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高精度塑胶薄板材生产线关键技术研究与应用
可行性报告
一、立项依据
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(一)项目的目的及意义
中国已成为世界塑料机械最大的生产国,产量占世界总产量的25%,但产值却只占9%中山市华星塑料机械厂有限公司是一所位于"中国灯饰之都"的塑料机械制造行业的龙头企业.古镇镇是中山市6个经济强镇之一,去年工业总产值就达亿元中山古镇的塑料机械发展空间,发展潜能很大PMMA俗称有机玻璃,是一种开发较早的重要热塑性塑料,具有极好的透明性,化学稳定性和耐候性,在相关行业有广泛应用.我国有机玻璃产品的生产已有近50年的历史,国内目前有机玻璃生产加工能力很大,但产品结构不合理,只能生产普通品种产品,缺少高附加值产品,在品种和质量等方面不能满足市场要求国内市场年均增长速度接近15%,2016年市场需求量在65万吨以上.及配件所需加工工艺装备,基本都是进口设备和生产线本项目的研发,国产加工设备对提升我国技术水平,替代进口,推动工业的发展等方面,有着重大的社会意义和经济意义.
目前,全球PMMA最大生产商为由美国罗门哈斯(Rohm&,Haas)公司和法国埃尔夫阿托菲纳化学(Elf-Ato-Finachem)公司合资的Atohaas公司,其次为英国ICI公司(现已被美国亨斯迈公司收购),德国的罗姆公司(Rohm),及Cy/RO,这四大公司PMMA产能占全世界总产能的67%.
我国从50年代中期起步,70年展到50余家生产厂,大部分为几十吨到几百吨的小型生产厂.从80年代起规模逐渐向千吨级发展,如无锡有机玻璃总厂80年代后期拥有了2000吨/年的浇铸板装置,苏州安利化工厂建立了3000吨/年机械化浇涛流水线,形成了年产3500吨浇铸板的规模.产品主要以有机玻璃钮扣,文教用品和日用杂品为主.只能生产普通品种产品,缺少高附加值产品,在品种和质量等方面不能满足市场要求.
1,挤塑温度的精确控制
在高精度注塑成形工艺过程中,影响工艺过程和产品质量的因素非常多.从设计观点来看,这些影响注塑制品质量的因素可以分为产品设计,材料选择,模具设计,工艺制订等可控因素和材料特性波动,模具质量和参数的误差与波动,工艺条件变化等波动因素.而控制这些因素影响的综合性指标之一,即降低温度的波动量,是提高产品物理性能的主要工艺保证.
塑胶板材生产的第一环节即就是原材料的混炼,熔融,计量和挤出.在这一过程中,熔体温度是一个很重要的参数,其高低取决于料桶温度和料桶内螺杆与塑料之间的剪切热.一般认为,在中小型挤出机中熔体温度取决于料筒温度,熔体温度的控制表现为对料桶温度的控制.若料桶温度太低,塑料在螺杆间产生不必要的剪切力,并因此产生冷固化,容易对机器造成损坏.温度过高时,一方面这不符合节能降耗的总体要求,另一方面,塑料分子间发生交联,会使组织疏松,产生发泡现象,尤其在精密注塑中更是不允许的.
由于注塑机料桶温度控制的强耦合作用,当注塑机温度控制系统采用开关控制式温控仪作为控制器时,温度波动范围大,超调量大,塑料制品的质量很不稳定.目前,国际上和我国高端生产线熔体温度的控制精度为±1℃.
塑胶板材挤出成形过程,不同塑料制品采用的塑料原料不同,而塑料原料根据制品的工艺要求其最佳挤出温度也各不相同,并且其对料筒的不同区段也有不同的温度要求.其中部分关键区域的控制结构框图如图1所示:
图1.温度的控制结构框图
加工过程当中,压力和温度具有强相关性.在聚合物精密挤出成型加工过程中,机头熔体温度与机头压力是影响精密挤出成型制品质量的关键因素.采用基于模糊控制的人工智能方法,实现温度和压力的解耦控制,具体过程如图2所示:
图2.温度和压力的解耦控制
图2中,分别表示熔体温度与机头压力的实际输出值,,分别表示熔体温度与机头压力的设定值,(i等于1,2)表示信息融合控制器的控制量,(i等于1,2)表示信息融合控制器的解耦输出,(i,j等于1,2)为解耦系数.该系统由两个独立的模糊控制器与,解耦补偿器以及被控对象组成.
2,厚度的精确控制
挤出口模是挤出模设计与制造中的重要部分,挤出口模的流道是指熔融物料进入机颈到成型出相似于截面形状的型坯所经过的通道.它是挤出工序取得成功的重要因素之一,因为挤出流道设计的合理与否,不仅影响挤出量的多少,而且还影响制品的精度,模具的寿命,模具结构的简化,制模工艺方法的改进以及模具的成本等.
挤出口模的主要作用是将塑料熔体分布于流道中,使物料以均匀的速度从口模内挤出.塑料熔体实际分布取决于聚合物的流动性能,流道几何形状,通过口模的流率以及口模中的温度分布状况.塑料熔体在挤出口模中的流动通常是稳态和非等温的,但随着新型挤出机的出现,挤出产量越来越大,塑料熔体在口模中的稳定流动易被破坏,塑料的临界剪切速率也易被超越,其结果往往造成型材制品的表面出现毛糙,螺旋形和波浪形等不规则现象(即鲨鱼皮症和熔体破碎).国外近年来已开始大量运用各种专用的CFD(ComputationalFluidDynamics)软件来对口模进行流动分析和优化设计.
压力控制,温度控制,螺杆转速控制以及螺杆结构设计,电机连接方式和高聚物材料种类等是影响挤出成型波动的主要因素.而挤出模腔,挤出机头流道及成型口模流道都是影响制成品质量的主要因素.例如,在密封条的挤出过程中,挤出机头流道及成型口模流道的设计形状极其重要,是产品断面形状是否符合要求的重要保证.戴元坎等应用计算流体动力学Polyflow软件,采用计算机辅助模拟技术,进行橡胶密封条挤出机头胶料挤出部分的模腔流道结构优化研究[4].
在塑料挤出成型技术中,模头设计是一个重要环节.挤出模头设计的好坏影响着制品质量和生产效率等,因而研究挤出模头的优化设计就显得尤为重要.刘斌首先在分析挤出模三维参数化建模方法的不足和实际应用中存在问题的基础上,提出一种基于功能划分的面向优化目标的流线型挤出模参数化建模方法.把有限元分析和最优化设计理论相结合,既考虑挤出流动的平衡性,又注重模具结构对最小横向流动的影响,具有较强的适应性和实用性[5].
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3,螺杆优化设计
螺杆挤出机是橡胶加工的主要设备之一,已有100多年的使用历史.作为聚合物加工成型主要设备之一的螺杆挤出机,在聚合物加工行业得到越来越广泛的应用,而且在其他行业也将得到更多的应用.标志螺杆挤出机工作性能的主要技术参数有:螺杆直径,螺杆的长径比,螺杆的转速范围,拖动主螺杆的电动机功率,机械的生产能力,机筒的加热功率和分段数,机器的中心高度和外形尺寸等,这些参数是衡量和选用挤出机的主要依据,也是设计螺杆挤出机首先确定的技术参数.根据聚合物在螺杆挤出机中的三种物理状态的变化过程,以及对螺杆各部位的工作要求,通常将螺杆挤出机的螺杆分为加料段,熔融段和计量段.
梁基照在假设固体塞内无速度分布的情况下,对螺杆挤出机体积流动速率的数学表达式进行了修正,阐述了螺杆优化设计的理论基础,包括理论依据,优化目标和设计变量等.侯一江通过对Φ65mm和Φ85mm两种螺杆实例进行优化设计,在满足设计要求的条件下,以双螺杆挤出机单位功耗情况下生产能力最大为优化目标,进行优化设计,得出了螺杆各段的长度,槽深,螺棱棱宽,螺杆升角,转速,总功耗,进口流率和出口流率,熔融段,计量段,给料段长度和长径比等参数[6][7].
针对PMMA物料,以直径Φ120mm,长径比35为基础研究对象,综合上述研究成果,利用有限元分析软件MSC.NASTRAN进行数值模拟,结合原型机试验数据互相修正,对不同段进行各种优化设计,最终获取与不同物料相适应的最佳设计参数.
(三)项目的产业化前景分析
塑料加工工业良好的发展前景仍将是中国塑料机械制造工业高速发展的源动力,.,中国塑机行业的发展潜力很大,后劲很足尽管我国已是一个装备制造业大国,但是与世界先进水平还有不小差距,特别是一些高端制造装备依然依赖进口的产业
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