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精密擠出技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用展望
世界上第一臺(tái)柱塞式擠出機(jī)由英格蘭的 Henry Bewley 和 Richard Brooman 于 1845 年研制成功 ， 而第一臺(tái)單螺桿擠出機(jī)是由美國(guó)的 William Kiel 和 John Prior 于 1876 年研制成功的。歷經(jīng)一個(gè)半世紀(jì)的發(fā)展，擠出成型已成為聚合物加工中最主要的成型和改性方法。擠出成型既是一種高效、連續(xù)、低成本、適應(yīng)面寬的加工成型方法，同時(shí)又是一種低精密度、低附加值的成型加工方法。開發(fā)精密擠出成型技術(shù)和裝備，滿足各種精密制品的成型加工要求，使擠出成型成為一種高精密度、高附加值的加工方法是當(dāng)前聚合物加工技術(shù)的研發(fā)熱點(diǎn)之一。
1 精密擠出成型技術(shù)的研發(fā)背景
1.1 開發(fā)精密擠出成型技術(shù)的必要性
精密擠出成型是一種通過對(duì)擠出過程要素的精確控制，實(shí)現(xiàn)制品幾何尺寸高精密化和材料微觀形態(tài)高均勻化的成型過程。精密擠出成型的主要特征為：擠出過程中工藝參數(shù)波動(dòng)很小，擠出設(shè)備工作狀態(tài)非常穩(wěn)定，所成型制品的幾何精度比常規(guī)擠出成型方法提高 50% 以上。開發(fā)精密擠出技術(shù)的迫切性主要表現(xiàn)在以下方面。
1.1.1 高精密制品成型的需要
以光導(dǎo)纖維、醫(yī)用導(dǎo)管、音像片基、照像膠片片基、投影膠片為代表的一系列高精密制品的市場(chǎng)需求與日俱增。這類制品幾何精度往往比普通制品提高 50% 以上，普通擠出成型設(shè)備對(duì)這些精密制品是無能為力的，而必須采用精密擠出成型設(shè)備與技術(shù)完成成型加工。
1.1.2 特種材料加工成型的要求
對(duì)一些危險(xiǎn)和有毒物料的加工需要精密擠出裝備。如含紅磷類聚合物復(fù)合材料的擠出，就需要嚴(yán)格地控制擠出工藝，因?yàn)榧t磷很容易燃燒，擠出工藝控制不好，具有很大的危險(xiǎn)性。一些工程塑料在高溫下會(huì)分解出對(duì)機(jī)器有腐蝕性、對(duì)人體有害的低分子揮發(fā)物。如聚四氟乙烯（ PTFE ）和乙烯 - 四氟乙烯共聚物（ ETFE ）在一定溫度下就會(huì)分解出氟化氫氣體，該氣體對(duì)擠出設(shè)備有極強(qiáng)的腐蝕性，對(duì)人體的肝臟有很大的損傷，該氣體還會(huì)引發(fā) PTFE 和 ETPE 的連鎖降解反映，因而必須嚴(yán)格加以限制。在軍工領(lǐng)域，擠出機(jī)可以用于炸藥的加工，其危險(xiǎn)性不言而喻，除了塑化系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)和精密加工外，擠出工藝的嚴(yán)格控制是最關(guān)鍵的安全要素之一。在上述類型的危險(xiǎn)和高溫易分解聚合物的擠出加工中，精密擠出機(jī)可以發(fā)揮不可替代的作用。
1.1.3 反應(yīng)擠出成型的要求
現(xiàn)代擠出機(jī)除了塑化功能外，還具備化學(xué)反應(yīng)器的功能，物料在擠出機(jī)中可以完成本體聚合、化學(xué)接枝、鏈間共聚物的獲取、偶聯(lián) / 交聯(lián)、可控降解、功能化和官能團(tuán)的改性、高分子合金的制備、納米 / 高聚物復(fù)合材料的制備等。反應(yīng)擠出過程需要嚴(yán)格控制反應(yīng)溫度、壓力、物料停留時(shí)間及其分布等過程參數(shù)，以及反應(yīng)物料與外界的熱量傳遞等，普通擠出機(jī)往往是不能勝任的，精密擠出成型機(jī)為各種復(fù)雜的反應(yīng)擠出工藝提供了必要的裝備條件。
1.1.4 高速化擠出的基礎(chǔ)
據(jù)資料報(bào)道，日本池貝公司的 D30 單螺桿擠出機(jī)的轉(zhuǎn)速高達(dá) 3000r/min ，產(chǎn)量可達(dá) 300kg/h 。國(guó)外錐形雙螺桿擠出機(jī)用于生產(chǎn) PVC 管材，單機(jī)產(chǎn)量可達(dá) 1100~1500kg/h ；平行雙螺桿擠出機(jī)的螺桿直徑已經(jīng)超過 300mm ，長(zhǎng)徑比最高達(dá) 100 ，螺桿最高轉(zhuǎn)速達(dá)到 1500r/min ， WP 公司的 ZSK133 系列機(jī)的產(chǎn)量達(dá)到 7000~11000kg/h 。醫(yī)用導(dǎo)購(gòu)的線速度可以達(dá)到 250m/min ，薄膜的線速度可以達(dá)到 500m/min ，包覆電纜的線速度也可以達(dá)到 500m/min 以上。在擠出生產(chǎn)高速化的同時(shí)，必須實(shí)現(xiàn)保證成型過程的精密可控。如果不能保證制品成型的精度，則生產(chǎn)速度越高，廢品越多。在此意義上，可以說精密化是高速化的基礎(chǔ)。
1.1.5 減少制品材料消耗的需要
擠出成型制品因幾何精度較低造成的浪費(fèi)是十分驚人的，采用常規(guī)擠出裝備生產(chǎn)的板、片、膜、管的壁厚不均勻度一般可達(dá) 8% 至 10% ，由此造成的材料浪費(fèi)可達(dá) 8% 左右。按近年我國(guó)塑料制品的產(chǎn)量 21000kt 為基數(shù)，擠出成型制品的年產(chǎn)量 12600kt 計(jì)算，我國(guó)每年由于擠出制品的幾何精度低就浪費(fèi)掉 100 多噸樹脂。如果 20% 的制品采用精密擠出技術(shù)和裝備來生產(chǎn)，我國(guó)每年就可以節(jié)約樹脂消耗量 10 萬噸左右，經(jīng)濟(jì)效益超過 8 億元。
1.2 國(guó)內(nèi)外精密擠出成型技術(shù)及裝備的差距
目前國(guó)產(chǎn)擠出裝備的銷售量為 8000 余套 / 年，銷售額 30 億元左右，進(jìn)口擠出裝備 2000 余套 / 年，進(jìn)口額 2 億美元左右（約 20 億人民幣），進(jìn)口擠出裝備主要為大型和精密設(shè)備，其單價(jià)為國(guó)內(nèi)設(shè)備的 8~10 倍，其附加值明顯高于國(guó)內(nèi)設(shè)備。
進(jìn)口的擠出設(shè)備主要有大口徑實(shí)壁管和波紋管生產(chǎn)線、土工膜生產(chǎn)線、雙向拉伸膜（ BOPP 、 BOET 、 BOPA 、 BOPS 等）生產(chǎn)線、滴灌管生產(chǎn)線、醫(yī)用導(dǎo)管生產(chǎn)線、音像片基和感光片基生產(chǎn)線、石化用大型雙螺桿擠出造粒裝備，以及各種實(shí)驗(yàn)室用多功能擠出等。這些進(jìn)口擠出裝備之所以能夠以很高的價(jià)格進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，主要依靠技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)，具體表現(xiàn)在高精密度、高速和高效率、高可靠性。
圖 1 為日本伊藤忠 TEXMAC 公司共擠出雙內(nèi)腔導(dǎo)管醫(yī)用導(dǎo)管生產(chǎn)裝備，報(bào)價(jià) 100 萬美元。該裝備包括三臺(tái)擠出機(jī)，分別成型兩個(gè)內(nèi)腔導(dǎo)管和外包覆套管，內(nèi)腔導(dǎo)管的成型及其與外包覆套管的復(fù)合在一套模具中一次完成。為了確保導(dǎo)管幾何尺寸的穩(wěn)定性，三臺(tái)擠出機(jī)均配備了熔體齒輪泵，同時(shí)牽引機(jī)采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。在線測(cè)試儀隨時(shí)監(jiān)控導(dǎo)管的幾何尺寸，為閉環(huán)控制系統(tǒng)提供必要的數(shù)據(jù)。該設(shè)備經(jīng)變換模具，可以生產(chǎn)各種形狀的醫(yī)用導(dǎo)管，見圖 2 。
美國(guó) PEI （ Precision Extrusion ， Inc. ）公司用于生產(chǎn)醫(yī)用導(dǎo)管的精密擠出機(jī)，采用特殊的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，以及統(tǒng)計(jì)過程控制技術(shù)，使得擠出機(jī)各段溫度偏差可以控制在 ± 1℃ ，管材的壁厚偏差可以控制在 2% 以內(nèi)。相比之下， 高產(chǎn)擠出設(shè)備的控溫精度一般在 5℃~10℃ ，管材的壁厚差在 10% 以上，根本無法滿足生產(chǎn)醫(yī)用導(dǎo)管、光導(dǎo)纖維等高精度制品的要求。這類高精密擠出設(shè)備目前主要依賴進(jìn)口。
高產(chǎn)擠出設(shè)備無論是在實(shí)際水平，還是加工水平上都與國(guó)外先進(jìn)水平存在 15~20 年的差距。在實(shí)時(shí)工藝參數(shù)和制品參數(shù)監(jiān)測(cè)，以及先進(jìn)控制技術(shù)的采用方面存在的差距也很大，先進(jìn)的高精度在線檢測(cè)儀器主要依賴進(jìn)口，國(guó)內(nèi)寥寥可數(shù)，且與國(guó)外產(chǎn)品的差距在 10 年以上。
1.2.1 設(shè)計(jì)水平和技術(shù)創(chuàng)新能力上的差距
國(guó)外先進(jìn)的塑料機(jī)械加工企業(yè)都有很強(qiáng)的設(shè)計(jì)和技術(shù)創(chuàng)新能力，如日本的 Nissei 公司設(shè)有五個(gè)技術(shù)研究中心，擁有 376 名注塑成型技術(shù)工程師，占員工總?cè)藬?shù) 46.1% ，獲專利技術(shù) 1470 項(xiàng)。相比之下，國(guó)內(nèi)塑料機(jī)械企業(yè)中大學(xué)以上的專業(yè)技術(shù)人員不足 10% ，企業(yè)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)少，開發(fā)新產(chǎn)品一般以仿制為主， CAD 、 CAE 、 CAM 應(yīng)用還處于初級(jí)階段，多數(shù)企業(yè)不具備實(shí)質(zhì)上的技術(shù)創(chuàng)新能力。
1.2.2 國(guó)內(nèi)外機(jī)電行業(yè)整體水平上的差距
國(guó)外塑料機(jī)械制造行業(yè)普遍采用 CAD 、 CAE 、 CAM 技術(shù)，以及高精密度的數(shù)控加工中心。近年來發(fā)展起來的高速銑床的主軸轉(zhuǎn)速高達(dá) 40000~100000r/min ，并可獲得 Ra≤1μm 的表面粗糙度；加工精度超過 1μm 的超精加工技術(shù)和集電、化學(xué)、超聲波、激光等技術(shù)綜合在一起的復(fù)合加工，將塑料機(jī)械的加工水平大大提升。國(guó)外螺桿端面跳動(dòng)誤差不大于 0.01mm ；螺桿外徑誤差可以控制在 0.005mm 以下；螺桿外表面和料筒內(nèi)表面的粗糙度 Ra 不大于 0.2μm 注塑機(jī)模板的形位公差不大于 ± 0.02mm/1000mm 。國(guó)內(nèi)近年來從國(guó)外進(jìn)口了一些高精度的機(jī)加工裝備，但整體水平與國(guó)外先進(jìn)水平有很大的差距。
1.3 精密擠出技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用開始得到重視
北京化工大學(xué)在教育部骨干教師基金和北京市自然科學(xué)基金的資助下，開展了精密擠出機(jī)理的研究和精密擠出技術(shù)的重新。圖 3 為北京化工大學(xué)塑料機(jī)械及塑料工程研究所的精密擠出實(shí)驗(yàn)臺(tái)，該實(shí)驗(yàn)臺(tái)配備了熔體泵，伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、失重式加料計(jì)量系統(tǒng)、在線激光測(cè)徑儀等有助于提高擠出過程精密可控化的裝置，還配備了并聯(lián)式穩(wěn)壓系統(tǒng)、統(tǒng)計(jì)過程控制（ SPC ）控制系統(tǒng)等具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的專利技術(shù)和裝備。
北京化工大學(xué)已有一名博士、五名碩士完成了精密擠出機(jī)理及技術(shù)方面的學(xué)位論文，課題組在建成國(guó)內(nèi)首臺(tái)精密擠出實(shí)驗(yàn)臺(tái)的同時(shí)，申報(bào)了 5 項(xiàng)專利，并承接了“擠出法生產(chǎn)光導(dǎo)纖維”的國(guó)家 863 項(xiàng)目。
2 精密擠出成型的相關(guān)技術(shù)
精密擠出成型主要包括精密塑化、精密控制、精密成型等三方面的技術(shù)內(nèi)容。從實(shí)現(xiàn)精密擠出成型的技術(shù)途徑主要包括兩個(gè)方面：一方面要最大程度地提高擠出成型過程溫度、壓力和流量的穩(wěn)定性，另一方面是通過先進(jìn)控制（閉環(huán)控制、模糊控制、統(tǒng)計(jì)過程控制等）手段，對(duì)擠出成型過程的波動(dòng)進(jìn)行即時(shí)自動(dòng)調(diào)整。
2.1 提高擠出過程的穩(wěn)定性的相關(guān)技術(shù)
擠出成型是一個(gè)十分復(fù)雜的生產(chǎn)過程，在此過程中，高聚物要經(jīng)歷固體輸送、熔融、混合、增壓、泵送、成型、冷卻固化等過程，并受到剪切、拉伸、壓縮、以及加熱、冷卻等作用，發(fā)生熔融、固化、取向、解取向、結(jié)晶等復(fù)雜的相態(tài)和結(jié)構(gòu)變化，使得擠出過程的控制難度極大。同時(shí)，由于擠出生產(chǎn)中的制品成型和定型是在較低的壓力下進(jìn)行，造成成型過程受擠出塑化穩(wěn)定性以及外界因素的影響較大。為了克服上述不穩(wěn)定因素對(duì)擠出成型的影響，人們開發(fā)了一系列有助于提擠出穩(wěn)定性的裝置。
2.1.1 穩(wěn)壓裝置的采用
（ 1 ）熔體齒輪泵
普通擠出成型系統(tǒng)需要解決的一個(gè)主要問題是擠出產(chǎn)量的穩(wěn)定性，研究表明普通擠出機(jī)的擠出流量波動(dòng)可達(dá) 8%~10% ，軸向波動(dòng)會(huì)使擠出制品軸向精度下降。為了解決擠出成型系統(tǒng)的擠出穩(wěn)定性，人們采用熔體齒輪泵與擠出機(jī)串聯(lián)使用。熔體齒輪泵是一種正位移輸送裝置流量與泵的轉(zhuǎn)速呈嚴(yán)格的正比關(guān)系。
用于輸送塑料熔體的熔體齒輪泵，其主要功能是將來自擠出機(jī)的高溫塑料熔體增壓、穩(wěn)壓，保持熔體流量精確穩(wěn)定地送入擠出機(jī)頭此處介紹的熔體泵，其結(jié)構(gòu)類似液壓傳動(dòng)中的齒輪泵。他可在高溫 350℃ ，壓力達(dá) 35Mpa 或更高的條件下連續(xù)工作。其主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，工作可靠，壽命較長(zhǎng)。
從圖 4 和圖 5 可以看到，熔體泵主要是由泵體、前后蓋板、兩個(gè)相互嚙合的齒輪、軸承和密封件等組成。由兩個(gè)齒輪的齒廓，泵體和側(cè)蓋板形成的空間構(gòu)成了泵進(jìn)料區(qū)、輸送區(qū)和排料區(qū)。齒輪是熔體泵的核心零件，其結(jié)果形式多種多樣：按嚙合方式可分為內(nèi)嚙合和外嚙合方式；按齒廓曲線可分為漸開線齒輪、圓弧齒輪、擺線齒輪等；按齒向可分為直齒輪、斜齒輪和人字齒輪等，但在輸送塑料熔體中最常用的是漸開線直齒或斜齒的外嚙合齒輪泵。
圖 6 是熔體齒輪泵穩(wěn)壓效果的實(shí)驗(yàn)曲線。曲線表明熔體泵的采用可以將擠出過程后的壓力波動(dòng)降低 90% 以上。
迄今為止，熔體齒輪泵是應(yīng)用最廣泛的穩(wěn)壓裝置。
（ 2 ）壓力波動(dòng)控制器
由于熔體齒輪泵加工精度高、價(jià)格昂貴，在有些場(chǎng)合可以采用其他穩(wěn)壓裝置，壓力波動(dòng)控制器就是其中的一種。壓力波動(dòng)控制器的結(jié)構(gòu)見圖 7 。
壓力波動(dòng)控制器是基于動(dòng)態(tài)流量平衡原理研究出來的，該裝置也是通過穩(wěn)定擠出壓力來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)流的目的。當(dāng)物料沿?cái)D出機(jī)螺桿被擠入機(jī)頭時(shí)，就產(chǎn)生了壓力。該壓力也把物料擠入控制器中。因?yàn)榭刂破鞯穆菪€旋向與擠出機(jī)的螺旋線旋向相反，所以被壓力擠入控制器中的聚合物熔體直到控制器中產(chǎn)生的壓力與擠出機(jī)的壓力相等時(shí)才為止。設(shè)想擠出機(jī)中的壓力變化是正弦波形式，當(dāng)擠出機(jī)內(nèi)壓力為波峰時(shí)，就要求波動(dòng)控制器內(nèi)所成壓力也為最高，也即需要較長(zhǎng)的填充段來達(dá)到壓力平衡。當(dāng)擠出機(jī)壓力為波谷時(shí)，則所需要的填充段也較短。此時(shí)，壓力控制器起到壓力蓄能器的作用，通常壓力波動(dòng)在峰值時(shí)，原料積聚在控制器中。當(dāng)擠出機(jī)內(nèi)壓力下降時(shí)，積聚的物料在波動(dòng)控制器螺紋的推進(jìn)作用下，流進(jìn)擠出機(jī)中，從而使壓力和擠出產(chǎn)量趨于平穩(wěn)。由于波動(dòng)控制器反映較快，所以它能夠抑制熔體擠出的高頻波動(dòng)，對(duì)其進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證均起到了明顯的穩(wěn)壓效果。
（ 3 ）并聯(lián)式穩(wěn)壓裝置
針對(duì)串聯(lián)式熔體齒輪泵所存在的入口壓力低、潤(rùn)滑和密封故障率高、價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)，以及壓力波動(dòng)控制器存在的可控性差，適用范圍的缺點(diǎn)，我們研發(fā)了并聯(lián)式穩(wěn)壓裝置，見圖 8 ，并在理論研究和實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上使其不斷完善。這種并聯(lián)式穩(wěn)壓方法可以對(duì)傳統(tǒng)的串聯(lián)穩(wěn)壓方式起到補(bǔ)充作用。
并聯(lián)式穩(wěn)壓裝置的穩(wěn)壓效果見圖 9 ，在該實(shí)驗(yàn)中，由于采用并聯(lián)式穩(wěn)壓裝置，可以消除 83%~91% 壓力波動(dòng)和擠出流率波動(dòng)。
（ 4 ）錐體座套式壓力控制裝置
錐體座套式穩(wěn)流裝置的結(jié)構(gòu)見圖 10 ，錐形螺桿頭與錐形套筒間形成的熔體流道就象一個(gè)閥門。螺桿在機(jī)械或液壓裝置的推動(dòng)下進(jìn)行軸向移動(dòng)，此時(shí)閥門的開度，即螺桿錐形頭部與機(jī)筒上的錐形套筒之間的間隙就會(huì)改變，使得擠出流量得到控制。
（ 5 ）螺釘型閥門裝置
螺釘型閥門裝置的結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，見圖 11 。通過螺釘旋入深度的調(diào)節(jié)，可以改變擠出機(jī)頭流道的阻力，達(dá)到調(diào)節(jié)流量的目的。
（ 6 ）多環(huán)活動(dòng)閥門式穩(wěn)流裝置
Sponaugle 設(shè)計(jì)了多環(huán)活動(dòng)閥門式穩(wěn)流裝置，見圖 12 。該裝置的工作原理與錐體座套式穩(wěn)流裝置完全相同，只不過在螺桿頭部開設(shè)了若干個(gè)環(huán)型槽，環(huán)型槽與固定在擠出機(jī)筒上的環(huán)型座形成了多個(gè)閥門。
（ 7 ）魚雷頭移動(dòng)式穩(wěn)流裝置
魚雷頭穩(wěn)動(dòng)式穩(wěn)流裝置的結(jié)構(gòu)見圖 13 。可軸向移動(dòng)的魚雷頭置于機(jī)頭入口處，當(dāng)擠出機(jī)頭內(nèi)的壓力發(fā)生波動(dòng)時(shí)，移動(dòng)魚雷頭可以改變流道阻力，達(dá)到調(diào)節(jié)流量的目的。
2.1.2 精密擠出成型機(jī)頭的采用
（ 1 ）阻力可調(diào)節(jié)機(jī)頭
擠出流量的波動(dòng)會(huì)引起制品軸向尺寸的波動(dòng)，這種波動(dòng)可以通過調(diào)節(jié)機(jī)頭流道的阻力來加以平衡。圖 14 是一種閥式阻力調(diào)節(jié)機(jī)頭的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖 15 是另外一種阻力調(diào)節(jié)式機(jī)頭的結(jié)構(gòu)示意圖。在線測(cè)量?jī)x器測(cè)試到擠出流量發(fā)生波動(dòng)時(shí)，微處理器就會(huì)給伺服電機(jī)發(fā)出動(dòng)作指令，通過傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)阻力調(diào)節(jié)環(huán)沿軸向位移。由于阻力調(diào)節(jié)環(huán)的位移，使得機(jī)頭阻力發(fā)生變化，起到了穩(wěn)定擠出流量的作用。
（ 2 ）口模間隙自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)頭
圖 16 是最廣泛使用的一種熱螺桿式調(diào)節(jié)裝置。其原理是在膨脹螺栓外部設(shè)有加熱器，螺栓長(zhǎng)度隨溫度變化而變化。
圖 17 是上述裝置的改進(jìn)形式，特點(diǎn)是各膨脹螺栓分別加熱的同時(shí)，還通入潤(rùn)滑油逆流連續(xù)冷卻，使溫度波動(dòng)變小。
（ 3 ）組合式自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)頭
圖 18 是一種組合式自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)頭，可以自動(dòng)調(diào)整阻流塊處的間隙和模唇處的間隙。它是由德國(guó)亞琛塑料加工研究所開發(fā)。
（ 4 ）熔體粘度調(diào)節(jié)式機(jī)頭
熔體粘度會(huì)隨著溫度的升高而降低，粘度的變化會(huì)影響到熔體的流動(dòng)速度。當(dāng)擠出制品的橫向尺寸出現(xiàn)偏差時(shí)，可以通過調(diào)節(jié)機(jī)頭口模的溫度分布來進(jìn)行補(bǔ)償。圖 19 是德國(guó) Battenfeld 公司一種用于生產(chǎn)塑料管材的粘度調(diào)節(jié)式機(jī)頭的照片。
2.1.3 失重式計(jì)量料斗的采用
單螺桿精密擠出機(jī)工作無論多么穩(wěn)定，總會(huì)存在波動(dòng)，這種波動(dòng)可以通過擠出機(jī)的控制系統(tǒng)加以調(diào)節(jié)，如可以將擠出機(jī)的實(shí)測(cè)產(chǎn)量與擠出機(jī)的螺桿轉(zhuǎn)速或牽引速度形成閉環(huán)，減少擠出制品的軸向尺寸精度。但由于擠出制品的產(chǎn)量很難測(cè)量，人們開發(fā)出了失重式計(jì)量料斗，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖 20 ，較好地解決了擠出產(chǎn)量的在線測(cè)量問題。
失重式計(jì)量料斗上裝有稱重傳感器，通過測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)料斗重量的減少量，可以得到擠出機(jī)的即時(shí)產(chǎn)量。擠出機(jī)的 PLC 控制系統(tǒng)可以根據(jù)失重式計(jì)量料斗得到的擠出產(chǎn)量值，實(shí)現(xiàn)擠出產(chǎn)量與牽引機(jī)或擠出機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制。采用失重式計(jì)量料斗，可以對(duì)制品的米重進(jìn)行精密控制。圖 21 是采用失重式計(jì)量料斗控制擠出制品米重的特性曲線。
圖 11 中的非閉環(huán)控制區(qū)代表普通擠出生產(chǎn)線的工作情況，此時(shí)牽引機(jī)的牽引速度保持不變，制品的米重隨著擠出機(jī)產(chǎn)量的波動(dòng)而波動(dòng)。在閉環(huán)控制區(qū)，牽引機(jī)的牽引速度隨著擠出產(chǎn)量的波動(dòng)而變化，制品的米重曲線基本上保持為直線。采用失重式計(jì)量料斗控制擠出制品的米重，不僅可以提高制品的壁厚均勻度， 而且可以在很大程度上減少原材料的浪費(fèi)。
2.2 精密擠出成型的控制技術(shù)
精密擠出成型作為現(xiàn)代擠出技術(shù)發(fā)展中的重要方向，是一種能夠?qū)崿F(xiàn)制品高精度連續(xù)擠出的成型方法。隨著現(xiàn)代電子信息技術(shù)和機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展，特別是 4C （ Computer 、 Communication 、 Contorl 、 CRT ）和 IT 技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使得精密擠出成型生產(chǎn)裝備無論是在機(jī)械構(gòu)造設(shè)計(jì)、還是在測(cè)控技術(shù)，以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集處理等方面都有了飛躍的發(fā)展。在精密設(shè)計(jì)、精密加工、精密選型、精密配置的基礎(chǔ)上，通過對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的在線高精度檢測(cè)、數(shù)據(jù)傳輸以及精確控制，達(dá)到對(duì)制品尺寸精度的精密控制，能夠?qū)崿F(xiàn)真正意義上的精密擠出成型。
擠出成型裝備主要包括主機(jī)（擠出機(jī)）和輔機(jī)（包括機(jī)頭模具、定型裝置、冷卻裝置、牽引裝置、卷取裝置、切割裝置等）兩部分。在擠出制品的加工過程中，為了保證制品尺寸的精確性和加工過程的穩(wěn)定性，擠出成型設(shè)備的主要控制參數(shù)包括機(jī)筒溫度、機(jī)頭溫度、熔體壓力、主機(jī)轉(zhuǎn)速、牽引轉(zhuǎn)速、卷取速度以及不同制品幾何尺寸等的質(zhì)量指標(biāo)：如制品的外形尺寸和形狀、壁厚及其分布、表面光潔度等。
在傳統(tǒng)的擠出裝備中，主機(jī)的控制參數(shù)主要包括機(jī)筒和機(jī)頭的溫度、機(jī)頭壓力以及主機(jī)轉(zhuǎn)速等；輔機(jī)的控制參數(shù)主要包括牽引裝置、切割裝置、卷取裝置的工作速度。在控制硬件上主要采用二次儀表（包括智能儀表、如溫控表）、調(diào)速系統(tǒng)、繼電器、接觸器、延時(shí)開關(guān)、電位器等來實(shí)現(xiàn)的，在整個(gè)控制系統(tǒng)通常采用開環(huán)控制系統(tǒng)，即沒有各個(gè)參數(shù)之間的反饋控制。
精密擠出裝備和常規(guī)擠出裝備的主要控制參數(shù)基本是一樣的。在精密擠出成型裝備中，為了對(duì)系統(tǒng)參數(shù)實(shí)現(xiàn)更精確、更精密的控制，采用了先進(jìn)的控制手段和先進(jìn)的檢測(cè)儀器，并通過對(duì)主要目標(biāo)質(zhì)量（如制品幾何精度）控制參數(shù)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制、統(tǒng)計(jì)過程控制 SPC （ Statistical Process Control ）、復(fù)雜控制（如串級(jí)控制、前饋控制等）以及智能控制等（如專家控制系統(tǒng)、模糊控制等），實(shí)現(xiàn)對(duì)最終目標(biāo)質(zhì)量（制品幾何精度）的精密控制。這些控制方法具有以智能儀表、繼電器為控制核心的傳統(tǒng)儀表型控制系統(tǒng)所無法實(shí)現(xiàn)的功能。實(shí)踐表明，只有采用以微處理器為控制核心的、具有數(shù)據(jù)采集及處理功能的可編程序控制器 PLC （ Program-mable Logic Controller ） 、單板機(jī)及工控 PC 機(jī)等為控制核心的控制系統(tǒng)，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的多功能閉環(huán)反饋控制。
3 精密擠出成型技術(shù)的應(yīng)用前景
擠出成型理論的發(fā)展使得人們能夠根據(jù)制品成型的要求，精密設(shè)計(jì)擠出成型工藝和擠出成型設(shè)備。以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定擠出為目的的新型擠出裝備的創(chuàng)新、現(xiàn)代機(jī)械加工技術(shù)水平的不斷提高、先進(jìn)控制技術(shù)的采用，為精密擠出技術(shù)的發(fā)展提供了極大的發(fā)展空間。而精密制品成型、功能性制品成型、反應(yīng)擠出制品成型的要求，以及雙向拉伸、功能梯度材料、微發(fā)泡制品成型工藝的要求，是精密擠出技術(shù)發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力。精密擠出技術(shù)的發(fā)展，將對(duì)塑料加工業(yè)產(chǎn)生巨大的影響，應(yīng)用前景十分廣闊。
3.1 精密基礎(chǔ)成型將成為高附加值加工產(chǎn)業(yè)
在人們的概念中，擠出成型是高效、低附加值的塑料加工方法，但精密擠出成型技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用將改變這一狀態(tài)，在一些精密制品的成型加工中，可以帶來高附加值，甚至能夠起到點(diǎn)石成金的作用。以醫(yī)用塑料導(dǎo)管為例，國(guó)外一些公司已經(jīng)能夠生產(chǎn)透析管、人工血管、介入療法用支架等精密制品，這些制品的售價(jià)一般是其原材料價(jià)值的數(shù)百倍以上，有的超過一萬倍。
精密擠出裝備是生產(chǎn)精密擠出制品的必備條件，開發(fā)精密擠出成型裝備將為塑料機(jī)械廠家?guī)砭薮蟮纳虣C(jī)和豐厚的利潤(rùn)。目前精密擠出成型裝備的價(jià)值是通用擠出成型裝備售價(jià)的 5~10 倍以上，我國(guó)精密擠出成型裝備還處在起步階段，發(fā)展空間很大。
3.2 精密反應(yīng)擠出成型和功能
現(xiàn)代反應(yīng)擠出機(jī)除了塑化功能外，還具備化學(xué)反應(yīng)器的功能，物料在擠出機(jī)中可以完成本體聚合、化學(xué)接枝、健間共聚物的獲取、偶聯(lián) / 交聯(lián)、可控降解、功能化和官能團(tuán)的該性，高分子合金的制備、納米 / 高聚物復(fù)合材料的制備等。反應(yīng)擠出過程需要嚴(yán)格控制反應(yīng)溫度、壓力、物料停留時(shí)間及其分布等過程參數(shù)，以及反應(yīng)物料與外界的熱量傳遞等，而普通擠出機(jī)往往是不能勝任的。精密擠出成型機(jī)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)擠出過程參數(shù)的精密控制，滿足不同反應(yīng)體系的要求。
自從 1957 年發(fā)現(xiàn)聚合物單晶，以及提出分子鏈折疊理論以來，聚合物的形態(tài)與微觀結(jié)構(gòu)引起人們的極大關(guān)注。伴隨著 X 射線衍射、電子顯微鏡、小角中子散射、新表面探針、原子力顯微鏡等先進(jìn)測(cè)試技術(shù)的應(yīng)用，人們對(duì)聚合物的結(jié)構(gòu) - 形態(tài) - 性能之間的認(rèn)識(shí)不斷深化。人們已經(jīng)能夠通過擠出成型過程剪切方向和強(qiáng)度的控制（或拉伸場(chǎng)的控制），制備出單軸或雙軸取向結(jié)構(gòu)的自增強(qiáng)材料；通過冷卻工藝的控制，以及剪切、拉伸和振動(dòng)場(chǎng)的誘導(dǎo)，獲得不同的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。通過成型加工過程的控制，獲得聚集態(tài)結(jié)構(gòu)按一定規(guī)律變化的功能梯度材料，實(shí)現(xiàn)力學(xué)、光學(xué)、電學(xué)等性能梯度分布的要求。上述聚集態(tài)結(jié)果控制技術(shù)，均要求對(duì)擠出成型過程進(jìn)行精密控制，可以預(yù)期精密擠出成型技術(shù)將在功能梯度材料制備方面發(fā)揮重要的作用。
