第五章-塑料挤出成型设备

第五章塑料挤出成型设备第五章塑料挤出成型设备5.1概述5.2挤出机的工作过程及控制参数5.3挤出机的主要零部件5.4挤出机的其它零部件5.5挤出机的控制5.6挤出成型辅机5.7双螺杆挤出机第五章塑料挤出成型设备5.1概述挤出成型：生产具有相同截面形状而长度任意的塑料制品（如管、棒、板及各种异型材等）的成型加工方法；挤出成型制品的产量居首位。5.1.1塑料挤出成型特点和应用特点：•挤出生产过程是连续的；•生产效率高，应用范围广；•投资少，见效快。第五章塑料挤出成型设备5.1.2塑料挤出成型过程和挤出成型设备的组成挤出成型过程：•塑料（粒状或粉状）==加热熔融==挤出模具==挤出型坯==冷却定型==挤出制品挤出主机的组成：•挤出系统•传动系统•加热冷却系统•机身等第五章塑料挤出成型设备5.1.2塑料挤出成型过程和挤出成型设备的组成挤出辅机的组成：•机头•定型装置•冷却装置•牵引装置•切割装置•卷取装置等第五章塑料挤出成型设备5.1.3挤出机的分类按挤出螺杆数量分类•无螺杆挤出机（如柱塞式挤出机）•单螺杆挤出机锻造液压机•双螺杆挤出机•多螺杆挤出机按螺杆的空间位置分类•卧式挤出机•立式挤出机按螺杆转速分类•普通挤出机•高速挤出机•超高速挤出机按挤出系统可否排气分类•排气式挤出机•非排气式挤出机按设备装配结构分类•整体式挤出机•组合式挤出机第五章塑料挤出成型设备5.1.4单螺杆挤出机的技术参数及型号单螺杆挤出机的技术参数•螺杆直径Db（系列：20、30、45、65、90、120、150、165、200、250、300等）•螺杆的长径比L/Db•螺杆的转速范围•主螺杆的电机功率•机器的生产能力•名义比功率•螺杆的主参数（分段、槽深、压缩比、螺距、螺纹升角、螺纹线数、螺棱宽度、螺槽宽度等）•加热段数等第五章塑料挤出成型设备5.1.4单螺杆挤出机的技术参数及型号塑料挤出机的型号例：主机SJ-150表示螺杆直径φ150mm，长径比为20：1的塑料挤出机。辅机SJ-FM1700表示上吹法、牵引辊筒工作长度为1700mm的塑料吹塑薄膜辅机，其中FM为辅机代号。第五章塑料挤出成型设备5.2挤出机的工作过程及控制参数5.2.1挤出机的工作过程第五章塑料挤出成型设备5.2.2挤出成型过程的控制参数挤出成型过程的参数：温度、压力、挤出速率（或称挤出量、产量）和能量（或称功率）。1.温度塑料（粒料或粉料）从玻璃态==粘流态，再由粘流态==玻璃态(制品)要经历一个复杂的温度变化过程。物料的温度轮廓曲线、料筒的温度轮廓曲线和螺杆的温度轮廓曲线是不同的。温度相对于时间是一个变化的值，且变化有一定的周期性(称为物料流动方向的温度波动)。垂直于物料流动方向的截面内各点之间也有温差（称为径向温差）。第五章塑料挤出成型设备5.2.2挤出成型过程的控制参数2.压力压力建立：螺槽深度的改变，分流板、过滤网和机头等产生的阻力。压力影响因素：塑料材料、机头、分流板、过滤网的变化、加热冷却系统的稳定性、螺杆转速的变化等，其中螺杆和料筒的结构影响最大。第五章塑料挤出成型设备5.2.2挤出成型过程的控制参数3.挤出速率挤出速率：表征设备生产率的高低。影响因素：机头类型、螺杆与料筒结构、螺杆转速、加热冷却系统和物料的性质等。挤出速率也有波动，它与螺杆转速、螺杆结构、温控系统的性能、加料情况等有关。第五章塑料挤出成型设备5.3挤出机的主要零部件5.3.1螺杆挤出机的生产能力、塑化质量、熔体温度、动力消耗等，主要取决于螺杆性能。1.评价螺杆性能的标准和设计螺杆应考虑的因素螺杆性能评价标准：•塑化质量•产量•名义比功率单耗•适应性•制造的难易第五章塑料挤出成型设备5.3挤出机的主要零部件5.3.1螺杆1.评价螺杆性能的标准和设计螺杆应考虑的因素螺杆设计中应考虑的因素：•物料特性及挤出时原料的几何形状、尺寸、温度状况•机头的结构形状和阻力特性•料筒的结构形式和加热冷却情况•螺杆转速•挤出机的用途第五章塑料挤出成型设备5.3.1螺杆2.常规全螺纹三段式螺杆设计全螺纹三段式螺杆：加料段、压缩段、均化段三段螺纹组成螺杆设计：螺杆类型、直径和长径比、螺杆分段及各段参数、螺杆与料筒间隙的确定等。（1）螺杆类型的确定分类：渐变型和突变型•渐变型：多用于非结晶型塑料的加工，对物料剪切作用较小，混炼特性不高，适用于热敏性塑料及部分结晶性塑料。•突变型：压缩段较短，对物料有强烈剪切作用，适用于熔点突变、粘度低的塑料，如PA、PP、PE等，对高粘度料易局部过热，不适于PVC等热敏性塑料的加工。第五章塑料挤出成型设备2.常规全螺纹三段式螺杆设计（2）螺杆直径的确定螺杆直径能表征挤出机挤出能力的大小。螺杆直径大小的确定：一般根据所加工制品的断面尺寸、加工塑料的种类、所需的挤出量来确定。（3）螺杆长径比的确定长径比大：螺杆长度增加，塑化质量高；提高螺杆转速可提高挤出量，挤出机适用性加强，扩大加工范围。但螺杆、料筒的加工和装配较困难，成本增高。螺杆太长易变形、磨损，影响挤出机寿命。常用的长径比范围在20~30之内。第五章塑料挤出成型设备2.常规全螺纹三段式螺杆设计（4）螺杆的分段及各段参数的确定加料段：核心是输送能力问题。•螺纹升角φ：从物料最大输送能力出发，φ=30°为最佳；实际为了便于加工，一般取螺纹升程（螺距）S等于螺杆直径Db，此时螺纹升角φ=17°42ˊ。•螺槽深度h1：要考虑螺杆机械强度和物料的物理压缩比大小。•加料段长度L1：根据经验选取对非结晶型塑料：L1=（0.1~0.25）L对结晶型塑料：L1=（0.3~0.65）L第五章塑料挤出成型设备2.常规全螺纹三段式螺杆设计（4）螺杆的分段及各段参数的确定压缩段：进一步压实和熔融物料。•压缩段螺杆参数：螺杆根径变化的渐变度（A）和压缩比（ε）。•渐变度起着加速熔融的作用，应当使渐变度与固体床的熔融速率相适应。•压缩比的作用与渐变度相同，将物料压缩，排除气体，建立必要的压力，使物料加速熔融。设计时几何压缩比应大于物料的物理压缩比（参见表5-5）。•压缩段长度L2：以经验法确定，它与塑料的性质有关。对于非结晶型塑料：L2=（0.5~0.6）L对于结晶型塑料：L2=（3~5）Db231LhhA3311)()(hhDhhDbb第五章塑料挤出成型设备2.常规全螺纹三段式螺杆设计（4）螺杆的分段及各段参数的确定均化段：将已熔融的塑料定压、定量、定温地挤入机头。•螺槽深度h3：按经验法取h3=（0.025~0.06）Db；对于螺杆直径较小者，加工粘度低，热稳定性较好的塑料，或机头压力大者，取小值；反之取大值。•均化段长度L3：按经验法取L3=（0.2~0.25）L；对于热敏性塑料，如PVC，L3取短些。对于高速挤出，L/Db要取大些，相应L3取大些，以适应其定量定压挤出和进一步均化作用的要求。（5）螺杆与料筒间隙δ0的确定（参见表5-6）对不同的物料，应选择不同的δ0值。•热敏性料（PVC）δ0应选得大一些；对于低粘度非热敏性塑料，δ0应当尽量小，以增加剪切作用，减少漏流。•δ0太小时，螺杆磨损加剧，也不利于正常工作。第五章塑料挤出成型设备2.常规全螺纹三段式螺杆设计（6）螺杆其它参数的确定螺杆螺纹线数：单线、双线或多线•多线螺纹螺杆：塑化质量较好，多用于挤出软管和薄膜，但易造成熔体压力波动，一般挤出机多采用单线螺纹的螺杆。螺纹棱部宽度e：通常取e=（0.08~0.12）Db。•e太小：漏流增加导致产量降低；•e太大：增加螺棱上的动力消耗，并且有局部过热的危险。第五章塑料挤出成型设备2.常规全螺纹三段式螺杆设计（7）螺杆头部结构和螺纹断面形状为提高挤出质量，保证料流平稳，避免物料局部过热分解等，对螺杆头部形状应有正确的设计。螺杆螺纹断面形状：矩形和锯齿形两种。第五章塑料挤出成型设备3.螺杆材料选材原则：螺杆必须选耐高温、耐磨损、耐腐蚀、高强度的优质钢材制造，而且所选材料还应具有切削性能好，热处理残余应力小，热变形小等特点。常用材料：45、40Cr、渗氮钢38CrMoAl，以及其它合金结构钢，如42CrMo等。或是在常用材料的螺纹上加（喷涂、堆焊）耐磨合金，也可采用镀硬铬等技术处理。第五章塑料挤出成型设备4.新型螺杆（1）常规全螺纹三段式螺杆的不足加料段——固体输送能力低。压缩段——螺槽里同时有固体床和熔池存在，熔融效率低；还存在较大的压力、挤出速率和温度的波动。均化段——仍负有熔融固体物料的作用，对填充料和着色料的混合作用小。（2）常见新型螺杆分离型螺杆•原理：用副螺纹将已熔融物料和固体床尽早分离，促进未熔物料更快熔融，使已熔物料减少剪切，从而实现较低温下的挤出，在保证塑化质量的前提下提高挤出量。第五章塑料挤出成型设备4.新型螺杆分离型螺杆结构：•与常规螺杆不同，在加料段末端设置一条副螺纹，其大径比主螺纹小2G，副螺纹始端与主螺纹相交，升程和主螺纹不同。特性：挤出物均匀；生产能力高、功率消耗低；排气性能好；挤出速率和温度波动均较小，塑化质量好。第五章塑料挤出成型设备4.新型螺杆屏障型螺杆•结构：在螺杆的某处设立屏障段，使未熔固体颗粒不能通过，并促使固体料熔融的一种新型螺杆。第五章塑料挤出成型设备4.新型螺杆分流型螺杆•结构：在常规螺杆的某一段上设置分流元件（如：销钉、沟槽或孔道等），将料流反复分割，以改变流动状态，促进熔融，增强混炼和均化效果的一种新型螺杆。第五章塑料挤出成型设备4.新型螺杆组合螺杆•结构：将各种功能元件（输送、压缩、剪切、混炼、均化元件等）做成积木式的结构，可以根据不同工艺要求组合成完整的螺杆。新型螺杆设计和选择的注意事项•必须弄清各种新型螺杆的工作原理以及适用场合。•选择理想的混炼元件和剪切元件的位置。•螺杆的熔融能力必须和计量（均化）能力及输送能力相匹配。第五章塑料挤出成型设备5.3.2料筒1.料筒的结构形式整体式料筒：易保证较高的制造精度和装配精度。分段（组合）式料筒：便于适应不同长径比的螺杆；主要缺点是分段太多时难以保证各段的对中。双金属料筒：衬套式料筒和浇铸式料筒第五章塑料挤出成型设备1.料筒的结构形式料筒的新型结构•在靠近加料段的内表面轴向开槽，或加工成锥度并开槽，以提高固体输送率。•在加料口附近的加料段设置冷却装置，使物料温度保持在软化点或熔点以下，以保持物料的固体摩擦性质。第五章塑料挤出成型设备2.加料口的结构与开设位置加料口结构必须与物料的形状相适应，以便物料高效地加入料筒而不产生架桥中断现象。•图a用于带状料，不宜用于粒料或粉料；•图b、d、f为常用的加料口；图b的右侧壁有一倾斜角度，图d、f的左侧壁为垂直面，并向中心线偏移1/4内径；•图c、e结构在简易挤出机上用得较多。第五章塑料挤出成型设备3.料筒与机头的连接形式第五章塑料挤出成型设备5.4挤出机的其它零部件5.4.1传动系统1.挤出机的工作特性它指螺杆的转速与驱动功率之间的关系。AB和BC段——直流电动机传动系统的特性线；各曲线——加工不同物料的P-n关系曲线；AB段：P与n成线性关系，直线的斜率就表示螺杆的扭矩Mt。调速时随着转速的提高，Mt保持不变，称这种调速为恒扭矩调速。BC段：水平（近似）线，表示调速时随着转速n的提高，电动机的驱动功率P保持不变，将其称为恒功率调速。第五章塑料挤出成型设备2.挤出机驱动功率和转速范围的确定挤出机驱动功率的确定•实际采用经验公式估算：P=KDb2·n•对Db≤90mm的挤出机，一般K≈0.00354；对Db90mm的挤出机，K≈0.008。•用类比法或根据我国标准中推荐的数据确定驱动功率。挤出机螺杆转速范围及其确定•转速要求：一是能无级调速，二是应有一定的调速范围。•调速范围多数为1：6，通用性较大和小型挤出机可取1：10，专用挤出机的转速范围可取小些。•国内螺杆的线速度为：HPVC管、板、丝：V=3~6m/min；SPVC管、板、丝：V=6~9m/min；薄膜：