1.3常规螺杆设计讲解
高分子材料成型设备第六章挤出机螺杆设计与新型螺杆ppt课件
扭矩剪力 τ=Mk/Wp
Mk=97360ηNmax/nmax
Wp=πD3根﹝1-C4﹞/16 , C=d0/D根
自重弯曲应力 σ弯＝GL/2W
G=π﹝D2+ D2根﹞Lγ/8
W=πD3根﹝1-C4﹞/32 , C=d0/D根 塑料材料复合应力用第三强度理论
总 2 4 2
压 弯
T / nT
二、常规全螺纹三段螺杆的设计 1、螺杆型式的确定 ①渐变型螺杆 压缩段槽深为渐变的，传热好，剪切不剧烈，混炼 效果不好。适用于热敏性物料、非结晶性物料。 ②突变型螺杆 剪切剧烈，传热不太好。适用黏度小、具有突变熔点 的物料，如PA、PS、PP等 ，但PVC等黏度高的会 局部过热。已由在（1—2）D内发展到在（4—5）D 内完成相变。
二、几种新型螺杆
1、分离型螺杆 固液分离
原理： 在螺杆熔融段再附加一条螺纹，将原来一个螺纹所形成 的螺槽分为两个，将已熔物料和未熔物料尽早分离，促 进未熔料尽快熔融。
①BM螺杆 双螺纹 L/D=25-30 δ´=ns/（n-1） δ´=0.38—0.76㎜ 液相槽始终与均化段等深，均化段较深 ε=2 ②另外还有Barr螺杆、熔体槽螺杆及XLK螺杆。
L3=20～50% H3=﹝0.025～0.06﹞Ds
H 1 0 .5 D sD s 2 4h 3 D h 3
5、间隙δ 6、螺杆其他参数：螺纹升角φ，螺距S=DБайду номын сангаас
7、螺杆头部结构和螺纹断面形状 ①半圆、平、锥、尖、螺纹头
②螺棱断面：矩形（输送段）、锯齿形（压缩段 和均化段）
三、螺杆材料及强度计算
４．变流道型螺杆
通过改变塑料在螺杆中 流道截面形状或截面积大小， 来促进物料塑化和增强混炼 ①波状螺杆
注塑(注射)螺杆是如何设计
注塑（注射）螺杆是如何设计随着人们对高分子化合物认识的不断深化，注射螺杆有了很大发展。
由于注射螺杆的技术性能是实现优良注射塑化性能的关键，因此对于注射螺杆的合理设计显得尤为重要。
本文分析了注射螺杆主要技术参数及主要结构与技术性能之间的关系，提出了注射螺杆主要技术参数确定的原则，结合作者的设计实际,从理论和实践两方面做了比较具体的分析与研究。
螺杆长径比螺杆长径比是螺杆的一个十分重要的参数,对于常用的通用螺杆而言，尤为重要。
通用螺杆的长径比由13~14，提高到18，现已提高到20~22，甚至达到26。
1、螺杆长径比与注射行程注射行程表达了注射量的大小，是一个重要的技术参数。
注射过程中螺杆填充的物料量基本上是一个很不确定的因素。
注射时，螺杆轴向前移，物料流入螺槽，但不能充满螺槽，因为注射时间不足以满足完全填满螺杆沟槽所需的时间。
由于物料填充稀疏，空气易被吸入，此时空气若不能及时排出，会使塑化质量降低。
通常，计量行程的大小是决定空气能否进入储料缸的主要因素。
多种物料的研究表明，计量行程若大于3D，止回环后面会有夹气产生。
此时如果螺杆长径比小于18（满足3D的计量行程的螺杆长径比），即加料段固体开始熔融的长度太短，则会使固体向压缩段熔体转变时残留在熔体中的固体大量增加，在严重的情况下，甚至可造成输送停止。
因此要想获得超过3D的计量行程，必须增加螺杆的有效长度，使固体料在加料过程中能够有足够的熔融路径进行熔融，以减少熔体中固体含量，使熔体体积的组成与压缩段的体积流组成相匹配，从而实现计量所要求的熔融体积大于螺杆螺槽中的熔融体积。
一般情况下，螺杆长径比达到20~25，可满足计量行程大于3D的要求。
另外为了能够解决由于螺杆长径比的增加而引起的加料夹气问题，在螺杆设计上必须满足塑化时固体塞的速度大于固体床的速度。
现在，随着螺杆设计及加工的进步，一般注塑机的注射行程由3D增加到4.5D~5D，有的甚至达到6.5D，螺杆的长径比也由18增加到20~25，甚至更大，从而提高了塑化机构的经济性。
螺杆和螺母设计计算
1螺杆和螺母的设计计算(F=58KN,H=250mm )1.1螺旋副的计算1.1.1螺杆螺纹类型的选择螺纹有矩形、梯形与锯齿形，常用的是梯形螺纹。
梯形螺纹牙型为等腰梯形，牙形角α=30º，梯形螺纹的内外螺纹以锥面贴紧不易松动。
故选梯形螺纹。
1.1.2选取螺杆材料螺杆材料常用Q235、Q275、40、45、55等。
选45钢。
1.1.3计算根据国家规定ϕ=1.2~2.5，取ϕ=1.4（梯形螺纹）；螺纹牙的工作高度h=0.5P ；查教材表2-4-9，[p ]取21Mp a故，d 2≥[]p h FP ϕπ = []p P FP πϕ5.0 =6310214.114.35.01058⨯⨯⨯⨯⨯≈35.45mm 查机械制图附表2-3，d 取40m m ，mm 5.362取d ，P=7mm螺母高度mm d H 63.4945.354.12'=⨯==ϕ，'H 取50mm 螺母的螺纹工作圈数14.7750'===P H z ，所以z 取7圈 螺纹牙的工作高度3.5mm 70.5=0.5P =h =⨯根据教材（2-4-36）的校核式[]p hzd F p ≤=2π []p MPa hz d F p ≤=⨯⨯⨯⨯⨯⨯==--66.207105.3105.3614.310583332π ，满足条件1.1.4自锁验算自锁条件是≤λρv ，式中：λ为螺纹升角；ρϖ为螺旋⎬副当量摩擦角，ρv =arcta n v f ，当螺旋副材料为钢对青铜时取v f =0.09（为保证自锁，螺纹升角至少要比当量摩擦角小1°~1.5°）λ=arcta n (nP / πd 2)=arcta n （1⨯7/3.14⨯36.5）≈3.5°ρv =arcta n 0.09≈5.14°故，λ=3.5°<ρv -1°，所以满足自锁条件1.2螺杆的计算1.2.1螺杆强度螺旋千斤顶工作时，螺杆受轴向压力F 和转矩T 的作用，应根据第四强度理论对其强度进行校核。
第三节 挤出机常规螺杆设计
立必要的压力，保证物料到达螺杆末端时有足够的 致密度。压缩比有二，一是几何压缩比，一是物理 压缩比。
• 所谓几何压缩比：加料段第一个螺槽容积与均化段
最后一个螺槽容积之比。
• 所谓物理压缩比：均化段熔体密度与物料加工之前
的松密度之比。
• b)设计原则 • 应使几何压缩比大于物理压缩比。 • c）获得压缩比的方法，可采用等距变深螺槽、等
• 1、关于螺杆型式的确定
按照传统的说法，常规全螺纹三段螺杆分为渐变型螺 杆和突变型螺杆。
2、螺杆的分段及各段参数的确定
• 如前所述，常规全螺纹三段螺杆一般分为加
料段、压缩段、均化段（计量段、挤出段）。
• 由挤出过程知，物料在这三段中的挤出过程
是不相同的。在设计螺杆时，每一段几何参 数的选择，应当围绕着该段的作用以及整根 螺杆和各段的相互关系来考虑。
• 出于机械加工的方便，一般取D=S，
θ=17°40’。
• b、螺纹的头数i
螺杆螺纹可以是单头的，也可以是双头的。多头螺纹 用得较少，这是因为物料在多头螺纹中不易均匀充满， 易造成波动。
• c、螺纹棱部宽度e • a）e太小会使漏流增加，而导致产量降低，特别是对
低粘度的熔体来说更是如此。
• b）e太大会增加螺棱上的动力消耗，有局部过热的危
• 常用来挤出粘度较大、导热性不良或有较为明显熔
点的塑料。
• 6、螺纹断面形状
常见螺杆螺纹的断面形状有三种。
• a、矩形。在螺槽根部有一个很小的圆角半径，它有
最大的装填体积，而且机械加工比较容易，适用于 加料段
• b、锯齿形。改善了塑料的流动情况，有利于搅拌
塑化，也避免了物料的滞留。适用于压缩段和均化 段。
机械设计手册螺杆标准
机械设计手册螺杆标准螺杆是机械传动中常用的一种零部件，广泛应用于各种机械设备中。
螺杆标准的制定对于保证螺杆的质量、可靠性和互换性具有重要意义。
本文将介绍机械设计手册中关于螺杆标准的内容，帮助读者更好地理解和应用螺杆标准。
1. 螺纹标准。
螺纹是螺杆的重要组成部分，其标准化对于螺杆的生产和使用具有重要意义。
在机械设计手册中，对于螺纹的标准化内容主要包括螺纹的基本参数、公称直径、螺距、螺纹类型等。
这些标准化的参数和要求，可以帮助设计师选择合适的螺纹标准，确保螺杆的质量和可靠性。
2. 螺杆材料标准。
螺杆的材料选择对于其使用性能和寿命具有重要影响。
在机械设计手册中，对于螺杆材料的标准化内容主要包括材料的化学成分、力学性能、热处理要求等。
这些标准化的要求，可以帮助制造商选择合适的材料，确保螺杆具有良好的强度和耐磨性。
3. 螺杆连接标准。
螺杆在机械传动中常常需要与其他零部件进行连接，因此螺杆连接的标准化对于整个机械系统的可靠性具有重要意义。
在机械设计手册中，对于螺杆连接的标准化内容主要包括连接的形式、尺寸要求、拧紧力矩等。
这些标准化的要求，可以帮助设计师正确选择螺杆连接方式，确保连接的可靠性和密封性。
4. 螺杆检测标准。
螺杆的质量和可靠性需要通过严格的检测手段来保证。
在机械设计手册中，对于螺杆检测的标准化内容主要包括检测方法、检测设备、检测要求等。
这些标准化的要求，可以帮助制造商进行有效的质量控制，确保螺杆的质量符合标准要求。
总结。
机械设计手册中关于螺杆标准的内容涵盖了螺纹标准、螺杆材料标准、螺杆连接标准和螺杆检测标准等方面。
这些标准化的内容，对于保证螺杆的质量、可靠性和互换性具有重要意义，对于机械设计师、制造商和使用者都具有重要的指导意义。
因此，我们应该充分理解和应用机械设计手册中关于螺杆标准的内容，以确保螺杆在机械传动中发挥最佳的作用。
1.3螺杆桩
第一章地基处理
1.3 螺杆桩
作业内容：原地面处理，测量放样，桩机就位，钻杆垂直度检查与调整，钻进至设计桩底，投料，钻杆内充满混合料后开始拔管至桩顶，清土、封顶，钻机移至下一桩位，桩头开挖。
施工方法：采用挖掘机对施工场地按要求整平。
按施工图纸对桩位进行测量放样，检查长螺旋钻机各项参数皆符合要求后即可正常下钻。
钻进至设计桩底，均匀提钻同时泵送合格的混合料。
桩基施工完成后，待桩身强度达到80%时，进行桩头开挖及桩身质量检测
施工关键工序：1、钻机就位；2、测量放样；3、钻进施工；4、泵送混凝土；5、桩头振捣及养护。
（1）工艺流程
螺杆桩施工工艺流程图（2）作业要点
（3）“四新技术”应用
软基智能监测系统的应用：软基智能监测系统由钻机GNSS天线、机身GNSS天线、电流互感器、流量传感器、控制箱、数据中心和交互平台组成。
此系统可实时监测并详细记录桩孔定位、逐桩深度、逐桩灌注量、桩身垂直度、钻机过程逐米电流值和最大电流值、终孔孔电流值、施工总桩数和总延米等参数。
可于现场在控制箱屏幕上进行查看，也可远程使用电脑或手机、平板等移动设备查看。
较之传统检测手段更为详细、便捷、准确。
数字化施工平台桩基系统
（4）工程接口
严格把控桩头环切标高，复核合格后，立即进行桩帽、筏板或垫层等施工工序。
（5）现场标准化作业：
布桩网格线
钻机就位
单桩承载力试验
低应变检测。
1.4新型螺杆的设计课件
新型螺杆的设计
• 2）熔融机理 • 工作时，物料由进料槽流入。只有熔融的物料和粒
度小于间隙△的固相碎片才能越过△（即图中划剖 面线处）而进入出料槽，而那些未熔的粒度较大的 固相碎片被屏障阻挡。
新型螺杆的设计
外某厂家的一种销钉螺杆头，可以使TD方向温差仅 为l℃），
• 3）改善塑化质量，提高混合均匀性和填充物的分散
度，获得低温挤出。
• 4）与其它新型螺杆相比，销钉螺杆的一个突出优点
是加工制造容易。
新型螺杆的设计
• 4.2.4 组合螺杆 • 以上我们介绍了几种新型螺杆。可以看出： • 分离型螺杆是在熔融段附加螺纹或螺槽，它只能和
易熔融
• a. 固体床易破碎：在常规三段螺杆中，当固体床宽
度减少至它的初始宽度的10%时。其物理性质极不 稳定，固体床易解体，形成固体碎片。
新型螺杆的设计
• b. 固体碎片被融体所包围，不能直接获得外部热量，
传热慢
固体碎片混到已熔的塑料中，为熔体所包围，不能 直接与料筒壁接触而获得外部加热器的热量，只能 从包围它们的熔体中获得热量。由于熔融聚合物传 热性能很差，完全将这些碎片熔融将是很困难的， 也是很慢的。
• c.漂浮在熔体中的固体碎片受的剪切力很小，很难
从剪切获得热量
固体碎片被融体所包围，成漂浮状态，基本上没有 剪切发生。
新型螺杆的设计
• 4）部分物料得不到彻底熔融，另一部分物料则过
热，导致温度、塑化极不均匀。
• 由于上述因素，使固体床不能彻底地熔融。相反，
已熔的物料由于与料筒壁相接触，仍能从料筒壁和 熔膜中的剪切获得热量，使温度继续升高。这样一 来，就形成一部分物料得不到彻底熔融，另一部分 物料则过热，导致温度、塑化极不均匀。
几种螺杆的设计参数
一、注塑螺杆的基本型式及主要参数一般螺杆分为三段即加料段，压缩段，均化段。
加料段——底经较小，主要作用是输送原料给后段，因此主要是输送能力问题，参数（L1，h1），h1=（0．12－0．14）D。
压缩段——底经变化，主要作用是压实、熔融物料，建立压力。
参数压缩比ε=h1／h3及L2。
准确应以渐变度A=（h1－h3）／L2。
均化段（计量段）——将压缩段已熔物料定量定温地挤到螺杆最前端、参数（L3，h3），h3=（0．05－0．07）D。
对整条螺杆而言，参数L／D－长径比L／D利弊：L／D与转速n，是螺杆塑化能力及效果的重要因素，L／D大则物料在机筒里停留时间长，有利于塑化，同时压力流、漏流减少，提高了塑化能力，同时对温度分布要求较高的物料有利，但大之后，对制造装配使用上又有负面影响，一般L／D为（18～20），但目前有加大的趋势。
其它螺距S，螺旋升角φ=πDtgφ，一般D=S，则φ=17°40′。
φ对塑化能力有影响，一般来说φ大一些则输送速度快一些，因此，物料形状不同，其φ也有变化。
粉料可取φ=25°左右，圆柱料φ=17°左右，方块料φ=15°左右，但φ的不同，对加工而言，也比较困难，所以一般φ取17°40′。
棱宽e，对粘度小的物料而言，e尽量取大一些，太小易漏流，但太大会增加动力消耗，易过热，e=（0.08～0.12）D。
总而言之，在目前情况下，因缺乏必要的试验手段，对螺杆的设计并没有完整的设计手段。
大部分都要根据不同的物料性质，凭经验制订参数以满足不同的需要，各厂大致都一样。
下面就几种专用螺杆的设计结合其物料特性作简单介绍：1、PC料（聚碳酸酯）特点：①非结晶性塑料，无明显熔点，玻璃化温度140°～150℃，熔融温度215℃～225℃，成型温度250℃～320℃。
②粘度大，对温度较敏感，在正常加工温度范围内热稳定性较好，300℃长时停留基本不分解，超过340℃开始分解，粘度受剪切速率影响较小。
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常规螺杆设计
• 2）产量 • 所谓产量是指在保证塑化质量前提下，通过给定机
头的产量或挤出量。产量一般用公斤/小时或公斤／ 转来表示。
• 一根好的螺杆，应当具有较高的塑化能力。（生产
这是因为一台挤出机的生产率、塑化质量、填加物 的分散性、熔体温度、动力消耗等，主要决定于螺 杆的性能。
• 因此，将花两节较详细地介绍有关螺杆
• 85橡胶螺杆
常规螺杆设计
• 60销钉螺杆
常规螺杆设计
• 120销钉螺杆
常规螺杆设计
• 250大螺杆
常规螺杆设计
• 同是橡胶挤出机螺杆也不同：冷喂料挤出机与热喂料
挤出机螺杆就不同。
• 同是塑料挤出机螺杆也不相同：
• 例如聚氯乙烯和聚烯烃就有很大差别。前者为无定形
塑料，粘度大，对温度比较敏感，无明显熔点。后者 为结晶性塑料粘度较低，有明显的熔点。
• 就是同是聚氯乙烯，但由于生产厂家不同，或批号不
同，其性能也有差异。
件轻而易举的事。在进行螺杆设计时，要综合考虑 以下诸因素：
• 1)物料的特性及其加入时的几何形状、尺寸和温度
状况。
• 不同物料的物理特性（如挤出温度范围、粘度、稳
定性和流变性能）相差很大，因而加工性能也很不 相同。
• 橡胶挤出机螺杆与塑料挤出机螺杆差别很大：如螺
杆长径比、螺槽深度、螺杆结构（塑料挤出机螺杆 带有混炼元件、剪切元件）等
第一章 挤出成型设备
第三节 常规螺杆设计
常规螺杆设计
1.3 常规螺杆设计
• 螺杆和料筒组成了挤出机的挤压系统。为说明挤压
系统的重要性，人们通常称之为挤出机的心脏。
• 塑料(橡胶)正是在这一部分由玻璃态转变为粘流态，
然后通过口模、辅机而被做成各种制品的。
• 如果就螺杆和料筒相比，螺杆更显得居于关键地位。
• 4)螺杆转数。 • 由于物料的熔融速率很大程度上取决于剪切速率，
而剪切速率与螺杆转数有关，故进行螺杆设计时必 须考虑螺杆转数这个因素。
常规螺杆设计
• 5)挤出机的用途。 • 设计螺杆时必须弄清楚挤出机是用作加工制品．还
是用作混料、造粒或喂料。因为不同用途的挤出机 的螺杆在设计上是有很大不同的。
• 1）关于螺杆型式的确定
按照传统的说法，常规全螺纹三段螺杆分为渐变型 螺杆和突变型螺杆。
常规螺杆设计
• a、渐变型螺杆是指由加料段较深螺槽向均化段较浅
螺槽的过渡，是在一个较长的螺杆轴向距离内完成 的。特点如下：
• a）渐变螺杆大多用于无定形塑料和橡胶的加工。如
聚氯乙烯；
• b）它对大多数物料能够提供较好的热传导，传热均
匀，效果好。适用于热敏性塑料；
• c）对物料的剪切作用较小，而且可以控制，其混炼
特性不是很高，也可用于结晶性塑料。
• 物料在这种螺杆中的熔融过程正如熔融理论所揭示
的那样。
常规螺杆设计
• 在对评价螺杆的标准有了统一的看法和对螺杆设计
必须考虑的因素有了一个全面的了解之后，方能进 行螺杆的具体设计。
常规螺杆设计
• 3、常规全螺纹三段螺杆的设计 • 所谓常规全螺纹三段螺杆，是指出现最早、应用最
广、整根螺杆由三段组成，其挤出过程完全依靠全 螺纹的形式完成的螺杆。这种螺杆的设计包括螺杆 型式的确定、螺杆分段及各段参数的确定、螺杆直 径和长径比的确定、螺杆和料筒间隙的确定等，下 面分别叙述。
• 一根好的螺杆，在保证塑化质量的前提下，单耗应
尽可能低。
• 5）制造的难易 • 一根好的螺杆还必须易于加工制造，成本低。 • 以上几条标准必须综合起来考虑，只强调一方面是
片面的。当然，也允许针对不同要求，重点保证某 条标准的达到。
常规螺杆设计
2、设计螺杆考虑的因素
• 要设计一根合乎以上标准的性能优异的螺杆并非一
• a、具有合乎要求的各种性能。包括规定的物理、化
学、力学、电学性能；
• b、具有合乎要求的表观质量。如能达到用户对气泡、
晶点、染色分散均匀性的要求等。
常规螺杆设计
c、具有合乎要求的螺杆的塑化质量：
• 螺杆所挤出的熔体温度是否均匀，轴向波动、径向
温差多大。
• 是否有得以成型的最低的熔体温度。 • 挤出的熔体是否有压力波动。 • 染色和其它填加剂的分散是否均匀等。 • 应当指出，低温挤出是目前的一个发展趋势，它能
螺杆，
• b、低阻力机头，需与均化段螺槽较深的螺杆相配。 • c、对排气挤出机，机头阻力的大小和螺杆性能的匹
配显得更重要，弄得不好，挤出机甚至不能工作。
常规螺杆设计
• 3)料筒的结构形式和加热冷却情况。 • 由固体输送理论知，在加料段料筒壁上加工出锥度
和纵向沟槽并进行强力冷却，会大大提高固体输送 效率。若采用这种结构形式的料筒，设计螺杆时必 须在熔融段和均化段采取相应措施，使熔融速率、 均化能力与加料段的输送能力相一致。
• 进而言之，同是一种物料，粉状和粒状的加工性能也
不尽一样，预热和不预热对加工性能也有影响。
• 因此，要采取不同的螺杆设计来适应不同的物料。
常规螺杆设计
• 2）口模的几何形状和机头阻力特性。 • 由挤出机的工作图可知，口模特性线要与螺杆特性
线很好地匹配，才能获得满意的挤出效果。如：
• a、高阻力机头，一般要配以均化段螺槽深度较浅的
常规螺杆设计
• 压片机双锥螺杆
常规螺杆设计
• 锥双压片
常规螺杆设计
• 锥形双螺杆
常规螺杆设计
• 锥形双螺杆35-90
常规螺杆设计
1、评价螺杆的标准 如何评价螺杆的好坏呢？由前面对挤出过程的分
析可以看出，至少应当从以下几个方面评价螺杆：
• 1）塑化质量
一根螺杆首先必须能生产出合乎质量要求的制品。 所谓合乎质量要求是指所生产的制品应当合乎以下 几个方面的要求:
能力）
• 3）适应性 • 所谓螺杆的适应性是指螺杆对加工不同塑料、匹配
不同机头和不同制品的适应能力。一般说来，适应 性越强，往往伴随着塑化效率的降低。
• 因此我们总希望一根好的螺杆，其适应性和高的塑
化效率都应兼备。
常规螺杆设计
• 4）单耗
• 所谓单耗，是指每挤出一公斤塑料（橡胶）所消耗
的能量，一般用 N用表示。其中 N为功率（千瓦）， Q为产量（公斤/小时）。