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聚四氟乙烯推压生产线设计与生产

时间: 2011-07-04 15:17 来源: 作者: 武汉市工程塑料有限公司 汤传浩  点击:
聚四氟乙烯制品(PTFE)具有优良的物理、化学性能,广泛应用于国防、化工、医药、机械、电子等行业。聚四氟乙烯树脂加入助挤剂预压成坯体后,使其强行通过具有锥度的,获得排列均匀的纤维状物体,再经烧结成型的工艺过程称为推压成型或糊膏挤出成型。

推压生产线是完成以上工艺过程的专用设备,生产线通常包括塑料混合机、预压机、推压机、烧结炉、收卷装置等。推压机是生产线中的关键设备,目前使用的推压机有机械传动和液压传动两种形式。机械传动式推压机推压速度基本恒定,可一机多用,但超负荷时,设备易出机械故障;液压式推压机,调节阀调定后,压力基本恒定,推压速度先快后慢,超负荷时,不易产生机械故障。


图1. 推压机外形示意图(烧结炉与地面夹角约16度)

由于聚四氟乙烯的原料特性,推压成型不同于一般的塑料加工方法(如挤出、注射等),产品规格受到设备参数及每次上料多少的制约,为了满足不同规格品种及大管径、超长度推压管的生产需要,克服机械传动或液压传动推压机的缺点,公司自行设计制造了长管推压机生产线。

推压生产线设计与生产工艺

塑料混合机的设计参数及混料工艺

混料机由2kw电机为动力,通过皮带和蜗轮、蜗杆减速,减速比约为700,带动盛有待混料的广口瓶,在垂直平面上旋转,垂直平面上对称均匀固定2~6个容积为2L的广口瓶,旋转速度约为15~20rpm。

聚四氟乙烯树脂的颗粒极其细小,约为0.2~0.4mm,但是,由于很多细小的粒子凝聚在一起,所以实际上所形成的粒径大小约为500mm,粉末料最好放置在10~20℃干燥处,如果粉末料在拌入助挤剂前已结块,则必须先用10目的筛子过筛。将粉料装入干净、干燥的广口瓶中,不超过瓶子容积的三分之二,按规定的比例加入助挤剂,盖紧盖子,放在混料机上,滚动混料约二十分钟,在室温下静止存放约24小时。

常用助挤剂有isoperM爱克森化学,液体石蜡P-55,200#溶剂油等。沸点100~250℃,添加量15~20Wt%。

预压机设计参数及毛坯预压

预压的目的是除去混合料中的空气,并将粉末压制成带孔径的园柱体,以便装入挤压缸。

预压机选用液压传动形式,齿轮型号为CB-10;油缸直径63mm,压力70MPa,行程1000mm;控制采用调速阀控制,无级高速。

预压毛坯料腔直径应比挤压料腔直径略小1~2mm,预压芯杆直径比挤压芯杆直径大0.25~0.5mm,预压料腔长度应不小于挤压料腔长度的2倍。

预压成型压力一般为10~30kgf/cm2,预压速度约50mm/min,保压时间约2min左右,然后逐渐去压,毛坯压好后用绸布拿取,置于干燥器皿中,存放时间最好不超过5小时,预压时不应有附加剪切力,并注意材料内不要有残留空气,加料时尽量保证加料均匀,否则有可能造成制品壁厚厚薄不均。

推压机设计及推压工艺

推压机的外形如图1所示,推压机是该生产线的主要设备之一,推压机传动采取变频电机调速和机械传动相结合,并辅助于人工手动换档,使得推压机获得较大的速度调节范围,以满足产品不同的推压速度要求。设计时考虑加大推压力、加长料腔长度,使得一次性最大加料重量约为4公斤,提高生产效率和制品的长度,但料腔过长,必有较长的芯杆,使得加工困难,不易同心,同时也易使树脂压缩时间过长而造成疲劳,影响产品质量。

推头推力的确定

推压机设计要求能够生产外径Φ4~Φ30 mm,壁厚1~2mm的制品,料腔直径分别为Φ40、Φ60、Φ80、Φ100和Φ120mm,料腔长度400mm,芯杆直径为Φ16、Φ20mm,根据压缩比计算公式:

(1)

D-料腔直径 ;dm-芯杆直径 ;d-口模直径;dW-芯模直径。

可以计算出用Φ120料腔和Φ20的芯杆加工Φ30/28(外径/内径)管子时的压缩比约为120,当选用中昊晨光化工研究院生产的原料CGF238加工制品时,通过图2所示压缩比与挤压力的关系图表可得此时挤压力约为100 kgf/cm2,对应的推力为F=100×3.14(122-22)/4=10990 kgf,当用Φ60料腔和Φ16的芯杆加工Φ4/3管子时的压缩比约为470,同样可查得挤压力约为300 kgf/cm2,对应的推力为F=300×3.14(62-1.62)/4=7875 kgf。考虑一定的富余量,推压机的总推力设计为20吨。


图2. 压缩比与挤压力关系图

制品尺寸一定时,选用的料腔直径愈大,压缩比愈大,相应的挤压力也愈大,推压压力的大小直接影响推压制品的性能。推压压力太小,挤出物松散,密实度小;推压力太大,造成产品过分定向,过分纤维化,以致发生产品纵向开裂。推压压力的大小还与压模结构、压模夹角、压模长度、挤压速度、助挤剂比例等有关。

推压速度的确定

推压速度由干燥速度和烧结速度而定,速度太慢,制品易分解,甚至不能成型,生产效率低。速度太快,干燥不完全,制品发黄,并且烧不透。综合考虑,推头上、下快速直线速度为150mm/min,推头下行压制速度为5~20mm/min(通过电机变频调速),电机转速为1440rpm,机械传动比为i=196。

所需电机功率的计算

电机通过皮带、齿轮、蜗轮蜗杆最终带动丝杆作上下运动,根据丝杆螺母运动力的计算公式可算出所需电机的功率。

(2)

F -推力(kgf)
Mo -丝杆力矩 (N.m)
do -丝杆螺纹中径(m)
a -丝杆螺纹升角
j -螺纹处摩擦角

所用的丝杆为T80×8,中径do=76mm=7.6×10-3m,螺距t=8mm

则螺纹升角 a =1.92°

丝杆螺母在有润滑剂时,摩擦系数取0.1,即 =5.7°

根据公式 (2)

= 20×10 3×7.6×10 -3tg (1.92°+5.7°)/2
=101kgf•m=996 N•m

折算到电机轴上的转矩为:

MD=MO/i=996/196=5.08 N•m

根据公式

(3)

MD-电机力矩(N•m); P-电机功率(kw); n-电机转速(rpm)。

则电机功率 P=MD•n/9550=5.08×1440/9550=0.76 (kw)。

整个机械传动的效率约为0.6,则所需电机功率为0.76/0.6=1.27 kw,考虑留一定的功率余量,实际电机功率取2 kw。

烧结炉设计

该生产线设计用于生产大管径推压制品,由于制品重量较大,垂直烧结容易变形,难以保证制品的最后成型,同时由于炉身较长,垂直烧结生产车间的高度也难以达到,故设计时采用斜线下行烧结方式,烧结炉与地面夹角16度左右,见图1。用钢网托住制品下行连续烧结,钢网运行速度采用无级变速,驱动钢网运行的电机功率为1kw,钢网设计安装时,要充分考虑热胀冷缩的影响。烧结炉内腔尺寸为300×300×12000mm(宽×高×长),炉内腔采用不锈钢材料,保证制品的清洁,外壁使用普通薄钢板,炉壁四周填充隔热性能优良的硅酸铝纤维,加热温度分段控制,分为挥发段、升温段、烧结段、降温段,各段温度由智能型温度仪表、可控硅分别显示和控制,各段温度曲线如图3所示,总加热功率为20kw。


图3. 炉温曲线图

烧结炉上端设计有排气口,使产品中挥发的助挤剂能够尽快的排出炉体,以免发生燃烧。

烧结温度与制品的直径、壁厚、挤压速度等因素有关。

结论和测试数据

生产线加工安装好后,按照设计要求进行调试,并进行试生产,国产原料选用应用较广的晨光化工研究院生产的分散树脂CGF238,进口原料选用大金公司的F-104和F-201,对使用较普遍的中、小管径制品进行试生产,并对生产出的制品的参数进行了测试(见表),产品外观光滑,无拉毛、裂纹、气泡等缺陷,颜色呈乳白色,制品尺寸、拉伸强度、伸长率等指标满足QB/T3624-99国家专业标准的要求,生产线达到预期的设计效果。(end)

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