擠出成型原理

1、主講老師：麥東東主講老師：麥東東擠出成型擠出成型一、擠出成型原理一、擠出成型原理 在擠出成型過程中，塑料經(jīng)歷固體在擠出成型過程中，塑料經(jīng)歷固體彈性體彈性體粘流粘流( (熔融熔融) )體的形變過程，在螺桿和料筒之間，塑料沿著螺體的形變過程，在螺桿和料筒之間，塑料沿著螺槽向前流動。槽向前流動。 在此過程中，塑料有溫度、壓力、粘度，甚至化學(xué)在此過程中，塑料有溫度、壓力、粘度，甚至化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化，因此擠出過程中塑料的狀態(tài)變化和流動行結(jié)構(gòu)的變化，因此擠出過程中塑料的狀態(tài)變化和流動行為相當(dāng)復(fù)雜。為相當(dāng)復(fù)雜。 許多學(xué)者進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究工作，提出了多種許多學(xué)者進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究工作，提出了多種描述擠出過

2、程的理論，有些理論已基本上獲得應(yīng)用。但描述擠出過程的理論，有些理論已基本上獲得應(yīng)用。但是各種擠出理論都存在不同程度的片面性和缺點(diǎn)，因此，是各種擠出理論都存在不同程度的片面性和缺點(diǎn)，因此，擠出理論還在不斷修正、完善和發(fā)展中。擠出理論還在不斷修正、完善和發(fā)展中。1、擠出過程和螺桿各段的職能、擠出過程和螺桿各段的職能 由高分子物理學(xué)知道，高聚物存在三種物理狀態(tài)，即由高分子物理學(xué)知道，高聚物存在三種物理狀態(tài)，即玻璃態(tài)、高彈態(tài)和粘流態(tài)，在一定條件下，這三種物理玻璃態(tài)、高彈態(tài)和粘流態(tài)，在一定條件下，這三種物理狀態(tài)會發(fā)生相互轉(zhuǎn)變。狀態(tài)會發(fā)生相互轉(zhuǎn)變。 固態(tài)塑料由料斗進(jìn)入料筒后，隨著螺桿的旋轉(zhuǎn)而向機(jī)固態(tài)塑料由

3、料斗進(jìn)入料筒后，隨著螺桿的旋轉(zhuǎn)而向機(jī)頭方向前進(jìn)，在這過程中，塑料的物理狀態(tài)是發(fā)生變化頭方向前進(jìn)，在這過程中，塑料的物理狀態(tài)是發(fā)生變化的。的。 根據(jù)塑料在擠出機(jī)中的三種物理狀態(tài)的變化過程及對根據(jù)塑料在擠出機(jī)中的三種物理狀態(tài)的變化過程及對螺桿各部件的工作要求，通常將擠出機(jī)的螺桿分成加料螺桿各部件的工作要求，通常將擠出機(jī)的螺桿分成加料段段(固體輸送區(qū)固體輸送區(qū))、壓縮段、壓縮段(熔融區(qū)熔融區(qū))和均化段和均化段(熔體輸送區(qū)熔體輸送區(qū))三段。三段。一、擠出成型原理一、擠出成型原理 對于這類常規(guī)對于這類常規(guī)全螺紋三段螺桿來全螺紋三段螺桿來說，塑料在擠出機(jī)說，塑料在擠出機(jī)中的擠出過程可以中的擠出過程可以通過

4、螺桿各段的基通過螺桿各段的基本職能及塑料在擠本職能及塑料在擠出機(jī)中的物理狀態(tài)出機(jī)中的物理狀態(tài)變化過程來描述。變化過程來描述。一、擠出成型原理一、擠出成型原理塑料在擠出機(jī)中的擠出過程示意圖塑料在擠出機(jī)中的擠出過程示意圖 塑料自料斗進(jìn)入擠出機(jī)的料筒內(nèi)，在螺桿的旋轉(zhuǎn)作塑料自料斗進(jìn)入擠出機(jī)的料筒內(nèi)，在螺桿的旋轉(zhuǎn)作用下，由于料筒內(nèi)壁和螺桿表面的摩擦作用向前運(yùn)動。用下，由于料筒內(nèi)壁和螺桿表面的摩擦作用向前運(yùn)動。 在該段，螺桿的職能主要是對塑料進(jìn)行輸送并壓實(shí)，在該段，螺桿的職能主要是對塑料進(jìn)行輸送并壓實(shí)，物料仍以固體狀態(tài)存在，雖然由于強(qiáng)烈的摩擦熱作用，物料仍以固體狀態(tài)存在，雖然由于強(qiáng)烈的摩擦熱作用，在接近加

5、料段的末端，與料筒內(nèi)壁相接觸的塑料已接近在接近加料段的末端，與料筒內(nèi)壁相接觸的塑料已接近或達(dá)到粘流溫度，固體粒子表面有些發(fā)粘，但熔融仍未或達(dá)到粘流溫度，固體粒子表面有些發(fā)粘，但熔融仍未開始。開始。 遲滯區(qū)是指固體輸送區(qū)結(jié)束到最初開始出現(xiàn)熔融的遲滯區(qū)是指固體輸送區(qū)結(jié)束到最初開始出現(xiàn)熔融的一個(gè)過渡區(qū)。一個(gè)過渡區(qū)。1 1、加料段、加料段一、擠出成型原理一、擠出成型原理 塑料從加料段進(jìn)入熔融段，沿著螺槽繼續(xù)向前，由塑料從加料段進(jìn)入熔融段，沿著螺槽繼續(xù)向前，由于螺桿螺槽的容積逐漸變小，塑料受到壓縮，進(jìn)一步被于螺桿螺槽的容積逐漸變小，塑料受到壓縮，進(jìn)一步被壓實(shí)，同時(shí)物料受到料簡的外加熱和螺桿與料簡之間的壓

6、實(shí)，同時(shí)物料受到料簡的外加熱和螺桿與料簡之間的強(qiáng)烈的剪切攪拌作用，溫度不斷升高，物料逐漸熔融，強(qiáng)烈的剪切攪拌作用，溫度不斷升高，物料逐漸熔融，此段螺桿的職能是使塑料進(jìn)一步壓實(shí)和熔融塑化，排除此段螺桿的職能是使塑料進(jìn)一步壓實(shí)和熔融塑化，排除物料內(nèi)的空氣和揮發(fā)份。物料內(nèi)的空氣和揮發(fā)份。 在該段，熔融料和未熔料以兩相的形式共存，至熔在該段，熔融料和未熔料以兩相的形式共存，至熔融段末端，塑料最終全部熔融為粘流態(tài)。融段末端，塑料最終全部熔融為粘流態(tài)。2 2、熔融段、熔融段一、擠出成型原理一、擠出成型原理 從熔融段進(jìn)入均化段的物料是已全部熔融的粘流體。從熔融段進(jìn)入均化段的物料是已全部熔融的粘流體。 在機(jī)頭

7、口模阻力造成的回壓作用下被進(jìn)一步混合塑在機(jī)頭口模阻力造成的回壓作用下被進(jìn)一步混合塑化均勻，并定量定壓地從機(jī)頭口模擠出，在該段，螺桿化均勻，并定量定壓地從機(jī)頭口模擠出，在該段，螺桿對熔體進(jìn)行輸送。對熔體進(jìn)行輸送。3 3、均化段、均化段一、擠出成型原理一、擠出成型原理 目前應(yīng)用最廣的擠出理論是根據(jù)塑料在擠出機(jī)三段目前應(yīng)用最廣的擠出理論是根據(jù)塑料在擠出機(jī)三段中的物理狀態(tài)變化和流動行為來進(jìn)行研究的，建立了固中的物理狀態(tài)變化和流動行為來進(jìn)行研究的，建立了固體輸送理論、熔融理論和熔體輸送理論。體輸送理論、熔融理論和熔體輸送理論。1 1、固體輸送理論、固體輸送理論 物料自料斗進(jìn)入擠出機(jī)的料筒內(nèi)，沿螺桿向機(jī)頭

8、方物料自料斗進(jìn)入擠出機(jī)的料筒內(nèi)，沿螺桿向機(jī)頭方向移動。首先經(jīng)歷的是加料段，物料在該段是處在疏松向移動。首先經(jīng)歷的是加料段，物料在該段是處在疏松狀態(tài)下的粉狀或粒狀固體，溫度較低，粘度基本上無變狀態(tài)下的粉狀或粒狀固體，溫度較低，粘度基本上無變化，即使因受熱物料表面發(fā)粘結(jié)塊，但內(nèi)部仍是堅(jiān)硬的化，即使因受熱物料表面發(fā)粘結(jié)塊，但內(nèi)部仍是堅(jiān)硬的固體，故形變不大。固體，故形變不大。二、擠出理論二、擠出理論二、擠出理論二、擠出理論加料段的主要作用是固體輸送加料段的主要作用是固體輸送塑料：未熔化、疏松的固體，表面發(fā)粘結(jié)塊，形變不大。塑料：未熔化、疏松的固體，表面發(fā)粘結(jié)塊，形變不大。物料沿螺槽物料沿螺槽的向前運(yùn)動

9、的向前運(yùn)動旋轉(zhuǎn)運(yùn)動旋轉(zhuǎn)運(yùn)動- -物料與螺桿的摩擦作用力物料與螺桿的摩擦作用力軸向水平運(yùn)動軸向水平運(yùn)動- -螺桿旋轉(zhuǎn)時(shí)的軸向分力螺桿旋轉(zhuǎn)時(shí)的軸向分力螺桿表面的摩擦力大螺桿表面的摩擦力大料筒表面的切向摩擦力小料筒表面的切向摩擦力小物料物料旋轉(zhuǎn)運(yùn)動旋轉(zhuǎn)運(yùn)動二、擠出理論二、擠出理論 固體輸送理論是以固體對固體的摩擦靜力平衡為基固體輸送理論是以固體對固體的摩擦靜力平衡為基礎(chǔ)建立起來的。礎(chǔ)建立起來的。 該理論認(rèn)為物料與螺槽和料簡內(nèi)壁所有面緊密接觸，該理論認(rèn)為物料與螺槽和料簡內(nèi)壁所有面緊密接觸，形成具有彈性的固體塞子，并以一定的速率移動。形成具有彈性的固體塞子，并以一定的速率移動。 物料受螺桿旋轉(zhuǎn)時(shí)的推擠作

10、用向前移動可以分解為物料受螺桿旋轉(zhuǎn)時(shí)的推擠作用向前移動可以分解為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和軸向水平運(yùn)動，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動是由于物料與螺桿旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和軸向水平運(yùn)動，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動是由于物料與螺桿之間的摩擦力作用被轉(zhuǎn)動的螺桿帶著運(yùn)動，軸向水平運(yùn)之間的摩擦力作用被轉(zhuǎn)動的螺桿帶著運(yùn)動，軸向水平運(yùn)動則是由于螺桿旋轉(zhuǎn)時(shí)螺桿斜棱對物料的推力產(chǎn)生的軸動則是由于螺桿旋轉(zhuǎn)時(shí)螺桿斜棱對物料的推力產(chǎn)生的軸向分力使物料沿螺桿的軸向移動。向分力使物料沿螺桿的軸向移動。 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和軸向運(yùn)動的同時(shí)作用的結(jié)果，使物料沿旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和軸向運(yùn)動的同時(shí)作用的結(jié)果，使物料沿螺槽向機(jī)頭方向前進(jìn)。螺槽向機(jī)頭方向前進(jìn)。二、擠出理論二、擠出理論 固體塞的移動情況是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動還是軸

11、向運(yùn)動占優(yōu)勢，固體塞的移動情況是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動還是軸向運(yùn)動占優(yōu)勢，主要決定于螺桿表面和料筒表面與物料之間的摩擦力的主要決定于螺桿表面和料筒表面與物料之間的摩擦力的大小。大小。 只有物料與螺扦之間的摩擦力小于物料與料筒之間只有物料與螺扦之間的摩擦力小于物料與料筒之間的摩擦力時(shí)，物料才沿軸向前進(jìn)；否則物料將與螺桿一的摩擦力時(shí)，物料才沿軸向前進(jìn)；否則物料將與螺桿一起轉(zhuǎn)動，因此只要能正確控制物料與螺桿及物料與料筒起轉(zhuǎn)動，因此只要能正確控制物料與螺桿及物料與料筒之間的靜摩擦因數(shù)，即可提高固體輸送能力。之間的靜摩擦因數(shù)，即可提高固體輸送能力。 為了提高固體輸送速率，應(yīng)降低物料與螺桿的靜摩為了提高固體輸送速率，應(yīng)

12、降低物料與螺桿的靜摩擦因數(shù)，提高物料與料筒的徑向靜摩擦因數(shù)。擦因數(shù)，提高物料與料筒的徑向靜摩擦因數(shù)。 要求螺桿表面有很高的光潔度，在螺桿中心通入冷要求螺桿表面有很高的光潔度，在螺桿中心通入冷卻水，適當(dāng)降低螺桿的表面溫度，因?yàn)楣腆w物料對金屬卻水，適當(dāng)降低螺桿的表面溫度，因?yàn)楣腆w物料對金屬的靜摩擦因數(shù)是隨溫度的降低而減小的。的靜摩擦因數(shù)是隨溫度的降低而減小的。二、擠出理論二、擠出理論 由加料段送來的固體物料進(jìn)入壓縮段，在料筒溫度由加料段送來的固體物料進(jìn)入壓縮段，在料筒溫度的外加熱和物料與物料之間及物料與金屬之間的摩擦作的外加熱和物料與物料之間及物料與金屬之間的摩擦作用的內(nèi)熱作用下而升溫，同時(shí)逐漸受

13、到越來越大的壓縮用的內(nèi)熱作用下而升溫，同時(shí)逐漸受到越來越大的壓縮作用，固體物料逐漸熔化，最后完全變成熔體，進(jìn)入均作用，固體物料逐漸熔化，最后完全變成熔體，進(jìn)入均化段。化段。 在壓縮段既存在固體物料又存在熔融物料，物料在在壓縮段既存在固體物料又存在熔融物料，物料在流動過程中有相變化發(fā)生，因此在壓縮段的物料的熔化流動過程中有相變化發(fā)生，因此在壓縮段的物料的熔化和流動情況很復(fù)雜，給研究帶來許多困難。和流動情況很復(fù)雜，給研究帶來許多困難。2 2、熔化理論、熔化理論二、擠出理論二、擠出理論 從壓縮段送入均化段的物料是具有恒定密度的粘流從壓縮段送入均化段的物料是具有恒定密度的粘流態(tài)物料，在該段物料的流動已

14、成為粘性流體的流動。態(tài)物料，在該段物料的流動已成為粘性流體的流動。 物料不僅受到旋轉(zhuǎn)螺桿的擠壓作用，同時(shí)受到由于物料不僅受到旋轉(zhuǎn)螺桿的擠壓作用，同時(shí)受到由于機(jī)頭口模的阻力所造成的反壓作用，物料的流動情況很機(jī)頭口模的阻力所造成的反壓作用，物料的流動情況很復(fù)雜。復(fù)雜。 通常把物料在螺槽中的流動看成由下面四種類型的通常把物料在螺槽中的流動看成由下面四種類型的流動所組成：流動所組成： 即正流、逆流、橫流、漏流，擠出流量是這四種即正流、逆流、橫流、漏流，擠出流量是這四種 流動的總和。流動的總和。3 3、熔體輸送理論、熔體輸送理論二、擠出理論二、擠出理論正流正流逆流逆流橫流橫流漏流漏流二、擠出理論二、擠出

15、理論 熔體在均化段作組合流動，擠出量熔體在均化段作組合流動，擠出量 QV 是上述四種是上述四種流動綜合的結(jié)果。如果忽略橫流（流動綜合的結(jié)果。如果忽略橫流（QV , T）的影響，則均）的影響，則均化段熔體的輸送量（流率）為：化段熔體的輸送量（流率）為：Qv = Qv, D Qv, p Qv, L 與螺桿的結(jié)構(gòu)與螺桿的結(jié)構(gòu)參數(shù)、參數(shù)、T、P、有關(guān)。有關(guān)。二、擠出理論二、擠出理論 在擠出機(jī)內(nèi)只有在均化段的物料才是粘性流體，因在擠出機(jī)內(nèi)只有在均化段的物料才是粘性流體，因此在擠出機(jī)正常工作時(shí)，螺桿均化段的流動速率可以看此在擠出機(jī)正常工作時(shí)，螺桿均化段的流動速率可以看作是擠出機(jī)的擠出流量，影響均化段流率的

16、因素也就是作是擠出機(jī)的擠出流量，影響均化段流率的因素也就是影響擠出機(jī)生產(chǎn)率的因素。影響擠出機(jī)生產(chǎn)率的因素。 應(yīng)該說這種計(jì)算法最能代表真正的擠出機(jī)生產(chǎn)能力，應(yīng)該說這種計(jì)算法最能代表真正的擠出機(jī)生產(chǎn)能力，因?yàn)槲锪狭鞒鼍尉褪橇鞒鰯D出機(jī)。因?yàn)槲锪狭鞒鼍尉褪橇鞒鰯D出機(jī)。三、擠出機(jī)的生產(chǎn)率三、擠出機(jī)的生產(chǎn)率 根據(jù)：物料在螺桿中的速度分布；螺桿的幾何尺寸；根據(jù)：物料在螺桿中的速度分布；螺桿的幾何尺寸；熔體在管道中的流動方程式。熔體在管道中的流動方程式。 計(jì)算：三種流動的流率：計(jì)算：三種流動的流率：A 和和 B 只與螺桿的結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)。只與螺桿的結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)。三、擠出機(jī)的生產(chǎn)率三、擠出機(jī)的生產(chǎn)率 螺桿

17、特性曲線：由式螺桿特性曲線：由式 A、B 為常數(shù)，為常數(shù)，與溫度有關(guān)。給定擠出機(jī)，在等與溫度有關(guān)。給定擠出機(jī)，在等溫條件下操作，用不同的螺桿速率溫條件下操作，用不同的螺桿速率n，可作，可作QVp坐標(biāo)坐標(biāo)圖，得一系列具有負(fù)斜率的平行直線圖，得一系列具有負(fù)斜率的平行直線螺桿特性曲線。螺桿特性曲線。四、螺桿和機(jī)頭（口模）的特性曲線四、螺桿和機(jī)頭（口模）的特性曲線 而塑料熔體通過機(jī)頭和口模時(shí)的體積流率，可以而塑料熔體通過機(jī)頭和口模時(shí)的體積流率，可以根據(jù)牛頓流體在簡單園管中的流動方程來表示：根據(jù)牛頓流體在簡單園管中的流動方程來表示：K ：機(jī)頭和口模的阻力常數(shù)。：機(jī)頭和口模的阻力常數(shù)。 這是通過原點(diǎn)的直線

18、方程。這是通過原點(diǎn)的直線方程。如果口模尺寸不同，如果口模尺寸不同，K K值不同，值不同，斜率不同，可以作出一系列的斜率不同，可以作出一系列的直線直線口模特性曲線口模特性曲線。四、螺桿和機(jī)頭（口模）的特性曲線四、螺桿和機(jī)頭（口模）的特性曲線 螺桿特性曲線與口螺桿特性曲線與口模特性曲線的交點(diǎn)是擠模特性曲線的交點(diǎn)是擠出機(jī)的綜合工作點(diǎn)。出機(jī)的綜合工作點(diǎn)。 利用這種圖，可以利用這種圖，可以求出指定擠出機(jī)在不同求出指定擠出機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下，配合不同的機(jī)轉(zhuǎn)速下，配合不同的機(jī)頭口模時(shí)的擠出量。頭口模時(shí)的擠出量。四、螺桿和機(jī)頭（口模）的特性曲線四、螺桿和機(jī)頭（口模）的特性曲線1 1、機(jī)頭壓力與生產(chǎn)率的關(guān)系、機(jī)頭壓

19、力與生產(chǎn)率的關(guān)系 正流流率與壓力無關(guān)，逆流和漏流流率則與壓力成正流流率與壓力無關(guān)，逆流和漏流流率則與壓力成正比。壓力增大，擠出流率減小，但對物料的進(jìn)一步混正比。壓力增大，擠出流率減小，但對物料的進(jìn)一步混合和塑化有利。合和塑化有利。 在實(shí)際生產(chǎn)中，增大了口模尺寸，即減小了壓力降，在實(shí)際生產(chǎn)中，增大了口模尺寸，即減小了壓力降，擠出量雖然提高，但對制品質(zhì)量不利。擠出量雖然提高，但對制品質(zhì)量不利。2 2、螺桿轉(zhuǎn)速與生產(chǎn)率的關(guān)系、螺桿轉(zhuǎn)速與生產(chǎn)率的關(guān)系 在機(jī)頭和螺桿的幾何尺寸一定時(shí)，螺桿轉(zhuǎn)速與擠出在機(jī)頭和螺桿的幾何尺寸一定時(shí)，螺桿轉(zhuǎn)速與擠出機(jī)的生產(chǎn)率成正比；目前出現(xiàn)的超高速擠出機(jī)，能大幅機(jī)的生產(chǎn)率成正比；目前出現(xiàn)的超高速擠出機(jī)，能大幅度地提高擠出機(jī)的生產(chǎn)能力。度地提高擠出機(jī)的生產(chǎn)能力。五、影響擠出機(jī)生產(chǎn)率的因素五、影響擠出機(jī)生產(chǎn)率的因素3 3、螺桿幾何尺與與生產(chǎn)率的關(guān)系、螺桿幾何尺與與生產(chǎn)率的關(guān)系(1) 螺桿直徑螺桿直徑D。擠出機(jī)流率接近于與。擠出機(jī)流率接近于與螺桿直徑螺桿直徑D的平方成正比。的平方成正比。(2) 螺槽深度。正流與螺槽深度。正流與H成正比，而成正比，而逆流與逆流與H3成正比。深槽