線今後的市場將向高技術(shù)含量、價格更趨走低的方向發(fā)展。從成型設(shè)備來看，國產(chǎn)主機(jī)基本上以雙螺桿擠出機(jī)為主，技術(shù)較成熟，市場銷量最大。國內(nèi)主機(jī)市場今後的重點(diǎn)應(yīng)在于發(fā)展平行異向雙螺桿擠出機(jī)，以適應(yīng)大擠出量的成型需要。平行同向雙螺桿擠出機(jī)要向第六代、第七代高速、大長徑比方向發(fā)展。雙螺桿擠出機(jī)則是向著超大型、超微型、大長徑比、高產(chǎn)出、良好的排氣性等方向發(fā)展，而適應(yīng)特殊加工需要的螺桿機(jī)筒結(jié)構(gòu)，則成為大家爭相研發(fā)的重點(diǎn)。實(shí)際上，雙螺桿擠出機(jī)是一種低能耗、低成本的機(jī)型，只要技術(shù)得當(dāng)，結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，同樣可以達(dá)到雙螺桿擠出機(jī)的效能。
第2章 擠出機(jī)總體方案的確定
2.1 擠出機(jī)總體布局的基本要求
（1） 擠出機(jī)布局首先必須滿足用戶提出的各種要求。如擠出機(jī)的加工范圍、工作精度、生產(chǎn)率、和經(jīng)濟(jì)性等等。
（2） 在經(jīng)濟(jì)、合理的條件下，盡量采用較短的傳動鏈，以簡化機(jī)構(gòu)，提高傳動精度和傳動效率。
（3） 確保擠出機(jī)具有與所要求的加工精度相適應(yīng)的剛度、抗震性、熱變形及噪聲水平。
（4） 擠出機(jī)必須滿足參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)和系列型譜中關(guān)于擠出機(jī)布局方面的規(guī)定。同時，還應(yīng)最大限度地考慮擠出機(jī)的系列化和部件的通用話程度。
（5） 對于生產(chǎn)率和自動化程度較高的擠出機(jī)，應(yīng)力求便于自動上下料及納入自動線。
（6） 應(yīng)便于觀察加工過程；便于操作、調(diào)整和維修機(jī)床，便于輸送、裝卸；注意擠出機(jī)的防護(hù)，確保安全生產(chǎn)。
2.2 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(chǎn)量和質(zhì)量，都有非常重大的影響。
2.2.1 螺桿的工作性能指標(biāo)評定
（1）塑化質(zhì)量 按專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定制造的擠出機(jī)，擠塑生產(chǎn)得塑料制品也應(yīng)是符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。螺桿是擠塑生產(chǎn)影響產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵零件，物料得混合質(zhì)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(chǎn)率的提高，這些都受螺桿工作質(zhì)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(qiáng)，比流量得單位為（kg/h）/（r/min）
（3）比功率 這個值小，說明生產(chǎn)同樣質(zhì)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(yīng)擠塑不同的塑料，能在不同塑料制品機(jī)頭阻力下工作。
（5）經(jīng)濟(jì)性 制造機(jī)械加工比較容易，工作壽命比較長。
2.2.2 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(jié)晶型和非結(jié)晶型，它們在被擠塑生產(chǎn)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(chǎn)不同種類塑料制品時，應(yīng)該選擇不同類型螺桿。
（2）機(jī)頭模具的阻力對螺桿結(jié)構(gòu)尺寸的影響 螺桿螺紋的均化段得的螺槽深淺與機(jī)頭阻力大小要匹配選取，機(jī)頭阻力大，這段螺紋槽要淺些；反之，當(dāng)阻力小時，螺槽就應(yīng)深些。對于排氣式擠出機(jī)，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(jī)的用途選擇 不同用途的擠出機(jī)，根據(jù)工作性質(zhì)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(chǎn)品得要求，訂購專用螺桿擠出機(jī)。如果擠出機(jī)要擠塑不同材料的多種制品，就應(yīng)選擇螺桿具有較大得通用性。
2.2.3 螺桿的分類
按照螺桿得結(jié)構(gòu)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(jī)是現(xiàn)在廣泛使用的擠出機(jī)，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(shè)計了非螺紋元件，以改進(jìn)塑料得混合、熔融塑化質(zhì)量和縮短擠塑生產(chǎn)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(shè)計的螺桿。
2.2.4 螺桿方案的確定
介于本設(shè)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(chǎn)中無特殊的要求，因此選用普通螺桿,材料為45號鋼。
2.3 機(jī)筒類型的確定
機(jī)筒與螺桿配合工作，組成擠出機(jī)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(jī)筒和螺桿是擠塑系統(tǒng)的主要組成零件，也是擠出機(jī)的關(guān)鍵零件。對于機(jī)筒結(jié)構(gòu)形式的選擇和制造精度等級，都會直接影響塑料制品的產(chǎn)量和質(zhì)量。
機(jī)筒的結(jié)構(gòu)形式設(shè)計選擇，應(yīng)該是在保證其工作強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，注意考慮它有利于被擠塑物料的塑化，結(jié)構(gòu)形式方便機(jī)械加工；同時能得到較高的精度；再一點(diǎn)是要盡量節(jié)省一些較貴重的合金鋼。這幾點(diǎn)對擠出機(jī)的制造工藝及費(fèi)用，都有較重大影響。
（1）整體式機(jī)筒 整體式機(jī)筒應(yīng)用比較多，比較起來整體式機(jī)筒的機(jī)械加工精度比較容易保證，工作時各部加熱均勻，對機(jī)筒的加熱和冷卻系統(tǒng)也較好安排和布置。
（2）分段式機(jī)筒 長徑比值比較大得擠出機(jī)和排氣式擠出機(jī)，由于機(jī)筒過長，為便于機(jī)械加工和節(jié)省合金鋼材，通常采用分段式機(jī)筒。但是這種機(jī)筒在機(jī)加工時也有難度。即二段機(jī)筒的內(nèi)圓直徑尺寸的一致性和同心度精度的保證，很難達(dá)到要求。由于中間要用法蘭盤連接，則對機(jī)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。
（3）襯套式機(jī)筒 襯套式機(jī)筒主要用在大直徑的擠出機(jī)上，目的是為了節(jié)省較貴重的合金鋼材。機(jī)筒體用鑄鋼或普通碳素鋼制造，而機(jī)筒的內(nèi)襯套用滲碳合金剛制造。當(dāng)襯套磨損時，只需更換襯套即可。但由于薄而長的襯套的機(jī)械加工和熱處理很困難，所以，也很少應(yīng)用。
（4）雙金屬層機(jī)筒 在鑄鋼或碳素鋼機(jī)筒體的內(nèi)壁，用離心澆鑄法鑄一層耐磨合金，然后機(jī)械加工內(nèi)孔至所需要的尺寸。這種機(jī)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。
2.4 本章小結(jié)
介于機(jī)筒和螺桿得配合工作，組成了擠出機(jī)的擠壓系統(tǒng)，共同完成對物料的擠壓塑化，生產(chǎn)出塑料制品。在完成擠塑工作時，機(jī)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。結(jié)合本設(shè)計得要求和螺桿的形式，機(jī)筒選擇整體式。
第3章 擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計
不同的生產(chǎn)線對擠出機(jī)的具體要求不一樣，這就需要根據(jù)不同塑料的性能設(shè)計出合理的擠出機(jī)。本次設(shè)計的擠出機(jī)是用于聚苯乙烯(PS)生產(chǎn)線的擠出機(jī)，這就要求對聚苯乙烯(PS)的性能有一定的掌握和了解。
3.1 聚苯乙烯的基本特性
聚苯乙烯是最結(jié)構(gòu)簡單的高分子有機(jī)化合物,低密度聚苯乙烯較軟,多用高壓聚合;高密度聚苯乙烯具有剛性、硬度和機(jī)械強(qiáng)度大的特性,多用低壓聚合。聚苯乙烯為蠟狀,有蠟一樣的光滑感,不染色時,低密度聚苯乙烯透明,而高密度聚苯乙烯不透明，聚苯乙烯是結(jié)晶高分子，熔點(diǎn)達(dá)到270℃。
3.2螺桿設(shè)計
螺桿是擠出機(jī)的核心部分，是輸送、塑化塑料的最重要部件。其結(jié)構(gòu)性能將直接影響擠出機(jī)的生產(chǎn)率、塑化混合質(zhì)量和能量消耗。
由于聚氯乙烯（PVC）為非結(jié)晶型高聚物，它從玻璃化溫度到粘流溫度的溫度范圍較大，其熔融過程是在一個比較長的距離后才能全部熔融，出于制造成本和膠料的均勻混煉和塑化考慮，采用漸變型普通螺桿，螺紋斷面形狀為矩形。
3.2.1 螺桿的基本尺寸初步確定
螺桿的螺紋長度為：L=27D=27×59=1593mm
根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，螺桿三段長度的分配如表3.1。
表3.1 長度分配比例表
塑料類型
加料段
壓縮段
計量段
非結(jié)晶型塑料
10%~25%全長
55%~65%全長
22%~25%全長
結(jié)晶型塑料
60%~65%全長
1~2 螺距
25%~35%全長
所以：加料段=（10%~25%）L，取 =0.15L=0.15×1593=239mm
壓縮段=（55%~65%）L，取 =0.6L=0.6×1593=956mm
計量段=（22%~25%）L，取=0.25L=0.25×1593=398mm
螺桿壓縮比。因壓縮比的確定非常復(fù)雜，目前國內(nèi)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取。對塑料而言，螺桿幾何壓縮比大多數(shù)為2~5,根據(jù)常用塑料螺桿的幾何壓縮比表，選取螺桿壓縮比：ε=3
為了加工方便，等距螺桿取S=D
螺距S： S=D=59mm
螺紋頭數(shù)： i=1
螺紋升角：
螺棱法向?qū)挾萫：根據(jù)對緊密共軛齒廓的要求和齒輪傳動嚙合基本原理，考慮到螺桿制造和安裝方便，同時為了更好的對物料進(jìn)行充分混合，把螺桿設(shè)計成接近共軛型，取螺棱法向?qū)挾葹椋?e==30mm
螺棱軸向?qū)抌：b=e/Cosφ=30/Cos17.66=31.4mm
螺槽法向?qū)扙：E=S×Cos－27=59×Cos17.66－27=29.22mm
螺槽軸向?qū)払：B=D―b=59―31.4=27.6mm
螺桿與機(jī)筒間隙δ=0.3mm
3.2.2螺桿材料的選擇
螺桿工作時不僅所受扭矩較大，而且是在高溫、高壓下工作。因螺桿要與機(jī)筒配合工作，所以還要受到機(jī)械摩擦磨損、刮磨及塑料摩擦的作用，某些塑料還會有較強(qiáng)的化學(xué)腐蝕作用。所以螺桿可能產(chǎn)生扭斷、因磨損嚴(yán)重而與機(jī)筒間隙增大使產(chǎn)量降低等失效形式。
根據(jù)以上螺桿的實(shí)際工況，要保證螺桿能正常工作，必須選擇合適的材料。其材料性能要求為：機(jī)械性能好，耐磨性能好，耐腐蝕性能好，加工性能好。由于38CrMoA1綜合性能好且是擠出機(jī)螺桿應(yīng)用最廣泛的材料，因此選擇38CrMoA1作為螺桿的材料。
3.2.3螺桿設(shè)計計算
到此已知螺桿參數(shù)為：
最高轉(zhuǎn)速：
最高產(chǎn)量：G=200Kg/h
螺桿直徑：D=59mm
螺距S： S=59 mm
長徑比： L/D=27
螺槽法向?qū)挾龋篍=29.22mm
螺槽軸向?qū)挾龋築=27.6mm
螺棱法向?qū)挾龋篹=30mm
螺棱軸向?qū)挾龋篵=31.4mm
螺紋升角：=17.66
查表得:聚氯乙烯（PVC）的堆積密度為
固相密度
液相密度
熔池溫度
由于雙螺桿擠出機(jī)的理論很不成熟，加之螺桿嚙合部分容積相對于整個螺桿來說很小，故可以把雙螺桿看成兩根單螺桿進(jìn)行計算，然后做一定的因雙螺桿嚙合帶來數(shù)據(jù)校正。
（1）計算熔融速率。
為了保證穩(wěn)定的擠出過程，熔體輸出量、固體輸送量和固體熔融量應(yīng)該平衡。即：
式中 ——固體輸送量；
——單位面積熔融速率；
——固體粒料與機(jī)筒的接觸面積；
——熔體密度；
——熔體輸出量；
取螺桿轉(zhuǎn)速下塑料的輸出量為：G=200Kg/h
=
估算面積A。由于螺桿嚙合部分沒有機(jī)筒對物料進(jìn)行加熱，但螺紋嚙合處沒有機(jī)筒部分占整個機(jī)筒的比例較小，因此機(jī)筒的總面積約為1.8,其中螺槽占56.3%，假設(shè)其中固體與熔體塑料各占一半，則固體總面積A：
熔融速率：=0.228
（2）計算計量段螺槽深度。
為了保證螺桿的硬特性，避免壓力波動引起過大的輸出量波動，應(yīng)取較小的值，但為了達(dá)到較好的混合質(zhì)量，又不能取得過小。綜合上述原因，?。?
由得：=
由于是雙螺桿，則有：
= 取
（3）驗(yàn)算計量段長度。
螺桿的剪切速率為：=
當(dāng)溫度為時，由流變曲線得：
有上文可知：=
令=，由式：得：
= 398mm >94.7mm 合格
（4）確定加料段螺槽深度。
根據(jù)常用塑料的幾何壓縮比表，取：ε=3
則加料段螺紋槽深度為： ==5.72mm
取 =5.7mm 驗(yàn)算壓縮比=2.99 正確
（5）驗(yàn)算壓縮段長度。
計算螺槽內(nèi)固體粒料厚度減小的速率，即形成熔膜的速率,
=
即固體粒料在壓縮段中移動時，在每秒鐘移動的距離上螺槽深度的減小量不能超過0.456mm .否則固體粒料來不及完全熔融而堵塞螺槽，引起產(chǎn)量波動。此時固體粒料順著螺槽的流動速率：=
則壓縮段順著螺槽展開的長度:=1403
則壓縮段的最小長度為:==756mm
由于956mm >756mm
（6）螺桿中心距的確定。
考慮到螺桿的安裝和物料的混合均勻，又不至于螺桿產(chǎn)生干涉，取螺桿的中心距a:a==25.7mm
（6）歸納設(shè)計結(jié)果。
加料段長度：=239mm
加料段螺槽深度：=5.7mm
壓縮段長度：=956mm
計量段長度：=398mm
計量段螺槽深度：
螺槽軸向?qū)挾龋築=27.6mm
螺棱軸向?qū)挾龋篵=31.4mm
螺桿中心距a：a =25.7mm
3.2.4 螺桿的強(qiáng)度校核與計算
雙螺桿擠出機(jī)中需要進(jìn)行強(qiáng)度計算的主要零部件是螺桿和機(jī)筒。進(jìn)行螺桿的強(qiáng)度計算時，必須先確定原始數(shù)據(jù)。決定螺桿強(qiáng)度的原始數(shù)據(jù)包括：機(jī)頭最大壓力P、螺桿軸向力及螺桿扭矩。
（1）機(jī)頭壓力的確定
機(jī)頭壓力可以用理論計算方法和實(shí)測方法得到。當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速增加到一定程度時，實(shí)際機(jī)頭壓力與轉(zhuǎn)速的關(guān)系并不成正比，在實(shí)際生產(chǎn)中常以試驗(yàn)測定機(jī)頭壓力。
根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中產(chǎn)量為200 的國產(chǎn)雙螺桿擠出機(jī)的機(jī)頭壓力一般為，取：P=40.0MPa
（2）螺桿軸向力的確定
螺桿軸向力的大小受到物料物理性能、機(jī)頭壓力、螺棱構(gòu)型、螺桿轉(zhuǎn)速及機(jī)筒溫度等、因素的影響。螺桿軸向力可按下式計算：
式中 ——物料作用在螺桿端面上的總壓力，單位為N；
=πD/4
式中 ——螺桿端部的物料壓力，單位為MPa，國產(chǎn)擠出機(jī)一般取=30~50MPa。
——動載荷產(chǎn)生的附加壓力的沿軸向的力的分量， 約為的1/8~1/4，即=（0.125~0.25），?。?0.2πD/4
所以有：= 1.2πD/4
（3）螺桿冷卻孔直徑確定
由于聚合物在擠出過程中與金屬接觸面積中有一半在螺桿上，為了避免螺桿過熱需在擠出過程中對螺桿進(jìn)行冷卻。
取螺桿冷卻水孔的直徑：
（3）螺桿強(qiáng)度的計算
螺桿與減速箱傳動軸的連接有固定式和浮動式兩種。無論是哪種連接方式在進(jìn)行強(qiáng)度計算時，都將螺桿視為一端固定的懸臂梁。螺桿主要受到物料壓力P，克服物料阻力所需的扭矩和螺桿自重G的作用。由于雙螺桿的嚙合角度很小，所以計算時近似認(rèn)為螺桿所受徑向力大小相對方向相反，可以抵消。螺桿所受軸向力為。由于螺桿軸向彎曲作用較小可忽略不計。螺桿自重G對螺桿產(chǎn)生橫向彎曲作用。因此，螺桿所受的綜合受力作用為：螺桿軸向力、螺桿扭矩及螺桿自重產(chǎn)生的壓、扭、彎的力的組合。由于加料段螺桿的根徑較小，承載能力最低，所以強(qiáng)度計算以加料段的根徑截面為強(qiáng)度計算、校核截面。
由軸向力產(chǎn)生的壓應(yīng)力：=69.5
式中 ——軸向力產(chǎn)生的壓應(yīng)力，MPa；
——螺桿的最小內(nèi)徑端面直徑，mm；
——螺桿冷卻水孔直徑，mm.
由扭矩產(chǎn)生的剪切應(yīng)力τ：
=35.8
——主電機(jī)的最大傳遞功率，KW;
——螺桿的最高轉(zhuǎn)速，r/min。
——電動機(jī)傳遞效率，此時校核取1；
C——；
——螺桿的剪切應(yīng)力，MPa；
由螺桿自重產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力：
==
式中 L——螺桿的有效長度，mm；
——螺桿材料密度，，鋼取7.85；
——由自重產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力，單位MPa；
螺桿的合成應(yīng)力
合成應(yīng)力用第三強(qiáng)度理論計算，其強(qiáng)度條件為：
查表得的屈服極限： =
有： =71.2MPa<=833MPa
由此可知，該螺桿在工作中是安全的。
由于是雙螺桿嚙合需要，使后續(xù)的配位齒輪難于安裝，螺桿在無齒端的直徑的大小必然會大大降低，因此有必要計算螺桿無齒端的最小直徑。
螺桿無齒端只受扭矩的作用。
查表的剪切疲勞極限=288
由得：
=25.6mm
3.2.5 螺桿的技術(shù)要求
材料：采用氮化鋼38CrMoA1。
表面處理：對材料進(jìn)行氮化處理，處理深度為0.3~0.6mm，
螺桿外圓硬度>65HRC，脆性不大于2級。
螺桿外圓極限偏差應(yīng)符合GB/T1184-1999 h8的規(guī)定。螺桿的上、下偏差分別為：
上偏差：es=0μm
下偏差：ei=－39μm
螺桿全長直線度公差值應(yīng)符合 GB/T1184-1996 h7的精度等級規(guī)定。所以螺桿的直線度公差值為：
螺桿外圓：螺紋槽底徑的表面粗糙度不大于0.8μm，螺棱兩側(cè)的表面粗糙度不大于1.6μm。
3.2.6 螺桿傳動系統(tǒng)及止推軸承布置設(shè)計
設(shè)計雙螺桿傳動系統(tǒng)比較困難的問題是配位齒輪和止推軸承的布置。因受螺桿嚙合條件的限制使安裝配位齒輪和止推軸承在空間上受到很大的限制。本設(shè)計傳動系統(tǒng)及止推軸承的布置從機(jī)頭開始的順序?yàn)椋荷顪锨蜉S承配位齒輪止推軸承。將止推軸承布置在減速箱之后。
3.3送料螺桿的設(shè)計
為了使塑料與其他材料能夠進(jìn)行定量定比例的加入，因此要在機(jī)筒加料口上方添加兩根送料螺桿。其中，一根螺桿用于輸送聚合物塑料顆粒，另一根螺桿用于輸送其他復(fù)合材料。工作時，只需要分別控制兩根送料螺桿的轉(zhuǎn)速比及兩根送料螺桿與主螺桿之間的轉(zhuǎn)速關(guān)系，就能夠較精確地將復(fù)合原材料通過送料螺桿送入到塑料顆粒中去混合。沒根螺桿按照最大輸送能力200kg/h進(jìn)行設(shè)計。所設(shè)計螺紋斷面形狀為矩形。
送料螺桿的基本參數(shù)設(shè)計如下。
螺桿直徑D d=48mm
螺紋升角φ φ=17.41°
螺距S S= 48mm
螺紋頭數(shù) 單頭螺紋
螺棱法向?qū)抏 e=0.1d=0.1×48=4.8mm
螺棱軸向?qū)抌 b=e/Cosφ=5mm
螺槽法向?qū)扺 W=SCosφ－e=45.8-4.8=41mm
螺槽軸向?qū)払 B=d－b=35.8mm
螺桿與機(jī)筒之間的間隙
摩擦因數(shù)、 ==0.27
轉(zhuǎn)速n n=200r/min
敞開式固體輸送 ==0
由于送料螺桿主要是用于顆粒狀或粉末狀材料的輸送，因此送料螺桿可按照普通螺桿送料段的設(shè)計方法來進(jìn)行設(shè)計計算。
螺桿在n=200r/min的轉(zhuǎn)速下的輸出量為G=200kg/h。
則固體輸送量Q：
由得：=15.5mm
3.4機(jī)筒的設(shè)計
機(jī)筒是雙螺桿擠出機(jī)最重要的部件之一。機(jī)筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理直接影響到擠出機(jī)的熱量傳遞的穩(wěn)定性及均勻性；機(jī)筒的加料段設(shè)計影響到塑料固體輸送效率；機(jī)筒的加工與裝配影響擠出機(jī)的工作性能和機(jī)器壽命。所以，對于擠出機(jī)機(jī)筒，涉及到其結(jié)構(gòu)形式選擇、機(jī)筒加料口形式確定及其各段與機(jī)頭的連接等問題。機(jī)筒的結(jié)構(gòu)類型有多種，主要有分段式、整體式、雙金屬和軸向開槽結(jié)構(gòu)形式。
整體式機(jī)筒的特點(diǎn)是加工精度容易滿足，轉(zhuǎn)配誤差小；長徑比大，零件數(shù)目少；機(jī)筒受熱均勻，配置加熱器不受限制。但整體式機(jī)筒對加工設(shè)備及加工技術(shù)要求較高，且磨損后修復(fù)困難。
分段式機(jī)筒是將機(jī)筒分成若干段來加工，各段加工好后通過法蘭連接起來。這種機(jī)筒加工比較容易，可適應(yīng)多種長徑比的要求，對于長徑大的螺桿，因過長的機(jī)筒整體難以加工，也配以分段式機(jī)筒，但分段多，對中性不易保證，連接法蘭也會影響到機(jī)筒的加熱均勻性。為減少裝配困難，分段盡量少。為減少熱量損失，法蘭尺寸盡可能小。
雙金屬機(jī)筒有澆鑄式和襯套式兩種結(jié)構(gòu)形式。襯套式機(jī)筒具有易更換、壽命長、節(jié)約貴金屬等優(yōu)點(diǎn)，但其設(shè)計、制造、裝配都較為復(fù)雜。澆鑄式機(jī)筒的優(yōu)點(diǎn)是合金層與機(jī)筒合為一體，在擠出機(jī)機(jī)筒的內(nèi)表面結(jié)合均勻，不會脫落或開裂，耐磨性好，壽命長，滑動性好，但成本高。
軸向開槽機(jī)筒能提高固體輸送率，但其結(jié)構(gòu)設(shè)計需要綜合考慮被加工物料的性能，如物料的大小、幾何形狀、物料顆粒間的摩擦系數(shù)值，顆粒在凹槽中的抗剪切強(qiáng)度，由顆粒組成的楔形結(jié)構(gòu)的抗剪強(qiáng)度，套筒的冷卻性能，螺桿的轉(zhuǎn)速，以及與加熱機(jī)筒的隔熱程度等因素。
綜合上述各種結(jié)構(gòu)類型機(jī)筒的優(yōu)劣以及雙螺桿螺桿擠出機(jī)的設(shè)計要求，選擇分段式機(jī)筒。
3.4.1機(jī)筒的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計
機(jī)筒壁厚的設(shè)計，要考慮機(jī)筒的強(qiáng)度要求，還要考慮其結(jié)構(gòu)工藝性以及機(jī)筒傳熱效率等因素，使加工容易，傳熱快且穩(wěn)定。雙螺桿擠出機(jī)筒斷面形狀為型，在綜合了經(jīng)驗(yàn)和理論計算結(jié)果的基礎(chǔ)上，我國擠出機(jī)生產(chǎn)廠家提出了擠出機(jī)機(jī)筒壁厚的參考值。
根據(jù)參考值，可選擇機(jī)筒壁厚h為： h=42.5mm
機(jī)筒的內(nèi)徑
機(jī)筒的外徑 取150mm。
機(jī)筒兩孔的中心距為310mm.
機(jī)筒總長度L的確定。
3.4.2機(jī)筒的材料選擇
工作時機(jī)筒受到刮磨、摩擦磨損以及塑料摩擦的作用，一些塑料還會有較強(qiáng)的化學(xué)腐蝕作用。普通機(jī)筒材料為一般鋼材（如45號鋼）、鑄鋼或球磨鑄鐵。為了提高機(jī)筒的耐磨性，國際上的擠出機(jī)機(jī)筒有采用氮化鋼制造，其強(qiáng)度極限約為900MPa。
這里我們選擇40Cr鋼作為機(jī)筒的制造材料。
機(jī)筒的強(qiáng)度計算
機(jī)筒內(nèi)部受塑料熔料的壓力作用，熔料在機(jī)筒內(nèi)產(chǎn)生的力沿機(jī)筒軸向的分布是相當(dāng)復(fù)雜的，各處壓力不等。由于機(jī)頭處壓力最大，因此一般取機(jī)頭壓力為計算壓力值。
進(jìn)行機(jī)筒設(shè)計時，用壁厚圓筒理論來對料筒進(jìn)行強(qiáng)度計算。
根據(jù)厚壁圓筒的理論，當(dāng)筒壁內(nèi)受到物料壓力P的作用時，筒壁上各點(diǎn)處于三向應(yīng)力狀態(tài)，三向應(yīng)力分別為：徑向應(yīng)力，軸向應(yīng)力，切向應(yīng)力。
機(jī)筒的內(nèi)壁處，徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力都達(dá)到最大值。
徑向應(yīng)力：
切向應(yīng)力：=63.1MPa
軸向應(yīng)力為： =11.6MPa
由于機(jī)筒為塑性材料，可用第四強(qiáng)度理論進(jìn)行設(shè)計計算和強(qiáng)度校核，機(jī)筒壁厚的強(qiáng)度條件為：
查表得40Cr的屈服強(qiáng)度極限為540MPa,
則：，有：
=89.3MPa<
機(jī)筒強(qiáng)度校核合格，該機(jī)筒可安全工作。
機(jī)筒設(shè)計的技術(shù)要求
（1） 材料：40Cr。
（2） 內(nèi)孔表面：對機(jī)筒內(nèi)表面進(jìn)行鍍鉻，鍍層深度為0.05~0.1mm，機(jī)筒體硬度45HRC，鍍鉻層硬度>55HRC，脆性不大于2級。
（3）公差：機(jī)筒內(nèi)孔極限偏差：上偏差ES=0.231mm 下偏差EI=0.130mm機(jī)筒內(nèi)孔軸線的直線度公差值應(yīng)符合GB/T1184-1996 7級的精度規(guī)定。則所設(shè)計機(jī)筒的直線度公差為：
（4）機(jī)筒內(nèi)孔：表面粗糙度不大于1.6。
3.4.3 螺桿與機(jī)筒的配合間隙
螺桿與機(jī)筒的配合間隙值影響到擠出機(jī)的功率消耗、生產(chǎn)能力、使用壽命、機(jī)器加工成本等問題。取值過大，加工、裝配比較容易容易，但生產(chǎn)能力會降低，塑料原料在機(jī)筒內(nèi)的停留時間難以控制，甚至?xí)斐蔁岱纸?。如果取值過小，功率消耗大，加工、裝配困難，且易使螺桿和機(jī)筒發(fā)生磨損，降低擠出機(jī)使用壽命。
螺桿與機(jī)筒之間的間隙值可按JB1291-73來選取。則設(shè)計的雙螺桿擠出機(jī)的螺桿和機(jī)筒之間的間隙取值：
3.4.4螺桿與機(jī)筒的對中性
擠出機(jī)螺桿與機(jī)筒的對中性在設(shè)計上要求螺桿的中心線與機(jī)筒的中心線重合。然而由于制造、裝配過程中所產(chǎn)生的螺桿定位面與螺桿中心線不同心、機(jī)筒內(nèi)孔偏差、螺桿徑向跳動、螺桿推力面與螺桿中心線不垂直、法蘭平面對機(jī)筒中心不垂直、內(nèi)孔徑向跳動等安裝誤差和加工誤差都會影響對中性。要保證螺桿與機(jī)筒的對中性，一般需要采取以下措施提高對中性：選取有效的定位基準(zhǔn)和合理的連接方式；提高零件的加工與裝配精度，減少零件數(shù)目。
3.5料斗的設(shè)計
料斗的設(shè)計遵循不允許物料結(jié)成團(tuán)、架橋和掛料的原則。料斗角度應(yīng)該大于塑料顆粒的靜止角。為了達(dá)到設(shè)計所需要求，該擠出機(jī)設(shè)置兩個料斗：一個用于盛裝主料；另一個用于盛裝添加料。如下圖3所示：
圖3 料斗
3.6 擠出機(jī)電機(jī)的選擇
為了實(shí)現(xiàn)在調(diào)速范圍內(nèi)的無級調(diào)速和保證雙螺桿擠出機(jī)50r/min~260r/min 的調(diào)速范圍，選擇直流電機(jī)作為擠出機(jī)電機(jī)。雙螺桿擠出機(jī)功率的確定通常是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取，根據(jù)我國同向雙螺桿擠出機(jī)基本參數(shù)表(JB/T 5420-91)選取擠出機(jī)主電機(jī)功率為：P=55KW
擠出機(jī)電機(jī)選擇某公司生產(chǎn)的型號為Z3-250-31直流電動機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)為：額定功率為55 KW、額定電壓440V、額定轉(zhuǎn)速為500r/min。
3.7傳動系統(tǒng)的設(shè)計
本設(shè)計選取的直流電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為500r/min，擠出機(jī)設(shè)計的最高轉(zhuǎn)速為260 r/min，因此需要在電機(jī)輸出軸和螺桿之間設(shè)置減速器，總傳動比：==1.92。由于受擠出機(jī)螺桿上配位齒輪大小的限制，防止發(fā)生擠出機(jī)螺桿的配位齒輪與高速級從動齒輪產(chǎn)生干涉，因此把減速箱和螺桿配位齒輪整個傳動系統(tǒng)設(shè)計成兩級減速一級增速。
傳動比的分配：由于配位齒輪受到螺桿直徑的限制，如果第一級傳動比取得過小，則減速器的第二根軸上的小齒輪會較小，而此軸的直徑較第一根軸大，如此對鍵和齒輪的強(qiáng)度有很大的不利，因此應(yīng)把第一級減速的傳動比設(shè)置大些取：，則后續(xù)總傳動比=0.8。
3.8 本章小結(jié)
本章對擠出機(jī)構(gòu)中的螺桿進(jìn)行了設(shè)計與校核，并對螺桿與螺筒的配合間隙進(jìn)行了討論與確定，確定了加熱裝置為鑄鋁加熱器并確定了加料裝置。最終設(shè)計的螺桿如圖4所示：
圖4 螺桿