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塑料挤出机螺杆的设计与修复工艺初探
发布时间 :[2012/12/7 8:12:37] 浏览次数 2789
摘 要:叙述了挤出机螺杆的基本参数和设计要点、制造要求,并分析了螺杆在工作中的损坏原因,提出了修复方法。
关键词:挤出机;造粒机;螺杆;设计;修复
塑料挤出机是塑料成型加工应用最广泛的设备,其主要特 点是:设备结构简单、挤出过程连续、生产效率高、产品种类 多,操作简单,产品质量容易保证溉能加工常用的PP、PE、 PVC等民用塑料,也~ IPMMA、PA、ABS、PC、POM等工 程塑料。在一定的工艺条件下,能够用来挤塑成型多种截面几何 形状不同的塑料制品,用于生产薄膜、片、板、硬管、软管、异 型材、电线电缆、棒等。若配上相应的辅机还可以周期性重复 生产瓶、桶等中空制品。螺杆是挤出机的重要零件,螺杆设计 制造的好坏对挤出制品的产量和质量有极大的影响,针对中小 型企业常用的单螺杆挤出机螺杆的设计,以及损坏后的修复工 艺进行探讨。
1螺杆的设计
1.1螺杆的结构分析
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。 渐变型螺杆将螺杆工作长度分为3个基本功能段,如图1所 示:(1)加料段L1:由料斗加入的物料靠此段向前输送,并开 始被压实;(2)塑化段L2:物料在此段继续被压实,同时向熔 融状态转变;(3)均化段L3:物料转变为黏流态,螺杆将熔融物料定量、定压、定温地挤入到机头成型。
1.2螺杆的主要参数
螺杆的主要参数有:螺杆的直径、长径比、压缩比、各段 螺纹的长度、螺距等,其参数的确定应根据挤出机的技术参数 确定,即综合考虑螺杆的应用场合及各参数之间的相互关系。 1,2.1螺杆的直径D:螺杆直径主要根据生产塑料制品的规格大小 和产量来确定。直径越大,挤出产量越高,生产能力与螺杆直 径的立方成正比。
1.2.2长径~gL/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,塑料在料筒中停留的时间长,塑化得更充 分、更均匀,可以保证制品质量。但L/D~E大后,螺杆、料筒的 加工和装配都比较困难和复杂,成本高。此外螺杆太长容易变 形,造成与料筒的配合间隙不均,有时会使螺杆刮磨机筒,影 响挤出机的寿命。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。
1 2.3压缩比s:压缩比的存在是产生挤出压力的前提,其大小 的选择应考虑在挤出过程中,既要保证物料充分压实,又不能 压缩过大。PVC的压缩比常取3~4。
1.2.4螺纹各分段的长度:各分段的长度与加工的塑料性能有 关。
(1)加料段L1:为保证压缩段能基本熔融,对于加工熔点 高、热导『生差的塑料,此段应长一些。
(2)塑化段L2: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~:tL2应设计较长一 些,而结晶型塑料可稍短。
(3)均化段L3:L3长一些,可使物料得到相对长一些的均 化时间,也可以减少压力、温度、产量的波动。但L3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。
一般加工结晶物料三段长度分配为:(40%~60%)L、 4D、(30%~45%)L;非结晶物料:(20%~30%)L、 (45%一50%)L、(25%~30%)L。
1.2.5螺棱法向宽度e和螺距S:螺棱宽度大,占据螺槽空间,挤出量 减少。螺棱宽度太小,漏流量增大,电会减少挤出量。一般为 e=0.ID,S=D。
1.3螺杆的设计与制造要求
1.3.1设计要点
挤出成型塑料品种较多,…根螺杆不可能成型所有塑料, 应根据加工塑料特点来设计。在确定螺杆三段长度、螺槽深度 时,应注意螺杆运转速度、机筒温度、生产率、熔体温度和功 率消耗等。螺杆的塑化能力取决于其转速和机筒的温度,另 外,螺杆温度和压力的大小对螺杆3个功能都有影响。 图2为用于单螺杆挤出机的螺杆设计图。该螺杆可用于加工 PVC等塑料制品。挤出机最高产量为55kg/h,电机功率为 15KW,螺杆最大转速78 r/rain,长径比为25:1。其主要参数如 表1所示。
1.3.2螺杆的校核设计后要对螺杆进行生产能力、强度校核。
(1)产量验算:根据螺杆三段的功能可计算出加料段的固 体输送生产率、压缩段的熔融能力及均化段的熔体输送生产 率,但挤出生产率最终由均化段的输送熔体能力决定。所以计 算生产率时主要是依据均化段的熔体输送生产率采计算。
(2)强度校核:由于螺杆为细长杆,在工作中会受到扭、 压和弯的作用,所以在设计后要对螺杆进行强度进行校核。重 点校核螺杆在旋转中机头物料对螺杆的压力、轴向作用力和扭 矩。当计算结果不能满足要求时,必须修改螺杆的某些参数。
1.3.3设计手段。
目前,许多中小企业螺杆的设计仍采用传统的 设计方法,即采用经验设计,其主要缺陷为:设计制造周期长, 一个成品的设计需进行大量的后续试验和修改,生产费用高。 近几年,随着螺杆理论研究的深入,利用高分子材料学、传热 学、流变学、力学、计算机图形学等基本理论,通过计算机 CAD/CAM辅助设计建立的各种数学和物理模型,通过动态仿 真分析对螺杆进行参数化设计取得了一定的成绩,如:利用 UG、Visuai Basic6 0、solidworks软件开发出的各种螺杆参数化设 计模型,为螺杆的优化设计、控制加工过程,获得理想的产品 提供了科学依据和设计手段。
1.3.4螺杆的制造要求
由于螺杆的工作状态是在高温高压下 输送原料,应保证具有高硬度和耐腐蚀睦。 另外,螺杆属于细长轴类,直线度要求高, 截面形状复杂,加工时由于受切削应力、组 织应力和热应力等的影响极易变形,因此对 其制造要求较高。
采用典型细长轴加工的工艺:粗铣一 半精铣一精铣,应合理分配切削余量,一般 粗铣留余量3~4mm,半精铣留余量1~1.5mm。在加工过程中始终以螺杆二端中心 孔为基准,以保证螺杆的直线度和同轴度。螺杆的制造要求:
(1)制造材料应选用性能好、在高温环 境中工作变形小的合金钢或优质碳素结构钢,如:38CrMoAL、 W6Mo5Cr4V2、40Cr等;
(2)毛坯经锻造成型后进行退火处 理,以消除钢材锻造时产生的内应力;毛坯经粗加工后进行调质 处理,硬度为HB260—290;
(3)螺杆精加工后螺纹工作表面要 进行氮化处理,氮化层深度为0.5—0.6mm,硬度为HV850~940;
(4)螺杆螺纹工作面的粗糙度要满足工艺要求,螺纹两侧面不 大于1.6 m,螺纹槽底和外圆不大于0.8 in。
(5)应保证螺杆 的强度和韧性,螺杆的脆性不大于2级。
(6)螺杆表面不允许 有明显碰伤、拉毛、锈蚀、烧伤等缺陷。目前提高螺杆寿命的 工艺有:表面氮化、电镀硬铬、高频淬硬、表面喷涂、喷焊等 工艺。 螺杆和机简装配后,两零件的轴心线同轴度要一致,螺 杆在机简内的装配间隙要合理。装配间隙过大,挤出熔料的 压力不稳定,使塑料制品的截面形状、尺寸误差大,挤出机 的产量不稳定。应根据不同的直径及长径比大小选择合适的 装配间隙,一般装配间隙为+O.O8~0.054mm,直径越大,装 配间隙越大。
2螺杆的修复
2.1扭断损坏和修复
螺杆被扭断,一般是由于操作不当、设备安全控制系统失 灵,或机简内随入料混进金属异物、挤塑原料温度偏低等原 因,使螺杆的转矩突然增加,致使螺杆变形或扭断。由于螺杆 加料段深度h1大于其它段,因此在加料段L1的扭转强度最低, 扭断一般发生在加料段。
扭断的螺杆要根据实际情况考虑是修复或更新。由于螺杆 是细长的螺纹杆,其机械加工和热处理工艺都比较复杂,精度 的保证比较困难。所以,螺杆扭断后是修复还是更换新件,一 定要从经济角度全面分析。
修复工艺通常采用焊接工艺,其基本工序为:
(1)设立螺杆 断裂二端面的定位孔;
(2)装配。装配时要注意断口处螺纹槽 的连续性,并测量焊口处的螺距;
(3)焊接。焊接时应保证焊 缝金属有足够的机械性能,不产生淬硬组织、冷裂缝和结晶裂 缝,保证焊缝与螺杆基本金属的机械性能基本一致。
(4)校 止 .
若是更换新螺杆,应根据机简的实际内径来考虑,按与机 筒的正常间隙给出新螺杆的外径偏差进行制造。
2.2磨损损坏和修复
一般在均化段L3压力最高,磨损最严重。造成螺杆磨损的 原因有很多种,主要有:
(1)原料、螺杆、机筒表面摩擦使螺 杆外径变小,螺杆与机简的装配间隙变大;
(2)工艺温度控制 不稳定,原料分解出大量气体,致使螺杆表面腐蚀;
(3)制造 和装配未达到工作条件要求,使螺杆过早出现变形或磨损。
修复方法有:
(1)磨损螺杆直径缩小的螺纹表面经处理 后,热喷涂耐磨合金,然后再经磨削加工至尺寸。这种方法一 般有专业喷涂厂加工修复,费用还比较低。
(2)由于维修螺杆 比机筒相对容易,所以在热处理氮化时螺杆硬度应比机筒低一 些,可在磨损螺纹槽表面补填料焊接,堆焊时应选耐磨而硬度 相对较软的材料,这样再返修时就可只修螺杆而机筒简单珩磨 一下。一般根据磨损的程度堆焊i~2“ n 厚,然后磨削螺杆至尺 寸。
(3)修复螺杆也可用表面镀硬铬方法,但硬的铬层比较容 易脱落。
无论何种型式的损坏,在选择螺杆是重新修复还是更新螺 杆时,都应综合考虑修理费用与修理后使用螺杆时间与更新费 用和更新螺杆使用时间的比值,采用比值小的方案才是经济、 正确的选择。
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