1、挤出机机头设计挤出机机头设计 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
2、试模的方法来确定最后的形状。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 XJ-150挤出机机头的设计 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
5、量减少机头中相关的连接环节。部件数量减少的同时不但可以节约成本，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
6、的或者可以调节的上面。 6、挤出机机头的组装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
7、料，要服从最小流道体积原则，可以通过减小缝隙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。 2 本科毕业设计（论文） 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、
8、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、便于进行镀铬等处理 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/mm
9、2 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 3 XJ-150挤出机机头的设计 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 模芯 模套 模芯座 进料口 分配器 螺
10、栓 材料 40Cr 40Cr 38CrMoAl 45 38CrMoAl Q215 表1-2 护套材料参数 Table1-2 Sheath material coefficient 护套材料 丁苯橡胶 粒度 14-20 分子量 20万-30万 门尼粘度 48-66 抗拉强度 250-280kg/cm 21.3 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
11、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0.4m。 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铬。 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
12、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 4 本科毕业设计（论文） 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
13、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。 5 XJ-150挤出机机头的设计 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
14、数 Table2-1 The main parameters 牵引速度 螺杆直径 机头最大压力 2.5-3m/min 150mm 40MPa 5-5.5mm 70mm 护套厚度 芯线直径 2.2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，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0 4、物料遵循非牛顿流体的指数方程 6
15、 本科毕业设计（论文） 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
16、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
17、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的铬使其符合要求。 2、熔融的橡胶在流道内流动要通畅，流道内不
18、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。 7 XJ-150挤出机机头的设计 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
19、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
20、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 d1=dd1 =d小+1.0=71mm d2： 模芯外径 d2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。 e太厚： 熔融橡胶在流动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d2=73mm ： 外锥角 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
21、，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，选用模套的内锥角时，要 8 小 +（0.401.0）mm因此，这里取 本科毕业设计（论文） 保证其不小于模芯的外锥角。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。的常
22、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，模芯外锥角取46. ：模芯内锥角 在保证螺柱壁厚符合强度要求的前提下，越大越好。但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，可以将内孔加工成台阶式。台阶之间要以60的倒角相衔接，以便于穿线。在这里取26. l： 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
23、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l=（0.41）d1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、d2进行求解，这是参考尺寸。可以看出tg以 L1?2?D?d2 ，所2L1D?d22tg? （3-1） 2如果L1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
24、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。 9 XJ-150挤出机机头的设计 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 core 3.3.2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
25、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=d大+（0.05mm0.20mm）。 这里的 d大指的是电缆的外径。因此D大=80.2mm L: 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）。 10
