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1 緒論
1.1單螺桿擠出機(jī)
螺桿擠出機(jī)分為單螺桿擠出機(jī)和多螺桿擠出。單螺桿擠出機(jī)是聚合物工業(yè)中最重要的一類擠出機(jī)。其主要優(yōu)點(diǎn)為成本較低、設(shè)計(jì)簡單、堅(jiān)固而可靠、以及滿意的性能成本比。常規(guī)塑化擠出機(jī)的螺桿具有3個(gè)不同的幾何段，見圖下圖：
圖1-1常規(guī)擠出機(jī)螺桿幾何形狀
這種幾何形狀也稱之為“單級(jí)”。“單級(jí)”是指這種螺桿盡管有3個(gè)不同的幾何段，但事實(shí)上僅有一壓縮段，第一段(最靠近進(jìn)料口)的螺槽—般較深。此段中的物料大都處于固體狀態(tài)。此段稱之為螺桿的進(jìn)料段。最末段(最靠近模頭)的螺槽通常較淺。此段中的物料大都為熔融狀態(tài)。此蟬桿段稱之為計(jì)量段或擠出段。第二段連接進(jìn)料段和計(jì)量段。此段稱之為過渡段或壓縮段。多數(shù)情況下，螺槽深度(或螺棱高度)從進(jìn)料段向計(jì)量段以線性方式減小，因而使物料在螺槽中經(jīng)受壓縮．以后將證明這種壓縮作用在多數(shù)悄況下對(duì)擠出機(jī)的正確運(yùn)行是必不可少的。
1.1.1基本操作
單螺桿擠出機(jī)的操作相當(dāng)簡單。物料從加料斗進(jìn)入。通常物料靠重力由加料斗流入擠出機(jī)機(jī)筒。有些物料在干燥狀態(tài)不易流動(dòng)，必須采用特殊措施防止物料在進(jìn)料斗中掛料。物料一旦落入擠出機(jī)機(jī)簡，即處于擠出機(jī)螺桿和機(jī)筒之間的環(huán)狀空間內(nèi)，并進(jìn)而為螺棱的主動(dòng)螺腹和被動(dòng)蝶腹螺槽所包圍。機(jī)簡靜止而蟬桿旋轉(zhuǎn)。因此，摩擦力都作用于物料以及機(jī)筒和螺桿表面。至少物枓處于固體狀態(tài)(低于熔點(diǎn))，這些摩擦力負(fù)責(zé)向前輸送物料。
物料向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，即因摩擦產(chǎn)生的熱和機(jī)筒加熱器傳導(dǎo)的熱而被加熱。當(dāng)物料溫度超過其熔點(diǎn)，則在機(jī)筒內(nèi)表面形成熔膜，塑化段即由此開始。必須指出，塑化段起點(diǎn)通常不是壓縮段起始點(diǎn)。各功能段的分界線取決于聚合物性能、擠出機(jī)幾何形狀以及操作條件。因而，分界線可因操作條件改變而改變。然而，螺桿的幾何段由設(shè)計(jì)確定，不因操作條件的變化而變化。當(dāng)物料向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，在各個(gè)位置的固態(tài)物料量將因熔融而減少。當(dāng)全部固態(tài)聚合物消失時(shí)則達(dá)到塑化段末端，而熔體輸送段開始。在固體輸送段中，將熔體均勻的輸送給模頭。
當(dāng)聚合物流進(jìn)模頭時(shí)，即呈現(xiàn)模頭流道的形狀，因而，當(dāng)高聚物離開模頭時(shí)，其形狀或多或少的符合模頭流道最后部分的斷面形狀。由于模頭產(chǎn)生流動(dòng)阻力，所以需要壓力迫使物料通過模頭。這種壓力通常稱之為模頭壓力。模頭壓力因模頭形狀(特別是流道)、高聚物熔體溫度、通過模頭的流率、以及高聚物熔體的流變特性所決定。模頭壓力由模頭產(chǎn)生而不由擠出機(jī)產(chǎn)生。擠出機(jī)只是產(chǎn)生足夠的壓力，以迫使物料通過模頭。如聚臺(tái)物、擠出量、模頭、模頭溫度均相同，則無論擠出機(jī)是齒輪泵單螺桿擠出機(jī)，還是雙螺擠出機(jī)等都不會(huì)造成差異，機(jī)頭力相同。因而模頭壓力是由發(fā)生在。
1.1.2排氣擠出機(jī)
排氣擠出機(jī)在設(shè)計(jì)和功能上與非排氣擠出機(jī)有很大區(qū)別。排氣擠出機(jī)在其機(jī)筒上有一個(gè)或多個(gè)開口(排氣口)，揮發(fā)物可由此逸出。因而．排氣擠出機(jī)能連續(xù)從聚合物中連續(xù)排除揮發(fā)物。這種排氣增加了一種非排氣擠出機(jī)所沒有的功能。除排出揮發(fā)物外，還可利用排氣口向聚合物添加某些組分，渚如添加劑、填充劑、反應(yīng)組分等等。這顯然增加了排氣擠出機(jī)的多功能性，并且還有額外的好處，即只要堵塞排氣口并在可能情況下變換螺桿幾何形狀，排氣擠出機(jī)即可作為常規(guī)非排氣擠出機(jī)。
圖1-2排氣擠出機(jī)基本結(jié)構(gòu)
螺桿的設(shè)計(jì)對(duì)排氣擠出機(jī)的正確運(yùn)，非常關(guān)鍵。困擾排氣擠出機(jī)的主要問題之一是排氣口溢料。在這種情況下，不僅揮發(fā)物通過排氣口釋放，而且也流出一定量的聚合物。因而，擠出機(jī)螺桿必須設(shè)計(jì)成使排氣口(排氣段)下面的聚臺(tái)物中不呈正壓，這就導(dǎo)致開發(fā)二級(jí)擠出螺桿，尤其是為排氣擠出機(jī)所設(shè)計(jì)的二級(jí)擠出螺桿。二級(jí)擠出螺桿有被釋壓/排氣段所分隔的兩個(gè)壓縮段。這由各類似于沿一根軸串聯(lián)相接的兩根單級(jí)擠出螺桿。
1.1.3橡膠擠出機(jī)
用于彈性體加工的擠出機(jī)的歷史比任何其它類型的擠出機(jī)都長。用于橡膠擠出的工業(yè)機(jī)器早在19世紀(jì)下半葉即已間世。一些早期的擠出機(jī)制造商有美國John Royle和英國Frsncis Shaw。德國主要橡膠擠出機(jī)制造商之一是Paul TrosteL事實(shí)上, Paul TrosteL仍為主要的擠出機(jī)制造商。盡管橡膠擠出機(jī)問世已超過一個(gè)世紀(jì)，但有關(guān)橡膠擠出文獻(xiàn)的缺乏今人吃驚；某些橡膠手冊討論了橡膠擠出，但在多數(shù)情況下，資料非常貧乏而且實(shí)用性有限。最早的橡膠擠出機(jī)是為熱喂料擠出制造的。這些擠出機(jī)用來輥煉機(jī)或其它混煉裝置的熱料喂料。1950年左右，開發(fā)了冷喂料擠出。冷喂料擠出被認(rèn)為有以下優(yōu)點(diǎn)：
——設(shè)備投資?。?
——料慍控制較好；
——?jiǎng)诠Τ杀窘档停?
——能處理更廣泛品種的配混膠料。
1.2 多螺桿擠出機(jī)
1.2.1雙螺桿擠出機(jī)
雙螺桿擠出機(jī)又包括平行雙螺桿擠出機(jī)和錐形雙螺桿擠出機(jī)。平行雙螺桿擠出機(jī)有同向和異向之分。近幾年，隨著國內(nèi)電子電器、通訊、汽車等領(lǐng)域的飛速發(fā)展，材料改性與配混技術(shù)市場需求大增。同向雙螺桿配混擠出機(jī)作為市場最大的受惠者，一度幾乎成為雙螺桿的代名詞。從最初的高技術(shù)含量設(shè)備發(fā)展至今，已成為大眾化的設(shè)備之一。盡管各個(gè)廠家仍然存在技術(shù)含量與實(shí)力的差別，不能否認(rèn)的是雙螺桿擠出機(jī)在中國的發(fā)展已相當(dāng)成熟，尤其是在中小型機(jī)市場。相較而言，異向平行雙螺桿擠出機(jī)國內(nèi)開發(fā)較少，而成型所用設(shè)備更多的為錐形雙螺桿擠出機(jī)。錐形雙螺桿擠出機(jī)廣泛應(yīng)用于異型材成型，在建筑門窗加工領(lǐng)域應(yīng)用獲得成功。由于雙螺桿擠出機(jī)的產(chǎn)量高，混合性能優(yōu)于常規(guī)單螺桿擠出機(jī)，普遍采用積木式結(jié)構(gòu)易于根據(jù)不同材料進(jìn)行調(diào)整，因此成為擠出加工市場的主導(dǎo)力量。
雙螺桿擠出機(jī)是一種具有兩根阿基米德螺桿的機(jī)器，很明顯，這是非常一般的定義。然而，一旦定義更明確，就將其限于雙螺桿擠出機(jī)的特定分類之中。由于設(shè)計(jì)、操作原理以及應(yīng)用領(lǐng)域方面的巨大差異，雙螺桿擠出機(jī)種類繁多。所以，難于對(duì)雙螺桿擠出機(jī)作出全面的評(píng)述。各種雙螺桿擠出機(jī)之間的差異頗大于單螺桿擠出機(jī)之間的差異。這是可想而知的，因?yàn)殡p螺桿結(jié)構(gòu)大量增加了設(shè)計(jì)變量的數(shù)目，諸如旋轉(zhuǎn)方向、嚙合程度等等。雙螺桿擠出機(jī)的分類見表表1-2。這種分類主要基于雙螺桿擠出機(jī)的幾何構(gòu)型。有些雙螺桿擠出機(jī)的功能與單螺桿擠出機(jī)非常相同。其它雙螺桿擠出機(jī)操作完全不同于單螺桿擠出機(jī)。并且用于非常不同的應(yīng)用領(lǐng)域。
1.2.2多（＞2）螺桿擠出機(jī)
有各種類型的擠出機(jī)配備兩根以上的螺桿。較熟知的一例是行星輥式擠出機(jī)。見圖1-3. 這種擠出機(jī)看起來類似單螺桿擠出機(jī)，實(shí)際上，進(jìn)料段與標(biāo)準(zhǔn)單螺桿擠出機(jī)的相同。然而，擠出機(jī)的混合段則大小不相同。在擠出機(jī)的行星輥段中，六個(gè)或更多的均勻分布的行星螺桿環(huán)繞主螺桿的周圍旋轉(zhuǎn)。在行星螺桿段中，主螺桿又稱太陽螺桿.行星螺桿與太陽螺桿和機(jī)筒嚙合。因此，行星機(jī)筒段上必須行星螺桿上的螺棱相對(duì)應(yīng)螺槽。行星機(jī)筒段通常是用法蘭與進(jìn)料料筒段相連接的分離料筒段。
在擠出機(jī)的開始部分，于行星螺桿之前，物料像在普通單螺桿擠出機(jī)中一樣向前運(yùn)動(dòng)。當(dāng)物料達(dá)到行星段時(shí)，要在此處充分塑化，物料處于由行星螺桿、太陽螺桿和機(jī)筒之間的輥壓作用產(chǎn)生的強(qiáng)烈混合中。相對(duì)于機(jī)筒長度而言，機(jī)筒、太陽螺桿和行星螺桿的螺旋形
圖1-3行星輥式擠出機(jī)
設(shè)計(jì)表面積大。導(dǎo)致有效的排氣、熱交換和溫度控制。因而能加工熱敏性配混料而降解最少。正因?yàn)槿绱?，行星式齒輪擠出機(jī)常常用于硬質(zhì)和增塑PVC配料的擠出或配混。行星輥段也用作普通擠出機(jī)的附加裝置以改善混合性能。另一種多螺桿擠出機(jī)是四螺桿擠出機(jī)，如圖1-4。
這種擠出機(jī)主要用于排除溶劑，從40%溶劑至低達(dá)0.3%。急驟排氣發(fā)生在附加于機(jī)筒上的圓拱形排氣室，然后，由急驟排氣產(chǎn)生的多泡物料被四根螺桿輸出。多數(shù)情況下，裝備有后續(xù)排氣段以便進(jìn)一步降低溶劑含量。
圖1-4四螺桿擠出機(jī)
1.3新型擠出機(jī)
隨著近年來市場發(fā)展的需要，國內(nèi)外不同廠家紛紛推出各種特殊結(jié)構(gòu)的單螺桿擠出機(jī)，以適應(yīng)特殊的市場需要。以下特別介紹幾種特殊擠出機(jī)在國內(nèi)的研發(fā)進(jìn)展。
1.3.1手提式擠出機(jī)
北京化工大學(xué)成功開發(fā)一種超高速微型手提式單螺桿擠出機(jī)。該機(jī)器螺桿直徑僅12mm，機(jī)器總重量不到2.5kg；螺桿工作轉(zhuǎn)速800~1200rpm，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)或間歇工作。此外由于所加工物料具有高壁面滑移性以及極易架橋的特點(diǎn)，配有專門設(shè)計(jì)的強(qiáng)制加料裝置；由于擠出機(jī)為手提式操作，設(shè)計(jì)了特殊的多路排氣裝置，以充分保證氣體的排出。此外，該機(jī)器還具有深槽大螺距、兩種驅(qū)動(dòng)方式可選（電動(dòng)、氣動(dòng)）、整機(jī)易于清理、保養(yǎng)、維修等特點(diǎn)。該機(jī)器最初為加工一種特殊的低密度低粘度物料設(shè)計(jì)，并可用于各種低粘度物料的擠出加工，如熱熔膠、低分子量樹脂、各種石蠟、燃料、顏料、化妝品等的加工成型。
超微型擠出機(jī)的研究開發(fā)，存在許多一般設(shè)備設(shè)計(jì)加工過程中難以想像的困難，據(jù)介紹，該設(shè)備開發(fā)的關(guān)鍵在于微型擠出機(jī)的加料、排氣、實(shí)現(xiàn)低溫?cái)D出輸送等問題的解決。
1.3.2磨盤擠出機(jī)
國內(nèi)多個(gè)廠家已完成磨盤擠出機(jī)的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)磨盤擠出機(jī)的商業(yè)化生產(chǎn)。高填充物料使用普通單螺桿或雙螺桿擠出機(jī)加工存在較大的難度。雙螺桿擠出機(jī)用于玻纖增強(qiáng)配混時(shí)，若玻纖含量超過45%，加工就會(huì)變得相當(dāng)困難。在加工磁性材料時(shí)，通常磁粉的添加量高達(dá)60%~70%，有時(shí)甚至達(dá)到90%以上。用普通擠出機(jī)進(jìn)行磁性材料的加工與造粒幾乎是不可能的。國內(nèi)一些廠家和科研院所，根據(jù)國內(nèi)磁性材料以及其他高填充物料的需要，悉心研發(fā)出獨(dú)立設(shè)計(jì)的磨盤擠出機(jī)。典型例子如北京鳳記和北京化工大學(xué)。磨盤擠出機(jī)可以通過調(diào)整磨盤組合以適應(yīng)不同高填充材料，如玻纖增強(qiáng)、磁性塑料、導(dǎo)電材料、新型陶瓷等物料的擠出加工。為了適應(yīng)高填充物料的擠出加工需要，北京化工大學(xué)也在進(jìn)行磨盤擠出機(jī)直接擠出成型的試驗(yàn)研究，并應(yīng)用于多種復(fù)合材料的擠出成型加工試驗(yàn)獲得成功。
圖1-5組合盤式擠出機(jī)
1.3.3往復(fù)螺桿擠出機(jī)
往復(fù)螺桿擠出機(jī)在前幾年的國內(nèi)市場紅火一時(shí)，也成為不同廠家顯示技術(shù)實(shí)力的一個(gè)標(biāo)志型產(chǎn)品。尤其是各雙螺桿擠出機(jī)廠家紛紛推出往復(fù)螺桿擠出機(jī)。由于雙螺桿市場異常火爆，往復(fù)螺桿擠出機(jī)市場相對(duì)平淡，各擠出廠家還是以雙螺桿擠出機(jī)為主推產(chǎn)品。近日，寶應(yīng)金鑫特種塑料機(jī)械廠與北京化工大學(xué)合作研發(fā)出多種規(guī)格的往復(fù)移動(dòng)單螺桿擠出機(jī)，初步實(shí)現(xiàn)了往復(fù)移動(dòng)擠出機(jī)的系列化。據(jù)悉，寶應(yīng)金鑫此次推出的系列化產(chǎn)品共包括四種規(guī)格，45、78、110和140，其中45和78兩種規(guī)格已經(jīng)研發(fā)成功，即將推出110和140兩種機(jī)型。
往復(fù)移動(dòng)式單螺桿擠出機(jī)最大的特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)不同物料的高填充加工。用于玻纖增強(qiáng)物料加工時(shí)，玻纖的添加量可以達(dá)到50%以上，特別適于高填充物料的加工，具有非常廣闊的市場前景。由于其獨(dú)特的往復(fù)式結(jié)構(gòu)，不能很好的滿足建壓的要求，因而一般不適合用于制品的直接擠出成型。通常用于成型加工時(shí)，還需要配備專用的成型擠出機(jī)。
以上介紹的幾種單螺桿擠出機(jī)，可以說是當(dāng)前中國市場具有一定代表性的產(chǎn)品。不過，盡管中國擠出機(jī)市場發(fā)展迅猛，也有不少新的機(jī)型推出，我們不能忽視中國擠出機(jī)技術(shù)與國外發(fā)達(dá)國家相比還有較大差距。比如在超大型和微型設(shè)備領(lǐng)域就還落後于國際先進(jìn)水平。國內(nèi)企業(yè)唯有加緊努力，才能在激烈的市場競爭中贏得機(jī)會(huì)，真正從塑機(jī)大國發(fā)展為塑機(jī)強(qiáng)國。
近年來，雙螺桿擠出機(jī)市場異常火爆，相對(duì)而言，單螺桿一直處于悄寂狀態(tài)。但是，單螺桿擠出機(jī)作為一種基本的塑膠加工設(shè)備，結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，而且具有更大的設(shè)計(jì)靈活性。各種不同的特種單螺桿擠出機(jī)重受關(guān)注。
單螺桿擠出機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)廉物美，生產(chǎn)效率高的特點(diǎn)，一直是塑膠管材、板材、片材、異型材等成型加工最重要的設(shè)備。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步以及人們對(duì)螺桿認(rèn)識(shí)的提高，多種不同的擠出機(jī)結(jié)構(gòu)形式陸續(xù)面世。特種單螺桿擠出加工技術(shù)又有替代多螺桿技術(shù)的趨勢。
1.4 擠出機(jī)市場現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢
隨著擠出機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展和技術(shù)上的不斷進(jìn)步，擠出機(jī)市場仍然保持一定的上升勢頭，但國產(chǎn)擠出機(jī)價(jià)格大幅下跌已成現(xiàn)實(shí)。部分廠家粗制濫造和惡性價(jià)格戰(zhàn)已經(jīng)影響到國內(nèi)塑機(jī)的整體形象和市場競爭力，也阻礙了塑料加工業(yè)的發(fā)展。
專家認(rèn)為，擠出機(jī)主機(jī)和生產(chǎn)線今後的市場將向高技術(shù)含量、價(jià)格更趨走低的方向發(fā)展。從成型設(shè)備來看，國產(chǎn)主機(jī)基本上以錐形雙螺桿擠出機(jī)和單螺桿擠出機(jī)為主，技術(shù)較成熟，市場銷量最大，但這類產(chǎn)品的通用規(guī)格已供大于求，只能維持在市場頂峰期的50%~60%左右。國內(nèi)主機(jī)市場今後的重點(diǎn)應(yīng)在于發(fā)展平行異向雙螺桿擠出機(jī)，以適應(yīng)大擠出量的成型需要。平行同向雙螺桿擠出機(jī)要向第六代、第七代高速、大長徑比方向發(fā)展。單螺桿擠出機(jī)則是向著超大型、超微型、大長徑比、高產(chǎn)出、良好的排氣性等方向發(fā)展，而適應(yīng)特殊加工需要的螺桿機(jī)筒結(jié)構(gòu)，則成為大家爭相研發(fā)的重點(diǎn)。實(shí)際上，單螺桿擠出機(jī)是一種低能耗、低成本的機(jī)型，只要技術(shù)得當(dāng)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，同樣可以達(dá)到雙螺桿擠出機(jī)的效能。據(jù)介紹，美國現(xiàn)在使用的塑料擠出機(jī)就以單螺桿為主。高技術(shù)含量的單螺桿擠出機(jī)正在某些領(lǐng)域逐步取代雙螺桿擠出機(jī)。
2 擠出機(jī)總體方案的確定
2.1 擠出機(jī)總體布局的基本要求
(1) 擠出機(jī)布局首先必須滿足用戶提出的各種要求。如擠出機(jī)的加工范圍、工作精度、生產(chǎn)率、和經(jīng)濟(jì)性等等。
(2) 在經(jīng)濟(jì)、合理的條件下，盡量采用較短的傳動(dòng)鏈，以簡化機(jī)構(gòu)，提高傳動(dòng)精度和傳動(dòng)效率。
(3) 確保擠出機(jī)具有與所要求的加工精度相適應(yīng)的剛度、抗震性、熱變形及噪聲水平。
(4) 擠出機(jī)必須滿足參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)和系列型譜中關(guān)于擠出機(jī)布局方面的規(guī)定。同時(shí)，還應(yīng)最大限度地考慮擠出機(jī)的系列化和部件的通用話程度。
(5) 對(duì)于生產(chǎn)率和自動(dòng)化程度較高的擠出機(jī)，應(yīng)力求便于自動(dòng)上下料及納入自動(dòng)線。
(6) 應(yīng)便于觀察加工過程；便于操作、調(diào)整和維修機(jī)床，便于輸送、裝卸；注意擠出機(jī)的防護(hù)，確保安全生產(chǎn)。
2.2 螺桿類型的確定
螺桿是擠壓系統(tǒng)中的主要零件。它的各部分幾何形狀的變化，直接影響螺桿的工作性能效果。對(duì)塑料制品得產(chǎn)量和質(zhì)量，都有非常重大的影響。
2.2.1 螺桿的工作性能指標(biāo)評(píng)定
（1）塑化質(zhì)量 按專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定制造的擠出機(jī)，擠塑生產(chǎn)得塑料制品也應(yīng)是符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。螺桿是擠塑生產(chǎn)影響產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵零件，物料得混合質(zhì)量、塑化的是否均勻、物料得徑向溫差是否較小、壓力要均衡、能量消耗要比較低、生產(chǎn)率的提高，這些都受螺桿工作質(zhì)量得影響。
（2）比流量 這個(gè)比值大，說明這根螺桿的塑化能力強(qiáng)，比流量得單位為（kg/h）/（r/min）
（3）比功率 這個(gè)值小，說明生產(chǎn)同樣質(zhì)量的塑料制品，能量消耗少，比功率得單位為kw/（kg/h）
（4）通用性 指螺桿能否適應(yīng)擠塑不同的塑料，能在不同塑料制品機(jī)頭阻力下工作。
（5）經(jīng)濟(jì)性 制造機(jī)械加工比較容易，工作壽命比較長。
2.2.2 螺桿的選用原則
（1）按塑料的制品種類選擇 塑料的種類很多，有結(jié)晶型和非結(jié)晶型，它們在被擠塑生產(chǎn)制品時(shí)，對(duì)溫度條件要求及本身得粘度、穩(wěn)定性和流動(dòng)性能都有差別。所以，生產(chǎn)不同種類塑料制品時(shí)，應(yīng)該選擇不同類型螺桿。
（2）機(jī)頭模具的阻力對(duì)螺桿結(jié)構(gòu)尺寸的影響 螺桿螺紋的均化段得的螺槽深淺與機(jī)頭阻力大小要匹配選取，機(jī)頭阻力大，這段螺紋槽要淺些；反之，當(dāng)阻力小時(shí)，螺槽就應(yīng)深些。對(duì)于排氣式擠出機(jī)，要求第二階段的均化段螺槽深度要比第一階螺桿的均化段螺紋槽要深些，否則排氣口處易溢料
（3）按擠出機(jī)的用途選擇 不同用途的擠出機(jī)，根據(jù)工作性質(zhì)和擠塑塑料品種來選配螺桿。如果只用于一種塑料制品得選擇，可按該塑料產(chǎn)品得要求，訂購專用螺桿擠出機(jī)。如果擠出機(jī)要擠塑不同材料的多種制品，就應(yīng)選擇螺桿具有較大得通用性。
2.2.3 螺桿的分類
按照螺桿得結(jié)構(gòu)和螺桿螺紋部分的幾何形狀，可分為普通螺桿、新型螺桿和排氣螺桿。
(1)普通型螺桿 普通螺桿擠出機(jī)是現(xiàn)在廣泛使用的擠出機(jī)，能擠塑粉料和粒料。這種螺桿螺紋部分可分為加料段、塑化段和均化段。普通螺桿與新型螺桿比較有許多不足之處，有逐漸被新型螺桿取代得趨勢。
(2)新型螺桿 與普通螺桿比較，就是在螺桿的不同部位上設(shè)計(jì)了非螺紋元件，以改進(jìn)塑料得混合、熔融塑化質(zhì)量和縮短擠塑生產(chǎn)時(shí)間。
(3) 排氣螺桿 在擠塑物料得過程中，為能夠排除物料中的空氣、揮發(fā)物氣體和水蒸氣，而專門設(shè)計(jì)的螺桿。
2.2.4 螺桿方案的確定
介于本設(shè)計(jì)的加工的是溶體材料為聚苯乙烯（PS）。PS為乙烯的聚合物，在生產(chǎn)中無特殊的要求，因此選用普通螺桿。
2.3 機(jī)筒類型的確定
機(jī)筒與螺桿配合工作，組成擠出機(jī)的擠壓系統(tǒng)。在擠塑物料的工作中，它的作用和螺桿工作同樣重要。機(jī)筒和螺桿是擠塑系統(tǒng)的主要組成零件，也是擠出機(jī)的關(guān)鍵零件。對(duì)于機(jī)筒結(jié)構(gòu)形式的選擇和制造精度等級(jí)，都有會(huì)直接影響塑料制品的產(chǎn)量和質(zhì)量。
2.3.1 機(jī)筒的結(jié)構(gòu)類型
機(jī)筒的結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)選擇，應(yīng)該是在保證其工作強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，注意考慮它有利于被擠塑物料的塑化，結(jié)構(gòu)形式方便機(jī)械加工；同時(shí)能得到較高的精度；再一點(diǎn)是要盡量節(jié)省一些較貴重的合金鋼。這幾點(diǎn)對(duì)擠出機(jī)的制造工藝及費(fèi)用，都有較重大影響。
（1）整體式機(jī)筒 整體式機(jī)筒應(yīng)用比較多，比較起來整體式機(jī)筒的機(jī)械加工精度比較容易保證，工作時(shí)各部加熱均勻，對(duì)機(jī)筒的加熱和冷卻系統(tǒng)也較好安排和布置。一般小直徑擠出機(jī)的機(jī)筒，包括有溝槽的加料段部分。大直徑擠出機(jī)的機(jī)筒不包括加料段。整體式機(jī)筒示意圖見圖2-1.
圖2-1 整體式機(jī)筒
（2）分段式機(jī)筒 長徑比值比較大得擠出機(jī)和排氣式擠出機(jī)，由于機(jī)筒過長，為便于機(jī)械加工和節(jié)省合金鋼材，通常采用分段式機(jī)筒。但是這種機(jī)筒在機(jī)加工時(shí)也有難度。即二段機(jī)筒的內(nèi)圓直徑尺寸的一致性和同心度精度的保證，很難達(dá)到要求。由于中間要用法蘭盤連接，則對(duì)機(jī)筒加熱得均勻性，連接部分要受影響。對(duì)加熱和冷卻系統(tǒng)的安排布置也帶來一定的困難。分段式擠出機(jī)機(jī)筒示意圖見2-2.
圖2-2 分段式機(jī)筒示意圖
分段式機(jī)筒的連接形式有：法蘭與機(jī)筒用焊接連接，用螺紋連接和卡套式連接。
焊接式連接比較簡單，但合金鋼材性能差，比較容易產(chǎn)生焊接應(yīng)力，使機(jī)筒產(chǎn)生變形。
螺紋連接機(jī)筒上的螺紋機(jī)加工比較困難。在對(duì)機(jī)筒進(jìn)行熱處理時(shí)，螺紋部分要特殊保護(hù)，否則螺紋要被破壞。圖2-3是機(jī)筒連接的幾種結(jié)構(gòu)形式。
圖2-3 分段式機(jī)筒的連接結(jié)構(gòu)
(a) 法蘭連接，應(yīng)用廣泛 （b） 連接法蘭間有螺母，調(diào)整螺母，
壓緊兩襯套，較復(fù)雜 （c） 鉸鏈?zhǔn)綂A頭連接，拆卸方便
③卡套式連接比較好，機(jī)筒連接端加工出溝槽，槽內(nèi)裝入兩個(gè)半圓環(huán)，連接法蘭套在半環(huán)上，然后用螺栓緊固兩法蘭。為防止法蘭轉(zhuǎn)動(dòng)，在法蘭和機(jī)筒間加入固定鍵，間圖2-4.這種連接方式易加工，拆裝較方便，應(yīng)用比較廣泛。
圖2-4 機(jī)筒用卡套式法蘭連接示意圖
（3）襯套式機(jī)筒 襯套式機(jī)筒主要用在大直徑的擠出機(jī)上，目的是為了節(jié)省較貴重的合金鋼材。機(jī)筒體用鑄鋼或普通碳素鋼制造，而機(jī)筒的內(nèi)襯套用滲碳合金剛制造。這種結(jié)構(gòu)形式見圖2-5。當(dāng)襯套磨損時(shí)，只需更換襯套即可。但由于薄而長的襯套的機(jī)械加工和熱處理很困難，所以，也很少應(yīng)用。
圖2-5 襯套式機(jī)筒示意圖
（4）雙金屬層機(jī)筒 在鑄鋼或碳素鋼機(jī)筒體的內(nèi)壁，用離心澆鑄法鑄一層耐磨合金，然后機(jī)械加工內(nèi)孔至所需要的尺寸。這種機(jī)筒既節(jié)省了很多合金鋼又能保證它的耐磨性和抗腐蝕性。
2.3.2 機(jī)筒方案的確定
介于機(jī)筒和螺桿得配合工作，組成了擠出機(jī)的擠壓系統(tǒng)，共同完成對(duì)物料的擠壓塑化，生產(chǎn)出塑料制品。在完成擠塑工作時(shí)，機(jī)筒和螺桿一樣，要承受巨大的壓力、扭矩和摩擦壓力及物料得腐蝕。因此我們選擇滲碳合金鋼38。結(jié)合本設(shè)計(jì)得要求和螺桿的形式，機(jī)筒選擇整體式。
2.4 本設(shè)計(jì)整體方案得確定
市場的開放性和全球化，促使擠出機(jī)產(chǎn)品的競爭日趨激烈，而決定擠出機(jī)產(chǎn)品競爭力的指標(biāo)是產(chǎn)品的開發(fā)時(shí)間、產(chǎn)品質(zhì)量、成本、創(chuàng)新能力和服務(wù)。用戶在追求高質(zhì)量產(chǎn)品的同時(shí)，會(huì)更多地追求低的價(jià)格和短的交貨期。這就要求企業(yè)改變過去傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和管理模式，最大限度地利用先進(jìn)的設(shè)計(jì)手段，以提高產(chǎn)品的質(zhì)量和性能，降低成本，并努力縮短交貨期，同時(shí)還需要快速響應(yīng)市場和用戶的變化，利用有利時(shí)機(jī)快速搶占市場。所以現(xiàn)代每個(gè)企業(yè)都期望通過提高自身的科技含量，采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)和手段，以加快設(shè)計(jì)速度，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，增強(qiáng)競爭力。
3 擠出機(jī)的整體設(shè)計(jì)
不同的生產(chǎn)線對(duì)擠出機(jī)的具體要求不一樣，這就需要根據(jù)不同塑料的性能設(shè)計(jì)出合理的擠出機(jī)。本次設(shè)計(jì)的擠出機(jī)是用于鋁塑板生產(chǎn)線的擠出機(jī)，這就要求對(duì)鋁塑板的性能有一定的掌握和了解。
3.1 聚苯乙烯的基本特性
聚苯乙烯是最結(jié)構(gòu)簡單的高分子有機(jī)化合物,當(dāng)今世界應(yīng)用最廣泛的高分子材料,由乙烯聚合而成,根據(jù)密度的不同分為高密度聚乙烯、中密度聚乙烯和低密度聚乙烯。低密度聚乙烯較軟,多用高壓聚合;高密度聚乙烯具有剛性、硬度和機(jī)械強(qiáng)度大的特性,多用低壓聚合。高密度聚乙烯可以做容器、管道,也可以做高頻的電絕緣材料,用于雷達(dá)和電視。大量使用的常為低密度(高壓)聚乙烯。聚乙烯為蠟狀,有蠟一樣的光滑感,不染色時(shí),低密度聚乙烯透明,而高密度聚乙烯不透明。
聚乙烯是通過乙烯( CH2=CH2 )的加成反應(yīng)和聚合反應(yīng)，由重復(fù)的–CH2–單元連接而成的高聚合鏈。聚乙烯的性能取決于它的聚合方式；在中等壓力(15-30大氣壓)有機(jī)化合物催化條件下進(jìn)行Ziegler-Natta聚合而成的是高密度聚乙烯(HDPE)。這種條件下聚合的聚乙烯分子是線性的,且分子鏈很長,分子量高達(dá)幾十萬。如果是在高壓力(100-300MPa),高溫(190–210 C),過氧化物催化條件下自由基聚合,生產(chǎn)出的則是低密度聚乙烯(LDPE),它是支化結(jié)構(gòu)的。
聚乙烯不溶于水,吸水性很小,就是對(duì)一些化學(xué)溶劑,如甲苯、醋酸等,也只有在70℃以上溫度時(shí)才略有溶解。但是微粒狀的聚乙烯,可以在15℃～40℃之間隨溫度的變化熔化或凝固,溫度升高時(shí)熔化,吸收熱量;溫度降低時(shí)凝固,放出熱量。又因?yàn)樗亢苄?不易潮濕,有絕緣性能,因此是很好的建筑材料。
3.2螺桿設(shè)計(jì)
螺桿是擠出機(jī)最重要的部件，其性能好壞直接影響塑化質(zhì)量和產(chǎn)量。整個(gè)理論幾乎都是圍繞著螺桿上發(fā)生的擠出過程展開的。因此，螺桿設(shè)計(jì)是擠出理論最重要的應(yīng)用領(lǐng)域之一。
最早出現(xiàn)的螺桿是不分段的，隨著生產(chǎn)的發(fā)展，從實(shí)踐和理論都證明了將螺桿分為加料段、壓實(shí)段和計(jì)量段是比較合理的。螺桿直徑的確定：170mm，螺桿長徑比35。螺桿的長徑比L/D指螺桿的有效長度L和螺桿的直徑D之比，如果是新型的螺桿，其有效長度中應(yīng)該包括混煉段的長度。長徑比是代表擠出機(jī)性能的一個(gè)主要的技術(shù)參數(shù)。
歐洲塑料橡膠機(jī)械制造廠委員會(huì)建議長徑比12、15、(18)、20、(24）、25、28、30、35，括號(hào)中的數(shù)值盡量不用或少用。對(duì)于某些排氣螺桿，長徑比達(dá)到40左右或更長。
L=20D=20×150=3000mm
z普通螺桿全長分為三段，即加料段L1 、壓縮段L2和計(jì)量段L3,計(jì)量段有時(shí)也叫均化段。壓縮段與熔融理論中的熔融段并不完全相同。在熔融理論中，熔融起點(diǎn)和熔融重點(diǎn)以及熔融段長度Lm在螺桿上并非固定不變，他們隨著擠出工藝條件和塑料性能的變化而變化。而壓縮段指的是螺槽深度有加料段深H1變至計(jì)量段槽深H3的那段長度，它是螺桿設(shè)計(jì)者人為設(shè)計(jì)的長度，一旦螺桿設(shè)計(jì)出來這個(gè)長度也就確定了。
3.3.1螺槽深度和壓縮比的確定
螺槽深度是很重要的參數(shù)，我們可以從制品的質(zhì)量與產(chǎn)量兩方面來分析。
（1）計(jì)量段槽深的確定：
我們知道，計(jì)量段中熔料的剪切速率γ可按下式計(jì)算：
式（3.1）
顯然，計(jì)量段螺槽深度愈小，在相同的螺桿轉(zhuǎn)速下剪切速率便愈大，因而分子間的內(nèi)摩擦力也愈大。從式（3.1）可以看出，熔料因內(nèi)摩擦而產(chǎn)生的熱量正比于剪切應(yīng)力和剪切速率。由于剪切應(yīng)力而產(chǎn)生的熱量和螺槽深度H的平方成反比。
Q∝ 式（3.2）
式中Q——熔料因剪切產(chǎn)生的熱量；
τ——剪切應(yīng)力；
γ——剪切速率；
——熔料的表現(xiàn)粘度。
由此可見，螺槽深度較淺時(shí)，物料層內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生較多的熱量。此外，螺桿上物料層較薄，由外界加熱器傳進(jìn)來的熱量也容易將塑料熱透。這方面因素都證明了計(jì)量段槽深較小時(shí)，對(duì)促進(jìn)塑料的塑化質(zhì)量是很有好處的。
從混合效果上來講，計(jì)量段槽深H較小時(shí)，混煉程度較高，制品比較均勻。在本章后面我們將進(jìn)一步指出：當(dāng)計(jì)量段槽深較淺時(shí)，壓力波動(dòng)和溫度波動(dòng)都比較小，這時(shí)對(duì)制品的綜合質(zhì)量都是有利的。
塑 料
最大剪切速率γ/S
LDPE（相對(duì)分子質(zhì)量較高）
LDPE（相對(duì)分子質(zhì)量較低）
HPVC
SPVC
PS
56
104
26
60
108～92
但是，我們知道，只有那些承受高剪切速率的的塑料，如聚乙烯，才能選用較小的槽深，這類塑料的成型溫度范圍很寬（如聚乙烯成型溫度范圍為150～220℃,其范圍達(dá)70℃），熱穩(wěn)定性很好。因剪切或其他原因造成的局部過熱不易造成無法彌補(bǔ)的后果。相反對(duì)那些步能承受高剪切速率的塑料，如硬聚氯乙烯等熱敏性塑料，他們的粘度較高，如果螺槽深度較淺，勢必造成過多的因高剪切產(chǎn)生的熱量。再加上這類塑料的成型溫度范圍比較窄，粘流溫度T和分解溫度T比較接近（如硬聚氯乙烯加工溫度范圍為150℃～190℃，其范圍僅40℃），熱穩(wěn)定性較差，強(qiáng)烈的內(nèi)摩擦將使它們過熱分解甚至燒焦。因此，加工這類塑料的螺桿計(jì)量段螺槽深度H不能選擇過小。
表中的數(shù)值并不是不可以突破的，尤其是承受高剪切的時(shí)間很短時(shí)，例如在某些新型螺桿的屏障棱上，我在后面還要進(jìn)一步分析這個(gè)問題。
表3-1各塑料的最大速率
根據(jù)表格取γ=93
由 公式 式（3.3）
得
以上從擠出質(zhì)量的觀點(diǎn)分析了計(jì)量段螺槽深度H的影響，此外我們還可以從產(chǎn)量的角度來分析計(jì)量段螺槽深度H的影響。從熔體輸送理論的生產(chǎn)率公式可以看出：正流Q正比于螺槽深度H，而壓力流Q卻正比于H的立方。由此可以分析：當(dāng)機(jī)頭壓力較低時(shí)，增加計(jì)量段螺槽深度可以增加產(chǎn)量；而當(dāng)機(jī)頭壓力增大到超過臨界壓力，加深H并不能使生產(chǎn)率增加，甚至還會(huì)產(chǎn)生相反的作用（圖3-1）。
圖3-1計(jì)量段槽深對(duì)產(chǎn)量Q得影響
1—螺槽深度H較淺；2—螺槽深度H較深
也可以從融體輸送理論來估算螺槽深度的最佳值，
式(3.4)
將上式對(duì)求導(dǎo)并令導(dǎo)數(shù)等于零，經(jīng)一系列推導(dǎo)，可求得的最佳值：
式（3.5）
在式中 —形狀系數(shù)
未知口模系數(shù)情況下H的值沒辦法確定。有上面的分析可知，H的決定受到多方面的因素影響，很難用一個(gè)簡單的理論公式來進(jìn)行計(jì)算。設(shè)計(jì)時(shí)，還可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式（3.5）來決定螺槽深度H
=kD 式（3.6）
據(jù)統(tǒng)計(jì)螺槽深系數(shù)k值，發(fā)現(xiàn)大致規(guī)律如圖3—2所示。由圖可見，計(jì)量段螺槽深系數(shù)k大都在0.02～0.07范圍內(nèi)。螺桿直徑較大者，k值應(yīng)選擇較小，螺桿直徑較小者，k值應(yīng)選擇較大；熱穩(wěn)定性較好的塑料k較小，熱穩(wěn)定性較差的塑料k值較大；當(dāng)螺桿長徑比較大時(shí)，k值可以選擇較大。這是由于長徑比較大的螺桿的計(jì)量段L可以設(shè)計(jì)的較長，此時(shí)由于螺槽深度H加大造成壓力流Q的增加和混煉段M的下降可以通過計(jì)量段的增加來彌補(bǔ)。除此之外在設(shè)計(jì)新型螺桿時(shí)，由于附加的混煉元件保證了塑料的熔融與均化，因此新型螺桿的計(jì)量段槽深系數(shù)k也可以取得最大值。從圖3—2還可以看出：根據(jù)塑料熱穩(wěn)定性的不同，系數(shù)k分為三個(gè)區(qū)域。上層適用與PVC等熱穩(wěn)定性較差的塑料，此時(shí)k值較大。下層適用熱穩(wěn)定性較好的塑料，此時(shí)k值較小。
圖3-2螺槽系數(shù)K的確定
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式可以來校核，當(dāng)=5mm時(shí)k的取值為0.033在k=0.02～0.07范圍內(nèi)。
（2）加料段槽深和壓縮比的確定
加料段的主要目的是建立必要的壓力和保證穩(wěn)定的固體輸送。但自今為止加料段的槽深H的影響還不是很清楚。按Darnell-Mol理論的固體輸送生產(chǎn)率公式加料段H增加后固體輸送生產(chǎn)率會(huì)提高。由于加料段中的塑料并不像D塞流理論所假設(shè)的那樣整塊的移動(dòng)，而是在斷面上有一速度分布。加料段螺槽較深時(shí)，壓力難以傳至螺槽底部，靠近螺槽底部的塑料運(yùn)動(dòng)速度較慢，這就降低了固體輸送生產(chǎn)率。因此存在一個(gè)最佳加料段槽深。顆粒內(nèi)摩擦因數(shù)較高的塑料，要比顆粒內(nèi)摩擦因數(shù)較低的塑料更接近于整塊移動(dòng)。
實(shí)際上，加料段槽深是根據(jù)螺桿壓縮比和計(jì)量段槽深來確定的。所謂壓縮比是指螺槽加料段第一個(gè)螺槽容積和計(jì)量段最后一個(gè)螺槽容積之比，即幾何壓縮比，而不是螺槽深度之比。這個(gè)數(shù)值不同于物理壓縮比。后者指的是塑料在加料時(shí)的松密度和受熱熔融后的密度之比。如，聚乙烯在松散時(shí)密度為0.55～0.64g/cm，而熔融后的密度為0.76 g/cm.因此，其物理壓縮比為1.38～1.18。
顯然幾何壓縮比應(yīng)大于物理壓縮比。這是因?yàn)槌藨?yīng)考慮密度的變化之外，還應(yīng)考慮在壓力下熔融料的壓縮性、塑料在加料段的裝填程度、擠壓過程中塑料的回流等因素，尤其還應(yīng)考慮制品性能所要求的壓縮密實(shí)的必要性。應(yīng)此對(duì)加工同一種塑料的的螺桿，不同設(shè)計(jì)者對(duì)其幾何壓縮比有不同的選擇，而加工不同塑料的螺桿，其壓縮比變化應(yīng)更大（大多數(shù)在2～5之間，個(gè)別情況大至8，小至1）。根據(jù)螺桿國內(nèi)外的資料統(tǒng)計(jì)如下：
表3—2常用螺桿的幾何壓縮比
塑料
ε
塑料
ε
HPVC（粒料）
HPVC（粉料）
SPVC（粒料）
SPVC(粉料)
PE
PP
PS
CA
PMMA
PET
PCTFE
2.5（2～3）
3～4（2～5）
3.2～3.5（3～4）
3～5
3～4
3.7～4（2.5～4）
2～2.5（2～4）
1.7～2
3
3.5～3.7
2.5～3.3
ABS
POM
PPO
PC
PSF
PSF
PA6
PA66
PA1010
1.8（1.6～2.5）
4（2.8～4）
2（2～3.5）
2.5～3
2.8～3
3.7～4
3.3～3.6
3.5
3.7
注：括號(hào)中為選用范圍，括號(hào)外為選用范圍。
幾何壓縮比一般用下式計(jì)算：
式（3.7）
式中，H和H分別為螺桿加料段第一個(gè)螺槽深和計(jì)量段最后一個(gè)螺槽深。運(yùn)用此公式的條件是外徑D、螺距S、螺紋法向棱寬e和螺紋升角φ在螺桿全長上都保持不變，螺紋頭數(shù)為1.
當(dāng)壓縮比ε和計(jì)量段槽深H決定后，加料段槽深H便可從下式算出：
=0.5[D-] 式（3.8）
為了計(jì)算方便，可以用簡化的公式3-7來計(jì)算壓縮比。乘以系數(shù)0.93后，該式誤差僅0.1左右。
式（3.9）
根據(jù)上表（3-2）取壓縮比為2.4，
得 ：
3.3.2 螺距和螺紋升角的確定
對(duì)單頭螺紋，螺距S、螺紋升角φ和螺紋直徑D之間有下述關(guān)系：
S=∏Dtanφ 式（3.10）
顯然在螺桿直徑已知以后，螺距和螺紋升角只要決定一個(gè)，另一個(gè)也就 確定了。
從固體輸送生產(chǎn)率公式和熔體輸送理論生產(chǎn)率公式都可以看出：生產(chǎn)率和螺紋升角又直接的關(guān)系。根據(jù)固體輸送理論的計(jì)算，對(duì)大多數(shù)塑料，當(dāng)摩擦因數(shù)f=f0.25～0.5,螺紋升角等于17～20時(shí)，固體輸送生產(chǎn)率可以達(dá)到最大值。實(shí)驗(yàn)也證明，對(duì)圓柱性塑料，最佳螺紋升角大約在17左右。而從熔體輸送理論的角度上講，將有關(guān)流率公式經(jīng)數(shù)學(xué)推到簡化，并對(duì)φ角求導(dǎo)，并令導(dǎo)數(shù)等于零，可求的最佳螺紋升角為30。這也是為什么當(dāng)前的螺紋升角都在17～30范圍之內(nèi)的原因。而目前為了設(shè)計(jì)加工的方便，設(shè)計(jì)時(shí)大多取螺桿直徑等于螺距，這時(shí)螺紋升角就等于25。
3.3.3螺紋頭數(shù)
目前擠出機(jī)的螺桿大都是單頭螺紋。雖然出現(xiàn)過雙頭螺紋的螺桿加料段，但考慮兩個(gè)原因，多頭螺紋仍然用的很少。原因之一是多頭螺紋減少了螺槽橫斷面積，同時(shí)加大了的值。按固體輸送理論，這會(huì)減少固體輸送流率。原因之二是在多頭螺紋計(jì)量段的幾個(gè)螺槽中，熔體填充情況有可能不同，從而容易導(dǎo)致個(gè)螺槽間擠出量不等而發(fā)生波動(dòng)，擠出壓力也會(huì)發(fā)上波動(dòng)，這些都直接影響到擠出制品的質(zhì)量。此外多頭螺紋的加工也相對(duì)比較麻煩。
3.3.4三段式螺桿長度的確定
熱塑性材料分為無定型和結(jié)晶型兩大類。無定型材料沒有明顯的熔點(diǎn)，再塑料溫度上升時(shí)，它逐漸軟化。經(jīng)過一段時(shí)間后，即在螺桿上經(jīng)過一段長度后，塑料才能全部熔融。在此過程中，塑料體積也逐漸變小。為了適應(yīng)這個(gè)漸變過程，加工這類塑料的螺桿應(yīng)該較早地開始?jí)嚎s，它的螺紋深度也應(yīng)逐漸發(fā)生變化，因此其壓縮段L2也設(shè)計(jì)的比較長。
相反，結(jié)晶型塑料由固態(tài)刀熔融態(tài)的轉(zhuǎn)化溫度范圍很窄，當(dāng)塑料溫度沒有達(dá)到熔點(diǎn)Tm時(shí)，它的體積變化很少，而當(dāng)溫度一旦達(dá)到熔點(diǎn)，它便迅速熔融，其體積也突然變小。為了適應(yīng)這個(gè)特點(diǎn)，加工結(jié)晶型肅立哦啊的螺桿的壓縮段一般出現(xiàn)的比較晚，而且長度也比較短。因此，過去設(shè)計(jì)的加工結(jié)晶型塑料的螺桿，其壓縮段僅（0.5～1）D。但是，結(jié)晶型材料在冷卻過程中都不可能完全結(jié)晶，存在著一定的結(jié)晶度。根據(jù)冷卻速度等工藝條件的不同，它們總是或多或少地存在著無定行部分，這一部分的熔融規(guī)律和無定形材料一樣的，需要一定的逐漸軟化-熔融時(shí)間，因此，壓縮段L2也需要一定的長度。此外，即使對(duì)已結(jié)晶的那一部分塑料來說，正像前面我們已分析過的那樣，螺桿的熔融段和壓縮段的位置不是等同的，在設(shè)計(jì)時(shí)壓縮段位置已被人為的固定不變，而熔融段位置卻隨操作條件和塑料性能的不同而不同。因此如果壓縮段L2很短，實(shí)際上很難保證這部分結(jié)晶型塑料正好在壓縮段上開始熔融并完成完全熔融過程。而且從熔融理論上我們知道，熔融過程是X/W從1到0的過程，這個(gè)過程總需要一定的長度，不可能在很短的（0.5～1）D長度上實(shí)現(xiàn)。從上述幾點(diǎn)出發(fā)，近年來，為加工結(jié)晶型材料所設(shè)計(jì)的螺桿，其壓縮段都有加長的趨勢，一般在大約（2～5）D之間，甚至于更長。在文獻(xiàn)中還指出：在實(shí)驗(yàn)的條件下，聚丙烯從開始熔融到完全熔融大約需要5D長度，而熱導(dǎo)率較大的聚丙烯和聚苯乙烯便不需要這樣長。
在需要準(zhǔn)確計(jì)算壓縮段長度時(shí)，可以按照熔融理論中介紹的方法，首先設(shè)定螺桿有關(guān)參數(shù)，然后很據(jù)工藝操作條件和塑料性能來計(jì)算固相分布函數(shù)X/W=f(z)。如果正好在壓縮段上完成了X/W從1到0的過程，那么便可以認(rèn)為原來設(shè)計(jì)的參數(shù)是合理的。如果相差太多，那便應(yīng)重新設(shè)計(jì)螺桿參數(shù)，再行計(jì)算。當(dāng)然，此時(shí)不僅設(shè)計(jì)了壓縮段長度L2，而且也一起設(shè)計(jì)了其他螺桿參數(shù)。
加料段的作用是產(chǎn)生足夠的穩(wěn)定的壓力，保證穩(wěn)定的固體輸送并且將分界面上的塑料預(yù)熱到熔融所需要的溫度。因此，加料段L1也應(yīng)該有足夠的長度。
不同的塑料，預(yù)熱到熔融溫度所需要的熱量是不同的。顯然，塑料的比熱容Cs愈大，熔融點(diǎn)Tm愈高，預(yù)熱到熔融溫度所需要的熱量也愈多。對(duì)結(jié)晶型材料來講，還需加上熔融潛熱λ（無定形塑料沒有這一項(xiàng)）。此外，由于塑料是不良的導(dǎo)熱體，因此其熱導(dǎo)率Ks也是一個(gè)分鐘要的參數(shù)。熱導(dǎo)率愈低，熱量從固體塞的表面?zhèn)魍渲行木捅容^慢，這從固體輸送理論的非等溫模型可以看得很清楚。
從上面的分析，我們可以得出結(jié)論：為了保證在加料段結(jié)束時(shí)分界面上的塑料基本預(yù)熱到熔融溫度，為了保證在壓縮段塑料能基本熔融完畢，加工那些比熱容大，熔點(diǎn)高，熱導(dǎo)率低，熔融潛熱大的塑料，螺桿加熱段L1應(yīng)該長一些。
固然可以用固體輸送理論非等溫模型的有關(guān)公式來計(jì)算加料長度L1。但由于計(jì)算過程比較復(fù)雜，所以至今為止，在決定加料段L1的長度時(shí)，還必須參考實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)公式。
圖3—3熔融起始點(diǎn)A和壓力P以及物料得關(guān)系
以螺桿直徑為計(jì)算單位的幾種塑料的熔融起始點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。從圖3-3可以看出，在同等壓力的情況下，聚丙烯由于其熔點(diǎn)高（ 170°）、熱導(dǎo)率低（），因此，其開始熔融點(diǎn)A要比高密度聚乙烯（熔點(diǎn)，熱導(dǎo)率）和聚苯乙烯要晚得多。實(shí)驗(yàn)也測出，在加料中，聚丙烯要經(jīng)過8個(gè)螺桿的長度才開始熔融（當(dāng)壓力等于4MP時(shí)），而高密度聚乙烯和聚苯乙烯則只要4.5個(gè)螺距的長度和2.5個(gè)螺距的長度便已開始熔融。
在理想的情況下，壓縮段與熔融段重疊，塑料移動(dòng)到壓縮段末端時(shí)應(yīng)該全部熔融。但是，無論在組分上、或者在溫度分布上、或者在相對(duì)分子質(zhì)量分布上，剛?cè)刍奈锪隙际呛懿痪鶆虻?，如果此時(shí)姜物料從機(jī)頭擠出，制品的質(zhì)量將極為惡劣。計(jì)量段的第一個(gè)作用就是要消除這些不均勻的現(xiàn)象，這正是為什么計(jì)量段又稱為均化段的原因。Martin〔2〕將塑料堪稱牛頓型流體，根據(jù)混煉理論，表征計(jì)量段螺槽中混煉程度的關(guān)系式可以導(dǎo)出：
式（3.11）
式中，和為計(jì)量段長度和深度，a為截流比，a=QpQd。顯然，M值愈大，均化作用也愈佳。從式（3-10）中可以看出：加長L3對(duì)均化作用是有利的。
從熔體輸送理論的生產(chǎn)率公式可以看出：計(jì)量段愈長，相應(yīng)的壓力流Qp和漏流QL都愈小，擠出機(jī)的實(shí)際生產(chǎn)率便俞高。也就是說，螺桿特性也比較硬，產(chǎn)量受壓力的影響較小。計(jì)量段長度L3和產(chǎn)量的關(guān)系如圖3-4所示。
圖3—4計(jì)量段長L度對(duì)擠出量的影響
又上可知：在可能的條件下，計(jì)量段長度愈長，對(duì)提高螺桿的產(chǎn)量和改善混合均勻度都是有利的。這就是計(jì)量段長度為什么愈來愈長的原因。目前，有些螺桿的計(jì)量段長度甚至達(dá)到了螺桿全長的50﹪.但是，過長的計(jì)量有可能導(dǎo)致已熔融物料溫度不斷升高，這對(duì)那些易于分解的熱敏性塑料，如PVC等未必有利。
可以用熔體輸送理論生產(chǎn)率公式中的壓力流Qp來初步估算計(jì)量段長度L3
（3.12）
（3.13）
如果令Qp≤0.05Q，即因機(jī)頭壓力而引起的產(chǎn)量損失小于總產(chǎn)量的5%，φ角一般為17.6°。根據(jù)料溫和剪切速率γ=π,可以從附錄二查出粘度η1 。計(jì)算時(shí)可以現(xiàn)令機(jī)頭壓力p=15MPa。此時(shí)L3的計(jì)算公式可簡化為：
式（3.14）
例如：螺桿直徑為65㎜的擠出機(jī)，其產(chǎn)量要求為165kg/h，相應(yīng)體積流率6.2x10m/s。此時(shí)，按式（3-13）計(jì)算，L3為320㎜，大致相當(dāng)于5D左右。
轉(zhuǎn)速n、產(chǎn)量Q、剪切速率γ、粘度η1與機(jī)頭壓力p等參數(shù)之間是互相影響的。例如，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降時(shí)，不僅產(chǎn)量降低，而且粘度也會(huì)因剪切速率的降低而增高，壓力也會(huì)適當(dāng)減小，它們之間并非線性的關(guān)系。此外，計(jì)量段長度又與螺桿總的長徑比關(guān)系很大，尤其是和計(jì)量段螺槽深度H的關(guān)系很大（成立方關(guān)系，參考式（3-13），任何影響槽深H因素都會(huì)反過來影響計(jì)量段長度L。因此，按式（3-13）得到結(jié)果也只能作為參考之用，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)還得根據(jù)上面的定性分析和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)作適當(dāng)修正。
還可按表3-3提供的數(shù)據(jù)來考慮螺桿三段長度的分配。
表3—3螺桿三段長度分配
塑料類型
加料段L
壓縮段L
計(jì)量段L
無定性塑料
結(jié)晶型塑料
20%～30%
40%～60%
45%～50%
（2～5）D
25%～30%
30%～45%
從上面一系列分析可以看出，為了保證擠出機(jī)各方面的性能，加料段、壓縮段和計(jì)量段都有加長的趨勢，這勢必引起螺桿長徑比的增加。長徑比增大后，塑料在機(jī)筒中塑化得更均勻，從而提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，另一方面，長徑比增加后，在塑化質(zhì)量要求不變的前提下（主要體現(xiàn)在塑料在機(jī)筒中停留時(shí)間不變），螺桿的轉(zhuǎn)速便可以提高，從而便提高了生產(chǎn)率。
長徑比增加不僅僅由上述因素引起。為了完成某些特定的生產(chǎn)工藝，最近發(fā)展和出現(xiàn)的一系列特種擠出機(jī)，往往都需要較大的長徑比。例如，排氣擠出機(jī)和反應(yīng)擠出機(jī)。其長徑比都達(dá)到40左右或更長。
表3—5螺桿長徑比有增大趨勢
年 份
1930～1940
1950～1960
1960～1970
1970～1980
1990～2000
L/D
8～15
15～20
18～25
20～35
25～45
綜上所述，螺桿各段的長度為，加料段=4×D=600mm、壓縮段=10×D=1500mm、計(jì)量段=6×D=900mm。
3.3.4螺紋斷面設(shè)計(jì)
目前常見的螺紋斷面有兩種，一是矩形斷面，另一種是鋸齒型斷面.前者裝料體積較大，后者改善了塑料的流動(dòng)狀態(tài)，避免了存料現(xiàn)象的發(fā)生。推進(jìn)面的圓弧半徑為R比后面的圓弧半徑R小，一般后角為20。
式（3.15）
R=（2～3）R 式（3.16）
螺桿直徑較大者，圓弧半徑R可取得較大。
圖3—5螺紋斷面形狀
a— 矩形斷面b—鋸齒型斷面
圖3—6螺槽中的滯流區(qū)和雙楔形螺桿
1—機(jī)筒；2—滑移面；3—移動(dòng)料；4—潘流區(qū)；5—矩形斷面；6—雙楔形斷面
除了上述兩種典型的螺紋斷截面形狀之外，還有雙楔型螺紋斷面圖3-6，設(shè)計(jì)這種螺紋斷截面的出發(fā)點(diǎn)是：根據(jù)塞流固體輸送理論，認(rèn)為塑料在槽中是以密實(shí)的固體存在，組成固體塞在的固體顆粒間沒有沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。但是，正如非塞流固體輸送理論指出的那樣：只有當(dāng)外壓力很大，而且料粒間內(nèi)摩擦因數(shù)也較高時(shí)，才有這種可能性。當(dāng)內(nèi)摩擦因數(shù)較低時(shí)，各層塑料間將存在著相對(duì)滑移，下層塑料不易被機(jī)筒拖拽向前推進(jìn)。因此，在螺槽底部便容易形成一層滯流，在螺紋推進(jìn)面、后面也會(huì)形成類似的滯流。這時(shí)，以較快速度運(yùn)動(dòng)的上層塑料將自傲下層塑料上滑移，而它們之家的摩擦因數(shù)將是內(nèi)摩擦因數(shù)f，而不是外摩擦因數(shù)f。前者將比后者大5倍左右。這就相當(dāng)于增大了塑料與螺桿的摩擦因數(shù)，根據(jù)固體輸送理論，這將降低固體輸送流率。
從固體力學(xué)可以推到出，由于螺棱側(cè)面和螺槽地面的綜合影響，剪切滑移面將和螺棱的兩個(gè)側(cè)面形成和的角度，因此，可以將螺棱的兩個(gè)側(cè)面設(shè)計(jì)成雙楔形以適應(yīng)上述情況。
不同的塑料和不同的粒料形狀其內(nèi)摩擦角是不同的。因此楔角α和β將24°～33°在之間。但是由于螺槽是螺旋形的，固體壓力自傲兩個(gè)側(cè)面將不相等。因此α和β的數(shù)值不相等，α角一般小于β角，建議用α=30°，β=45°。
實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明：雙楔形斷面的螺桿與矩形端面螺桿相比，對(duì)包括HPVC在內(nèi)的多種塑料都具有較好的效果，螺桿運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，塑化質(zhì)量良好，產(chǎn)量能提高30%～50%.目前對(duì)這種螺桿還在研究之中。
螺棱法向?qū)挾萫和軸向?qū)挾萣：
e=(0.080.12)D (3.17)
(3.18)
表3—6幾種塑料的內(nèi)摩擦角φ
塑 料
形 狀
內(nèi)摩擦角/°
PS
PS
PE
PE
PP
PP
PVC
球狀料
粒料
粉料
粒料
粉料
粒料
粉料
24
42
27
36
38
39
33
一般取e=0.1D。當(dāng)螺棱e或b較大時(shí)會(huì)增大螺棱上的功率消耗。過大的螺棱寬還會(huì)較少螺槽的容積。但e值 也不能太小，太小的值會(huì)使漏流增加，從而降低生產(chǎn)率，同時(shí)還會(huì)增加螺桿的磨損。
螺棱頂面形狀進(jìn)行了深入的研究提出了將直線形螺頂改成階梯形螺頂和楔形螺頂。這種設(shè)計(jì)的主要目的是為了較少螺桿與機(jī)筒的直接接觸，保證在螺棱和機(jī)筒間形成穩(wěn)定的熔融物潤滑膜以減少螺桿與機(jī)筒間的磨損。
一般直線形螺頂中，螺棱的銳邊有可能將螺棱間隙中的熔融物刮去，破壞熔膜的潤滑作用。而在階梯形螺頂和楔形螺頂上，壓力的分布都是中間高兩邊低，產(chǎn)生的還原力會(huì)使螺桿懸浮于機(jī)筒之間不會(huì)產(chǎn)生金屬的直接接觸從而減少螺桿和機(jī)筒之間的磨損。
根據(jù)的計(jì)算的結(jié)果，對(duì)D=150㎜、e=20㎜、δ=0.15㎜的擠出機(jī)，階梯形螺桿的合理尺寸為δ/δ=1.8，e/e=2.5。而楔形螺頂?shù)暮侠沓叽鐬棣?δ=2.2，e/e=5。
采用這兩種螺頂結(jié)構(gòu)之后，雖然能減少螺桿和機(jī)筒的磨損，但是由于平均螺棱間隙δ加大，漏流量也將增大20%左右。
根據(jù)與同類型的擠出機(jī)進(jìn)行對(duì)比和聚苯乙烯的性質(zhì)來看，本設(shè)計(jì)采用矩形斷面較為合適。
3.3.5螺桿設(shè)計(jì)的校核
根據(jù)以上分析螺桿參數(shù)初步確定如下：
螺桿直徑D=150×10m；長徑比L/D=20;
螺距S=150×10m；螺棱寬e=11×10m；螺紋頭數(shù)M=1；
加料段長度L=900×10m；加料段螺槽深度H=13×10m；
壓縮段長度L=1500×10m；
計(jì)量段長度L=600mm; 計(jì)量段螺槽深度H=5mm;
為了設(shè)計(jì)的科學(xué)性，對(duì)螺桿的參數(shù)做以下校核：
工藝參數(shù)
生產(chǎn)率G=20-200kg/h；螺桿轉(zhuǎn)速n=39.5r/min;機(jī)頭壓力P=300MPa
機(jī)筒熔融區(qū)溫度T=150℃；室溫T=20℃；
（3）物料性能
加工物料：聚苯乙烯，熔體流動(dòng)率MFR=2.7；
固相密度ρ=920kg/m;液相密度ρ=790kg/m;
固相比熱容C=2512 J/（kg．℃）；
液相比熱容Ｃ＝2345 J/（kg．℃）；
固相熱導(dǎo)率k=0.3492W/(m.℃);
液相熱導(dǎo)率k=0.1821 W/(m.℃);
熔融潛熱λ=129.8×10J/kg;物料熔點(diǎn)Tm=110℃。
2求解
（1）準(zhǔn)備性計(jì)算之一，計(jì)算螺桿有關(guān)數(shù)據(jù)
壓縮段總長:
=1500×10m
漸變度：
螺槽寬度：
W=B×Cosφ=(S-e) × Cosφ=150mm
機(jī)筒表面速度：
V=Dn=18.6×10m
V= V×Sinφ=162.09×10m
V= V× Cosφ=508.80×10m
質(zhì)量流G==550kg/h=152.78×10
固相速度：
=43.2×10m/s
合成速度：
m/s
準(zhǔn)備性計(jì)算（二），計(jì)算流變參數(shù)、、
假設(shè)熔膜平均溫度和熔膜厚度δ
先取=136.9℃，由于未考慮，可將取得稍大，暫定為=139℃.;
假定熔膜厚度δ=0.4×10m
因此，熔膜中的剪切速率為：
==1438.46 s
從圖上可以查處η=920MPa
試計(jì)算T和δ:
T=
=139.35≈139℃
與設(shè)定值相等，不必從新計(jì)算。
δ=
=2.42×10 m
=+
當(dāng)X=W時(shí)
δ=0.93×10 m
δ==0.45×10 m;
δ的計(jì)算值與設(shè)定值相差不大，可不在從新計(jì)算。最后計(jì)算決定剪切速率： 1278.6 S
根據(jù)