挤出成型-挤出理论

第二节挤出过程和挤出理论之二挤出理论挤出理论2.2螺杆的基本参数：Db--机筒内径Ds--螺杆外径（当忽略间隙时，取Ds=Db）Ds’--螺杆的螺纹根部直径D--螺纹任意处的直径H--螺纹根部至机筒内表面的距离挤出理论δf--螺杆螺纹顶部至机筒内表面的间隙L--螺杆的长度（螺杆的有效工作长度）l--螺纹升程（或导程）S--螺纹轴向距离（螺距）L/Ds--螺杆的长径比P--螺纹头数iB--螺纹槽的轴向宽度Bb--机筒内表面处螺纹槽的轴向宽度Bs--螺杆螺纹槽根处的轴向宽度B(r)--螺杆螺纹槽在任意半径处的轴向宽度挤出理论W(r)--垂直于螺棱的任意半径处的螺槽宽度Wb--机筒内表面处垂直于螺棱的螺槽宽度Ws—-螺杆根径处垂直于螺棱的螺槽宽度e(r)--螺棱任意处的轴向宽度eb--机筒内表面处的螺棱轴向宽度es--螺杆根径处的螺棱轴向宽度e--螺纹顶处螺棱的法向宽度e’--螺纹顶处螺棱的轴向宽度挤出理论θ(r)--任意半径处的螺纹升角（或称螺纹导角）θb--机筒内表面处的螺纹升角θs--螺杆根径处的螺纹升角注：上述符号中，脚标“（r）”为机筒内表面至螺杆根部间的可变参数；脚标“b”表示在机筒内表面的有关参数；脚标“s”表示根径处的有关参数。挤出理论2.3物料在螺杆中的流动理论应当指出，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。挤出理论根据实验，物料自料斗加入到由机头挤出，要通过几个职能区：固体输送区、熔融区和熔体输送区。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。挤出理论熔融区，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；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）。下面我们将分别介绍这几种理论。挤出理论2.3.1固体输送理论

关于固体输送区的理论有几种，下面将重点介绍较有代表性的达涅耳（Darnel）和莫耳（Mol）于1956年提出的根据固体对固体摩擦的静力平衡为基础建立起来的固体输送理论。1、基本假设

1）螺槽中被压实的物料象具有弹性的固体塞子一样移动2）塞子在与所有面（料筒表面、螺纹槽底面、螺纹两个侧面）相接触挤出理论3）塞子与各表面的摩擦系数是一个常数，但在螺杆和料筒表面可以取不同的数值。4）忽略料筒和螺纹棱之间的间隙5）螺槽是矩形的，并且其深度不变6）固体塞子的密度不变7）机筒转动而螺杆相对的静止不动在做了以上假定以后，我们来研究固体输送区物料的输送。挤出理论2、Darnel-Mol理论基本方程：1）固体流率Qs的计算：

在固体塞子上取一微单元。假定螺杆不动，料筒以Vb=πDbn的速度移动，固体塞沿着螺槽移动的速度用Vsz表示，固体塞沿螺杆轴线方向的移动速度用V表示（即固体塞子绝对速度Vs的轴向分量）。挤出理论固体流率Qs可以用速度V和垂直于轴线的截面积A（同一截面的机筒面积减螺杆面积）的乘积来计算：

Qs=VA其中：所以：挤出理论以上公式就是体积流率Qs的计算公式。式中：

——平均槽宽

若忽略螺棱所占体积，即有：这就是通常所见的体积流率Qs的计算公式挤出理论2）方向角Φ的求解：方向角Φ：固体塞运动的绝对速度方向与螺杆轴线垂直面的夹角。也叫：输送角、移动角、拖曳角若计算Qs，当螺杆参数已知时，只有Φ（方向角）未知，因此通过固体塞的受力分析，求解Φ：挤出理论如图所示，固体塞在螺槽中运动时所受的力可以分为八个力来考虑：正压力：F2F6F7F8摩擦力：F1F3F4F5其中：F2F6—压力增长产生的压力F7F8—螺棱侧面产生的压力F1—机筒表面产生的摩擦力F3F4—螺棱侧壁产生的摩擦力F5—螺槽底面产生的摩擦力挤出理论将上述八个力分解为轴向分力：Fil（i=1,2,3…8）切向分力：Fiθ(i=1,2,3…8)根据假设，固体塞运动是稳定的，流速为常数，则有：力的平衡：(i=1,2,3…8)力矩的平衡：(i=1,2,3…8)将以上两式组成方程组求解，可得：挤出理论经三角变换可得：其中：上三项分别代表螺棱侧面，螺槽底面，压力增长对Φ的影响通常情况Φ=10˚~25˚挤出理论3．讨论1）关于方向角Φ的讨论a、Φ是影响挤出生产率的重要因素，它取决于螺杆几何参数、摩擦系数和压力增长情况。b、Φ越大，Qs越大

当Φ=90º时，可获得理论上最大生产率。c、Φ=0时，M=1，

Qs=0。机头被封死时，就会出现这种情况。挤出理论2）关于摩擦因数的讨论增大固体输送流率的关键是控制摩擦因数：a、降低螺杆表面粗糙度b、提高机筒内表面的摩擦因数。如机筒内加料段开槽和冷却，可以有效增大机筒内表面的摩擦因数。3）关于螺旋角θ的讨论理论上，当P1=P2，fs=0时，可以得到最大的生产率，这时θ=45˚，但实际上，fs›0，θ总比45˚小。为了加工方便，大多数螺杆螺距设计成等于螺杆直径，此时θ=17˚40΄。挤出理论4）关于其它参数的讨论：a、在加料段尽早建立起较大的P0，有利于压实物料，提高挤出质量。b、适当加长加料段长度Zb

，也有助于压实和输送物料，提高生产率。c、槽深H对Φ和Qs的影响较复杂，存在一个最佳值，过深的H是有害的。d、Qs正比于n，提高转速是提高产率的有效途径。挤出理论4、结论以上简要介绍了以固体对固体的摩擦静力平衡为基础建立起来的固体输送理论。但这一理论是在等温条件下建立起来的，并忽视了固体输送区螺纹深度的变化，压力分布的各向异性，固体塞子的密度变化等，该理论后来得到了修正，有人提出了等温修正模型和非等温修正模型。尽管各种固体输送理论的出发点和理论不尽相同，有很多争论之处，但以下几点却是一致的，因为已经被实验所证实：挤出理论1）Qs与fs、fb有关，fb>fs，可以提高固体输送率。2）在固体输送区，压力的建立对压实固体塞子以及避免熔融区的不良熔融和波动都是必须的。压力的建立与下列因素有关：a、随着固体输送段的加长，压力增大。b、固体输送段螺杆根部的锥度越大，则压力建立越快，压力值越大。c、压力的建立与固体塞子表面温度(主要是料筒接触面温度)有关。挤出理论d、压力的建立与fs