单螺杆挤出机挤出工艺实验
反应挤出制备尼龙6工艺研究
反应挤出是以单螺杆或双螺杆挤出机的机筒作为化学反应器进行单体聚合或对聚合物改性的一种新型工艺技术，它和反应注射成型一起构成了反应性聚合物加工的主要内容，反应挤出和反应注射成型已成为聚合物合成与加工的研究热点[1]。
反应挤出类型可分为本体聚合、接枝反应、链接共聚物形成反应、偶联/交联反应、可控降解反应及功能化改性等6类，它可使粘度为10～10000Pa·s的物料在挤出机中完成聚合反应，其特性为易于喂料，且使物料具有极好的分散、分布性能；温度、停留时间分布可控；反应可在压力下进行；可连续加工；易于脱除未反应单体和低分子副产物[2-8]。
笔者主要就催化剂的选择、脱水时间和温度、配方的优化及反应挤出工艺进行了深入研究，制备了具有较好力学性能的尼龙6材料。
1基本原理尼龙6反应挤出技术原理为：在催化剂(促使产生己内酰胺阴离子)及助催化剂(促进生成聚合反应增长中心)存在下，使己内酰胺的阴离子聚合反应可在几分钟内以90%～95%的转化率生成相对分子质量较高的尼龙6，这与反应时间长达10h的水解聚合过程形成鲜明对比[9]。
首先使己内酰胺与碱反应生成己内酰胺阴离子，己内酰胺又与异氰酸酯生成己内酰胺异氰酸酯，随后己内酰胺阴离子进攻己内酰胺异氰酸酯，并发生开环反应，生成另一个活性阴离子，己内酰胺与活性阴离子反应生成活性己内酰胺异氰酸酯，以实现链增长，接着又被己内酰胺阴离子进攻而开环，这样不断循环，最终得到所需相对分子质量的聚合物。
在己内酰胺与碱反应生成己内酰胺阴离子的同时有水生成，必须脱除这部分水，否则聚合反应难以进行。
由己内酰胺转化为尼龙6的反应是一个放热反应，聚合热焓约为125kJ/kg。
2工艺流程尼龙6的反应挤出工艺流程为：己内酰胺熔化后，加入一定量的碱进行脱水，然后与催化剂一起进入双螺杆挤出机进行反应挤出，经拉条、水冷、风冷、切粒、萃取、干燥得到成品。
本实验前处理系统主要设备包括反应釜、缓冲罐、真空泵、主计量泵、辅计量泵、导热油循环泵、混合槽、高位槽等，见图1。
单螺杆挤出机工作原理
单螺杆挤出机工作原理
单螺杆挤出机是一种常用的塑料成型设备，其工作原理是通过回转的螺杆将固态的塑料料柱加热、熔化、排气并通过挤出机筒体的特定结构挤出成形。
具体来说，单螺杆挤出机由进料区、螺杆区、压力区和挤出口组成。
在进料区，未熔化的塑料颗粒被输送到螺杆进料口。
然后，螺杆开始回转，将塑料物料推入螺杆区。
在螺杆区域，塑料物料逐渐加热并熔化。
这是通过螺杆与加热器的摩擦产生的热量实现的。
螺杆旋转的运动将塑料物料向前推送和混炼，使其逐渐达到熔化状态。
接下来进入压力区，其中的螺杆设计有螺纹，将已熔化的塑料物料推向挤出机的出料口。
在这个过程中，由于挤出口的尺寸较小，螺纹的间距逐渐减小，从而产生越来越大的压力，将塑料挤出。
最后，熔化的塑料通过挤出口进入模具或挤出头，形成所需的产品形状。
在模具或挤出头内部，塑料物料开始冷却并固化，最终成为所需的塑料制品。
总之，单螺杆挤出机通过旋转的螺杆将塑料物料加热、熔化、挤压并挤出，实现塑料制品的成型。
其工作原理简单明了，适用于各类塑料的挤出加工。
单螺杆挤出过程的数值模拟
单螺杆挤出过程的数值模拟《单螺杆挤出过程的数值模拟》（SimulationofSingleScrewExtrusionProcess）是一种采用有限差分法模拟连续材料在单螺杆挤出机挤出过程中路径运动的重要工具。
此类模拟技术可以基于实际挤出机的挤出参数，模拟出实际挤出过程中材料的运动路径及挤出参数的变化，有助于进行挤出机的设计和参数优化。
数值模拟技术可以分为三步：首先，对实际原始挤出机进行建模，包括螺杆形状和尺寸、挤出口形状和尺寸、模筒形状和尺寸、模筒到外圈的距离，其次，建立挤出过程的数学模型，使用有限差分法求解挤出参数，最后，利用数值模拟技术精确地模拟挤出过程中实际材料的运动轨迹，清楚地了解挤出过程中各参数的变化。
从单螺杆挤出机螺杆结构设计上来看，螺杆形状及尺寸是很重要的。
为了精确模拟实际挤出机的挤出过程，需要考虑材料的粘度和双组分特性，以确定螺杆的形状及尺寸。
这些特性决定了螺杆挤出过程中材料在螺杆表面上的运动路径，及挤出过程中挤出参数的变化。
同样重要的是挤出口的形状和尺寸。
此外，挤出口尺寸有一定的要求。
当挤出口形状及尺寸不满足实际要求时，挤出过程中材料的移动路径也是不稳定的，这将使挤出参数产生变化，从而影响挤出过程的质量和效率。
模筒的尺寸和形状也对挤出机的挤出效果有很大的影响。
模筒的尺寸按照实际挤出机的尺寸进行确定，形状也要根据实际挤出机的刀片及滚筒确定。
最后但也是最重要的一步就是建立挤出过程的数学模型。
有限差分法是模拟挤出过程中材料运动路径及各参数变化的重要工具。
有限差分法能够根据螺杆形状、挤出口形状、模筒形状和尺寸，以及模筒与外圈之间的距离等，求解出实际挤出机的挤出参数，发挥出它的最大作用。
综上所述，《单螺杆挤出过程的数值模拟》是通过有限差分法模拟连续材料在单螺杆挤出机挤出过程中路径运动的重要工具，可以根据实际挤出机的挤出参数，模拟出实际挤出过程中材料的运动路径及挤出参数的变化，有助于进行挤出机的设计和参数优化。
单螺杆挤出机原理及应用
单螺杆挤出机原理及应用单螺杆挤出机（Single Screw Extruder）是一种重要的塑料加工设备，它通过将固态塑料加热融化并通过模头挤出成型，广泛应用于塑料制品、管材、型材、薄膜、电缆、地板、造粒等行业。
本文将介绍单螺杆挤出机的工作原理及其应用。
1.工作原理：单螺杆挤出机主要由进料部分、预塑化部分、挤出部分和加热冷却系统等部件组成。
工作时，固态塑料颗粒从进料口进入进料部分，由螺杆转动带动，通过加热区域进行加热升温，固态塑料逐渐熔化成为塑料熔融物。
在预塑化部分，通过相应的螺杆设计和加热方式，使塑料充分熔化并与添加剂充分混合。
然后，在挤出部分，塑料熔融物通过螺杆的外螺旋槽进行挤压，经过过滤网和模头，通过塑料挤出口形成所需的产品形状。
最后，通过加热冷却系统对挤出的塑料进行冷却，使其固化，完成整个挤出过程。
2.应用：（1）塑料制品行业：（2）管材行业：单螺杆挤出机在管材行业中得到广泛应用。
例如，用于生产塑料排水管、塑料给水管、塑料电缆保护管等。
通过挤出机的挤出过程，可以实现管材的定径、定厚，并且能够根据不同的工艺要求进行选择，满足不同管材的生产需求。
（3）型材行业：单螺杆挤出机在塑料型材生产领域也有广泛应用，如生产塑料门窗型材、塑料板材、塑料隔断、塑料围栏等。
通过单螺杆挤出机的工作原理，可以通过合适的模头和挤出机操作参数，实现对塑料的挤出成型，生产出符合要求的塑料型材。
（4）造粒行业：综上所述，单螺杆挤出机是一种重要的塑料加工设备，其工作原理是利用螺杆的旋转和加热系统的作用，将塑料颗粒加热融化后进行挤出成型。
它在塑料制品、管材、型材、薄膜、电缆、地板、造粒等领域有广泛的应用，能够满足不同行业的生产需求。
挤出成型：单螺杆挤出机的基本结构、成型原理、工艺与流程[专业参考]
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专业参考
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熔体在均化段的流动包括四种主要形式：
(1)正流 是物料沿螺槽方向(z方向)向机头的流动， 这是均化段熔体的主流，是拖电流动，它起挤出 物料的作用；
(2)逆流 沿螺槽与正流方内相反(—z方向)的流动， 它是由机头口模、过滤网等对料流的阻碍所引起 的反压流动，它将引起挤出生产能力的损失
正流和逆流的综合称为净流，是汇流和逆流的种速 度的代数和
专业参考
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专业参考
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挤出机的生产率
Q=QD-QP-QL
均化段熔体输送理论作如下假定： (1)进入均化段的物料是全部熔融塑化的等温牛顿流体 (2)在流动过程中无粘度和密度的变化，流动是稳定状态 下的层流, 流体是不可压缩的， (3)螺槽为矩形的，该段螺槽宽度与深度之比大于10，
如 果螺槽很浅, 对物料流动影响不大。
4050?挤出机可用于混合造粒和着色共混3专业参考挤出成型?单螺杆挤出机的基本结构?挤出成型原理?挤出成型工艺与过程4专业参考61单螺杆挤出机基本结构及作用?挤出机类型?单螺杆挤出机是由传动系统挤出系统加热和冷却系统控制系统等几部分组成?挤出系统主要包括传动加料装置料筒螺杆机头和口模等几个部分5专业参考6专业参考?一传动部分包括电动机减速箱轴承要求
专业参考
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从图中可看出: (1)与料简表面接触的固体粒子由于料筒的传导热和摩擦热的 作用，首先熔化，并形成一层薄膜，称为熔膜. (2)这些不断熔融的物料，在螺杆与料筒的相对运动的作用下，
不断向螺纹推进面汇集，形成旋涡状的流动区，称为熔池. (3)在熔池的前边充满着受热软化和半熔融后粘结在一起的固 体粒子和尚未完全熔结和温度较低的固体粒子, 这两种粒子统 称为固体床. (4)熔融区内固相与液相的界面称为迁移面
高分子材料加工实验报告
一．实验目的要求1. 理解单螺杆挤出机、移动螺杆式注射机、拉力试验机的基本工作原理，学习挤出机单螺杆挤出机、移动螺杆式注射机、拉力试验机的操作方法。
2. 了解聚烯烃挤出、流变、及注射成型、拉伸的基本程序和参数设置原理。
二．实验原理挤出造粒原理：在塑料制品的生产过程中，自聚合反应至成行加工前，一般都要经过一个配料混炼环节，以达到改善其使用性能或降低成本等目的。
一般用螺杆挤出机进行混炼，其组成部件有(1)传动部分(2)加料部分(3)机筒(4)螺杆(5)机头和模口(6)排气装置。
流变性能测试原理：由于流体具有粘性．它必然受到自管体与流动方向相反的作用力．根据粘滞阻力与推动力相平衡等流体力学原理进行推导，可得到毛细管管壁处的剪切应力和剪切速率与压力、熔体流率的关系。
(33-I)(33-2)(33-3)式中R 毛细管半径，cm；L 毛细管长度,cm;毛细管两端的压差,pa；Q 熔体流率，；熔体表观粘度，Pa。
在温度和毛细管长径比L／D一定的条件下。
测定不同压力下聚合物熔体通过毛细的流动速率Q．由式(33—1)和式(33—2)计算出相应的和，将对应的和在双对数坐标上绘制—流动的曲线图．即可求得非牛顿指数n和熔体表观粘度。
改变温度和毛细管径比．可得到代表粘度对温度依赖件的粘流活化能以及离模膨胀比B等表征流变特性的物理参数。
注射过程原理：注射成型是高分子材料成型加工中一种重要的方法，应用分广泛，几乎所有的热塑性塑料及多种热固件塑料都可用此法成型。
热塑性塑料的注射成型又称注塑，是将粒状或粉状塑料加入到注射机的料筒。
经加热熔化后呈流动状态，然后在注射机的柱塞或移动螺杆快速而又连续的压力下。
从料筒前端的喷嘴中以很高的压力和很快的速度注入到闭合的模具内。
充满模腔的熔体在受压的情况下，经冷却固化后，开模得到与模具型腔相应的制品。
分为以下几个工序：(1)合模与锁紧、(2)注射充模、（3）保压、(4)制品的冷却和预塑化、（5)脱模。
单螺杆挤出机工作的原理
单螺杆挤出机工作的原理
单螺杆挤出机是一种常用的塑料加工设备，用于将塑料颗粒或粉末加热熔融后挤出成型。
单螺杆挤出机的工作原理如下：
1. 加料：塑料颗粒或粉末通过进料口加入到螺杆挤出机的进料段。
2. 进料和融化：螺杆在机筒中旋转推动塑料颗粒向前移动，并同时施加高温和高压力。
随着塑料在螺杆和机筒内摩擦加热，塑料开始融化并形成均匀的熔体。
3. 压力增加和融化区：螺杆的螺纹逐渐变浅，使得交通道变窄，从而增加了塑料在机筒中的压力，并进一步加热、融化和混合塑料。
4. 挤出：在融化区后面的机筒中，螺杆开始改变形状，将熔融的塑料推向机筒出口，并进一步加压，使塑料通过机筒的模具孔挤出。
5. 冷却和定型：挤出的塑料通过模具孔进入到冷却水中进行快速冷却，使之硬化和定型。
通常，挤出机的模具孔和冷却系统都是根据所需的产品形状来设计的。
6. 切割和收集：挤出的成型物从模具孔中连续挤出，然后被切割成所需的长度，并通过传送带或其他收集装置进行收集和包装。
总结：单螺杆挤出机的工作原理是通过螺杆的旋转和设计，将塑料颗粒加热、融化和压力推向模具孔进行挤出，最后冷却和定型。
这种工作原理可以实现连续、高效、精确的塑料挤出成型过程。
单螺杆挤出机加工双色制品
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设｜ ｓ 维 修 ・
单 螺 杆 挤 出机 加 工 双 色 制 品
南京理工大学 （１０４ 张 巨 香 邵 立 强 ２０ １）
加 工 塑 料 制 品 时 ，最 常 用 的成 形 方 法 有 ：挤 起挤 出 ．可实 现双 色 、多色 产 品的挤 出加 工 。但 是 出 、注 塑 、压 延 、模 压 等 。其 中挤 出成 形 是橡 胶 、 值 得 指 出的是 ，以加 工 双色 管材 为例 ，多层 机头挤 塑 料加 工 的主要 工艺过 程之一 。挤 出机按其 螺杆 数 出机 的 主系统挤 出管 体 ，其余 系统 每个 可 以加工 出 量 可 以分 为单 螺杆 、双 螺杆 和多螺 杆挤 出机。 目前
一
条 彩色条 纹 ，那么 要想 在 管体周 围加 上 二十条 以
以单螺杆挤 出机应用 最 为广 泛 ，适 宜 于一般 材料 的 至更 多条条 纹 ，需 要 的系 统 数 目不 可想 象 。可 见 ， 挤 出加 工 。双螺杆挤 出机 由于具有 由摩擦 产生 的热 如 果想 通 过添加 系统 数 目使之 与所 需 的条纹 数 目相 量较 少 、物料所 受 到 的剪 切 比较均 匀 、螺杆 的输送 同 ，来 获得 几 十条 条 纹 ，不 但 设 备 造 价不 可想 象 ， 能 力较大 、挤 出量 比较稳 定 、物料在 机 筒 内停 留时 而 且 ，这种设 备 也很难 实 现 。
间较短等 优点 ，近年来 发 展较 快 。
由以上分 析 可知，
但是 ，无论 是单螺 杆挤 出机还是 双 、多螺 杆挤 要在 单 机 头 挤 出机 上 加 出机 ，都 只能进 行单 色制 品 的加 工 。如 果要在 同一 工多 条 纹 双 色 管 材 ，必 制品 中 同时加工 出两种 颜 色或多 种颜 色 ，必须使 用 须改 造 机 床 添 加 另 一 套 Ａ 十分 昂贵 的多层 机头 挤 出机 。如何改 造 目前使 用最 系统 ，这 套 系 统 与 多 层 多 的单螺杆 单机 头挤 出机 ，使之 能够加 工双色 产品 机头 挤 出 侧 部 的 系 统 类 是一 大技术 难题 。我们 利 用现有条 件 ，经 过半 年多 似 ，以 实 现 两 种 色 料 的 的努 力 ，成 功地解 决 了这 一难题 。 １ 单、 多层机 头挤 出机原 理 、结构 的对 比 ．
单螺杆挤出机固体输送原理及应用
IKV 机筒结构示意图
IKV 产量实验结果
五.提高固体输送效率的措施Байду номын сангаас
加料段内表面加工反向螺旋沟槽
北京化工大学近年来开展了相关研究， 发现了此结构具有正位移输送特性，如 果结构设计合理，螺旋沟槽的输送能力 可达到总产量的50%左右。
谢
谢！
单螺杆挤出机输送过程主要是依靠摩擦力实现的。
固体输送原理
熔融过程机理
熔体输送机理
二.挤出机固体输送理论分类
固体摩擦理论-Darnell-Mol
二.挤出机固体输送理论分类
离散单元方法（DEM）
三. Darnell-MoL摩擦输送理论
此处， vb 螺杆转速； va 固体塞轴向速度； vp 固体沿螺槽展开方向速度； vpb 固体相对于机筒的速度； Θ 固体输送角、牵引角、前进角等 Ø 螺杆螺旋升角；
四.影响固体输送的主要因素
PP 与金属间摩擦系数随温度变化
五.提高固体输送效率的措施
IKV：加料段内表面加工出锥度并开纵向沟槽的结构
源于1970年前后德国亚琛工业大学塑料加工研究所（IKV）的杰出工作，使得 固体输送效率从0.2~0.5上升到0.6~0.85，而且螺杆挤出特性变硬。此时加料区可到 达80~150Mpa的高压，必须强制冷却，冷却水带走大量的热量，相当于电机功率的 14%！因此，当螺杆直径大于120mm时，一般不推荐使用这类结构来提高挤出机产 量。
四.影响固体输送的主要因素
机筒与物料间的摩擦力是固体塞前进的动力，而螺杆与物料的摩
擦力是固体输送的阻力； 普通螺杆的进料效率只有20~50%； 尽量降低螺杆粗糙度，增大料筒粗糙度；
为了提高进料效率，单螺杆挤出机一般采用进料段强制水冷方 式，以便增加物料与机筒间摩擦力，这样还可以避免物料在料斗 内的“架桥” 现象； 适当增加进料段长度，可以提高固体输送效率 。
挤出实验实验报告
实验二 pp/pe双螺杆挤出实验目的1. 理解双螺杆挤出机的基本工作原理，学习挤出机的操作方法。
2. 了解聚烯烃挤出的基本程序和参数设置原理。
实验原理在塑料制品的生产过程中，自聚合反应至成行加工前，一般都要经过一个配料混炼环节，以达到改善其使用性能或降低成本等目的。
传统方法是用开炼机和密炼机，但是效率低下，不能满足生产提高的需要，随后便产生了单螺杆挤出机，继而发展了双螺杆挤出机。
双螺杆挤出机具有塑化能力强，挤出效率高，耗能低，混炼效果好，自清洁能力等吸引了塑料行业的注意并取得了迅速发展。
另外挤出机也是塑料生产应用最广泛的机器，使用不同的机头可以挤出不同的产品，如型材、片材、管材和挤出吹膜等。
因而挤出机在塑料加工行业有其它机器无法替代的重要性。
本实验使用双螺杆挤出机挤出物料切粒，是生产色母料的工艺过程，如果在侧喂料口或者将物料与颜料在捏合机中混合加料，挤出的产品则为色母料，另外如果换为其它机头即可用于生产各种相应产品。
同向旋转双螺杆挤出机组的结构与其它挤出设备一样，包括传动部分、挤压部分、加热冷却系统、电气与控制系统及机架等。
由于双螺杆挤出机物料输送原理和单螺杆挤出机不同，通常还有定量加料装置。
鉴于同向双螺杆挤出机在塑料的填充、增强和共混改性方面的应用，为适应所加物料的特点及操作的需要，通常在料筒上都设有排气口及一个以上的侧加料口，同时把螺杆上承担输送、塑化、混合和混炼功能的螺纹制成可根据需要任意组合的块状元件，像糖葫芦一样套装在芯轴上，称为积木组合式螺杆，其整机也称为同向旋转积木组合式双螺杆挤出机。
挤出机的结构包括以下几个部分：(1)传动部分传动部分就是带动螺杆转动的部分，它通常由电动机、减速箱和轴承等组成，在挤出过程中，要求螺杆在一定的转速范围内运转，转速稳定，不随螺秆负荷的变化而变化，以保证制品的质量均匀一致。
为此。
传动部分一般采用交流整流电动机、直流电动机等装置。
(2)加料部分加料部分一般由传动部分、料斗、料筒、螺杆等组成。
三基发射药单螺杆压伸模具流场仿真及实验验证
ｄｏｉ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.１００１￣８３５２.２０２２.０１.００１三基发射药单螺杆压伸模具流场仿真及实验验证❋刘㊀晶①②㊀谢中元①②㊀王琼林①②㊀王㊀勇①②㊀陈㊀松①②㊀许灿啟①②①西安近代化学研究所(陕西西安ꎬ７１００６５)②氟氮化工资源高效开发与利用国家重点实验室(陕西西安ꎬ７１００６５)[摘㊀要]㊀为了实现三基发射药生产工艺中的连续化压伸ꎬ同时避免模具内部螺旋状流道造成的三基发射药成型的质量和安全问题ꎬ应用ＡＮＳＹＳ软件模拟了发射药物料在模具内的挤压过程及模针的受力情况ꎮ分析了收缩角㊁出料方向和模具结构对物料在模具中的温度㊁模具壁面压力㊁模针表面受力和物料出料速度分布的影响规律ꎬ并通过实验进行了验证ꎮ结果表明:模具收缩角越大ꎬ模具内压力越大ꎬ物料温度也越高ꎬ且越容易形成热点ꎬ同时模针外表面受到的挤压力和摩擦力也越大ꎬ模针越容易出现变形和断裂ꎻ竖直挤出过程中ꎬ模具壁面压力及模针受力均远大于水平挤出中的相应参数ꎬ且容易造成挤出后物料的弯曲ꎻ增加多孔板有利于物料在挤出模具中的整流和取向ꎬ大幅减少物料的径向流动ꎬ降低模针在挤出过程中的受力ꎬ且成型质量更好ꎮ[关键词]㊀单螺杆压伸ꎻ流场仿真ꎻ三基发射药ꎻ连续成型[分类号]㊀ＴＪ５５ꎻＴＱ５６２ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌＶｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆＦｌｏｗＦｉｅｌｄｏｆＳｉｎｇｌｅＳｃｒｅｗＥｘｔｒｕｓｉｏｎＭｏｌｄＵｓｅｄｉｎＴｈｒｅｅ￣ＢａｓｅｄＧｕｎＰｒｏｐｅｌｌａｎｔＬＩＵＪｉｎｇ①②ꎬＸＩＥＺｈｏｎｇｙｕａｎ①②ꎬＷＡＮＧＱｉｏｎｇｌｉｎ①②ꎬＷＡＮＧＹｏｎｇ①②ꎬＣＨＥＮＳｏｎｇ①②ꎬＸＵＣａｎｑｉ①②①Ｘｉ ａｎＭｏｄｅｒｎＣｈｅｍｉｓｔｒｙＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ(ＳｈａａｎｘｉＸｉ ａｎꎬ７１００６５)②ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＦｌｕｏｒｉｎｅ＆ＮｉｔｒｏｇｅｎＣｈｅｍｉｃａｌｓ(ＳｈａａｎｘｉＸｉ ａｎꎬ７１００６５)[ＡＢＳＴＲＡＣＴ]㊀Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｒｅａｌｉｚｅｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｅｘｔｒｕｓｉｏｎｉｎｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｏｆｔｈｒｅｅ￣ｂａｓｅｄｇｕｎｐｒｏｐｅｌｌａｎｔａｎｄａｖｏｉｄｔｈｅｑｕａｌｉｔｙａｎｄｓａｆｅｔｙｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆｔｈｒｅｅ￣ｂａｓｅｄｇｕｎｐｒｏｐｅｌｌａｎｔｃａｕｓｅｄｂｙｔｈｅｓｐｉｒａｌｆｌｏｗｃｈａｎｎｅｌｉｎｓｉｄｅｔｈｅｍｏｌｄꎬｅｘｔｒｕｓｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｏｆｐｒｏｐｅｌｌａｎｔｉｎｅｘｔｒｕｄｅｒｍｏｌｄａｎｄｔｈｅｆｏｒｃｅｏｆｄｉｅｐｉｎｗｅｒｅｓｉｍｕｌａｔｅｄｂｙＡＮＳＹＳｓｏｆｔｗａｒｅ.Ｅｆｆｅｃｔｓｏｆｍｏｌｄｓｈｒｉｎｋａｇｅａｎｇｌｅｓꎬｅｘｔｒｕｓｉｏｎｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｎｄｍｏｌｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｍａｔｅｒｉａｌｓｉｎｍｏｌｄꎬｍｏｌｄｗａｌｌｐｒｅｓｓｕｒｅｆｏｒｃｅｏｎｓｕｒｆａｃｅｏｆｄｉｅｐｉｎꎬａｎｄｖｅｌｏｃｉｔｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｍａｔｅｒｉａｌｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ.Ｔｈｉｓｃｈａｎｇｅｒｕｌｅｓｗｅｒｅｖｅｒｉｆｉｅｄｂｙｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ.Ｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｓｔｈａｔꎬｔｈｅｌａｒｇｅｒｔｈｅｍｏｌｄｓｈｒｉｎｋａｇｅａｎｇｌｅｓꎬｔｈｅｇｒｅａｔｅｒｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｉｎｓｉｄｅｔｈｅｍｏｌｄꎬｔｈｅｈｉｇｈｅｒｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅꎬａｎｄｔｈｅｅａｓｉｅｒｉｔｉｓｔｏｆｏｒｍｈｏｔｓｐｏｔｓ.Ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅꎬｔｈｅｇｒｅａｔｅｒｔｈｅｅｘｔｒｕｓｉｏｎｆｏｒｃｅａｎｄｆｒｉｃｔｉｏｎｆｏｒｃｅｏｎｄｉｅｐｉｎꎬｔｈｅｍｏｒｅｐｒｏｎｅｔｈｅｄｉｅｎｅｅｄｌｅｉｓｔｏｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｆｒａｃｔｕｒｅ.Ｍｏｌｄｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｆｏｒｃｅｏｎｄｉｅｐｉｎｉｎｔｈｅｖｅｒｔｉｃａｌｅｘｔｒｕｓｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓａｒｅｍｕｃｈｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｔｈｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓｉｎｔｈｅｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｅｘｔｒｕｓｉｏｎꎬａｎｄｉｔｉｓｅａｓｙｔｏｃａｕｓｅｂｅｎｄｉｎｇａｆｔｅｒｅｘｔｒｕｓｉｏｎｉｎｖｅｒｔｉ￣ｃａｌｅｘｔｒｕｓｉｏｎ.Ａｄｄｉｔｉｏｎｏｆａｐｅｒｆｏｒａｔｅｄｐｌａｔｅｉｓｂｅｎｅｆｉｔｔｏｒｅｃｔｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎｏｆｍａｔｅｒｉａｌｓｉｎｔｈｅｅｘｔｒｕｓｉｏｎｍｏｌｄꎬｇｒｅａｔｌｙｒｅｄｕｃｅｄｒｅｄｉａｌｆｌｏｗｏｆｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｆｏｒｃｅｏｎｄｉｅｐｉｎｉｎｅｘｔｒｕｓｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓꎬａｎｄｍｏｌｄｑｕａｌｉｔｙｏｆｐｒｏｐｅｌｌａｎｔｉｓｂｅｔｔｅｒ.[ＫＥＹＷＯＲＤＳ]㊀ｓｉｎｇｌｅｓｃｒｅｗｅｘｔｒｕｓｉｏｎꎻｆｌｏｗｆｉｅｌｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎꎻｔｈｒｅｅ￣ｂａｓｅｄｇｕｎｐｒｏｐｅｌｌａｎｔꎻｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｍｏｌｄｉｎｇ引言多孔三基发射药不仅具有良好的燃面增强性ꎬ而且具有能量高㊁烧蚀率低㊁炮口烟焰较少等特点ꎬ已广泛应用于大口径火炮武器中[１]ꎮ目前ꎬ多孔三基发射药的成型多利用溶剂或半溶剂法通过挤压压伸制得[２]ꎮ张丹丹等[３]对７孔硝基胍发射药在挤压成型过程中的流动过程进行了仿真计算ꎬ讨论了物料特性㊁物料入口体积流量等对发射药成型效果产生的影响ꎻ季丹丹等[４]使用ＡＮＳＹＳ软件对１９孔发射药压伸模具内物料的流动情况进行了仿真计算ꎬ第５１卷㊀第１期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀爆㊀破㊀器㊀材㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀Ｖｏｌ.５１㊀Ｎｏ.１㊀２０２２年２月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀ＥｘｐｌｏｓｉｖｅＭａｔｅｒｉａｌｓ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀Ｆｅｂ.２０２２❋收稿日期:２０２１￣０８￣２１第一作者:刘晶(１９８８－)ꎬ女ꎬ硕士ꎬ工程师ꎬ主要从事炸药制造工艺及装备研究ꎮE￣mail:159****5735＠１６３.ｃｏｍ通信作者:谢中元(１９８１－)ꎬ男ꎬ博士ꎬ研究员ꎬ主要从事火炸药制备工艺的研究ꎮＥ￣ｍａｉｌ:５６４８４５２５２２＠ｑｑ.ｃｏｍ得出了１９孔发射药压伸模具的优化方法ꎻ陈富华等[５]应用Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ软件的流体与固体耦合模块模拟了发射药物料在模腔内的挤压过程及针架的变形ꎬ分析了收缩角㊁成型段长度对挤出成型压力和模具针架系统变形的影响ꎬ提出了多孔发射药成型模具的设计方法ꎮ但是ꎬ传统挤压工艺的最大弊端是单锅式生产ꎬ无法实现生产的连续化ꎮ常用的连续式螺压工艺中ꎬ由于内部流道呈螺旋状ꎬ发射药在机头内的流场分布复杂ꎬ物料在压伸过程中的压力和剪切速率不断波动[６]ꎬ影响发射药产品的表面质量ꎬ造成偏孔或弧厚不一及模针断裂脱落等安全问题ꎮ为解决多孔三基发射药连续螺压压伸工艺质量的一致性和安全性等问题ꎬ实现三基发射药的连续成型ꎬ学者们在发射药单螺杆成型工艺条件方面开展研究ꎮＺｈｏｕ等[７]使用Ｐｏｌｙｆｌｏｗ软件对发射药单螺杆挤出过程中物料在螺杆段内的压力和温度进行计算ꎬ并对物料在螺杆段内的安全性进行了初步分析ꎻ刘林林等[８]使用Ｐｏｌｙｆｌｏｗ软件仿真分析了螺杆转速对变燃速发射药物料体积流率波动的影响ꎮ经深入分析得知ꎬ使用螺压工艺对多孔三基发射药进行压伸成型的瓶颈是压伸过程中模具内压力较高㊁溶剂不能及时挥发㊁且物料受热不均ꎬ容易发生溶剂闪爆ꎬ进而引燃物料ꎻ同时ꎬ螺压工艺的流道特点造成物料流动方向呈螺旋方向ꎬ模针受力不均导致模针脱落ꎬ进而发生闭孔ꎮ但目前相关的研究报道较少ꎮ文章中ꎬ结合单螺杆压伸与成型模具的流道特点ꎬ通过ＡＮＳＹＳ仿真软件计算了单螺杆螺压机成型模具的收缩角㊁出料方向和是否含有多孔板对三基发射药压伸成型过程的影响ꎬ分析了不同模具结构参数下物料在模具中的温度㊁模具壁面压力㊁模针表面受力以及物料出料速度的分布规律ꎻ并通过实验验证ꎬ得出了用于多孔三基发射药螺压压伸模具的设计方法ꎬ为三基发射药的连续化压伸成型工艺提供参考ꎮ１㊀计算模型１.１㊀数学模型在模拟流场时ꎬ考虑到三基发射药的特性及螺杆结构的几何特性ꎬ为方便求解ꎬ特做如下假设:１)由于流体为高黏度流体ꎬ忽略惯性力作用ꎻ２)流体为稳态流动ꎬ即流动过程与时间无关ꎻ３)流动为不可压缩流动ꎻ４)流动为层流ꎬ雷诺数较小ꎻ５)机筒与螺杆边界无滑移ꎮ基于以上假设ꎬ物料流动的控制方程采用常规的连续方程㊁动量方程和能量方程ꎮ三基发射药的稳态黏度符合假塑性流体的流动规律ꎬ表观黏度与剪切速率的关系满足Ｃｒｏｓｓ￣Ｃａｒｒｅａｕ模型ꎬ方程式为η＝η０(１＋λ２̇γ２)ｎ－１２ꎮ(１)式中:λ为Ｃｒｏｓｓ￣Ｃａｒｒｅａｕ模型的时间常数ꎬｓꎻη０为零剪切黏度ꎬＰａ ｓꎻｎ为非牛顿指数ꎻ̇γ为剪切速率ꎬｓ－１ꎮ１.２㊀三基发射药物料参数测试１.２.１㊀实验原材料物料为硝基胍三基发射药ꎬ主要组分包括硝基胍(ＮＱ)㊁硝基纤维素(ＮＣ)和硝化甘油(ＮＧ)ꎮ配方如表１所示ꎮ表１㊀三基发射药配方Ｔａｂ.１㊀Ｆｏｒｍｕｌａｏｆｔｈｒｅｅ￣ｂａｓｅｄｇｕｎｐｒｏｐｅｌｌａｎｔ组分ＮＣ＋ＮＧＮＱ其他质量分数/％５０.５４７.０２.５１.２.２㊀实验仪器捏合机ꎬ南通福斯特机械制造有限公司ꎻＡＲＥＳ￣Ｇ２型旋转流变仪ꎬ美国ＴＡ公司ꎻＣ８０型微热量热仪ꎬ法国Ｓｅｔａｒａｍ公司ꎮ１.２.３㊀物料制备将原材料加入卧式捏合机ꎬ并加入占原材料质量２０.５％的醇酮溶剂ꎮ捏合机转速１５ｒ/ｍｉｎꎬ温度３０ħ左右ꎬ捏合时间１２０ｍｉｎꎮ１.２.４㊀本构方程参数测试分别在２５㊁３０㊁３５ħ和４０ħ下测试物料黏度随剪切速率的变化情况(图１)ꎮ㊀㊀图１㊀三基发射药黏度与剪切速率的关系Ｆｉｇ.１㊀Ｓｈｅａｒｒａｔｅｖｉｓｃｏｓｉｔｙ￣ｃｕｒｖｅｓｏｆｔｈｒｅｅ￣ｂａｓｅｄｇｕｎｐｒｏｐｅｌｌａｎｔ㊀㊀经过与Ｃｒｏｓｓ￣Ｃａｒｒｅａｕ模型本构方程进行拟合ꎬ得到三基发射药的流变学参数ꎬ如表２所示ꎮ２ ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀爆㊀破㊀器㊀材㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第５１卷第１期表２㊀三基发射药流变学参数Ｔａｂ.２㊀Ｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｒｅｅ￣ｂａｓｅｄｇｕｎｐｒｏｐｅｌｌａｎｔλ/ｓη０/(Ｐａ ｓ)ｎ１４.０１０５７４５.３１.６９１.２.５㊀物料热物理性能测试表３为升温速率为０.１５Ｋ/ｍｉｎ时ꎬ利用连续比热法测定三基发射药２５~４０ħ时的比热容ꎮ表３㊀三基发射药不同温度时的比热容Ｔａｂ.３㊀Ｓｐｅｃｉｆｉｃｈｅａｔｃａｐａｃｉｔｙｏｆｔｈｒｅｅ￣ｂａｓｅｄｇｕｎｐｒｏｐｅｌｌａｎｔａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ温度/ħ２６３０３５比热容/(Ｊ ｇ－１ Ｋ－１)１.２４７４１.７７４６１.９５４７１.３㊀工况及边界条件１.３.１㊀工况单螺杆螺压挤出过程通常分为输送段㊁压缩段㊁塑化段ꎮ其中ꎬ输送段和压缩段内物料不充满ꎻ当机头出口的截面缩小或阻力增大时ꎬ塑化段基本为物料充满状态[９]ꎮ为保证仿真的准确性ꎬ只针对塑化段及机头充满段建模(图２)ꎮ其中ꎬ螺杆直径为６５ｍｍꎬ采用三基发射药常用的７孔模具ꎮ收缩角为模具过渡所形成的锥角[１０]ꎮ为研究模具收缩角对成型过程的影响ꎬ建立不同的收缩角模型ꎬ如图２(ａ)所示ꎮ由于三基发射药为高黏度物料ꎬ收缩角常规在３０ʎ ６０ʎ范围内选取ꎮ㊀㊀为了优化三基发射药生产工艺的压伸形式ꎬ便于切药㊁晾药等后续工序的设备安装ꎬ建立垂直于出料方向压伸的机头模型[１０]ꎬ研究出料方向对物料成型过程的影响ꎬ如图２(ｂ)所示ꎮ在单螺杆螺压机对三基发射药进行压伸时ꎬ由于螺压工艺的流道特点ꎬ物料呈螺旋流动ꎬ在经过模具的整流后仍存在小范围的径向流动[１１]ꎬ造成物料挤出模具后有扭曲情况发生ꎬ影响产品质量ꎮ为了最大程度避免物料的径向流动ꎬ在模具与单螺杆交接处增加多孔板并建立模型ꎬ研究模具结构对物料成型过程的影响ꎬ如图２(ｃ)所示ꎮ１.３.２㊀网格划分使用ＡＮＳＹＳ软件Ｍｅｓｈ中的四面体网格对几何模型进行网格划分ꎬ如图３所示ꎮ其中ꎬ竖直挤出模型的网格数量为４２７７９５ꎬ水平挤出模型的网格数量为５５８４３１ꎮ１.３.３㊀边界条件设定螺杆转速为１５ｒ/ｍｉｎꎮ入口边界为质量流量边界ꎬ质量流量为１０ｋｇ/ｈꎻ出口边界为压力边界ꎬ出口压力为１.０１３ˑ１０５Ｐａꎮ物料密度１３００ｋｇ/ｍ３ꎬ热传导系数０.２４Ｗ/(ｍ Ｋ)[１２]ꎬ机筒温度３０ħꎬ进口物料温度４０ħꎮ２㊀仿真计算结果及分析２.１㊀收缩角对物料流动的影响２.１.１㊀对挤出速度的影响㊀㊀计算结果如图４所示ꎬ出料速度呈角对称分布ꎮ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀(ａ)单螺杆模具收缩角㊀㊀㊀㊀㊀(ｂ)单螺杆竖直机头三维模型㊀㊀(ｃ)含有多孔板的单螺杆机头三维模型图２㊀单螺杆螺压模具的三维模型Ｆｉｇ.２㊀３Ｄｍｏｄｅｌｓｏｆｓｉｎｇｌｅｓｃｒｅｗｅｘｔｒｕｓｉｏｎｍｏｌｄ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀(ａ)竖直挤出模型㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀(ｂ)水平挤出模型图３㊀三维流道的网格划分Ｆｉｇ.３㊀Ｍｅｓｈｏｆ３Ｄｆｌｏｗｍｏｄｅｌｓ ３２０２２年２月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀三基发射药单螺杆压伸模具流场仿真及实验验证㊀刘㊀晶ꎬ等㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀收缩角为３０ʎ㊁４５ʎ和６０ʎ时物料的出料速度分别为４.２１㊁４.５２ｃｍ/ｓ和６.８６ｃｍ/ｓꎮ物料挤出速度随收缩角的增加而增加ꎬ出料速度越快ꎬ单螺杆挤出机的产量越大ꎻ但由于出料速度快ꎬ造成物料挤出过程应力快速聚集ꎬ在挤出后又快速释放ꎬ药条容易产生挤出胀大现象ꎮ且从图４中可以看出ꎬ收缩角越大ꎬ药条中心出料速度与周围出料速度差异越大ꎬ容易出现药条表面质量下降的情况ꎮ２.１.２㊀对模具内物料温度分布的影响计算流道内温度场分布ꎬ并沿流道中心点做轴向切面ꎬ分析模具内物料温度场沿出料方向的变化ꎬ温度场分布云图见图５ꎮ由图５可知ꎬ收缩角越大ꎬ温度变化越剧烈ꎬ在模具拐点越容易出现热点ꎬ且最高温度越高ꎮ这是由于模具收缩角越大ꎬ流道内压力变化越快ꎬ物料由于压力作用产生的热量不能及时传导出去ꎬ造成热点聚集ꎬ带来危险ꎮ２.１.３㊀对模具壁面压力的影响如图６所示ꎬ模具壁面压力与收缩角基本呈线性关系ꎬ压力随收缩角的增大而增加ꎮ这是由于较大的收缩角下ꎬ物料体积急剧缩小ꎬ物料需要更大的压力使之快速团聚ꎻ而较小的收缩角ꎬ流道的容积变化较慢ꎬ物料的收缩是缓慢的过程ꎮ壁面压力越大ꎬ对于含溶剂的三基发射药安全风险越大ꎬ这是由于物料在急剧收缩后来不及排出的溶剂挥发组分被裹入物料中ꎬ会有发生绝热压缩的风险ꎮ２.１.４㊀对模针表面受力的影响物料在压伸时受到螺杆的推力作用呈螺旋状流动ꎬ虽在模具内经过压缩段㊁成型段的整流ꎬ但仍存在小部分的径向流动[１１]ꎮ这种径向流动则会在模具成型段内形成扰流ꎬ对模针造成摩擦和挤压ꎬ进而引起模针变形或断裂ꎬ使产品质量变差或带来安全问题ꎮ计算不同收缩角时模针单位面积内受到的平均挤压力和平均摩擦力ꎮｐ＝ðＮｓｉ＝１ｐｉＡꎻ(６)Ｆｎ＝ðＮｓｉ＝１ＦｎｉＡꎮ(７)式中:Ｎｓ为样本总数ꎻｐｉ为模针表面第ｉ个样本靠近模针一侧的压力ꎻＦｎｉ为模针表面第ｉ个样本物料给模针表面施加的摩擦力ꎻＡ为模针外表面总面积ꎮ计算时ꎬ每个网格为一个取样样本ꎮ计算结果如图７所示ꎮ模针受到的摩擦力及挤压力随模具收缩角的增大而逐渐增大ꎮ模具收缩得越快ꎬ由于模具对物料的整流作用尚未完全发挥ꎬ物料的径向流动越多ꎬ造成物料对模针的挤压越剧烈ꎬ模针越容易㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀(ａ)收缩角３０ʎ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀(ｂ)收缩角４５ʎ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀(ｃ)收缩角６０ʎ图４㊀不同收缩角时三基发射药压伸的出料速度分布Ｆｉｇ.４㊀Ｅｘｔｒｕｓｉｏｎｖｅｌｏｃｉｔｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｈｒｅｅ￣ｂａｓｅｄｇｕｎｐｒｏｐｅｌｌａｎｔａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍｏｌｄｓｈｒｉｎｋａｇｅａｎｇｌｅｓ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀(ａ)收缩角３０ʎ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀(ｂ)收缩角４５ʎ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀(ｃ)收缩角６０ʎ图５㊀不同收缩角时三基发射药压伸的温度分布Ｆｉｇ.５㊀Ｅｘｔｒｕｓｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｈｒｅｅ￣ｂａｓｅｄｇｕｎｐｒｏｐｅｌｌａｎｔａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍｏｌｄｓｈｒｉｎｋａｇｅａｎｇｌｅｓ４ ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀爆㊀破㊀器㊀材㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第５１卷第１期㊀㊀图６㊀不同收缩角时模具壁面压力的变化Ｆｉｇ.６㊀Ｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｍｏｌｄｗａｌｌｐｒｅｓｓｕｒｅｏｆｔｈｒｅｅ￣ｂａｓｅｄｇｕｎｐｒｏｐｅｌｌａｎｔａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍｏｌｄｓｈｒｉｎｋａｇｅａｎｇｌｅｓ㊀㊀㊀图７㊀收缩角对模针所受挤压力和摩擦力的影响Ｆｉｇ.７㊀Ｅｆｆｅｃｔｏｆｍｏｌｄｓｈｒｉｎｋａｇｅａｎｇｌｅｓｏｎｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｆｒｉｃｔｉｏｎｏｎｄｉｅｐｉｎ发生断裂或变形ꎮ２.２㊀出料方向对物料流动的影响２.２.１㊀物料速度的影响㊀㊀计算收缩角为３０ʎ㊁出料方向为水平和竖直时三基发射药在模具内的流动情况ꎮ模具出口的物料速度云图和模具内的速度矢量分布如图８所示ꎮ从图８中可以看出:水平出料速度矢量较均匀ꎻ竖直出料的速度矢量呈现涡流形ꎬ在靠近模针的位置尤为明显ꎻ同时ꎬ竖直出料口的物料速度呈现不规则性ꎬ容易出现药条弯曲的情况ꎬ影响内孔弧厚均匀度等药条质量指标ꎮ这是由于三基发射药的黏度较大ꎬ物料在流动时整流较困难ꎬ竖直挤出的流道特点造成物料在模具内强制改变流动方向ꎬ物料流动受阻ꎬ形成涡流ꎮ这与超高分子量聚合物挤出的特点相一致[１３]ꎮ２.２.２㊀对模具壁面压力的影响㊀㊀分别计算不同收缩角时水平出料和竖直出料情况下模具内的最大压力ꎬ结果如图９所示ꎮ壁面压力与收缩角呈线性关系ꎬ但竖直出料时壁面压力明显高于水平挤出时ꎬ这同样是由于竖直出料模具的流道特点所致ꎮ物料的流动方向由水平改为竖直ꎬ㊀㊀㊀㊀图８㊀不同出料方向时三基发射药的物料速度分布Ｆｉｇ.８㊀Ｖｅｌｏｃｉｔｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｈｒｅｅ￣ｂａｓｅｄｇｕｎｐｒｏｐｅｌｌａｎｔｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｅｘｔｒｕｓｉｏｎｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ㊀㊀图９㊀不同出料方向时模具壁面压力的变化Ｆｉｇ.９㊀Ｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｍｏｌｄｗａｌｌｐｒｅｓｓｕｒｅｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｅｘｔｒｕｓｉｏｎｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ物料受到堵塞后改变流动方向ꎬ造成流动不畅ꎬ模具内压力升高ꎮ２.２.３㊀对模具内物料最高温度的影响计算不同出料方向时模具内物料的最高温度随模具收缩角的变化ꎬ如图１０所示ꎮ物料最高温度随收缩角的增大而增加ꎬ但竖直挤出时物料温度变化㊀㊀图１０㊀不同出料方向时物料最高温度的变化Ｆｉｇ.１０㊀Ｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｈｉｇｈｅｓｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｔｈｒｅｅ￣ｂａｓｅｄｇｕｎｐｒｏｐｅｌｌａｎｔｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｅｘｔｒｕｓｉｏｎｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ５２０２２年２月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀三基发射药单螺杆压伸模具流场仿真及实验验证㊀刘㊀晶ꎬ等㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀并不明显ꎻ这是因为收缩角越大ꎬ模具内整体的压力越高ꎬ但模具内流道方向的改变弥补了收缩角对于模具内压力梯度变化的影响ꎮ压力梯度变化越小ꎬ热点越不容易产生ꎮ２.２.４㊀对模针表面受力的影响分别计算水平出料和竖直出料时模针表面受到平均摩擦力和平均挤压力随收缩角的变化情况ꎬ如图１１所示ꎮ竖直挤出时模针所受的摩擦力及挤压力远大于水平挤出时摩擦力和挤压力ꎬ这与物料在模具内的流动情况有关ꎮ根据２.２.１中物料在竖直挤出模具中的速度矢量分布来看ꎬ物料出现涡流后ꎬ径向流动较多ꎬ对模针的冲击和摩擦也就越大ꎮ㊀㊀图１１㊀出料方向对模针所受挤压力和摩擦力的影响Ｆｉｇ.１１㊀Ｅｆｆｅｃｔｏｆｅｘｔｒｕｓｉｏｎｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｎｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｆｒｉｃｔｉｏｎｏｎｄｉｅｐｉｎ２.３㊀多孔板对物料流动的影响２.３.１㊀对物料速度的影响计算收缩角为３０ʎ并增加多孔板时三基发射药在模具出口的速度云图和模具内的速度矢量分布ꎬ如图１２㊁图１３所示ꎮ可以看出ꎬ未安装多孔板前ꎬ物料从螺杆输送段进入压缩段后仍呈现螺旋运动的状态ꎻ安装多孔板后ꎬ物料在压缩段基本呈现轴向运动状态ꎮ同时ꎬ从模具出口的速度分布中可以看出ꎬ安装多孔板后ꎬ物料的流速分布更均匀ꎬ径向的差异较小ꎮ这是由于三基发射药中纤维素分子链较长ꎬ在经过多孔板的强制取向后ꎬ分子链被均匀地排列进入压缩段ꎬ这样㊀图１２㊀是否安装多孔板情况下螺杆与模具接口处的速度矢量图Ｆｉｇ.１２㊀Ｖｅｌｏｃｉｔｙｖｅｃｔｏｒｄｉａｇｒａｍａｔｔｈｅｉｎｔｅｒｆａｃｅｂｅｔｗｅｅｎｓｃｒｅｗａｎｄｍｏｌｄｗｉｔｈｐｅｒｆｏｒａｔｅｄｐｌａｔｅｉｎｓｔａｌｌｅｄｏｒｎｏｔ㊀㊀图１３㊀是否安装多孔板情况下物料的出口速度分布Ｆｉｇ.１３㊀Ｅｘｔｒｕｓｉｏｎｖｅｌｏｃｉｔｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｈｒｅｅ￣ｂａｓｅｄｐｒｏｐｅｌｌａｎｔｗｉｔｈｐｅｒｆｏｒａｔｅｄｐｌａｔｅｉｎｓｔａｌｌｅｄｏｒｎｏｔ就避免了螺压机结构造成的物料螺旋运动ꎬ消除了物料大部分的径向流动ꎬ同时也减少了物料挤出时速度的径向差异ꎮ２.３.２㊀对模针表面受力的影响分别计算安装多孔板及未安装多孔板时不同模具收缩角情况下模针表面受到平均摩擦力和平均挤压力随收缩角的变化ꎬ如图１４所示ꎮ由于多孔板对于三基发射药分子链的取向作用ꎬ物料的径向流动大部分被消除ꎬ物料对模针的径向冲击较小ꎻ所以ꎬ在安装多孔板后ꎬ模针的受力大幅减小ꎬ这样有利于三基发射药的成型ꎬ也可以延长模具的使用寿命ꎮ㊀㊀㊀图１４㊀是否安装多孔板情况下收缩角对模针所受挤压力和摩擦力的影响Ｆｉｇ.１４㊀Ｅｆｆｅｃｔｏｆｍｏｌｄｓｈｒｉｎｋａｇｅａｎｇｌｅｓｏｎｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｆｒｉｃｔｉｏｎｏｎｄｉｅｐｉｎｗｉｔｈｐｅｒｆｏｒａｔｅｄｐｌａｔｅｉｎｓｔａｌｌｅｄｏｒｎｏｔ３㊀实验验证根据仿真计算的结果ꎬ采用卧式捏合机进行三基发射药物料捏合ꎬ利用单螺杆螺压机对三基发射药进行压伸ꎬ并设计收缩角分别为３０ʎ㊁４５ʎ和６０ʎ的水平挤出型㊁竖直挤出型２０.５Ｈ/７模具ꎬ对仿真模型进行验证ꎮ采用的物料为１.２中的硝基胍三基发射药配方ꎮ采用的单螺杆水平挤出和竖直挤出ꎬ机头结构６ ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀爆㊀破㊀器㊀材㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第５１卷第１期如图１５所示ꎮ㊀㊀㊀(ａ)单螺杆及水平挤出㊀㊀(ｂ)单螺杆及竖直挤出图１５㊀单螺杆挤出机及模具Ｆｉｇ.１５㊀Ｓｉｎｇｌｅ￣ｓｃｒｅｗｅｘｔｒｕｄｅｒａｎｄｍｏｌｄ３.１㊀实验参数设定卧式捏合机转速为１５ｒ/ｍｉｎꎬ捏合时间为１２０ｍｉｎ后将物料加入单螺杆ꎬ单螺杆转速１５ｒ/ｍｉｎꎬ加料速度１０ｋｇ/ｈꎬ机筒温度３０ħꎬ进口物料温度４０ħꎮ３.２㊀工艺参数实验验证在机头安装温度与压力传感器ꎬ测量挤出过程中模具壁面的压力和物料温度ꎬ将实际测量值与仿真计算结果作对比ꎬ如图１６所示ꎮ㊀㊀(ａ)模具壁面压力㊀㊀(ｂ)物料温度图１６㊀仿真计算值与实际值对比曲线Ｆｉｇ.１６㊀Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｃｕｒｖｅｓｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｄａｔａｗｉｔｈｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄａｔａ㊀㊀从图１６可以看出ꎬ仿真计算结果与实际测量值的变化趋势基本相同ꎮ但仿真计算所得模具壁面压力较实际测量值偏小ꎮ分析原因:在仿真计算时ꎬ假设模具内表面无摩擦ꎻ而在实际试验中ꎬ由于模具内加工精度有限ꎬ及长期使用造成的内表面磨损ꎬ使模具壁面压力较仿真计算的理论值偏大ꎮ由于实验中温度传感器的安装位置靠近模具内壁面ꎬ因此ꎬ仿真计算取紧贴在模具内壁面的物料温度与实际测量值进行对比ꎬ所得数据较接近ꎮ３.３㊀物料流场实验验证对比收缩角为３０ʎ时水平出料㊁竖直出料及安装多孔板后水平出料３种情况的产品切面形状与仿真计算结果ꎮ结合２.２.１中仿真计算物料在模具出口的流场速度发现ꎬ由于机头流道发生弯曲ꎬ竖直出料的药条出料速度不均匀(图８)ꎮ这与实际中竖直挤出的药条切面图相一致ꎬ中心孔的位置出现了偏移ꎬ同时药条发生了弯曲ꎬ如图１７(ａ)ꎮ水平挤出的药条出料速度呈中心对称ꎬ因此ꎬ药条切面中心孔的位置没有发生偏移ꎬ如图１７(ｂ)所示ꎮ㊀㊀㊀㊀㊀(ａ)竖直挤出药条㊀㊀㊀(ｂ)水平挤出药条图１７㊀不同模具生产的压伸药条的实际切面Ｆｉｇ.１７㊀Ｓｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｒｅｅ￣ｂａｓｅｄｇｕｎｐｒｏｐｅｌｌａｎｔｐｒｏｄｕｃｅｄｂｙｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍｏｌｄｓ㊀㊀此外ꎬ对比水平挤出药条和安装多孔板后水平挤出药条的外表面形状发现ꎬ两种模具生产的药条的外表面均较光滑ꎬ但水平挤出药条的外表面出现一定程度的扭转ꎬ增加多孔板后药条的外表面形状较均匀ꎬ如图１８所示ꎮ这与２.３中的计算结果相一致ꎮ安装多孔板后ꎬ流道内的螺旋流动被消除ꎬ使药条的出料速度基本沿轴向方向ꎬ药条的成型质量有㊀㊀㊀㊀㊀㊀(ａ)原模具㊀㊀㊀㊀㊀㊀(ｂ)安装多孔板图１８㊀原模具和安装多孔板后压伸药条的外表面Ｆｉｇ.１８㊀Ｏｕｔｓｉｄｅｓｕｒｆａｃｅｏｆｔｈｒｅｅ￣ｂａｓｅｄｇｕｎｐｒｏｐｅｌｌａｎｔｐｒｏｄｕｃｅｄｂｙｔｈｅｍｏｌｄｂｅｆｏｒｅｏｒａｆｔｅｒｔｈｅｐｅｒｆｏｒａｔｅｄｐｌａｔｅｉｓｉｎｓｔａｌｌｅｄ７２０２２年２月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀三基发射药单螺杆压伸模具流场仿真及实验验证㊀刘㊀晶ꎬ等㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀所提高ꎮ４ 结论１)仿真计算结果表明ꎬ模具收缩角越大ꎬ挤压成型过程所需要的挤压力越大ꎬ物料在模具内的最高温度也越高ꎬ且越容易形成热点ꎻ同时ꎬ模针外表面受到的挤压力和摩擦力也越大ꎬ模针越容易出现变形和断裂ꎮ２)竖直挤出虽然方便后续物料的切药㊁晾药ꎬ但挤出过程中模具壁面压力㊁模具内物料温度及模针表面受力均远大于水平挤出中的相应参数ꎻ且物料的流场较复杂ꎬ特别是出口速度不均ꎬ容易造成挤出后药条的弯曲ꎮ３)增加多孔板有利于物料在挤出模具中的整流和取向ꎬ大幅减少物料的径向流动ꎬ降低模针在挤出过程中的受力ꎮ４)模具壁面压力㊁模具内物料温度等参数的实验值与模拟值基本一致ꎻ增加多孔板后的水平挤出方式使发射药中心药孔的分布更加均匀ꎬ且成型质量更好ꎮ参考文献[１]㊀常飞ꎬ南风强ꎬ何卫东.多孔硝基胍发射药压伸数值仿真及验证[Ｊ].含能材料ꎬ２０１７ꎬ２５(２):１０６￣１１２.ＣＨＡＮＧＦꎬＮＡＮＦＱꎬＨＥＷＤ.Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｐｏｒｏｕｓｎｉｔｒｏｇｕａｎｉｄｉｎｅｇｕｎｐｒｏｐｅｌｌａｎｔｅｘｔｒｕｓｉｏｎ[Ｊ].ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｎｅｒｇａｔｉｃＭａｔｅｒｉａｌｓꎬ２０１７ꎬ２５(２):１０６￣１１２.[２]㊀韩博.高增面性大弧厚硝基胍发射药工艺技术研究[Ｄ].南京:南京理工大学ꎬ２００９.ＨＡＮＢ.Ｓｔｕｄｉｅｓｏｎｐｒｏｃｅｓｓｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｈｉｇｈｐｒｏｇｅｒｓｓｉｃｅａｎｄｌａｒｇｅａｒｃ￣ｔｈｉｃｋｎｅｓｓＮＱ￣ｂａｓｅｄｇｕｎｐｒｏｐｅｌｌａｎｔ[Ｄ].Ｎａｎｊｉｎｇ:ＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２００９.[３]㊀张丹丹ꎬ何卫东.硝基胍七孔发射药挤压成型过程的数值模拟[Ｊ].火炸药学报ꎬ２０１５ꎬ３８(１):８２￣８６.ＺＨＡＮＧＤＤꎬＨＥＷＤ.Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆ７￣ｈｏｌｅｎｉｔｒｏｇｕａｎｉｄｉｎｅ￣ｂａｓｅｄｇｕｎｐｒｏｐｅｌｌａｎｔｉｎｅｘｔｒｕｓｉｏｎｆｏｒｍｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ[Ｊ].ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｘｐｌｏｓｉｃｅｓａｎｄＰｒｏｐｅｌ￣ｌａｎｔｓꎬ２０１５ꎬ３８(１):８２￣８６.[４]㊀季丹丹ꎬ刘志涛ꎬ廖昕ꎬ等.１９孔发射药挤出过程的数值模拟与模具优化[Ｊ].含能材料ꎬ２０１６ꎬ２４(１１):１１１４￣１１２０.ＪＩＤＤꎬＬＩＵＺＴꎬＬＩＡＯＸꎬｅｔａｌ.Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｅｘｔｒｕｓｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｄｉｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｆｏｒ１９￣ｈｏｌｅｐｒｏｐｅｌ￣ｌａｎｔ[Ｊ].ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｎｅｒｇｅｔｉｃＭａｔｅｒｉａＩｓꎬ２０１６ꎬ２４(１１):１１１４￣１１２０.[５]㊀陈富华ꎬ胡小秋ꎬ刘志涛.基于有限元分析Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ软件的多孔发射药挤压过程仿真分析[Ｊ].兵工学报ꎬ２０１７ꎬ３８(４):６９５￣７０３.ＣＨＥＮＦＨꎬＨＵＸＱꎬＬＩＵＺＴ.Ｗｏｒｋｂｅｎｅｈ￣ｂａｓｅｄｓｉｍｕｌａ￣ｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓｏｆｍｕｌｔｉ￣ｐｅｒｆｏｒａｔｅｄｇｕｎｐｒｏｐｅｌｌａｎｔｉｎｅｘｔｒｕ￣ｓｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ[Ｊ].ＡｃｔａＡｒｍａｍｅｎｔａｒｉｉꎬ２０１７ꎬ３８(４):６９５￣７０３.[６]㊀丁亚军ꎬ应三九.螺杆挤出过程中物料在线流变行为及其数值模拟[Ｊ].兵工学报ꎬ２０１５ꎬ３６(８):１４３７￣１４４２.ＤＩＮＧＹＪꎬＹＩＮＧＳＪ.Ｉｎ￣ｌｉｎｅｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌｂｅｈａｖｉｏｒｓａｎｄｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｍａｔｅｒｉａｌｉｎｅｘｔｒｕｓｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ[Ｊ].ＡｃｔａＡｒｍａｍｅｎｔａｒｉｉꎬ２０１５ꎬ３６(８):１４３７￣１４４２. [７]㊀ＺＨＯＵＫꎬＨＥＺＱꎬＹＩＮＳＰ.Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｆｏｒｅｘｐｌｏｒｉｎｇｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｖｉｓｃｏｓｉｔｙｏｎｓｉｎｇｌｅｓｃｒｅｗｅｘｔｒｕｓｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｏｆｐｒｏｐｅｌｌａｎｔ[Ｊ].ＰｒｏｃｅｄｉａＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ２０１４(８４):９３３￣９３９.[８]㊀刘林林ꎬ马忠亮ꎬ高可政ꎬ等.变燃速发射药挤出过程中药料流动计算研究[Ｊ].含能材料ꎬ２０１０ꎬ１８(５):５８３￣５８６.ＬＩＵＬＬꎬＭＡＺＬꎬＧＡＯＫＺꎬｅｔａｌ.Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｓｔｕｄｙｏｆｆｌｏｗｆｏｒｏｕｔｓｉｄｅｌａｙｅｒｏｆｖａｒｉａｂｌｅ￣ｂｕｒｎｉｎｇｒａｔｅｐｒｏｐｅｌｌａｎｔｄｕｒｉｎｇｅｘｔｒｕｓｉｏｎ[Ｊ].ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｎｅｒｇｅｔｉｃＭａｔｅ￣ｒｉａｌｓꎬ２０１０ꎬ１８(５):５８３￣５８６.[９]㊀潘龙ꎬ张玉霞ꎬ金志明ꎬ等.单螺杆挤出机挤出理论研究进展[Ｊ].中国塑料ꎬ２００９ꎬ２３(５):１２￣１９.ＰＡＮＬꎬＺＨＡＮＧＹＸꎬＪＩＮＺＭꎬｅｔａｌ.Ｐｒｏｇｒｅｓｓｉｎｅｘｔｒｕ￣ｓｉｏｎｔｈｅｏｒｙｆｏｒｓｉｎｇｌｅ￣ｓｃｒｅｗｅｘｔｒｕｄｅｒｓ[Ｊ].ＣｈｉｎａＰｌａｓｔｉｃｓꎬ２００９ꎬ２３(５):１２￣１９.[１０]㊀于保敏.塑料成型工艺与模具设计[Ｍ].北京:清华大学出版社ꎬ２００９.[１１]㊀毛玉ꎬ王强.浅析挤出模具口模设计[Ｊ].工程塑料应用ꎬ２００８ꎬ３６(１０):７３￣７５.ＭＡＯＹꎬＷＡＮＧＱ.Ｂｒｉｅｆａｎａｌｙｓｉｓｏｆｅｘｅｔｒｕｓｉｏｎｄｉｅｄｅ￣ｓｉｇｎ[Ｊ].ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＰｌａｓｔｉｃｓＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎꎬ２００８ꎬ３６(１０):７３￣７５.[１２]㊀«火炸药理论与实践»编委会.火炸药理论与实践[Ｚ].北京:中国北方化学工业总公司ꎬ２００１. [１３]㊀靳国宝ꎬ王敏杰ꎬ赵丹阳ꎬ等.聚合物双腔微管直角挤出模具非对称流动平衡设计方法[Ｊ].化工学报ꎬ２０１２ꎬ６３(１１):３４７８￣３４８５.ＪＩＮＧＢꎬＷＡＮＧＭＪꎬＺＨＡＯＤＹꎬｅｔａｌ.Ａｄｅｓｉｇｎｍｅ￣ｔｈｏｄｏｆｎｏｎ￣ｓｙｍｍｅｔｒｙｆｌｏｗｉｎｇｂａｌａｎｃｅｆｏｒｒｉｇｈｔａｎｇｌｅｅｘ￣ｔｒｕｓｉｏｎｄｉｅｏｆｐｏｌｙｍｅｒｉｃｄｏｕｂｌｅ￣ｌｕｍｅｎｍｉｃｒｏ￣ｔｕｂｅ[Ｊ].ＣＩＥＳＣＪｏｕｒｎａｌꎬ２０１２ꎬ６３(１１):３４７８￣３４８５.８ ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀爆㊀破㊀器㊀材㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第５１卷第１期。
挤出成型工艺
法易于进行机械加工，故多采用。
螺槽深度（h）：
h↓，剪切速率↑，传热效率
↑，混合及塑化效率↑，生产率↓ 。故热敏性塑料（如PVC）宜用深 螺槽，而熔体粘度低且热稳定性好 的塑料（如聚酰胺等）宜用浅螺槽 。
螺旋升角θ
θ↑，出料快，生产能力↑，
但停留时间短，塑化↓。
实验证明，物料形状不同，对加
料段的螺纹升角要求也不一样。 1）θ=30 °左右适于粉料， 2）θ=l7°左右适于圆柱料， 3）θ=15°左右适于方块料。 出于机械加工的方便，一般取D=S ，θ=17°40’。
• a螺杆特性曲线
• 它是一组相互平行的直线族，随螺杆转速n的改变而改变。 螺杆的特性线是挤出机的重要特性之一，它表示螺杆均化 段熔体的流率与压力的关系。随着机头压力的升高，挤出 量降低，而降低的快慢决定于螺杆特性线的斜率。
b.口模特性曲线 挤出机机头是挤出机的重要组成部分， 是物料流经并获得一定几何形状、 必要尺寸精度和表面光洁度的部件。 假定熔体为牛顿流体，当其通过机 头时，其流率方程为：
实际上螺槽中熔体的总的流动是这几种流动的总 和。
挤出机的生产能力：
Q=Qd (正流)- Qp (逆流）- QL (漏流)
（4）挤出机的工作状态
要想了解整个挤出过程的特性，还必须将螺杆和机 头联合起来讨论，为此我们引入了以下几个概念： • 螺杆特性线---挤出机产量与挤出压力的关系； • 口模特性线---机头产量与机头压力的关系； • 挤出机的综合工作点---螺杆特性线与口模特性线 的交点
b、逆流方向 流动，流量为QP
c. 漏流： 由口型阻力引起，沿螺棱顶部与料筒
内表面之间的间隙中反向流动。 方向沿螺杆轴线方向，并由机头向后， 不利于产量的提高。流量用QL表示。
单螺杆塑料挤出机工艺技术
单螺杆塑料挤出机工艺技术单螺杆塑料挤出机是一种常用的塑料加工设备，广泛应用于塑料制品生产中。
下面将介绍单螺杆塑料挤出机的工艺技术。
单螺杆塑料挤出机的工艺技术主要包括原料准备、塑化挤出、成型和后处理四个步骤。
首先是原料准备。
塑料材料需要提前按照配方比例准备好，并进行干燥处理以去除其中的水分。
干燥后的塑料颗粒可以提高挤出机的挤出效果和产品的质量。
其次是塑化挤出。
将干燥后的塑料颗粒放入单螺杆挤出机的料斗中，由螺杆进行加热和混炼。
螺杆会在转动的同时，通过加热和剪切的作用将塑料颗粒塑化成熔融状态的塑料熔体。
然后是成型。
塑化后的熔融塑料通过挤出机的模具头部经过挤出机筒体的压力，被挤出成型。
模具头的设计决定了产品的形状和尺寸。
挤出机将熔融塑料进给到模具头，并通过压力使其顺利挤出模头的孔径，并且在模头的出口处形成希望的截面形状。
最后是后处理。
挤出成型的产品需要经过冷却和切割等后处理工序。
冷却可以使产品迅速固化，保持其形状和尺寸稳定。
切割工序可以根据产品的需要进行不同的切割方式，如冲切、切割、切割等。
在单螺杆塑料挤出机的工艺技术中，还有一些要注意的问题。
首先是螺杆的选择，合理的螺杆设计可以提高挤出机的生产能力和产品的质量。
其次是温度控制，不同的塑料材料需要不同的温度和温度控制，因此在生产过程中需要根据实际情况进行调整。
再次是挤出速度的控制，挤出速度过快会影响产品的质量，因此需要进行合理的速度控制。
总之，单螺杆塑料挤出机的工艺技术是一个复杂的过程，需要合理的原料准备、塑化挤出、成型和后处理。
只有掌握了这些工艺技术，才能提高挤出机的生产效率和产品的质量。
在实际生产中，还需要根据不同的塑料材料和产品要求进行调整和优化，以获得最佳的生产效果。
实验7--聚乙烯吹塑薄膜成型-(2)
实验7聚乙烯吹塑薄膜成型一、目的要求1、了解单螺杆挤出机、吹膜机头及辅机的结构和工作原理2、了解塑料的挤出吹胀成型原理；掌握聚乙烯吹膜工艺操作过程、各工艺参数的调节及成膜的影响因素二、原理塑料薄膜是一类重要的高分子材料制品。
由于它具有质轻、强度高、平整、光洁和透明等优点，同时其加工容易、价格低廉，因而得到广泛的应用。
塑料薄膜可以用多种方法成型，如圧延、流涎、拉幅和吹塑等方法，各种方法的特点不同，适应性也不一样。
压延法主要用于非晶型塑料加工，所需设备复杂，投资大，但生产效率高，产量大，薄膜的均匀性好。
流涎法主要也是用于非晶型塑料加工，工艺最简单，所得薄膜透明度好，具各向同性，质量均匀，但强度较低，且耗费大量洛剂，成本增加，于环保也不利。
拉幅法主要适用于结晶型塑料，工艺简单，薄膜质量均匀，物理机械性能最好，但设备投资大。
吹塑法最为经济，工艺设备都比较简单，结晶和非晶型塑料都适用，既能生产窄幅，乂能生产宽达10m的膜，吹塑过程塑料薄片的纵横向都得到拉伸取向，制品质量较高，因此得到最广泛的应用。
吹塑成型也即挤出一吹胀成型，除了吹膜以外，还有中空容器成型。
薄膜的吹塑是塑料从挤出机口模挤出成管坯引出，山管坯内芯棒中心孔引入压缩空气使管坯吹胀成膜管，后晶空气冷却定型、牵引卷绕而成薄膜。
吹塑薄膜通常分为平挤上吹、平挤平吹和平挤下吹等三种工艺，其原理都是相同的。
薄膜的成型都包括挤出、初定型、定型、冷却牵伸、收卷和切割等过程。
本实验是低密度聚乙烯的平挤上吹法成型，是目前最常见的工艺。
塑料薄膜的吹塑成型是基于高聚物的分子量高、分子间力大而具有可塑性及成膜性能。
当塑料熔体通过挤出机机头的环形间隙口模而管坯后，因通入圧缩空气而膨胀为膜管，而膜管被夹持向前的拉伸也促进了减薄作用。
与此同时膜管的大分子则作纵、横向的取向作用，从而使薄膜强化了其物理机械性能。
为了取得性能良好的薄膜，纵横向的拉伸作用最好是取得平衡，也就是纵向的拉伸比（牵引膜管向上的速度与口模处熔体的挤出速度之比）与横向的空气膨胀比（膜管的直径与口膜直径之比）应尽量相等。
单螺杆挤出机挤出工艺实验
单螺杆挤出实验一、实验目的与要求了解单螺杆挤出机的基本结构及各部分的作用，掌握挤出成型基本操作；通过实验，理解挤出成型原理，分析挤出工艺参数对塑料制品产量和性能的影响。
二、实验重点与难点1，挤出成型基本操作和挤出成型原理。
2，挤出工艺参数对塑料制品产量和性能的影响。
三、提问及互动设计1，单螺杆挤出机结构和挤出成型加工原理。
2，介绍挤出机牌号的含义。
3，要求学生根据高分子物理和聚合物共混原理对具体的聚合物设定挤出工艺参数。
4，讨论影响制品性能和产量的因素。
四、实验讲解1，挤出机各部分的结构和作用1）传动装置。
由电动机、减速机构和轴承等组成。
具有保证挤出过程中螺杆转速恒定、制品质量的稳定以及保证能够变速作用。
2）加料装置。
无论原料是粒料、粉状和片状，加料装置都采用加料斗。
加料斗内应有断料流、标定量料和卸除余料等装置。
3）料筒。
料筒是挤出机的主要部件之一，塑料的混合、塑化和加压过程都在其中进行。
挤压时料筒内的压力可达55MPa,工作温度一般为180-250℃，因此料筒是受压和受热的容器，通常由高强度、坚韧耐磨和耐腐蚀的合金钢制成。
料筒外部设有分区加热和冷却的装置，而且各自附有热电偶和自动仪表等。
4）螺杆。
螺杆是挤出机的关键部件。
通过螺杆电转动，料筒内的物料才能发生移动，得到增压和部分热量。
螺杆的几何参数，如直径、长径比、各段长度比例以及螺槽深度等，对螺杆的工作特性均有重大影响。
5）口模和机头。
机头是口模和料筒之间的过渡部分，其长度和形状随所用塑料的种类、制品和形状、加热方式及挤出机的大小和类型而定。
机头和口模结构的好坏，对制品的产量和质量影响很大，其尺寸根据流变学和实践经验确定。
2，实验步骤1）工艺参数控制温度控制：塑料的挤出成型温度包括料筒、机头和口模等温度控制，这些温度控制与物料粘度的高低，对温度的敏感性和高聚物聚集态等有关，一般来讲，低粘度物料的机头和口模温度低，高粘度物料的机头和口模温度高，流动性好。
单螺杆挤出机原理及应用
单螺杆挤出机原理及应用单螺杆挤出机作为一种常见的挤出机设备，用于塑料加工行业，原理和构造是什么呢下面从挤出机的输送段，压缩段，讣量段來对单•螺杆挤出机原理做一个分析。
单螺杆挤出机一般在有效长度上分为三段.按螺杆直径大小、螺距、螺深确定三段有效长度.一般按各占三分之一划分。
高效单螺杆挤出机采用双阶式整体设讣，强化塑化功能.保证了商速商性能稳定挤出，特种屏障综合混炼设计•保证了物料的混炼效果，商剪切低融塑化温度保证r物料的髙性能低溟低压计量挤出。
设汁理念和特点:在商平直基础上的髙速，高产挤出。
单螺杆挤出机原理料口最后一道螺纹开始叫输送段物料在此处要求不能塑化.但要倾热.受压挤实.过去老挤出理论认为此处物料是松散体，后來通过证明此处物料实际是固体塞，就是说这里物料受挤压后是一固体彖塞子一样，閃此只要完成输送任务就是它的功能fc单螺杆挤岀机原理：第二段叫圧缩段时螺槽体枳由大逐渐变小，并且温度婆达到物料塑化程度，此处产生压缩由输送段三，在这里压缩到一，这叫螺杆的压缩比一一3： 1,有的机器也有变化，完成塑化的物料进入到第三段。
单螺杆挤出机原理：第三段是计虽段此处物料保持塑化温度.只是象il•虽泵那样准确、定虽输送熔体物料. 以供给机头，此时温度不能低于塑化温度.一般略商点。
的螺杆挤出机主要供挤出软、锁聚氮乙烯.聚乙烯等热塑性塑料之用.它与相应的辅机（包括成型机头）配合.可加工多种塑料制品.如膜、管、板、丝带等,亦可用于造粒。
塑料挤出机设讣先进.质址商.塑化好.能耗低.采用渐开线齿轮传动，具有噪音低.运转平稳，承載力大，寿命长等特点。
单螺杆挤出机用途管材挤出：适用于PP・R管.PE燃气管、PEX交联管.铝塑复合管.ABS管、PVC管、HDPE硅芯管及各种共挤复合管。
板材和片材挤出:适用于PVC、PET、PS、PP. PC等型材及板材的挤出。
其它幹种塑料的挤出如丝、棒等。
型材的挤出：调节挤出机转速及改变挤出螺杆的结构可适用于生产PVC.聚烯烧类等各种塑料界空材。
单螺杆挤出机原理
单螺杆挤出机原理单螺杆挤出机作为一种常见的挤出机设备，用于塑料加工行业，原理和构造是什么呢？下面从挤出机的输送段，压缩段，计量段来对单螺杆挤出机原理做一个分析。
单螺杆挤出机一般在有效长度上分为三段，按螺杆直径大小、螺距、螺深确定三段有效长度，一般按各占三分之一划分。
单螺杆挤出机原理：料口最后一道螺纹开始叫输送段物料在此处要求不能塑化，但要预热、受压挤实，过去老挤出理论认为此处物料是松散体，后来通过证明此处物料实际是固体塞，就是说这里物料受挤压后是一固体象塞子一样，因此只要完成输送任务就是它的功能了。
第二段叫压缩段，螺槽体积由大逐渐变小，并且温度要达到物料塑化程度，此处产生压缩由输送段三，在这里压缩到一，这叫螺杆的压缩比－－3：1，有的机器也有变化，完成塑化的物料进入到第三段。
第三段是计量段，此处物料保持塑化温度，只是象计量泵那样准确、定量输送熔体物料，以供给机头，此时温度不能低于塑化温度，一般略高点。
SJ系列单螺杆挤出机主要供挤出软、硬聚氯乙烯、聚乙烯等热塑性塑料之用，它与相应的辅机（包括成型机头）配合，可加工多种塑料制品，如膜、管、板、丝带等，亦可用于造粒。
鑫达塑料挤出机设计先进，质量高，塑化好，能耗低，采用渐开线齿轮传动，具有噪音低，运转平稳，承载力大，寿命长等特点。
高速单螺杆挤出机主要用途管材挤出：适用于PP-R管、PE燃气管、PEX交联管，铝塑复合管，ABS管、PVC管、HDPE硅芯管及各种共挤复合管。
板材和片材挤出：适用于PVC、PET、PS、PP、PC等型材及板材的挤出。
其它各种塑料的挤出如丝、棒等。
型材的挤出：调节挤出机转速及改变挤出螺杆的结构可适用于生产PVC、聚烯烃类等各种塑料异型材。
改性造粒：适用于各种塑料的共混、改性、增强造粒。
编辑本段设计理念◎在高品质基础上的高速，高产挤出。
◎低温塑化的设计理念，保证高质量制品的挤出。
◎两阶式整体设计，强化塑化功能，保证调整高性能挤出。
◎特种屏障，BM综合混炼设计，保证物料的混炼效果。
单螺杆挤出机熔融机理分析及应用
华南理工大学瞿金平院士发明的电磁动态塑化挤出机，将振动力场引入到高分子材料加工 的全过程，螺杆轴向往复振动导致熔融长度有效缩短。
电磁动态挤出机
熔融过程可视化实验
谢
谢！
五.提高熔融效率的措施
将固体床与熔池分离，加速熔膜移除 屏障螺杆（BM）源于1963年瑞士技术，副螺棱稍低于主螺棱，主螺棱螺距保持 不变，副螺棱螺旋升角大于主螺棱，螺距逐渐加大到计量段结束。后来出现多种结 构，强化熔融过程。
分离型屏障螺杆
分离型螺杆工作原理
多槽型分离螺杆
五.提高熔融效率的措施
单螺杆挤出机熔融机理分析及应用
广东轻工职业技术学院高分子教研室 广东高校高分子材料加工工程技术开发中心
一. 熔融的概念
单螺杆挤出机工作原理
一. 熔融的概念
单螺杆挤出机挤出过程中的熔融过程是聚合物颗粒所组成的固相 在传导热与粘性耗散热共同作用下逐渐转变为液相的过程,是两相 共存的状态； 塑性变形，压缩做功，塑性耗散作用 熔融过程发生在压缩段，物料将经历螺槽逐渐变浅压缩过程，其 作用是使塑料进一步被压实、塑化，并使塑料内夹带的气体从加 料口处排出，提高塑料的热传导性，使其温度继续升高；
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
经典的Tadmor 固体床熔融模型
Potente 模型同时考 虑了预熔融、熔融及 压缩区固体床加速
二.熔融机理发展历程
可视化实验结果
二.熔融机理发展历程
北京化工大学朱复华教授的带领的课题组通过可视化实验研究，提出了三 段七区模型，在熔融区先后出现熔膜区、熔池区、环流区及固体破碎区，发 现了熔融过程中出现的亚稳态相转变行为。螺杆加工转速越高，固体床破碎 的块数越多，而且粉料更易产生固体床破碎现象。
单螺杆挤出机设计
• 螺杆压缩比和螺槽深度 确定几何压缩比 i 等距不等深（通用型）螺杆压缩比的计算 式如下：
对于大多取经验数据来确定，通用公式 H3=(0.025～0.06)Ds。
再根据确定的螺杆压缩比计算加料段螺杆槽 深度。
• 螺杆各段的确定
高聚物在螺杆中的挤出过程，实际上经历 固体输送，熔融和均化的过程。所以一般 螺杆都设计成三段：加料段，压缩段及均 化段。
• 由轴向力引起的轴向拉应力在机筒全长上 不变，即：
•
z
=
Pz A
prb 2 (Rb2 rb2 )
=
prb 2 Rb 2 rb 2
• 因机筒多为塑性材料，所以当计算出三个 主应力的最大值后，可用第四强度理论进 行设计计算及校核。 按第四强度理论最大变形能理论计算，机筒壁厚的强度条 件为：
在开槽机筒中形成的挤出压力趋势图
二、熔融理论
• 固体物料充满螺槽 →→→→ 形成熔膜→→
• →→→→→→→→→→ 螺纹刮下熔体进入 熔池
• →→ 因熔池中的熔体挤压而使固体床形变， 径向加厚，固体进入熔膜以补充熔体流入 熔池 →→ 不断往复逐渐熔化。
熔体输送
• 设：Q1—送料速率；Q2—压缩段熔化速率； Q3—均化段挤出速率。
螺杆受力分析图
螺杆综合受力为：螺杆轴向力、螺杆扭矩 及螺杆自重产生的压、扭弯的组合。一般 加料段及排气段螺杆根径较小，其承受载 荷力最低，所以螺杆的加料段以加料段的 根径截面计算、校核裁面。
A.机头压力的确定
机头压力可用理论计算方法和实测方法得到。
当关闭机头，可认为挤出量Q=0，若螺杆与
机筒间隙正常，机头最大压力可由下式计
3．7.6 挤出量和停留时间
螺杆的结构分成三段，塑料在这三段上的运 动按一定的规律进行。正常的情况下螺杆 三段在结构上应该符合下列的要求： Q1>Q2>Q3，Q1为加料段流量，Q2为压缩 段流量，Q3为计量段流量，否则就会使挤 出量不稳定和质量低劣。
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单螺杆挤出实验
一、实验目的与要求
了解单螺杆挤出机的基本结构及各部分的作用，掌握挤出成型基本操作；通过实验，理解挤出成型原理，分析挤出工艺参数对塑料制品产量和性能的影响。
二、实验重点与难点
1，挤出成型基本操作和挤出成型原理。
2，挤出工艺参数对塑料制品产量和性能的影响。
三、提问及互动设计
1，单螺杆挤出机结构和挤出成型加工原理。
2，介绍挤出机牌号的含义。
3，要求学生根据高分子物理和聚合物共混原理对具体的聚合物设定挤出工艺参数。
4，讨论影响制品性能和产量的因素。
四、实验讲解
1，挤出机各部分的结构和作用
1）传动装置。
由电动机、减速机构和轴承等组成。
具有保证挤出过程
中螺杆转速恒定、制品质量的稳定以及保证能够变速作用。
2）加料装置。
无论原料是粒料、粉状和片状，加料装置都采用加料斗。
加料斗内应有断料流、标定量料和卸除余料等装置。
3）料筒。
料筒是挤出机的主要部件之一，塑料的混合、塑化和加压过
程都在其中进行。
挤压时料筒内的压力可达55MPa,工作温度一般为
180-250℃，因此料筒是受压和受热的容器，通常由高强度、坚韧耐
磨和耐腐蚀的合金钢制成。
料筒外部设有分区加热和冷却的装置，
而且各自附有热电偶和自动仪表等。
4）螺杆。
螺杆是挤出机的关键部件。
通过螺杆电转动，料筒内的物料
才能发生移动，得到增压和部分热量。
螺杆的几何参数，如直径、
长径比、各段长度比例以及螺槽深度等，对螺杆的工作特性均有重
大影响。
5）口模和机头。
机头是口模和料筒之间的过渡部分，其长度和形状随
所用塑料的种类、制品和形状、加热方式及挤出机的大小和类型而
定。
机头和口模结构的好坏，对制品的产量和质量影响很大，其尺
寸根据流变学和实践经验确定。
2，实验步骤
1）工艺参数控制
温度控制：塑料的挤出成型温度包括料筒、机头和口模等温度控制，这些温度控制与物料粘度的高低，对温度的敏感性和高聚物聚集态等有关，一
般来讲，低粘度物料的机头和口模温度低，高粘度物料的机头和口模温度高，
流动性好。
转速控制：对于挤出加工来说，螺杆转速加大，则剪切速率增加，热塑性塑料熔体大体都是非牛顿型假塑料流体，其粘度随剪切速率的增加而下降，
流动性提高挤出产量也随之提高。
但是过大的剪切速率熔体粘度过低，会造
成生产操作上的困难，同时低粘度熔体在螺杆反压作用下倒流、漏流量明显
增加，在一定程度上又影响了产量，又是，甚至会出现螺杆在高转速下打滑
现象，因此应该把螺杆转速控制在一定范围内。
此外，在生产过程中，应尽
量保持螺杆转速稳定，避免时快时慢。
否则，将会因物料熔融粘度变化过大
而造成出料不均，影响正常生产。
2）开、停机操作
检查挤出机的各部分，确认设备正常，接通电源，设定挤出温度参数，加热。
当各部分达到指定温度后，再保温20-30分钟，检查机头连接螺栓是否松动，并趁热拧紧，防止漏料。
开动挤出机，调节转速。
挤出平稳，继续加料，调整各部分工艺参数，维持正常操作。
观察挤出物料形状和外观质量，挤出物均匀、光滑时的各段温度等工艺条件，记录一定时间内的挤出量，计算产率，重复加料挤出。
实验完毕，关闭主机和电源。
如果停机时间较长，对热稳定性较差的塑料一定要将料筒内的塑料全部挤出，以免下次开机时，因升温和保温时间长
而引起热分解，必要时，对机头、螺杆和多孔板应拆卸清洁，对于热稳定性
好的物料可以带料停机。
3，实验报告
1）列出实验用挤出机的技术参数。
2）报告实验所用原料及操作工艺条件，计算挤出产率。
3）讨论：结合试样性能结果，分析产物性能与物料、工艺条件及实验设备操作的关系。
影响挤出物均匀性的主要原因有哪些？怎样影响？如何控制？4，实验注意事项
1）实验前应充分预习，了解原料品种、规格，提出温度控制范围，了解挤出工艺。
2）熔体被挤出之前，任何人不得在机头、口模的正前方。
挤出过程中，严防金属杂质、小工具等物落入进料口。
3）按操作程序开机，注意启动挤出机时，转速要缓慢上升，同时注意进料情况。
4）操作时分工负责，协调配合，注意观察现象，详细记录，并进行分析，如发现异常现象，根据分析原因采取适当处理方法。