一種塑料瓶加工用擠出機構(gòu)

在擠出機中，一般情況下，最基本和最通用的是單螺桿擠出機。其主要包括:傳動、加料裝置、料筒、螺桿、機頭和口模等六個部分。

傳動部分通常由電動機，減速箱和軸承等組成。在擠出的過程中，螺桿轉(zhuǎn)速必須穩(wěn)定，不能隨著螺桿負荷的變化而變化，這樣才能保持所得制品的質(zhì)量均勻一致。但是在不同的場合下又要要求螺桿可以變速，以達到一臺設(shè)備可以擠出不同塑料或不同制品的要求。因此，本部分一般采用交流整流子電動機、直流電動機等裝置，以達到無級變速，一般螺桿轉(zhuǎn)速為10~100轉(zhuǎn)/分。

傳動系統(tǒng)的作用是驅(qū)動螺桿，供給螺桿在擠出過程中所需要的力矩和轉(zhuǎn)速，通常由電動機、減速器和軸承等組成。而在結(jié)構(gòu)基本相同的前提下，減速機的制造成本大致與其外形尺寸及重量成正比。因為減速機的外形和重量大，意味著制造時消耗的材料多，另所使用的軸承也比較大，使制造成本增加。

同樣螺桿直徑的擠出機，高速高效的擠出機比常規(guī)的擠出機所消耗的能量多，電機功率加大一倍，減速機的機座號相應(yīng)加大是必須的。但高的螺桿速度，意味著低的減速比。同樣大小的減速機，低減速比的與大減速比的相比，齒輪模數(shù)增大，減速機承受負荷的能力也增大。因此減速機的體積重量的增大，不是與電機功率的增大成線性比例的。如果用擠出量做分母，除以減速機重量，高速高效的擠出機得數(shù)小，普通擠出機得數(shù)大。以單位產(chǎn)量計，高速高效擠出機的電機功率小及減速機重量小，意味著高速高效擠出機的單位產(chǎn)量機器制造成本比普通擠出機低。

供料一般大多采用粒料，但也可以采用帶狀料或者粉料。裝料設(shè)備通常都使用錐形加料斗，其容積要求至少能提供一個小時的用量。料斗底部有截斷裝置，以便調(diào)整和切斷料流，在料斗的側(cè)面裝有視孔和標定計量的裝置。有些料斗還可能帶有防止原料從空氣中吸收水分的減壓裝置或者加熱裝置，或者有些料筒還自帶攪拌器，能為其自動上料或加料。

1.料斗

料斗一般做成對稱形式。在料斗的側(cè)面開有視窗，以觀察料位及上料情況，料斗的底部有開合門，以停止和調(diào)節(jié)加料量。料斗上方加蓋子，防止灰塵、濕氣及雜質(zhì)落入。在選擇料斗材料時，最好用輕便、耐腐蝕和易加工材料，一般多用鋁板和不銹鋼板。料斗的容積要視擠出機的規(guī)格大小和上料方式而定。一般為擠出機1~1.5h的擠出量。

2.上料

上料方式有人工上料和自動上料兩種。自動上料主要有彈簧上料、鼓風(fēng)上料、真空上料、運輸帶傳送上料等形式。一般情況下，小型擠出機用人工上料，大型擠出機用自動上料。

3.加料方式分類

① 重力加料:

原理--物料依靠自身的重量進入料筒，包括人工上料、彈簧上料、鼓風(fēng)上料。

特點--結(jié)構(gòu)簡單，成本低。但容易造成進料不均勻，從而影響制件的質(zhì)量。它只適用于小規(guī)格的擠出機。

② 強制加料:

原理--在料斗中裝上能對物料施加外壓力的裝置，強制物料進入擠出機料筒中。

特點--能克服"架橋"現(xiàn)象，使加料均勻。加料螺旋由擠出機螺桿通過傳動鏈驅(qū)動，使其轉(zhuǎn)速與螺桿轉(zhuǎn)速相適應(yīng)。能在加料口堵塞時啟動過載保護裝置，從而避免了加料裝置的損壞。

一般為一個金屬料桶，為合金鋼或者內(nèi)襯為合金鋼的復(fù)合鋼管制成。其基本特點為耐溫耐壓強度較高，堅固耐磨耐腐蝕。一般料筒的長度為其直徑的15~30倍，其長度以使物料得到充分加熱和塑化均勻為原則。料筒應(yīng)該有其足夠的厚度與剛度。內(nèi)部應(yīng)該光滑，但是有些料筒刻有各種溝槽，以增大與塑料的摩擦力。在料筒外部附有電阻、電感以及其他方式加熱的電熱器、溫度自控裝置及冷卻系統(tǒng)。

1.料筒在結(jié)構(gòu)上存在著三種形式:

(1)整體式料筒

加工方法--在整體材料上加工出來。

優(yōu)點--容易保證較高的制造精度和裝配精度，可以簡化裝配工作，料筒受熱均勻，應(yīng)用較多。

缺點--由于料筒長度大，加工要求較高，對加工設(shè)備的要求也很嚴格。料筒內(nèi)表面磨損后難以修復(fù)。

(2)組合料簡

加工方法--將料筒分幾段加工，然后各段用法蘭或其他形式連接起來。

優(yōu)點--加工簡單，便于改變長徑比，多用于需要改變螺桿長徑比的情況。

缺點--對加工精度要求很高，由于分段多，難以保證各段的同軸度，法蘭連接處破壞了料筒加熱的均勻性，增加了熱量損失，加熱冷卻系統(tǒng)的設(shè)置和維修也較困難

(3)雙金屬料筒

加工方法--在一般碳素鋼或鑄鋼的基體內(nèi)部鑲或鑄一層合金鋼材料。它既能滿足料筒對材質(zhì)的要求，又能節(jié)省貴重金屬材料。

① 襯套式料筒:料筒內(nèi)配上可更換的合金鋼襯套。節(jié)省貴重金屬，襯套可更換，提高了料筒的使用壽命。但其設(shè)計、制造和裝配都較復(fù)雜。

② 澆鑄式料筒:在料筒內(nèi)壁上離心澆鑄一層大約2mm厚的合金，然后用研磨法得到所需要的料筒內(nèi)徑尺寸。合金層與料筒的基體結(jié)合得很好，且沿料筒軸向長度上的結(jié)合較均勻，既沒有剝落的傾向，又不會開裂，還有極好的滑動性能，耐磨性高，使用壽命長。

(4)IKV料筒

1)料筒加料段內(nèi)壁開設(shè)縱向溝槽

為了提高固體輸送率，由固體輸送理論知，一種方法就是增加料筒表面的摩擦系數(shù)，還有一種方法就是增加加料口處的物料通過垂直于螺桿軸線的橫截面的面積。在料筒加料段內(nèi)壁開設(shè)縱向溝槽和將加料段靠近加料口處的一段料筒內(nèi)壁做成錐形就是這兩種方法的具體化。

2)強制冷卻加料段料筒

為了提高固體輸送量，還有一種方法。就是冷卻加料段料筒，目的是使被輸送的物料的溫度保持在軟化點或熔點以下，避免熔膜出現(xiàn)，以保持物料的固體摩擦性質(zhì)。

采用上述方法后，輸送效率由0.3提高到0.6，而且擠出量對機頭壓力變化的敏感性較小。

螺桿是擠出機的心臟，是擠出機的關(guān)鍵部件，螺桿的性能好壞，決定了一臺擠出機的生產(chǎn)率、塑化質(zhì)量、填加物的分散性、熔體溫度、動力消耗等。是擠出機最重要的部件，它可以直接影響到擠出機的應(yīng)用范圍和生產(chǎn)效率。通過螺桿的轉(zhuǎn)動對塑料產(chǎn)生極壓的作用，塑料在料筒中才可以發(fā)生移動、增壓以及從摩擦中獲取部分熱量，塑料在料筒的中的移動過程中獲得混合和塑化，黏流態(tài)的熔體在被擠壓而流經(jīng)口模時，獲得所需的形狀而成型。與料筒一樣，螺桿也是用高強度、耐熱和耐腐蝕的合金制備而成。

由于塑料的種類很多，它們的性質(zhì)也各不相同。因此在實際操作中，為了適應(yīng)不同的塑料加工需要，所需的螺桿種類不同，結(jié)構(gòu)也有各有差別。以便能最大效率的對塑料產(chǎn)生最大化運輸、擠壓、混合和塑化作用。圖為幾種較常見的螺桿。

表示螺桿特征的基本參數(shù)包括以下幾點:直徑、長徑比、壓縮比、螺距、螺槽深度、螺旋角、螺桿和料筒的間隙等。

最常見的螺桿直徑D大約為45~150毫米。螺桿直徑增大，擠出機的加工能力也相應(yīng)提高，擠出機的生產(chǎn)率與螺桿直徑D的平方呈正比。螺桿工作部分有效長度與直徑之比(簡稱長徑比，表示為L/D)通常為18~25。L/D大，能改善物料溫度分布，有利于塑料的混合和塑化，并能減少漏流和逆流。提高擠出機的生產(chǎn)能力，L/D大的螺桿適應(yīng)性較強，能用于多種塑料的擠出;但L/D過大時，會使塑科受熱時間增長而降解，同時因螺桿自重增加，自由端撓曲下垂，容易引起料簡與螺桿間擦傷，并使制造加工困難;增大了擠出機的功率消耗。過短的螺桿，容易引起混煉的塑化不良。

料筒內(nèi)徑與螺桿直徑差的一半稱間隙δ，它能影響擠出機的生產(chǎn)能力，隨δ的增大，生產(chǎn)率降低.通常控制δ在0.1一0.6毫米左右為宜。 δ 小，物料受到的剪切作用較大，有利于塑化，但δ過小，強烈的剪切作用容易引起物料出現(xiàn)熱機械降解，同時易使螺桿被抱住或與料筒壁摩擦，而且， δ太小時，物料的漏琉和逆流幾乎沒有，在一定程度上影響熔體的混合。

螺旋角Φ是螺紋與螺桿橫斷面的夾角，隨Φ增大，擠出機的生產(chǎn)能力提高，但對塑料產(chǎn)生的剪切作用和擠壓力減小，通常螺旋角介于10°到30°之間，沿螺桿長度的變化方向而改變，常采用等距螺桿，取螺距等于直徑，Φ的值約為17°41′

壓縮比越大，塑料收到的擠壓比也就越大。螺槽淺時，能對塑料產(chǎn)生較高的剪切速率，有利于料筒壁和物料間的傳熱，物料混合和塑化效率越高，反而生產(chǎn)率會降低;反之，螺槽深時。情況剛好相反。因此，熱敏性材料(如聚氯乙烯)宜用深螺槽螺桿;而熔體粘度低和熱穩(wěn)定性較高的塑料(如聚酰胺)，宜用淺螺槽螺桿。

1.螺桿的分段

物料沿螺桿前移時，經(jīng)歷著溫度、壓力、粘度等的變化，這種變化在螺桿全長范圍內(nèi)是不相同的，根據(jù)物料的變化特征可將螺桿分為加(送)料段、壓縮段和均化段。

①、塑料及塑料三態(tài)

塑料有熱固性和熱塑性二大類，熱固性塑料成型固化后，不能再加熱熔融成型。而熱塑性塑料成型后的制品可再加熱熔融成型其它制品。

熱塑性塑料隨著溫度的改變，產(chǎn)生玻璃態(tài)、高彈態(tài)和粘流態(tài)三態(tài)變化，隨溫度重復(fù)變動，三態(tài)產(chǎn)生重復(fù)變化。

a.三態(tài)中聚合物熔體不同的特征:

玻璃態(tài)--塑料呈現(xiàn)為剛硬固體;熱運動能小，分子間力大，形變主要由鍵角變形所貢獻;除去外力后形變瞬時恢復(fù)，屬于普彈形變。

高彈態(tài)--塑料呈現(xiàn)為類橡膠物質(zhì);形變由鏈段取向引起大分子構(gòu)象舒展作出的貢獻，形變值大;除去外力后形變可恢復(fù)但有時間依賴性，屬于高彈形變。

粘流態(tài)--塑料呈現(xiàn)為高粘性熔體;熱能進一步激化了鏈狀分子的相對滑移運動;形變不可逆，屬于塑性形變

b.塑料加工與塑料三態(tài):

塑料玻璃態(tài)時可切削加工。高彈態(tài)時可拉伸加工，如拉絲紡織、擠管、吹塑和熱成型等。粘流態(tài)時可涂復(fù)、滾塑和注塑等加工。

當溫度高于粘流態(tài)時，塑料就會產(chǎn)生熱分解，當溫度低于玻璃態(tài)時塑料就會產(chǎn)生脆化。當塑料溫度高于粘流態(tài)或低于玻璃態(tài)趨向時，均使熱塑性塑料趨向嚴重的惡化和破壞，所以在加工或使用塑料制品時要避開這二種溫度區(qū)域。

②、三段式螺桿

塑料在擠出機中存在三種物理狀態(tài)--玻璃態(tài)、高彈態(tài)和粘流態(tài)的變化過程，每一狀態(tài)對螺桿結(jié)構(gòu)要求不同。

c.為適應(yīng)不同狀態(tài)的要求，通常將擠出機的螺桿分成三段:

加料段L1(又稱固體輸送段)

熔融段L2(稱壓縮段)

均化段L3(稱計量段)

這就是通常所說的三段式螺桿。塑料在這三段中的擠出過程是不同的。

加料段的作用是將料斗供給的料送往壓縮段，塑料在移動過程中一般保持固體狀態(tài)，由于受熱而部分熔化。加料段的長度隨塑料種類不同，可從料斗不遠處起至螺杯總長75%止。

大體說，擠出結(jié)晶聚合物最長，硬性無定形聚合物次之，軟性無定形聚合物最短。由于加料段不一定要產(chǎn)生壓縮作用，故其螺槽容積可以保持不變，螺旋角的大小對本段送科能力影響較大，實際影響著擠出機的生產(chǎn)率。通常粉狀物料的螺旋角為30度左右，時生產(chǎn)率最高，方塊狀物料螺旋角宜選擇15度左右，因球形物料宜選選擇17度左右。

加料段螺桿的主要參數(shù):

螺旋升角ψ一般取17°~20°。

螺槽深度H1，是在確定均化段螺槽深度后，再由螺桿的幾何壓縮比ε來計算。

加料段長度L1由經(jīng)驗公式確定:

對非結(jié)晶型高聚物L(fēng)1=(10%~20%)L

對于結(jié)晶型高聚物L(fēng)1=(60%~65%)L

壓縮段(遷移段)的作用是壓實物料，使物料由固體轉(zhuǎn)化為熔融體，并排除物料中的空氣;為適應(yīng)將物料中氣體推回至加料段、壓實物料和物料熔化時體積減小的特點，本段螺桿應(yīng)對塑料產(chǎn)生較大的剪切作用和壓縮。為此，通常是使螺槽容積逐漸縮減，縮減的程度由塑料的壓縮率(制品的比重/塑料的表觀比重)決定。壓縮比除與塑料的壓縮率有關(guān)外還與塑料的形態(tài)有關(guān)，粉料比重小，夾帶的空氣多，需較大的壓縮比(可達4~5)，而粒料僅2.5~3。

壓縮段的長度主要和塑料的熔點等性能有關(guān)。熔化溫度范圍寬的塑料，如聚氯乙烯150℃以上開始熔化，壓縮段最長，可達螺桿全長100%(漸變型)，熔化溫度范圍窄的聚乙烯(低密度聚乙烯105~120℃，高密度聚乙烯125~135℃)等，壓縮段為螺桿全長的45~50%;熔化溫度范圍很窄的大多數(shù)聚合物如聚酰胺等，壓縮段甚至只有一個螺距的長度。

熔融段螺桿的主要參數(shù):

壓縮比ε:一般指幾何壓縮比，它是螺桿加料段第一個螺槽容積和均化段最后一個螺槽容積之比。

ε=(Ds-H1)H1/(Ds-H3)≈H1/H3

式中，H1--加料段第一個螺槽的深度

H3--均化段最后一個螺槽的深度

熔融段長度L2由經(jīng)驗公式確定:

對非結(jié)晶型高聚物L(fēng)2=55%~65%L

對于結(jié)晶型高聚物L(fēng)2=(1~4)Ds

均化段(計量段)的作用是將熔融物料，定容(定量)定壓地送入機頭使其在口模中成型。均化段的螺槽容積與加料段一樣恒定不變。為避免物料因滯留在螺桿頭端面死角處，引起分解，螺桿頭部常設(shè)計成錐形或半圓形;有些螺汗的均化段是一表面完全平滑的桿體稱為魚雷頭，但也有刻上凹槽或銑刻成花紋的。魚雷頭具有攪拌和節(jié)制物料、消除流動時脈動(脈沖)現(xiàn)象的作用，并隨增大物料的壓力，降低料層厚度，改善加熱狀況，且能進一步提高螺桿塑化效率。本段可為螺桿全長20一25%。

均化段螺桿的重要參數(shù):

螺槽深度H3由經(jīng)驗公式確定H3=(0.02~0.06)Ds

長度L3由下式確定L3=(20%~25%)L

d. 根據(jù)熔體輸送理論，熔體在螺桿均化段的流動有四種形式，熔融物料在螺槽中的流動是這四種流動的組合:

正流--塑料熔體在料筒和螺桿間沿著螺槽方向朝機頭方向的流動。

逆流--流動方向與正流相反，由機頭、多孔板、過濾板等阻力引起的壓力梯度所造成。

橫流--熔體沿著垂直于螺紋壁方向的流動，影響擠出過程中熔體的混合和熱交換作用。

漏流--由于壓力梯度在螺桿與料筒間隙處形成的倒流，沿螺桿軸向方向。

2.普通螺桿的結(jié)構(gòu)

常規(guī)全螺紋三段螺桿按其螺紋升程和螺槽深度的變化，可分為三種形式:

(1)等距變深螺桿

等距變深螺桿從螺槽深度變化的快慢可分為兩種形式:

① 等距漸變螺桿:從加料段開始至均化段的最后一個螺槽的深度是逐漸變淺的螺桿。在較長的熔融段上，螺槽深度是逐漸變淺的。

② 等距突變螺桿:即加料段和均化段的螺槽深度不變，在熔融段處的螺槽深度突然變淺的螺桿

(2)等深變距螺桿

等深變距螺桿是指螺槽深度不變，螺距從加料段第一個螺槽開始至均化段末端是從寬漸變窄的。

等深變距螺桿的特點是由于螺槽等深，在加料口位置上的螺桿截面積較大，有足夠的強度，有利于增加轉(zhuǎn)速，從而可提高生產(chǎn)率。但螺桿加工較困難，熔料倒流量較大，均化作用差，較少采用

(3)變深變距螺桿

變深變距螺桿是指螺槽深度和螺紋升角從加料段開始至均化末端都是逐漸變化的，即螺紋升程從寬逐漸變窄，螺槽深度由深逐漸變淺的螺桿。該螺桿具有前面兩種螺桿的特點，但機械加工較困難，較少采用。

3.螺桿材料

螺桿是擠出機的關(guān)鍵部件，作為螺桿的材料必須具備耐高溫、耐磨損、耐腐蝕、高強度等特性，同時還應(yīng)具有切削性能好、熱處理后殘余應(yīng)力小、熱變形小等特點。

對于擠出機螺桿的材料，具體有如下幾點要求:

① 力學(xué)性能高。要有足夠的強度，以適應(yīng)高溫、高壓的工作條件，提高螺桿的使用壽命。

② 機械加工性能好。要有較好的切削加工性能和熱處理性能。

③ 耐腐蝕和抗磨性能好。

④ 取材容易。

4.新型螺桿

常規(guī)全螺棱三段式螺桿存在的問題:

①熔融段同時有固體床和熔池同居一個螺槽中，熔池不斷增寬，固體床逐漸變窄，從而減少了固體床于機筒壁的接觸面積，減少了機筒壁直接傳給固體床的熱量，降低了熔融效率，致使擠出量不高;

②壓力波動、溫度波動和產(chǎn)量波動大;

③不能很好適應(yīng)一些特殊塑料的加工進行混煉、著色等工藝。

對此類問題常用的處理方法:

加大長徑比;提高螺桿轉(zhuǎn)速;加大均化段的螺槽深度;

為了克服常規(guī)螺桿存在的缺點，人們創(chuàng)造了一些新型螺桿，主要包括:

①分離型螺桿

在壓縮段增設(shè)一條副螺紋，克服了常規(guī)螺桿中固體床和熔體共存一個螺槽中所產(chǎn)生的缺點，將熔融物料和未熔物料盡早分離，從而促進了未熔物料的熔融。

這種螺桿塑化效率高，塑化質(zhì)量好。由于沒有固體床解體，產(chǎn)量波動、壓力波動和溫度波動都比較小，并具有排氣性能好、能耗低等優(yōu)點，應(yīng)用較廣。

②屏障型螺桿

在普通螺桿的某一部位設(shè)置屏障段，使未熔的固體不能通過，并促使固體熔融的一種螺桿。

這種螺桿通過剪切作用和渦流的混合作用，將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮懿⑦M行熱交換，使物料熔融均化，并且徑向溫差小，產(chǎn)量、質(zhì)量都比常規(guī)螺桿好。

③銷釘螺桿

物料流經(jīng)過銷釘時，銷釘將固體料或未徹底熔融的料分成許多細小料流，這些料流在兩排銷釘間較寬位置又匯合，經(jīng)過多次匯合分離，物料塑化質(zhì)量得以提高。

銷釘設(shè)置在熔融區(qū)，排列形狀有人字形、環(huán)形等，銷釘形狀有圓柱形、菱形、方形等。

由于銷釘將熔料多次分割分流，增加了對物料的混煉、均化和添加劑的分散性。另外，由于固體碎片在熔融的過程中不斷從熔體中吸收熱量，有可能降低熔料溫度，故可獲得低溫擠出。

④組合螺桿

由帶加料段的螺桿本體和各種不同職能的螺桿元件如輸送元件、混煉元件和剪切元件等組成。改變這些元件的種類、數(shù)量、和組合順序，可以得到各種特性的螺桿，以適應(yīng)不同物料和不同制件的加工要求，并找出最佳工作條件。

這種螺桿適應(yīng)性強，易獲得最佳工作條件，在一定程度上解決了萬能與專用的矛盾，因此得到越來越廣泛的應(yīng)用。但設(shè)計復(fù)雜，組合元件之間拆裝較麻煩，在直徑較小的螺桿上實現(xiàn)有困難。

機頭和口模通常為一整體，習(xí)慣上統(tǒng)稱機頭;但也有機頭和口模各自分開的情況。機頭的作用是將處于旋轉(zhuǎn)運動的塑料熔體轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫兄本€運動，使塑料進一步塑化均勻，并使熔體均勻而平穩(wěn)的導(dǎo)入口模，還賦予必要的成型壓力，使塑料易于成型和所得制品密實?？谀榫哂幸欢ń孛嫘螤畹耐ǖ?，塑料熔體在口模中流動時取得所需形狀，并被口模外的定型裝置和冷卻系統(tǒng)冷卻硬化而成型。機頭與口模的組成部件包括過濾網(wǎng)、多孔扳、分流器(有時它與模芯結(jié)合成一個部件)、模芯、口模和機頸等部件。

機頭中的多孔板能使機頭和料筒對中定位，并能支承過濾網(wǎng)(過濾熔體中不熔雜質(zhì))和對熔體產(chǎn)生反壓等。機頭中還有校正和調(diào)整裝置(定位螺釘)，能調(diào)正和校正模芯與口模的同心度、尺寸和外形。在生產(chǎn)管子或吹塑薄膜時，通過機頸和模芯可引入壓縮空氣。按照料流方向與螺桿中心線有無夾角，可以將機頭分為直角機頭(又稱T型機頭)、角式機頭(直角或其它角度)。直角機頭主要用于擠管、片和其它型材，角式機頭多用于擠薄膜、線纜包復(fù)物及吹塑制品等.