擠出成型-擠出過(guò)程

第二節(jié)擠出過(guò)程和擠出理論之一擠出過(guò)程第二節(jié)擠出過(guò)程和擠出理論

2.1

擠出機(jī)的工作過(guò)程塑料(橡膠)之所以能進(jìn)行成型加工，是由其內(nèi)在依據(jù)所決定的。由高分子物理學(xué)得知，高聚物一般存在著玻璃態(tài)、高彈態(tài)和粘流態(tài)三種物理狀態(tài)，在一定條件下，這三種物理狀態(tài)將發(fā)生相互轉(zhuǎn)化。塑料(橡膠)的成型加工（壓制、壓延、擠出、注射

等）就是在粘流態(tài)下進(jìn)行的。

擠出過(guò)程和擠出理論1、擠出過(guò)程塑料（橡膠)由料斗進(jìn)入料筒后，隨著螺桿的旋轉(zhuǎn)而被逐漸推向機(jī)頭方向。經(jīng)過(guò)以下四個(gè)階段:1）加料段---輸送并開(kāi)始?jí)簩?shí)物料螺槽被松散的固體粒子（或粉末）所充滿(mǎn)，物料開(kāi)始被壓實(shí)。2）壓縮段---壓實(shí)并熔融物料

a、由于阻力,物料被壓實(shí)由于螺槽逐漸變淺，以及濾網(wǎng)、分流板和機(jī)頭的阻力，在塑料(橡膠)中形成了很高的壓力，把物料壓得很密實(shí)。擠出過(guò)程和擠出理論b、外熱、內(nèi)熱的作用，物料熔融在料筒外熱和螺桿、料筒對(duì)物料的混合、剪切作用所產(chǎn)生的內(nèi)摩擦熱的作用下，塑料(橡膠)的溫度逐漸升高。對(duì)于常規(guī)三段全螺紋螺桿來(lái)說(shuō)，大約在壓縮段的三分之一處，與料筒壁相接觸的某一點(diǎn)的塑料(橡膠)溫度達(dá)到粘流溫度，開(kāi)始熔融。c、物料全部熔融，變?yōu)檎沉鲬B(tài)隨著物料的向前輸送，熔融的物料量逐漸增多。而未熔融的物料量逐漸減少，大約在壓縮段的結(jié)束處，全部物料熔融而轉(zhuǎn)變?yōu)檎沉鲬B(tài)，但這時(shí)各點(diǎn)的溫度尚不很均勻。擠出過(guò)程和擠出理論3)均化段---均化、擠出物料經(jīng)過(guò)均化段的均化作用就比較均勻了，最后螺桿將熔融物料定量、定壓、定溫地?cái)D入機(jī)頭

4)機(jī)頭---成型、定型機(jī)頭內(nèi)的口模是個(gè)成型部件，物料通過(guò)它便獲得一定截面的幾何形狀和尺寸。再經(jīng)過(guò)冷卻（或硫化）定型和其它工序，就得到成型好的制品。綜上所述，擠出機(jī)的擠出過(guò)程可以歸納如下：

喂料---輸送---壓實(shí)---熔融---均化---擠出成型2、參變量

描寫(xiě)擠出過(guò)程的參變量有溫度、壓力、流率（或擠出量、產(chǎn)量）和能量（或功率）。有時(shí)也用物料的粘度表示，因其不易直接測(cè)得，而且它與溫度有關(guān)，故一般不用它來(lái)討論擠出過(guò)程。下面我們就來(lái)對(duì)以上幾個(gè)變量進(jìn)行一下討論：1）溫度溫度是擠出過(guò)程得以進(jìn)行的重要條件之一。如前所述，物料從加人料斗到最后成型為制品是經(jīng)歷了一個(gè)復(fù)雜的溫度過(guò)程的。（低---高）

擠出過(guò)程和擠出理論如果我們以物料沿料筒方向的位移為橫坐標(biāo)。而以溫度為縱坐標(biāo)，將沿料筒方向測(cè)得的各點(diǎn)的物料溫度值連成曲線(xiàn)，就會(huì)得到溫度輪廓曲線(xiàn)，如下圖:擠出過(guò)程和擠出理論擠出過(guò)程和擠出理論實(shí)驗(yàn)告訴我們：加工不同物料和不同制品，溫度輪廓曲線(xiàn)是不相同的。加工相同物料和相同制品，物料的溫度輪廓曲線(xiàn)、料筒的溫度輪廓曲線(xiàn)和螺桿的溫度輪廓曲線(xiàn)也是不相同的。一般情況下我們測(cè)得的溫度輪廓線(xiàn)是料筒的，而不是物料的，物料的溫度測(cè)量較難。由上圖可見(jiàn)，螺桿的溫度輪廓線(xiàn)比料筒的溫度輪廓線(xiàn)低，而比物料溫度輪廓線(xiàn)高。擠出過(guò)程和擠出理論a、熱量來(lái)源根據(jù)擠出理論和實(shí)踐，物料在擠出過(guò)程中熱量的來(lái)源主要有兩個(gè)：物料與物料之間物料與螺桿、料筒之間的剪切、摩擦產(chǎn)生的熱量；料筒外部加熱器提供的熱量。b、溫度的調(diào)節(jié)溫度的調(diào)節(jié)是靠擠出機(jī)的加熱冷卻系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行的。一般說(shuō)來(lái)：加料段--低溫輸送。為加大輸送能力，不希望加料段溫度升得過(guò)高，相反有時(shí)要冷卻；擠出過(guò)程和擠出理論壓縮段和計(jì)量段—高溫熔融。為了促使物料熔融，均化，物料要升到較高的溫度。橡膠擠出機(jī)則不一樣。為了便于物料的容易加入、輸送、熔融、均化以及在低溫下擠出，獲得高質(zhì)量、高產(chǎn)量的制品，每一種物料的擠出過(guò)程應(yīng)有一條合適的溫度輪廓曲線(xiàn)。應(yīng)當(dāng)指出，料筒和螺桿的設(shè)計(jì)對(duì)擠出過(guò)程的熱量的產(chǎn)生有很大影響。擠出過(guò)程和擠出理論C、溫度波動(dòng)上圖所示的溫度輪廓線(xiàn)只是穩(wěn)定擠出過(guò)程溫度的宏觀(guān)表示。如果深入研究每一溫度測(cè)示點(diǎn)的溫度，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，即使在穩(wěn)定的擠出過(guò)程中，其溫度相對(duì)于時(shí)間也是一個(gè)變化的值，而且這種變化往往具有一定的周期性。MD方向的溫度不均勻性（軸向溫度波動(dòng)）沿物料流動(dòng)方向溫度的波動(dòng)情況，我們稱(chēng)之為物料流動(dòng)方向的溫度波動(dòng)（一般文獻(xiàn)上記作MD方向的溫度不均勻性）。波動(dòng)情況因測(cè)試點(diǎn)不同會(huì)有不同。有的波動(dòng)達(dá)10℃左右。擠出過(guò)程和擠出理論TD方向的溫度不均勻性（徑向溫差）我們還會(huì)發(fā)現(xiàn)，垂直于物料流動(dòng)方向的截面內(nèi)的各點(diǎn)之間的溫度有時(shí)也不一致，我們稱(chēng)之為徑向溫差（一般文獻(xiàn)中記作TD方向的溫度不均勻性）。有的螺桿頭部的徑向溫差竟達(dá)10℃以上。溫度波動(dòng)對(duì)擠出質(zhì)量的影響

制品產(chǎn)生殘余應(yīng)力、各點(diǎn)強(qiáng)度不均勻、表面灰暗無(wú)光澤等。努力方向是盡可能減少或消除這種波動(dòng)和溫差。產(chǎn)生這種波動(dòng)和溫差的原因：如加熱冷卻系統(tǒng)不穩(wěn)定，螺桿轉(zhuǎn)數(shù)的變化等，但以螺桿設(shè)計(jì)的好壞影響最大。擠出過(guò)程和擠出理論2）壓力a、壓力的建立擠出成型時(shí)，沿料筒軸線(xiàn)方向，在物料內(nèi)部要建立起不同壓力，主要由以下兩個(gè)方面的因素造成的：壓縮比的存在；（螺槽深度的改變、料筒上的溝槽深度變化、螺距的改變等）分流板、濾網(wǎng)和口模產(chǎn)生的阻力。壓力的建立是物料得以經(jīng)歷物理狀態(tài)變化、得到均勻密實(shí)的熔體、并最后得到成型制品的重要條件之一。擠出過(guò)程和擠出理論b、影響壓力的因素如果將沿料筒軸線(xiàn)方向（包括口模）測(cè)得的各點(diǎn)的物料壓力值作為縱坐標(biāo)，以料筒軸線(xiàn)為橫坐標(biāo)作一曲線(xiàn)，即可得到壓力輪廓線(xiàn)。圖中為常規(guī)三段螺桿和料筒加料段內(nèi)壁不開(kāi)溝槽的擠壓系統(tǒng)的壓力輪廓曲線(xiàn)，壓力峰值位于計(jì)量段開(kāi)始處（或其前后）。擠出過(guò)程和擠出理論影響各點(diǎn)壓力數(shù)值和壓力輪廓曲線(xiàn)形狀的因素很多：

機(jī)頭、分流板、濾網(wǎng)的阻力；

加熱冷卻系統(tǒng)；

螺桿轉(zhuǎn)數(shù)；

螺桿和料筒的結(jié)構(gòu)。研究擠出過(guò)程的壓力輪廓曲線(xiàn)對(duì)擠出過(guò)程的了解和改進(jìn)螺桿、料筒的設(shè)計(jì)有著重要的意義。擠出過(guò)程和擠出理論c、壓力波動(dòng)對(duì)制品的影響若深入研究每一壓力測(cè)示點(diǎn)的壓力,也會(huì)發(fā)現(xiàn)，壓力隨著時(shí)間發(fā)生周期性的波動(dòng)，這種波動(dòng)對(duì)制品的質(zhì)量同樣有不利影響。比如：壓力的波動(dòng)會(huì)造成流量的波動(dòng)；會(huì)使制品徑向尺寸變化不均；造成制品內(nèi)部應(yīng)力不均勻等。努力的方向應(yīng)當(dāng)是減少、消除這種波動(dòng)。擠出過(guò)程和擠出理論3）流率（擠出量）

流率是描寫(xiě)擠出過(guò)程的一個(gè)重要參量。它的大小表征著機(jī)器生產(chǎn)效率的高低。a、絕對(duì)流率（流量、產(chǎn)量）用Q表示，為公斤/每小時(shí)，代表擠出機(jī)每小時(shí)的生產(chǎn)能力。b、比流率

用每轉(zhuǎn)的流率Q/n表示。后者更能反映擠壓系統(tǒng)的性能，應(yīng)當(dāng)作為衡量擠出機(jī)擠壓系統(tǒng)性能的標(biāo)準(zhǔn)。

擠出過(guò)程和擠出理論c、影響流率的因素影響流率的因素：機(jī)頭的阻力螺桿、料筒的設(shè)計(jì)螺桿轉(zhuǎn)數(shù)加熱冷卻系統(tǒng)物料的性質(zhì)等。右圖為在機(jī)頭壓力不變時(shí)，流率和螺桿轉(zhuǎn)數(shù)的關(guān)系，它常用來(lái)研究擠出機(jī)的性能。擠出過(guò)程和擠出理論d、流率的波動(dòng)研究發(fā)現(xiàn)，流率也有波動(dòng)。影響流率波動(dòng)的因素有很多，如：螺桿轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定與否；螺桿設(shè)計(jì)的好壞；溫控系統(tǒng)的性能；加料情況；等等。流率的波動(dòng)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有顯著的不良影響，如造成擠出速度不均勻，而影響制品的幾何形狀和尺寸等擠出過(guò)程和擠出理論研究表明：

溫度波動(dòng)，壓力波動(dòng)、流率波動(dòng)都是擠出過(guò)程的反映，它們不是孤立的，而是互相制約、互相影響的。對(duì)于高質(zhì)量的擠出，希望有盡可能小的流率波動(dòng)、溫度波動(dòng)、壓力波動(dòng)。這些波動(dòng)也是評(píng)價(jià)擠出質(zhì)量、擠壓系統(tǒng)好壞的標(biāo)準(zhǔn)之一。擠出過(guò)程和擠出理論4）能量（功率）

擠出機(jī)的擠出過(guò)程實(shí)際上就是一個(gè)能量的轉(zhuǎn)換過(guò)程，并且遵守能量守恒定律。a、能量平衡為了使物料熔融呈粘流態(tài)，必須供給熱能；為使物料壓實(shí)并得以成型，物料必須具有一定的壓力，即必須供給壓力能。熱能和壓力能是由加熱器的電能和驅(qū)動(dòng)螺桿的機(jī)械能轉(zhuǎn)化而來(lái)。這些能量的一部分為熔融物料、成型制品所利用。其余部分作為熱損失而損失掉。擠出過(guò)程和擠出理論其能量平衡方程式如下：

Z+HJ=Qv(T2-T0)ρCvJ+Qv?P+H’式中Z---單位時(shí)間內(nèi)由螺桿輸入的機(jī)械能，

HJ---由外部加熱器輸入的熱能。右端第一項(xiàng)---物料由固態(tài)變?yōu)槿廴跔顟B(tài)所需之能，右端第二項(xiàng)---物料在擠出過(guò)程中所獲得的壓力能。H’---熱量損失

即：機(jī)械能+熱能=熔融熱能+壓力能+熱量損失H-外部熱能,J-熱功當(dāng)量,Qv-體積擠出量,T2-擠出溫度