1、擠出過程和擠出理論,一、 擠出機(jī)的工作過程 塑料之所以能進(jìn)行成型加工，是由其內(nèi)在依據(jù)所決定的。由高分子物理學(xué)得知，高聚物一般存在著玻璃態(tài)、高彈態(tài)和粘流態(tài)三種物理狀態(tài)，在一定條件下，這三種物理狀態(tài)將發(fā)生相互轉(zhuǎn)化。而塑料的成型加工（壓制、壓延、擠出、注射等）是在粘流態(tài)下進(jìn)行的。,2,（一）擠出過程,塑料由料斗進(jìn)入料筒后，隨著螺桿的旋轉(zhuǎn)而被逐漸推向機(jī)頭方向。 1、加料段-輸送并開始壓實物料 螺槽為松散的固體粒子（或粉末）所充滿，膠料開始被壓實。 2、壓縮段 1)由于阻力,物料被壓實 由于螺槽逐漸變淺，以及濾網(wǎng)、分流板和機(jī)頭的阻力，在塑料中形成了很高的壓力，把物料壓得很密實。,3,2)外熱、內(nèi)熱的作用

2、，物料熔融 同時，在料筒外熱和螺桿、料筒對物料的混合、剪切作用所產(chǎn)生的內(nèi)摩擦熱的作用下，塑料的溫度逐漸升高。對于常規(guī)三段全螺紋螺桿來說，大約在壓縮段的三分之一處，與料筒壁相接觸的某一點的塑料溫度達(dá)到粘流溫度，開始熔融。,4,3）物料全部熔融，變?yōu)檎沉鲬B(tài) 隨著物料的向前輸送，熔融的物料量逐漸增多。而未熔融的物料量逐漸減少，大約在壓縮段的結(jié)束處，全部物料熔融而轉(zhuǎn)變?yōu)檎沉鲬B(tài)，但這時各點的溫度尚不很均勻。,5,3、均化段-均化、擠出 經(jīng)過均化段的均化作用就比較均勻了，最后螺桿將熔融物料定量、定壓、定溫地擠入機(jī)頭 4、機(jī)頭-成型、定型 口模是個成型部件，物料通過它便獲得一定截面的幾何形狀和尺寸。再經(jīng)過冷

3、卻定型和其它工序，就得到成型好的制品。,6,描寫這一過程的參量有溫度、壓力、流率（或擠出量、產(chǎn)量）和能量（或功率）。有時也用物料的粘度，因其不易直接測得，而且它與溫度有關(guān)，故一般不用它來討論擠出過程。,（二）參變量,7,溫度是擠出過程得以進(jìn)行的重要條件之一。如前所述，物料從加入料斗到最后成型為制品是經(jīng)歷了一個復(fù)雜的溫度過程的。 （如果我們以物料沿料筒方向的位移為橫坐標(biāo)。而以溫度為縱坐標(biāo)，將沿料筒方向測得的各點的物料溫度值連成曲線，就會得 到所謂溫度輪廓曲線，如圖）,1、溫度,8,9,由圖可見， 該曲線有一定的變化規(guī)律。實驗告訴我們， 加工不同物 料和不同制品，這條輪廓曲線 是不相同的。,10,

4、1）熱量來源 根據(jù)擠出理論和實踐，物料在擠出過程中熱量的來源主要有兩個： a.物料與物料之間；物料與螺桿、料筒之間的剪切、摩擦產(chǎn)生的熱量. b.料筒外部加熱器提供的熱量。,11,2）溫度的調(diào)節(jié) 溫度的調(diào)節(jié)是靠擠出機(jī)的加熱冷卻系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行的。一般說來， a.加料段-低溫輸送。 為加大輸送能力，不希望加料段溫度升得過高，相反有時要冷卻；,12,b.壓縮段和計量段高溫熔融。 為了促使物料熔融，均化，物料要升到較高的溫度。 c.橡膠擠出機(jī)則不一樣。 為了便于物料的容易加入、輸送、熔融、均化以及在低溫下擠出，獲得高質(zhì)量、高產(chǎn)量的制品，每一種物料的擠出過程應(yīng)有一條合適的溫度輪廓曲線。,13,應(yīng)當(dāng)指出

5、，物料的溫度輪廓曲線、料筒的溫度輪廓曲線和螺桿的溫度輪廓曲線是不相同的。一般情況下我們測得的溫度輪廓線是料筒的，而不是物料的。物料的溫度測量較難，由上圖可見，其溫度輪廓線有一個變化的幅度。螺桿的溫度輪廓線較料筒的溫度輪廓線為低，而較物料溫度輪廓線為高。 應(yīng)當(dāng)指出，料筒和螺桿的設(shè)計對擠出過程的熱量的產(chǎn)生有很大影響。,14,3）溫度波動 上圖所示的溫度輪廓線只是穩(wěn)定擠出過程溫度的宏觀表示。如果深入研究每一溫度測示點的溫度，就會發(fā)現(xiàn)，即使在穩(wěn)定的擠出過程中，其溫度相對于時間也是一個變化的值，而且這種變化往往具有一定的周期性。,15,A、 MD方向的溫度不均勻性（軸向溫度波動） 沿物料流動方向溫度的波

6、動情況，我們稱之為物料流動方向的溫度波動（一般文獻(xiàn)上記作MD方向的溫度不均勻性）。波動情況因測試點不同會有不同。有的波動達(dá)10左右。,16,B、 TD方向的溫度不均勻性（徑向溫差） 我們還會發(fā)現(xiàn)，垂直于物料流動方向的截面內(nèi)的各點之間的溫度有時也不一致，我們稱之為徑向溫差（一般文獻(xiàn)中記作TD方向的溫度不均勻性）。有的螺桿其頭部的徑向溫差竟達(dá)10以上。,17,C、對擠出質(zhì)量的影響-精密制品用精確溫度控制 當(dāng)然，我們往往只是對在機(jī)頭處或螺桿頭部測得的這種溫度變化感興趣，因為它們直接影響擠出質(zhì)量。,18,1)制品產(chǎn)生殘余應(yīng)力 2) 各點強(qiáng)度不均勻 3)表面灰暗無光澤等。,19,努力的方向應(yīng)當(dāng)是盡可能減

7、少或消除這種溫差。 產(chǎn)生這種溫差的原因很多，如加熱冷卻系統(tǒng)不穩(wěn)定，螺桿轉(zhuǎn)數(shù)的變化等，但以螺桿設(shè)計的好壞影響最大。,20,2、壓力,1）壓力的建立 擠出成型時，沿料筒軸線方向，在物料內(nèi)部就要建立起不同的壓力 a.壓縮比的存在（螺槽深度的改變、料筒上的溝槽深度變化、螺距的改變）,21,b.分流板、濾網(wǎng)和口模產(chǎn)生的阻力， c.壓力的建立是擠出成型制品的重要條件 壓力的建立也是物料得以經(jīng)歷物理狀態(tài)變化、得到均勻密實的熔體、并最后得到成型制品的重要條件之一。,22,2）影響壓力的因素 如果將沿料筒軸線方向（包括口模）測得的各點的物料壓力值作為縱座標(biāo)，以料筒軸線為橫座標(biāo)做一曲線，即可得到所謂壓力輪廓線，如

8、右圖所示。,23,影響各點壓力數(shù)值和壓力輪廓曲線形狀的因素很多： a.機(jī)頭、分流板、濾網(wǎng)的阻力， b.加熱冷卻系統(tǒng)， c.螺桿轉(zhuǎn)數(shù)， d.螺桿和料筒的結(jié)構(gòu)。,24,常規(guī)三段螺桿和料筒加料段內(nèi)壁不開溝槽的擠壓系統(tǒng)的壓力輪廓曲線，壓力峰值位于計量段開始處（或其前后），研究擠出過程的壓力輪廓曲線對擠出過程的了解和改進(jìn)螺桿、料筒的設(shè)計有著重要的意義。,25,3）壓力波動對制品的影響 若深入研究每一壓力測示點的壓力,也會發(fā)現(xiàn)，壓力隨著時間發(fā)生周期性的波動，這種波動對制品的質(zhì)量同樣有不利 影響。螺桿、料筒的設(shè)計、螺桿轉(zhuǎn)數(shù)的 變化、加熱冷卻系統(tǒng)的不穩(wěn)定性都是產(chǎn) 生壓力波動的原因。,26,3、流率（擠出量）,

9、流率是描寫擠出過程的一個重要參量。它的大小表征著機(jī)器生產(chǎn)率的高低。 1）絕對流率（流量，產(chǎn)量） 用Q表示，為每小時公斤。 2）比流率 用每轉(zhuǎn)的流率 Q/n表示。后者更能反映擠壓 系統(tǒng)性能，應(yīng)當(dāng)作為比較擠壓系統(tǒng)性能的標(biāo)準(zhǔn)。,27,3）影響流率的因素 影響流率的因素很多,如 a.機(jī)頭的阻力 b.螺桿、料筒的設(shè)計 c.螺桿轉(zhuǎn)數(shù) d.加熱冷卻系統(tǒng) e.物料的性質(zhì)等。 圖37為在機(jī)頭壓力不變時，流率和螺桿轉(zhuǎn)數(shù)的關(guān)系，它常用來研究擠出機(jī)的性能。,28,29,4）流率的波動 研究發(fā)現(xiàn)，流率也有波動不言而喻，它與 a.螺桿轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定與否 b.螺桿設(shè)計的好壞 c.溫控系統(tǒng)的性能 d.加料情況等都有關(guān)系。,30,

10、流率的波動對產(chǎn)品質(zhì)量有顯著的不良影響，如造成擠出速度不均勻，而影響制品的幾何形狀和尺寸。 溫度波動，流率波動等都是擠出過程的反映，它們不是孤立的，而是互相制約、互相影響的，對于高質(zhì)量的擠出，希望有盡可能小的流率波動、溫度波動、。這些波動也是評價擠出質(zhì)量、擠壓系統(tǒng)好壞的標(biāo)準(zhǔn)之一。,31,4、能量（功率）,1）能量平衡 若從能量的觀點來觀察擠出過程，就有一 個能量平衡問題。 為了使加入的物料熔融呈粘流態(tài)，必須供給熱能；為使物料壓實并得以成型，物料必須具有一定的壓力，即必須供給壓力能。,32,熱能和壓力能是由加熱器的電能和驅(qū)動螺桿的機(jī)械能轉(zhuǎn)化而來。這些能量的一部分為熔融物料、成型制品所利用。其余部分

11、作為熱損失而損失掉。,33,其能量平衡方程式如下:,機(jī)械能+熱能=熔融熱能+壓力能+熱量損失 式中 Z-單位時間內(nèi)由螺桿輸入的機(jī)械能， HJ-由外部加熱器輸入的熱能。 右端第一項-物料由固態(tài)變?yōu)槿廴跔顟B(tài)所需之能量 右端第二項-物料在擠出過程中所獲得的壓力能。 H-熱量損失,Z+HJ=Qv(T2-T0)CvJ+QvP+H,34,由于該式中各項所包含的物理量有的難以直 接測出，以及擠出過程情況多變。故目前尚 難以直接用此式進(jìn)行定量計算，但是可以定 性地分析擠出過程的能量關(guān)系。,35,2）比功率消耗 現(xiàn)在經(jīng)常用比功率消耗這一指標(biāo)作為評價擠出機(jī)性能的標(biāo)準(zhǔn)之一。它也是擠出過程的重要度量之一。 在保證塑化

12、質(zhì)量和混煉質(zhì)量的前提下，希望該值越小越好。 按照能量平衡的觀點，比功率消耗應(yīng)當(dāng)為單位時間內(nèi)總的能量消耗與總的擠出量之比。但不少資料中卻只用螺桿驅(qū)動電機(jī)所消耗的功率和擠出量進(jìn)行比較而得出該值，雖然從相對意義上講也能說明一定問題，但它不考慮加熱功率顯然是不確切的。,36,二、螺桿的基本參數(shù)：,Db 機(jī)筒內(nèi)徑 Ds 螺桿外徑（當(dāng)忽略間隙時， 取Ds= Db ） Ds 螺桿的螺紋根部直徑 D - 螺紋任意處的直徑 H 螺紋根部至機(jī)筒內(nèi)表面的距離 f 螺桿螺紋頂部至機(jī)筒內(nèi)表面的間隙 l 螺紋升程（或稱導(dǎo)程），即沿螺桿螺紋轉(zhuǎn)動一周的軸向距離 S 螺紋軸向距離（螺距）,1-料筒,2-螺桿,37,LDs一螺桿

13、的長徑比 L 螺桿的長度（螺桿的有效工作長度） P 一-螺紋頭數(shù)i B 螺紋槽的軸向?qū)挾?Bb機(jī)筒內(nèi)表面處螺紋槽的軸向?qū)挾?Bs螺桿螺紋槽根處的軸向?qū)挾?38,B(r)螺桿螺紋槽在任意半徑處的軸向?qū)挾?W(r)- 垂直于螺棱的任意半徑處的螺槽寬度 Wb機(jī)筒內(nèi)表面處垂直于螺棱的螺槽寬度 Ws螺桿根徑處垂直于螺棱的螺槽寬度 e(r)螺棱任意處的軸向?qū)挾?39,eb機(jī)筒內(nèi)表面處的螺棱軸向?qū)挾?es螺桿根徑處的螺棱軸向?qū)挾?e 螺紋頂處螺棱的法向?qū)挾?e 螺紋頂處螺棱的軸向?qū)?(r)任意半徑處的螺紋升角（或稱螺紋導(dǎo)角）,40,注：上述符號中，腳標(biāo)“（r）”為機(jī)筒內(nèi)表面至螺桿根部間的可變參數(shù)；腳標(biāo)“b”

14、表示在機(jī)筒內(nèi)表面的有關(guān)參數(shù)；腳標(biāo)“S”表根徑處的有關(guān)參數(shù)。,b機(jī)簡內(nèi)表面處的螺紋升角 s螺桿根徑處的螺紋升角,41,三、物料在螺桿中的流動理論,前面我們扼要地分析了擠出過程。應(yīng)當(dāng)指出，這一過程看起來簡單，實際上是很復(fù)雜的，以致擠出機(jī)已出現(xiàn)多年，盡管各國都做了大量的實驗研究工作。取得了很大進(jìn)展，并從不同角度提出了多種描述擠出過程的理論，但到目前為止，還沒有形成一種完整的令人滿意的解釋整個擠出過程并指導(dǎo)擠出機(jī)設(shè)計和操作實踐的理論。這就是說，人們還沒有完全認(rèn)識擠出過程。關(guān)于擠出過程的理論正在發(fā)展中。,42,目前常用的關(guān)于擠出過程的理論，是在常規(guī)全螺紋螺桿中建立起來的。 根據(jù)實驗研究，物料自料斗加人到由機(jī)頭中擠出，要通過幾個職能區(qū)：固體輸送區(qū)、熔融區(qū)和熔體輸送區(qū)。 1、 固體輸送區(qū)，通常限定在自加料斗開始算起的幾個螺距中。在該區(qū)，物料