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第四章螺杆挤出机4.1概述4.2单螺杆挤出机4.3双螺杆挤出机4.4挤出联动线2020年9月29日星期二4.1概述挤出成型是塑料成型加工的重要成型方法之一。大部分热塑性塑料和橡胶都能用此法进行加工。用挤出成型生产的产品广泛地应用于人民生活以及农业、建筑业、石油化工、机械制造、国防等工业部门。挤出成型在挤出机上进行，挤出机是塑料成型加工机械的重要机台之一。2020年9月29日星期二挤出成型?——物料从挤出机中通过加热、混合、加压，以流动状态连续通过口模成型。产品：管材、薄膜、板材、片材、棒材、异型材、电线电缆包覆物、单丝、撕裂膜、打包带、网设备：挤出机单螺杆挤出机双螺杆挤出机2020年9月29日星期二单螺杆挤出机2020年9月29日星期二与其它成型方法相比，挤出成型有下述特点：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。2、生产效率高,一台φ200挤出机700kg/小时，德国φ500挤出机20t/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；4、投资少，收效快5、结构简单，易操作。1挤出成型的特点2020年9月29日星期二2挤出过程及工作原理挤出过程塑料之所以能进行成型加工，是由其内在依据所决定的。由高分子物理学得知，高聚物一般存在着玻璃态、高弹态和粘流态三种物理状态，在一定条件下，这三种物理状态将发生相互转化。塑料的成型加工（压制、压延、挤出、注射等）是在粘流态下进行的。2020年9月29日星期二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•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。2020年9月29日星期二•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。•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。2020年9月29日星期二3、均化段---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---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。2020年9月29日星期二工作原理挤出过程是这样进行的：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）2020年9月29日星期二1、主机（挤出机）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。3挤出机及其机组的组成2020年9月29日星期二2020年9月29日星期二传动系统：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。控制系统：控制挤出机的拖动电机、按所需的功率、速度运行，检测、控制温度、压力等参数，完成对制品的质量控制，使其满足工艺要求。2、辅机机头（口模）：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。在挤出成型过程中起决定性的作用。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。2020年9月29日星期二冷却装置：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。切割装置：将连续挤出的制品切割成所需要的规格（一定的长度和宽度）。堆放及卷取装置：硬制品的码放及软制品的收卷。2020年9月29日星期二3、控制系统（检测和控制）挤出机组的控制系统：它由各种电器、仪表和执行机构组成。•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、速度和运动轨迹，使其满足工艺要求并保证其协调运行。•检测、控制主辅机的温度、压力、流量，完成对制品的质量控制，最终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。2020年9月29日星期二挤出机的分类：随着挤出机用途的增加，出现了各种挤出机，分类方法很多。1、按螺杆数目的多少，可以分为单螺杆挤出机、双螺杆挤出机和多螺杆挤出机。2、根据功能，分为排气挤出机、混炼式挤出机和超高分子量挤出机等4挤出机的分类2020年9月29日星期二3、按螺杆的有无：可分为螺杆挤出机和无螺杆挤出机（柱塞式挤出机）；4、按螺杆在空间的位置：可分为卧式挤出机和立式挤出机。5、按螺杆转速：可分为普通挤出机、高速挤出机和超高速挤出机。最常用的是卧式单螺杆非排气挤出机和双螺杆非排气挤出机，本章将以此为重点进行介绍。2020年9月29日星期二4.2单螺杆挤出机4.2.1主要结构和参数4.2.2挤出过程参变量4.2.3物料在螺杆中的流动理论4.2.4螺杆及其参数4.2.5其它主要零部件单螺杆挤出机2020年9月29日星期二4.2.1主要结构和参数1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。2传动系统：它的作用是给螺杆提供所需的扭矩和转速。3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。4控制系统：控制挤出机的拖动电机、按所需的功率、速度运行，检测、控制温度、压力等参数，完成对制品的质量控制，使其满足工艺要求。单螺杆挤出机传动装置加料装置机筒螺杆☆机头与口模单螺杆挤出机结构示意图1-机座2-电动机3-传动装置4-料斗5-料斗冷却区6-机筒7-料筒加热器8-热点偶控温点9-螺杆10-过滤网及多孔板11-机头加热器12-机头13-挤出物2020年9月29日星期二单螺杆挤出机的性能特征通常用以下几个主要技术参数表示：螺杆直径D：指螺杆外径，单位mm。螺杆长径比L／D：L为螺杆的有效长度，即有螺纹部分的长度（工艺上将L定义为由加料口中心线到螺纹末端的长度），D为螺杆直径。单螺杆挤出机的主要参数2020年9月29日星期二螺杆的转数n：单位r/min。驱动电机功率N：用表示，单位kw。料筒加热段数B：3~4段料筒加热功率E：单位kw。挤出机生产率Q：用表示，单位kg/h。机器的中心高H：用表示，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。2020年9月29日星期二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）。4.2.2挤出过程参变量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。1、温度如果我们以物料沿料筒方向的位移为横坐标。而以温度为纵坐标，将沿料筒方向测得的各点的物料温度值连成曲线，就会得到所谓温度轮廓曲线。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）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。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；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。2、压力1）压力的建立挤出成型时，沿料筒轴线方向，在物料内部就要建立起不同的压力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）b.分流板、滤网和口模产生的阻力，c.压力的建立是挤出成型制品的重要条件压力的建立也是物料得以经历物理状态变化、得到均匀密实的熔体、并最后得到成型制品的重要条件之一。2）影响压力的因素如果将沿料筒轴线方向（包括口模）测得的各点的物料压力值作为纵座标，以料筒轴线为横座标做一曲线，即可得到所谓压力轮廓线。a.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。3、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。后者更能反映挤压系统性能，应当作为比较挤压系统性能的标准。3）影响流率的因素a.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.物料的性质等。4、能量（功率）1）能量平衡若从能量的观点来观察挤出过程，就有一个能量平衡问题。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，物料必须具有一定的压力，即必须供给压力能。热能和压力能是由加热器的电能和驱动螺杆的机械能转化而来。这些能量的一部分为熔融物料、成型制品所利用。其余部分作为热损失而损失掉。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’2）比功率消耗现在经常用比功率消耗这一指标作为评价挤出机性能的标准之一，它的含义是每挤出一公斤物料（制品）所消耗的功率。它也是挤出过程的重要度量之一。在保证塑化质量和混炼质量的前提下，希望该值越小越好。4.2.3物料在螺杆中的流动理论根据实验研究，物料自料斗加入到由机头中挤出，要通过几个职能区：固体输送区、熔融区和熔体输送区。固体输送区，物料向前输送并被压实，但仍以固体状存在——固体输送理论。熔融区，物料开始熔融，已熔的物料和未熔的物料以两相的形式共存，未熔物料最终全部转变为熔体——熔融理论。熔体输送区，螺槽全部为熔体充满——熔体输送理论。一固体输送理论1、基本假设：1）、螺槽中被压实的物料象具有弹性的固体塞于一样移动：2）、塞子与所有面（料筒表面、螺纹槽底面、螺纹两个侧面）相接触；3）、塞子与各表面的摩擦系数是一个常数，但在螺杆和料筒表面可以取不同值；4）、忽略料筒和螺纹棱之间的间隙；5）、螺槽是矩形的，并且其深度不变：6）、固体塞子的密度不变。2基本方程在固体塞子上取一个微单元。假定螺杆不动，料筒以Vb=πdn的速度移动。固体塞子沿螺槽移动的速度用Vp表示，固体塞子沿螺杆轴线方向的移动速度用Vpl表示。则固体的流率Qs可以用速度Vpl和固体塞子通过垂直于螺杆轴线的平面上的螺槽横截面积的乘积来表示：)(tantantantan)(bb112eWWhDDnhQbbbbs以上公式就是体积流率Qs的计算公式影响固体输送率的因素很多且很复杂Qs=VA二．熔融理论熔融理论又称为融化理论，相迁移理论，它是研究塑料从固态转变为熔融状态的过程，是建立在热力学第一流变学等基础上的一种理论。熔融理论主要用于指导螺