基于SolidWorks的塑料排氣擠出機螺桿的參數化設計

朱成實， 李 濤， 李鐵軍， 劉 倩

(沈陽化工大學機械工程學院，遼寧沈陽110142)

塑料擠出機是塑料制品在加工過程中的主要設備之一.而螺桿是擠出機最重要的工作部件，因此有“擠出機心臟”之稱.螺桿的結構和參數的選擇是否正確將直接影響機器的性能.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、低沸點的增塑劑及在成型溫度下能揮發的低聚物等成分［1］.因此排氣螺桿的三維設計及建模具有重要意義.隨著三維CAD軟件和各種開發語言的迅速發展，三維CAD軟件的二次開發變得越來越普遍.對設計的低成本、高效率要求也進一步加速了三維CAD軟件的二次開發.各個行業，尤其是制造業已經進入快速運用各種CAD軟件進行高效率開發的現代化產品設計模式.SolidWorks是一款非常優秀的三維實體造型軟件，具有豐富的零件實體建模功能.它為參數化設計提供了2種途徑，一是直接使用SolidWorks界面中的系列零件設計表參數化功能.二是利用SolidWorks軟件內嵌的應用程序接口(API)實行二次開發，可以被VB、VBA、Vc++等多種編程語言調用，為用戶提供功能強大且開發便捷的二次開發平臺［2］.本文以塑料排氣擠出機的排氣螺桿為設計實例，利用可視化程序語言Visual Basic 6.0對其進行二次開發，并說明其參數化的形成過程.

1 SolidWorks二次開發的方法

SolidWorks是新一代的機械設計軟件，可在Windows環境下為機械設計進行高質量的三維實體建模.軟件提供API應用編程接口，它是一個基于OLE(對象鏈接與嵌人)的編程接口，其中包含大量的功能函數，這些函數提供程序員直接訪問SolidWorks的接口.凡支持OLE編程的開發工具均可用于SolidWorks的二次開發［3］.

SolidWorks二次開發的常用開發工具有: Delphi，C類語言，Visual Basic等.

使用Visual Basic6.0對SolidWorks進行二次開發可分成2種方法:(1)完全使用VB程序來實現三維模型的參數化設計和編輯.這種方法編程實現比較困難，而且要求開發者對Solid-Works API函數非常熟悉，對于初學者通常不容易掌握.但是可以實現對具有復雜形體的零件造型;(2)利用SolidWorks中的宏錄制命令輔助編程.通過使用人機交互形式來建立模型并合理地設置設計變量，然后通過驅動設計變量更新模型.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化設計過程是通過第2種方法來實現的.

2 塑料排氣擠出機的結構及工作原理

二階單螺桿排氣擠出機的結構如圖1所示.在一般情況下，排氣螺桿可認為是由加工為一體的兩階螺桿串聯而成.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量段組成.在排氣段對應位置的機筒上設有排氣口.這種排氣擠出機工作時，塑料從加料口進到第一階螺桿，塑料在第一階螺桿中剪切、加熱，達到基本塑化狀態，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入排氣段后，其中裹挾的受壓縮的氣泡和揮發物突然由高壓變為負壓狀態，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.最后經過排氣處理的熔料通過第二壓縮段和第二計量段重新受到壓縮和進一步均化，從機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的一般結構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之一.根據擠出理論可知，在初步確定螺桿的生產能力和轉速之后，可根據經驗的生產能力公式初步確定螺桿直徑:

式中，n為螺桿轉速，r/min;β為經驗出料系數; Q為生產能力，kg/h;Ds為螺桿外直徑，cm.

計算出的直徑不一定是整數，應按照我國部頒系列標準的螺桿直徑系列:30，45，65，90，120，150，200選取.本文選取直徑為150 cm.

2.2 排氣螺桿主要參數的選?。?］

排氣螺桿設計的基本參數有: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、螺桿的轉速及螺桿各段長度的分配等.

長徑比(L/Ds):排氣擠出機的物料是在經過第一階螺桿的基本塑化后，還要在排氣段進行排氣，而排氣后的物料再在經過第二階螺桿進行擠出，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，即第一計量段的螺槽深度，一般用公式h1=KDs來表示.K是系數，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取K=0.033.

泵比:排氣螺桿第二計量段的螺槽深度h2和第一計量段的螺槽深度h1之比稱為排氣擠出機的泵比.泵比是排氣螺桿設計時一個十分重要的參數.泵比越大，雖然冒料的可能性會減小，但當機頭阻力較低時，擠出不穩定的現象將會增加.泵比的值大多數在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過脫氣.因此在選取兩段壓縮比時應根據它所處的狀態和所對應的物料密度來選取.

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為第一計量段螺槽深度.M為系數，與螺桿直徑有關.排氣段長度Lv根據目前國內外排氣螺桿的參數統計，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%，對于長徑比較大的擠出機，這個百分比可取較大些.第一階螺桿的3段分布設計與普通螺桿設計過程相同，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，第一計量段長度可取第一階螺桿全長的25%～30%，第二計量段與第一計量段的長度比可為1.8～0.8.排氣減壓段一般不大于1Ds，第二壓縮段可取2Ds.

3 螺桿參數化設計過程

(1)進入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范，錄制宏時不要錄的太多，以防混淆.播放宏的時候一定要和錄制宏的原始場合一樣，否則比較容易出現錯誤.

圖2 排氣螺桿模型Fig.2 The bolts model

(2)打開宏編輯對話框，對hlx.swp進行編輯，修改以下幾個方面:

①實現VB對SolidWorks調用程序的修改.

②建立新零件，準備零件繪制的程序修改.

③螺桿三維實體繪制主程序的修改.

(3)使用VB創建排氣螺桿參數化設計界面.使用可視化語言VB創建排氣螺桿參數化設計界面，如圖3所示.

圖3 排氣螺桿參數化設計界面Fig.3 The bolts parameterization design surface

用text文本框作為輸入參數窗口，將宏代碼進行修改，將修改后宏代碼復制到確定按鈕的命令下，輸入所需各項數據按下繪圖按鈕，便可生成所需型號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構的二維圖紙.

圖4 排氣螺桿二維圖紙Fig.4 The two-dimensional drawing of the exhaust screw

4 結論

詳細介紹了排氣擠出機排氣螺桿參數化設計過程.通過對SolidWorks二次開發，在三維CAD平臺上建立人機交互界面.因此在一定程度上提高了螺桿的設計效率和設計精度.由于其界面清晰、運行可靠、使用方便，在螺桿設計制造中具有重要的使用價值.

［1］ 張晉茂，楊兆福.塑料機械設計［M］.北京:輕工業出版社，1982:65－80.

［2］ 陳毅.基于SolidWorks二次開發的齒輪參數化系統設計［J］.機械制造與自動化，2009，38(1):20－25.

［3］ 朱常委，姜南.基于SolidWorks二次開發技術的注射機合模機構零件參數化設計［J］.塑料，2006，35 (1):18－22.

［4］ 江洪，魏崢，王濤威.SolidWork二次開發實例解析［M］.北京:機械工業出版社，2005:34－46.

［5］ 王祖衛，李偉.Visual Basic程序設計［M］.上海:南開大學出版社，2000:70－74.