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1、第六章 螺桿擠出機,第一節(jié) 概述 第二節(jié) 基本結構 第三節(jié) 工作原理與產量分析 第四節(jié) 特型螺桿和排氣擠出機 第五節(jié) 擠出聯(lián)動線,汽車與機械工程學院材料成型與控制工程系 2011年5月-2011年6月,第一節(jié) 概述,,擠出成型，也稱壓出成型。是將聚合物固體物料加熱熔融成熔體，借助螺桿的擠壓作用，推動黏流態(tài)物料，使其通過口模而成為截面形狀與口模形狀相仿的一種連續(xù)體的成型方法。相應的設備稱為螺桿擠出機。,應用廣泛、地位突出,一、擠出成型過程,物料（粒料或粉料）,加入擠出機,物料被加熱并向前輸送,物料變成熔體被擠出,熔體進入機頭模成型,定型套定型,冷卻槽中冷卻,牽引,切割（或卷?。?,,,,,,,,
2、,,,,,二、擠出機的分類,按螺桿數目的多少，可以分為單螺桿擠出機和多螺桿擠出機； 按可否排氣，分為排氣擠出機和非排氣擠出機； 按螺桿的有無，分為螺桿擠出機和無螺桿擠出機； 按螺桿在空間的位置，可分為臥式擠出機和立式擠出機。,三、擠出機的技術規(guī)格與表示,擠出機的規(guī)格主要以螺桿直徑來表示。按中華人民共和國國家標準GB/T12783-1991 的規(guī) 定，國產橡膠塑料機械產品型號編寫為由產品代號、規(guī)格參數即設計序號所組成，其書寫格式規(guī)定如下：,,,,,,,,參數代號,組別代號,品種代號,,,輔助代號,,,,,規(guī)格參數,設計序號,,產品代號,例如：XJ-90 SJ-6530B,第二節(jié) 基本結構,擠出設
3、備,,主機（擠出機，Extruder）,機頭（擠出模頭或模具，Die）,輔機（定型、冷卻、牽引、切割、卷取裝置）,控制系統(tǒng)（主輔機的控制）,一、整體結構,主機（擠出機）,擠出機由擠壓系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。是擠出成型過程中的關鍵設備，他的規(guī)格及工藝控制直接影響擠出過程的產量、質量。 擠壓系統(tǒng)：由螺桿和機筒組成，是擠出機的關鍵部分，物料在擠壓系統(tǒng)中被塑化成均與熔體，并在螺桿的推壓作用下，向前運動，并被壓實、擠出。? 傳動系統(tǒng)：其作用為驅動螺桿傳動，并保證螺桿轉動所需的力矩和轉速，有減速箱和電機組成。? 外加熱冷卻系統(tǒng)：保證加工過程溫度的要求，一般在機筒外面設有加熱圈，而在螺桿的尾
4、部設有冷卻裝置。? 主機控制系統(tǒng)：控制螺桿轉速、料筒、螺桿、機頭溫度。,,,,塑料擠出機與橡膠擠出機的區(qū)別在于： 螺桿結構和主要參數不同 加熱冷卻系統(tǒng)不同（前者用電加熱，后者用水、油等載體加熱）,機頭,機頭（模頭）是制品成型的主要部件，熔融塑料通過它獲得一定的幾何截面和尺寸。擠出成型塑料制品和制品的更新?lián)Q代，最后都是由機頭及其定型裝置所決定的。,輔機,輔機是由定型裝置、冷卻裝置、牽引裝置、切割裝置以及制品的卷取或堆放裝置等部分所組成 定型裝置：其作用是將從機頭中擠出來的塑料的既定形狀穩(wěn)定下來，并對其進行精整，從而得到更為精確的截面形狀、尺寸和光亮的表面。通常采用冷卻和抽真空的方法來達到這一目的
5、；? 冷卻裝置：由定型裝置出來的塑料在此得到充分的冷卻，獲得最終的形狀和尺寸；? 牽引裝置：其作用為均勻地牽引制品，并對制品的截面尺寸進行控制，使擠出過程穩(wěn)定地進行； 切割裝置：其作用是將連續(xù)擠出的制品切成一定的長度或寬度； 卷取裝置：其作用是將軟制品(薄膜，軟管、單絲等)收卷成卷。,,控制系統(tǒng),擠出機的控制系統(tǒng)主要由電器、儀表和執(zhí)行機構等組成，其主要作用有： 控制主、輔機的拖動電動機，使其滿足工藝所要求的轉 速和功率，并保證主、輔機能協(xié)調地運行；? 控制主、輔機的溫度、壓力、流量和制品的質量； 實現整個擠出機組的自動控制和對產品的質量控制；,二、主要結構零部件,（一）螺桿：是擠出機完成物料塑
6、化和輸送的關鍵工作部件，是擠出機的“心臟”。 螺桿要求耐高溫，高強和尺寸穩(wěn)定性，耐化學腐蝕和耐磨。一般采用經過氮化處理的38CrMoAl的合金鋼。,螺桿結構分類,按螺紋結構分為普通型和特型螺桿。普通螺桿是指在工作長度上為全螺紋的螺桿。 根據螺槽深度與螺距不同，將普通螺桿分為： 等距變深螺桿 加工制造容易，成本低，利于進料和熔融物料，但壓縮比過大易折斷螺桿。 等深變距螺桿 可以通過增加螺桿轉速提高生產能力，利于實現大壓縮比，但倒流量大，均化作用差，機械加工困難。 變深變距螺桿 具有前兩種的優(yōu)點，大壓縮比，但加工復雜，成本高。,,雙螺紋螺桿,螺桿主要結構參數,螺桿直徑（D）：螺桿外徑，由擠出
7、產量來確定。 螺桿長徑比（L/D）：螺桿工作長度L與外徑D之比。其大小表示單位質量的物料在螺桿中流經時間的長短。,增加長徑比：,,物料熔融均勻、壓力穩(wěn)定；減少逆流和漏流；可增加轉速提高生產能力,,加工與裝配困難，成本提高，螺桿易彎曲變形，功率消耗增大,根據所加工物料的性能和制品質量的要求來考慮長徑比的選擇,螺桿主要結構參數,螺槽深度：螺紋外半徑與其根部半徑之差。 壓縮比：螺桿進料段第一個螺槽容積與計量段最后一個螺槽容積之比。根據不同物料和工藝條件確定,不同物料對擠出機螺桿的壓縮比要求,,螺桿的分段,根據加工物料的狀態(tài)變化，將螺桿的工作長度分為三段：進料段、壓縮段、計量段——三段式螺桿 三段式螺
8、桿各段結構參數均不相同。 擠出三段論,固體輸送理論、熔融理論、熔體輸送理論,,擠出螺桿各區(qū)段的基本職能,加料段：對物料進行壓實和輸送。在該段末端， 由于摩擦和加熱，物料開始熔融（固體輸送段）； 熔融段：對物料作進一步的壓實、排氣，并使物料在外加熱和機械攪拌、剪切的作用下混合、塑化。在該段末端，物料全部或大部分熔融成黏流態(tài)（壓縮段）； 均化段（計量段、熔體輸送段）：對物料進一步的塑化、均化，并使其定壓、定量、定溫的從機頭擠出。一般把物料在均化段中的流動視為順流、反流、漏流和環(huán)流的綜合流動。,螺桿中熔體的流動,順流，即正流，是物料沿著螺槽方向向機頭的流動，其流量以Qd表示。它是由于螺桿轉動時螺
9、紋對物料的推動而產生的。 反流，即倒流和逆流，它的方向與順流方向相反，其流量以Qp表示。它主要由于機頭阻力所致。 漏流，發(fā)生在螺桿與機筒間隙之間，也是由于機頭對物料的壓力所引起，其方向沿螺桿軸向，用Ql表示。 環(huán)流，是熔體在與螺槽方向（即順流方向）相垂直方向的流動，是螺桿轉動引起的。環(huán)流有助于熔體的混合、攪拌和熱交換，因而有利于物料塑化和均化。,螺桿中熔體的流動,,加料段,作用：輸送物料給壓縮段和計量段，其任務是壓實物料并將料溫提升到熔觸溫度； 核心問題：固體輸送能力 研究表明：縮短加料段的螺距，會導致產量降低；加料段的長度與壓力的建立、熔融區(qū)的熔融狀況和波動有關 加料段螺槽深度通常是在確定計
10、量段螺槽深度后，結合材料的壓縮比才確定的 螺紋升角Φ=1741’,壓縮段,作用：熔融物料并建立熔體壓力，其螺桿參數應能滿足物料的物理壓縮比 壓縮比有兩層意思：一是指由螺桿結構形成 的螺槽容積的幾何壓縮比；二是指物料由固體松敞狀態(tài)轉變?yōu)槊軐嵉娜垠w的密度變化的物理壓縮比。壓縮比的作用是將物料壓縮，排除出氣體并建立起必要的熔體壓力，以保證物料到達螺桿末端時能有足夠的致密度 壓縮段長度的確定：經驗方法,計量段,作用：是將來自壓縮段的已熔物料的組分均化、并定壓、定量和定溫地擠入機頭中去。該段的螺槽深度h和長度L是兩個重要的參量。 計量段長度：確定仍以經驗為主，長度長一些，可以使物料得到相對長一些的均化時
11、間，也可以減少壓力、產量和溫度的波動。 螺槽深度：應當使該段的均化能力與壓縮段的熔融能力相匹配，以控制擠出量。,螺桿其它參數,螺紋升角： 能影響產量；物料形狀不同，對螺紋升角的要求也不同 螺距： 螺桿上相鄰螺紋之間的軸向距離稱為螺距 螺棱寬度： 太小，漏流會增加，從而降低產量；太大，會增加螺棱上的動力消耗，還會造成局部過熱,螺桿頭部結構和螺紋斷面形狀,當塑料熔體從螺槽進入機頭流道時，其料流形式急劇改變，即由螺旋帶狀的流動變?yōu)橹本€流動。為了得到較好的擠出質量，要求物料盡可能平穩(wěn)地從螺桿進入機頭，并盡可能避免局部受熱時間過長而產生熱分解現象。這與螺桿頭部形狀、螺桿末端螺紋的形狀以及機頭體中流
12、道的設計和分流板的設計等均有密切的關系。 對于螺桿頭部的結構形式長期以來就是實踐和理論研究中的一個課題。由于實際情況的復雜性，一直存在著不同的觀點。 螺桿頭部的結構形式，必須與被加工的物料品種、產品類型以及原料形狀等因素相關。,常見的螺紋頭部形式和螺紋斷面形式,,（二）機筒,,二種結構形式： （1）整體式機筒：長度大，加工要求高，但加工精度和裝配精度易于保證，機筒受熱均勻。 不足是對加工機筒的設備要求較高，機筒內表面磨損難以修復。 （2）分段式機筒：加工比較容易，便于改變長徑比。不足是分段太多，難以保證多段對中， 法蘭連接處會影響機筒的加熱均勻。,為了滿足材質要求，又節(jié)約貴重金屬，現采用雙金屬
13、機筒,雙金屬機筒,主要有兩種結構形式：襯套式機筒、澆注式機筒 主襯套式機筒：一般是在大中型擠出機的機筒內裝配入一個可更換的合金銅襯套，襯套可以制作成整體式或分段式的形式，而機筒則用一般碳素鋼或鑄鋼制成。 特點：節(jié)省貴重金屬，襯套磨損后可以更換，提高了機筒的使用壽命，但增加襯套后，使設計、加工和裝配都會產生一些新問題。 澆注式機筒：是在機筒內壁上離心澆鑄一層大約 2mm 的耐磨合金．然后研磨至所需的內徑尺寸。 特點：合金層與機筒的整體結合很好，且沿機筒軸向長度上的結合較均勻，既沒有剝落的傾向，也不會產生開裂，故耐磨性高，使用壽命較長。,機筒的加熱冷卻,在機筒上鑄出空腔 缺點：冷卻水在空腔中走捷徑
14、，冷卻面積小，效率差。,將機筒內腔鑄成螺旋槽，促使冷卻水沿螺旋槽流動。冷卻效果好，但冷卻面積小，密封性不好，易漏水。,將外面為螺旋槽或環(huán)形槽的冷卻水套裝入機筒內腔中，冷卻水沿槽依次冷卻。具有“散熱片”形狀，散熱面積大，能帶走大量熱量，冷卻效果好，密封性能也好。,擠出機的加熱方法：,①載熱體加熱：蒸汽或熱油等 ②電阻加熱：帶狀電阻加熱器，鑄鋁鑄銅加熱器，陶瓷加熱器 ③電感應加熱器：電磁感應在機筒內產生電的渦流而使機筒發(fā)熱，從而加熱機筒內的塑料 ④遠紅外加熱：一項新型的加熱技術,,擠出機冷卻,機筒的冷卻 螺桿直徑45mm以上的擠出機均應設機筒冷卻裝置 冷卻方式：鼓風冷卻、散熱冷卻和水冷卻 螺桿的冷
15、卻 螺桿冷卻的目的，主要是為了有利于加料段物料的輸送，同時也可以防止機筒內塑料因過熱分解，還有利于物料中所含的氣體能從加料段的冷混料中返回并從料斗中排出 冷卻介質：水、空氣 料斗座冷卻 加料段的塑料溫度不宜太高，否則不僅會影響固體輸送效率，而且易使物料在加料口處形成“架橋”，使料斗內的物料不易加入,喂料口,加料口的俯視形狀有圓的、方的及矩形的，一 般多采用矩形，其長邊平行于機筒軸線，長度均為螺桿直徑的1.5~2倍。圓形加料口則主要多用于設置機械攪拌器進行強制加料的場合。,塑料加料裝置,以粒料或粉料為原料的塑料擠出機機筒喂料口一般設有連續(xù)加料系統(tǒng)。它由加料斗和上料部分組成。,加料裝置的要求,①
16、應設有料位計量器，能經常計量料斗中的料量并用來控制料位高度，使料位能始終保持在一定的水平上； ② 帶有預熱干澡或抽真空裝置，對一些有特殊要求的物料起到預熱干熱或去除物料中所含水分及氣體的作用； ③ 進料要均勻，物料不會在料斗或機筒的進料口處產生“架橋”等阻塞現象； ④ 如果要混用兩種或以上原料，在料斗中還可以設置攪拌混合裝置。,（三）機頭,機頭的作用： 使熔融物料由螺旋運動變?yōu)橹本€運動； 產生必要的成型壓力，以保證制品密實 使物料進一步塑化、均化 成型制品 多用來成型熱塑性塑料制品，也有用來擠塑熱固性塑料半成品。 擠塑機頭部配以不同類型的機頭及相應的定型裝置和輔機，可生產出棒材、管材、異型材、
17、板材、片材、薄膜、單絲、 電線、電纜、造粒、擠網、中空制品坯管等型材和制品。,機頭分類,按機頭與螺桿相對位置分：直向機頭、橫向機頭和旁側式機頭。 按機頭結構分:有型芯機頭和無型芯機頭 按機頭內壓力大小分：低壓機頭（10MPa）,機頭結構,,片狀機頭,第三節(jié) 產量分析,（一）產量計算 均化段的生產率是由正流流率Qd逆流流率Qp和漏流流率QL三部分組成的,=,基本假設,計量段中物料是已完全熔融的等溫狀態(tài)的牛頓流體，它在螺槽中的流動為層流流動； 熔體的壓力僅僅是沿螺槽方向的函數； 熔體不可壓縮，其密度不變； 螺槽寬度與深度之比大于10； 將螺桿和機筒分別展為兩個大平面，并設螺桿平面靜止而機筒平面
18、以Vb=pD平移。,經驗公式,b為經驗出料系數，由經驗和實測決定 D為螺桿直徑 N為螺桿轉速,（二）影響生產能力的因素,1.螺桿轉速 其他條件一定時，擠出量與螺桿轉速成正比。但： ①轉速過大，導致剪切力過大，物料易過熱降解； ②轉速增大，物料在螺桿中停留時間短，熔融與均化作用下降。 ③功率增加,2.機頭壓力,A、B、C都是僅與螺桿幾何尺寸有關的參數，對于給定螺桿，他們?yōu)槌?。Ql較小，一般可以忽略。 Q與n的關系曲線，即圖示AB線，稱為螺桿特性曲線。,=,,機頭特性線 擠出機的工作點必定是螺桿與機頭特性線的交點。,n3>n2>n1, K1>K2>K1,在給定的螺桿和口模下，工作點會因螺桿轉速的
19、改變而改變； 在給定的螺桿下，若更換機頭，工作點C也會隨之改變。,3.螺桿直徑,從擠出量的理論公式和經驗公式可以發(fā)現，增加螺桿直徑，可使產量大幅度增加。這也是提高擠出機生產能力的一個重要途徑。 4.螺槽深度 存在一個最佳值。h3小，擠出穩(wěn)定性較好，且物料受到的剪切作用大，有利于計量段的進一步塑化和均化，但過淺可能會引起熱敏性物料的分解。,5.計量段長度,增加L3，可減少反流和漏流，從而相對提高產量。計量段較長的螺桿，工作特性較硬。,根據擠出理論，可以得知,提高擠出機加料段的固體輸送能力是提高擠出機螺桿生產能力的先決條件； 而螺桿的熔融塑化能力則是提高螺桿生產能力和保證制品質量的關鍵； 此外，擠
20、出機螺桿的三個區(qū)段的工作能力必須均衡，才能使螺桿達到最佳的工作效能；螺桿的固體輸送能力與熔融塑化能力必須匹配； 現代螺桿擠出機的生產能力之所以能獲得飛速的提高，其中一個很重要的原因就是充分采取有效的改進措施，強化固體輸送能力，提高熔融能力，并在此前提下，保證螺桿能有更多的均化能力。,第四節(jié) 特型螺桿和排氣擠出機,特型螺桿 普通單螺桿存在問題和改進方法： 核心問題：產量低、質量差、適應性窄,典型的新型螺桿，主要是指：,（1）分離型螺桿 （2）屏障型螺桿 （3）分流型螺桿（銷釘螺桿、DIS螺桿） （4）變流道型螺桿（波狀螺桿、多角型螺桿） （5）組合型螺桿 新型螺桿在原理、結構設計上有許多特點
21、，它們 是在常規(guī)全螺紋三段螺桿的基礎上發(fā)展起來的，目前 已得到廣泛應用。,（1）分離型螺桿（增強熔融功能 ）,設計原理：分離型螺桿是根據將螺槽中固液相盡快分離的原則設計出來的螺桿，它根據物料傳熱原理實現熔融增強功能。固液相盡早分離，固體盡快熔融，液相低溫擠出，保證質量，提高產量。 將已熔融的物料和未熔融的物料盡早分離，從而促進未熔物料更快的熔融， 使已熔融物料不再承受導致過熱的剪切，而獲得低溫擠出，在保證塑化質量的前提下提高擠出量。 典型代表是BM螺桿（也叫主副螺紋螺桿）、Barr 螺桿、熔體螺槽螺桿、XLK螺桿、SDS螺桿等,,基本結構：分離型螺桿（BM螺桿）的加料段和均化段 與普通螺桿的結
22、構相似。不同的是在加料段末端設置一條起屏障作用的附加螺紋(也稱副螺紋或屏障螺紋)，其外徑小于主螺紋，如圖所示。,,結構特點,副螺紋的始端與主螺紋相交。由于副螺紋的升程與主螺紋不同，在固體物料熔融結束之處或者是相當于普通螺桿熔融段末端與主螺紋相交。? 液相螺槽：副螺紋后緣與主螺紋推進面所構成的液相槽。其寬度從窄變寬，直通至螺桿頭部，均化段螺紋升程等于副螺紋的螺紋升程。? 固相螺槽：副螺紋的推進面與主螺紋后緣構成的固相槽。其寬度從寬變窄，固相螺槽與加料段螺槽相通，且在分離段末端結束。 固相螺槽和液相螺槽的螺槽深度都從加料段末端的螺槽深度h1逐漸變化到均化段螺槽深度h3。? 副螺紋與機筒內壁形成的徑
23、向間隙只能讓熔料通過，而一般固體顆粒不能通過。,BM螺桿優(yōu)點,塑化效率高，塑化質量好，由于固液相分離； 產量、壓力、溫度波動小，由于沒有固體床解體；? 排氣性能好， 由于固液相分離，不混合；? 單耗低， 由于塑化效率高，減少了能耗；? 適應性強， 可用于多種用途、適用多種物料；? 耐掃膛性能好，由于固液相分離，固體顆粒不能嵌入數值較小的主螺紋與機筒的縫隙中；? 能實現低溫擠出，已熔融物料不再承受導致過熱的剪切，而獲得低溫擠出。,BM螺桿缺點,加工制造困難。由于主附螺紋螺距不等給加工制造帶來很多困難 熔融能力受到限制。由于它的固體床的寬度是由寬變窄，因此不能自始至終保持固體床與料筒壁之間的最大接
24、觸面積而獲得來自料筒壁的最多熱量，從而使熔融能力受到限制? 可能引起螺槽堵塞而產生擠出不穩(wěn)定。固體床在寬度方向要發(fā)生形變，如設計不當，即固體床因熔融而發(fā)生的寬度的減少與固相螺槽寬度的減少不一致，有可能引起螺槽堵塞而產生擠出不穩(wěn)定,2.屏障型螺桿（增強混合功能 ）,設計原理：屏障型螺桿就是在螺桿的某部位設置屏障段，使未熔的固體顆粒不能通過，并促進固相熔融的一種螺桿。因此，可以說上述的分離型螺桿也是屏障型螺桿的一種，不過，通常所說的屏障型螺桿是指屏障段設置在熔融段之后的螺桿。,,基本結構（一種常用“直槽屏障型螺桿”的屏障段） 工作原理（物料做渦狀環(huán)流運動、提高混合效果） 工作時，物料由進料槽流入。
25、只有熔融的物料和粒度小于間隙h的固相碎片才能越過h，即圖中劃剖面線處）而進入出料槽，而那些未熔的粒度較大的固相碎片被屏障阻擋。,屏障型螺桿特點,剪切作用：熔料和未熔融但能通過h的固相碎片在通過h時， 受到強烈的剪切作用。 混合作用：進入出料槽的物料在槽中產生渦流而得以混合。 如果設計得當，這種帶有屏障段螺桿的產量、質量、 單耗等項指標都優(yōu)于常規(guī)全螺紋三段螺桿? 從制造方面來說，也比較容易? 它適于加工聚烯烴類塑料,3.分流型螺桿,分流型螺桿是在常規(guī)全螺紋三段螺桿上設置分流元件的一類新型螺桿。它是利用設在螺桿上的銷釘或者利用在螺桿上開設孔道將含有固體顆粒的熔料分割成許多小料流，然后又混合起來，經
26、過以上反復出現的過程以達到分散和均化物料的效果，所以稱為分流型螺桿。 利用銷釘起分流作用的，簡稱為銷釘螺桿,,銷釘螺桿工作原理,銷釘螺桿就是在螺槽中設置一些銷釘，將固體床打碎，破壞熔池，打亂兩相流動，并將料流反復地分割，改變螺槽中料流的方向和速度分布，使固相和液相充分混合，增大固體床碎片與熔體之間的傳熱面積，對料流產生一定的阻力和剪切，促進熔融。另外，通過銷釘將熔料多次分割、分流而增加對物料的混煉、均化和添加劑的分散性，獲得低溫擠出。,,（1）銷釘的設置： 銷釘的數目、大小和位置根據所加工的物料、加工的要求來確定。如果設置銷釘是為了增加熔融效率，銷釘一般設在熔融區(qū)；如果是為混煉、均化和獲得低溫擠出，則銷釘宜設在均化段；銷釘的排列有多種形式，如人字形、環(huán)形和沿螺槽均布形等。銷釘之間的距離一股不超過銷釘直徑的1.5倍，銷釘的直徑與其高度之比為0.25~2。 （2）銷釘的形狀： 可以是圓柱形、方形或菱形的 （3）銷釘螺桿的優(yōu)點： 實踐證明，銷釘螺桿可以提高產量，并可有效地減少 溫度波動和溫差；可明顯改善塑化質量，提高混合均勻性 和添加物的分散度，獲得低溫擠出；加工容易。,4.組合螺桿,,
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