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一．挤塑机工作原理 挤塑机的工作原理是：利用特定形状的螺杆在加热的机筒中旋转，将由料斗中送来的塑料向前挤压，使塑料均匀地塑化，通过机头和不同形状的模具，使塑料挤压成各种形状的制品。 挤出过程中，塑料将要经过两个阶段：第一阶段是塑化阶段是在机筒内完成的，经过螺杆的旋转，使塑料由固体的颗粒状变为可塑性的熔融体；第二阶段是成型阶段，它是在机头内进行的，经过机头内的模具，使熔融体成型为所需要的各种尺寸及形状的制品。 挤出过程中塑料的流动状态：在挤出过程中，由于螺杆的旋转，推移塑料，在机筒和螺杆之间产生相对运动，物料和机筒之间产生摩擦作用，使物料沿着螺槽方向前进。另外，由于机头模具及滤网的阻力，使塑料在前进中又产生反作用力，这就是物料在螺杆中的流动状态。 二．挤塑机的基本结构 挤塑机由挤压系统、传动系统和加热冷却系统组成。 1．挤压系统 挤压系统包括螺杆、机筒、料斗、机头和模具5部分。 (1)螺杆：螺杆是挤出机中的重要部件，它是由高强度、耐热和耐腐蚀的合金钢制成。其作用是将塑料向前推进，产生压力，搅拌，旋转时与塑料产生摩擦热，使塑料熔化，并连续不断地将融体送入机头挤出。它直接关系到挤塑机的应用范围和生产率。 (2)机筒：是一个金属圆筒，一般用耐热耐压的强度较高的、坚固耐磨、耐腐蚀的合金钢或内衬合金钢的复合钢管制成。它与螺杆构成了塑料塑化和输送作用的挤压系统的基本结构。机筒的长度一般为其直径的15～30倍，以使物料得到充分加热和塑化充分为原则。机筒应有足够的厚度、刚度、内壁应光滑。在机筒的外面装有电阻或感应加热器、测温装置及冷却系统。 (3)料斗：通常为锥形容器，其容积至少应能容1小时的用料。料斗底部装有切断料流的截断装置，料斗侧面装有视孔，可标定和计量。 (4)机头：机头是挤塑机的成型部件，机头主要有过滤装置(多孔板和筛网)、连接管，分流器，模芯座，模具等组成。 2．传动系统 它的功能是保证螺杆以所需要的力矩和转速匀速地旋转。一般传动系统都包括三个必要的环节：原动力 ——变速器——减速器。要求螺杆转速稳定，不随其负荷的变化而变化，以保证制品质量均匀一致。但在不同场合下又要求螺杆能变速，以达到一台设备能挤出不同规格制品的要求。为此传动电机一般采用交流整流电机、直流电动机等。 3．加热冷却系统 它的功能是通过机筒的加热或者冷却，以保证塑料始终在其工艺温度范围内挤出。 (1)挤塑机的加热方法 当挤塑机螺杆速度保持恒定时，影响出胶量稳定性的主要因素是挤塑机机身温度。 交联挤塑机加热方法通常有两种：采用载体(如过热水)加热和电阻器加热。采用载体加热的特点是加热均匀，不易产生局部过热现象。但是载热体加热温度对系统的密封要求很高，成本较高，因而用于温控要求较高的挤塑机上。 目前，大多数采用电加热方法，即电阻器加热，它是将电阻丝装于加热棒中，再将此加热棒铸于铝合金中，它具有外形尺寸小，重量轻，装置方便，传热效果好等优点，但温度波动较大。 (2)挤塑机冷却 在挤出过程中经常会产生机筒内塑料温度过高，热量过多的现象，如不及时排出过多的热量，则容易引起物料“先期交联”。 挤塑机一般在两个部位冷却：机筒冷却和机头冷却。 1)机筒冷却。机筒冷却方法有两种，风冷和水冷。从冷却效果来看，空气冷却比较柔和，冷却速度较慢，水冷却速度则较快，但比较激烈，易造成较强的“热振动”。水冷却系统的设计是比较复杂的，它除了具有良好的冷却效果外，还应有良好的密封以防泄漏；使在不需要冷却时，最好能使冷却系统中的水全部逸出，以免因存水产生的水垢使冷却系统堵塞，结构上还应有利于维修。目前的水冷却系统大部多是在机筒外表面车出螺旋形沟槽、然后盘绕冷却管。在设计风冷系统时，机筒的外面应设有风罩以保证合理的空气流道，为了加速散去机筒热量，加热器的外壁往往铸出散热片。 2)螺杆冷却。冷却螺杆的主要目的是防止塑料过热，此外冷却螺杆的加料段也有利于物料往机头输送。 通入螺杆的冷却介质通常是水，水温可以根据要求保持一定数值，甚至螺杆冷却长度也可以调整，有时全长冷却，有时只冷却一部分，最新设计的挤塑机螺杆温度可以分区调节。 3)料斗冷却。塑料在加料段的温度不能过高，否则会在加料斗口引起料的堵塞，故加料斗座的冷却是必须的。此外，冷却加料斗座还能阻止挤压部分的热量传往止推轴承和减速箱从而保证了它们的正常工作条件 三、挤塑机螺杆参数 螺杆的主要参数有直径、长径比、压缩比、螺距、螺槽宽度、螺旋角、螺杆与机筒之间的间隙等。见图3—2 图3—2螺杆的基本结构图 1．螺杆直径D：挤塑机的大小规格通常是用它来表示的，直径越大，出胶量就越大，挤出量近似与直径的平方成比例，因此螺杆直径少许增加，将引起挤出量的显著增加。机组的三台挤塑机是按照出胶量要求规定的，一般挤内屏蔽用Φ65，绝缘Φ150 ，外屏蔽Φ90。Φ65，Φ150 ，Φ90，分别表示三台机塑机的螺杆直径。 2．长径比L／D：螺杆工作部分长度L与直径D的比值。在螺杆直径一定时，增大长径比就意味着增加螺杆的长度。长径比越大，有利于物料充分塑化，同时还能产生较大的压力，保证产品更加密实，提高质量。然而长径比太大也不好，对交联料产生过分塑化，引起物料先期交联。用于交联机组的挤出机，长径比一般在20—25倍之间。 3．压缩比：是加料段第一个螺槽容积与均化段最后一个螺槽容积之比。压缩比的选择，应根据原材料来决定，塑料性质不一样，压缩比也不一样，颗粒大，压缩比小，颗粒小，压缩比大。低密度聚乙烯的压缩比为2～3。 4．螺槽深度H：即螺纹的外半径与根部半径之差。根据压缩的要求，加料段槽深大于熔融段，熔融段又大于均化段。加料段螺槽深度大，有利于提高其输送力；熔融段和均化段螺槽浅，螺杆能对物料产生较高的剪切速率，有利于机筒壁向物料传热和物料的混合和塑化。 5．螺旋升角θ：即螺纹与螺杆横断面的夹角。对于送料段，30°螺旋角最适合于粉料；15°适合于方块料；17°左右适合于球状或柱状料。均化段理论分析得知30 °时挤出流量最高。实际上为加工方便，多取螺旋角为17 °41'。 6．螺距S：即螺纹轴向距离。 7．槽宽w：即垂直于螺棱的螺槽宽度。 8．螺杆与机筒的间隙δ：螺杆与机筒的间隙是挤出机的一个很重要的结构参数，间隙大小，对出胶量影响很大，因为漏流与间隙的三次方成正比。因而，在保证螺杆与机筒不相碰的情况下，间隙应越小越好。通常间隙取0．002D。 四、螺杆的分段及各区段的作用 螺杆的分段是根据物料在挤塑机中的物态变化和螺杆功能划分的。 螺杆工作部分可分为三段：加料段、熔化段(压缩段)和均化段(计量段)。 1．加料段：主要是对塑料进行压实和输送。此段的工作过程是，塑料自料斗进入螺杆后，在旋转的螺杆作用下，通过机筒内壁和螺杆表面的摩擦作用向前输送和压实。塑料在加料段基本上保持固态。加料段螺杆长度随塑料的种类而不同，挤出结晶聚合物最长；硬性非结晶聚合物次之，软性非结晶聚合物最短。 2．熔化段：又称压缩段，其作用是使塑料进一步压实和塑化，并将塑料中夹带的空气压回到加料口处排出。这一段螺槽应该是压缩型的，其工作过程是当塑料从加料段进入熔化段后，随着塑料的继续向前输送，由于螺槽逐渐变浅，以及滤网，多孔板和机头产生的反压力作用，在塑料中形成了高压，故塑料逐渐被压实。同时，物料受到来自机筒的外部加热和螺杆与机筒的强烈搅拌、混合和剪切等作用，开始熔融，随着推进过程，液相不断增加，而固相不断减少，至熔融区的末端，塑料全部或绝大部分转变为粘流态。熔融段的长度主要和塑料的粘流温度(或熔点)等性能有关，熔化温度范围宽的塑料，可占螺杆的整个长度；熔化温度范围窄压缩段就短。聚乙烯一般为螺杆全长的45％～50％。 3．均化段：也称为匀化段或计量段，塑料进入均化段后，进一步塑化，并使之定压、定量和定温地从螺杆中挤出。均化段约占螺杆全长的20～25％。为避免螺杆头部端面前成料流“死区”，常将螺杆头设计成锥形或半圆形，有些螺杆均化段为一表面平滑的柱体，称鱼雷头，它能节制料流，消除脉动，提高螺杆的塑化能力。 五、机头和模具 机头的作用： 1．使塑料由螺旋运动变为直线运动。 2．产生必要的成型压力，保证制品密实。 3．使塑料进一步塑化均匀。 4．成型。 近年来随着生产技术要求的不断提高，即使生产10KV等级中压电缆也都采用三层共挤出机头，即电缆的内外半导电层和绝缘层，采用三层一次挤出方式，机头要保持规定的恒定温度，对机头的温控较严，一般采用过热水作为载体，也有采用高温油作为载体的，三层共挤用典型机头结构见图。 1．电缆导电芯 2．销和垫 3．PE绝缘 4内半导体 5外半导体 挤出机头示意图 现将机头和模具的组成和调节分别介绍如下： 1．过滤装置 在机头连接处设有分流板和过滤网。其作用是将塑料由螺旋运动变为直线运动；增加料流阻力，使制品更加密实；滤出料流中的杂质；阻止未塑化的塑料进人机头。 分流板有各种形式，目前用于交联挤出机的是平板式分流板，结构简单，制造方便。为使塑料通过分流板后流速相等，常使板上孔眼分布为中间疏，边缘密。孔眼大小和板的厚度随螺杆直径的增加而增加，一般孔眼直径为1．5～3．5mm左右，孔眼总面积约为分流板的30％～45％。分流板到螺杆头部的距离不宜太大，否则易使物料积存，物料容易先期交联，距离太小对制品质量不利。 一般情况下分流板与螺杆头之间的容积应稍小于或等于均化段一个螺槽的容积，其距离为O．1D(D为螺杆直径)。螺杆与机头之间过渡区的流道(又称连接管)形状决定于螺槽头部的形状和尺寸，也决定于机头的型式和尺寸，该流道的截面形状一般为圆柱形或圆锥形，交联线一般用圆柱形。分流板的材料大都用不锈钢2Cr13～3Cr13。 在交联挤出中需要放置过滤网，网的细度为20－120目，层数为1～5层。网的细度和层数可以根据原材料的性能和机头的类型等加以选择。 2．分流器 机头最重要的作用是成型。物料自多孔板挤出，通过连接管进人机头分流器，分流器将物流分成若干股，然后又重新汇合，最后进入模芯模套挤出成型。在挤出成型过程中，物料通道的截面逐渐缩小产生必要的成型压力，使物料压缩。这个压力大小取决于机头的压缩比和成型部分的长度。所谓压缩比是指分流器出口处截面与成型部分口模间环形截面积之比。压缩比太小，不能保证制品密实，也难以消除分流器引起的结合线。 压缩比太大，则导致机头结构大，物料阻力加大，影响物料挤出。一般可根据产品要求来选择，对于生产高压和超高压交联电缆，压缩比大，对于生产中低交联电缆压缩比则可小一些。分流器流道必须成流线形，尽量没有死角，否则塑料就在死角部位滞留，时间一长，物料产生先期交联，而形成焦粒。 3．模具的调整和选择 几何形状的选择原则：要使物料从分流器流向模芯和模套，要尽量保持模芯模套之间所形成的空间逐渐缩小，并要使物料的流动速度加快，且无阻碍，应该是一种流线型的流动状态。 d-模套孔径； dA-模芯内孔径；L-承线长度；h－对模距离 图3—4模芯模套结构 1)模具角度的一般选择方法 图3—4为模芯模套结构图，其中α角是模套内部圆锥体的夹角，β角是模芯外部圆锥体的夹角，α角大于β角。 当物料挤出时：从受力分析中可知：β角小时，则推力大，而压力小，此时挤出速度快，产量高，但制品的表面不光滑，包得不紧密。α角大时，则推力小，而压力大，这时挤出速度慢，产量低，但制品表面光滑，密实。对β角的选择，原则上越小越好，一般为20°～30°左右，α角一般为30°～45°。 2)模套承线长度(定径长度)的一般选择方法 模套的成型部分为L，L的长度又叫承线长度，或叫定径长度，这个区域又叫承线区或定径区。通常用承线比N(定径比)表示，即 N=L/D 式中L－承线长度； d—模套孔径。 当模套孔径不变时，N值大，则L值就长，此时物料受到的阻力大，挤出表面光滑，且紧密，挤出直径尺寸也较稳定。一般取L值长些较好， 但也不能太长，如果太长，会影响挤出量，严重时会造成脱节现象。当N值小，即L值小时，物料挤出受到阻力小，挤包表面不光滑且不紧密，更重要的是，由于L值小，挤包层容易膨胀，挤出后直径不稳定。N值大小，可根据机头结构不同，和产品规格不同而加以选择，一般为0．5～1．0。 (3)模芯和模套孔径选择 模芯孔径尺寸要稍大于导体的外径，如果太小，在挤出过程中容易使导体表面划伤或拉断。如果模芯孔径选择太大，挤出过程中容易产生偏芯，严重时会产生倒料现象。一般模芯孔径比导体外径大O.3－O.7mm。对于超大截面的导体，也可适当放大些。模套孔径选取要大于标称挤出外径，实际的模套直径可以按挤包层的厚度进行选择。
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