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挤出成型设备

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第一章第一章 挤出成型设备挤出成型设备 无螺杆 挤出机 概述 1.1 概 述 •挤出成型是橡胶塑料成型加工的重要成型方法之 一。大部分热塑性塑料和橡胶都能用此法进行加 工。 1、挤出成型的特点 •与其它成型方法相比,挤出成型有下述特点: •1) 生产过程是连续的,因而其产品都是连续的; 即可连续化生产 •2) 生产效率高,一台φ200挤出机700kg/小时, 德国φ500挤出机20t/小时; 概述 •3) 应用范围广,能生产管材、棒材、板材、薄膜、 单丝、电线、电缆、异型材,以及中空制品等; •4) 投资少,收效快。 •5) 结构简单,易操作。 •用挤出成型生产的产品广泛地应用于人民生活及农 业、建筑业、石油化工、机械制造、国防等工业部 门。 •挤出成型在挤出机上进行,挤出机是橡胶、塑料成 型加工机械的重要机台之一。 概述 2 、挤出机的组成 •挤出过程是这样进行的:将塑料加热,使之呈粘 流状态,在加压的情况下,使之通过具有一定形 状的口模而成为截面与口模形状相仿的连续体, 然后通过冷却,使其具有一定几何形状和尺寸的 塑料由粘流态变为高弹态,最后冷却定型为玻璃 态,得到所需要的制品。(玻璃态----粘流态----高 弹态----玻璃态) •为使成型过程得以进行,一台挤出机一般由主机 、辅机、控制系统等各部分组成: 概述 1)主机 •挤压系统:主要由料筒和螺杆组成。塑料通过挤压 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,被螺杆连续地定压定量定温地挤出机头 。 •传动系统:它的作用是给螺杆提供所需的扭矩和转 速。 •加热冷却系统:其功用是通过对料筒(或螺杆)进 行加热和冷却,保证成型过程在工艺要求的温度范 围内完成。 概述 机头挤压系统 传动系统 加热冷却 系统 概述 机头 挤压系统 传动系统 概述 2)辅机 •机头: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.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。通常采用冷却和加 压的方法达到这一目的。 •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:将连续挤出的制品切成一定的长度或宽度 。 •卷取装置:将软制品(薄膜、软管、单丝等)卷绕成 卷。 概述 挤出机 主机 机头 定型 装置 冷却 装置 牵引 装置 切割 装置 定长 装置 • • 塑料管材机组塑料管材机组 概述 •工程胎胎面缠绕生产线 概述 •3)控制系统(检测和控制) •挤出机的控制系统:它由各种电器、仪表和执行机 构组成。 •根据自动化水平的高低,可控制挤出机的主机、辅 机的拖动电机、驱动油泵、油(汽)缸和其它各种 执行机构按所需的功率、速度和轨迹运行,以及检 测、控制主辅机的温度、压力、流量,最终实现对 整个挤出机组的自动控制和对产品质量的控制。 •一般称由以上各部分组成的挤出装置为挤出机组。 概述 3、挤出机的分类 •挤出机的分类:随着挤出机用途的增加,出现了各种 挤出机,分类方法很多。 •1)按螺杆数目的多少,可以分为单螺杆挤出机和多 螺杆挤出机; •2)按可否排气,分为排气挤出机和非排气挤出机; •3)按螺杆的有无,分为螺杆挤出机和无螺杆挤出机 ; •4)按螺杆在空间的位置,可分为卧式挤出机和立式 挤出机。 •以上各种挤出机将在本章陆续予以介绍。最常用的是 卧式单螺杆非排气挤出机,本章将以此为重点进行介 绍。 概述 4、单螺杆挤出机的主要参数 单螺杆挤出机的性能特征通常用以下几个主要 技术参数表示: •螺杆直径:指螺杆外径,用D表示,单位毫米。 美国max750mm) •螺杆长径比:用 L/D表示。其中L为螺杆有效 长度,即螺纹部分的长度(工艺上将L定义为由 加料口中心线到螺纹末端的长度),D为螺杆直 径, •螺杆的转数范围:用n/min表示。 •驱动电机功率:用N表示,单位千瓦。德国 φ500-3600kw φ600-5000kw 概述 •料筒加热段数:用B表示。 •料筒加热功率:用E表示,单位千瓦。 •挤出机生产率:用Q表示,单位公斤/小时。 •机器的中心高:用H表示,指螺杆中心线到地面的 高度。单位毫米。 •机器的外形尺寸: 长、宽、高。单位毫米。 挤出过程和挤出理论 一、 挤出机的工作过程 塑料之所以能进行成型加工,是由其内在依据 所决定的。由高分子物理学得知,高聚物一般 存在着玻璃态、高弹态和粘流态三种物理状态 ,在一定条件下,这三种物理状态将发生相互 转化。塑料的成型加工(压制、压延、挤出、 注射等)是在粘流态下进行的。 (一)挤出过程 •塑料由料斗进入料筒后,随着螺杆的旋转而被 逐渐推向机头方向。 •1、加料段---输送并开始压实物料 •螺槽为松散的固体粒子(或粉末)所充满,胶 料开始被压实。 •2、压缩段 •1)由于阻力,物料被压实 •由于螺槽逐渐变浅,以及滤网、分流板和机头 的阻力,在塑料中形成了很高的压力,把物料 压得很密实。 •2)外热、内热的作用,物料熔融 • 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,塑料的温度逐渐升高。对 于常规三段全螺纹螺杆来说,大约在 压缩段的三分之一处,与料筒壁相接 触的某一点的塑料温度达到粘流温度 ,开始熔融。 •3)物料全部熔融,变为变为 粘流态态 •随着物料的向前输输送,熔融的物料量逐渐渐增多 。而未熔融的物料量逐渐渐减少,大约约在压缩压缩 段 的结结束处处,全部物料熔融而转变为转变为 粘流态态,但 这时这时 各点的温度尚不很均匀。 •3、均化段---均化、挤出 •经过均化段的均化作用就比较均匀了,最后 螺杆将熔融物料定量、定压、定温地挤入机 头 •4、机头---成型、定型 •口模是个成型部件,物料通过它便获得一定 截面的几何形状和尺寸。再经过冷却定型和 其它工序,就得到成型好的制品。综上所述 ,挤出机的挤出过程可以归纳如下: 喂料---输送---压实---熔融---均化---挤出 成型 描写这一过程的参量有温度、压力、流率(或挤 出量、产量)和能量(或功率)。有时也用物 料的粘度,因其不易直接测得,而且它与温度 有关,故一般不用它来讨论挤出过程。 (二)参变量 2、参变量 l描写挤出过程的参变量有温度、压力、流率(或 挤出量、产量)和能量(或功率)。有时也用物 料的粘度表示,因其不易直接测得,而且它与温 度有关,故一般不用它来讨论挤出过程。 l下面我们就来对以上几个变量进行一下讨论: l1)温度 温度是挤出过程得以进行的重要条件之一。如前 所述,物料从加人料斗到最后成型为制品是经历 了一个复杂的温度过程的。 (低---高) 挤出过程和挤出理论 l如果我们以物料沿料筒方向的位移为横坐标。而 以温度为纵坐标,将沿料筒方向测得的各点的物 料温度值连成曲线,就会得到温度轮廓曲线,如 下图: 挤出过程和挤出理论 挤出过程和挤出理论 l实验告诉我们: l加工不同物料和不同制品,温度轮廓曲线是不相同 的。 l加工相同物料和相同制品,物料的温度轮廓曲线、 料筒的温度轮廓曲线和螺杆的温度轮廓曲线也是不 相同的。 l一般情况下我们测得的温度轮廓线是料筒的,而不 是物料的,物料的温度测量较难。 l由上图可见,螺杆的温度轮廓线比料筒的温度轮廓 线低,而比物料温度轮廓线高。 挤出过程和挤出理论 •a、热量来源 根据挤出理论和实践,物料在挤出过程中热量的 来源主要有两个: •物料与物料之间物料与螺杆、料筒之间的剪切、 摩擦产生的热量; •料筒外部加热器提供的热量。 •b、温度的调节 温度的调节是靠挤出机的加热冷却系统和控制系 统进行的。一般说来: •加料段--低温输送。为加大输送能力,不希望加 料段温度升得过高,相反有时要冷却; 挤出过程和挤出理论 •压缩段和计量段—高温熔融。为了促使物料熔融, 均化,物料要升到较高的温度。 •橡胶挤出机则不一样。 •为了便于物料的容易加入、输送、熔融、均化以及 在低温下挤出,获得高质量、高产量的制品,每一 种物料的挤出过程应有一条合适的温度轮廓曲线。 •应当指出,料筒和螺杆的设计对挤出过程的热量的 产生有很大影响。 挤出过程和挤出理论 •C、温度波动 •上图所示的温度轮廓线只是稳定挤出过程温度的 宏观表示。如果深入研究每一温度测示点的温度 ,就会发现,即使在稳定的挤出过程中,其温度 相对于时间也是一个变化的值,而且这种变化往 往具有一定的周期性。 •MD方向的温度不均匀性(轴向温度波动) •沿物料流动方向温度的波动情况,我们称之为物 料流动方向的温度波动(一般文献上记作MD方向 的温度不均匀性)。波动情况因测试点不同会有 不同。有的波动达10℃左右。 挤出过程和挤出理论 lTD方向的温度不均匀性(径向温差) 我们还会发现,垂直于物料流动方向的截面内 的各点之间的温度有时也不一致,我们称之为径 向温差(一般文献中记作TD方向的温度不均匀性 )。有的螺杆头部的径向温差竟达10℃以上。 l温度波动对挤出质量的影响 制品产生残余应力、各点强度不均匀、表面灰暗 无光泽等。 l努力方向是尽可能减少或消除这种波动和温差。 l产生这种波动和温差的原因: 如加热冷却系统不稳定,螺杆转数的变化等, 但以螺杆设计的好坏影响最大。 挤出过程和挤出理论 l2)压力 la、压力的建立 挤出成型时,沿料筒轴线方向,在物料内部要建 立起不同压力,主要由以下两个方面的因素造成 的: l压缩比的存在;(螺槽深度的改变、料筒上的沟 槽深度变化、螺距的改变等) l分流板、滤网和口模产生的阻力。 压力的建立是物料得以经历物理状态变化、得到 均匀密实的熔体、并最后得到成型制品的重要条 件之一。 挤出过程和挤出理论 lb、影响压力的因素 如果将沿料筒轴线 方向(包括口模) 测得的各点的物料 压力值作为纵坐标, 以料筒轴线为横坐 标作一曲线,即可 得到压力轮廓线。 l图中为常规三段螺杆和料筒加料段内壁不开沟槽的 挤压系统的压力轮廓曲线,压力峰值位于计量段开 始处(或其前后)。 挤出过程和挤出理论 l影响各点压力数值和压力轮廓曲线形状的因素很 多: 机头、分流板、滤网的阻力; 加热冷却系统; 螺杆转数; 螺杆和料筒的结构。 l研究挤出过程的压力轮廓曲线对挤出过程的了解 和改进螺杆、料筒的设计有着重要的意义。 挤出过程和挤出理论 lc、压力波动对制品的影响 若深入研究每一压力测示点的压力,也会发现,压 力随着时间发生周期性的波动,这种波动对制品 的质量同样有不利影响。比如: l压力的波动会造成流量的波动; l会使制品径向尺寸变化不均; l造成制品内部应力不均匀等。 l努力的方向应当是减少、消除这种波动。 挤出过程和挤出理论 l3)流率(挤出量) 流率是描写挤出过程的一个重要参量。它的大小 表征着机器生产效率的高低。 la、绝对流率(流量、产量) 用Q表示,为公斤/每小时 ,代表挤出机每小时 的生产能力。 lb、比流率 用每转的流率 Q/n表示。 l后者更能反映挤压系统的性能,应当作为衡量挤 出机挤压系统性能的标准。 挤出过程和挤出理论 lc、影响流率的因素 影响流率的因素: l机头的阻力 l螺杆、料筒的设计 l螺杆转数 l加热冷却系统 l物料的性质等。 右图为在机头压 力不变时,流率 和螺杆转数的关 系,它常用来研 究挤出机的性能。 挤出过程和挤出理论 •d、流率的波动 研究发现,流率也有波动。影响流率波动的因素 有很多,如: l螺杆转速的稳定与否; l螺杆设计的好坏; l温控系统的性能; l加料情况;等等。 l流率的波动对产品质量有显著的不良影响,如造 成挤出速度不均匀,而影响制品的几何形状和尺 寸等 挤出过程和挤出理论 l研究表明: 温度波动,压力波动、流率波动都是挤出过程的 反映,它们不是孤立的,而是互相制约、互相影 响的。 l对于高质量的挤出,希望有尽可能小的流率波动 、温度波动、压力波动。 l这些波动也是评价挤出质量、挤压系统好坏的标 准之一。 挤出过程和挤出理论 l4)能量(功率) 挤出机的挤出过程实际上就是一个能量的转换过程 ,并且遵守能量守恒定律。 la、能量平衡 l为了使物料熔融呈粘流态,必须供给热能; l为使物料压实并得以成型,物料必须具有一定的压 力,即必须供给压力能。 l热能和压力能是由加热器的电能和驱动螺杆的机械 能转化而来。 l这些能量的一部分为熔融物料、成型制品所利用。 其余部分作为热损失而损失掉。 挤出过程和挤出理论 l其能量平衡方程式如下: Z+HJ=Qv(T2-T0)ρCvJ+Qv∆P+H’ 式中 Z---单位时间内由螺杆输入的机械能, HJ---由外部加热器输入的热能。 右端第一项---物料由固态变为熔融状态所需之能, 右端第二项---物料在挤出过程中所获得的压力能。 H’---热量损失 即:机械能+热能=熔融热能+压力能+热量损失 H-外部热能, J-热功当量, Qv-体积挤出量, T2-挤出温度 T0-加料温度, ρ-比重, Cv-定容比热, ∆P-挤出压力 挤出过程和挤出理论 •b、比功率消耗 比功率消耗这一 指标是作为评价 挤出机性能的标 准之一,它的含 义是每挤出一公 斤物料(制品) 所消耗的功率。N/Q •它也是挤出过程的重要度量之一。在保证塑化质量 和混炼质量的前提下,希望该值越小越好。 物料在螺杆中的流动理论 前面我们扼要地分析了挤出过程。应当指出,这一过 程看起来简单,实际上是很复杂的,以致挤出机已出 现多年,尽管各国都做了大量的实验研究工作。取得 了很大进展,并从不同角度提出了多种描述挤出过程 的理论,但到目前为止,还没有形成一种完整的令人 满意的解释整个挤出过程并指导挤出机设计和操作实 践的理论。这就是说,人们还没有完全认识挤出过程 。关于挤出过程的理论正在发展中。 目前常用的关于挤出过程的理论,是在常 规全螺纹螺杆中建立起来的。 根据实验研究,物料自料斗加入到由机头中 挤出,要通过几个职能区:固体输送区、熔融 区和熔体输送区。 1、 固体输送区,通常限定在自加料斗开始 算起的几个螺距中。在该区,物料向前输送并 被压实,但仍以固体状存在; 2、熔融区,在该区,物料开始熔融,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; 3、熔体输送区,在该区,螺槽全部为熔体充 满,它一般限定在螺杆的最后几圈螺纹中。 这几个区不一定完全和前面介绍过的螺杆的加 料段.压缩段、均化段相一致。目前应用最广 的挤出理论,就是分别在以上三个职能区中建 立起来的,它们分别是:固体输送理论,熔融 理论,熔体输送理论(亦叫计量段流体理论) 。
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