基于SolidWorks的塑料排氣擠出機(jī)螺桿的參數(shù)化設(shè)計(jì)

朱成實(shí)， 李 濤， 李鐵軍， 劉 倩

(沈陽化工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧沈陽110142)

塑料擠出機(jī)是塑料制品在加工過程中的主要設(shè)備之一.而螺桿是擠出機(jī)最重要的工作部件，因此有“擠出機(jī)心臟”之稱.螺桿的結(jié)構(gòu)和參數(shù)的選擇是否正確將直接影響機(jī)器的性能.排氣螺桿能有效去除塑料中夾帶的空氣、吸附的水分、剩余單體、低沸點(diǎn)的增塑劑及在成型溫度下能揮發(fā)的低聚物等成分［1］.因此排氣螺桿的三維設(shè)計(jì)及建模具有重要意義.隨著三維CAD軟件和各種開發(fā)語言的迅速發(fā)展，三維CAD軟件的二次開發(fā)變得越來越普遍.對(duì)設(shè)計(jì)的低成本、高效率要求也進(jìn)一步加速了三維CAD軟件的二次開發(fā).各個(gè)行業(yè)，尤其是制造業(yè)已經(jīng)進(jìn)入快速運(yùn)用各種CAD軟件進(jìn)行高效率開發(fā)的現(xiàn)代化產(chǎn)品設(shè)計(jì)模式.SolidWorks是一款非常優(yōu)秀的三維實(shí)體造型軟件，具有豐富的零件實(shí)體建模功能.它為參數(shù)化設(shè)計(jì)提供了2種途徑，一是直接使用SolidWorks界面中的系列零件設(shè)計(jì)表參數(shù)化功能.二是利用SolidWorks軟件內(nèi)嵌的應(yīng)用程序接口(API)實(shí)行二次開發(fā)，可以被VB、VBA、Vc++等多種編程語言調(diào)用，為用戶提供功能強(qiáng)大且開發(fā)便捷的二次開發(fā)平臺(tái)［2］.本文以塑料排氣擠出機(jī)的排氣螺桿為設(shè)計(jì)實(shí)例，利用可視化程序語言Visual Basic 6.0對(duì)其進(jìn)行二次開發(fā)，并說明其參數(shù)化的形成過程.

1 SolidWorks二次開發(fā)的方法

SolidWorks是新一代的機(jī)械設(shè)計(jì)軟件，可在Windows環(huán)境下為機(jī)械設(shè)計(jì)進(jìn)行高質(zhì)量的三維實(shí)體建模.軟件提供API應(yīng)用編程接口，它是一個(gè)基于OLE(對(duì)象鏈接與嵌人)的編程接口，其中包含大量的功能函數(shù)，這些函數(shù)提供程序員直接訪問SolidWorks的接口.凡支持OLE編程的開發(fā)工具均可用于SolidWorks的二次開發(fā)［3］.

SolidWorks二次開發(fā)的常用開發(fā)工具有: Delphi，C類語言，Visual Basic等.

使用Visual Basic6.0對(duì)SolidWorks進(jìn)行二次開發(fā)可分成2種方法:(1)完全使用VB程序來實(shí)現(xiàn)三維模型的參數(shù)化設(shè)計(jì)和編輯.這種方法編程實(shí)現(xiàn)比較困難，而且要求開發(fā)者對(duì)Solid-Works API函數(shù)非常熟悉，對(duì)于初學(xué)者通常不容易掌握.但是可以實(shí)現(xiàn)對(duì)具有復(fù)雜形體的零件造型;(2)利用SolidWorks中的宏錄制命令輔助編程.通過使用人機(jī)交互形式來建立模型并合理地設(shè)置設(shè)計(jì)變量，然后通過驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)變量更新模型.這種方法編程較簡單，方便使用［4］.本文以排氣螺桿為例的參數(shù)化設(shè)計(jì)過程是通過第2種方法來實(shí)現(xiàn)的.

2 塑料排氣擠出機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理

二階單螺桿排氣擠出機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示.在一般情況下，排氣螺桿可認(rèn)為是由加工為一體的兩階螺桿串聯(lián)而成.排氣口前一段稱為第一階螺桿，它由加料段，第一壓縮段，第一計(jì)量段等組成.其后為第二階螺桿，由減壓段，排氣段，第二壓縮段和第二計(jì)量段組成.在排氣段對(duì)應(yīng)位置的機(jī)筒上設(shè)有排氣口.這種排氣擠出機(jī)工作時(shí)，塑料從加料口進(jìn)到第一階螺桿，塑料在第一階螺桿中剪切、加熱，達(dá)到基本塑化狀態(tài)，并在第一壓縮段建立起需要的壓力.然后由于排氣段螺槽突然加深致其容積較第一計(jì)量段容積大1.5～3倍，加上真空泵的抽吸作用，已塑化的塑料熔體在進(jìn)入排氣段后，其中裹挾的受壓縮的氣泡和揮發(fā)物突然由高壓變?yōu)樨?fù)壓狀態(tài)，在較大壓差和螺棱的切割下氣泡爆裂，溢出熔體，從排氣口被真空泵抽走.最后經(jīng)過排氣處理的熔料通過第二壓縮段和第二計(jì)量段重新受到壓縮和進(jìn)一步均化，從機(jī)頭口型得到所需斷面形狀后擠出［1］.

圖1 二階單螺桿排氣擠出機(jī)的一般結(jié)構(gòu)Fig.1 A second bill bolts out of the general structure

2.1 螺桿直徑的初步確定原則

螺桿直徑是螺桿的主要參數(shù)之一.根據(jù)擠出理論可知，在初步確定螺桿的生產(chǎn)能力和轉(zhuǎn)速之后，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)的生產(chǎn)能力公式初步確定螺桿直徑:

式中，n為螺桿轉(zhuǎn)速，r/min;β為經(jīng)驗(yàn)出料系數(shù); Q為生產(chǎn)能力，kg/h;Ds為螺桿外直徑，cm.

計(jì)算出的直徑不一定是整數(shù)，應(yīng)按照我國部頒系列標(biāo)準(zhǔn)的螺桿直徑系列:30，45，65，90，120，150，200選取.本文選取直徑為150 cm.

2.2 排氣螺桿主要參數(shù)的選取［1］

排氣螺桿設(shè)計(jì)的基本參數(shù)有:螺桿直徑、長徑比、螺桿的特征深度、泵比、壓縮比、排氣段的螺槽深度及排氣段的長度、螺桿的轉(zhuǎn)速及螺桿各段長度的分配等.

長徑比(L/Ds):排氣擠出機(jī)的物料是在經(jīng)過第一階螺桿的基本塑化后，還要在排氣段進(jìn)行排氣，而排氣后的物料再在經(jīng)過第二階螺桿進(jìn)行擠出，因此它的長徑比比普通的螺桿大，一般都在30以上，目前最大的長徑比甚至達(dá)43，本文取35.

螺槽特征深度:排氣螺桿的螺槽特征深度，即第一計(jì)量段的螺槽深度，一般用公式h1=KDs來表示.K是系數(shù)，在直徑相同的情況下，長徑比大的K值大，一般的排氣式擠出機(jī)取K=0.033.

泵比:排氣螺桿第二計(jì)量段的螺槽深度h2和第一計(jì)量段的螺槽深度h1之比稱為排氣擠出機(jī)的泵比.泵比是排氣螺桿設(shè)計(jì)時(shí)一個(gè)十分重要的參數(shù).泵比越大，雖然冒料的可能性會(huì)減小，但當(dāng)機(jī)頭阻力較低時(shí)，擠出不穩(wěn)定的現(xiàn)象將會(huì)增加.泵比的值大多數(shù)在1.5～2.0之間.

壓縮比:排氣螺桿在第一、第二階均有壓縮比.而且兩段壓縮比有所不同.在第一壓縮段中，物料還沒有被塑化，而在第二壓縮段物料基本塑化并已經(jīng)過脫氣.因此在選取兩段壓縮比時(shí)應(yīng)根據(jù)它所處的狀態(tài)和所對(duì)應(yīng)的物料密度來選取.

排氣段的螺槽深度和長度:排氣段的螺槽深度可通過公式hv=Mh1來選取.h1為第一計(jì)量段螺槽深度.M為系數(shù)，與螺桿直徑有關(guān).排氣段長度Lv根據(jù)目前國內(nèi)外排氣螺桿的參數(shù)統(tǒng)計(jì)，一般取Lv=(2～6)Ds.

排氣螺桿的各段長度分配:排氣螺桿在第一階的長度一般情況下為螺桿全長的53%～58%，對(duì)于長徑比較大的擠出機(jī)，這個(gè)百分比可取較大些.第一階螺桿的3段分布設(shè)計(jì)與普通螺桿設(shè)計(jì)過程相同，第一加料段長度取第一階螺桿長度的60%～65%，第一壓縮段長度可取(0.5～1)Ds，第一計(jì)量段長度可取第一階螺桿全長的25%～30%，第二計(jì)量段與第一計(jì)量段的長度比可為1.8～0.8.排氣減壓段一般不大于1Ds，第二壓縮段可取2Ds.

3 螺桿參數(shù)化設(shè)計(jì)過程

(1)進(jìn)入SolidWorks，以SJ-150-35排氣螺桿為例，畫出三維排氣螺桿零件圖，如圖2所示，并將其全過程錄制成宏hlx.swp.注意，上述建模過程需要規(guī)范，錄制宏時(shí)不要錄的太多，以防混淆.播放宏的時(shí)候一定要和錄制宏的原始場合一樣，否則比較容易出現(xiàn)錯(cuò)誤.

圖2 排氣螺桿模型Fig.2 The bolts model

(2)打開宏編輯對(duì)話框，對(duì)hlx.swp進(jìn)行編輯，修改以下幾個(gè)方面:

①實(shí)現(xiàn)VB對(duì)SolidWorks調(diào)用程序的修改.

②建立新零件，準(zhǔn)備零件繪制的程序修改.

③螺桿三維實(shí)體繪制主程序的修改.

(3)使用VB創(chuàng)建排氣螺桿參數(shù)化設(shè)計(jì)界面.使用可視化語言VB創(chuàng)建排氣螺桿參數(shù)化設(shè)計(jì)界面，如圖3所示.

圖3 排氣螺桿參數(shù)化設(shè)計(jì)界面Fig.3 The bolts parameterization design surface

用text文本框作為輸入?yún)?shù)窗口，將宏代碼進(jìn)行修改，將修改后宏代碼復(fù)制到確定按鈕的命令下，輸入所需各項(xiàng)數(shù)據(jù)按下繪圖按鈕，便可生成所需型號(hào)的排氣螺桿三維圖形［5］，如果單擊圖4中的輸出圖形按鈕后便可得到螺桿結(jié)構(gòu)的二維圖紙.

圖4 排氣螺桿二維圖紙F(tuán)ig.4 The two-dimensional drawing of the exhaust screw

4 結(jié)論

詳細(xì)介紹了排氣擠出機(jī)排氣螺桿參數(shù)化設(shè)計(jì)過程.通過對(duì)SolidWorks二次開發(fā)，在三維CAD平臺(tái)上建立人機(jī)交互界面.因此在一定程度上提高了螺桿的設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)精度.由于其界面清晰、運(yùn)行可靠、使用方便，在螺桿設(shè)計(jì)制造中具有重要的使用價(jià)值.

［1］ 張晉茂，楊兆福.塑料機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.北京:輕工業(yè)出版社，1982:65－80.

［2］ 陳毅.基于SolidWorks二次開發(fā)的齒輪參數(shù)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械制造與自動(dòng)化，2009，38(1):20－25.

［3］ 朱常委，姜南.基于SolidWorks二次開發(fā)技術(shù)的注射機(jī)合模機(jī)構(gòu)零件參數(shù)化設(shè)計(jì)［J］.塑料，2006，35 (1):18－22.

［4］ 江洪，魏崢，王濤威.SolidWork二次開發(fā)實(shí)例解析［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005:34－46.

［5］ 王祖衛(wèi)，李偉.Visual Basic程序設(shè)計(jì)［M］.上海:南開大學(xué)出版社，2000:70－74.