塑料成型机械及模具 第三章 塑料挤出成型机

1第三章塑料挤出成型机•主要内容：•3.1挤出成型概述•3.2单螺杆挤出机–结构，挤出过程及其原理，组成及其结构，主要参数规格•3.3双螺杆挤出机–基本结构及类型，工作原理，主要参数规格•3.4塑料挤出成型辅助机械–用途分类，结构组成及工作原理（挤管，挤板，吹膜）•3.5其他类型挤出机2•重点和难点：•重点•1单螺杆和双螺杆挤出机的结构，类型，工作原理•2塑料挤出成型辅助机械的用途分类，结构组成及其工作原理•难点：•双螺杆挤出机的结构，类型，工作原理第三章塑料挤出成型机33.1挤出成型概述•挤出成型是塑料成型加工的重要成型方法之一。•3.1.1挤出成型的特点•1、生产过程是连续的，因而其产品都是连续的；--可连续化生产4•2、生产效率高,一台φ200挤出机700kg/小时•3、应用范围广，能生产管材、棒材、板材、薄膜、单丝、电线、电缆、异型材，以及中空制品等，还可进行混合、塑化、造粒等准备工序。•4、投资少，收效快•5、结构简单，易操作。3.1.1挤出成型的特点5•挤出过程：将塑料加热，使之呈粘流状态，在加压的情况下，使之通过具有一定形状的口模而成为截面与口模形状相仿的连续体，然后通过冷却，使其具有一定几何形状和尺寸的塑料由粘流态变为高弹态，最后冷却定型为玻璃态，得到所需要的制品。玻璃态----粘流态----高弹态----玻璃态3.1.2挤出机的组成6塑料挤出机7挤出成型机组8•1、主机•挤压系统：主要由料筒和螺杆组成。塑料通过挤压系统而塑化成均匀的熔体，并在这一过程中所建立的压力下，被螺杆连续地定压定量定温地挤出机头。•传动系统：它的作用是给螺杆提供所需的扭矩和转速。•加热冷却系统：其功用是通过对料筒（或螺杆）进行加热和冷却，保证成型过程在工艺要求的温度范围内完成。3.1.2挤出机组的构成9•2、辅机•机头（口模、芯架等）：它是制品成型的主要部件，熔融塑料通过它获得一定的几何截面和尺寸。•定型装置：它的作用是将从机头中挤出的塑料的既定形状稳定下来．并对其进行精整，从而得到更为精确的截面形状、尺寸和光亮的表面。通常采用冷却和加压的方法达到这一目的。3.1.2挤出机的组成•机头（口模、芯架等）•定型装置•冷却装置•牵引装置102、辅机•冷却装置：由定型装置出来的塑料在此得到充分的冷却，获得最终的形状和尺寸。•牵引装置：其作用为均匀地牵引制品。并对制品的截面尺寸进行控制，使挤出过程稳定地进行。3.1.2挤出机的组成11•3、控制系统（检测和控制）•挤出机的控制系统：它由各种电器、仪表和执行机构组成。•作用：–控制挤出机的主机、辅机的拖动电机、驱动油泵、油（汽）缸和其它各种执行机构按所需的功率、速度和轨迹运行–检测、控制主辅机的温度、压力、流量–实现对整个挤出机组的自动控制和对产品质量的控制•我们一般称由以上各部分组成的挤出装置为挤出机组3.1.2挤出机的组成挤出成型机组挤出过程示意图12•挤出机的分类：•1、按螺杆数目的多少•2、按可否排气•3、按螺杆的转速•4、按螺杆在空间的位置•排气挤出机•非排气挤出机•无螺杆挤出机•单螺杆挤出机•双螺杆挤出机•多螺杆挤出机3.1.3挤出机的分类13•3、按螺杆的转速•4、按螺杆在空间的位置•最常用的是卧式单螺杆整体装配式挤出机和双螺杆挤出机，本章将以此为重点进行介绍。•卧式挤出机•立式挤出机•普通挤出机•高速挤出机•超高速挤出机3.1.3挤出机的分类14柱塞式挤出机15双螺杆挤出机16立式挤出机173.1.4挤出机的现状与发展•挤出机现状–塑料产量的1/3～1/2–塑料机械的20～25％–新型混炼元件：分离型，屏障型，分流型……–特种挤出机：排气式，发泡机，……183.1.4挤出机的现状与发展•挤出机的发展趋势–高速、高产化–高效、多功能化–大型化和精密化–模块化和专业化–智能化和网络化193.2单螺杆挤出机•3.2.1结构•3.2.2单螺杆挤出机的主要参数•3.2.3螺杆的基本参数•3.2.4挤出过程•3.2.5挤出过程的参数•3.2.6挤出过程工作原理•3.2.7挤出机的组成结构203.2单螺杆挤出机•3.2.1典型结构213.2.2单螺杆挤出机的主要参数•螺杆直径：指螺杆外径，用D表示，单位毫米。•螺杆长径比：用L／D表示。其中L为螺杆的有效长度，即有螺纹部分的长度•螺杆的转数范围：用nmin～nmax表示,r/min。•驱动电机功率：用N表示，单位kW。•料筒加热段数：用B表示。•料筒加热功率：用E表示，单位kW。•挤出机生产率：用Q表示，单位kg/h。•机器的中心高：用H表示，指螺杆中心线到地面的高度,单位mm。•机器的外形尺寸：长、宽、高,单位mm。223.2.3螺杆的基本参数D——螺杆直径Db——机筒内径Ds——螺杆的螺纹根部直径δ——螺杆螺纹顶部至机筒内表面的间隙L——螺杆螺纹部分的长度（螺杆的有效工作长度）L1——螺杆加料段的长度L2——螺杆压缩段的长度L3——螺杆均化段的长度H——螺纹根部至机筒内表面的距离，H1、H2、H3S——螺纹轴向距离（螺距）P——螺纹头数B——螺纹槽的轴向宽度b——螺棱的轴向宽度e——螺棱的法向宽度θ——螺纹角233.2.3螺杆的基本参数•压缩比–几何压缩比ε＝加料段螺槽容积/均化段螺槽容积＝π(D－h1)h1(S－e)/π(D－h3)h3(S－e)–物理压缩比ε物＝产品的密度/原料的松密度243.2.4挤出过程•塑料由料斗进入料筒后，随着螺杆的旋转而被逐渐推向机头方向。•1.加料段---输送并开始压实物料•螺槽为松散的固体粒子（或粉末）所充满，物料开始被压实。•2.压缩段/熔融段•1)由于阻力,物料被压实•由于螺槽逐渐变浅，以及滤网、分流板和机头的阻力，在塑料中形成了很高的压力，把物料压得很密实。25•2)外热、内热的作用，物料熔融•同时，在料筒外热和螺杆、料筒对物料的混合、剪切作用所产生的内摩擦热的作用下，塑料的温度逐渐升高。对于常规三段全螺纹螺杆来说，大约在压缩段的三分之一处，与料筒壁相接触的某一点的塑料温度达到粘流温度，开始熔融。26•3）物料全部熔融，变为粘流态•随着物料的向前输送，熔融的物料量逐渐增多。而未熔融的物料量逐渐减少，大约在压缩段的结束处，全部物料熔融而转变为粘流态，但这时各点的温度尚不很均匀。27•3.均化段/计量段---均化、挤出•经过均化段的均化作用就比较均匀了，最后螺杆将熔融物料定量、定压、定温地挤入机头•4.机头（口模）---成型、定型•口模是个成型部件，物料通过它便获得一定截面的几何形状和尺寸。再经过冷却定型和其它工序，就得到成型好的制品。28描写这一过程的参量有温度、压力、流率（或挤出量、产量）和能量（或功率）。有时也用物料的粘度，因其不易直接测得，而且它与温度有关，故一般不用它来讨论挤出过程。3.2.5挤出过程的参数29温度是挤出过程得以进行的重要条件之一。如前所述，物料从加入料斗到最后成型为制品是经历了一个复杂的温度过程的。（以物料沿料筒方向的位移为横坐标，以温度为纵坐标，可得到温度轮廓曲线，如图）1.温度30由图可见，该曲线有一定的变化规律。实验告诉我们，加工不同物料和不同制品，这条轮廓曲线是不相同的。1公斤/厘米2＝98kPa86公斤/厘米2＝8.4MPa311）热量来源根据挤出理论和实践，物料在挤出过程中热量的来源主要有两个：a.物料与物料之间；物料与螺杆、料筒之间的剪切、摩擦产生的热量，b.料筒外部加热器提供的热量。1.温度32•2）温度的调节•温度的调节是靠挤出机的加热冷却系统和控制系统进行的。•a.加料段--低温输送。•为加大输送能力，不希望加料段温度升得过高，相反有时要冷却；1.温度33•b.压缩段和计量段—高温熔融。•为了促使物料熔融，均化，物料要升到较高的温度。•为了便于物料的容易加入、输送、熔融、均化以及在低温下挤出，获得高质量、高产量的制品，•每一种物料的挤出过程应有一条合适的温度轮廓曲线。34•机头处或螺杆头部的温度变化•螺杆轴向的温度波动和径向的温差•产生的结果：–制品产生残余应力–各点强度不均匀–表面灰暗无光泽3)温差对挤出质量的影响35产生轴向温度波动和温差的原因：加热冷却系统不稳定，螺杆转数的变化，螺杆设计的好坏尽可能减少或消除这种波动和温差。362.压力1）压力的来源a.压缩比的存在（螺槽深度的改变、料筒上的沟槽深度变化、螺距的改变）几何压缩比ε＝加料段螺槽容积/均化段螺槽容积b.分流板、滤网和口模产生的阻力，压力是获得成型制品的重要条件之一37a.机头、分流板、滤网的阻力，b.加热冷却系统，c.螺杆转数，d.螺杆和料筒的结构。2）影响压力的因素常规三段螺杆和料筒加料段内壁不开沟槽的挤压系统的压力轮廓曲线1psi＝6894.76Pa383.流率（挤出量）流率是描写挤出过程的一个重要参量。它的大小表征着机器生产率的高低。1）绝对流率（流量，产量）用Q表示，为每小时公斤。2）比流率用每转的流率Q/n表示。——挤压系统性能的标准39a.机头的阻力b.螺杆、料筒的设计c.螺杆转数d.加热冷却系统e.物料的性质3）影响流率的因素404.能量（功率）•1）能量平衡为了使加入的物料熔融呈粘流态，必须供给热能为使物料压实并得以成型，物料须具有一定的压力——压力能能量的消耗：熔融物料、成型制品热损失——加热器的电能——驱动螺杆的机械能41其能量平衡方程式如下:机械能+热能=熔融热能+压力能+热量损失式中Z---单位时间内由螺杆输入的机械能，HJ---由外部加热器输入的热能。右端第一项---物料由固态变为熔融状态所需之能量，右端第二项---物料在挤出过程中所获得的压力能。H’---热量损失Z+HJ=Qv(T2-T0)ρCvJ+Qv∆P+H’422）比功率消耗每挤出一公斤物料（制品）所消耗的功率它也是挤出过程的重要度量之一。越小越好433.2.6挤出过程工作原理•螺杆的分段1H加料段螺槽深度2H计量段落槽深度D螺杆直径e螺棱宽度θ角旋螺S螺距压料段螺杆长度HS1H2θL2L加料段1L3L段量计压料段螺杆长度HS1H2L2L加料段1L3L段量计44螺杆的分段a.加料段：螺杆最前一段作用：输送并开始压实物料结构：等距等深(0.10-0.15D)，长度(4-8D)。b.压缩段：螺杆中部一段（5-15D）作用：加热熔化物料；加压压实物料；排除空气。结构：变螺槽容积c.计量段（均化段）：螺杆最后一段作用：均化；定量、定压挤出物料。结构：等距等深(0.02-0.06D)，长度(6-10D)。作用：结构：作用：结构：作用：结构：45物料在螺杆中的流动理论3.2.6.1固体输送区——固体输送理论3.2.6.2熔融区——熔融理论3.2.6.3熔体输送区——熔体输送理论3.2.6.4机头中物料的流动3.2.6.5挤出机的工作特性加料段压缩段均化段46•Ⅰ.研究对象及目的•1.对象：加料段•2.目的：搞清输送量与物性、设备、工艺条件的关系，由此计算输送量，找出提高产量的途径。3.2.6.1.固体输送理论螺杆47Ⅱ.简化与假设•1.从料斗到固体输送段的物料是被压实的无内变形的固体塞，其内部每一点速度、密度一致；•2.螺杆静止，料筒运动；•3.固体塞上的压力P仅仅是沿螺槽方向Z的函数，与V无关；•4.摩擦系数是一个常数，但固体与螺杆和机筒表面的摩擦系数可以不同，作用在固体塞上的摩擦力符合：F=f·P•5.忽略物料重力；•6.加料段等距等深，截面为矩形，螺杆与料筒间的间隙忽略；•7.等温过程。481.固体塞的运动分析——求生产率Qs当Ab·fbAs·fs时，固体塞以Vz沿螺槽移动，其轴向分速度为Vl。则：Qs=Vl·A=Vl[(π/4)(Db2–Ds2)-(ieH/sinθ)]Ds：螺槽底部直径Db：料筒内径e：螺棱宽度θ：螺旋升角平均值i：螺纹头数ZYXX：垂直螺棱面方向Y：垂直螺槽底面方向Z：螺槽方向ZYXⅢ理论分析49求V1：Vz：固体塞沿螺槽运动速度Vb：料筒移动速度Vx：Vz与Vb相对速度θ：螺纹角φ：输送角Vz=Vb+Vxtgφ=Vl/[Vb-(Vl/tgθ)]∴Vl=Vb·tgφ·t