冲压与塑料成型-第五章-塑料挤出机

第五章塑料挤出机

5.1概述学习挤出机的工作原理、构成了解挤出机的分类和主要技术参数掌握挤出机的型号规定了解液压机的工作原理、特点及各种分类方法。2023/11/25.1.1挤出成型的特点挤出成型也称挤压模塑或挤塑，它是在挤出机中通过加热、加压而使物料以流动状态连续通过口模成型的方法。2023/11/2挤出成型发展历史：

1845年R.Brooman申请关于挤出成型的以古塔波胶为包覆层的电线的专利。该挤出机是柱塞式的。

1879年英国人M.Gray取得第一个采用阿基米德螺线式螺杆挤出机专利。

1935年德国机械制造商PaulTroestar生产出用于热塑性塑料的挤出机。

1939年他们把塑料挤出机发展到了一个现阶段——现代单螺杆挤出机阶段。2023/11/2挤出成型的特点：①应用范围广。②生产过程连续。③生产效率高。④投资少、收效快。2023/11/2挤出成型的应用：挤出成型法主要用于热塑性塑料的成型，也可用于某些热固性塑料。挤出的制品都是连续的型材，如管、棒、丝、板、薄膜、电线电缆包覆层等。此外，还可用于塑料的混合、塑化造粒、着色、掺合等。2023/11/2挤出成型的应用：挤出成型在聚合物加工中占据了重要位置。完全使用或在工艺中含有挤出过程的塑料制品的生产约占热塑性塑料制品总量的一半。挤出成型制品在农业、建筑业、石油化工、机械制造、医疗器械、汽车、电子、航空航天等领域都有应用。2023/11/2图5-1挤出成型产品2023/11/25.1.2挤出机的工作原理及组成通常挤出成形过程包括三个阶段：塑化挤出成形冷却定形2023/11/2挤出机工作过程如下：塑料从料斗进入挤出机，在螺杆的转动作用下将其向前输送，塑料在向前移动的过程中，受到料筒的加热、螺杆的剪切和压缩作用使塑料熔融，并实现由玻璃态、高弹态及粘流态的三态变化。在加压的情况下，使处于粘流态的塑料通过具有一定的形状的口模而成为截面与口模形状相仿的连续体。然后冷却定型为玻璃态，得到所需的制件。2023/11/2图5-2挤出成型工作原理2023/11/2挤出机组各部分组成：主机辅机控制系统2023/11/2一、主机挤出系统：主要由螺杆和料筒组成，是挤出机的关键部分。塑料通过挤出系统而塑化成均匀的熔体，并在这一过程中所建立的压力下，被螺杆连续地定量定压定温地挤出机头。传动系统：驱动螺杆，使螺杆获得在工作过程中所需要的扭矩和转速，由各种大小齿轮、传动轴、轴承及电动机组成。加热冷却系统：对料筒(或螺杆)进行加热和冷却，以保证成型过程在工艺要求的温度范围内完成。2023/11/2二、辅机机头（口模）：它是制件成型的主要部件，熔融塑料通过它获得一定的几何截面和尺寸。定型装置：它的作用是将从机头中挤出的塑料的既定形状稳定下来，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。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。2023/11/2牵引装置：其作用为均匀地牵引制件，并对制件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件切成一定的长度或宽度。卷取装置：其作用是将软制件（薄膜、软管、单丝）卷绕成卷。2023/11/2作用：控制挤出机组的主机、辅机的拖动电动机，驱动液压泵、液压缸（或汽缸）和其他各种执行机构，使其满足工艺所要求的转速和功率，并保证主辅机能协调的运行，检测、控制主辅机的温度、压力、流量和制件的质量，实现整个挤出机组的自动控制。三、控制系统2023/11/25.1.3挤出机的分类一、按挤出系统结构螺杆式挤出机根据螺杆数目多少，又可以分为单螺杆挤出机、双螺杆挤出机、多螺杆挤出机。

根据螺杆在挤出机中的空间位置，又可以分为卧式挤出机和立式挤出机。柱塞式挤出机2023/11/2二、按挤出机的装配结构分开式挤出机整体式挤出机——结构紧凑，需机械加工的零件数目少，占地面积小，是普遍通用的结构类型。2023/11/2三、按挤出机加工中是否排气非排气式挤出机排气式挤出机——可排出物料中的水分、溶剂、不凝气体等。2023/11/2图5-3单螺杆挤出机2023/11/2图5-4卧式单螺杆挤出机结构图1、机头连接法兰2、过滤板3、冷却水管4、加热器5、螺杆6、料筒7、液压泵8、测速电动机9、推力轴承10、料斗11、减速箱12、螺杆冷却装置2023/11/2图5-5锥形双螺杆塑料挤出机2023/11/2图5-6双螺杆挤出机1、机头连接器2、分流板3、料筒4、加热器5、螺杆6、加料器7、料斗8、加料器传动机构9、推力轴承10、减速器11、电动机2023/11/2图5-7聚合物动态三螺杆挤出机2023/11/2图5-8三螺杆挤出机结构——“一”字排列的不等径不等长三螺杆图5-9三螺杆挤出机结构——三角形排列的三螺杆2023/11/2图5-11立式挤出机结构1、料斗2、螺杆3、料筒4、机头5、传动装置6、机座图5-10立式挤出机2023/11/2图5-12胶管管材柱塞挤出机图5-13柱塞式挤出机1、压缩空气2、加料螺杆3、搅拌器4、液压缸5、柱塞杆6、柱塞头7、绝热层8、加热9、加热器支承管10、模管11、制件12、冷却水13、热电偶2023/11/2图5-14单螺杆塑料排气挤出机2023/11/25.1.4单螺杆挤出机的技术参数与型号一、单螺杆挤出机的技术参数螺杆直径Ds：指螺杆的外径，单位为mm。螺杆长径比L/Ds：其中L为螺杆的工作部分长度，Ds为螺杆直径。螺杆的转速范围：Nmax～Nmin，单位为r/min。驱动电动机功率：P，单位为kW。2023/11/2料筒加热段数：B。料筒加热功率：Pe，单位为kW。挤出机生产率：Q，单位为kg/h。机器的中心高：H，指螺杆中心线到地面的高度，单位为mm。机器的外形尺寸：长、宽、高，单位为mm。2023/11/2二、塑料挤出机的型号挤出机的型号按类、组、型分类编制，分别用类、组、型别名称中有代表性的汉字拼音字头字母表示。型号由基本型号和辅助型号两部分组成。表示方法如下：图5-15塑料挤出机型号表示方法2023/11/2辅机型号表示方法：编写辅机型号是利用主机型号第四项前加字母“F”，以示从属该主机的辅机。当配备多种辅机时，则采用辅机代号“F”后再加上设备特征字头（用汉语拼音大写字母表示）。图5-16挤出机辅机机组2023/11/2型号示例：（1）SJ-150表示：螺杆直径150mm，长径比为20∶1的塑料挤出机。与SJ-150相配的辅机SJ-FMl700，表示上吹法，牵引辊筒工作长度为1700mm的塑料吹塑薄膜辅机，其中FM为辅机代号。2023/11/2型号示例：（2）SJF-65×30表示：螺杆直径150mm，长径比为20∶1的塑料挤出机。

S——塑料（类别）

J——挤出机（组别）

F——发泡(品种)

65×30——螺杆直径65(mm),长径比30：1（规格参数）2023/11/2

5.2挤出机的结构学习挤出机的关键零部件：螺杆、料筒、加料装置、加热和冷却系统等的结构特点掌握挤出机各种变形结构的用途2023/11/25.2.1螺杆螺杆是挤出机的心脏，是挤出机的关键部件，螺杆的性能好坏，决定了一台挤出机的生产率、塑化质量、填加物的分散性、熔体温度、动力消耗等。图5-17螺杆2023/11/2一、螺杆的分段1、塑料及塑料三态塑料有热固性和热塑性二大类，热固性塑料成型固化后，不能再加热熔融成型。而热塑性塑料成型后的制品可再加热熔融成型其它制品。热塑性塑料随着温度的改变，产生玻璃态、高弹态和粘流态三态变化，随温度重复变动，三态产生重复变化。2023/11/2三态中聚合物熔体不同的特征：玻璃态——塑料呈现为刚硬固体；热运动能小，分子间力大，形变主要由键角变形所贡献；除去外力后形变瞬时恢复，属于普弹形变。高弹态——塑料呈现为类橡胶物质；形变由链段取向引起大分子构象舒展作出的贡献，形变值大；除去外力后形变可恢复但有时间依赖性，属于高弹形变。粘流态——塑料呈现为高粘性熔体；热能进一步激化了链状分子的相对滑移运动；形变不可逆，属于塑性形变。2023/11/2塑料加工与塑料三态：塑料玻璃态时可切削加工。高弹态时可拉伸加工，如拉丝纺织、挤管、吹塑和热成型等。粘流态时可涂复、滚塑和注塑等加工。当温度高于粘流态时，塑料就会产生热分解，当温度低于玻璃态时塑料就会产生脆化。当塑料温度高于粘流态或低于玻璃态趋向时，均使热塑性塑料趋向严重的恶化和破坏，所以在加工或使用塑料制品时要避开这二种温度区域。2023/11/22、三段式螺杆塑料在挤出机中存在三种物理状态——玻璃态、高弹态和粘流态的变化过程，每一状态对螺杆结构要求不同。为适应不同状态的要求，通常将挤出机的螺杆分成三段：

加料段L1(又称固体输送段)

熔融段L2(称压缩段)

均化段L3(称计量段)这就是通常所说的三段式螺杆。塑料在这三段中的挤出过程是不同的。2023/11/2图5-18普通三段式螺杆加料段熔融段均化段2023/11/2（1）加料段加料段由加料区和固体输送区所组成。塑料由料斗进入料筒后。随着螺杆的旋转运动及料筒内壁和螺杆表面的摩擦作用，将充满螺槽的松散固体或粉末粒子向前输送并压实。2023/11/2加料段螺杆的主要参数：螺旋升角ψ一般取17°～20°。螺槽深度H1，是在确定均化段螺槽深度后，再由螺杆的几何压缩比ε来计算。加料段长度L1由经验公式确定：对非结晶型高聚物L1＝(10%～20%)L对于结晶型高聚物L1＝(60%～65%)L2023/11/2（2）熔融段熔融段的作用是压实、熔融物料，使包围在塑料内的空气压回到加料口处排出（或经排气口排出），并改善塑料的热传导性能。当塑料从加料段得到初步的压实，再进入熔融段后，随着塑料继续被推向前进方向，由于螺槽逐渐变浅，以及过滤网、分流板和机头的阻力，在塑料中形成了很高的压力，把塑料压得很密实。同时，在料筒外热和螺杆、料筒对物料的混合、剪切作用所产生的内摩擦热的作用下，塑料的温度不断升高。随着物料的向前输送，熔融的塑料量逐渐增多，而未熔融的物料量逐渐减少，大约在压缩段的结束处，全部塑料熔融而转变为粘流态。2023/11/2熔融段螺杆的主要参数：压缩比ε：一般指几何压缩比，它是螺杆加料段第一个螺槽容积和均化段最后一个螺槽容积之比。ε=(Ds-H1)H1/(Ds-H3)≈H1/H3

式中，H1——加料段第一个螺槽的深度H3——均化段最后一个螺槽的深度熔融段长度L2由经验公式确定：对非结晶型高聚物L2＝55％～65％L对于结晶型高聚物L2＝(1～4)Ds2023/11/2（3）均化段塑料经过熔融段，至末端处转变为粘流态，各点处的温度并不相同。该段的作用是将来自压缩段的已熔物料定量定压定温地挤到机头中去。均化段螺杆的重要参数：螺槽深度H3由经验公式确定H3＝(0.02～0.06)Ds长度L3由下式确定L3＝(20%～25%)L2023/11/2根据熔体输送理论，熔体在螺杆均化段的流动有四种形式，熔融物料在螺槽中的流动是这四种流动的组合：正流——塑料熔体在料筒和螺杆间沿着螺槽方向朝机头方向的流动。逆流——流动方向与正流相反，由机头、多孔板、过滤板等阻力引起的压力梯度所造成。横流——熔体沿着垂直于螺纹壁方向的流动，影响挤出过程中熔体的混合和热交换作用。漏流——由于压力梯度在螺杆与料筒间隙处形成的倒流，沿螺杆轴向方向。2023/11/2二、普通螺杆的结构常规全螺纹三段螺杆按其螺纹升程和螺槽深度的变化，可分为三种形式：等距变深螺杆等深变距螺杆变深变距螺杆2023/11/21、等距变深螺杆等距变深螺杆从螺槽深度变化的快慢可分为两种形式：①等距渐变螺杆：从加料段开始至均化段的最后一个螺槽的深度是逐渐变浅的螺杆。在较长的熔融段上，螺槽深度是逐渐变浅的。②等距突变螺杆：即加料段和均化段的螺槽深度不变，在熔融段处的螺槽深度突然变浅的螺杆。2023/11/22、等距变深螺杆等深变距螺杆是指螺槽深度不变，螺距从加料段第一个螺槽开始至均化段末端是从宽渐变窄的。等深变距螺杆的特点是由于螺槽等深，在加料口位置上的螺杆截面积较大，有足够的强度，有利于增加转速，从而可提高生产率。但螺杆加工较困难，熔料倒流量较大，均化作用差，较少采用。2023/11/23、变距变深螺杆变深变距螺杆是指螺槽深度和螺纹升角从加料段开始至均化末端都是逐渐变化的，即螺纹升程从宽逐渐变窄，螺槽深度由深逐渐变浅的螺杆。该螺杆具有前面两种螺杆的特点，但机械加工较困难，目前较少采用。2023/11/2三、螺杆头部结构螺杆头部的形状和几何尺寸，决定了物料能否平衡的从螺杆进入机头，能否避免滞流，以免局部物料受热时间过长而产生热分解现象等。不同形状的螺杆头，在挤塑过程中，塑料从螺杆进入机头时的流动方式也不同。2023/11/2图5-19常见的螺杆头部结构2023/11/2四、螺杆材料螺杆是挤出机的关键部件，作为螺杆的材料必须具备耐高温、耐磨损、耐腐蚀、高强度等特性，同时还应具有切削性能好、热处理后残余应力小、热变形小等特点。2023/11/2对于挤出机螺杆的材料，具体有如下几点要求：①力学性能高。要有足够的强度，以适应高温、高压的工作条件，提高螺杆的使用寿命。②机械加工性能好。要有较好的切削加工性能和热处理性能。③耐腐蚀和抗磨性能好。④取材容易。2023/11/2我国常用的螺杆材料有45钢、40Cr、氮化钢、38CrMoAL等。45钢机械加工性能好，价格便宜，但耐腐蚀、耐磨损能力差。38CrMoAL综合性能较好，应用广泛。为了提高螺杆的耐腐蚀、耐磨损能力，可以采用高强度的耐磨耐腐蚀合金钢，如34CrALNi、31CrMol2等；或采用螺杆表面喷涂强化的方法。2023/11/2常规全螺棱三段式螺杆存在的问题：熔融段同时有固体床和熔池同居一个螺槽中，熔池不断增宽，固体床逐渐变窄，从而减少了固体床于机筒壁的接触面积，减少了机筒壁直接传给固体床的热量，降低了熔融效率，致使挤出量不高；压力波动、温度波动和产量波动大；不能很好适应一些特殊塑料的加工进行混炼、着色等工艺。五、新型螺杆2023/11/2对此类问题常用的处理方法：加大长径比；提高螺杆转速；加大均化段的螺槽深度；采用新型螺杆结构，主要有：2023/11/2为了克服常规螺杆存在的缺点，人们创造了一些新型螺杆，主要包括：分离型螺杆屏障型螺杆销钉螺杆组合螺杆2023/11/21、分离型螺杆在压缩段增设一条副螺纹，克服了常规螺杆中固体床和熔体共存一个螺槽中所产生的缺点，将熔融物料和未熔物料尽早分离，从而促进了未熔物料的熔融。这种螺杆塑化效率高，塑化质量好。由于没有固体床解体，产量波动、压力波动和温度波动都比较小，并具有排气性能好、能耗低等优点，应用较广。2023/11/22、屏障螺杆在普通螺杆的某一部位设置屏障段，使未熔的固体不能通过，并促使固体熔融的一种螺杆。这种螺杆通过剪切作用和涡流的混合作用，将机械能转变为热能并进行热交换，使物料熔融均化，并且径向温差小，产量、质量都比常规螺杆好。2023/11/23、销钉螺杆物料流经过销钉时，销钉将固体料或未彻底熔融的料分成许多细小料流，这些料流在两排销钉间较宽位置又汇合，经过多次汇合分离，物料塑化质量得以提高。销钉设置在熔融区，排列形状有人字形、环形等，销钉形状有圆柱形、菱形、方形等。由于销钉将熔料多次分割分流，增加了对物料的混炼、均化和添加剂的分散性。另外，由于固体碎片在熔融的过程中不断从熔体中吸收热量，有可能降低熔料温度，故可获得低温挤出。2023/11/24、组合螺杆由带加料段的螺杆本体和各种不同职能的螺杆元件如输送元件、混炼元件和剪切元件等组成。改变这些元件的种类、数量、和组合顺序，可以得到各种特性的螺杆，以适应不同物料和不同制件的加工要求，并找出最佳工作条件。这种螺杆适应性强，易获得最佳工作条件，在一定程度上解决了万能与专用的矛盾，因此得到越来越广泛的应用。但设计复杂，组合元件之间拆装较麻烦，在直径较小的螺杆上实现有困难。2023/11/2图5-20分离型螺杆及其结构2023/11/2图5-21分离型螺杆与屏障型螺杆的对比2023/11/2图5-22销钉螺杆及其分流作用2023/11/2图5-23组合螺杆及其混合元件2023/11/2不允许在没有加塑料时螺杆空转。定期清洗螺杆。在清洗螺杆时，要把螺杆垫平垫稳，不允许螺杆转动，以免螺杆损伤。清洗时严禁使用金属器械砸撞螺杆。严禁将金属物品加入机筒内，以免损伤螺杆。温度过低或加温温度未达到工艺温度下限时，严禁起动螺杆。使用螺杆冷却水时，当温度下降明显且较低时，应停止水冷，并做到停机必须停水。六、螺杆的维护保养2023/11/25.2.2料筒料筒的结构形式关系到热量传递的稳定性和均匀性，并影响固体输送效率。同时，料筒的机械加工性能和使用寿命也影响到整个挤出系统的工作性能。2023/11/2一、料筒的结构料筒在结构上存在着三种形式：整体式料筒组合料简双金属料筒2023/11/21、整体式料筒加工方法——在整体材料上加工出来。优点——容易保证较高的制造精度和装配精度，可以简化装配工作，料筒受热均匀，应用较多。缺点——由于料筒长度大，加工要求较高，对加工设备的要求也很严格。料筒内表面磨损后难以修复。2023/11/22、组合式料筒加工方法——将料筒分几段加工，然后各段用法兰或其他形式连接起来。优点——加工简单，便于改变长径比，多用于需要改变螺杆长径比的情况。缺点——对加工精度要求很高，由于分段多，难以保证各段的同轴度，法兰连接处破坏了料筒加热的均匀性，增加了热量损失，加热冷却系统的设置和维修也较困难。2023/11/23、双金属料筒加工方法——在一般碳素钢或铸钢的基体内部镶或铸一层合金钢材料。它既能满足料筒对材质的要求，又能节省贵重金属材料。①衬套式料筒：料筒内配上可更换的合金钢衬套。节省贵重金属，衬套可更换，提高了料筒的使用寿命。但其设计、制造和装配都较复杂。②浇铸式料筒：在料筒内壁上离心浇铸一层大约2mm厚的合金，然后用研磨法得到所需要的料筒内径尺寸。合金层与料筒的基体结合得很好，且沿料筒轴向长度上的结合较均匀，既没有剥落的倾向，又不会开裂，还有极好的滑动性能，耐磨性高，使用寿命长。2023/11/24、IKV料筒（1）料筒加料段内壁开设纵向沟槽为了提高固体输送率，由固体输送理论知，一种方法就是增加料筒表面的摩擦系数，还有一种方法就是增加加料口处的物料通过垂直于螺杆轴线的横截面的面积。在料筒加料段内壁开设纵向沟槽和将加料段靠近加料口处的一段料筒内壁做成锥形就是这两种方法的具体化。2023/11/2（2）强制冷却加料段料筒为了提高固体输送量，还有一种方法。就是冷却加料段料筒，目的是使被输送的物料的温度保持在软化点或熔点以下，避免熔膜出现，以保持物料的固体摩擦性质。采用上述方法后，输送效率由0.3提高到0.6，而且挤出量对机头压力变化的敏感性较小。2023/11/2图5-24整体式料筒图5-25组合式料筒2023/11/2图5-26双金属螺杆、双金属料筒2023/11/2二、料筒的材料料筒必须采用优质的耐高温、耐磨损、耐腐蚀和高强度的材料制成。同时，还应当具备较好的机械加工性能和热处理性能。常用的材料有45钢、40Cr、38CrMoAl以及铸钢和球墨铸铁。2023/11/2三、料筒加料口的结构与开设位置加料口的结构必须与物料的形状相适应，应使物料能从料斗或加料器中自由地、高效地加入料筒而不产生“架桥”中断现象。设计时还应当考虑到加料口是否适于设置加料装置，是否有利于清理，是否便于在此段设置冷却系统。2023/11/2加料口的结构形式很多，如图5-28所示为其中较典型的几种形式。(a)多见于早年的挤出机，适于带状料，不适于粒料和粉料。(b)、(d)、(f)为常用的加料口，其中(b)的右侧壁有一倾斜角度(一般为7°～15°或更大些)，(d)、(f)的左侧壁设计成垂直面，并向中心线偏移1/4内径，不论对粉料、粒料还是带状料都能很好地适应，因此用得最广。(c)、(e)结构在简易挤出机上用得较多。

加料口的形状俯视时多为矩形，其长边平行于料筒轴线，长度为螺杆直径的1/3～1/8倍。圆形加料口主要用于设置机械搅拌器强制加料的场合。2023/11/2图5-27常见的几种新型料筒形式图5-28加料口断面形状2023/11/2四、料筒与机头的连接形式铰链螺栓连接螺钉连接剖分连接冕形螺母连接2023/11/2图5-29机头与料筒的连接形式2023/11/25.2.3分流板和过滤网作用：使料流流经口模和螺杆头之间的过渡区时由原来的旋转运动变为直线运动，阻止未熔融的粒子进入口模，滤去金属杂质。提高熔体压力，使制件密实。图5-30口模和螺杆头之间的过渡区2023/11/2分流板：形式——分流板用不锈钢制成，有各种形式，目前使用较多的是平板式分流板，这种形式结构简单、制造容易。孔眼分布——孔眼的分布原则是使料流流过它时流速均匀。中间的孔分布疏，边缘的孔分布较密；或中间孔的直径小，边缘孔的直径大。每一小孔的直径为3～7mm，孔眼的总面积约为分流板总面积的30%～50%。分流板厚度——由挤出机的尺寸及分流板承受的压力而定。根据经验，厚度取料筒内径的20%左右。孔道应光滑无死角，为便于清除物料，孔道进料端要倒出斜角。2023/11/2过滤网：当制件质量要求高，或者需要较高的压力时，要放置过滤网。过滤网一般为20～120目，1～5层。具体数据根据塑料性能、制件要求来选。如果用多层过滤网，可将细的放在中间，两边放粗的。如果只有两层，最好将粗的靠分流板放置，这样可以支承细的过滤网，防止被料流冲破。2023/11/2图5-32塑料挤出机过滤网图5-31塑料挤出机分流板2023/11/25.2.4加料装置一、料斗常用形式：圆锥形圆柱形—圆锥形矩形正方形图5-33普通料斗1、料斗盖2、视镜3、活门2023/11/2料斗一般做成对称形式。在料斗的侧面开有视窗，以观察料位及上料情况，料斗的底部有开合门，以停止和调节加料量。料斗上方加盖子，防止灰尘、湿气及杂质落入。在选择料斗材料时，最好用轻便、耐腐蚀和易加工材料，一般多用铝板和不锈钢板。料斗的容积要视挤出机的规格大小和上料方式而定。一般为挤出机1～1.5h的挤出量。2023/11/2上料方式有人工上料和自动上料两种。自动上料主要有弹簧上料、鼓风上料、真空上料、运输带传送上料等形式。一般情况下，小型挤出机用人工上料，大型挤出机用自动上料。二、上料2023/11/2三、加料方式的分类①重力加料：原理——物料依靠自身的重量进入料筒，包括人工上料、弹簧上料、鼓风上料。特点——结构简单，成本低。但容易造成进料不均匀，从而影响制件的质量。它只适用于小规格的挤出机。2023/11/2图5-34重力加料1、电动机2、支承板3、联轴器4、料斗5、出料口6、弹簧7、软管8、料箱9、旋风分离器10、料斗11、加料器12、鼓风机2023/11/2②强制加料：原理——在料斗中装上能对物料施加外压力的装置，强制物料进入挤出机料筒中。特点——能克服“架桥”现象，使加料均匀。加料螺旋由挤出机螺杆通过传动链驱动，使其转速与螺杆转速相适应。能在加料口堵塞时启动过载保护装置，从而避免了加料装置的损坏。图5-35强制加料器1、螺杆2、料筒3、加料螺旋4、料斗5、锥齿轮6、弹簧7、手轮2023/11/25.2.5加热冷却系统目的和作用：使物料温度适宜，保证塑料始终能在其加工工艺所要求的温度范围内熔融，保证挤出成型得以进行。特点和要求：料筒必须是分段加热和冷却，而温度也必须是分段进行控制。料筒分段加热的长度通常每段为螺杆直径的5～6倍。2023/11/2一、加热系统挤出机的加热方法有以下几种形式：液体加热蒸汽加热电加热远红外线加热应用最多的是电加热，蒸汽加热很少应用。2023/11/21、液体加热（称载体加热）

原理——先将液体（水、油、联苯等）加热，再由液体加热料筒。加热介质——塑化温度低于200℃时，常用矿物油作加热介质；塑化温度高于200℃时，用有机溶剂(联苯)作加热介质。温度控制——调节流量或改变液体温度。特点——加热均匀稳定，不会产生局部过热现象，温度波动小。但加热系统复杂，液体有燃烧的危险，有的液体还会分解出有毒气体，应用不广泛。2023/11/22、电加热

电加热电阻加热电感加热带状加热器铸铝加热器陶瓷加热器2023/11/2①带状加热器：将电阻丝包在云母片中，外面再覆以铁皮，安装在料筒或机头上。该加热器体积小，尺寸紧凑，调整简单，装拆方便，韧性好，价格便宜。但易受损害，而且只能承受2～5W/cm的负荷，在500℃以上，云母会氧化。如果设置不当，与料筒接触不好，将影响加热器的寿命及效率，导致料筒不规则过热，会使加热器本身过热甚至损坏。图5-36带状加热器1、云母片2、电阻丝3.4、金属包皮2023/11/2②铸铝加热器：将电阻丝装于金属管中，并将管中填进氧化镁粉之类的绝缘材料，压实后弯成一定形状再铸于铝合金中。将两半铸铝块包在料筒上通电即可加热。体积小、装拆方便，节省材料。电阻丝可防氧化、防潮、防震、防爆、寿命长。传热效率很高。它可以承受5W/cm的负荷，最大加热温度为350～370℃。如果要求更高的加热温度，则可采用铸铁或铸铜加热器，以提高加热装置的耐久性。该加热器的缺点是温度波动大，制作较困难。图5-37铸铝加热器1、连接柱2、钢管3、电阻丝4、氧化镁粉5、铸铝外壳2023/11/2③陶瓷加热器：将电阻丝穿过陶瓷块，然后固定在铁皮外壳中。它比用云母片绝缘的带状加热器要牢固些。它能满足现代工业中越来越高的工作温度要求，也是可弯曲成多种用途加热器；优点是结构简单，寿命长、耐高温、抗污染、绝缘性高。图5-38陶瓷加热器1、陶瓷块2、铁皮外壳2023/11/2④电感加热器：通过电磁感应而在料筒内产生电的涡流，使料筒发热而加热料筒中塑料的一种加热方法。它可以利用改变交流电的频率来控制热量产生的深度。感应加热预热快，在料筒的径向方向上的温度梯度小。温控方便灵敏，温度稳定性好。比电阻加热器省电30%，而且加热均匀，寿命长。但加热温度会受到感应线包绝缘性能的限制，对成型温度要求较高的塑料，特别是一些工程塑料不适合；而且径向尺寸较大，装卸不便；价格较贵。图5-38感应加热器1、砂钢片2、冷却剂3、机箱4、感应电流(机筒上)5、线圈2023/11/23、远红外线加热

原理——利用远红外线辐射元件发出的远红外线被加热物体所吸收，直接转变为热能而加热塑料。特点——加热效率比其他加热方法高。远红外线不需要通过介质，可直接到达被加热物体，能量损失小。加热温度均匀，有利于制件质量的提高。因此远红外线加热是一种非常有前途的加热方法。2023/11/2二、冷却系统目的——避免物料过热而分解，保证塑料在工艺要求的温度条件下完成挤出成型过程，使成型过程顺利进行。挤出机一般在三个部位进行冷却：料筒螺杆料斗座2023/11/21、料筒冷却料筒的冷却方法有两种，即风冷和水冷。风冷：主要采用空气冷却。此法比较柔和、均匀、干净。但冷却系统体积大、成本高，冷却效果易受外界气温影响。如果鼓风机质量不好，易有噪声。一般用于中小型挤出机。水冷：水冷法冷却速度快，主要采用自来水。装置简单，但易造成急冷，而且水一般都未经过软化处理，水管容易出现结垢和锈蚀而降低冷却效果或管道被堵塞、损坏等。2023/11/22、螺杆冷却冷却螺杆的目的是为了提高固体输送率以及控制制件的质量。通入螺杆的冷却介质为水或空气。冷却水温可以用冷水流量来控制，对粘度大的物料，要特别注意掌握冷却水的出水温度不能太低，否则会造成螺杆扭断的事故。在新型挤出机上，螺杆的冷却长度是可调的。根据各种塑料的不同加工要求，依靠调整伸进螺杆的冷却水管的插入长度来提高机器的适应性。2023/11/23、冷却料斗座冷却料斗座的冷却介质大多用水。挤出机工作时，进料口的温度不能过高，否则将造成加料段塑料熔融，产生物料粘结螺杆的现象，在进料口形成“架桥”，使物料不能顺利加入料筒，所以在挤出机的料斗座部位必须设置冷却装置对其进行冷却。冷却料斗座还能阻止挤压部分的热量传往推力轴承和减速箱，保证挤出机正常工作。2023/11/2

5.3挤出机的控制掌握控制挤出机工作温度、物料压力、螺杆转速和过载保护的原理。2023/11/2挤出机的控制系统主要由电器、仪表和执行机构组成，其主要作用为：

（1）控制主、辅机的拖动电机，满足工艺要求所需的转速和功率，并保证主、辅机能协调地运行。（2）控制主、辅机的温度、压力、流量和制品的质量。（3）实现整个机组的自动控制。

2023/11/25.3.1温度的测量与控制温度的测控一般是按照测量、调节操作、目标控制等顺序形成闭环控制系统，即测出控制对象（料筒、机头等）的温度，找出它与给定温度的误差，修改执行元件（指加热、冷却系统）的操作量，使被控制对象的温度维持在一定值。2023/11/2一、温度的测量

1、使用热电偶温度传感器测量安装方式——一般热电偶安装在机头和料筒各控制段的中间，使物料和料简直接接触测温元件。热电偶的输出端与温度显示仪表和温度控制装置相连接。工作原理——当由于某种原因物料或料筒（测点）温度有变化时，热电偶将温度变化值以电压的形式输出到显示仪表和控制装置。温度显示仪表常见的有：可动线圈式示温仪、电位差式自动平衡示温仪等。目前，温度显示可以用数字显示。2023/11/2优点:1)结构简单:通常由两根热电偶丝、一个稳定的参考点以及一个电位差计系统组成；2)测量温度范围宽；3)多个热电偶组合可以在较宽范围内给出几乎线性的输出；4)热电偶系统很容易与检测仪表相匹配；5)热电偶的体积比热电阻的体积小得多，因而它的动态误差也比热电阻小很多，使快速测量很少受限制。采用热电偶可以达到较好的精度，便于实施、稳定可靠。2023/11/2缺点:1)在热电偶测温时,冷端必须保持在零度，否则将产生误差。但在工业上使用时，使冷端保持零度是比较困难的，所以容易出现测量误差。2)热电偶测量的是电压值，需进一步查找各种类型热电偶的分度表才能得出其温度值，因此在温度测量中也有诸多不便。2023/11/22、使用热电阻温度传感器测量分类——电阻温度传感器分导体型及半导体型两类。工作原理——测温装置材料的电阻随温度而改变,因此,利用温度可确定材料的电阻值,然后将此电阻值转换成温度值。2023/11/2优点:1)测量精度高，630℃以下的温度可利用铂电阻温度传感器作为基准温度计；2)由于测量温度时得到的是电信号，故容易实现信号的远距离传送和自动控制；3)灵敏度高。2023/11/2缺点:1)电阻－温度曲线一般为非线性的;2)当电流较低时(I<100μA),有漂移现象;3)热交换会引起误差,包括由导热损失、对流损失和辐射损失引起的误差;4)热电阻分度有误差,即热电阻体的电阻值与温度的关系和统一分度表的差值;5)线路电阻会引起误差;6)通过热电阻的电流产生的焦耳热也会引起误差;7)显示仪表也存在误差(大小一般由仪表的精度等级决定)。2023/11/23、红外线测温仪聚合物熔体发出的射线能量是其温度的函数，利用这一关系，可用红外线温度计检测熔体的温度。红外线测温方法的响应速度比热电偶快1000倍，响应时间仅为5ms。把红外线测温方法应用于模腔内聚合物冷却过程的研究中我们发现，由于不受流速和压力的影响，可以测量在高注射压力下快速注射的熔体温度分布。2023/11/2缺点：只能测量整体平均温度，且具有非线性特征；因红外线测温的信号与聚合物熔体透明度有关，即熔体内部发出的射线能量会因其吸收或散射而被衰减，这样对其进行温度标定的工作量就较大、难度也较高；与常用热电偶相比，成本较高，探头尺寸过大需要一定的安装空间。2023/11/2二、温度的控制

温度控制的方法：手动控制位式调节(又称开关控制)时间比例控制和比例积分微分控制(也称PID控制)模糊控制2023/11/2手动控制——通过调压变压器的控制，精度较低，且人为造成的负面因素较多，目前已渐趋于淘汰；位式调节（开关控制）——算法简单且成本较低。但控温精度不高，继电器较容易受损。时间比例控制和比例积分微分控制（PID控制）——利用计算机程序处理参数，通过比例调节、积分调节和微分调节3种作用的综合来达到准确控温的。模糊控制——采用模糊控制器对被控对象进行自动控制，以控制经验作为控制的模型，以模糊集合、模糊语言变量和模糊推理作为控制算法的数学工具，通过计算机来实现的一种智能控制。其缺点是升温不够灵敏；另外，由于模糊控制器不具备积分作用，因此很难完全消除稳态误差。2023/11/2温度定值控制：原理——热电偶测得控制对象的温度T（或是温度偏差ΔT′）转换成热电势V（或电势差ΔV′）信号，输入到温度显示和调节仪表，与给定值T0进行比较，根据其偏差值ΔT＝T-T0数值的大小和极性，由温度调节仪表按一定规律去控制加热器和冷却器的动作，从而控制料筒温度和物料温度，并使之保持在给定值附近（允许范围内）。2023/11/2图5-39温度定值控制原理2023/11/2 温度定值控制方法主要有：位式调节时间比例控制比例积分微分调节(PID)温度定值控制是目前挤出机常用的温度自动控制系统。2023/11/21、位式调节这种控制方式目前较普遍采用XCT—101、XCT—111、XCT—121型动圈式温度指示调节仪。该方式将温度显示和温度控制系统制成一体，料筒实际温度波动较大。图5-40位式控制工作曲线图2023/11/22、时间比例控制时间比例控制用的温度指示调节仪是按时间比例原则设计的，如XCT—13l型动圈式温度指示调节仪。温度波动要小，但不能单独用，而是把XCT—131与XCT—01结合起来，设计出XCT—141型仪表能达到较高的控制精度。2023/11/23、比例积分微分调节(PID)PID控制(即“比例+积分+微分”控制)，是一种成熟的技术，它具有算法简单、易于实现、鲁棒性好的特点，在温度控制领域应用十分广泛。采用XCT—191型动圈式仪表，与ZK型可控硅电压调整器及可控硅元件等组成的温度自动控制系统，可实现PID调节。

该方法调节精度高，温度可控制在±1℃以内。2023/11/2比例作用是指：加热电流I和温度偏差ΔT存在着线性比例关系，偏差ΔT越小，加热器电流也越小。微分作用是指：加热电流I正比于温度偏差ΔT对时间t的微分，即偏差ΔT出现越快，加热电流相应变化量也越大。这就提高了系统的抗外界突然干扰的能力。积分作用是指：加热电流I正比于偏差ΔT对时间的积分，这样即使偏差很小，在一定时间后总能消除这个偏差(即静差)，提高了系统的静态精度。PID控制：2023/11/25.3.2物料压力的的测量与控制一、压力的测量

物料压力的测量方法主要有：机械式测压表液压式测压表气动测压表电气测压表(称电测式测压计)2023/11/2将压力传感器装入测量部位，挤出机工作时熔料的压力在测压计上反映出来，以电量的形式输出，测压计的输出信号由二次仪表接收显示或经放大后显示出读数。机头压力的测量原理：图5-41测量机头压力的示意图1、导线2、压紧轴3、应变片4、外壳5、传动杆6、料筒(或机头)7、膜片2023/11/2二、压力的控制

压力调节的原理——通过改变物料输送过程中的过流截面面积（改变流道阻力）进行调节。调节机构的控制方法：手动调节自动调节2023/11/2右图(a)所示为最简单的压力调节方式，它是由螺栓来调节过流截面。但调节范围小、精度低，且不利于物料流通，属于径向调节。右图(b)所示为调节阀，由于其形状呈流线型，对物料的流动影响小，属于径向调节。右图(c)所示为轴向调节间隙的压力调节装置，它靠改变阀与螺杆头之间的间隙实现压力调节。图5-42各种压力调节装置2023/11/25.3.3转速的控制挤出机螺杆转速控制是挤出机控制过程中的重要环节。螺杆转速的工作稳定性直接影响挤出量，若螺杆转速因外界干扰而引起波动，则直接引起挤出量的波动。2023/11/21、在传统的螺杆挤出机系统中，螺杆是由直流电机驱动的。在直接传动情况下，螺杆直接由齿轮箱驱动；在间接传动情况下，螺杆由皮带和牵引盘驱动。传统的直流电机本身存在着一定的缺点：例如直流电机的电刷每个月就要更换一次，在多粉尘或腐蚀性环境中直流电机需要经常清洗，有时甚至还需要从车间外为直流电机通入洁净的冷却空气。传统螺杆挤出机的控制：2023/11/22、间接传动螺杆挤出机的缺点在于：存在皮带滑差，皮带会造成一定的能量损失，更多的机械装置增加了磨损和发生故障的可能性。

直流电机最大的弊端是噪音过大、电刷打火、转子污染、电机温度过高、排气不充分和电机震动。因此使用直流电机的螺杆挤出机维护费用更高，直流电动机的最初成本也更高一些。传统螺杆挤出机的控制：2023/11/2闭环控制系统指的是输出量以反馈到输入端的控制系统。这种系统在有外界干扰的情况下，能由反馈信号进行补偿，自动调整使转速稳定在预先给定的转速下。挤出机一般采用闭环控制系统。闭环控制系统：图5-43螺杆驱动电动机的转速控制系统框图2023/11/2电动机的输出转速称为输出量。当在输入端给定一个输入量（要求在某一转速下运行）时，通过调节器控制可控硅触发电路，使其按相应触发角触发可控硅，可获得相应电压，使直流电动机按预先给定的输入量（转速）运行。如果我们将输出量n用测速发电机测出（电压U），并以负反馈的形式反馈到输入端，与给定输入量（电压U0）相比较，即ΔU＝U-U0，称为偏差。当偏差不等于0时，经过调节器再次改变触发角，进而使电动机调整输出转速，使偏差消除。螺杆驱动电动机的转速控制系统原理：2023/11/25.3.4过载保护和其他安全防护目的：为了使挤出机在出现过载时机器（特别是螺杆和电动机）不致损坏，以保证生产顺利进行，在挤出机上设置了过载保护和安全保护装置。2023/11/2一般挤出机上的保护装置有两种方式：电气保护装置——大多数采用快速熔断器或过流继电器，通过电气控制系统中设置过电流继电器，当挤出机过载时，过电流继电器动作，使电源切断，从而保护电动机和螺杆。机械保护装置——大多数采用剪切销（或安全键），剪切销通常设置在电动机的输出轴上。螺杆过载时，保护销被剪断，电动机和螺杆间传动关系脱离，从而保护了螺杆。剪切销的尺寸需经过强度计算，否则不能起保护作用。2023/11/2图5-44快速熔断器图5-45过流继电器2023/11/2

5.4挤出成型辅机了解吹塑薄膜辅机的工作原理和构成了解挤管辅机的工作原理和构成2023/11/2挤出成型辅机的种类较多，根据生产制品的不同可分为：挤管辅机(包括挤出硬管和软管)挤板辅机挤膜辅机吹塑薄膜辅机吹塑中空制品辅机涂层辅机电缆电线包层辅机拉丝辅机薄膜双轴拉深辅机造粒辅机2023/11/2各种辅机一般均由以下5个基本环节组成：图5-46挤出成型工艺流程原理图1、机头2、定型3、冷却4、牵引5、切割6、卷取(或堆放)定型冷却牵引切割卷曲（堆放）2023/11/2辅机的作用：辅机的作用是将从机头挤出来的已初具形状和尺寸的高温熔体通过冷却，并在定型装置中定型，再通过进一步冷却，使之由高弹态最后转变为室温下的玻璃态，而获得合乎要求的制品。在辅机提供的成型温度、力、速度和各种动作的条件下，物料完成从熔融粘流态到成型后的玻璃态的转化，完成进一步成型。如果辅机不能很好配合，将对产品质量影响很大。辅机对挤出成型加工起着重要作用，在某种意义上讲辅机是挤出生产中的关键，要引起足够重视。2023/11/25.4.1吹塑薄膜辅机塑料薄膜生产方法挤出法压延法流涎法吹塑法狭缝机头直接挤出法2023/11/2通常挤出吹塑法生产的薄膜(片)其厚度在0.01～0.3mm(其中厚度在0.25mm以下的称为膜，在0.25mm以上的称为片材)，而展开宽度最大可达20m。可用吹塑法生产薄膜的塑料有：聚氯乙烯(PVC)聚乙烯(PE)聚丙烯(PP)聚酰胺(PA，俗称尼龙)2023/11/2图5-47吹塑薄膜装置示意图1、进气管2、卷取辊3、风环4、牵引辊5、牵引架6、人字板7、膜管8、机头9、挤出机薄膜吹塑成型过程：熔融物料挤出成圆筒状的膜管，从进气口吹入一定量的压缩空气使之横向吹胀，同时牵引辊连续地纵向牵伸，并经冷却风环吹出的空气冷却定型。充分冷却后的膜管被人字板压叠成双折薄膜进入卷取装置，被牵引辊完全压紧。膜管内部保持恒定的空气量，保证薄膜的宽度不变。最后薄膜由卷取装置卷取。2023/11/2根据挤出物料方向的不同，吹塑薄膜工艺可以分为：

1、上吹法：工作原理——薄膜泡管从机头上方引出，薄膜出料方向与挤出机螺杆方向成90度垂直方向向上引出。应用——上吹法是吹塑薄膜生产采用最多的工艺，如通常的聚乙烯、聚氯乙烯薄膜的生产。2023/11/21、上吹法：优点：①在不同速度的牵引条件下，泡管的形状稳定。②薄膜厚度范围较宽，厚度相对较均匀。③薄膜宽度较大，生产产量较高。④设备占地面积小。缺点：①厂房要求较高。②风冷却薄膜比下吹水冷的冷却效果较差，薄膜的透明度较差。③不适用于粘度小的原料。2023/11/22、下吹法：工作原理——薄膜泡管从机头下方引出，薄膜出料方向与挤出机螺杆成90度垂直向下的下方向引出。应用——下吹法主要用于聚丙烯、尼龙薄膜等熔体粘度较小的树脂的生产。图5-48薄膜的下吹法1、挤出机2、膜管3、人字板4、牵引辊5、卷取装置2023/11/22、下吹法：优点：①可直接用冷却水冷却泡管，冷却效率高，薄膜透明性能较好。②引膜操作较方便，泡管稳定性好。③生产线速度较高，产量也较高。④适宜于粘度较小的树脂、结晶度高的树脂生产薄膜。缺点：①不适宜生产较厚的薄膜。②操作不方便，挤出机要架高。2023/11/23、平吹法：工作原理——薄膜泡管从水平方向引出，与挤出机螺杆在同一水平线。应用——平吹法主要用于生产折径在500mm以下的聚乙烯、聚氯乙烯薄膜。图5-49薄膜的平吹法1、挤出机2、膜管3、人字板4、牵引辊5、导辊6、卷取装置2023/11/23、平吹法：优点：①设备成本较低②操作与维修较方便③泡管形状稳定，可取较大的吹膜比。缺点：①平吹法塑料由于自重而下垂，模具上下温差等造成薄膜厚度均匀性差②不适于粘度较低的树脂吹膜。2023/11/2一、机头

1、芯棒式：优点：①机头内存料较少，不易分解，适宜于生产聚氯乙烯薄膜；②结构简单，制造容易，价格便宜；③机头只有一条拼缝线，膜熔接较好。缺点：①从螺杆出来的物料直角转弯，造成物料流速不同，影响薄膜厚度均匀性；②芯棒侧面受力，致使芯棒产生“偏中”现象，影响薄膜厚度均匀性，到一定程度要更换。2023/11/2

2、水平式：优点：①物料流速均匀，薄膜厚度均匀性好；②机头加工容易，价格低；③适宜加工折径小的用平吹法生产各种薄膜；④不会产生“偏中”。

缺点：①机头存料较多，不适宜加工易分解塑料；②薄膜有3-4拼缝线，口模平直部分长。2023/11/23、直角式：优点：①适宜于上吹法和下吹法生产工艺；②适宜生产PE、PP、PA、PS等各种树脂吹膜；③薄膜厚度比较均匀；④芯棒不会“偏中”，寿命较长。

缺点：①机头存料多，不适宜生产PVC树脂吹膜；②机头加工比前两种困难。2023/11/24、螺杆式：优点：①薄膜厚度较均匀；②口模内压较高，薄膜物理力学性能较好；③适宜于PE、PP、PA、PS等多种树脂吹膜；④适宜于上吹法和下吹法工艺吹膜；⑤机头芯棒不会产生“偏中”现象。

缺点：①机头制造价格较高；②物料压在机头内停留时间较长，不适宜PVC塑料吹膜。③薄膜易产生纵向流量波动，要求口模平直部分较长。2023/11/25、旋转式：优点：①薄膜厚度公差分配均匀，膜卷平整度好；②适宜于上吹法和下吹法工艺吹膜；③适宜于多种树脂吹塑加工。

缺点：①机头旋转辅机造价较高；②机头清洗较困难。2023/11/2二、吹胀和牵伸控制吹胀比：吹胀后的膜管直径与机头环形口模直径之间的比，通常控制在2.5～3。为了得到满意的制品，吹胀比应保持恒定。这主要是通过控制压缩空气的压力来实现的。牵伸比：牵引辊的牵引速度和机头口模处物料的挤出速度之比，通常取4～6。为了保证薄膜纵、横方向的强度一致，吹胀比和牵伸比最好取值相同。2023/11/2三、冷却定型装置从机头出来的泡管温度很高，树脂呈粘流态，立即吹胀，直径变大，需立即冷却定型。冷却效率直接影响挤出成型生产能力和薄膜光学等物理性能。若冷却不足，薄膜在牵引夹辊压力作用下，会发生粘连现象。2023/11/2①按冷却介质不同：空气冷却水冷②按冷却部位不同：外冷却法——结构简单、操作方便，目前使用普遍；内冷却法——冷却效果好，但结构复杂，造价高，只在有特殊要求时方使用。分类：2023/11/2四、人字板作用：使吹胀的膜管稳定地导入牵引辊；逐渐将圆筒形的薄膜折叠成平面状；进一步冷却薄膜。特点：

两块板状结构物组成，呈人字形。夹角可用螺钉调节。对平吹法人字板一般取30°，上吹法和下吹法约为50°。结构种类较多，常用的有导辊式和夹板式。2023/11/2图5-50人字板结构2023/11/2五、牵伸装置作用——将人字板压扁的薄膜压紧并送至卷取设备，防止膜管内空气漏出，保证膜管形状尺寸稳定