淺談泥料擠出機(jī)的模塊化建模

曹新林，何家波，張柏清

（1.漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 漳州 363000；2.浙江大學(xué)，浙江 杭州 310027；3.景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué)，江西 景德鎮(zhèn) 333403）

淺談泥料擠出機(jī)的模塊化建模

曹新林1，何家波2，張柏清3

（1.漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 漳州 363000；2.浙江大學(xué)，浙江 杭州 310027；3.景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué)，江西 景德鎮(zhèn) 333403）

本文介紹了模塊化建模的概念，結(jié)合陶瓷泥料的特點(diǎn)，確定雙螺桿泥料擠出機(jī)螺桿的基本參數(shù)，利用SolidWorks軟件建立螺桿的三維幾何模型。按照產(chǎn)品模塊化建模流程，對泥料擠出機(jī)的螺桿進(jìn)行幾何形狀和結(jié)構(gòu)參數(shù)分析，預(yù)測分析模塊化建模將為企業(yè)提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率。

模塊化建模；泥料；螺桿

0 引 言

長期以來，關(guān)于練泥機(jī)擠出部分的理論研究較少，大部分是定性分析，無法從本質(zhì)上解決泥料擠出質(zhì)量差，擠出效率低，混合不均勻等問題［1］。由于泥料既非流體又非彈性體，其運(yùn)動(dòng)并不服從內(nèi)摩擦定律和胡克定律。它兼具流體和彈性體的雙重屬性，跟一般聚合物性質(zhì)不同，所以適用于聚合物擠出的雙螺桿擠出機(jī)不一定適合泥料的擠出。例如在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)情況模擬時(shí)，聚合物擠出機(jī)一般假設(shè)“機(jī)筒旋轉(zhuǎn)，螺桿靜止”，而泥料擠出機(jī)則假設(shè)為“螺桿旋轉(zhuǎn)，機(jī)筒靜止”。一般塑料聚合物擠出機(jī)螺桿的螺槽深度較淺，而泥料擠出機(jī)相對較深等。正是因?yàn)槟嗔蠑D出機(jī)結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，有沒有很好的改進(jìn)方法，導(dǎo)致幾十年來練泥機(jī)設(shè)備更新緩慢，考慮利用模塊化設(shè)計(jì)的方法來優(yōu)化其結(jié)構(gòu)，降低制造成本，縮短新產(chǎn)品上市周期，提高生產(chǎn)效率和改善泥料質(zhì)量。

1 真空練泥機(jī)的模塊化建模設(shè)想

模塊是指成上一層系統(tǒng)的、可替換或變型的單元，這些單元具有獨(dú)立功能和標(biāo)準(zhǔn)接口。一般可分為通用模塊，專用模塊和基本模塊。產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)是一種基于模塊的配置設(shè)計(jì)或變型設(shè)計(jì)方法，它對產(chǎn)品中相同和相似模塊進(jìn)行識(shí)別、分類、規(guī)范并建立通用模塊，在此基礎(chǔ)上對通用模塊組合和變型，設(shè)計(jì)出能夠低成本、快速滿足用戶的個(gè)性化需求的定制產(chǎn)品。對模塊化設(shè)計(jì)而言，模塊化產(chǎn)品建模具有特別重要的意義。模塊化產(chǎn)品建模是標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化的結(jié)果，是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品資源重用的基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品配置設(shè)計(jì)和變型設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。模塊化建模是指在全面分析和研究客戶（包括潛在客戶）需求的基礎(chǔ)上，根據(jù)模塊劃分結(jié)果，開發(fā)設(shè)計(jì)面向模塊及基于模塊的各種標(biāo)準(zhǔn)變型的主模型、由這些模塊組成的上層系統(tǒng)的主結(jié)構(gòu)以及描述上層系統(tǒng)構(gòu)成情況的主文檔。針對真空練泥設(shè)備長期以來性能和結(jié)構(gòu)優(yōu)化甚少的局面，提出結(jié)合模塊化建模思想對練泥設(shè)備進(jìn)行改造的設(shè)想。

由圖1所示，雙軸式真空練泥機(jī)由加料裝置、出料裝置、真空室和傳動(dòng)裝置等組成。工作原理：電動(dòng)機(jī)l通過傳動(dòng)裝置帶動(dòng)上鉸刀軸5和下鉸刀軸11轉(zhuǎn)動(dòng)，兩根軸上均裝有螺旋絞刀，泥料從加料口2加入，先被不連續(xù)螺旋絞刀攪拌和輸送，然后在連續(xù)螺旋絞刀的擠壓下通過篩板6進(jìn)入真空室10。設(shè)置篩板的目的是把泥料切成細(xì)小的泥條，以便有效地抽走泥料中的空氣。在真空室內(nèi)，泥料中的空氣被抽走，接著泥料進(jìn)入練泥機(jī)的出泥部分。泥料在連續(xù)螺旋絞刀軸11的輸送和擠壓下經(jīng)機(jī)頭12和機(jī)嘴13擠出，切斷后即成為具有一定截面形狀和大小的泥段，這些泥段直接作為陶瓷拉坯的坯料。

根據(jù)練泥機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以將其分為動(dòng)力模塊，傳送模塊，真空模塊，殼體模塊。其中動(dòng)力模塊主要由電動(dòng)機(jī)、齒輪箱組成；傳送模塊由鉸刀軸、擋泥板、篩板、機(jī)頭、機(jī)嘴組成；真空模塊主要有真空管道、真空照明燈、真空表、真空室組成；殼體模塊主要有機(jī)筒、支撐架組成。根據(jù)顧新建提出的機(jī)電產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)的“Y”模型的產(chǎn)品模塊建模流程［2］，如圖2所示是機(jī)電產(chǎn)品模塊建模流程圖，企業(yè)可以根據(jù)需要選擇部分步驟展開模塊化設(shè)計(jì)，真空練泥機(jī)屬于已有產(chǎn)品，只需要考慮已有產(chǎn)品模塊化開發(fā)過程即可。我們假設(shè)選擇模塊化建模過程的標(biāo)準(zhǔn)模塊設(shè)計(jì)和模塊接口定義作為研究對象，對模塊幾何形狀分析和參數(shù)分析進(jìn)行初步探討。

圖1　雙軸真空擠泥機(jī)示意圖Fig.1 Biaxial vacuum extruder

圖2　機(jī)電產(chǎn)品模塊化建模流程圖Fig.2 Mechanical and electrical product modular modeling fow chart

2 泥料擠出機(jī)的螺桿基本參數(shù)的確定

2.1 絞刀外徑D1、軸轂直徑D2

參照我國的擠出機(jī)標(biāo)準(zhǔn)（ZB G95 009.1-88）規(guī)定［3］，螺桿外徑一般取20 mm、30 mm、45 mm、65 mm、90 mm、120 mm、150 mm和200 mm。根據(jù)歐洲塑料橡膠機(jī)械制造廠委員會(huì)匯總的擠出機(jī)設(shè)計(jì)方案中，建議螺桿直徑分別為30 mm、45 mm、60 mm、（75）mm、80 mm、90 mm、（100）mm、（120）mm、（125）mm、150 mm、（160）mm、200 mm、250 mm、300 mm、350 mm、400 mm和500 mm，括號中的數(shù)值建議少用或不用。我國參考國際上通用的標(biāo)準(zhǔn)也對雙螺桿擠出機(jī)的螺桿直徑做出以下規(guī)定：30 mm、45 mm、53 mm、57 mm、60 mm、68 mm、72 mm、83 mm、102 mm、150 mm、170 mm、200 mm。

泥料擠出機(jī)的螺槽深度比塑料擠出機(jī)螺桿的螺槽深度要深得多。塑料擠出機(jī)螺桿通常采用同向旋轉(zhuǎn)方式，而泥料擠出機(jī)螺桿通常采用向內(nèi)異向旋轉(zhuǎn)方式。根據(jù)簡化的生產(chǎn)率公式G=βD3n，G代表質(zhì)量生產(chǎn)率，D代表螺桿直徑，n代表螺桿轉(zhuǎn)速，β反映的是螺桿參數(shù)和擠出條件綜合影響系數(shù)，一般取0.002-0.0045。當(dāng)前我國雙螺桿擠出機(jī)行業(yè)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)為304 r/min，極少超過600 r/min。目前雙螺桿擠出機(jī)使用的螺桿直徑基本在40-150 mm的范圍內(nèi)，這里設(shè)計(jì)的泥料雙螺桿擠出機(jī)是中小規(guī)模生產(chǎn)的，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)中泥料擠出機(jī)產(chǎn)量和螺桿轉(zhuǎn)速初步設(shè)定螺旋絞刀外徑為72 mm，軸轂直徑40 mm。

2.2 長徑比L/D、螺棱寬度e、螺距S、螺紋升角

（1）長徑比是反應(yīng)擠出機(jī)性能的主要參數(shù)之一，螺桿的長徑比L/D是指螺桿的有效長度L和螺桿直徑D之比。歐洲塑料橡膠機(jī)械制造廠委員會(huì)建議長徑比為12、15、（18）、20、（24）、25、28、30 和35，括號中的數(shù)值建議少用或不用。

一般來說，大長徑比有利于延長泥料的停留分布時(shí)間，提高泥料混合和擠出質(zhì)量。但長徑比增大后，螺桿和機(jī)筒的加工裝配更困難，螺桿更容易彎曲，會(huì)影響泥料的擠出。因此，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要選用合適的長徑比，這里考慮泥料擠出真實(shí)情況，選用長徑比L/D為15，滿足了生產(chǎn)需求。

（2）對于單頭螺紋，螺距S、螺紋升角 和螺桿外徑之間關(guān)系如下：

依據(jù)規(guī)定，螺棱寬度取螺桿外徑的8%至12%，這里取其0.1倍，即7.2 mm。為了加工和設(shè)計(jì)方便，設(shè)計(jì)時(shí)取螺距S等于外徑D1，根據(jù)（2）式計(jì)算可得出此時(shí)螺旋升角等于17° 42' 。

2.3 中心距CL、螺槽深度H

雙螺桿的中心距說明了兩平行螺桿的嚙合程度和螺槽深度。螺桿外徑這里指螺旋絞刀外徑D1，螺桿內(nèi)徑指軸轂直徑D2，則全嚙合雙螺桿擠出機(jī)中心距與絞刀外徑和軸轂直徑之間的關(guān)系如下：

中心距與螺槽深度之間的關(guān)系如下：

將D1=72 mm，D2=40 mm，代入式（3）和式（4）得到中心距CL=56 mm，螺槽深度H=16 mm。若是部分嚙合型雙螺桿擠出機(jī)，螺槽深度則略小于16 mm。

3 模塊幾何形狀分析和結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

3.1 模塊幾何形狀分析

模塊幾何形狀分析的目的是利用幾何形狀的相似性減少產(chǎn)品內(nèi)部多樣化，減少零部件種類，建立配置設(shè)計(jì)和變型設(shè)計(jì)系統(tǒng)，用盡量少的零部件組成盡可能多的產(chǎn)品，達(dá)到優(yōu)化產(chǎn)品成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的［4］。

以泥料擠出機(jī)的螺旋鉸刀為例，泥料擠出機(jī)的螺旋鉸刀主要參數(shù)如下：鉸刀外徑、軸轂直徑、長徑比、螺距、螺紋升角。當(dāng)其中某參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，泥料擠出機(jī)的螺桿發(fā)生較大的改變，圖3所示是幾種基本螺桿種類。

圖3　泥料擠出機(jī)的基本螺桿種類Fig.3 The basic screw types of ceramic paste extruder

3.2 模塊結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

模塊結(jié)構(gòu)參數(shù)分析的目的是區(qū)分變動(dòng)參數(shù)和不變參數(shù)，優(yōu)化參數(shù)種類，簡化加工過程，為開展零部件的變型設(shè)計(jì)做好準(zhǔn)備工作。

泥料擠出機(jī)模塊結(jié)構(gòu)參數(shù)分析過程是：對各個(gè)模塊參數(shù)的類型分類，如功能參數(shù)、工藝參數(shù)（如螺旋升角、螺距等）；其次確認(rèn)該參數(shù)是變動(dòng)參數(shù)還是不變參數(shù)，并根據(jù)設(shè)計(jì)中的約束限制，如強(qiáng)度約束和穩(wěn)定性約束等條件，進(jìn)一步找出變動(dòng)參數(shù)中可以不變的參數(shù)集合，歸并到不變參數(shù)集合中。

這里以異向嚙合雙螺桿為例，所建立的幾何模型的具體參數(shù)如下：螺旋絞刀外徑72 mm，軸轂直徑40 mm，長徑比為15，螺棱寬度是7.2 mm，螺距是72 mm，螺紋升角近似17° 42'，中心距為56 mm，全嚙合時(shí)螺槽深度為16 mm，部分嚙合時(shí)螺槽深度為10 mm。

圖4　全嚙合雙螺桿三維幾何模型Fig.4 Three dimensional geometric model of fully engaged twin screw

參照《SolidWorks 2010從入門到精通》［5］，在SolidWorks軟件中使用掃描曲面命令得到全嚙合和部分嚙合泥料擠出機(jī)雙螺桿的三維幾何模型如下圖所示，具體操作步驟不贅述了。如圖4所示是全嚙合泥料雙螺桿的三維幾何模型，圖5為半嚙合泥料雙螺桿的三維幾何模型。

通過雙螺桿模型的建立可以發(fā)現(xiàn)：結(jié)構(gòu)參數(shù)在大部分情況下是可以重用的，如對螺旋升角等參數(shù)進(jìn)行固化后，下次設(shè)計(jì)時(shí)可以直接選用17° 42' 。這樣做不僅可以提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，而且能夠固化加工工藝，節(jié)約制造成本。所有泥料擠出機(jī)的螺桿都采用17° 42' 的螺旋升角，因?yàn)檫@個(gè)螺旋升角是經(jīng)過計(jì)算和證明可以最大限度地提高泥料擠出效率的；所有嚙合雙螺桿泥料擠出機(jī)采用向內(nèi)異向旋轉(zhuǎn)的方式；統(tǒng)一規(guī)定一個(gè)系列的練泥機(jī)的長徑比，保證兩根螺桿的匹配度高；同一系列功能的真空練泥機(jī)的螺棱寬度選用統(tǒng)一的尺寸，保證泥料的攪拌均勻和泥條的質(zhì)量；所有真空練泥機(jī)的真空表，真空照明燈和真空管道都采用同樣的結(jié)構(gòu)，那樣只需根據(jù)真空練泥機(jī)的實(shí)際尺寸同比例的放大或縮小就可以了。

由于未來的客戶需求大多是變化的，因此需要預(yù)測分析。我們通過這類預(yù)測分析將客戶需求轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的功能和結(jié)構(gòu)需求，并進(jìn)行產(chǎn)品模塊化規(guī)劃和產(chǎn)品模塊接口設(shè)計(jì)。最終得到的是既滿足未來市場的功能和成本需求，又具有模塊化的特點(diǎn)，能夠較好滿足未來客戶多樣化和個(gè)性化需求的新產(chǎn)品。通過對零件進(jìn)行模塊幾何形狀分析可以減少零部件的種類，將相似的零部件劃分成同一組，分為通用模塊，基本模塊和專用模塊；經(jīng)過零件的結(jié)構(gòu)參數(shù)分析，可以減少產(chǎn)品內(nèi)部多樣化，建立零件參數(shù)庫。將泥料擠出機(jī)的各零部件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化，建立基于模塊化的設(shè)計(jì)產(chǎn)品模型和過程模型，幫助企業(yè)縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。

圖5　部分嚙合雙螺桿三維幾何模型Fig.5 Three dimensional geometric model of partially engaged twin screw

4 結(jié) 論

本文簡單介紹了泥料擠出與一般聚合物擠出的不同特點(diǎn)，結(jié)合泥料擠出的實(shí)際工作特點(diǎn)，客觀地確定泥料擠出機(jī)的雙螺桿幾何參數(shù)，并利用SolidWorks軟件對泥料雙螺桿進(jìn)行三維幾何造型。通過對泥料擠出機(jī)的螺桿進(jìn)行幾何形狀和結(jié)構(gòu)參數(shù)分析，可以設(shè)想在建立泥料擠出機(jī)的零件參數(shù)庫，將相似零部件分組別類，有助于企業(yè)對零部件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，系列化和規(guī)范化，達(dá)到為企業(yè)提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率的目的。

［1］何家波, 張柏清.基于ANSYS的泥料雙螺桿擠出機(jī)的流場分析［J］.陶瓷學(xué)報(bào), 2012,（03）： 339-342 HE J B, ZHANG B Q.Journal of Ceramics, 2012（03）： 339-342

［2］顧新建, 楊青海, 紀(jì)楊建, 等.機(jī)電產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)方法和案例［M］.北京： 機(jī)械工業(yè)出版社, 2013.

［3］ZB G95 009.1-88, 單螺桿擠出機(jī)基本參數(shù)［S］.

［4］劉宏洋, 何家波, 顧新建, 等.混凝土泵車的產(chǎn)品模塊建模方法研究［J］.機(jī)電工程, 2014, 31（8）： 967-973.LIU H Y, HE J B, GU X J, et al.Journal of Mechanical & Electrical Engineering, 2014, 31（8）： 967-973.

［5］暴風(fēng)創(chuàng)新科技.SolidWorks 2010從入門到精通［M］.北京： 人民郵電出版社, 2010.

date: 2015-11-17.Revised date: 2016-03-16.

Modular Modeling of the Extruder for Ceramic Paste

CAO Xinlin1，He Jiabo2，ZHANG Baiqing3（1.Zhangzhou Ιnstitute of Technology，Zhangzhou 363000，F(xiàn)ujian，China；2.Zhejiang University，Hangzhou 310027，Zhejiang，China；3.Jingdezhen Ceramic Ιnstitute，Jingdezhen 333403，Jiangxi，China）

This paper introduced the concept of modular modeling.Combined with the characteristics of the ceramic paste，the screw's basic parameters of twin-screw extruder for ceramic paste were determined，and the three-dimensional geometric model of twin screw extruder which was used to squeeze ceramic paste was constructed by SolidWorks software.According to the process of product modular modeling，the screw's geometry and the structure parameters of the screw extruder were analyzed.The predictive analysis modular modeling would improve product design quality and effciency for enterprises.

modular modeling；ceramic paste；screw

TQ174.5

A

1000-2278（2016）04-0413-04

10.13957/j.cnki.tcxb.2016.04.017

2015-11-17。

2016-03-16。

通信聯(lián)系人：曹新林（1965-），男，副教授。

Correspondent author:CAO Xinlin（1965-），male，Associate professor.

E-mail:13709395223@163.com