《螺杆挤出机》PPT课件.ppt

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1、第六章 螺杆挤出机,第一节 概述第二节 基本结构第三节 工作原理与产量分析第四节 特型螺杆和排气挤出机第五节 挤出联动线,汽车与机械工程学院材料成型与控制工程系2011年5月-2011年6月,第一节 概述,挤出成型，也称压出成型。是将聚合物固体物料加热熔融成熔体，借助螺杆的挤压作用，推动黏流态物料，使其通过口模而成为截面形状与口模形状相仿的一种连续体的成型方法。相应的设备称为螺杆挤出机。,应用广泛、地位突出,一、挤出成型过程,物料（粒料或粉料）,加入挤出机,物料被加热并向前输送,物料变成熔体被挤出,熔体进入机头模成型,定型套定型,冷却槽中冷却,牵引,切割（或卷取）,二、挤出机的分类,按螺杆数目

2、的多少，可以分为单螺杆挤出机和多螺杆挤出机；按可否排气，分为排气挤出机和非排气挤出机；按螺杆的有无，分为螺杆挤出机和无螺杆挤出机；按螺杆在空间的位置，可分为卧式挤出机和立式挤出机。,三、挤出机的技术规格与表示,挤出机的规格主要以螺杆直径来表示。按中华人民共和国国家标准GB/T12783-1991 的规 定，国产橡胶塑料机械产品型号编写为由产品代号、规格参数即设计序号所组成，其书写格式规定如下：,参数代号,组别代号,品种代号,辅助代号,规格参数,设计序号,产品代号,例如：XJ-90SJ-6530B,第二节 基本结构,挤出设备,主机（挤出机，Extruder）,机头（挤出模头或模具，Die）,辅机

3、（定型、冷却、牵引、切割、卷取装置）,控制系统（主辅机的控制）,一、整体结构,主机（挤出机）,挤出机由挤压系统、传动系统、加热系统和控制系统组成。是挤出成型过程中的关键设备，他的规格及工艺控制直接影响挤出过程的产量、质量。挤压系统：由螺杆和机筒组成，是挤出机的关键部分，物料在挤压系统中被塑化成均与熔体，并在螺杆的推压作用下，向前运动，并被压实、挤出。传动系统：其作用为驱动螺杆传动，并保证螺杆转动所需的力矩和转速，有减速箱和电机组成。外加热冷却系统：保证加工过程温度的要求，一般在机筒外面设有加热圈，而在螺杆的尾部设有冷却装置。主机控制系统：控制螺杆转速、料筒、螺杆、机头温度。,塑料挤出机与橡胶挤

4、出机的区别在于：螺杆结构和主要参数不同加热冷却系统不同（前者用电加热，后者用水、油等载体加热）,机头,机头（模头）是制品成型的主要部件，熔融塑料通过它获得一定的几何截面和尺寸。挤出成型塑料制品和制品的更新换代，最后都是由机头及其定型装置所决定的。,辅机,辅机是由定型装置、冷却装置、牵引装置、切割装置以及制品的卷取或堆放装置等部分所组成定型装置：其作用是将从机头中挤出来的塑料的既定形状稳定下来，并对其进行精整，从而得到更为精确的截面形状、尺寸和光亮的表面。通常采用冷却和抽真空的方法来达到这一目的；冷却装置：由定型装置出来的塑料在此得到充分的冷却，获得最终的形状和尺寸；牵引装置：其作用为均匀地牵引

5、制品，并对制品的截面尺寸进行控制，使挤出过程稳定地进行；切割装置：其作用是将连续挤出的制品切成一定的长度或宽度；卷取装置：其作用是将软制品(薄膜，软管、单丝等)收卷成卷。,控制系统,挤出机的控制系统主要由电器、仪表和执行机构等组成，其主要作用有：控制主、辅机的拖动电动机，使其满足工艺所要求的转 速和功率，并保证主、辅机能协调地运行；控制主、辅机的温度、压力、流量和制品的质量；实现整个挤出机组的自动控制和对产品的质量控制；,二、主要结构零部件,（一）螺杆：是挤出机完成物料塑化和输送的关键工作部件，是挤出机的“心脏”。螺杆要求耐高温，高强和尺寸稳定性，耐化学腐蚀和耐磨。一般采用经过氮化处理的38C

6、rMoAl的合金钢。,螺杆结构分类,按螺纹结构分为普通型和特型螺杆。普通螺杆是指在工作长度上为全螺纹的螺杆。根据螺槽深度与螺距不同，将普通螺杆分为：等距变深螺杆 加工制造容易，成本低，利于进料和熔融物料，但压缩比过大易折断螺杆。等深变距螺杆 可以通过增加螺杆转速提高生产能力，利于实现大压缩比，但倒流量大，均化作用差，机械加工困难。变深变距螺杆 具有前两种的优点，大压缩比，但加工复杂，成本高。,双螺纹螺杆,螺杆主要结构参数,螺杆直径（D）：螺杆外径，由挤出产量来确定。螺杆长径比（L/D）：螺杆工作长度L与外径D之比。其大小表示单位质量的物料在螺杆中流经时间的长短。,增加长径比：,物料熔融均匀、压

7、力稳定；减少逆流和漏流；可增加转速提高生产能力,加工与装配困难，成本提高，螺杆易弯曲变形，功率消耗增大,根据所加工物料的性能和制品质量的要求来考虑长径比的选择,螺杆主要结构参数,螺槽深度：螺纹外半径与其根部半径之差。压缩比：螺杆进料段第一个螺槽容积与计量段最后一个螺槽容积之比。根据不同物料和工艺条件确定,不同物料对挤出机螺杆的压缩比要求,螺杆的分段,根据加工物料的状态变化，将螺杆的工作长度分为三段：进料段、压缩段、计量段三段式螺杆三段式螺杆各段结构参数均不相同。挤出三段论,固体输送理论、熔融理论、熔体输送理论,挤出螺杆各区段的基本职能,加料段：对物料进行压实和输送。在该段末端，由于摩擦和加热，

8、物料开始熔融（固体输送段）；熔融段：对物料作进一步的压实、排气，并使物料在外加热和机械搅拌、剪切的作用下混合、塑化。在该段末端，物料全部或大部分熔融成黏流态（压缩段）；均化段（计量段、熔体输送段）：对物料进一步的塑化、均化，并使其定压、定量、定温的从机头挤出。一般把物料在均化段中的流动视为顺流、反流、漏流和环流的综合流动。,螺杆中熔体的流动,顺流，即正流，是物料沿着螺槽方向向机头的流动，其流量以Qd表示。它是由于螺杆转动时螺纹对物料的推动而产生的。反流，即倒流和逆流，它的方向与顺流方向相反，其流量以Qp表示。它主要由于机头阻力所致。漏流，发生在螺杆与机筒间隙之间，也是由于机头对物料的压力所引起

9、，其方向沿螺杆轴向，用Ql表示。环流，是熔体在与螺槽方向（即顺流方向）相垂直方向的流动，是螺杆转动引起的。环流有助于熔体的混合、搅拌和热交换，因而有利于物料塑化和均化。,螺杆中熔体的流动,加料段,作用：输送物料给压缩段和计量段，其任务是压实物料并将料温提升到熔触温度；核心问题：固体输送能力研究表明：缩短加料段的螺距，会导致产量降低；加料段的长度与压力的建立、熔融区的熔融状况和波动有关加料段螺槽深度通常是在确定计量段螺槽深度后，结合材料的压缩比才确定的螺纹升角=1741,压缩段,作用：熔融物料并建立熔体压力，其螺杆参数应能满足物料的物理压缩比压缩比有两层意思：一是指由螺杆结构形成 的螺槽容积的几

10、何压缩比；二是指物料由固体松敞状态转变为密实的熔体的密度变化的物理压缩比。压缩比的作用是将物料压缩，排除出气体并建立起必要的熔体压力，以保证物料到达螺杆末端时能有足够的致密度压缩段长度的确定：经验方法,计量段,作用：是将来自压缩段的已熔物料的组分均化、并定压、定量和定温地挤入机头中去。该段的螺槽深度h和长度L是两个重要的参量。计量段长度：确定仍以经验为主，长度长一些，可以使物料得到相对长一些的均化时间，也可以减少压力、产量和温度的波动。螺槽深度：应当使该段的均化能力与压缩段的熔融能力相匹配，以控制挤出量。,螺杆其它参数,螺纹升角：能影响产量；物料形状不同，对螺纹升角的要求也不同螺距：螺杆上相邻

11、螺纹之间的轴向距离称为螺距螺棱宽度：太小，漏流会增加，从而降低产量；太大，会增加螺棱上的动力消耗，还会造成局部过热,螺杆头部结构和螺纹断面形状,当塑料熔体从螺槽进入机头流道时，其料流形式急剧改变，即由螺旋带状的流动变为直线流动。为了得到较好的挤出质量，要求物料尽可能平稳地从螺杆进入机头，并尽可能避免局部受热时间过长而产生热分解现象。这与螺杆头部形状、螺杆末端螺纹的形状以及机头体中流道的设计和分流板的设计等均有密切的关系。对于螺杆头部的结构形式长期以来就是实践和理论研究中的一个课题。由于实际情况的复杂性，一直存在着不同的观点。螺杆头部的结构形式，必须与被加工的物料品种、产品类型以及原料形状等因素

12、相关。,常见的螺纹头部形式和螺纹断面形式,（二）机筒,二种结构形式：（1）整体式机筒：长度大，加工要求高，但加工精度和装配精度易于保证，机筒受热均匀。不足是对加工机筒的设备要求较高，机筒内表面磨损难以修复。（2）分段式机筒：加工比较容易，便于改变长径比。不足是分段太多，难以保证多段对中，法兰连接处会影响机筒的加热均匀。,为了满足材质要求，又节约贵重金属，现采用双金属机筒,双金属机筒,主要有两种结构形式：衬套式机筒、浇注式机筒主衬套式机筒：一般是在大中型挤出机的机筒内装配入一个可更换的合金铜衬套，衬套可以制作成整体式或分段式的形式，而机筒则用一般碳素钢或铸钢制成。特点：节省贵重金属，衬套磨损后可

13、以更换，提高了机筒的使用寿命，但增加衬套后，使设计、加工和装配都会产生一些新问题。浇注式机筒：是在机筒内壁上离心浇铸一层大约 2mm 的耐磨合金然后研磨至所需的内径尺寸。特点：合金层与机筒的整体结合很好，且沿机筒轴向长度上的结合较均匀，既没有剥落的倾向，也不会产生开裂，故耐磨性高，使用寿命较长。,机筒的加热冷却,在机筒上铸出空腔缺点：冷却水在空腔中走捷径，冷却面积小，效率差。,将机筒内腔铸成螺旋槽，促使冷却水沿螺旋槽流动。冷却效果好，但冷却面积小，密封性不好，易漏水。,将外面为螺旋槽或环形槽的冷却水套装入机筒内腔中，冷却水沿槽依次冷却。具有“散热片”形状，散热面积大，能带走大量热量，冷却效果好

14、，密封性能也好。,挤出机的加热方法：,载热体加热：蒸汽或热油等电阻加热：带状电阻加热器，铸铝铸铜加热器，陶瓷加热器电感应加热器：电磁感应在机筒内产生电的涡流而使机筒发热，从而加热机筒内的塑料远红外加热：一项新型的加热技术,挤出机冷却,机筒的冷却螺杆直径45mm以上的挤出机均应设机筒冷却装置冷却方式：鼓风冷却、散热冷却和水冷却螺杆的冷却螺杆冷却的目的，主要是为了有利于加料段物料的输送，同时也可以防止机筒内塑料因过热分解，还有利于物料中所含的气体能从加料段的冷混料中返回并从料斗中排出冷却介质：水、空气料斗座冷却加料段的塑料温度不宜太高，否则不仅会影响固体输送效率，而且易使物料在加料口处形成“架桥”

15、，使料斗内的物料不易加入,喂料口,加料口的俯视形状有圆的、方的及矩形的，一 般多采用矩形，其长边平行于机筒轴线，长度均为螺杆直径的1.52倍。圆形加料口则主要多用于设置机械搅拌器进行强制加料的场合。,塑料加料装置,以粒料或粉料为原料的塑料挤出机机筒喂料口一般设有连续加料系统。它由加料斗和上料部分组成。,加料装置的要求,应设有料位计量器，能经常计量料斗中的料量并用来控制料位高度，使料位能始终保持在一定的水平上；带有预热干澡或抽真空装置，对一些有特殊要求的物料起到预热干热或去除物料中所含水分及气体的作用；进料要均匀，物料不会在料斗或机筒的进料口处产生“架桥”等阻塞现象；如果要混用两种或以上原料，在

16、料斗中还可以设置搅拌混合装置。,（三）机头,机头的作用：使熔融物料由螺旋运动变为直线运动；产生必要的成型压力，以保证制品密实使物料进一步塑化、均化成型制品多用来成型热塑性塑料制品，也有用来挤塑热固性塑料半成品。挤塑机头部配以不同类型的机头及相应的定型装置和辅机，可生产出棒材、管材、异型材、板材、片材、薄膜、单丝、电线、电缆、造粒、挤网、中空制品坯管等型材和制品。,机头分类,按机头与螺杆相对位置分：直向机头、横向机头和旁侧式机头。按机头结构分:有型芯机头和无型芯机头按机头内压力大小分：低压机头（10MPa）,机头结构,片状机头,第三节 产量分析,（一）产量计算 均化段的生产率是由正流流率Qd逆流

17、流率Qp和漏流流率QL三部分组成的,=,基本假设,计量段中物料是已完全熔融的等温状态的牛顿流体，它在螺槽中的流动为层流流动；熔体的压力仅仅是沿螺槽方向的函数；熔体不可压缩，其密度不变；螺槽宽度与深度之比大于10；将螺杆和机筒分别展为两个大平面，并设螺杆平面静止而机筒平面以Vb=pD平移。,经验公式,b为经验出料系数，由经验和实测决定D为螺杆直径N为螺杆转速,（二）影响生产能力的因素,1.螺杆转速其他条件一定时，挤出量与螺杆转速成正比。但：转速过大，导致剪切力过大，物料易过热降解；转速增大，物料在螺杆中停留时间短，熔融与均化作用下降。功率增加,2.机头压力,A、B、C都是仅与螺杆几何尺寸有关的参

18、数，对于给定螺杆，他们为常数。Ql较小，一般可以忽略。Q与n的关系曲线，即图示AB线，称为螺杆特性曲线。,=,机头特性线挤出机的工作点必定是螺杆与机头特性线的交点。,n3n2n1,K1K2K1,在给定的螺杆和口模下，工作点会因螺杆转速的改变而改变；在给定的螺杆下，若更换机头，工作点C也会随之改变。,3.螺杆直径,从挤出量的理论公式和经验公式可以发现，增加螺杆直径，可使产量大幅度增加。这也是提高挤出机生产能力的一个重要途径。4.螺槽深度存在一个最佳值。h3小，挤出稳定性较好，且物料受到的剪切作用大，有利于计量段的进一步塑化和均化，但过浅可能会引起热敏性物料的分解。,5.计量段长度,增加L3，可减

19、少反流和漏流，从而相对提高产量。计量段较长的螺杆，工作特性较硬。,根据挤出理论，可以得知,提高挤出机加料段的固体输送能力是提高挤出机螺杆生产能力的先决条件；而螺杆的熔融塑化能力则是提高螺杆生产能力和保证制品质量的关键；此外，挤出机螺杆的三个区段的工作能力必须均衡，才能使螺杆达到最佳的工作效能；螺杆的固体输送能力与熔融塑化能力必须匹配；现代螺杆挤出机的生产能力之所以能获得飞速的提高，其中一个很重要的原因就是充分采取有效的改进措施，强化固体输送能力，提高熔融能力，并在此前提下，保证螺杆能有更多的均化能力。,第四节 特型螺杆和排气挤出机,特型螺杆普通单螺杆存在问题和改进方法：核心问题：产量低、质量差

20、、适应性窄,典型的新型螺杆，主要是指：,（1）分离型螺杆（2）屏障型螺杆（3）分流型螺杆（销钉螺杆、DIS螺杆）（4）变流道型螺杆（波状螺杆、多角型螺杆）（5）组合型螺杆 新型螺杆在原理、结构设计上有许多特点，它们 是在常规全螺纹三段螺杆的基础上发展起来的，目前 已得到广泛应用。,（1）分离型螺杆（增强熔融功能）,设计原理：分离型螺杆是根据将螺槽中固液相尽快分离的原则设计出来的螺杆，它根据物料传热原理实现熔融增强功能。固液相尽早分离，固体尽快熔融，液相低温挤出，保证质量，提高产量。将已熔融的物料和未熔融的物料尽早分离，从而促进未熔物料更快的熔融，使已熔融物料不再承受导致过热的剪切，而获得低温挤

21、出，在保证塑化质量的前提下提高挤出量。典型代表是BM螺杆（也叫主副螺纹螺杆）、Barr 螺杆、熔体螺槽螺杆、XLK螺杆、SDS螺杆等,基本结构：分离型螺杆（BM螺杆）的加料段和均化段 与普通螺杆的结构相似。不同的是在加料段末端设置一条起屏障作用的附加螺纹(也称副螺纹或屏障螺纹)，其外径小于主螺纹，如图所示。,结构特点,副螺纹的始端与主螺纹相交。由于副螺纹的升程与主螺纹不同，在固体物料熔融结束之处或者是相当于普通螺杆熔融段末端与主螺纹相交。液相螺槽：副螺纹后缘与主螺纹推进面所构成的液相槽。其宽度从窄变宽，直通至螺杆头部，均化段螺纹升程等于副螺纹的螺纹升程。固相螺槽：副螺纹的推进面与主螺纹后缘构成

22、的固相槽。其宽度从宽变窄，固相螺槽与加料段螺槽相通，且在分离段末端结束。固相螺槽和液相螺槽的螺槽深度都从加料段末端的螺槽深度h1逐渐变化到均化段螺槽深度h3。副螺纹与机筒内壁形成的径向间隙只能让熔料通过，而一般固体颗粒不能通过。,BM螺杆优点,塑化效率高，塑化质量好，由于固液相分离；产量、压力、温度波动小，由于没有固体床解体；排气性能好，由于固液相分离，不混合；单耗低，由于塑化效率高，减少了能耗；适应性强，可用于多种用途、适用多种物料；耐扫膛性能好，由于固液相分离，固体颗粒不能嵌入数值较小的主螺纹与机筒的缝隙中；能实现低温挤出，已熔融物料不再承受导致过热的剪切，而获得低温挤出。,BM螺杆缺点,

23、加工制造困难。由于主附螺纹螺距不等给加工制造带来很多困难熔融能力受到限制。由于它的固体床的宽度是由宽变窄，因此不能自始至终保持固体床与料筒壁之间的最大接触面积而获得来自料筒壁的最多热量，从而使熔融能力受到限制可能引起螺槽堵塞而产生挤出不稳定。固体床在宽度方向要发生形变，如设计不当，即固体床因熔融而发生的宽度的减少与固相螺槽宽度的减少不一致，有可能引起螺槽堵塞而产生挤出不稳定,2.屏障型螺杆（增强混合功能）,设计原理：屏障型螺杆就是在螺杆的某部位设置屏障段，使未熔的固体颗粒不能通过，并促进固相熔融的一种螺杆。因此，可以说上述的分离型螺杆也是屏障型螺杆的一种，不过，通常所说的屏障型螺杆是指屏障段设

24、置在熔融段之后的螺杆。,基本结构（一种常用“直槽屏障型螺杆”的屏障段）工作原理（物料做涡状环流运动、提高混合效果）工作时，物料由进料槽流入。只有熔融的物料和粒度小于间隙h的固相碎片才能越过h，即图中划剖面线处）而进入出料槽，而那些未熔的粒度较大的固相碎片被屏障阻挡。,屏障型螺杆特点,剪切作用：熔料和未熔融但能通过h的固相碎片在通过h时，受到强烈的剪切作用。混合作用：进入出料槽的物料在槽中产生涡流而得以混合。如果设计得当，这种带有屏障段螺杆的产量、质量、单耗等项指标都优于常规全螺纹三段螺杆从制造方面来说，也比较容易它适于加工聚烯烃类塑料,3.分流型螺杆,分流型螺杆是在常规全螺纹三段螺杆上设置分流

25、元件的一类新型螺杆。它是利用设在螺杆上的销钉或者利用在螺杆上开设孔道将含有固体颗粒的熔料分割成许多小料流，然后又混合起来，经过以上反复出现的过程以达到分散和均化物料的效果，所以称为分流型螺杆。利用销钉起分流作用的，简称为销钉螺杆,销钉螺杆工作原理,销钉螺杆就是在螺槽中设置一些销钉，将固体床打碎，破坏熔池，打乱两相流动，并将料流反复地分割，改变螺槽中料流的方向和速度分布，使固相和液相充分混合，增大固体床碎片与熔体之间的传热面积，对料流产生一定的阻力和剪切，促进熔融。另外，通过销钉将熔料多次分割、分流而增加对物料的混炼、均化和添加剂的分散性，获得低温挤出。,（1）销钉的设置：销钉的数目、大小和位置根据所加工的物料、加工的要求来确定。如果设置销钉是为了增加熔融效率，销钉一般设在熔融区；如果是为混炼、均化和获得低温挤出，则销钉宜设在均化段；销钉的排列有多种形式，如人字形、环形和沿螺槽均布形等。销钉之间的距离一股不超过销钉直径的1.5倍，销钉的直径与其高度之比为0.252。（2）销钉的形状：可以是圆柱形、方形或菱形的（3）销钉螺杆的优点：实践证明，销钉螺杆可以提高产量，并可有效地减少 温度波动和温差；可明显改善塑化质量，提高混合均匀性 和添加物的分散度，获得低温挤出；加工容易。,4.组合螺杆,