擠出成型原理及工藝

擠出成型原理及工藝擠出成型是一種廣泛應用于塑料成型的方法，適用于熱塑性塑料和部分熱固性塑料。它可以用于制造各種塑料管材、棒材、板材、電線電纜和異形截面型材等，還可以用于塑料的著色、造料和共混等。擠出模具是保證塑件成型質量的決定性因素，主要由機頭和定型裝置兩部分組成。擠出成型的原理是將粒狀或粉狀塑料加入料斗中，在擠出機旋轉螺桿的作用下，加熱的塑料沿螺桿的螺旋槽向前方輸送。在此過程中，塑料不斷地接受外加熱和螺桿與物料之間、物料與物料之間及物料與料筒之間的剪切磨擦熱，逐漸熔融呈粘流態(tài)，然后在擠壓系統(tǒng)的作用下，塑料熔體通過具有一定形狀的擠出模具（機頭）口模以及一系列輔助裝置（定型、冷卻、牽引、切割等裝置），從而獲得截面形狀一定的塑料型材。擠出成型的特點是生產(chǎn)過程連續(xù)，可以擠出任意長度的塑件，生產(chǎn)效率高；模具結構簡單，制造維修方便，投資少、收效快；塑件內部組織均衡緊密，尺寸比較穩(wěn)定準確；適應性強，除氟塑料外，所有的熱塑性塑料都可采用擠出成型，部分熱固性塑料也可采用擠出成型。熱塑性塑料的擠出成型工藝過程可分為三個階段。第一階段是塑料原料的塑化，塑料原料在擠出機的機筒溫度和螺桿的旋轉壓實及混合作用下，由粉準或粒狀變成粘流態(tài)物質。第二階段是成型，粘流態(tài)塑料熔體在擠出機螺桿螺旋力的推動作用下，通過具有一定形狀的機頭口模，得到截面與口模形狀一致的連續(xù)型材。第三階段是定型，通過適當?shù)奶幚矸椒ǎ缍◤教幚?、冷卻處理等，使已擠出的塑料連續(xù)型材固化為塑件。擠出成型是一種常見的制造塑料制品的方法。在這個過程中，粒狀塑料是主要使用的原料，而粉狀塑料則很少使用。這是因為粉狀塑料含有較多的水分，會影響成型的順利進行，同時也會影響塑件的質量，例如出現(xiàn)氣泡、表面灰暗無光、皺紋、流浪等問題。因此，在成型之前需要進行干燥處理，將原料的水分控制在0.5%以下。同時，還要盡可能除去塑料中存在的雜質。在擠出成型過程中，需要將擠出機預熱到規(guī)定溫度后，啟動電機帶動螺桿旋轉輸送物料，并向料筒中加入塑料。料筒中的塑料在外加熱和剪切磨擦熱作用下熔融塑化。螺桿對塑料不斷推擠，迫使塑料經(jīng)過濾板上的過濾網(wǎng)，再通過機頭成型為一定口模形狀的連續(xù)型材。初期的擠出塑件質量較差，外觀也欠佳，需要調整工藝條件及設備裝置直到正常狀態(tài)后才能投入正式生產(chǎn)。在擠出成型過程中，需要特別注意溫度和剪切磨擦熱兩個因素對塑件質量的影響。熱塑件在離開機頭口模以后，應該立即進行定型和冷卻，否則會出現(xiàn)變形、凹陷或扭曲等現(xiàn)象。在大多數(shù)情況下，定型和冷卻是同時進行的，只有在擠出各種棒料和管材時，才有一個獨立的定徑過程，而擠出薄模、單絲等則無需定型，僅通過冷卻即可。管材的定型方法可用定徑套，也有采用能通水冷卻的特殊口模來定徑的，但不管那種方法，都是使管坯內外形成壓力差，使其緊貼在定徑套上而冷卻定型。冷卻一般采用空氣冷卻或水冷卻，冷卻速度對塑件性能有很大影響。硬質塑件不能冷卻得過快，否則容易造成殘余內應力，影響塑件的外觀質量；軟質或結晶型塑件則要求及時冷卻，以免塑件變形。塑件自口模擠出后，會由于壓力突然解除而發(fā)生離模膨脹現(xiàn)象，而冷卻后又會發(fā)生收縮現(xiàn)象，從而使塑件的尺寸和形狀發(fā)生改變。此外，由于塑件被連續(xù)不斷地擠出，自重越來越大，如果不加以引導，會造成塑件停滯，使塑件不能順利擠出。因此，在冷卻的同時，需要連續(xù)均勻地牽引塑件，并進行卷取和切割。擠出工藝的牽引過程是由擠出機輔機之一的牽引裝置來完成的。為了消除塑件尺寸的變化并提高質量，牽引速度要與擠出速度相適應，通常是牽引速度大于擠出速度。不同的塑件需要不同的牽引速度，對于單絲的牽引速度可以更快，因為這樣可以使塑件的厚度和直徑減小，縱向抗斷裂強度增高，扯斷伸長率降低。但對于擠出硬質塑件，牽引速度不能太大，通常需要將牽引速度規(guī)定在一定范圍內，并且要十分均勻，否則會影響其尺寸均勻性和力學性能。在牽引完成后，塑件需要根據(jù)使用要求在切割裝置上裁剪（如棒、管、板、片等），或在卷取裝置上繞制成卷（如單絲、電線電纜等）。有些塑件還需要進行后處理，以提高其尺寸穩(wěn)定性。擠出成型的工藝參數(shù)包括溫度、壓力、擠出速度和牽引速度等。溫度是擠出過程得以順利進行的重要條件之一。塑料從加入料筒到最后成為塑件經(jīng)歷了一個極為復雜的溫度變化過程。料筒和塑料溫度在螺桿各段是有差異的，因此料筒必須配備加熱、冷卻和溫度調節(jié)等一系列裝置。在控制擠出成型溫度時，加料段的溫度不應過高，而壓縮段和均化段的溫度則可高一些，具體數(shù)值應根據(jù)塑料種類和塑件情況而定。機頭和口模溫度相當于注射成型時的模溫，機頭的溫度必須控制在塑料熱分解溫度以下，而口模處的溫度可比機頭溫度稍低一些，但應保證塑料熔體具有良好的流動性。在實際的擠出過程中，即使是穩(wěn)定擠出，每個測試點的溫度還會隨時間的變化而產(chǎn)生波動，并且這種波動往往具有一定的周期性。沿著塑料流動方向上的溫度波動稱為軸向溫度波動，而沿著與塑料流動方向垂直的截面上，各點的溫度值也是不同的，存在有徑向溫差。溫度和壓力是影響塑件質量的重要因素。溫度波動和溫差會導致塑件產(chǎn)生殘余應力、強度不均勻和表面不光滑等問題。這些波動的原因包括加熱和冷卻系統(tǒng)不穩(wěn)定和螺桿設計不良。為了控制溫度波動，需要合理設計和選用螺桿，并保證加熱和冷卻裝置的溫度控制精度。表2-8列出了幾種熱塑性塑料擠出成型時的溫度參數(shù)。壓力也是影響塑件質量的關鍵因素之一。塑料內部建立起一定壓力可以使其均勻密實并得到成型。但是，壓力的周期性波動會導致塑件局部疏松、表面不平和彎曲等問題。螺桿、料筒的設計和轉速的變化，以及加熱和冷卻系統(tǒng)的不穩(wěn)定都是產(chǎn)生壓力波動的原因。為了減少壓力波動，需要合理控制螺桿轉速，并保證加熱和冷卻裝置的溫度控制精度。擠出速度是衡量擠出生產(chǎn)能力的重要指標。影響擠出速度的因素很多，包括機頭、螺桿和料筒的結構，螺桿轉速，加熱和冷卻系統(tǒng)的結構以及塑料的性能等。調整螺桿轉速是控制擠出速度的主要措施。擠出速度的波動會對產(chǎn)品的形狀和尺寸精度產(chǎn)生不良影響。為了保證擠出速度的均勻性，需要設計與生產(chǎn)的塑件相適應的螺桿結構和尺寸，并嚴格控制螺桿轉速和擠出溫度，防止因溫度改變而引起擠出壓力和熔體粘度變化而導致的擠出速度波動。擠出成型需要設置牽引裝置，以生產(chǎn)長度連續(xù)的塑件。牽引力會導致塑件發(fā)生拉伸取向，拉伸取向程度越高，沿取向方向的拉伸強度越大，但長度收縮也會更大。牽引速度通常與擠出速度相當，其比值稱為牽引比，必須等于或大于1。不同的塑件需要不同的牽引速度，擠出單絲的牽引速度可以快些，而擠出硬質塑件的牽引速度則不能太大，必須控制在一定范圍內，且要均勻，否則會影響塑件的尺寸均勻性和力學性能。表2-9列出了幾種塑料管材的擠出成型工藝參數(shù)。軟聚氯乙、低密度聚乙烯、聚酰胺等塑料管材的工藝參數(shù)與硬