1、7 第七章第七章 擠出成型原理擠出成型原理2 2單螺桿擠出機基本結(jié)構(gòu)及作用單螺桿擠出機基本結(jié)構(gòu)及作用 ；3 3擠出成型原理。擠出成型原理。本章教學(xué)內(nèi)容本章教學(xué)內(nèi)容1 1緒論緒論 ；7.3 7.3 擠出成型原理擠出成型原理 目前關(guān)于固體輸送區(qū)的理論有幾種，下目前關(guān)于固體輸送區(qū)的理論有幾種，下面將重點介紹較有代表性的達(dá)涅耳面將重點介紹較有代表性的達(dá)涅耳(Darnel）和莫耳（）和莫耳（Mol）1956年提出的年提出的根據(jù)根據(jù)固體對固體摩擦的靜力平衡固體對固體摩擦的靜力平衡為基礎(chǔ)為基礎(chǔ)建立起來的固體輸送理論。建立起來的固體輸送理論。 以恒速移動；以恒速移動； 22)2(4hDDVNVa1cot1co

2、t121hhDctgctgDNNlvatgtgtgNtghDDhQ)(2 1 1、通過加大加料段的螺槽深度來實現(xiàn)提高輸送量通過加大加料段的螺槽深度來實現(xiàn)提高輸送量QsQs。 2 2、QsQs與與 成正比。成正比。tgtgtgtg =0；反之，；反之， =90，流量達(dá)到理論上限；正常情況下，流量達(dá)到理論上限；正常情況下， 0 90.對于大多數(shù)聚合物：對于大多數(shù)聚合物：fs在在0.250.5，在在1720之間，一般取之間，一般取1741tgtgtgtg 3 3、螺桿表面摩擦系數(shù)越小（料筒的摩擦系數(shù)越大），螺桿表面摩擦系數(shù)越?。贤驳哪Σ料禂?shù)越大），QSQS越越大。大。a a、增加螺桿表面光潔度；、

3、增加螺桿表面光潔度；b、 4 4、增加加料段的長度會使產(chǎn)量的提高。、增加加料段的長度會使產(chǎn)量的提高。 控制螺桿與機筒的溫度控制螺桿與機筒的溫度問問題題1、什么叫固體床、什么叫固體床? 簡述提高固體輸送效率的方法。簡述提高固體輸送效率的方法。 2、PP和和PE與金屬的摩擦系數(shù)與金屬的摩擦系數(shù)f 溫度溫度T的圖如下，粘附范圍的圖如下，粘附范圍指摩擦系數(shù)指摩擦系數(shù)f大于一定值，塑料才能與金屬產(chǎn)生有效的粘附。大于一定值，塑料才能與金屬產(chǎn)生有效的粘附。請回答以下問題：請回答以下問題：(8分分) 在正常的工藝條件下，用相同螺深和螺矩的螺桿擠出機擠出時在正常的工藝條件下，用相同螺深和螺矩的螺桿擠出機擠出時，

4、哪種塑料產(chǎn)量高？為什么？針對這種摩擦系數(shù)對產(chǎn)量的影響，哪種塑料產(chǎn)量高？為什么？針對這種摩擦系數(shù)對產(chǎn)量的影響，工業(yè)上常采取什么措施？，工業(yè)上常采取什么措施？粘 附 范 圍粘 附 范 圍 PEpppp摩擦系數(shù)摩擦系數(shù)溫度溫度 摩擦系數(shù)摩擦系數(shù)該熔融理論是在擠出機上進(jìn)行的大量冷卻實驗的基礎(chǔ)上提出該熔融理論是在擠出機上進(jìn)行的大量冷卻實驗的基礎(chǔ)上提出來的。來的。（1 1）冷卻實驗是這樣的：將著色物料（或炭黑）和本色物料）冷卻實驗是這樣的：將著色物料（或炭黑）和本色物料加入擠出機中，待擠出過程穩(wěn)定后，快速停車并驟冷料筒（如加入擠出機中，待擠出過程穩(wěn)定后，快速停車并驟冷料筒（如果可能，也冷卻螺桿），果可能，

5、也冷卻螺桿），（2 2）抽出螺桿（如果是部分料筒可將料筒打開），將螺旋狀）抽出螺桿（如果是部分料筒可將料筒打開），將螺旋狀的已冷卻的物料（塑料）帶從螺桿上剝下，這時可以發(fā)現(xiàn)，已的已冷卻的物料（塑料）帶從螺桿上剝下，這時可以發(fā)現(xiàn)，已熔融的和局部混合的物料呈現(xiàn)流線，而未熔的物料將保持初始熔融的和局部混合的物料呈現(xiàn)流線，而未熔的物料將保持初始的固態(tài)。的固態(tài)。（3 3）然后垂直于螺紋方向切取截面，可以看到一個截面內(nèi)有）然后垂直于螺紋方向切取截面，可以看到一個截面內(nèi)有三個區(qū)域：三個區(qū)域： 、 和和 熔融過程熔融過程熔融起點熔融起點熔融終點熔融終點隨著物料向前輸送，熔池逐漸加寬，固體床相應(yīng)變窄，直到隨著物

6、料向前輸送，熔池逐漸加寬，固體床相應(yīng)變窄，直到最后，熔體充滿整個螺槽，固體床消失。最后，熔體充滿整個螺槽，固體床消失。 塑料在擠出過程中，在接近加料段的末端，與機筒相接觸的塑料塑料在擠出過程中，在接近加料段的末端，與機筒相接觸的塑料已開始熔融而形成了一層熔膜。當(dāng)熔膜厚度超過螺桿與機筒的間已開始熔融而形成了一層熔膜。當(dāng)熔膜厚度超過螺桿與機筒的間隙時，螺桿頂面把熔膜從機筒內(nèi)壁徑向的刮向螺桿底部，強制積隙時，螺桿頂面把熔膜從機筒內(nèi)壁徑向的刮向螺桿底部，強制積存于螺紋推力面的前方，而形成了熔池。存于螺紋推力面的前方，而形成了熔池。 在螺槽的前移過程中，在螺槽的前移過程中，固體床寬度會逐漸減少，直至全部

7、消失，即完全熔化固體床寬度會逐漸減少，直至全部消失，即完全熔化。XWVbx熔膜熔膜熔池熔池推力面推力面 熔膜形成后的固體熔融是在熔膜和固體床的界面處發(fā)生的熔膜形成后的固體熔融是在熔膜和固體床的界面處發(fā)生的 塑料熔融的熱源主要有兩個：塑料熔融的熱源主要有兩個：一是一是 從外加熱器得到的外熱（傳導(dǎo)熱）從外加熱器得到的外熱（傳導(dǎo)熱）二是熔融流動過程中，由于速度差異產(chǎn)生的粘性耗散熱（剪切二是熔融流動過程中，由于速度差異產(chǎn)生的粘性耗散熱（剪切熱）以及擠壓和壓縮作用，其能量來源是電動機的機械能。熱）以及擠壓和壓縮作用，其能量來源是電動機的機械能。 從熔化開始到固體床寬度下降為從熔化開始到固體床寬度下降為0

8、 0的螺桿長度即為熔化區(qū)長度的螺桿長度即為熔化區(qū)長度。1 1、建立直角坐標(biāo)系，將螺桿和機筒沿、建立直角坐標(biāo)系，將螺桿和機筒沿Z Z方向展開，認(rèn)為螺桿方向展開，認(rèn)為螺桿不動，機筒平移方向：與螺桿轉(zhuǎn)動方向相反。大小：不動，機筒平移方向：與螺桿轉(zhuǎn)動方向相反。大?。篤 Vb b=nD=nDb b2 2、在熔融區(qū)固體、熔體共存，有明顯分界面、在熔融區(qū)固體、熔體共存，有明顯分界面 固體床（固體床（逐漸減小，逐漸減小， X=W 0 X=W 0 ）； 熔體熔膜：緊貼料筒壁處物熔體熔膜：緊貼料筒壁處物料先熔融料先熔融；熔池：隨著熔膜的發(fā)展，形成熔池熔池：隨著熔膜的發(fā)展，形成熔池3 3、擠出過程是穩(wěn)定的。即在擠出

9、過程中，螺槽中的固液相分?jǐn)D出過程是穩(wěn)定的。即在擠出過程中，螺槽中的固液相分界面保持不變。固相以穩(wěn)定不變的速度界面保持不變。固相以穩(wěn)定不變的速度VsyVsy在分界面熔融，在分界面熔融，物料前進(jìn)速度不隨時間而變物料前進(jìn)速度不隨時間而變0t0tc固體固體熔體分界面不隨時間而變?nèi)垠w分界面不隨時間而變0tVX 4 4、整個固相為均一的連續(xù)體。（忽略固體床破碎的可能性）。整個固相為均一的連續(xù)體。（忽略固體床破碎的可能性）。 5 5、塑料的熔融溫度范圍較窄，固液相分界面明顯。熔體為、塑料的熔融溫度范圍較窄，固液相分界面明顯。熔體為牛頓流體牛頓流體 6 6、螺槽和固體床的橫斷面都是矩形，外熱和內(nèi)熱是通過固、螺

10、槽和固體床的橫斷面都是矩形，外熱和內(nèi)熱是通過固液相分界面?zhèn)鬟f，其它沒有熱交換液相分界面?zhèn)鬟f，其它沒有熱交換研究熔融理論的目的，就是為了找出固相寬度研究熔融理論的目的，就是為了找出固相寬度X X沿螺槽方向沿螺槽方向Z Z的變的變化規(guī)律化規(guī)律 即分布函數(shù)即分布函數(shù)X=FX=F（Z Z）對熔融理論的物理模型進(jìn)行下列三個方面的平衡分析，即可求出對熔融理論的物理模型進(jìn)行下列三個方面的平衡分析，即可求出固相分布函數(shù)固相分布函數(shù)X=FX=F（Z Z）的解析式。這些平衡是：固相的質(zhì)量平衡）的解析式。這些平衡是：固相的質(zhì)量平衡 ，熔膜的質(zhì)量平衡熔膜的質(zhì)量平衡 ，固液相分布截面的熱量平衡，固液相分布截面的熱量平衡

11、dz流入段的固相量dz流出段的固相量=dz段上分界面處固相融化量即：即： 流入流入-流出流出=融化量融化量 寫成微分形式：()ssvHXzv dwd其中 s-固相密度 VSZZ方向固相移動速 度 d(HX)斷面單位面積W-單位螺槽長度上的固體熔化率H 根據(jù)假設(shè)，認(rèn)為固相只在根據(jù)假設(shè)，認(rèn)為固相只在Y方向熔融，而不在方向熔融，而不在X方方向熔融。同時，熔膜只有向熔融。同時，熔膜只有X方向的流動。因而可方向的流動。因而可以得出：以得出： H W 熔膜質(zhì)量平衡熔膜質(zhì)量平衡 在距離在距離dz段上，單位時間內(nèi)在段上，單位時間內(nèi)在Y方向由固相加入方向由固相加入熔膜的新熔融的熔料量熔膜的新熔融的熔料量 = 由

12、熔膜流入熔池的熔由熔膜流入熔池的熔料量料量 = 單位螺槽長度上的熔融速率單位螺槽長度上的熔融速率與長度與長度dz的乘積的乘積 12ssybxmv xdzvdzdz12ssybxmv xv式中 s固相密度 Vby機筒在X方向的分速度。 Vsy固相在Y方向的融化速度。根據(jù)假設(shè)，固相只在根據(jù)假設(shè)，固相只在Y方向熔融，因此熱量也只在方向熔融，因此熱量也只在Y方向傳方向傳遞。由此得出：在單位時間內(nèi)在單位面積上。遞。由此得出：在單位時間內(nèi)在單位面積上。經(jīng)熔膜流入分界面的熱量經(jīng)熔膜流入分界面的熱量 - 流出分界面進(jìn)入固相的熱量流出分界面進(jìn)入固相的熱量 = 塑料熔融消耗的熱量塑料熔融消耗的熱量 根據(jù)傅立葉導(dǎo)熱

13、定律，流體流過不同溫度的固體壁面時，根據(jù)傅立葉導(dǎo)熱定律，流體流過不同溫度的固體壁面時，產(chǎn)生熱交換，換熱量由下式計算：產(chǎn)生熱交換，換熱量由下式計算： /溫度梯度溫度梯度 其中其中K為導(dǎo)熱系數(shù)為導(dǎo)熱系數(shù) 得出下列公式得出下列公式 dTqkdy 式中 ,0m ydTdy分界面液相一側(cè)的溫度梯度 ,0s ydTdy分界面固相一側(cè)的溫度梯度mK液相的熱傳導(dǎo)率 sK固相的熱傳導(dǎo)率 塑料的熔融潛熱，即融化單位質(zhì)量的塑料所需要熱量。ssyoysoymVdydTKdydTK)()()ssvHXzv dwdsvsVwdXHXd可以求出固相的分布函數(shù)如下：可以求出固相的分布函數(shù)如下：2112xzwH 等深螺槽等深螺

14、槽 式中：式中： 融化系數(shù)融化系數(shù) G生產(chǎn)能力生產(chǎn)能力 H熔槽深度熔槽深度 Z Z固相熔融長度（螺槽展開）固相熔融長度（螺槽展開）上式中當(dāng)上式中當(dāng)X=0（即固相熔融結(jié)束）時，即可得到熔融總長度。（即固相熔融結(jié)束）時，即可得到熔融總長度。2THZ2THZ00HGG增大增大 減小減小 ZT增大增大 即擠出量的增大，將導(dǎo)致熔融的發(fā)生和終了均延遲，即擠出量的增大，將導(dǎo)致熔融的發(fā)生和終了均延遲，實踐證明，在其他條件不變的情況下，實踐證明，在其他條件不變的情況下，G點的增加，點的增加，將使產(chǎn)品質(zhì)量變壞。將使產(chǎn)品質(zhì)量變壞。熔料在螺槽中的流動實際上有以下幾種運動合成：熔料在螺槽中的流動實際上有以下幾種運動合成

15、：a.a.正流（曳流）：正流（曳流）：是由物料受機筒的摩擦拖曳引起的，產(chǎn)生沿螺槽向機頭方向是由物料受機筒的摩擦拖曳引起的，產(chǎn)生沿螺槽向機頭方向的運動，是螺桿斜棱在的運動，是螺桿斜棱在Z Z軸方向作用的結(jié)果，實質(zhì)是拖曳流軸方向作用的結(jié)果，實質(zhì)是拖曳流動，起擠出物料作用，流量用動，起擠出物料作用，流量用QdQd表示。表示。( (如圖）如圖） 倒流（壓力流）：倒流（壓力流）：由機頭，口型等阻力元件產(chǎn)生的壓力引起的回流。方向與正流由機頭，口型等阻力元件產(chǎn)生的壓力引起的回流。方向與正流方向相反，流量為方向相反，流量為Q QP P. . 橫流（環(huán)流）：橫流（環(huán)流）：由螺棱對物料的推擠作用和料筒的拖曳作用共

16、同引起由螺棱對物料的推擠作用和料筒的拖曳作用共同引起，（如（如圖圖) ) 使物料在螺槽內(nèi)產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)運動。對生產(chǎn)能力沒有影響，使物料在螺槽內(nèi)產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)運動。對生產(chǎn)能力沒有影響，但能促進(jìn)物料的混合、攪拌和熱交換，流量但能促進(jìn)物料的混合、攪拌和熱交換，流量Qc=0.Qc=0. 漏流：漏流： 由機筒與螺棱間隙由機筒與螺棱間隙處形成的倒流。方向沿螺桿軸線方向，并處形成的倒流。方向沿螺桿軸線方向，并由機頭向后。流量用由機頭向后。流量用Q QL L表示。表示。 Q=Qd-Qp-Ql 22 33322121233tan1sinsin cos21212 ffDP PP PDHDHnyLe yL Q=Qd-Qp-Ql

17、 mmmmLPKmDhhNDQ)(2)2(sin2sincos11222mmmmpLPKmDhQ)(2)2(sin1121、說明熔體輸送理論中，、說明熔體輸送理論中，Qp/Qd 變化對熔體沿螺桿變化對熔體沿螺桿Z向流向流動速度（動速度（Vz）分布的影響。）分布的影響。 2、塑料熔體在擠出機均化段螺槽內(nèi)有幾種流動形式？造成這、塑料熔體在擠出機均化段螺槽內(nèi)有幾種流動形式？造成這幾種流動的主要原因是什么？幾種流動的主要原因是什么？ 問問題題3、設(shè)計能力為、設(shè)計能力為0.06kg/r的螺桿，如何滿足的螺桿，如何滿足0.09kg/r的生的生產(chǎn)要求，反之亦然？產(chǎn)要求，反之亦然？ 4、不考慮熔體密度差異，用相同