挤出机机头设计.docx

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1、刖言随着我国橡胶机械工业的快速发展，橡胶制品的应用范围也在不断扩大，因此对于挤 出成型技术也有了更高的要求。在挤出成型的一系列过程中，以温度的调节控制和熔融的 物料进入挤出机机头以及橡胶在挤出机主机中塑化的过程最为重要。螺杆作为橡胶挤出机 主机的重要部件，它的设计加工已经很完善了。随着各种各样的智能控制系统的发展，温 度调节控制系统也取得了进展。然而，挤出机机头的结构设计却仍然有很大的提升空间， 并没有发展的很完善。这是因为在挤出成型的整个过程中，会遇到各种复杂的情况。而对 于机头的设计，目前并没有适用于所有情况的理论公式，实际经验是挤出机机头的设计的 主要依据。机头设计后，通常用试模的方法来

2、确定最后的形状。这不但增加了设计人员的 工作强度，也为整个的设计过程造成了诸多不便，同时也提高了成产成本。挤出机作为橡胶工业的基本设备，在生产橡胶制品的过程中起着重要的作用，也是决 定产品质量的重要设备之一。国外橡胶挤出机经历了不同的发展阶段，从最初的柱塞式挤 出机开始发展，其中经历了普通冷喂料型挤出机以及销钉冷喂料挤出机等阶段，再到现在 的复合挤出机，其发展的日益完善，性能和生产能力也不断提高。固特波公司是在挤出机 的发展过程中，最先申请了用挤出机来进行胶电线生产的专利，并改进了该挤出机设备。 由此，挤出方法对于生产日益重要，而先前的手动式挤出机也渐渐地被电动操控挤出机所 取代。早期的电缆和

3、电线源源不断地被柱塞式挤出机生产出来，电缆的生产用挤出法也由 此而确定。挤出机是挤出成型加工过程中的主要设备，除此以外，还有机头、牵引装置、冷却定 型装置等附属设备。橡胶在机筒内塑化熔融，通过机头制成所需要的形状，最后经过冷却 定型后就可获得与机头截面形状相吻合的产品。挤出成型法相比于其他类型的成形方法主 要具有以下显著的优点：1、设备制造容易，成本较低，投产快，投资少。2、产量高，效率快。3、可以实现连续化生产。制造较长的型材、管材等也比较容易。而且产品均匀密实， 质量高。4、工艺较易控制，生产操作起来比较简单，便于实现自动化生产。设备占地面积小， 污染少，易于保持清洁的生产环境。5、可以实

4、现一机多用。对于同一台挤出机，只需更换机头，就能加工不同的制品。挤出机机头是连接在机筒上的零件，挤出产品的形状取决于机头，其主要作用有：1、改变挤出物料的运动状态，由螺旋运动状态改变为直线运动。2、为保证制品质量密实，使挤出物料产生一定的压力。3、进一步促进物料塑化。4、使物料的截面形状满足产品设计要求。1挤出机机头设计要求概述1.1挤出机机头通用设计原则挤出机机头要遵循一定的合理的原则来进行相关设计，总结起来讲，主要有以下几个 原则：1、为缩短清洗时间和组装时间，挤出机机头的零部件要尽量少，而且要注意各个零 部件的相互配合以及对中性。2、要尽量减少机头中相关的连接环节。部件数量减少的同时不但

5、可以节约成本，也 可以减少各个零部件在流道中的连接环节。连接部位连接不良不但有可能导致漏料现象产 生，也有可能使物料降解。此外，连接部位要易于清洗。3、运动部件与静止部件之间的间隙要进行密封。主要方法是可以通过加上大尺寸的 密封条或者填充绳来进行密封，需要注意点是应该加在静部件的半圆形或矩形沟槽内部。 用来做密封元件的材料主要有像PTFE这类耐热性比较好的塑料以及像铅这样的低硬度金 属。4、为确保整个密封表面的密封力分布均匀，要尽可能使密封表面平且小，同时要对 这里的表面压力进行校核。5、挤出机机头尽量有法兰可以转动，而且比较大的机头要安装在可以移动的或者可 以调节的上面。6、挤出机机头的组装

6、紧固尽量不选用多个小的螺钉（这是因为直径大的螺栓寿命更 长），而用比较少的耐热螺栓；螺栓在安装时尽量使其不必拆卸加热器，要尽量使其安装 容易。7、若挤出机机头的各个零部件温度并不完全相同，设计时，要考虑到热膨胀的问题。8、挤出机机头设计时，不但要考虑温度传感器、压力传感器、螺栓孔对机头强度的 影响，还要保证机头在受力产生形变时的尺寸符合要求。当流道的结构确定时，要注意以下要求：1、熔融的物料要尽量沿着中心位置进入流道。2、流道中截面积大的区域流速也低，熔融的物料在这样的区域滞留的时间也就越长， 这会引起像PE这样的热敏感型混合物料的降解。针对这类材料，要服从最小流道体积原 则，可以通过减小缝隙

7、挤出机机头分配流道的方法，以便缩短挤出机机头的轴向长度。3、机头流道中要避免物料流动方向的突变，也要防止截面积突变，即流道中不能有 死角，所以各个位置的半径不能小于3mm。4、在设计挤出机机头的平行成型区时，要消退流道端部的可逆的形变，且要根据生 产的产品的性质和所加工熔融物料来进行设计。5、要进行流道设计时，要减少流痕的数量，甚至要避免产生流痕。这是因为流痕会 影响挤出机挤出物料的质量。1.2机头材料的选用1.2. 1挤出机机头选用材料要求挤出机机头在进行相应的设计时，一定要选用合理的材料，要符合以下几点要求：1、便于加工2、刚度和强度足够大3、足够的耐磨性、耐压性和耐热性4、表面硬度也要要

8、足够大5、便于进行相应的热处理6、进行热处理时形变要尽可能小7、便于获得合理的、无气孔的表面8、便于进行镀铭等处理9、具有良好的防腐性10、消除内应力11、具有良好的导热性1.2.2机头材料特殊要求以上这些在其他的加工中也有要求，并非挤出加工所特有。显然，只用一种材料并不 能满足所有的以上的要求，因此，在进行材料的选择时要注意下面几点：1、所加工的聚合物的种类。填充物料和腐蚀性对于磨损的影响，以及加工温度对磨 损的影响。2、挤出机机头的加工工艺。材料强度在600N/mm2- 800N/mm2最适于加工，最高强度 要求应该在1500N/mm2以下。3、考虑材料的加工强度。太脆的高强度钢不适合用来

9、加工大的挤出机机头，这是因 为在进行材料的选择时一定要考虑到弯曲应力。4、要采用的热处理。为防止引起变形，除了可以选用部分有色金属之外，通常选用 以下合理的钢材作为挤出机机头的材料。5、钢材进行氮化处理6、钢材进行表面硬化处理7、选用不锈钢8、调质钢材9、安全硬化钢材表1-1机头主要零件选用的材料Table1-1 The nose material of main parts selection零件材料模芯40Cr模套40Cr模芯座38CrMoAl进料口45分配器38CrMoAl螺栓Q215表1-2护套材料参数Table1-2 Sheath material coefficient护套材料粒度

10、分子量门尼粘度抗拉强度丁苯橡胶14-2020万-30万48-66250-280kg/cm21.3 XJ-150挤出机机头设计要求在进行XJ150挤出机机头的设计时，要满足以下要点：1、关于机头的内腔的形状应该设计成流线型。为防止物料因为受阻停滞而产生过热 分解的状况，保证熔融的物料能够沿着流道均匀的向前挤出，机头中不允许出现突变、急 剧减小的设计，也不允许出现停滞区和死角，要尽可能的保证合理的设计使流道表面设计 光滑，表面粗糙度Ra的值建议最好不高于0.4um。2、截面形状要准确。机头的成型截面形状跟产品实际的截面形状存在一定的差距， 这是由于橡胶的性能和收缩率的因素，以及压力和温度的不同而造

11、成的。为了使挤出机机 头的挤出产品有准确的截面形状，在设计过程中应该能够考虑到这一相应的影响。3、选用合理的材料。制造机头的材料应该耐磨耐腐蚀性能好，硬度大，抗拉强度高， 部分机头应根据实际情况进行镀铭。4、压缩比要合理。为了消除因为分流支架的原因而造成的结合缝，需要根据橡胶制 品及橡胶种类的不同，来设计可以产生足够压缩比的挤出机机头，保证制品质量密实。5、结构紧凑，拆装方便，连接严密。在满足力学性能要求的前提下，应使机头结构 紧凑，拆装方便，传热均匀，连接严密，且不能泄料漏料。挤出机是进行挤出生产的主要设备，在进行挤出生产时，每套模具只能够安装在跟其 相匹配的挤出机上。在进行机头的设计时，除

12、了要满足制品的材料性能和形状尺寸要求外， 还需要掌握螺杆结构参数、端部结构尺寸和生产率等挤出机的技术规范，并且要保证挤出 机的工艺参数满足设计的要求。机头的设计不但要达到制品的强度指标，还要满足橡胶制 品的外观质量要求，同时还要求挤出机的相关参数和机头的物料性能相适应，即要求挤出 机机头能够安装在与之相应的挤出机上，并且在给定的转速下能够正常工作，否则的话， 挤出工作就不能正常进行。因此，机头的设计应该考虑到挤出机的因素，二者有着密切的 联系。不同型号的挤出机机头安装部位的装配尺寸也不相同。2机头尺寸设计要求2.1计算要求在进行机头的尺寸设计计算时，需注意以下几点：1、选用合理的机头类型。这主

13、要取决于挤出产品的形状以及种类。2、确定机头内流道的尺寸。需要根据挤出量和挤出压力，分析流道内物料的运动状 态。3、对机头主要零部件的强度是否符合生产要求进行一系列的校核，本次设计主要考 虑螺栓是否符合要求。需要考虑熔融的物料在挤出机机头内的所具有的压力大小。4、对机头进行相应的热平衡计算，选择合理的温度控制系统。表2-1主要参数Table2-1 The main parameters牵引速度螺杆直径机头最大压 力护套厚度芯线直径2.5-3m/min150mm40MPa5-5.5mm70mm2.2尺寸选取原则机头类型主要由挤出产品自身决定，流道的尺寸主要运用高分子材料流变学中的剪切 理论决定，

14、根据挤出产品截面形状的不同，依次对机头的压力、生产能力、流道内物料的 速度分布、以及口型长度进行相应的分析计算求得。为方便起见，不妨做如下假设：1、物料是不能被压缩的2、物料在机头中的温度沿机头的方向呈一致性分布3、物料在机头内流道上不会滑动，即物料在此处的速度为04、物料遵循非牛顿流体的指数方程3主要零部件尺寸计算3.1模具选择原则橡胶电缆产品质量的优劣，与橡胶本身的质量、挤出的温度、挤出机的性能、牵引芯 线速度、芯线的预热、橡胶挤出后的冷却定型、挤出机机头模具的设计等诸多因素有关。 模具作为在橡胶电缆用挤出机进行挤出生产过程中最后用来进行相应定型的主要零部件， 是影响所生产电缆产品最终质量

15、的最关键因素之一。模具的相关参数直接决定了电缆加工 能否成功，比如：模具的形状、模具的尺寸、结构设计、压力的大小和温度的高低等。正 因为如此，任何橡胶电缆电线产品的生产都高度重视模具的相关设计、模具的选配以及保 温措施。挤压式模具是电缆电线生产的主要模具类型之一。挤压式模具是模具的一种，它又被 称为压力式模具，挤压式的特点是相比于其他类型的模具其模芯并没有存在管状承径的那 一部分，并且不同的是它是缩在模套承径部分的后面。熔融物料的定型是靠螺杆产生的压 力通过模套来实现的。挤压式模具挤出的橡胶层结构密实，表面光滑平整。熔融橡胶压力 的大小取决于模套与模芯之间夹角的大小，橡胶层的质量和最终挤出的电

16、缆的质量也受此 影响。而挤出电缆制品的表面质量和几何形状尺寸直接取决于模套和模芯的表面光洁度及 其尺寸大小。橡胶挤出后的膨胀和冷却后尺寸的收缩等因素对模套孔径的大小有一定的影 响。挤压式模具的出胶量和挤管式模具相比要低很多，这是因为压力式挤出会使橡胶在挤 出机机头模口处产生较大的反作用力，从而减少了挤出量。除了部分电缆护套（或绝缘层） 的生产采用半挤管式和挤管式模具之外，目前大部分电缆电线护套（或绝缘层）的生产都 采用挤压式模具。不过挤压式模具由于偏心调节困难的因素，护套（或绝缘层）厚薄的误 差比较难控制。3.2模具设计原则模具的质量直接决定了橡胶挤压的质量，因此，对机头模具的设计加工有比较高

17、的要 求。设计时要满足以下要求：1、模具和物料直接接触的表面光洁度要高，要足够光滑，表面粗糙度要不低于6。 为保证橡胶制品最终成形时其表面的光洁程度，对模套的承径区的光洁度要求就更高了， 一般情况来讲，可镀上厚度为0.03mm0.05mm的铭使其符合要求42、熔融的橡胶在流道内流动要通畅，流道内不允许有死角、突变等设计。不论是在 挤出机机头还是机头内部的模具中，任何有可能造成不合理的设计如物料停滞、形成涡流 等都要改进以避免不合要求。3、模套内锥角的度数要大于模芯上的角度。这是由于熔融的物料在模具内会存在一 定的压力。4、模具各个部位的设计应满足尺寸公差要求，要具有互换性。5、模具要有足够长的

18、使用寿命。模具制造通常采用的材料是45钢，实际生产中，可 把钨钢模头镶嵌在由45制作而成的模芯座上制成一个合成结构，这样就可以提高其耐磨 性。3.3相关尺寸计算3.3.1模芯尺寸设计挤压式模芯d1：模芯内径这是影响挤出质量的最重要的结构尺寸，其设计依据取决于芯线的结构以及芯线的几 何尺寸。设计尺寸过小：会造成穿线困难，芯线经过模芯阻力大，容易刮坏芯线，严重的可能 会拉断芯线。特别是对于线径不均的绞线来讲，断线的主要原因就是模芯过小。这是因为 如果模芯小，那么芯线经过时就会不流畅，牵引出芯线时会造成卡顿，从而造成包覆在外 面的橡胶护套(或绝缘层)厚度粗细不均匀。此外，由于不断增加的磨损，模芯很容

19、易损 坏。设计尺寸过大：会造成芯线与模芯间隙偏大，芯线在模芯内就比较容易摆动，进而会 在挤出时产生偏心。尺寸太大不但对橡胶层质量有影响，还有可能造成断线。这是因为在 挤出过程中，尺寸太大容易倒料。通常情况下：绞线的长度d1= (0.100.30mm) +d小。当然，对于芯线直径比较大的电线，这个数 据的取值范围还可以放得更宽，大截面成缆芯线d=d + (0.401.0) mm因此，这里取1小di =d 小+1.0=71mm1 d 模芯外径d；主要是用来决定模芯顶部端面厚度。即e的尺寸，因此e=0.5 (d2-d1)e太薄：不但制造有困难，而且模芯寿命较短，模芯易损坏。21e太厚：熔融橡胶在流动

20、过程中容易发生突变，这会引起挤出压力的波动，在模芯端 面形成涡流区。通常情况下，模头壁厚e=0.31mm，模芯越小，则壁厚越小，反之则越大。因此，模 头壁厚e取1mm，进而得出模芯外径d =73mm2B：夕卜锥角外锥角是根据挤出机机头的整体结构和橡胶流动过程中的相应特性进行设计的。在物 料挤出时做受力分析，不难看出，外锥角越小，推力就越大，而压力就越小。虽然这样挤 出的速度快，产量也比较高，但容易造成橡胶护套(或绝缘层)包得不紧密，电缆表面不 够光滑。反之则推力小，压力大。外锥角大时，物料挤出速度慢、产量也相对应降低，但 橡胶护套(或绝缘层)包的紧密，外表面光滑。通常情况下，选用模套的内锥角a

21、时，要 保证其不小于模芯的外锥角B。这是因为模芯的外锥角越小，则流道就越光洁平滑。对橡 胶的结构也就越有利，通常模芯外锥角不大于45 .在挤出橡胶等高分子聚合物时，为了 使制品获得较高的耐龟裂性，应该充分注意并避免预留内应力，其主要是由突变而导致的。 B的常用取值范围在2040。之间，橡胶护套（或绝缘层）特别薄的可以取10，护 套（或绝缘层）比较厚且需要包紧一些的，模芯外锥角可以取60。结合生产要求，模芯 外锥角B取46 .B:模芯内锥角在保证螺柱壁厚符合强度要求的前提下，B越大越好。但B与内承径之间要配合 好，为了防止穿线困难，不允许出现台阶。在一些内锥加工困难的特殊情况下，可以将内 孔加工

22、成台阶式。台阶之间要以60。的倒角相衔接，以便于穿线。B在这里取26 .1：内承径（又叫内承线）内承径的大小影响模芯的使用寿命，并且决定了芯线经过模芯时的稳定性。内承径太小：芯线的位置难以固定，稳定性差，会加剧内孔的磨损，使内孔变大，不 符合尺寸要求。内承径太大：会使模芯加工困难，而且由于芯线和模芯配合过紧，摩擦阻力加大， 芯线容易被拉细甚至拉断。通常情况下，生产单根线的内承径较长，而生产绞线的内承径较短。这样做是为了方 便穿线，同时也为了防止芯线和模芯产生过度的摩擦。对于直径较大的电缆，一般1=（0.4 1） 4所以最终内承径长度取30mm.L1：锥体长度锥体长度可以通过D、B、d2进行求解

23、，这是参考尺寸。可以看出杉堂=DL，所22 L1(3-1),D - dL =21 c P金2如果匕的长度因不合适而与机头配合不合理，可以通过不断改变模芯外锥角的方式， 直至锥体长度合理。D：模芯外锥最大直径D的尺寸是由模芯座的直径决定的。模芯与模芯座之间的配合的要求非常的严格。这 里不允许出现“前台”和“后台”，同时也不允许倒角。否则的话，将会出现滞留橡胶的 死角，不但会影响整个护套的组织，也会影响胶料的表面质量。根据模芯座尺寸得出D=126mm。图3-1模芯Fig3-1 Mold core图3-2模芯三维图Fig3-2 The three dimensional figure of mold

24、 core3.3.2模套尺寸设计挤压式模套D大：模套内径模套内径的尺寸影响挤出护套的表面质量，护套（或绝缘层）外径的大小也取决于模 套内径。模套内径太大：橡胶拉伸大，护套（或绝缘层）表面质量差，粗糙无光。模套内径太小：优点是护套（或绝缘层）表面光滑，缺点是会造成护套（或绝缘层） 厚薄不均，直接影响外径尺寸。橡胶从机头挤出后，同时考虑挤出胀大和冷却收缩，得到选配模套尺寸的经验公式：挤橡胶护套（或绝缘层）：D大二d大+ （0.05mm0.20mm）。这里的d大指的是电缆的 外径。因此D大二80.2mmL:模套承径（也叫定径区）模套承径尺寸的大小会影响挤包护套（或绝缘层）的表面质量和挤出机机头偏心度

25、的 控制，同时也会影响机头内熔融物料的压力。模套承径尺寸过长：会造成机头内熔融的橡胶压力偏高。从而使料流流动阻力大，熔 融的物料不易流出。而且，挤出后的护套（或绝缘层）表面会不够光滑。同时，模套承径 过长会降低生产效率，使得收线慢，若提高收线速度则有可能拉断护套（或绝缘层）。模套承径尺寸过短：会造成机头内熔融的橡胶压力偏小。熔融的物料流流动阻力较小， 容易流出。并且挤出后护套（或绝缘层）表面更光洁。而且生产效率高，挤出绝缘不易拉 断。但L短会造成橡胶绝缘挤包压力不足，电缆外径尺寸不均等状况。因此，根据经验，定径区长度等于模套内经的一定倍数比（或者取电缆护套外径的一 定倍数比）通常L= （0.2

26、3） D大对于成型性差的橡胶，要适当加长模套承径的长度；对于成型性好、粘度大的橡胶， 可以适当减小模套承径长度。结合要设计的参数，模套承径L=30mma：模套内锥角对于挤压式模具，模芯外锥角B通常要小于模套内锥角a .只有a大于B，才能使橡 胶流道截面渐渐收缩，并逐渐增大挤出压力，这样挤出的橡胶护套（或绝缘层）组织紧密， 质量高橡胶与芯线紧密结合。角差大，压力大，阻力也大；角差越小，阻力也越小，橡胶 与芯线包合紧密，生产效率会相应提高，出胶量也会增大。对于挤压式模具，为了使橡胶 与芯线结合紧一些，可以适当增大夹角。因此，（aB ）这个角差非常重要。通常（aB）=610 模芯内锥角a=3050。

27、对于流动性差的物料，要适 当减小角差，反之则可增大角差。对于挤出层特别薄的，a=20；对于挤出层比较厚的且需要包合紧一些的，a=75。 根据设计要求，a取70 .D1：模套外径模套外径的尺寸的确定主要依据模套压盖内孔的尺寸来进行相关设计。通常情况下， 此尺寸要比压盖内孔小2mm3mm。但是，模套内经的尺寸也不能太小，否则的话，模套内 径和模套座的间隙会偏大，这会造成散热不均。所以得出D =122.2 mm。1D2：模套压座外径D；尺寸设计的依据是模套座内孔，通常要比模套座内孔小0.5mm1.5mm这个尺寸是 保证同心度的必要设计，是工艺上的偏心要求。间隙的尺寸要合理，过大会影响挤出过程 的稳定

28、性，严重的有可能产生自行偏斜；尺寸过小则不能满足调节偏心的规定。因此得出 D =144 mm。2f：模套压座厚度模套压座厚度的设计依据模套座深度，通常要比模套座高出0.3mm0.5mm。5：间隙6是指模套承径和模芯端面两者之间的距离，为得到所要求的护套（或绝缘层）厚度， 可以通过调节模套和模芯之间的间隙的方法获得，这样也可以保证挤出护套（或绝缘层） 的厚度是均匀的。5太大：这样会使橡胶的反压力也增大。橡胶从模芯内孔中向后产生倒流现象，可 能会拉断芯线。而且5太大会产生偏心，使模芯和模套中心对准比较困难。6太小：使橡胶流动的阻力增大，出料不匀，容易造成护套挤包不紧。当模套定径 区被模芯头部顶住时

29、，因橡胶出口受阻，这样产生的内压力较大。这会使挤出机机头损坏， 甚至造成事故。选取合适的6,适当增大橡胶对芯线的压力，橡胶流动阻力小，挤出护套表面质量高， 挤出机的生产效率也提高。小径芯线通常6=12mm或者取6日（0.52） P 其中，P 是指护套厚度，在实际生产中，以橡胶不产生倒料为设计原则，要尽量避免60.5P的情 况。本次设计的护套厚度为5mm，所以6=1.08XP=1.08X5=5.4mm图3-3模套Fig3-3 Die set图3-4模套三维图Fig3-4 The three dimensional figure of die set3.3.3模芯座整体尺寸设计模芯和模芯座之间通过

30、螺纹连接，未包覆护套的芯线从模芯座中穿过。因此，模芯座 的尺寸取决于模芯的尺寸，同时，模芯座的尺寸也影响分流器的相关尺寸。不难看出，模 芯座的内径等于模芯内锥的最大直径，即D=100 mm，模芯座的外径等于模芯外锥最大直 3径，即D=D=126 mm。因为模芯和模芯座采用螺纹连接，因此，模芯座内螺纹长度等于模 4芯外螺纹长度，等于28mm。螺柱壁厚等于模芯座D/勺长度，为5.5mm。根据模芯的外锥最 大直径和模芯内锥最大直径之差可以求出模芯座壁厚等于13mm。模芯座螺纹处要加工上螺 纹槽，长度为3mm，直径为115mm，螺纹螺距为3mm。模芯座上要开一直径为12的孔，用 以固定模芯座。需要注意

31、的是，为了防止出现橡胶滞留的现象，影响胶层表面质量，模芯 座与模芯接触的外径处不允许倒角。图3-5模芯座Fig3-5 Mold core base图3-6密封套Fig3-6 Seal cartridge3.3.4分配器尺寸设计分配器是挤出机机头的重要零部件之一，它的作用是将熔融的物料均匀的包覆在芯线 上。通常，挤出物的厚度要均匀，特殊情况下会要求熔融的物料满足一特定的厚度规律离 开机头。图3-7分配器Fig3-7 Distributor不能假定熔体分配器中有关成型段的长度，它宽度的变化沿着模头是尽可能均匀的， 目的是获得尽可能低的应力，不断试验可以得到它的尺寸。为了满足这一要求，可以通过 计算

32、熔融的物料在其内的滞留时间，平均滞留时间的计算以下两组数据，分别是流径的长度以及流体端面的平均速度:xt (x) = j X -dx + ()-v L 匕(x)匕(x)式中：分配器的平均速度为匕(x)兀 R 2( x)（3-2）（3-3）vs(x)常量二错误!未找到引用源。=2.5m/min图3-8分配器套成型段的平均速度为:Fig3-8 Set of distributor在侧进料的挤出机机头中，熔融的物料通常以90进入，当有冷的空气进入模芯或者 半成品等进入时，采用这种方法是有必要的。熔体分配器将进入机头的熔融的物料进行周向的分配，通过熔体分配器，可以将熔融 的物料的运动方向由径向流动变为

33、周向流动。熔体分配器一般位于挤出机机头的壳体上或 者位于模芯上。在侧进料的挤出机机头中，应该保证熔融的物料在出口处速度保持均匀，为达到这一 要求，通常采用的方法是绕着模芯上开出一个环形槽，断面要足够大，环形缝隙要位于环 形槽的后面，且为高流阻。此种类型的挤出机机头类似于将一个T型熔体分配器包覆在圆 柱体上面，它也存在不足之处，主要是因为熔融的物料在其上的滞留时间存在较大的差异。图3-9调整螺母Fig3-9 Adjusting nut还有一种方法可以使熔融的物料在出口处速度均匀。就是在熔融的物料流经处放置一 个环型鱼雷头，这是因为这样可以保证挤出机机头的两侧流径长度从出口到入口都相等。 当然，这

34、种挤出机机头也有缺点，主要是因为熔融的物料分配不合理，除非将高流阻平行 成形区设置在其后面才能使物料的分配均匀。此外，这种方法还有一个缺点就是将存在两 条流痕，这是因为分流的存在。若采用衣架型熔料分配器或者采用鱼尾型熔料分配器的设计原理的话，如果模芯的直 径比缝隙的宽度和流道的直径足够的大，理论上讲，侧进料挤出机机头的物料分配是可以 足够均匀的。图3-10料流截面Fig3-10 Material flow cross section直角挤出机机头中的高压降比宽平缝机头更容易处理，且其结成的内压处理起来也比 较简单。这是由于管型只需按照内压来进行设计，一般情况下，熔体分配器的设计不必与 工作相关

35、条件有关。因为以上所述的有关成型区的计算，其最大长度值偏大，因此最好能选用一种合理的 计算方法来进行分配流道长度的设计。目前所采用的方法是在侧进料挤出机机头的其中一 端，进行熔融物料的合流，从而得出所要求得的合理尺寸。锥形分配器不但压力损失较低， 而且更节省空间。与之前所述不同的是它的分配流道不是在圆柱体上而是在圆锥体上。因 为它的模芯是锥型的，因此，成形区的高度缝隙要设计成沿着物料的流动方向渐渐变大的 而不能是一成不变的，通过这种设计，进而使剪切速率在缝隙中保持为一常量。已知当量 的剪切速率的公式：（3-4）”=60es 兀 r (y )h 2 y将v=2.5代入，所以可以求得h（y）和rm

36、in分别是:r (y) = r . + y sin a =10mm和条件无关的工作时，设计分流道的半径最大值为：R0 = 0.899(r . h )3(3-5)代入得R=230而对于成型区，长度最大值y E二n： 0一 1111y = h3 r3 (6.29h3 sina + 5.016r3 )(3-6)0 max minmaxmin所以 y0=210mm综上所述，最大半径可以求得为：、.h5八r = r + (2R + y )sin a + -maxcosa(3-7)max min002所以 r=67.5mm这个值在估算所需空间时很有必要。可以根据分配流道中为常量的剪切速率来求得分配器流道距

37、离与半径之间的函数关系：& 1(3-8)R &) = R(：)3有关成型区长度的变化，关系式如下：12y(&) = y .(次.也I土*inaS4(3-9)0兀兀h3,rsin a + 4R4max min0代入数据得y(E) =452mm在熔体分配器中，平均滞留时间为：33(3-10)牝*2h)Jy=Lmin max3sin a V0将 r=10, y=210 代入得 t= 10s 压力在熔体分配器中的损失为:33(3-11)小8V 5s(r +sin a )2 - r2 total3兀sinah3 t2max max将 v=2.5, r=10 代入，得 Ap= 28MPa(3-12)(3-

38、13)图3-11分配器横截面Fig3-11 Distributor cross section1、计算粘滞力在流道内壁的大小：流道内壁受到剪应力Tw，此处按照管流来进行计算，查表得到：询ApT广五f广五.%1由 F =t A (A = 2兀 R L )得，F = Ap 兀 2 对此，A p a 0F R 0 w1 1z11 1tZI2、当收到大小为Pj内压时的张开可以求出张开量在内压作用下的大小fj，经验公式为：/ =藉 4( R2R2)+日1 ER 2 - R 2a 1将 R =10，Rj6，p=28 代入得 fj12式中，u是指泊松数，对于钢来讲，u X 0.33 (泊松比m = 1 /

39、u)，最大应力处 在流道上，也就是在内壁上，按照c周向r径向的二向来计算应力状态，得出以下方程：(3-14)所以 e=4.5X 10-4查阅文献得1。：_ R2 + R2c maxR 2 - R 21a 1(3-15)r min= -P28MPa进行设计算时，最好使f小于0.05mmp就可以直接带入进行计算，因为其已是常量。 在其他情况下，相关的尺寸要按照压力在入口处的最大值来进行计算，以确保安全性。需 要注意的是，如果能够确认正应力是由挤出机机头的尺寸微变形引起的，则可以忽略不计。若流道高度H/相比与Riv较大，可以用以下公式计算询Ap TTt =2、 H c Hv(3-16)因为a =K

40、(R + R )L，所以F和F之间的关系为：vavivvzva zviF 就 F =t A = MHv (R + R )zva zvi wv v2aviv当然，若环缝半径比H小得多，则需要用如下公式进行计算:(3-17)(3-18)上式中，k = Ri / *,分别令r=Ra和Ri,分别可以求出t wv=6MPa和Twv18MPa，进而可 以求得Fva和L 需要注意，模芯还受到径向的压力，周向压力、轴向压力和径向压力共 同作用。ZV1因为熔融的物料存在压力，在流道内壁上以及反方向上都将产生压力，在？为常量的 2情况下，此压力值可以通过流道表面突出部分受到的力进行简单的计算： 对于面1：F =

41、p2兀.Ru -R2)(3-19)对于这种情况，所计算部分的内压力降呈非线性还是线性一定要进行考虑。若压力的减小 不是呈线性的，需要重新计算，直至数据合理为止。可以通过近似值的方式求得，主要方 法是将各个部分的压力作用在流道壁的突出部分并将其视为常量。要求得总的压力，只需求出各部分的压力最后进行相加即可。若压力是呈线性变化的，那么可以直接求出总压力。 不妨设起点和终点的压力分别为pE和pA，可以得出：F =丸叩（R2 -R2）+ 丸E ，（R3 -R3）（3-20）p E A E 3 R 一 R A EA E上式中，R和R分别代表起点处的半径和终点处的半径，代入得F =30kN E AP当熔融

42、的物料流径机头时，流道内壁和模芯上同时有压力Fp （沿着三个不同方向）以 及粘滞力F，内压p的存在会使机头内部迅速张开。对于分配器的尺寸需要计算流道各部 分的尺寸来得出最终的大小。已知挤出机机头入口处压力为40MPa,芯线的牵引速度为2.5 3m/min，将数据带入以上的方程组，经过合理计算，最终确定分配器的各个尺寸为： 前端直径为126mm，锥度为15度，第二部分直径为170mm，进料口宽度为50mm，后端内径 为187mm。总长为452mm，主体长度为280.8mm，最外锥长度为192mm。图3-12调整螺母Fig3-12 Adjusting nut3.3.5校核进行相关计算校核时，可以采

43、用当量应力的方式进行处理。当量应力的值一定不能大 于材料的许用应力，即oeqop若分配器的相关区域同时受弯应力和剪应力时，用如下 公式进行相关计算：约 (3-21)关于弯曲应力，有以下的方程，(3-22)b =b =Z Mb = MbF +b b max WWxx剪应力为，T=T=F = F Wmax A A(3-23)若实际当中，当量应力比材料的许用应力还要大，则一定要通过重新进行流道的设计 计算或者改变相关零件尺寸的方式使压力损失降低到合理范围内。在进行尺寸设计时，还需要注意以下问题：在进行螺栓受力分析计算时要考虑到不同的方向，挤出机机头内部的作用力最终要全 部被螺栓所吸收。此外，挤出机机

44、头各个部分之间密封的表面要保持压紧状态，需要对其 进行预拉力实验以及表面压力大小确定的实验进行处理。一般情况下是不存在机头各个部 分温差较大的情况的，若出现这种情况，就一定要对挤出机机头的相关部分进行热应力的 检查。已知连接螺栓为受轴向载荷的螺栓组，已知流道内最大压力为40MPa，选用的螺栓的 直径为20mm，个数为8个，螺栓材料为Q215，每个螺栓受到均匀的载荷，大小为F = F(3-24)z螺栓所受到的总拉力的大小，就等于工作压力与残余预紧力的总和。即F2=F+F1已知螺栓的残余预紧力大小为：F = F + (1 ) F = Cm F( 3-25)0 1C + CmC + C所以螺栓总拉力

45、为F2= a F+F0(3-26)所以轴向载荷的拉伸强度条件是：1.3F/、b = i： c (3-27)c - d 24 i螺纹连接件所允许的许用拉应力的计算公式为：b = =320/4=80MPa最终求得Oc52MPaV80MPa，所以选用的螺栓符合要求。总结本次毕业设计通过查阅大量的资料，在了解挤出机的工作原理、机头设计要求的基础 上，对主要零部件的相关尺寸进行计算，运用三维软件对主要零件的结构进行设计，并运 用二维画图软件进行绘制。本文对机头中的模芯和模套以及模芯座的尺寸进行了详细的计 算，对分配器的尺寸进行合理的选择，对所选用的螺栓进行了校核。计算设计后，用三维 画图软件对主要零件进

46、行造型，用二维画图软件进行了零件图和装配图的绘制。通过三个月的努力，终于完成了 XJ-150挤出机机头的设计。从开始设计到最终完成， 每个环节都让我收获颇丰。整个毕业设计的过程不但让我对自己所学的专业有了更深入的 了解，也让我对大学四年所学的专业知识有了更全面的总结，尤其是对于挤出机机头的工 作原理和设计方法有了更深刻的认识。在设计的过程中，掌握了许多公式，并且了解到许 多经验公式都是通过实践获得的，无需知其所以然。此外，通过毕业设计，对于绘图软件 的使用也更加熟练。当然，在毕业设计过程中也反映出自己的不足之处。主要是缺少实践经验以及对于专 业知识的协调整合运用能力。这些有待完善之处会激励我更加认真扎实的学好