挤出压塑系统的概述与优化

挤出机的挤出压塑系统是挤出机设备中的主要部件。它的功能是把原料从这里经挤压、加热，由固态转变为塑化熔融态，然后从机筒前端的分流板（也叫多孔板）等量、等压地均匀挤出，进入成型制品模具。

挤压塑化系统的结构及组成零件见图1-4。它主要由螺杆、机筒和分流板等主要零件组成。

1.螺杆

（1）螺杆的结构 螺杆是挤出机的重要零件，它的直径尺寸代表挤出机的规格；对其结构形式的选择应用是保证塑料塑化质量的主要条件之一。常用螺杆的结构形式，有渐变型螺杆和突变型螺杆。这两种螺杆结构形式示意如图2-2所示。

图2-2 常用螺杆结构示意图

1）渐变型螺杆。渐变型螺杆的结构特点是：螺杆的螺纹部分螺距相等，螺纹槽的深度从加料段向均化段由深逐渐变浅。还有一种渐变型螺杆，是加料段和均化段的螺纹槽深度不变，而塑化段的螺纹槽深度由深逐渐变浅。这种螺杆结构适于聚氯乙烯和聚乙烯等塑料的挤出塑化。

2）突变型螺杆。突变型螺杆的加料段和均化段螺纹槽深度不变，而螺杆的塑化段（也叫压塑段）长度很短，这段的螺纹槽深是突然由深变浅。这种结构螺杆适合于聚烯烃等结晶型塑料的挤出成型。

（2）螺杆的尺寸

1）螺杆直径。是指螺杆的螺纹部分的外圆直径。用D表示，单位为mm。螺杆直径既能表示挤出机的规格大小，也与挤出机生产塑料制品的规格尺寸大小有关。表2-1中列出螺杆直径与塑料制品成型规格尺寸的关系。

表2-1 螺杆直径与制品规格尺寸的关系 （单位：mm）

2）长径比。是指螺杆的螺纹部分长度与直径的比值，即L/D。JB/T 8061—1996标准中规定，螺杆的长径比值在20～30范围内。一般情况下，聚氯乙烯等非结晶型塑料的挤出塑化用螺杆，取长径比在20～25范围内；聚烯烃类塑料的挤出塑化，取螺杆的长径比在25～30范围内。

挤出塑化原料时，取长径比的大值，有利于原料的塑化，可提高螺杆的工作转速，提高挤出机的产量；但是，过大的长径比会使螺杆长度增加，这给螺杆的切削加工和热处理带来较大的难度。

3）螺纹部分的分段。按螺杆工作转动时的功能作用，把螺纹部分分为加料段L₁、塑化段L₂和均化段L₃（图2-3）。

加料段接受料斗供料，随着螺杆的转动，把原料输送给塑化段。

图2-3 常用螺杆的各部分尺寸代号

塑化段的温度逐渐升高，把加料段输送来的原料挤压、搅拌，逐渐变成熔融态，并随着螺杆的转动被推入均化段。塑化段也可叫压塑段。

均化段把塑化段输送来的熔融料进一步塑化均匀，然后随着螺杆的转动，熔融塑化料被等量、等压、均匀地推入成型模具内。

4）螺距。两个螺纹间同一位置的距离为此螺杆的螺距。用t表示，单位为mm。一般取螺距长度等于螺杆直径尺寸。

图2-4 螺纹的截面形状

5）螺纹截面形状。如图2-4所示，有矩形和锯齿形两种截面形状。螺纹深：进料段用h₁表示；均化段用h₃表示，棱宽约等于直径的1/10，用e表示。

图2-5 螺杆头部结构形状

6）螺杆头部形状。是指螺杆的螺纹前端结构形状。这里的结构形状对熔料的停留时间有影响，对于不同原料的挤出应注意选择不同结构形式。图2-5中螺杆头部呈圆弧形状，用于流动性较好的聚烯烃类和尼龙料的挤出，一般前端要加过滤网和分流板。螺杆头部锥角较小，适合于聚氯乙烯原料的挤出，此种形状可减少熔料在机筒内的停留时间，从而避免原料分解。

（3）螺杆压缩比 螺杆的压缩比是指螺杆的进料段第一螺纹槽容积与均化段最后一个螺纹槽容积的比值，在等距渐变形螺杆中，也可理解为进料段第一个螺纹槽深h₁与均化段最后一个螺纹槽深h₃的比值，即压缩比=h₁/h₃。

螺杆的压缩比值大小，对挤出塑化原料的工艺控制条件有较大影响。挤出不同树脂时，应根据不同塑料的物理性能来选用螺杆的压缩比。表2-2中列出了不同塑料挤出时常使用的螺杆压缩比值，可供生产选择螺杆结构时参考。

表2-2 挤出不同塑料的螺杆压缩比

（4）新型螺杆结构与作用 新型螺杆结构的应用是为了改进和提高螺杆对塑料的混炼能力和塑化质量，加快原料的混炼、塑化熔融速度，从而达到提高生产效率的目的。

目前，应用较多的新型螺杆结构是在螺杆的均化段前设置屏障段，如图2-6所示。另一种结构是在螺杆的前端设置一些不规则的销钉或在均化段末端安装DIS混炼元件，如图2-7所示。这种螺杆结构，打乱了熔融料的流动方式，使料流的方向和位置失去原规律性，分成了多股乱流，然后再重新组合，从机筒前推出，进入成型模具，成型制品。

图2-6 直槽型屏障螺纹头及熔料在槽内流动方式

1—料入口槽 2—料出口槽 3—环流

图2-7 分流型螺杆中销钉的布置和DIS混炼元件结构

二十多年来，国内引进了一些挤HDPE和PP—R管材挤出机生产线，螺杆为分离型结构（图2-8所示，也称其为BM型螺杆），这种螺杆结构，实际就是在单螺纹的螺杆上增加一条辅助螺纹，从而进一步提高原料的塑化质量，但这种螺杆的螺纹加工有一定的难度。图2-9所示也是一种分离型螺杆结构。用于加工塑化高分子相对质量的高密度聚乙烯。图a螺杆结构是与机筒的加料段不开纵向沟槽的机筒配合工作；图b螺杆结构，是与机筒加料段开纵向沟槽的机筒配合工作。(www.xing528.com)

图2-8 分离型螺杆（BM型螺杆）结构

（5）螺杆的质量要求

图2-9 分离型螺杆结构

1）螺杆用受热变形小、耐磨、抗腐蚀的合金钢制造。常用材料是38CrMoAlA合金钢或40Cr钢。

2）螺杆毛坯应采用锻造法成型毛坯。

3）螺杆经机械加工后，外圆精度应达到8级（GB 1800）精度质量要求。

4）螺杆上和传动轴连接部位的工作轴面与螺杆的螺纹外圆同轴度误差应不大于0.01mm。

5）螺杆的螺纹部分工作面表面粗糙度Ra值：螺纹两侧面应不大于1.6μm，螺纹底和外圆应不大于0.8μm。

6）如果采用低碳合金钢材料制造螺杆，为了提高螺纹工作面的硬度和抗腐蚀、耐磨性，螺纹表面要进行氮化处理，氮化层深0.3～0.6mm，表面硬度为700～840HV。脆性不大于2级。

7）螺杆内孔连接处要作0.3MPa水压试验，持续5min不许有渗漏水现象。

2.机筒

（1）机筒的结构与作用 机筒在挤出机的挤出压塑系统中和螺杆一样，是挤出机的重要零件。机筒与螺杆配合工作，机筒包容螺杆，螺杆在机筒内转动。当螺杆旋转推动塑料在机筒内向前移动时，由机筒外部加热传导热量给筒内塑料，再加上螺杆上的螺纹容积的逐渐缩小，使螺纹槽内的塑料受到挤压、翻转及剪切等多种力的作用后被均匀混合塑炼，在向机筒前部移动的同时，逐渐熔融呈黏流态，完成对塑料的塑化。机筒与螺杆的正常配合工作，保证了挤出机的连续挤塑原料成型生产。

机筒的结构比较简单，图2-10所示为整体式机筒结构。在中小型挤出机中，多用此种结构型机筒。在大型挤出机中，机筒的结构可由几段组成（图2-11）。由于机筒分为几段组成，则每段机筒的长度缩小了，这给机械加工机筒带来了方便。但是，这种由几段组成的机筒，机械加工后的内径尺寸和几段机筒的内孔同心度精度比较难达到一致；此外，分段机筒用法兰连接，也会给机筒的加热和冷却设备布置带来些难度，温度控制也不会太均匀。为了节省较贵重的合金钢材，有些大型挤出机的机筒采用内孔加衬套或浇铸耐磨合金层的方法。这样的机筒外套体可由普通钢铸造，达到降低机筒的制造费用的目的。

为了提高塑化原料的速度和产量，机筒的进料段表面开出与轴线平行的沟槽或加开有沟槽的衬套（图2-12），以增加原料进入机筒内被螺杆推动前移时与机筒内孔表面的摩擦力。

图2-10 整体式机筒结构

图2-11 分段式机筒结构

图2-12 开有沟槽的机筒

（2）机筒质量要求

1）机筒应采用耐磨、耐腐蚀的合金钢材料制造。机筒毛坯用锻造法成型，然后用机械加工至图样要求尺寸。目前，国内制造挤出机机筒多用38CrMoAlA合金钢，也可采用40Cr或45钢制造。

2）机筒毛坯经机械粗加工后要进行调质处理，硬度260～290HBW。

3）机筒半精加工后，内孔表面要进行氮化处理：氮化层深度为0.4～0.7mm，硬度为940HV以上。

4）机筒与螺杆装配后的配合间隙见标准JB/T 8061—1996规定值（表2-3）。

表2-3 机筒与螺杆的装配间隙 （单位：mm）

（3）分流板 分流板也叫多孔板，设置在机筒前与模具的连接处用来支撑分流板前的过滤网。分流板与过滤网结合工作，其作用是把机筒中塑化的熔料旋转运动变为直线运行，同时阻止熔料中的杂质及未塑化料通过。分流板的设置，使熔料流的背压增加，提高了原料的塑化质量。

分流板外形结构如图2-13所示。通常多用45钢、40Cr或2Cr13合金钢锻造毛坯，经车削加工后成形。分流板上的孔直径一般为ϕ2～ϕ7mm，孔面积总和占分流板面积的30%～70%；孔的分布可在不同直径的同心圆周上均匀分布，也可中间部位孔距大些，而向外孔距逐渐变小。加工时要注意进料端面不应有料流阻力死角；孔径内表面要尽量光滑平整，以保证料流通畅。

过滤网的使用层数一般为2～5层，网的目数为40～120目，用不同目数的过滤网组合使用时，要把目数大的网放在中间，目数小的网靠在分流板上、支撑目数大的网、以增加目数大网的工作强度。

图2-13 分流板外形结构

图2-14 快速换网装置

1—滑板 2—滤网 3、4—滤网座 5—外壳体 6—密封环 7—分流锥 8—分流锥架套 9—限位板 10—多孔板 11—支撑环 12—拉杆

（4）快速换网装置 为了保证挤出塑料制品的成型质量，有些挤出机机筒前端装有换网装置。挤出机工作时，过滤网滤出的杂质会阻滞熔料的流动，这时要用换网装置及时调换过滤网。换网装置有手动型和机械液压驱动式结构多种类型：手动型换网装置换网时需停车，手工拆卸换网，既影响生产又会产生废料；机械液压驱动换网装置是目前应用较多的一种换网装置，结构如图2-14所示。过滤网和支撑过滤网的多孔板有两个工位，换网时，液压缸驱动滑板把两个装网工位