第三章(挤出机)

④温度的调节：挤出机的加热和冷却系统
2、压力
形成：机头滤网等，螺杆压缩段的作用
普通三段式螺杆
加料段开槽的IKV料筒
3．流率（挤出量，Q/n）
4．能量（功率）
能量平衡方程
Z + HJ = QV (T2 − T0 ) ρCV J + QV ΔP + H '
二、物料在挤压系统中的流动理论
物料自料斗下料，通过三个职能区域：固体输送区、 熔融区、熔体输送区。固体输送区：物料向前输送并 被压实，但仍以固体状存在；熔融区：已熔的物料和 未熔的物料以两相的形式共存， 未熔物料最终全部转变 为熔体；熔体输送区： 螺槽全部为熔体充满。
×
– Z
× ×
塑料机械 挤出成型机械 品种代号 辅助代号 规格参数 设计序号
例如： 螺杆直径为45mm，长径比为20：1，采用平吹法生产 最大折径为500mm的吹膜辅机，型号表示为SJPMZ45-500。 螺杆直径为65mm，长径比为25：1，经过第一次改 进，生产最大折径为60mm的软管辅机，型号表示为 SJRG-Z65×25-60A
2、螺杆强度计算
压应力 扭矩剪力 σ压＝﹝1.15～1.25﹞pD2/﹝D2根－d02﹞ τ=Mk/Wp Mk=97360ηNmax/nmax Wp=πD3根﹝1-C4﹞/16 , C=d0/D根 自重弯曲应力 σ弯＝GL/2W G=π﹝D2+ D2根﹞Lγ/8 W=πD3根﹝1-C4﹞/32 , C=d0/D根 塑料材料复合应力用第三强度理论
4、螺杆各段参数的选择要全面考虑，兼顾三段
①加料段：输送物料给压缩段和均化段 a结晶性高聚物 L=60—65% b非结晶性高聚物L=10—25% ②熔融段：压实物料，熔融物料 a结晶性L=（3—5）D b非结晶性L=50—60% 压缩比I ：将物料压实，排除气体，建立必要压力，保证 物料到达螺杆末端时有足够的致密度 ③均化段：将已熔物料定压定量定温地挤到机头中 L3=20～50% H3=﹝0.025～0.06﹞Ds
第六节 分流板、过滤网
一、作用：料流由螺旋转化为直线运动 阻止未熔体及杂质进入机头 提高熔体压力，保证塑化质量 二、结构：平板式、圆筒式 孔径3-7㎜ 开孔率30—50% 厚15—25㎜ 排列成同心圆或六角形或菱形 三、过滤网 滤网40—120目 325母（南韩） 1—5层 普通网、席形网（编织网）、组合网
四、挤出机的分类
按螺杆数目：单、双螺杆； 按是否排气：非排气挤出机、排气挤出机； 按挤出机螺杆在空间的位置：卧式、立式； 按挤出机的装配机构：整体式、组合式。 按用途：制品成型、混炼造粒和压延机喂料
五、单螺杆挤出机的主要参数 螺杆直径（D），长径比（L/D)，转数，驱动 功率，生产率，外形尺寸等。 六、螺杆的主要参数 螺杆分段：加料段，压缩段（转化段），均化段（计量段） 螺槽深度：h1，h2（变化的），h3 压缩比（ε = ( D − h )h
第三章 挤出机
第一节 概述
一、挤出成型的过程 塑料原料
加热相变 挤出主机
塑料熔体
加压
挤出模具（机头） 切割 切割装置
初始形状的连续
定型 冷却（定型）装置
最终形状的连续体
一定规格的制品
二、挤出成型的特点
1、由于挤出过程具有连续性，故可生产任意长度的制品， 并且效率高、易实现生产过程的自动化。 2、应用范围广，能加工绝大多数的热塑性塑料和一些热固 性塑料。 制品成型：管材、板材、棒材、异型材、薄膜、丝、带 等； 原料准备工序：混合、塑化、脱水、着色、造粒、压延 喂料等； 半成品的加工：电缆料、色母料等。 3、由于挤出机结构简单，操作方便，成本低，故投资少， 收效快。
三、新型螺杆设计中注意的问题 1、新型螺杆的原理及适用场合 2、选择合理混炼剪切位置 3、熔融、计量、输送相配合
第五节 料筒
一、料筒的结构
整体式机筒：长度大，易加工，温度一致性好 分段式机筒：加工容易，便于改变长径比 双金属机筒：（衬套式、浇铸式)节省优质材料
二、下料口的开设形式，加料口及加料段的结构
= (1 − ψ Z / 2 H )
x / w = (1 − φ w H 0 Z / 2GH )
2
（三）熔体输送理论
熔体模型： 1、物料全塑化熔融 2、等温牛顿体，黏度密度不变化 3、稳定的层流，熔体不可压缩 4、螺距不变，螺槽等深，曲率忽略 5、因螺槽宽度比深度大的多，认为整个螺槽的 速度分布是不变的 6、展开的螺筒运动，螺杆固定不动
三、挤出机的组成 1、主机
挤压系统：由机筒、螺杆、分流板和过滤网组成 传动系统：由电动机、齿轮减速箱和轴承组成 加热冷却系统：由加热器、冷却装置组成 加料系统：由料斗和自动上料装置组成
2、辅机 机头（挤出成型模具） 定型装置 牵引装置 切割装置 卷曲装置 堆放装置 拉伸装置 其他（如：测厚、测宽、表面处理等） 3、控制系统 主要由各种电器、仪表和相关的执行机构组成
H1 = 0.5(Ds ) − Ds2 − 4εh3 (D − h3 )
5、间隙δ 6、螺杆其他参数：螺纹升角φ，螺距S=D 7、螺杆头部结构和螺纹断面形状 ①半圆、平、锥、尖、螺纹头
②螺棱断面：矩形（输送段）、锯齿形（压缩段 和均化段）
三、螺杆材料及强度计算
1、材料 ① 40Cr 镀Cr ②38CrMoAl 氮化层 0.4—0.7㎜ 综合性能优异，但不耐腐蚀 ③高耐磨耐腐材料 加Cr、Ni、Mo， 34CrAlNi-、31CrMo– ④双金属材料的螺杆料筒：先在粗加工后的 毛坯上，先车槽后堆焊再做螺槽
（一）固体输送理论
如计算固体输送流率，必把料筒转动线速度V= пDn， 该段的物料运动假设为理想化的物理模型。
流率Q = Vp1 F
= πD b n(tgφtgθ ) /( tgφ + tgθ ) F = ∫ (2πR − Pe / sin α )dR
Rb 2 = π Rb2 − R s − Pe h1 / sin φ
2、屏障型螺杆
在螺杆的某些部位设置屏障段，使未熔的固体不能通 过，并促使固体熔融。
3、分流型螺杆
销钉螺杆、DIS螺杆、CTM模腔 传递混合器
４．变流道型螺杆
通过改变塑料在螺杆中 流道截面形状或截面积大小， 来促进物料塑化和增强混炼 ①波状螺杆
②HM多角形螺杆
５、组合螺杆
将起不同作用的结构单元分工为输送元件、压缩元 件、剪切元件和均化元件任意合。 ①可以组合成混炼造粒螺杆 ②可以组合成挤出成型螺杆
如果要了解整个机组的工作特性，必须了解螺 杆和口模两者的特性线。 （一）螺杆特性曲线 反映一根螺杆综 合性能好坏，稳定转 速下做的压力对产量 的曲线。
（二）口模特性线 熔体通过口模的流率方程为Q=K△P/η ， K 为口模常数，与口模结构有关。
（三）挤出机的工作图
第三节 常规螺杆的设计
一、评价螺杆的特性及设计螺杆应考虑的因素 评价的方面： 1、塑化质量（螺杆质量的好坏影响着压力、流 量、温度波动大小，塑化均匀的好坏也关系 产品质量的好坏） 2、产量 3、单耗 N/Q 4、适应性：物料品种，机头种类 5、制造难易（成本）
Vp1 = Vb (tgφtgθ ) /( tgφ + tgθ )
= πh1 (Db − h1 )(1 − Pe / (Db − h1 )sin φ ) = πh1 (Db − h1 )W / W + e
(
Rs
)
(
)
tgϕ b tgθ W ( ) Q = π nh1 Db ( Db − h1 ) tgϕ b + tgθ W + e
2、关于螺杆直径的确定 国标系列：30、45、65、90、120、150、200 确定直径D：①产品截面积的形状和大小 ②加工塑料的种类和生产率，辅机配备 经验公式：Q=βD²n β—出料系数0.003—0.007 3、关于螺杆长径比L/D的确定 在一定意义上L/D反映塑化能力大小，特别当转 速提高后相变点后移，只有加大L/D才可获得较好的 塑化效果。 长径比大，则塑化剪切时间长，可以低温挤出， 可以提高转速，但制造困难。
2
（二）熔融理论
在压缩段（熔融段）内既有固相也有液相，完 全正确的描述比较困难。目前的实验方法是： 在正常稳定挤出时，对机筒螺杆急速冷却，抽 出螺杆观察料流建立了物理模具（熔融模具）。
假定： 1、挤出是稳定的，速度、温度分布不随时间变化 2、整个固相为一个连续整体 3、塑料熔融温度较窄，固液相界面分明 4、螺槽是矩形的 5、固体塞子厚度无限，密度不变，横过固体床宽度 的厚度不变 6、机筒转动而螺杆静止最后推导计算出固相分布函 数
Q = Qd − Q p − Q1 − π 2 D 2δ 03tgϕ ( p2 − p1 ) / 10 μ 2 e′L3 = π 2 D 2 nhs cos ϕ sin ϕ / 2 − πDh 3 sin 2 ϕ ( p2 − p1 ) / 12 μ1 L3
正流、横流、压力流和漏流
三、螺杆、机头联合讨论挤出机的特性
σ 总 = σ = σ
σ
压
2
+ 4τ
弯
2
≤ [σ
]
[σ ] =
+ σ
T
σ
/ nT
第四节 新型螺杆
一、常规三段螺杆存在的问题 1、加热效率低 2、固体床破碎导致温度、塑化极不均匀 3、压力、温度、产量波动大 4、混炼效果差 5、产量低
二、几种新型螺杆
1、分离型螺杆 固液分离 ①BM螺杆 双螺纹 L/D=25-30 δ´=ns/（n-1） δ´=0.38—0.76㎜ 液相槽始终与均化段等深，均化段较深 ε=2 ②另外还有Barr螺杆、熔体槽螺杆及XLK螺杆。
3
( D − h1 )h1
3
），
螺纹螺距，螺纹升角，螺纹头数，螺棱宽度等。
普通螺杆的基本结构及其参数
七、挤出成型设备的型号表示
1、主机的型号表示 S J
×
–
× ×
塑料机械 挤出成型机械 品种代号 规格参数 设计序号
例如： 螺杆直径为90mm，长径比为20：1的双螺杆挤出机，型 号表示为SJS-90。 螺杆直径为150mm，长径比为15：1，经过第二次改进 的喂料挤出机，型号表示为SJW-150×15B
设计时考虑的因素 1、物料特性及几何形状，尺寸和温度状况 2、口模的几何形状、机头阻力的大小 3、料筒的结构形式和加热冷却情况 4、螺杆的转数n 5、挤出机的用途：成型、混合、造粒、喂料
二、常规全螺纹三段螺杆的设计 1、螺杆型式的确定 ①渐变型螺杆 压缩段槽深为渐变的，传热好，剪切不剧烈，混炼 效果不好。适用于热敏性物料、结晶非结晶性物料。 ②突变型螺杆 剪切剧烈，传热不太好。适用黏度小、具有突变熔点 的物料，如PA、PS、PP等 ，但PVC等黏度高的会局 部过热。已由在（1—2）D内发展到在（4—5）D内 完成相变。
第二节 挤出过程和挤出理论
一、挤出机的工作过程
热塑性物料有三态：玻璃、高弹、粘流态。简 述物料在挤压系统中的压缩、熔融、均化成型 挤出过程。描述这一过程的主要参量有：温度、 压力、流率和能量。 1、温度 ①来源：外加热源、摩擦剪切热量。 ②温度曲线：如下图3－3。 ③温度的波动：加热器的断通，固体床的破碎， 温度梯度
图 3－47 冷却加料段料筒的结构 1－绝热层 2－冷却水槽 3－螺杆 4－端盖 5－套 6－沟槽
三、输送段的纵向沟槽和锥度长度L=（3-5）D 沟槽的形状和数目
四、料筒的材料及强度计算 我国多用38CrMoAl，发达国家多用Xaloy 合金（482℃时Rc58-64，且耐腐蚀能力比渗 碳钢大12倍；1200℃时即可熔融成流动状态） 材料与螺杆相同 五、料筒的壁厚 P160B3-8
2、辅机的型号表示 S J × – F × ×
塑料机械 挤出成型机械 品种代号 辅助代号 规格参数 设计序号
例如： 与挤出机配套，采用平吹法生产最大折径为500mm的 吹膜辅机，型号表示为SJPM-F500。 与挤出机配套，生产最大折径为60mm的软管辅机，型 号表示为SJRG-F60。
2、挤出机组的型号表示 S J
四、新型过滤器：长效，快换，不停机，多功能
Байду номын сангаас
五、静态混合器
在螺筒内加装分流、汇合混炼元件，让物料在流动的过 程中实现混 炼、均化的作用， 而不需要螺杆的 转动和螺棱的搅动。 ①Kenics静态混合器 ②Ross静态混合器 ③Sulzer静态混合器
第七节 加料装置
一、料斗的形式 圆形锥底、方形锥底、自热干燥料斗 二、上料方式 人工、鼓风、弹簧、真空（可以除去原料 中的空气和湿气） 三、强制加料结构 1、防止架桥 2、定量施压加料，有搅拌、螺旋、活塞等方式 四、加料装置的基本要求 1、有自动上料装置和计量器； 2、带有预热干燥或抽真空装置； 3、进料均匀； 4、如需混用两种或以上物料，需搅拌装置。