挤出加工--更精密、更灵活、更快速

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种类多样的产品，以及存料少和“赶点”生产的期望，令批量规模越来越小，从而使产品变换频繁。除了这给生产计划和物流带来的挑战之外，任何加工企业在经济上取得成功的决定性因素是生产线的设计和灵活性。毫无疑问，加工带宽高、模具更换时间短、废品率低和整条生产线对新产品的适应快速近年来已经在多数挤出加工企业的如意算盘中获得了重要性。但这些新需求无论如何取代不了过去的需求。更佳性能、更高产量和一致的产品质量已经被加入到新需求之中，对设备制造商造成了更大的创新压力。
+ ~8 ?4 s, Q5 J- a& W7 P* s挤出机
. D' s0 {0 t) E( w+ t8 v现有制造管材和型材产品的方法可以被粗略分为两种类别。双螺杆挤出机被用于制造PVC产品，而带开槽加料段的单螺杆挤出机和屏障型螺杆主宰着聚烯烃的加工（图1-3）。尽管对两种机器的要求大体上是相同的，但机器的执行是有很大不同的。

图1. Cincinnati的Monos高性能挤出机具有
150mm的螺杆直径和37D的螺杆长度提高任何生产线的熔体吞吐量，无论是单螺杆还是双螺杆，总是涉及到修改螺杆形状、提高螺杆直径或者提高螺杆速度。这些发展还没有一个看起来已达到极限。要生产所需成功产品的措施与加工、应用和原料的类型有着关系。所以，在一些情况下，产量提高至30%只能通过选择性地改变螺杆形状来实现，而不用加长塑化装置或提高旋转速度。但是，许多新式挤出机因为外部尺寸而令人印象深刻。螺杆直径达150mm、加工量超过2000kg/h和管材直径达2000mm的高性能挤出机是现在最为先进的技术。构思新系列的高性能挤出机时，另一种自由度被开发出来。产出率增加30%可以通过提高加工长度（达37D）来实现。几十年来挤出机的节径比（L/D）在稳步提高。这种趋势在双螺杆和单螺杆挤出机中正在延续。对于双螺杆挤出机来说，预热长度的提高带来了重要的优点。更宽的加工窗口能通过机筒温度控制对塑化温度产生更好影响而实现。剪切能量和圆周速度被降低。

4 j+ x  Y; }8 Q! L5 S3 z" W; M1 W图2. Krauss-Maffei的KMD 90-32/P双螺杆挤出机大型单螺杆挤出机（例如直径150mm和37D的长度）具有某些独特的加工特征。所需的高扭矩确保加工速率高，圆周速度和剪切速度极小。这能实现对材料极为轻柔的塑化过程。而且，还有实现高生产能力的另外一种方法。通过提高螺杆速度还能提高相同机器规格下的熔体加工量。虽然这种措施可能是极为有利的，但它并不适用于所有的原料。圆周速度的提高通常会导致熔体温度的提高，这会破坏PVC等热敏性原料。例如，对于目前常用于窗户型材挤出的配方来说，螺杆圆周速度不应当超过0.11m/s。如果可以利用更快的旋转系统，那是和一系列的优点联系在一起的。除了设备成本低、驱动更小和单位面积下性能更佳以外，停留时间也被缩短，熔体均匀度和产品质量也被提高。

图3. Reifenhaeuser的管材挤出生产线但是，节径比大、速度快和挤出性能高并不是在每种情况里都是需要的，例如在加工工程塑料时。在这里使用的是通用型挤出机，因为功能性强和易于使用而胜出他人一筹。
1 D' |3 S) H7 o, o9 {- ~, |其它塑化概念
除了传统螺杆/机筒式挤出机的持续发展以外，一系列的新概念和得到改善的其它塑化概念已经出现，它们应当是可令挤出过程更为高效。所以，有多种成熟系统可供加工者使用。一种改进过的概念是利用带不同驱动的双螺杆，一个用于加料段，一个用于塑化段，能为两段设定独立的速度。这可以对付不同原料的不同加料性能。在其它系统中，完成了熔体/固体的分离。一旦形成熔融层，它会从螺杆流出，经螺纹，进入到机筒壁的一个独立区域，在这里熔融层然后移动到螺杆顶端。除了柔和的熔体处理以外，这会实现高的塑化速率，所以也就实现一个极短的构造。在塑化段带有旋转机筒件的另一种挤出机也强化了塑化，对工艺起着积极的作用。
挤出模头
尽管所有传统模头可以被利用，但螺芯分配器在多数应用中已经变得成熟。在许多情况下，这种模头对于多层产品来说是唯一可行的解决方法。这种趋势的决定性因素是灵活度、宽广的应用范围和加工技术优点。良好的熔体均一性、防止熔合缝的出现以及均一的熔体分布使螺旋芯轴分配器的使用具有吸引力，不管是在对热塑料挤出提出了最高质量要求的场合。除了圆柱形和锥形式样模头以外，螺旋芯轴模头被用于小口径管材和管道。因为除了螺旋以外的其它熔体流道也可以存在于芯轴平面上，所以“环形分配器”一语也被用上了（图4）。除了整体尺寸小和生产的经济高效以外，环形分配器还具有其它优点。流道短与停留时间短也能使产品更换迅速完成。模块化模头结构可实现层面结构的高度灵活性。环形分配式模头也具有模壁剪切速率小和压力损失小的特点。如果分配流道没有被加工到一个模面而是两个模面上，那么小规格的加工量会额外地被提高，也可实现更好的整体一致性。而且，重叠的熔体层产生了特殊的材料结构。接下去的双面芯轴的结果是,每个加料孔冒出双弯曲。这会使各个熔体流之间的接触面积翻倍，从而层面的整体分配和强度更好。
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. Q' ^7 e5 J& a图4. 5层环形分配器除了可能是重要的优点以外，特别是对于口径相对较小的挤出产品，环形分配器具有熔体流合并的模块化结构的典型特性，这可能不利用于粘度差别大的聚合物。而且，大量的封闭面对制造品质提出了高要求。
' J6 ~6 L% y- }' V2 Z% B* wPVC-U排水管的生产以适配器共挤出为特征。不同的熔体流在适配器内会合。对于无压力的应用来说，三层管被做出来，其中两外层由非泡沫状PVC-U组成，中间层由泡沫状PVC-U组成。为了降低这种管道的投资成本，可以利用一种加料块，直径达160mm，不需要其它的管材模头。管材模头被直接安装在加料块之上。
产品和尺寸的变换
9 u8 _9 w% N  \% K小规格的批量和多样的产品会导致连续的停停走走式生产。原料和规格的频繁变化需要对机器和周边设备的工艺参数进行持久的调节。更换模具、清洗和启动时间长会导致长时间的停机和生产的金钱损失。
在当前的技术状况下，清洗与产品变换时间不能被可靠地预先确定下来。所以不可能做较长期的精确生产规划。产品变换的问题经常是研究活动的课题。流道形状、模头涂层、过程控制、原材料和添加剂的影响正在被仔细研究。原料、设备和产品制造商正在努力把产品变换的问题并入到他们新成果的规范当中。
为新规格产品而更换模具方面的开发正在以更快的速度进行。规格变换系统的目的是要以尽可能最短的停机时间和最少的废料来变换产品或规格。
0 n. T" {: a% p5 Q) G可调节校准螺纹的利用可在PO和PVC管材的挤出中实现压力级别的改变，而不会中断生产。它由硬质加料段和灵活的校准支架所构成，能使管材标称直径的所有压力等级在没有生产停顿的情况下形成。简单的手动调节装置能使校准支架根据外径进行精确调节，并有为皱缩而备的公差（图5）。计数器显示出当前值。校准支架是按可移动条形结构来进行设计的。它确保支架及所通过的管材在任何口径位置都是绝对圆形的。
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图5. Inoex的校准套，具有皱缩值调节功能，可用于
2 m7 \! I! J5 E, |8 c7 S2 u; T不停机的挤出所有压力级别的标称直径管材为了改变管材口径，挤出生产线只需要停下来几分钟时间，或者带一些系统后根本不需要停机了。对于停机做一次完整的规格变化来说，一些简单步骤是有必要的，在10-15分钟之内就可以完成。两个校准器规格涵盖到40-160mm的管径。1.8-32.1mm的所有传统壁厚范围是可能的。当生产仍在运转时其它变化系统改变着直径。不仅变更所花的时间较少，而且因为工作流程实现高度自动化而使人工成本降低。不同的制造商提供工艺窗口多变的不同式样系统，直径为250-400mm。
这些工艺窗口是按可变校准螺纹和模头的规格来定义的，同时考虑到了工艺技术局限性、材料参数、产量、模头和熔体间隙。在这些范围内，特殊的挤出生产线可以触摸一下按钮就形成所有需要的直径和压力级别。
! I+ a% d+ Z7 o% l型材领域也受到了连续产品变换的影响。所以加工者对挤出模头的快速变换系统是越来越有兴趣了。这些系统能把模头更换时间缩短至30-45分钟，直到生产重新开始。
3 D: b# l4 h3 U# H5 _& ]7 W下游周边设备
生产速度正在持续提高。Battenfeld挤出技术公司的5层PE/铝复合管生产系统达到了52m/min的生产速度。下游周边设备，如校准、牵引或切割设备，必须不断地适应于发展。

图6. Battenfeld的83米长PE铝塑复合管生产线真空校准装置在管材生产中已经变得成熟了，因为它们的操作更简单更安全。带陶瓷涂层导轮的不锈钢装置降低了摩擦力，提高了产品的表面质量。喷淋式冷却被用于高速下的理想冷却。这能在产量显著提高的情况下实现更好的冷却和皱缩性能。与浸没工艺相比，喷淋能实现更快的速度，因为在材料和用作冷却介质的水之间具有更好的热传递。在再次冷却之前，产品表面能量经喷嘴进到空气中，所以不会被水吸收。
校准台性能提高会导致更大的噪音排放，从而破坏工作环境。主要的噪音产生者是液环真空泵和控制压力的“放气阀”。通过开与关专用泵，中央真空供应和压力传感器监控可以被用来根据实际需求对整体气体供应进行调节。因为只是一些泵在任何时候都在运转，所以与传统系统相比，除了噪音降低以外，能源也有着明显的节省。而且，还使用了管状消音器，这进一步降低了气体排放时的噪音。
0 L' d% p: s0 D9 f4 |5 r2 h在开发切割系统当中，越来越多地考虑到降噪要求。新式切割系统也在降尘、切割表面质量和形状控制中享有优势。
! l# P4 l( d* @% R" U深入的发展以适应产品规格而不用停止生产为目标。组合式牵引/切割/包装装置能在生产仍在运转时调节切割长度（图7）。调整过的切割长度仅被输入到控制器中，在2-3秒钟之内获得统一的速度，没有停机或材料浪费。对于更大的切割长度，仅是要相应地变换刀库。刀库被自动加入，并通过传感器进行监控。

* X9 @1 S. v0 i# O" y图7. Davis-Standard的牵引/切割/包装
; m* g: F$ V8 E6 f/ ~' S% F组合装置，适用于可变的切割长度新材料
行业内现有的知识常常不足以满足市场的需求。新的产品族需要跨学科技艺，所以有必要进行跨领域的合作。无论塑料是与木材或金属接合，还是涉及到管材或型材应用，都有必要扩大服务范围，以确保市场竞争力。这不仅是适用于设备和产品制造商。研发合作也在周边设备和质量保证领域被挖掘，以实现新的理念。
2 T3 @% d0 O3 I2 @新式挤出机能实现更高的加工能力、范围窄的公差和更好的熔体均匀度，所以提高了产品质量。但是，满足所有这些要求并不足以确保生产设备的经济高效。市场需要加工者提供更短的交货时间、更小的批量规模、更多的产品系列和更少的库存。为了加工多种的配方，系统被越来越多地要求具有较高的加工幅度。而且，需要采取措施来实现快速的产品更换。规格变化系统也在取得进展。
文章关键词： 挤出机、塑料