冲压与塑料成型设备 第2版 教学课件 ppt 作者 范有发 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,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。,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,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,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,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,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150mm，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1700 mm的塑料吹塑薄膜辅机，其中FM为辅机代号。,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,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）。,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。,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。,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,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,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。,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2030之内。,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：从物料最大输送能力出发，=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=17°42。 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=（0.10.25）L 对结晶型塑料：L1=（0.30.65）L,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（）。 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=（0.50.6）L 对于结晶型塑料：L2=（35）Db,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=（0.0250.06）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 =（0.20.25）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0的确定（参见表5-6） 对不同的物料，应选择不同的0值。 热敏性料（PVC） 0应选得大一些；对于低粘度非热敏性塑料，0应当尽量小，以增加剪切作用，减少漏流。 0太小时，螺杆磨损加剧，也不利于正常工作。,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=（0.080.12）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。,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。,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。,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。,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。,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。,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。,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。,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,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。,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。,3.料筒与机头的连接形式,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。,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=KD b 2·n 对Db90 mm的挤出机，一般K0.00354；对Db90 mm的挤出机，K0.008。 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=36m/min；SPVC管、板、丝：V=69m/min；薄膜：V=1618m/min。,3.传动系统的组成,传动系统：一般由原动机、调速装置和减速装置所组成（参见表5-8 ）。,5.4.2 加热与冷却装置 1.加热装置 料筒的加热方法：通常有液体加热、蒸汽加热和电加热三种，其中以电加热用得最多。 电加热又可分为电阻加热和感应加热。,5.4.2 加热与冷却装置,1.加热装置 电阻加热器料筒的径向上会有较大的温度梯度，且传热时间也较长。 感应加热,5.4.2 加热与冷却装置,2.冷却装置 （1）料筒的冷却 水冷却速度快，冷却效率高 易造成急冷，水管结垢和锈蚀会降低冷却效果，甚至堵塞、损坏等。,5.4.2 加热与冷