擠出成型原理

擠出成型原理第1頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2．單螺桿擠出機(jī)基本結(jié)構(gòu)及作用；3．?dāng)D出成型原理。本章教學(xué)內(nèi)容1．緒論；第2頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月7.3擠出成型原理固體輸送區(qū)，物料變形小熔融區(qū)，壓縮變形大，熔融流動(dòng)次要熔體輸送區(qū)，熔融流動(dòng)主要第3頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(一)固體輸送理論目前關(guān)于固體輸送區(qū)的理論有幾種，下面將重點(diǎn)介紹較有代表性的達(dá)涅耳(Darnel）和莫耳（Mol）1956年提出的根據(jù)固體對(duì)固體摩擦的靜力平衡為基礎(chǔ)建立起來的固體輸送理論。第4頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

1.

基本假設(shè)1、料筒與螺桿間的固體離子連續(xù)整齊地排列著，并塞滿了螺槽，形成“彈性固體”。塞子在與所有面（料筒表面、螺紋槽底面、螺紋兩個(gè)側(cè)面）相接觸，并以恒速移動(dòng)；2、忽略螺棱與機(jī)筒的間隙、物料重力、密度變化的影響；3、磨擦系數(shù)恒定，，服從F=f×P，fs、fb可不同；壓力是螺槽長(zhǎng)度的函數(shù)；4、螺槽為等距等深的矩形螺槽.第5頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

2

固體流量方程的推導(dǎo)VX-螺桿斜棱對(duì)固體塞產(chǎn)生推力P，使之產(chǎn)生垂直于斜率方向的推力；此推力軸向的分力產(chǎn)生固體塞軸向的運(yùn)動(dòng)Va；Vb-料筒相對(duì)于螺桿產(chǎn)生的切向運(yùn)動(dòng)速度；Vb-VX產(chǎn)生沿螺槽Z方向的運(yùn)動(dòng)VZ.第6頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月受力情況：Fs—螺桿對(duì)固體塞的摩擦力，推力；Fb—料筒對(duì)固體塞的摩擦力，阻力。Fbz—Fb在Z軸方向上的分力。當(dāng)Fbz=Fs=0時(shí)，物料不發(fā)生任何移動(dòng)；Fbz<Fs，螺桿帶動(dòng)物料轉(zhuǎn)動(dòng)而不移動(dòng)。流動(dòng)的基本條件：Fbz>Fs第7頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Q=V·va Q—單位時(shí)間內(nèi)固體物料的流動(dòng)體積；va—物料前進(jìn)速度；V—單位螺槽容積。

第8頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月N—螺桿轉(zhuǎn)數(shù)，Φ—展開后的螺線角（移動(dòng)角），θ—螺桿外徑處的旋轉(zhuǎn)角，Φ+θ=90o，l—螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)一周物料移動(dòng)距離的軸向投影。第9頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

3

提高固體輸送量的方法從螺桿的結(jié)構(gòu)出發(fā)1、通過加大加料段的螺槽深度來實(shí)現(xiàn)提高輸送量Qs。2、Qs與成正比。Φ（移動(dòng)角），與螺桿、料筒的幾何參數(shù)、摩擦系數(shù)和壓力降均有關(guān)系.如螺桿與料筒間的摩擦系數(shù)大，物料包住螺桿，在軸向的流量為0，Φ=0°；反之，Φ=90°，流量達(dá)到理論上限；正常情況下，0°＜Φ＜90°.第10頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月θ—螺桿旋轉(zhuǎn)角，（1）隨著摩擦系數(shù)降低而增加，對(duì)于大多數(shù)聚合物：fs在0.25—0.5，螺桿旋轉(zhuǎn)角在17o～20o之間，一般取17o41’（2）略去壓力影響，并fs=fb，—θ作圖第11頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、螺桿表面摩擦系數(shù)越?。贤驳哪Σ料禂?shù)越大），QS越大。a、增加螺桿表面光潔度；b、通過在料筒加料段處，開縱向溝槽和加工出錐度來實(shí)現(xiàn)提高輸送量Qs。但料筒內(nèi)壁仍應(yīng)光滑.4、增加加料段的長(zhǎng)度會(huì)使產(chǎn)量的提高。第12頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月從擠出工藝出發(fā)控制螺桿與機(jī)筒的溫度金屬與聚合物的摩檫系數(shù)是溫度的函數(shù),而且有一個(gè)極大值第13頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月問題1、什么叫固體床?簡(jiǎn)述提高固體輸送效率的方法。2、PP和PE與金屬的摩擦系數(shù)f—溫度T的圖如下，粘附范圍指摩擦系數(shù)f大于一定值，塑料才能與金屬產(chǎn)生有效的粘附。請(qǐng)回答以下問題：(8分)在正常的工藝條件下，用相同螺深和螺矩的螺桿擠出機(jī)擠出時(shí)，哪種塑料產(chǎn)量高？為什么？針對(duì)這種摩擦系數(shù)對(duì)產(chǎn)量的影響，工業(yè)上常采取什么措施？？第14頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第15頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(二)熔化理論熔融理論又稱為融化理論，相遷移理論，它是研究塑料從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿廴跔顟B(tài)的過程，是建立在熱力學(xué)第一流變學(xué)等基礎(chǔ)上的一種理論。熔融理論主要用于指導(dǎo)螺桿熔融段的設(shè)計(jì)，作為改進(jìn)設(shè)備和工藝的重要依據(jù)。物料在熔融區(qū)存在固體和熔融料兩相結(jié)構(gòu)，在流動(dòng)和輸送過程中存在相轉(zhuǎn)變，過程十分復(fù)雜，到目前為止，仍處于發(fā)展階段。這里重點(diǎn)介紹Tadmor所建立的熔融理論。第16頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.熔融理論的物理模型該熔融理論是在擠出機(jī)上進(jìn)行的大量冷卻實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出來的。（1）冷卻實(shí)驗(yàn)是這樣的：將著色物料（或炭黑）和本色物料加入擠出機(jī)中，待擠出過程穩(wěn)定后，快速停車并驟冷料筒（如果可能，也冷卻螺桿），（2）抽出螺桿（如果是部分料筒可將料筒打開），將螺旋狀的已冷卻的物料（塑料）帶從螺桿上剝下，這時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，已熔融的和局部混合的物料呈現(xiàn)流線，而未熔的物料將保持初始的固態(tài)。第17頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（3）然后垂直于螺紋方向切取截面，可以看到一個(gè)截面內(nèi)有三個(gè)區(qū)域：固態(tài)床、熔池和接近料筒表面的熔膜。

熔融過程熔融起點(diǎn)熔融終點(diǎn)隨著物料向前輸送，熔池逐漸加寬，固體床相應(yīng)變窄，直到最后，熔體充滿整個(gè)螺槽，固體床消失。第18頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月熔融模型：塑料在擠出過程中，在接近加料段的末端，與機(jī)筒相接觸的塑料已開始熔融而形成了一層熔膜。當(dāng)熔膜厚度超過螺桿與機(jī)筒的間隙時(shí)，螺桿頂面把熔膜從機(jī)筒內(nèi)壁徑向的刮向螺桿底部，強(qiáng)制積存于螺紋推力面的前方，而形成了熔池。在螺槽的前移過程中，固體床寬度會(huì)逐漸減少，直至全部消失，即完全熔化。XWVbx熔膜熔池推力面第19頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月熔膜形成后的固體熔融是在熔膜和固體床的界面處發(fā)生的塑料熔融的熱源主要有兩個(gè)：一是從外加熱器得到的外熱（傳導(dǎo)熱）二是熔融流動(dòng)過程中，由于速度差異產(chǎn)生的粘性耗散熱（剪切熱）以及擠壓和壓縮作用，其能量來源是電動(dòng)機(jī)的機(jī)械能。從熔化開始到固體床寬度下降為0的螺桿長(zhǎng)度即為熔化區(qū)長(zhǎng)度。第20頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、熔融過程數(shù)學(xué)分析第21頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月基本假定1、建立直角坐標(biāo)系，將螺桿和機(jī)筒沿Z方向展開，認(rèn)為螺桿不動(dòng)，機(jī)筒平移方向：與螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反。大?。篤b=nπDb2、在熔融區(qū)固體、熔體共存，有明顯分界面固體床（逐漸減小，X=W→0）；熔體熔膜：緊貼料筒壁處物料先熔融；熔池：隨著熔膜的發(fā)展，形成熔池3、擠出過程是穩(wěn)定的。即在擠出過程中，螺槽中的固液相分界面保持不變。固相以穩(wěn)定不變的速度Vsy在分界面熔融，物料前進(jìn)速度不隨時(shí)間而變固體—熔體分界面不隨時(shí)間而變第22頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4、整個(gè)固相為均一的連續(xù)體。（忽略固體床破碎的可能性）。5、塑料的熔融溫度范圍較窄，固液相分界面明顯。熔體為牛頓流體6、螺槽和固體床的橫斷面都是矩形，外熱和內(nèi)熱是通過固液相分界面?zhèn)鬟f，其它沒有熱交換第23頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月固相分布函數(shù)的求解研究熔融理論的目的，就是為了找出固相寬度X沿螺槽方向Z的變化規(guī)律即分布函數(shù)X=F（Z）對(duì)熔融理論的物理模型進(jìn)行下列三個(gè)方面的平衡分析，即可求出固相分布函數(shù)X=F（Z）的解析式。這些平衡是：固相的質(zhì)量平衡，熔膜的質(zhì)量平衡，固液相分布截面的熱量平衡第24頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1）固相的質(zhì)量平衡—=[dz段上分界面處固相融化量]即：

流入-流出=融化量

第25頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月寫成微分形式：其中ρs--固相密度VSZ—Z方向固相移動(dòng)速度d(HX)—斷面單位面積W---單位螺槽長(zhǎng)度上的固體熔化率H

第26頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2）熔膜的質(zhì)量平衡根據(jù)假設(shè)，認(rèn)為固相只在Y方向熔融，而不在X方向熔融。同時(shí)，熔膜只有X方向的流動(dòng)。因而可以得出：H

δVbxW

XY

熔膜質(zhì)量平衡

第27頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月[在距離dz段上，單位時(shí)間內(nèi)在Y方向由固相加入熔膜的新熔融的熔料量]=[由熔膜流入熔池的熔料量]=[單位螺槽長(zhǎng)度上的熔融速率ω與長(zhǎng)度dz的乘積]

即式中ρs——固相密度Vby——機(jī)筒在X方向的分速度。Vsy——固相在Y方向的融化速度。第28頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3）固液相分界面上的熱量平衡根據(jù)假設(shè)，固相只在Y方向熔融，因此熱量也只在Y方向傳遞。由此得出：在單位時(shí)間內(nèi)在單位面積上。[經(jīng)熔膜流入分界面的熱量]-[流出分界面進(jìn)入固相的熱量]=[塑料熔融消耗的熱量]第29頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)傅立葉導(dǎo)熱定律，流體流過不同溫度的固體壁面時(shí)，產(chǎn)生熱交換，換熱量由下式計(jì)算：/溫度梯度其中K為導(dǎo)熱系數(shù)得出下列公式式中

——分界面液相一側(cè)的溫度梯度

——分界面固相一側(cè)的溫度梯度——液相的熱傳導(dǎo)率

——固相的熱傳導(dǎo)率

——塑料的熔融潛熱，即融化單位質(zhì)量的塑料所需要熱量。第30頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4)求解固相分布函數(shù)可以求出固相的分布函數(shù)如下：

——等深螺槽

式中：φ——融化系數(shù)G——生產(chǎn)能力H——熔槽深度Z——固相熔融長(zhǎng)度（螺槽展開）上式中當(dāng)X=0（即固相熔融結(jié)束）時(shí)，即可得到熔融總長(zhǎng)度。第31頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、熔融過程影響因素-操作條件（1）擠出質(zhì)量G由公式，可知G增大φ減小ZT增大

即擠出量的增大，將導(dǎo)致熔融的發(fā)生和終了均延遲，實(shí)踐證明，在其他條件不變的情況下，G點(diǎn)的增加，將使產(chǎn)品質(zhì)量變壞。第32頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（2）螺桿轉(zhuǎn)速n高阻力機(jī)頭：n↑→G變化很小，Ф↑，Ψ↑→ZT↓低阻力機(jī)頭：n↑→G↑，Ф↑→→Ψ?Ψ↑→ZT↓Ψ↓→ZT↑機(jī)頭阻力↑—ZT↓提高機(jī)頭壓力，有助于物料熔融塑化第33頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（3）機(jī)筒溫度TbTb↑→Ф↑，Ψ↑→ZT↓→熔膜η↓→Ф↓→ZT↑（Tb有最佳值）第34頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、熔融過程影響因素-螺桿結(jié)構(gòu)（1）等深螺桿與漸變螺桿的比較ZT（漸變）<ZT（等深），ψ相同在熔融區(qū)，螺桿漸變對(duì)熔融有利，（2）漸變度A的影響漸變度A↑—對(duì)熔融有利，對(duì)輸送不利，只能適度第35頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（三）熔體輸送理論常規(guī)的全螺紋單螺桿均化段的熔體輸送理論已得到很好的發(fā)展，與其他兩個(gè)理論相比，它建立的最早。1953年它首先在兩個(gè)無限大的平板之間，假定熔體為等溫牛頓流體的條件下建立起來，后來又進(jìn)行了修正。第36頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月熔料在螺槽中的流動(dòng)實(shí)際上有以下幾種運(yùn)動(dòng)合成：a.正流（曳流）：是由物料受機(jī)筒的摩擦拖曳引起的，產(chǎn)生沿螺槽向機(jī)頭方向的運(yùn)動(dòng)，是螺桿斜棱在Z軸方向作用的結(jié)果，實(shí)質(zhì)是拖曳流動(dòng)，起擠出物料作用，流量用Qd表示。(如圖）1、熔體在螺槽內(nèi)的運(yùn)動(dòng)分析第37頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月倒流（壓力流）：由機(jī)頭，口型等阻力元件產(chǎn)生的壓力引起的回流。方向與正流方向相反，流量為QP.第38頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第39頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月橫流（環(huán)流）：由螺棱對(duì)物料的推擠作用和料筒的拖曳作用共同引起，（如圖)使物料在螺槽內(nèi)產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。對(duì)生產(chǎn)能力沒有影響，但能促進(jìn)物料的混合、攪拌和熱交換，流量Qc=0.第40頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月漏流：由機(jī)筒與螺棱間隙δ處形成的倒流。方向沿螺桿軸線方向，并由機(jī)頭向后。流量用QL表示。第41頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月實(shí)際上螺槽中熔體的總的流動(dòng)是這幾種流動(dòng)的總和，擠出機(jī)的生產(chǎn)能力即等于正流、壓力流、漏流的總和Q=Qd-Qp-Ql

第42頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、生產(chǎn)率的基本方程Q=Qd-Qp-Ql

y——螺槽內(nèi)的物料粘度yf——間隙δf內(nèi)物料粘度P1——均化段開始處的熔融體壓力P2——均化段結(jié)束處的熔體壓力式中第一項(xiàng)為正流流率，第二項(xiàng)倒流，第三項(xiàng)漏流第43頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月若考慮聚合物流體的非牛頓性，并略去漏流的影響，則與上式比較可發(fā)現(xiàn)，聚合物流體的流變性能很大程度取決于逆流。第44頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、流率公式的啟示1、若塑料的流動(dòng)性好，粘度小或k值大，則QP對(duì)壓力敏感，不宜擠壓成型；2、正流與螺槽深度成正比，而逆流與螺槽深度的三次方或多次方成正比；a淺螺槽對(duì)壓力敏感不顯著，能在壓力波動(dòng)下擠出均勻制品b壓力較低時(shí)，淺螺槽的擠出量低于深螺槽，而壓力大時(shí)相反.第45頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1、說明熔體輸送理論中，Qp/Qd變化對(duì)熔體沿螺桿Z向流動(dòng)速度（Vz）分布的影響。2、塑料熔體在擠出機(jī)均化段螺槽內(nèi)有幾種流動(dòng)形式？造成這幾種流動(dòng)的主要原因是什么？問題3、設(shè)計(jì)能力為0.06kg/r的螺桿，如何滿足0.09kg/r的生產(chǎn)要求，反之亦然？第46頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4、不考慮熔體密度差異，用相同直徑單螺桿擠出機(jī)擠出非晶和結(jié)晶塑料，螺桿深度和轉(zhuǎn)速的差異？第47頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（四）螺桿和口模特征曲線螺桿特性曲線牛頓型熔體Q=AN-ΔP(B/η)非牛頓型熔體Q=AN-B’K(ΔP)mQ~ΔP在一定的N下繪出曲線。n↑→An↑→螺桿特性線截距↑η↓→螺桿特性線斜率↑第48頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

若螺桿不變，改變螺桿轉(zhuǎn)速。則得到一組相互平行的螺桿特性線。還反映螺桿均化段熔體的流率與壓力的關(guān)系。隨著機(jī)頭壓力的升高，擠出量降低，螺桿特性線

n1n2n3n4n5VVVVABPQ第49頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月口模特性曲線牛頓型熔體Q=K(ΔP/η)非牛頓型熔體Q=K’K(ΔP)mk/η大，阻力小，低阻力機(jī)頭k/η小，阻力大，高阻力機(jī)頭第50頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月擠出機(jī)的工作點(diǎn)第51頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月牛頓型熔體Q=K(ΔP/η)Q=AN-ΔP(B/η)非牛頓型熔體Q=K’K(ΔP)mQ=AN-B’K(ΔP)m帶機(jī)頭和口模的擠出機(jī)的擠出量與物料的粘度無關(guān)。第52頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（五）擠出流量的影響因素均化段螺槽深度

1、螺槽深度過大或過淺均不利，深度過大使其潛在的熔體輸送能力大于熔體熔融能力，壓縮段未熔融的物料會(huì)進(jìn)入該段，殘留的固相碎片若得不到進(jìn)一步均勻塑化而擠入機(jī)頭，會(huì)影響制品質(zhì)量。螺槽太淺，產(chǎn)量就會(huì)降低，而且熔體會(huì)受到過大的剪切，熔體的溫度會(huì)變得過高，非但不能獲得低溫?cái)D出，甚至?xí)疬^熱分解。第53頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、均化段螺槽深度的選擇還應(yīng)當(dāng)與使用的機(jī)頭相匹配：若想獲得高的擠出量，高壓機(jī)頭應(yīng)當(dāng)與淺的均化段螺槽的螺桿相匹配，低壓機(jī)頭應(yīng)當(dāng)與均化段螺槽深的螺桿相匹配。3、均化段螺槽深度h3的確定比較復(fù)雜，目前仍以經(jīng)驗(yàn)方法確定。h3=（0.02—0.06）D螺桿直徑較小者，h3取大值，反之，取小值。第54頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月均化段的長(zhǎng)度1、L3長(zhǎng)一些，可以使物料得到相對(duì)長(zhǎng)一些的均化時(shí)間，也可以減少壓力、產(chǎn)量、溫度的波動(dòng)。2、但L3不能過長(zhǎng)，否則會(huì)使壓縮段和加料段在螺桿全長(zhǎng)中占的比例變小，不利于物料的熔融，或使螺桿加長(zhǎng)。第55頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作