单螺杆挤出机整体设计毕业设计

本科生毕业设计

设计题目： SJ170/35单螺杆挤出机的设计

专题： SJ170/35单螺杆挤出机的设计

毕业设计任务书

学院机电工程系专业年级机械设计制造及其自动化

学生姓名

任务下达日期：2007年1月2日

毕业设计日期： 2007年1月 2日至 2008年5月17日

毕业设计题目：SJ170/35单螺杆挤出机的设计

毕业设计主要内容和要求：

设计主要内容：

1.对各种不同挤出机的总体结构进行深入剖析。

2.根据主要技术参数设计挤出机的整体结构。

3.运用AutoCAD绘制螺杆、机筒和机架零件图；挤出机总体结构装配图。

设计要求：

1张

1.挤出机总体结构的装配图 A

2.挤出机机架零件图 A

1张

1张

3.挤出机螺杆零件图 A

1

4.挤出机机筒零件图 A

1张

1

5.说明书（20000以上）及外文翻译 1 份

系主任签字：指导教师签字：

指导教师评阅书

指导教师评语（①基础理论及基本技能的掌握；②独立解决实际问题的能力；③研究内容的理论依据和技术方法；④取得的主要成果及创新点；⑤工作态度及工作量；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：

成绩：指导教师签字：

年月日

评阅教师评阅书

评阅教师评语（①选题的意义；②基础理论及基本技能的掌握；③综合运用所学知识解决实际问题的能力；④工作量的大小；⑤取得的主要成果及创新点；

⑥写作的规范程度；⑦总体评价及建议成绩；⑧存在问题；⑨是否同意答辩等）：

成绩：评阅教师签字：

年月日

徐州工程学院毕业设计评阅教师评阅书

评阅教师评语（①选题的意义；②基础理论及基本技能的掌握；③综合运用所学知识解决实际问题的能力；④工作量的大小；⑤取得的主要成果及创新点；

⑥写作的规范程度；⑦总体评价及建议成绩；⑧存在问题；⑨是否同意答辩等）：

成绩：评阅教师签字：

年月日

徐州工程学院毕业设计答辩及综合成绩

没

回

摘要

运用计算机辅助设计技术对挤出机总体结构进行设计可以促进企业的设计效率、优化设计方案，提高产品设计标准化水平，缩短了产品的设计周期，减轻了设计人员的工作强度并且降低了设计成本。本课题主要研究内容如下：

(1)对各种不同挤出机的总体结构进行深入剖析。

(2)根据主要技术参数设计挤出机的整体结构。

(3)运运用AutoCAD绘制螺杆、机筒和机架零件图；挤出机总体结构装配图。

本课题运用AutoCAD技术进行挤出机总体结构的设计，可以缩短产品开发周期，提高产品质量，降低成本，增强企业的市场竞争能力。

关键词：挤出机;螺杆；机筒；底座

ABSTRACT

Carries on the design using the computer-aided design technology to the annular gear gear cutter overall structure to be allowed to promote enterprise's rated capacity, Optimization design proposal and product design standardization level enhancement, Optimization design proposal and product design standardization level enhancement, Reduced has designed personnel's working strength and to reduce the design cost. This topic main research content is as follows:

(1) Carries on the thorough analysis to each kind of different engine bed overall structure.

(2) Carries on the three dimensional modeling to the annular gear gear cutter overall structure the plan proof,design engine bed foundation and engine bed overall structure three dimensional modeling.

(3) In the Windows platform, using AutoCAD design engine bed foundation and the engine bed overall structure three dimensional modeling, and Engine bed foundation assembly drawing

This topic carries on the annular gear gear cutter overall structure using AutoCAD and the Pro/e technology the plane design and Improves the product quality,the three dimensional design, May reduce the product development cycle, Reduces the cost, Enhancement enterprise's market competition ability.

KEY WORDS：annular gear gear cutter, three dimensional modeling，overall structure, CAD, foundation, drawing .

第一章绪论

1.1螺杆挤出机的概述

采用挤出工艺加工塑料制品，要选择对原料品种和制品规格合格的挤出生产线，经过绝对温度（冷却和加热），压力和速度等工艺参数的控制，完成塑料制品生产的工艺过程。挤出生产线由挤出机（主机），模具（机头），制品成型和收集机械（辅机）组成。

1 . 1 . 1挤出基本理论

塑料的挤出过程，是依靠挤出机螺杆把塑料经过输送，压实，并进一步熔融，使塑料处于完全均匀的塑化状态后，在压力下从口模挤出，经过成型机械定型，冷却后制成所需的制品。因此挤出机是塑料挤出的关键设备，它决定了挤出制品的质量和产量。

挤出机主要由螺杆，机筒，加热冷却系统，传动系统和控制装置组成。其中螺杆是挤出机最关键的的功能部件，它担负了对物料的输送，压实，塑化，均化，加压，和泵出等挤出过程的主要功能。典型的单螺杆挤出机是三段式的，分别是加料，压缩和挤出段。挤出机螺杆主要参数是：螺杆直径D，螺杆长径比L/D和压缩比。

1 . 1 . 2挤出机的分类和用途

目前塑料加工中使用的挤出机主要分为单螺杆和双螺杆挤出机。单螺杆挤出机有排气和非排气之分，双螺杆有同向和逆向之分，以及平行双螺杆和锥形双螺杆之分。此外还有特殊挤出机，比如：多螺杆挤出机，无螺杆挤出机等。

常见单螺杆挤出机我国已经能够生产螺杆直径为12mm至250mm

1 . 1 . 3不同螺杆挤出机的特点

单螺杆挤出机是最早获得普遍应用的挤出机，由于结构简单，加工效率高，在塑料加工成型领域获得广泛的应用。同样，为了满足不同的加工需要，各设备厂家进行过多种螺杆、机筒结构的探索。单螺杆挤出机从最初基本的纯螺旋结构，发展出各种不同结构，如阻尼螺块、排气挤出、开槽螺筒、销钉机筒、积木式结构等，因而令单螺杆挤出机的成型范围更广，适应领域更广阔。由于单螺杆挤出机占用空间小，更几乎成为复合加工与吹塑薄膜领域唯一使用的设备而独领风骚。单螺杆挤出机技术已经成为挤出加工市场不可忽视的重要部分。

双螺杆挤出机又包括平行双螺杆挤出机和锥形双螺杆挤出机。平行双螺杆挤出机有同向和异向之分。近几年，随着国内电子电器、通讯、汽车等领域的飞速发展，材料改性与配混技术市场需求大增。同向双螺杆配混挤出机作为市场最大的受惠者，一度几乎成为双螺杆的代名词。从最初的高技术含量设备发展至今，已成为大众化的设备之一。尽管各个厂家仍然存在技术含量与实力的差别，不能否认的是双螺杆挤出机在中国的发展已相当成熟，尤其是在中小型机市场。相较而言，异向平行双螺杆挤出机国内开发较少，而成型所用设备更多的为锥形双螺杆挤出机。锥形双螺杆挤出机广泛应用于异型材成型，在建筑门窗加工领域应用获得成功。由于双螺杆挤出机的产量高，混合性能优于常规单螺杆挤出机，普遍采用积木式结构易于根据不同材料进行调整，因此成为挤出加工市场的主导力量。

多螺杆挤出机一般指三螺杆或三螺杆以上的挤出机，通常也是为了达到更好的混合加工效果而设计。与单螺杆、双螺杆相比较，其市场应用要少得多。行星螺杆挤出机是近年较受市场关注的一种多螺杆挤出机，特别适合于一般通用塑料的挤出加工，作为成型加工的混配加料器具有更好的效果。

1.2挤出机市场现状与发展趋势

随着挤出机应用领域的不断拓展和技术上的不断进步，挤出机市场仍然保持一定的上升势头，但国产挤出机价格大幅下跌已成现实。部分厂家粗制滥造和恶性

价格战已经影响到国内塑机的整体形象和市场竞争力，也阻碍了塑料加工业的发展。

专家认为，挤出机主机和生产线今後的市场将向高技术含量、价格更趋走低的方向发展。从成型设备来看，国产主机基本上以锥形双螺杆挤出机和单螺杆挤出机为主，技术较成熟，市场销量最大，但这类产品的通用规格已供大于求，只能维持在市场顶峰期的50%~60%左右。国内主机市场今後的重点应在于发展平行异向双螺杆挤出机，以适应大挤出量的成型需要。平行同向双螺杆挤出机要向第六代、第七代高速、大长径比方向发展。单螺杆挤出机则是向着超大型、超微型、大长径比、高产出、良好的排气性等方向发展，而适应特殊加工需要的螺杆机筒结构，则成为大家争相研发的重点。实际上，单螺杆挤出机是一种低能耗、低成本的机型，只要技术得当，结构设计合理，同样可以达到双螺杆挤出机的效能。据介绍，美国现在使用的塑料挤出机就以单螺杆为主。高技术含量的单螺杆挤出机正在某些领域逐步取代双螺杆挤出机。

1.2.1特种单螺杆挤出机

随着近年来市场发展的需要，国内外不同厂家纷纷推出各种特殊结构的单螺杆挤出机，以适应特殊的市场需要。以下特别介绍几种特殊挤出机在国内的研发进展。

（1）手提式挤出机研制成功。

北京化工大学成功开发一种超高速微型手提式单螺杆挤出机。该机器螺杆直径仅12mm，机器总重量不到2.5kg；螺杆工作转速800~1200rpm，可实现连续或间歇工作。此外由于所加工物料具有高壁面滑移性以及极易架桥的特点，配有专门设计的强制加料装置；由于挤出机为手提式操作，设计了特殊的多路排气装置，以充

分保证气体的排出。此外，该机器还具有深槽大螺距、两种驱动方式可选（电动、

气动）、整机易于清理、保养、维修等特点。该机器最初为加工一种特殊的低密度低粘度物料设计，并可用于各种低粘度物料的挤出加工，如热熔胶、低分子量树脂、各种石蜡、燃料、颜料、化妆品等的加工成型。

超微型挤出机的研究开发，存在许多一般设备设计加工过程中难以想像的困难，据介绍，该设备开发的关键在于微型挤出机的加料、排气、实现低温挤出输送等问题的解决。

（2）磨盘挤出机实现商业化

国内多个厂家已完成磨盘挤出机的开发，实现磨盘挤出机的商业化生产。高填充物料使用普通单螺杆或双螺杆挤出机加工存在较大的难度。双螺杆挤出机用于玻纤增强配混时，若玻纤含量超过45%，加工就会变得相当困难。在加工磁性材料时，通常磁粉的添加量高达60%~70%，有时甚至达到90%以上。用普通挤出机进行磁性材料的加工与造粒几乎是不可能的。

国内一些厂家和科研院所，根据国内磁性材料以及其他高填充物料的需要，悉心研发出独立设计的磨盘挤出机。典型例子如北京凤记和北京化工大学。磨盘挤出机可以通过调整磨盘组合以适应不同高填充材料，如玻纤增强、磁性塑料、导电材料、新型陶瓷等物料的挤出加工。为了适应高填充物料的挤出加工需要，北京化工

大学也在进行磨盘挤出机直接挤出成型的试验研究，并应用于多种复合材料的挤出成型加工试验获得成功。

（三）往复螺杆挤出机系列化

往复螺杆挤出机在前几年的国内市场红火一时，也成为不同厂家显示技术实力的一个标志型产品。尤其是各双螺杆挤出机厂家纷纷推出往复螺杆挤出机。由于双螺杆市场异常火爆，往复螺杆挤出机市场相对平淡，各挤出厂家还是以双螺杆挤出机为主推产品。近日，宝应金鑫特种塑料机械厂与北京化工大学合作研发出多种规格的往复移动单螺杆挤出机，初步实现了往复移动挤出机的系列化。据悉，宝应金鑫此次推出的系列化产品共包括四种规格，45、78、110和140，其中45和78两种规格已经研发成功，即将推出110和140两种机型。

往复移动式单螺杆挤出机最大的特点是实现不同物料的高填充加工。用于玻纤增强物料加工时，玻纤的添加量可以达到50%以上，特别适于高填充物料的加工，具有非常广阔的市场前景。由于其独特的往复式结构，不能很好的满足建压的要求，因而一般不适合用于制品的直接挤出成型。通常用于成型加工时，还需要配备专用的成型挤出机。

以上介绍的几种单螺杆挤出机，可以说是当前中国市场具有一定代表性的产品。不过，尽管中国挤出机市场发展迅猛，也有不少新的机型推出，我们不能忽视中国挤出机技术与国外发达国家相比还有较大差距。比如在超大型和微型设备领域就还落後于国际先进水平。国内企业唯有加紧努力，才能在激烈的市场竞争中赢得机会，真正从塑机大国发展为塑机强国。

近年来，双螺杆挤出机市场异常火爆，相对而言，单螺杆一直处于悄寂状态。但是，单螺杆挤出机作为一种基本的塑胶加工设备，结构简单，成本较低，而且具有更大的设计灵活性。各种不同的特种单螺杆挤出机重受关注。

单螺杆挤出机因其结构简单，价廉物美，生产效率高的特点，一直是塑胶管材、板材、片材、异型材等成型加工最重要的设备。随着技术的不断进步以及人们对螺杆认识的提高，多种不同的挤出机结构形式陆续面世。特种单螺杆挤出加工技术又有替代多螺杆技术的趋势。

第二章挤出机的整体设计

2.1 PE铝塑板的基本特性

不同的生产线对挤出机的具体要求不一样，这就需要根据不同塑料的性能设计出合理的挤出机。本次设计的挤出机是用于铝塑板生产线的挤出机，这就要求对铝塑板的性能有一定的掌握和了解。

铝塑板是由多层材料复合而成，上下层为高纯度铝合金板，中间为无毒低密度聚乙烯（PE）芯板，其正面还粘贴一层保护膜。对于室外，铝塑板正面涂覆氟碳树脂（PVDF）涂层，对于室内，其正面可采用非氟碳树脂涂层。

铝塑板是易于加工、成型的好材料。更是为追求效率、争取时间的优良产品，它能缩短工期、降低成本。铝塑板可以切割、裁切、开槽、带锯、钻孔、加工埋头，也可以冷弯、冷折、冷轧，还可以铆接、螺丝连接或胶合粘接等。

PE铝塑板即聚乙烯铝塑板，PE,全名为Polyethylene，是最结构简单的高分子有机化合物,当今世界应用最广泛的高分子材料,由乙烯聚合而成,根据密度的不同分为高密度聚乙烯、中密度聚乙烯和低密度聚乙烯。低密度聚乙烯较软,多用高压聚合;高密度聚乙烯具有刚性、硬度和机械强度大的特性,多用低压聚合。高密度聚乙烯可以做容器、管道,也可以做高频的电绝缘材料,用于雷达和电视。大量使用的常为低密度(高压)聚乙烯。聚乙烯为蜡状,有蜡一样的光滑感,不染色时,低密度聚乙烯透明,而高密度聚乙烯不透明。

聚乙烯是通过乙烯( CH2=CH2 )的加成反应和聚合反应，由重复的–CH2–单元连接而成的高聚合链。聚乙烯的性能取决于它的聚合方式；在中等压力(15-30大气压)有机化合物催化条件下进行Ziegler-Natta聚合而成的是高密度聚乙烯(HDPE)。这种条件下聚合的聚乙烯分子是线性的,且分子链很长,分子量高达几十万。如果是在高压力(100-300MPa),高温(190–210 C),过氧化物催化条件下自由基聚合,生产出的则是低密度聚乙烯(LDPE),它是支化结构的。

聚乙烯不溶于水,吸水性很小,就是对一些化学溶剂,如甲苯、醋酸等,也只有在70℃以上温度时才略有溶解。但是微粒状的聚乙烯,可以在15℃～40℃之间随温度的变化熔化或凝固,温度升高时熔化,吸收热量;温度降低时凝固,放出热量。又因为它吸水量很小,不易潮湿,有绝缘性能,因此是很好的建筑材料。

2.2 产品的设计要求

制品有效宽度1220～1750，厚度1.0～5mm，其中铝箔厚度0.03～0.5mm。

2.3 螺杆设计

螺杆是挤出机最重要的部件，其性能好坏直接影响塑化质量和产量。整个理论几乎都是围绕着螺杆上发生的挤出过程展开的。因此，螺杆设计是挤出理论最重要的应用领域之一。

最早出现的螺杆是不分段的，随着生产的发展，从实践和理论都证明了将螺杆分为加料段、压实段和计量段是比较合理的。螺杆直径的确定：150mm，螺杆长径比35。螺杆的长径比L/D指螺杆的有效长度L和螺杆的直径D之比，如果是新型的螺杆，其有效长度中应该包括混炼段的长度。长径比是代表挤出机性能的一个主要的技术参数。

欧洲塑料橡胶机械制造厂委员会建议长径比12、15、(18)、20、(24）、

25、28、30、35，括号中的数值尽量不用或少用。对于某些排气螺杆，长径比达到40左右或更长。

L=35D=35×150=5250mm

普通螺杆普通螺杆全长分为三段，即加料段L 1 、压缩段L 2和计量段L 3,计量段

有时也叫均化段。压缩段与熔融理论中的熔融段并不完全相同。在熔融理论中，熔融起点和熔融重点以及熔融段长度Lm 在螺杆上并非固定不变，他们随着挤出工艺条件和塑料性能的变化而变化。而压缩段指的是螺槽深度有加料段深H 1变至计量

段槽深H 3的那段长度，它是螺杆设计者人为设计的长度，一旦螺杆设计出来这个

长度也就确定了。

2.3.1螺槽深度和压缩比的确定

螺槽深度是很重要的参数，我们可以从制品的质量与产量两方面来分析。

（1）计量段槽深的确定：

我们知道，计量段中熔料的剪切速率γ可按下式计算：

γ=π3

H D n （3-1） 显然，计量段螺槽深度H 3愈小，在相同的螺杆转速下剪切速率便愈大，因而分子间的内摩擦力也愈大。从式（3-1）可以看出，熔料因内摩擦而产生的热量正比于剪切应力和剪切速率〔4〕。由于剪切应力而产生的热量和螺槽深度H 3的平方成反比。

Q ∝τγ=ηa γ2=ηa 2

3

2)(H Dn (3-2) 式中： Q —熔料因剪切产生的热量；

τ—剪切应力；

γ—剪切速率；

η

a

—熔料的表现粘度。

由此可见，螺槽深度较浅时，物料层内部会产生较多的热量。此外，螺杆上物料层较薄，由外界加热器传进来的热量也容易将塑料热量。这方面因素都证明了计量段槽深较小时，对促进塑料的塑化质量是很有好处的。

从混合效果上来讲，计量段槽深H

3

较小时，混炼程度较高，制品比较均匀。在本章后面我们将进一步指出：当计量段槽深较浅时，压力波动和温度波动都比较小，这时对制品的综合质量都是有利的。

但是，我们知道，只有那些承受高剪切速率的的塑料，如聚乙烯，才能选用较小的槽深，这类塑料的成型温度范围很宽（如聚乙烯成型温度范围为150～220℃,其范围达70℃），热稳定性很好。因剪切或其他原因造成的局部过热不易造成无法弥补的后果。相反对那些步能承受高剪切速率的塑料，如硬聚氯乙烯等热敏性塑料，他们的粘度较高，如果螺槽深度较浅，势必造成过多的因高剪切产生的热量。

再加上这类塑料的成型温度范围比较窄，粘流温度T

f 和分解温度T

d

比较接近（如

硬聚氯乙烯加工温度范围为150℃～190℃，其范围仅40℃），热稳定性较差，强烈的内摩擦将使它们过热分解甚至烧焦。因此，加工这类塑料的螺杆计量段螺槽深

度H

3

不能选择过小。

. 几种常用塑料在计量段中的最大剪切速率如表所示：

表中的数值并不是不可以突破的，尤其是承受高剪切的时间很短时，例如在某些新型螺杆的屏障棱上，我在后面还要进一步分析这个问题。

根据表格取γ=711-S

由 公式γ=π

3H D n 得 γ

πn D H =3=mm 5.7711701415.3≈? 以上从挤出质量的观点分析了计量段螺槽深度H 3的影响，此外我们还可以从产量的角度来分析计量段螺槽深度H 3的影响。从熔体输送理论的生产率公式可以看出：正流Q d 正比于螺槽深度H 3，而压力流Q p 却正比于H 3的立方。由此可以分析：当机头压力较低时，增加计量段螺槽深度可以增加产量；而当机头压力增大到超过临界压力，加深H 3并不能使生产率增加，甚至还会产生相反的作用。

也可以从融体输送理论来估算螺槽深度H 3的最佳值，

)2(633

231WH Q H v d d z p

-=η (3-3) 将上式对H 3求导并令导数等于零，经一系列推导，可求得H 3的最佳值：

H 3=（φ23

6DSin L K Q ∏）21 (3-4)

式中 Q K _____口模形状系数。

在未知口模系数情况下H 3的值没办法确定。有上面的分析可知，H 3的决定受到多方面的因素影响，很难用一个简单的理论公式来进行计算。设计时，还可以根据经验公式（3-5）来决定螺槽深度H 3

H 3=kD （3-5）

据统计螺槽深系数k 值，发现大致规律如图14-6所示。由图可见，计量段螺槽深系数k 大都在0.02～0.07范围内。螺杆直径较大者，k 值应选择较小，螺杆直径较小者，k 值应选择较大；热稳定性较好的塑料k 较小，热稳定性较差的塑料k 值较大；当螺杆长径比较大时，k 值可以选择较大。这是由于长径比较大的螺杆的计量段L 3可以设计的较长，此时由于螺槽深度H 3加大造成压力流Q p 的增加和混炼段M 的下降可以通过计量段的增加来弥补。除此之外在设计新型螺杆时，由于附加的混炼元件保证了塑料的熔融与均化，因此新型螺杆的计量段槽深系数k 也可以取得最大值。从图14-6还可以看出：根据塑料热稳定性的不同，系数k 分为三个区域。上层适用与PVC 等热稳定性较差的塑料，此时k 值较大。下层适用热稳定性较好的塑料，此时k 值较小。

根据经验公式可以来校核，当H 3=7.5mm 时k 的取值为4.5在k=0.02～0.07范围内。

（二）加料段槽深和压缩比的确定

加料段的主要目的是建立必要的压力和保证稳定的固体输送。但自今为止加料段的槽深H

的影响还不是很清楚。按Darnell-Mol理论的固体输送生产率公式

1

增加后固体输送生产率会提高。由于加料段中的塑料并不像D塞流理论加料段H

1

所假设的那样整块的移动，而是在断面上有一速度分布。加料段螺槽较深时，压力难以传至螺槽底部，靠近螺槽底部的塑料运动速度较慢，这就降低了固体输送生产率。因此存在一个最佳加料段槽深。颗粒内摩擦因数较高的塑料，要比颗粒内摩擦因数较低的塑料更接近于整块移动。

实际上，加料段槽深是根据螺杆压缩比和计量段槽深来确定的。所谓压缩比是指螺槽加料段第一个螺槽容积和计量段最后一个螺槽容积之比，即几何压缩比，而不是螺槽深度之比。这个数值不同于物理压缩比。后者指的是塑料在加料时的松密度和受热熔融后的密度之比。如，聚乙烯在松散时密度为0.55～0.64g/cm3，而熔融后的密度为0.76 g/cm3.因此，其物理压缩比为1.38～1.18。

显然几何压缩比应大于物理压缩比。这是因为除了应考虑密度的变化之外，还应考虑在压力下熔融料的压缩性、塑料在加料段的装填程度、挤压过程中塑料的回流等因素，尤其还应考虑制品性能所要求的压缩密实的必要性。应此对加工同一种塑料的的螺杆，不同设计者对其几何压缩比有不同的选择，而加工不同塑料的螺杆，其压缩比变化应更大（大多数在2～5之间，个别情况大至8，小至1）。根据螺杆国内外的资料统计如下：

常用螺杆的几何压缩比