擠出成型原理精品課件

1、擠出成型原理第1頁，共62頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)46分，星期三2單螺桿擠出機(jī)基本結(jié)構(gòu)及作用 ；3擠出成型原理。本章教學(xué)內(nèi)容1緒論 ；第2頁，共62頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)46分，星期三7.3 擠出成型原理固體輸送區(qū)，物料變形小熔融區(qū)，壓縮變形大，熔融流動次要熔體輸送區(qū)，熔融流動主要第3頁，共62頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)46分，星期三 (一) 固體輸送理論 目前關(guān)于固體輸送區(qū)的理論有幾種，下面將重點(diǎn)介紹較有代表性的達(dá)涅耳(Darnel）和莫耳（Mol）1956年提出的根據(jù)固體對固體摩擦的靜力平衡為基礎(chǔ)建立起來的固體輸送理論。 第4頁，共62頁，2022年，5月20

2、日，14點(diǎn)46分，星期三 1. 基本假設(shè)1、料筒與螺桿間的固體離子連續(xù)整齊地排列著，并塞滿了螺槽，形成“彈性固體”。塞子在與所有面（料筒表面、螺紋槽底面、螺紋兩個側(cè)面）相接觸，并以恒速移動； 2、忽略螺棱與機(jī)筒的間隙、物料重力、密度變化的影響；3、磨擦系數(shù)恒定，服從F=fP，fs、fb可不同；壓力是螺槽長度的函數(shù)；4、螺槽為等距等深的矩形螺槽.第5頁，共62頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)46分，星期三 2 固體流量方程的推導(dǎo)VX-螺桿斜棱對固體塞產(chǎn)生推力P，使之產(chǎn)生垂直于斜率方向的推力；此推力軸向的分力產(chǎn)生固體塞軸向的運(yùn)動Va；Vb-料筒相對于螺桿產(chǎn)生的切向運(yùn)動速度；Vb-VX產(chǎn)生沿螺槽Z

3、方向的運(yùn)動VZ.第6頁，共62頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)46分，星期三受力情況： Fs 螺桿對固體塞的摩擦力，推力；Fb 料筒對固體塞的摩擦力，阻力。 Fbz Fb 在Z軸方向上的分力。當(dāng)Fbz=Fs=0時，物料不發(fā)生任何移動； FbzFs第7頁，共62頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)46分，星期三Q=VvaQ單位時間內(nèi)固體物料的流動體積；va物料前進(jìn)速度；V單位螺槽容積。 第8頁，共62頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)46分，星期三 N螺桿轉(zhuǎn)數(shù)，展開后的螺線角（移動角）， 螺桿外徑處的旋轉(zhuǎn)角，+=90o，l螺桿轉(zhuǎn)動一周物料移動距離的軸向投影。第9頁，共62頁，2022年，5月20

4、日，14點(diǎn)46分，星期三 3 提高固體輸送量的方法從螺桿的結(jié)構(gòu)出發(fā) 1、通過加大加料段的螺槽深度來實(shí)現(xiàn)提高輸送量Qs。 2、Qs與 成正比。 （移動角），與螺桿、料筒的幾何參數(shù)、摩擦系數(shù)和壓力降均有關(guān)系. 如螺桿與料筒間的摩擦系數(shù)大，物料包住螺桿，在軸向的流量為0， =0；反之， =90，流量達(dá)到理論上限；正常情況下， 0 90.第10頁，共62頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)46分，星期三 螺桿旋轉(zhuǎn)角，（1）隨著摩擦系數(shù)降低而增加，對于大多數(shù)聚合物：fs在0.250.5，螺桿旋轉(zhuǎn)角在1720之間，一般取1741（2）略去壓力影響，并fs=fb，作圖第11頁，共62頁，2022年，5月20日

5、，14點(diǎn)46分，星期三 3、螺桿表面摩擦系數(shù)越?。贤驳哪Σ料禂?shù)越大），QS越大。a、增加螺桿表面光潔度；b、通過在料筒加料段處，開縱向溝槽和加工出錐度來實(shí)現(xiàn)提高輸送量Qs。但料筒內(nèi)壁仍應(yīng)光滑. 4、增加加料段的長度會使產(chǎn)量的提高。第12頁，共62頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)46分，星期三從擠出工藝出發(fā) 控制螺桿與機(jī)筒的溫度金屬與聚合物的摩檫系數(shù)是溫度的函數(shù),而且有一個極大值第13頁，共62頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)46分，星期三問題1、什么叫固體床? 簡述提高固體輸送效率的方法。 2、PP和PE與金屬的摩擦系數(shù)f 溫度T的圖如下，粘附范圍指摩擦系數(shù)f大于一定值，塑料才能與金屬產(chǎn)

6、生有效的粘附。請回答以下問題：(8分) 在正常的工藝條件下，用相同螺深和螺矩的螺桿擠出機(jī)擠出時，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？第14頁，共62頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)46分，星期三第15頁，共62頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)46分，星期三 (二) 熔化理論 熔融理論又稱為融化理論，相遷移理論，它是研究塑料從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿廴跔顟B(tài)的過程，是建立在熱力學(xué)第一流變學(xué)等基礎(chǔ)上的一種理論。熔融理論主要用于指導(dǎo)螺桿熔融段的設(shè)計，作為改進(jìn)設(shè)備和工藝的重要依據(jù)。 物料在熔融區(qū)存在固體和熔融料兩相結(jié)構(gòu)，在流動和輸送過程中存在相轉(zhuǎn)變，過程十分復(fù)雜，到目前為

7、止，仍處于發(fā)展階段。這里重點(diǎn)介紹Tadmor所建立的熔融理論。第16頁，共62頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)46分，星期三1. 熔融理論的物理模型該熔融理論是在擠出機(jī)上進(jìn)行的大量冷卻實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出來的。（1）冷卻實(shí)驗(yàn)是這樣的：將著色物料（或炭黑）和本色物料加入擠出機(jī)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），（2）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)。第17頁，共62頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)46分，星期三（3）然后垂直于螺紋方向切取

8、截面，可以看到一個截面內(nèi)有三個區(qū)域：固態(tài)床 、熔池 和接近料筒表面的熔膜。 熔融過程熔融起點(diǎn)熔融終點(diǎn)隨著物料向前輸送，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。 第18頁，共62頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)46分，星期三熔融模型：塑料在擠出過程中，在接近加料段的末端，與機(jī)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(jī)筒的間隙時，螺桿頂面把熔膜從機(jī)筒內(nèi)壁徑向的刮向螺桿底部，強(qiáng)制積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，固體床寬度會逐漸減少，直至全部消失，即完全熔化。XWVbx熔膜熔池推力面第19頁，共62頁，2022年，5月2

9、0日，14點(diǎn)46分，星期三 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：一是 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（剪切熱）以及擠壓和壓縮作用，其能量來源是電動機(jī)的機(jī)械能。 從熔化開始到固體床寬度下降為0的螺桿長度即為熔化區(qū)長度。第20頁，共62頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)46分，星期三2、熔融過程數(shù)學(xué)分析第21頁，共62頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)46分，星期三基本假定1、建立直角坐標(biāo)系，將螺桿和機(jī)筒沿Z方向展開，認(rèn)為螺桿不動，機(jī)筒平移方向：與螺桿轉(zhuǎn)動方向相反。大?。篤b=nDb2、在熔融區(qū)固體、熔體共存

10、，有明顯分界面 固體床（逐漸減小， X=W 0 ）； 熔體熔膜：緊貼料筒壁處物料先熔融；熔池：隨著熔膜的發(fā)展，形成熔池3、擠出過程是穩(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Vsy在分界面熔融，物料前進(jìn)速度不隨時間而變固體熔體分界面不隨時間而變第22頁，共62頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)46分，星期三 4、整個固相為均一的連續(xù)體。（忽略固體床破碎的可能性）。 5、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 6、螺槽和固體床的橫斷面都是矩形，外熱和內(nèi)熱是通過固液相分界面?zhèn)鬟f，其它沒有熱交換第23頁，共62頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)46分

11、，星期三固相分布函數(shù)的求解研究熔融理論的目的，就是為了找出固相寬度X沿螺槽方向Z的變化規(guī)律 即分布函數(shù)X=F（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，即可求出固相分布函數(shù)X=F（Z）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 ，固液相分布截面的熱量平衡第24頁，共62頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)46分，星期三1） 固相的質(zhì)量平衡 =dz段上分界面處固相融化量即： 流入-流出=融化量 第25頁，共62頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)46分，星期三寫成微分形式：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 第

12、26頁，共62頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)46分，星期三2）熔膜的質(zhì)量平衡 根據(jù)假設(shè)，認(rèn)為固相只在Y方向熔融，而不在X方向熔融。同時，熔膜只有X方向的流動。因而可以得出： H VbxW XY 熔膜質(zhì)量平衡 第27頁，共62頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)46分，星期三 在距離dz段上，單位時間內(nèi)在Y方向由固相加入熔膜的新熔融的熔料量 = 由熔膜流入熔池的熔料量 = 單位螺槽長度上的熔融速率與長度dz的乘積 即式中 s固相密度 Vby機(jī)筒在X方向的分速度。 Vsy固相在Y方向的融化速度。第28頁，共62頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)46分，星期三3）固液相分界面上的熱量平衡根據(jù)假設(shè)，

13、固相只在Y方向熔融，因此熱量也只在Y方向傳遞。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 - 流出分界面進(jìn)入固相的熱量 = 塑料熔融消耗的熱量第29頁，共62頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)46分，星期三 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： /溫度梯度 其中K為導(dǎo)熱系數(shù) 得出下列公式 式中 分界面液相一側(cè)的溫度梯度 分界面固相一側(cè)的溫度梯度液相的熱傳導(dǎo)率 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。第30頁，共62頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)46分，星期三4)求解固相分布函數(shù)可以求出固相的分布函數(shù)如下：

14、等深螺槽 式中： 融化系數(shù) G生產(chǎn)能力 H熔槽深度 Z固相熔融長度（螺槽展開）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。第31頁，共62頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)46分，星期三3、熔融過程影響因素-操作條件（1） 擠出質(zhì)量G由公式 ， 可知G增大 減小 ZT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，實(shí)踐證明，在其他條件不變的情況下，G點(diǎn)的增加，將使產(chǎn)品質(zhì)量變壞。第32頁，共62頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)46分，星期三（2）螺桿轉(zhuǎn)速n 高阻力機(jī)頭：nG變化很小，ZT 低阻力機(jī)頭：nG， ? ZT ZT 機(jī)頭阻力ZT 提高機(jī)頭壓力，有助于物料熔融塑化第33頁

15、，共62頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)46分，星期三（3）機(jī)筒溫度TbTb ， ZT 熔膜 ZT （Tb有最佳值）第34頁，共62頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)46分，星期三3、熔融過程影響因素-螺桿結(jié)構(gòu)（1）等深螺桿與漸變螺桿的比較 ZT（漸變） ZT（等深），相同 在熔融區(qū)，螺桿漸變對熔融有利，（2）漸變度A 的影響 漸變度A 對熔融有利，對輸送不利，只能適度第35頁，共62頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)46分，星期三 （三）熔體輸送理論常規(guī)的全螺紋單螺桿均化段的熔體輸送理論已得到很好的發(fā)展，與其他兩個理論相比，它建立的最早。1953年它首先在兩個無限大的平板之間，假定熔體為等

16、溫牛頓流體的條件下建立起來，后來又進(jìn)行了修正。第36頁，共62頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)46分，星期三熔料在螺槽中的流動實(shí)際上有以下幾種運(yùn)動合成：a.正流（曳流）：是由物料受機(jī)筒的摩擦拖曳引起的，產(chǎn)生沿螺槽向機(jī)頭方向的運(yùn)動，是螺桿斜棱在Z軸方向作用的結(jié)果，實(shí)質(zhì)是拖曳流動，起擠出物料作用，流量用Qd表示。(如圖） 1、熔體在螺槽內(nèi)的運(yùn)動分析第37頁，共62頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)46分，星期三 倒流（壓力流）：由機(jī)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QP.第38頁，共62頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)46分，星期三第39頁，共62頁，2022年

17、，5月20日，14點(diǎn)46分，星期三 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同引起，（如圖) 使物料在螺槽內(nèi)產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)運(yùn)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Qc=0.第40頁，共62頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)46分，星期三 漏流： 由機(jī)筒與螺棱間隙處形成的倒流。方向沿螺桿軸線方向，并由機(jī)頭向后。流量用QL表示。第41頁，共62頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)46分，星期三實(shí)際上螺槽中熔體的總的流動是這幾種流動的總和，擠出機(jī)的生產(chǎn)能力即等于正流、壓力流、漏流的總和 Q=Qd-Qp-Ql 第42頁，共62頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)46分，星期

18、三2、生產(chǎn)率的基本方程 Q=Qd-Qp-Ql y螺槽內(nèi)的物料粘度yf間隙f內(nèi)物料粘度P1均化段開始處的熔融體壓力P2均化段結(jié)束處的熔體壓力 式中第一項為正流流率，第二項倒流，第三項漏流第43頁，共62頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)46分，星期三若考慮聚合物流體的非牛頓性，并略去漏流的影響，則與上式比較可發(fā)現(xiàn)，聚合物流體的流變性能很大程度取決于逆流。第44頁，共62頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)46分，星期三3、流率公式的啟示1、若塑料的流動性好，粘度小或k值大，則QP對壓力敏感，不宜擠壓成型；2、正流與螺槽深度成正比，而逆流與螺槽深度的三次方或多次方成正比；a 淺螺槽對壓力敏感不顯著，

19、能在壓力波動下擠出均勻制品b 壓力較低時，淺螺槽的擠出量低于深螺槽，而壓力大時相反.第45頁，共62頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)46分，星期三1、說明熔體輸送理論中，Qp/Qd 變化對熔體沿螺桿Z向流動速度（Vz）分布的影響。 2、塑料熔體在擠出機(jī)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？ 問題3、設(shè)計能力為0.06kg/r的螺桿，如何滿足0.09kg/r的生產(chǎn)要求，反之亦然？ 第46頁，共62頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)46分，星期三4、不考慮熔體密度差異，用相同直徑單螺桿擠出機(jī)擠出非晶和結(jié)晶塑料，螺桿深度和轉(zhuǎn)速的差異？ 第47頁，共62頁，2022年，5月20

20、日，14點(diǎn)46分，星期三 （四）螺桿和口模特征曲線螺桿特性曲線 牛頓型熔體 Q=AN-P(B/) 非牛頓型熔體 Q=AN-BK(P)m QP在一定的N下繪出曲線。nAn 螺桿特性線截距 螺桿特性線斜率第48頁，共62頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)46分，星期三 若螺桿不變，改變螺桿轉(zhuǎn)速。則得到一組相互平行的螺桿特性線。還反映螺桿均化段熔體的流率與壓力的關(guān)系。隨著機(jī)頭壓力的升高，擠出量降低， 螺桿特性線 n1n2n3n4n5VVVVABPQ第49頁，共62頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)46分，星期三口模特性曲線牛頓型熔體 Q= K(P /)非牛頓型熔體 Q=KK(P)mk/大，阻力小，低

21、阻力機(jī)頭k/小，阻力大，高阻力機(jī)頭第50頁，共62頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)46分，星期三擠出機(jī)的工作點(diǎn)第51頁，共62頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)46分，星期三牛頓型熔體Q= K(P /)Q=AN-P(B/)非牛頓型熔體Q=KK(P)mQ=AN-BK(P)m帶機(jī)頭和口模的擠出機(jī)的擠出量與物料的粘度無關(guān)。第52頁，共62頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)46分，星期三 （五）擠出流量的影響因素均化段螺槽深度 1、螺槽深度過大或過淺均不利，深度過大使其潛在的熔體輸送能力大于熔體熔融能力，壓縮段未熔融的物料會進(jìn)入該段，殘留的固相碎片若得不到進(jìn)一步均勻塑化而擠入機(jī)頭，會影響制品質(zhì)量。螺

22、槽太淺，產(chǎn)量就會降低，而且熔體會受到過大的剪切，熔體的溫度會變得過高，非但不能獲得低溫擠出，甚至?xí)疬^熱分解。第53頁，共62頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)46分，星期三2、均化段螺槽深度的選擇還應(yīng)當(dāng)與使用的機(jī)頭相匹配：若想獲得高的擠出量，高壓機(jī)頭應(yīng)當(dāng)與淺的均化段螺槽的螺桿相匹配，低壓機(jī)頭應(yīng)當(dāng)與均化段螺槽深的螺桿相匹配。3、均化段螺槽深度h3的確定比較復(fù)雜，目前仍以經(jīng)驗(yàn)方法確定。h3=（0.020.06）D螺桿直徑較小者，h3取大值，反之，取小值。第54頁，共62頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)46分，星期三均化段的長度1、L3長一些，可以使物料得到相對長一些的均化時間，也可以減少壓力、產(chǎn)量、溫度的波動。2、但L3不能過長，否則會使壓縮段和加料段在螺桿全長中占的比例變小，不利于物料的熔融，或使螺桿加長。第55頁，共62頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)46分，星期三第56頁，共62頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)46分，星期三影響較復(fù)雜，n、k一定時，可證明：，Q最大多數(shù)螺桿S=D， = 17