1、本科毕业论文（20 届）PVC 结皮发泡板成型装备的挤出机系统设计 所在学院 专业班级 机械设计制造及自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 本科生毕业论文I摘要硬质 PVC 结皮发泡板是以塑代木的一种十分理想的绿色环保建筑装饰材料。由于国内没有较好的研究基础以及完善的工艺方案，目前主要靠迎进国外的设备和技术。而国外对关键技术的限制和相对较高的成本，使国内生产陷入被动。因此，对硬质 PVC 结皮发泡板的相关技术和装备的研究显得极有意义。 本文主要从五方面对硬质 PVC 结皮发泡板进行设计研究。1.从硬质 PVC 结皮发泡板的生产工艺出发，研究其原材料、生产配方、发泡挤出的方法
2、和发泡的成型机理，同时论述了配方中各种助剂的选择要求和成型的各个过程。2.研究异向锥形双螺杆挤出技术，对异向平行双螺杆和锥双螺杆的性能作了对比。重点对板材挤出过程中的温度控制和混料工艺作了分析。3.对硬质 PVC 结皮发泡板生产装备的总体方案做了设计，包括其主要参数和总体的尺寸等。4.合理设计了硬质 PVC 结皮发泡板挤出机传动系统，布置了止推轴承的位置，优化了相关的参数并做了计算。5.挤出机的核心零件螺杆和机筒设计，分析了锥形双螺杆的基本结构和各段参数，确定了本文的最优参数，并对锥形双螺杆的冷却系统和材料做了选择。经过选择和参数的计算，本文选择异向锥形双螺杆作为主要零件；螺杆大头 163，小
3、头 80，转速 37r/min，挤出产量 400Kg/h。关键词：PVC 结皮发泡板；锥形；双螺杆；挤出技术 本科生毕业论文IIAbstractRigid PVC foam board crust is plastic and wood in a very desirable green building decoration materials.Since Taiwan does not have a good research base and improve the process plan, mainly by the welcome into the foreign equipmen
4、t and technology. The restriction of foreign critical technology and relatively high cost, so that domestic production of passive position. Therefore, rigid PVC foam board crust technology and equipment related to the research seems very meaningful.This article from the five aspects of rigid PVC foa
5、m board crust design research.1.From rigid PVC skinning foam plate production process starting to study the raw materials, production formula, foam and foam extrusion method of forming mechanism, also discussed the formulation of various additives in selecting and forming Each process.2.Of conical t
6、win-screw extruder to different techniques, different to the parallel twin-screw and conical twin screw performance are compared. Focus on the sheet extrusion process temperature control and mixing process analyzed.3.Of rigid PVC skinning foam plate production equipment to do the design the overall
7、program, including its main parameters and overall dimensions.4.rational design of a rigid PVC foam sheet extruder crust transmission system, arranged the location of thrust bearings to optimize the relevant parameters was calculated.5.Extruder screw and barrel core part design, analysis of the basi
8、c structure of conical twin-screw and the segment parameters, to determine the optimal parameters of this article, and conical twin-screw cooling systems and materials Made a choice.After the calculation of choices and parameters, this choice different to the conical twin-screw as the main part; scr
9、ew the bulk of 163 mm, head 80 mm, speed 37r/min, out of production 400Kg / h.Keywords: PVC foam board crust; conical; twin-screw; extrusion technology本科生毕业论文III目 录摘要 .I第一章 绪论 .11.1 PVC 结皮发泡需要研究的内容 .11.2 PVC 结皮发泡板挤出设备的研究背景 .21.3 PVC 结皮发泡板挤出设备的发展趋势 .21.4 PVC 结皮发泡板挤出设备研究的内容 .3第二章 硬质 PVC 结皮发泡板材的发泡及成型机理
10、 .42.1 硬质 PVC 结皮发泡板的生产工艺流程 .42.2 硬质 PVC 结皮发泡板的配方 .42.2.1 稳定剂的选择 .42.2.2 发泡剂的选择 .42.2.3 助发泡剂的选择 .52.2.4 润滑剂 .52.2.5 填料 .52.2.6 颜料 .52.3 硬质 PVC 发泡板发泡挤出方法 .52.3.1 自由发泡工艺 .62.3.2 向内发泡工艺 .62.3.3 受限自由发泡工艺 .62.3.4 共挤出工艺 .72.4 硬质 PVC 结皮发泡板的挤出工艺 .82.4.1 挤出温度 .82.4.2 发泡剂滞流时间 .82.4.3 挤出压力和模具结构 .8第三章 异向锥形双螺杆挤出
11、PVC 技术 .93.1 概述 .93.2 异向锥形双螺杆挤出机的性能特征 .93.2.1 单双螺杆的区别 .9本科生毕业论文IV3.2.2 异向平行双螺杆和锥双螺杆性能对比 .103.3 硬质 PVC 结皮发泡板材挤出生产过程中的温度控制 .103.3.1 温度设定 .103.3.2 温度控制 .113.3.3 温度调整 .113.4 混料工艺对挤出型材质量的影响 .11第四章 硬质 PVC 结皮发泡板生产装备的总体方案设计 .134.1 硬质 PVC 结皮发泡板生产装备的总体方案设计要求 .134.2 硬质 PVC 结皮发泡板生产装备的总体方案 .134.3 硬质 PVC 结皮发泡板生产装
12、备的总体布置 .144.4 硬质 PVC 结皮发泡板生产装备的主要参数设置 .154.5 硬质 PVC 结皮发泡板生产装备总体尺寸布置 .15第五章 硬质 PVC 结皮发泡板挤出机传动系统设计 .175.1 挤出主机传动系统要求 .175.2 传动系统的基本类型 .175.2.1 几种典型的传动系统分析 .175.2.2 三轴式传动系统的基本类型 .195.2.3 双螺杆传动系统中齿轮的布置 .205.2.4 本课题传动系统的确定 .205.3 止推轴承的组合设计与布置 .215.4 传动零件材料及热处理 .225.5 设计参数及设计原则 .235.5.1 设计参数 .235.5.2 设计原则
13、 .235.6 电动机参数设计 .235.7 传动系统各部件的设计和选取 .24第六章 硬质 PVC 结皮发泡板挤出机螺杆和机筒设计 .296.1 螺杆基本结构及参数设置 .296.1.1 锥双螺杆的基本参数 .296.1.2 锥形双螺杆各功能段参数分析 .32本科生毕业论文V6.2 锥形双螺杆冷却系统的设置 .366.3 锥形双螺杆的材料及热处理及副机参数 .37小结 .39致谢 .40参考文献 .41本科生毕业论文1第一章 绪论1.1 PVC 结皮发泡需要研究的内容硬质 PVC 结皮发泡板不但拥有优秀的塑料制品性能，还有天然木材相似的性能，是塑料代替木质品的绝佳产品。其在各个领域广泛的应用
14、，使其在国内外都有广阔的市场和发展空间。对 PVC 结皮发泡需要研究一下的内容 156：（1）配方。发泡剂和发泡协调剂是直接影响塑料泡孔结构质量的主要原料。 AC（偶氮二甲酸铵）是塑胶行业普遍采用的发泡剂，其属于放热型的发泡剂，放热极大，分解的速度很快、发泡效率很高，但发泡的时间短，突发性比较强。AC 发泡剂用量和分解温度是影响AC 发泡剂在物料中发泡性能的主要因素。发泡剂的用量对发泡质量有着很大的影响。发泡剂用量一旦过大时，发气量就会过大，使其在局部产生较大的空穴和气泡，导致固体残留物越聚越多，如果挤出厚板时就会因为内部过热使厚板温度升高出现了烧焦的现象。因此一般将AC 型发泡剂和无机发泡剂
15、碳酸氢钠并存使用，无机发泡剂碳酸氢钠属于吸热型的发泡剂，能起到平衡和互补的作用。AC 的分解温度一般是在分解温度和 PVC 塑化温度（140-180）之间的。分解的温度过低时，就会导致气体难以受控制过早释放而发泡；分解温度过高，放气困难，需加入适量的活化剂加以调用。发泡调节剂的作用机理与加工助剂比较相像，发泡剂所分解的气体在物料发泡的过程中会在熔体中形成气泡，而这些气泡往往由体积小的泡孔向体积大的泡孔分散。发泡制品的密度不但受发泡调节剂添加量影响，发泡调节剂的分子量大小同样影响发泡制品的密度。为了改善产品表面的质量，一般选用 HL100 或 HL530 等发泡调节剂等，或者用这些发泡剂来取代
16、ACR401，从而进一步增强熔体的强度和促进塑化。（2）生产工艺。塑料熔体在塑料制品发泡的成型过程中会大量的出现均匀气泡，而这些气泡同时还要经历膨胀和固化定型的过程。气泡出现后可能破泡、膨胀，也可能出现塌陷，使气液相并存的体系极其不稳定。除发泡剂、调节剂等原材料因素以外，影响气体发泡、膨胀、塌陷和破泡的因素很多，如还直接受成型工艺的影响。熔体的熔体强度、热稳定性、分散性和润滑等不但与配方有关，而且还与工艺控制有关。对发泡制品质量有着重要的影响主要是熔体温度、压力、牵引速度、挤出速度、定型装置模板空隙与口模唇间隙。因为泡沫体比非泡体物质的流动性能差，而制品要有均布的内芯、泡孔密集，又有密实、坚硬
17、的面层，必须同时具备 3 个基本条件：1)发泡剂在熔体中要不断的溶解发泡，必须要有口模腔与挤出机能够提供持续的高压力，熔体的压力越高，发泡的效率越高，熔体强度越高，面层也就越密实。2)为了给发泡提供足够的空间，又要有适当的压力在发泡熔体上，定型模板间隙必须选择适当。3)为了使熔体在较小的阻力下就能立即形成大量的气泡，而一离开模头气熔又能够两相分离，出模唇口后的熔体压力也需降得很低，否则也会影响发泡的效率。（3）生产设备。在选择挤出设备时，根据低发泡 PVC 板材的工艺生产要求，不但要考虑树脂混合成型达到熔融的温度，同时还要注意不能有过分的剪切在 PVC 树脂上。发泡的气体内压力要保证比计量段内
18、所具有的压力低，防止在螺槽内发泡剂过早的发泡，影响发泡的加工环境。结皮低发泡硬质 PVC 管材基本生产设备与普通硬质 PVC 管材的生产设备基本上本科生毕业论文2一样，普通硬质 PVC 管材生产设备(单螺杆或者双螺杆) 稍加改造就能满足结皮发泡所需的要求。本课题研究的是异向双锥形螺杆的挤出工艺。1.2 PVC 结皮发泡板挤出设备的研究背景国外于上世纪七十年代开始研究硬质 PVC 低发泡技术，与八十年代实现了工业化生产。法国 Vigine Kuhlman 公司在低发泡技术上所开发的 Caluka 法(又称结皮发泡法)使其有了重大的突破:共挤芯层发泡法在九十年代推出，由于其只要对加工设备稍加改造就
19、能生产自由发泡板材和内向发泡板材，而且还可改造成其它多层共挤出板材和芯层填充回收料的加工设备，在近几年来发展较为迅速，是被认为最具有发展前景的成用技术。双螺杆挤出机在剪切敏感的物料和加工温度方面显示出了独特的优点，其广泛的用于塑料管材、异型材、板材等制品的挤出成型，已经是干混粉料机挤出成型的主要机型了 23。在二十世纪三十年代商用双螺杆挤出机才出现。由于起步比较晚，刚开始人们对如何设计双螺杆挤出机的螺杆还有对其工作原理缺乏认识，而且双螺杆挤出机不论其理论和结构又相当的复杂，双螺杆挤出机的制造和设计出现的很多问题急待解决。早期的双螺杆挤出机功能不够完善，没有良好的机械可靠性，又由于推力轴承的使用
20、寿命问题与传动系统设计精确度的影响，使得生产成本太高，因此并没用普遍应用。在经过了半个多世纪的不断完善和改进，尤其在六十年代后期，双螺杆挤出机在结构性能上得到了很大的发展。由于应用于双螺杆挤出机的专用推力轴承得到了开发，使双螺杆挤出机在聚合物加工领域真正的得到了快速发展。1960 年，奥地利 Anger 兄弟公司使用了 Kestemann 公司的异向双螺杆挤出机在硬聚氯乙烯挤出实验上获得了巨大的成功。1967 年，世界上第一台锥形双螺杆挤出机问世。欧洲在硬质PVC 微发泡板材成型的装备方面主要以锥形双螺杆和异向旋转平行挤出生产线为主，从此异向旋转啮合型双螺杆挤出机凭借其在剪切敏感物料方面和加工
21、温度的独特优势上，从而在硬聚氯乙烯加工领域中占据了重要的地位，并成为了挤出成型领域内的主要机型。在聚合物的加工领域中，它主要用来加工制备硬聚氯乙烯制品，如：板材、管材、异型材等，所以从某种意义上讲，双螺杆挤出机的发展是受着聚氯乙烯的成型加工制约的。1.3 PVC 结皮发泡板挤出设备的发展趋势（1）高可靠性、高产量、高效、低成本 45。应用技术的不断升极和主关技术的理论突破以及不断增强的市场竞争，使挤出技术往“三高一低”即高效率(自动化、低能耗、高产量、远程监控无人化生产、动态挤出)、高可靠性(安全、质量)、高精度(精密挤出、微米加工技术、纳米技术)、低使用成本(免维修)的方向上发展。挤出机三高
22、就是体现在最低的能量损耗、最低的制造成本、最高的产量提高三方面。在功能方面，螺杆挤出机的用途已经扩展到了食品、饲料、电极、电碳、建材、火炸药、包装、陶瓷、纸浆等领域，而早就不仅仅是用于高分子材料的混炼加工和挤出成型了。此外，也值得重视将挤出成型和混炼造粒工序合并为一步的“一步法挤出工艺”。一步法挤出成型工艺能够节省能耗，缩短工艺流程，减少操作人员，减少设备投资和占地面积等许多的优势。（2）多样化、专业化。由于配方技术及原料改性的高度发展，新材料引导挤出技术的本科生毕业论文3应用领域的延伸不断扩展，导致了挤出技术向功能多样化和专业化的趋势发展。挤出成型装备实行生产“多样化”、“专业化”是必然的趋
23、势。“多样化”生产能够缩短新产品的研发周期，适应不同用户的特殊要求，争取更大的市场占有；而“专业化”生产不但能定点的生产甚至还能进行全球性的采购挤出成型装备的各个系统模块零部件，这非常有利保证成本的降低、机体质量的提高和加速资金的周转。在我国，均有定点工厂专业生产挤出机的螺杆、机筒、加热冷却系统、减速器、上加料系统、润滑系统、控制系统，这就是专业化得具体表现。（3）大型化、精密化。在挤出成型的装备中，我国均能生产一般的中、小型通用机器。大型乙烯工程配套的三大关键设备之一 大型挤压造粒机组是国家重点建设服务的重大技术装备，这些装备长期以来一直依靠进口，为了满足石化工业发展需要，必须加快国产化进程
24、。而精密化可以大大提高产品的含金量，如多层共挤复合薄膜等均需要精密挤出，因此必须对实现精密挤出的重要手段的熔融体齿轮泵加大力度进行开发研究。（4）智能化和网络化。由于应用领域的不断扩展(食品、炸药、造纸)，使塑料挤出技术呈现出了以往通用化技术发展的趋势。塑料挤出技术与当代最新科研成果包括材料技术和信息技术的有机融合，开始具备了高科技的技术特征。在发达国家，挤出机已普遍采用计算机控制和现代电子技术，操作控制台设有荧光屏监测，对整个挤出过程的工艺参数如各段机身温度，熔体压力及温度，喂料量，主螺杆和喂料螺杆转速，各种原料配比，电机的电压电流等参数进行了在线检测，并采用微机闭环来控制。有的公司已经采用
25、网上远程演播、诊断、监测和控制，使挤出成型生产线实现网络化控制。这对提高产品的精度和保证工艺条件的稳定是极为有利的。1.4 PVC 结皮发泡板挤出设备研究的内容 在硬质 PVC 结皮发泡的领域内，需要研究的内容很多，如高质量原料的选择和最优配方的选择，挤出过程中温度的控制和模具的使用，切割装置，牵引装置的选择等。本文主要对以下几个方面做深入的设计和研究：1.硬质 PV 结皮发泡板材的发泡及成型机理。发泡和成型时两个不同的过程，其中包括配方的确定和挤出工艺的选择，而成型的过程更是复杂。2.开展对异向锥形双螺杆挤出技术的研究。异向锥形双螺杆在同类螺杆中有着其自身的优点，而挤出过程中的温度控制和混料
26、工业是两个重要的因素。3.对硬质 PVC 结皮发泡板生产装备的总体方案设计，生产设备的合理设计能大大提高挤出产量和生产效率。4.挤出机的传动系统设计对整个挤出机系统有着重要的影响。5.对挤出机系统螺杆和机筒的设计，螺杆是挤出机系统的核心部件，对螺杆各参数的优化设计能提高生产产量和生产效率。本科生毕业论文4第二章 硬质 PVC 结皮发泡板材的发泡及成型机理2.1 硬质 PVC 结皮发泡板的生产工艺流程PVC 结皮发泡板的主要生产工艺流程为：原辅料（原料加辅助剂）捏合（高速及冷混合）挤出成型冷却定型牵引切割牵引切割制品。工艺流程简述 6：首先控制温度在 100110并充分捏合各种原料并按配方称取发
27、泡剂及各种助剂放入冷混合机与高速混合机中。挤出机在模腔中填入混合料，模具通入蒸汽进行加压、加热塑化成型。等待物料充分的塑化后，停止通入蒸汽，立即通入适量的冷却水进行冷却。最后由牵引机构和切割机构进行牵引切割得到制品。2.2 硬质 PVC 结皮发泡板的配方PVC结皮发泡板的配方除了原材料（PVC树脂） ，还要加入发泡剂、稳定剂和各种辅助剂。这些添加剂的作用主要是使PVC树脂的熔融塑化及成型过程能够顺利进行。2.2.1 稳定剂的选择硬质PVC塑料的流动性能很差，降解的温度和塑化温度非常的接近难以控制；PVC又是热的不良导体，仅仅是普通玻璃的热扩散系数的一半左右，需要比较长的时间才能达到粘流的温度；
28、如果还要考虑废料的回收利用，受热时间也将会继续增加，加入更多的稳定剂也就更有必要了，考虑到要降低发泡剂的分解温度，必须主要加入铅盐、其它再加入少量的硬脂酸钡和硬脂酸锌稳定剂，建议的用量为1012份左右比较好。稳定剂的选择还要考虑到应用范围(内部或外部，食品包装等)、产品的类型以及地方性法规。铅系稳定剂凭借其成本低廉、加工范围广阔和加工简单占据了主要的地位，其主要用于一般的管材、型材、片材和板材等。锡系的稳定剂由于其透明性和热稳定性能好、且无污染无毒害，非常适合用于无毒的场合。在选择不同的稳定剂时，不但要考虑稳定剂自身的效果和利用价值，还要注意其对发泡剂的刺激效应。2.2.2 发泡剂的选择用AC和Na2CO3的组合发泡剂制造的硬质PVC发泡板材具有高发泡倍速、高独立气泡率、高压缩强度、高隔热性、耐溶剂性、外观良好、阻燃性等的优良特性。发泡剂的用量影响着板材密度，先是发泡剂越多板材密度越小，而后发泡剂越多板材的密度也越高，通常需要AC和Na2CO3以0.60. 8份。颗粒尺寸能够降低分解温度，而发泡剂比颗粒尺寸的效果更加明显。加入促进剂(催发剂)能够降低热敏性PVC发泡剂的分解温度。铅、锌、钡等的金属化合物在混合物中作为稳定剂具有促进的作用，就不需要再添加其他的催发剂了。
