塑料成型工艺与模具设计第18章

1普通高等教育“十二五”规划教材杨永顺主编塑料成型工艺与模具设计第18章挤出成型工艺与模具设计18.1挤出成型工艺218.2管材挤出模具设计18.3棒材挤出成型机头设计18.4吹塑薄膜机头18.5板片材挤出成型机头设计18.6异型材挤出成型机头18.7电线电缆挤出成型机头3概念：挤出成型是将塑料在旋转螺杆和机筒之间进行输送、压缩、熔融塑化，定量地通过挤出机头部的口模和定型装置，生产出连续型材的一种工艺方法。用途：在挤出机头部配以不同类型的机头及其相应的定型装置和辅机，即可生产出管材、棒材、异型截面型材、板材、片材、薄膜、单丝、电线电缆覆层及中空制品毛坯等，大部分热塑性塑料都能以挤出成型方法成型。简介418.1挤出成型工艺5塑料从料斗加入挤出机机筒后，在旋转螺杆的摩擦力和推动力作用下向前运动，在此过程中，塑料受到机筒的外部加热、螺杆的剪切和压缩以及塑料之间的相互摩擦等作用，逐渐塑化（即变成粘性流体），并通过具有一定形状的挤出模具的口模及定型、冷却、牵引、切断等一系列辅助装置，从而获得截面形状一定的连续型材。18.1.1挤出成型原理挤出成型原理6原材料的准备塑化挤出成型定型冷却18.1.1挤出成型原理挤出成型工艺过程图18-1管材挤出成型1－切割装置2－塑料管3－牵引装置4－浮塞5－冷却装置6－定型套7－机头8－挤出机料筒7挤出成型工艺参数包括：温度压力挤出速度牵引速度18.1.2挤出成型工艺参数8概念：挤出成型温度是指塑料熔体温度。为了方便检测，常用机筒温度近似表示。热源：大部分由机筒外部的加热器提供；少部分来源于混合时产生的摩擦热。要求：通常机头温度应控制在塑料热分解温度之下；口模温度可以比机头温度稍低一些；同时应保证塑料熔体具有良好的流动性。18.1.2挤出成型工艺参数1.温度9塑料名称挤出温度/℃原料水分控制/%加料段压缩段均化段机头丙烯酸类聚合物室温100~170~200175~210≦0.025醋酸纤维素室温110~130~150175~190＜0.5聚酰胺（PA）20~90140~180~270180~2700.3聚乙烯（PE）室温90~140~180160~2000.3硬聚氯乙烯（HPVC）20~60120~170~180170~1900.2软聚氯乙烯及氯乙烯共聚物室温80~120~140140~1900.2聚苯乙烯（PS）20~100130~170~220180~2450.118.1.2挤出成型工艺参数表18-1部分热塑性塑料挤出成型时的温度参数10产生压力波动的原因：螺杆转速的变化，加热、冷却系统的不稳定。压力波动塑件质量的影响：导致局部疏松、表面不平、弯曲等缺陷。控制措施：精确地控制螺杆转速；提高加热和冷却装置的控温精度和稳定性。18.1.2挤出成型工艺参数2.压力11概念：挤出速度是单位时间内从挤出机口模挤出的塑化好的塑料质量（单位为kg/h）或长度（m/min），是挤出机生产能力高低的标志。影响因素：挤出口模阻力螺杆与机筒的结构螺杆转速加热系统塑料特性18.1.2挤出成型工艺参数3.挤出速度12螺杆转速对成型工艺和产品质量的影响增加螺杆转速，可提高产量，同时由于剪切速率增加，使熔体的粘度降低，有利于物料的均匀化，此外，由于塑化良好，使得物料分子间的作用力增大，产品的机械强度得到提高；螺杆转速过高，会使电机负载过大，而且会使熔体压力过高，使得熔体离模膨胀加大，进而使得制件表面质量变差。18.1.2挤出成型工艺参数3.挤出速度13牵引速度的影响：产品壁厚，尺寸公差，性能及外观，因而必须稳定，并且要与管材挤出速度相适应。牵引比：牵引速度与挤出速度的比值。要求：牵引比必须等于或大于1，即牵引速度应略大于挤出速度。18.1.2挤出成型工艺参数4.牵引速度1418.2管材挤出模具设计15塑料管材挤出模管材成型机头定型模16直通式机头直角式机头旁侧式机头微孔流道挤管机头18.2.1管材成型机头1.结构类型17（1）直通式机头18.2.1管材成型机头特征：塑料熔体在机头内的流向与螺杆轴向一致。图18-2管材挤出成型机头1－管材2－定径套3－口模4－芯模5－调节螺钉6－分流器7－分流器支架8－机头体9－过滤板10－过滤网11、12－电加热圈18（1）直通式机头18.2.1管材成型机头特点：a.机头结构简单，容易制造；b.熔体经过分流器支架时形成的分流痕迹不易消除；c.机头长度较大、整体结构笨重。用途：适用于聚氯乙烯、尼龙、聚碳酸酯等塑料管材的挤出成型。19特征：塑料熔体在机头内的流向与螺杆轴向成直角。18.2.1管材成型机头（2）直角式机头图18-3直角式挤管机头1－机头体2－芯模3－调节螺钉4－口模5－连接管20特点：a.塑料熔体包围着芯模流动，成型时只会产生一条分流痕迹。b.熔体的流动阻力小、料流稳定、生产效率高，成型质量较好。18.2.1管材成型机头（2）直角式机头21特征：挤出机的出管方向与供料方向平行。18.2.1管材成型机头（3）旁侧式机头图18-4旁侧式挤管机头1、12－温度计插孔2－口模3－芯模4、7－电加热圈5－调节螺钉6－机头体8、10－熔料测温孔9－连接体11－芯模加热器22特点：1）旁侧式机头与直角式机头结构相似但更复杂;2）没有分流器支架，芯模容易加热，定型长度不长。3）大小管材均适用。18.2.1管材成型机头（3）旁侧式机头23特征：出管方向与螺杆轴向一致;机头内没有分流器及分流支架;熔体通过芯模的微孔进入口模成型。18.2.1管材成型机头（4）微孔流道机头图18-5微孔流道挤管机头1－芯模2－口模24特点：1）挤出的管材没有分流痕迹，管材强度高；2）机头重量轻、体积小、结构紧凑；3）料流稳定且流速可以控制；4）由于管材直径大，容易因自重引起壁厚不均。用途：适用于生产口径较大（外径可达600mm以上）的聚烯烃类塑料管材。18.2.1管材成型机头（4）微孔流道机头25（1）口模口模是成型管材外表面轮廓的机头零件，结构如件3所示，主要尺寸为口模内径和定型段长度。18.2.1管材成型机头2.结构设计图18-2管材挤出成型机头1－管材2－定径套3－口模4－芯模5－调节螺钉6－分流器7－分流器支架8－机头体9－过滤板10－过滤网11、12－电加热圈26（1）口模1）口模内径DD=kds(18-1)式中：D—口模内径（mm）；ds—塑料管材的外径（mm）；k—补偿系数，内径定径时取1.10~1.30；外径定径时取0.95~1.05。18.2.1管材成型机头2.结构设计27（1）口模2）定型段长度L1L1=（0.5~3）ds(18-2)当管材直径较大时定径段长度取小值，反之取大值。或者按照管材厚度计算L1=（8~15）t(18-3)式中：t—管材厚度(mm)。18.2.1管材成型机头2.结构设计28芯模是成型管材内表面轮廓的机头零件，结构如图18-2的件4所示。18.2.1管材成型机头（2）芯模2.结构设计291）芯模外径d指定型段的直径，它决定管材的内径。d=D-2δ(18-4)式中：d—芯模外径；D—口模内径；δ—口模与芯模的单边间隙，通常取0.83~0.94倍的管材壁厚。18.2.1管材成型机头（2）芯模2.结构设计30芯模的长度由定型段和压缩段两部分构成，定型段与口模的相应段构成管材的成型区。压缩段与口模相应的锥面部分构成塑料熔体的压缩区，主要作用是使进入定型区之前的塑料熔体的分流痕迹熔合消除。L2=(1.5~2.5)D0（18-5）式中，L2—芯模的压缩长度；D0—塑料熔体在多孔板出口的流道直径。18.2.1管材成型机头2）芯模长度L2（2）芯模2.结构设计31压缩区的锥角称为压缩角。对于低粘度塑料取45°~60°，高粘度塑料取30°~50°18.2.1管材成型机头3）压缩角α（2）芯模2.结构设计32分流器作用：迫使流过的熔融料分散成薄层而加强传热效果，借以提高塑化能力。分流器支架作用：支撑分流器及芯模，另外还起着搅拌物料的作用。18.2.1管材成型机头（3）分流器和分流器支架2.结构设计图18-6分流器和分流器支架的结构33扩张角β：低粘度不易分解塑料通常取45°~80°；高粘度易分解塑料取30°~60°。有效长度L3：L3=（0.6~1.5）D0（18-6）式中：D0—机头与过滤板相连处的流道直径。圆角R：一般取0.5~2mm。表面粗糙度Ra：应小于0.4~0.2μm。18.2.1管材成型机头（3）分流器和分流器支架2.结构设计34为了及时消除塑料通过分流器后形成的结合线，分流器支架上的分流筋应做成流线型；在机械强度许可的前提下，其宽度和长度应尽量小些，分流筋的数量也尽可能少。一般小型的用3根，中型的用4根，大型的用6~8根。分流器支架上设有进气孔，用以通入压缩空气使管坯定径。18.2.1管材成型机头3.设计要点35（1）外径定径1）压缩空气外径定径原理：在高温塑料管坯内通入压缩空气，使其紧贴定径套内壁而定型，为保持管内压力，可通过系于芯模上的浮塞封堵。用途：该法仅适用于管径大于350mm的聚氯乙烯管及管径大于90mm的聚烯烃管材。18.2.2管材定径模1.定径方法图18-7压缩空气外定径原理1－管材2－定径套3－口模36（1）外径定径2）真空外定径定径原理：借助真空吸附力将管坯外壁紧贴于具有冷却装置的定径套内壁定型，从而获得一定尺寸和形状的管材。特点：管材外观质量好、尺寸精度高、壁厚均匀性好、产品内应力小。是管材生产的重要定径方法。18.2.2管材定径模1.定径方法图18-8真空外定径原理1－管材2－定径套3－口模37（2）内定径原理：利用冷却收缩使高温管坯紧贴内定径芯模外表面而定型。18.2.2管材定径模图18-9内定径原理1－管材2－定径芯模3－机头4－芯模1.定径方法优点：能保证管材内孔的圆度且操作方便。用途：只适用于结构复杂的直角式机头。只是用于内径公差要求严格的压力输送管道。38（1）定径套长度要求：应能使管坯表面形成足够的硬化层，以达到定型的目的。影响定径套长度的因素：管材尺寸、塑料性能、管坯温度、挤出速度、冷却效率及热传导性能。尺寸：对于RPVC管材，当直径小于300mm时，定径套长度为管径的3～6倍，倍数随管径减小而增加，直径小于35mm时，可达10倍；对于聚烯烃管材，定径套长度为管径的2～5倍，管径小时取大值。18.2.2管材定径模2.定径套尺寸39（2）定径套直径外定径套的内径可比口模内径大0.8%～1.2%。（3）定径套锥度定径套的出口直径应略小于进口直径，以满足管坯冷却收缩的需要。其锥度随冷却水温度、管坯材料不同而异。内定径时：芯模长度一般取80～300mm。芯模的外径比管材内径大2%～4%。18.2.2管材定径模2.定径套尺寸4018.3棒材挤出成型机头设计41棒材机头流道不需要分流，只要做成无滞料区的光滑过渡即可满足流动要求。18.3.1棒材机头图18-10圆形棒料挤出机头典型结构1－接套2－口模3－加热圈4－机头体5－栅板6、7－法兰盘8－螺杆9－机筒4218.3.1棒材机头要求：1）由于棒材横截面积大，故流道的阻力小，要想使实心型材密实，应当从结构上保证机头有足够的压力。如图所示，在圆形口模中，虽然熔体流速沿半径方向有很大变化，但沿圆周方向是一致的，即流动速度仅在一个方向变动。432）在给定流量和直径条件下，管道越短，应力建立的时间也越短，熔体离开口模时的膨胀就越大。一般塑料棒材的膨胀程度可以超过38％~120％为此，在设计口模时常采用以下两种方式，一是减少模孔直径，二是使棒材制品的牵引速度等于口模处型坯的离模速度。流道平直部分直径小，可起到增加机头压力，增强阻流的作用。对于棒材密实度要求不高或作为提供二次加工坯料用时，挤出机头可设计成组合式结构，如图18-11所示，加工制造十分容易。18.3.1棒材机头要求：44图18-11组合式圆形棒料挤出机头1－口模2－加热圈3－接套4－联接套5－机头体18.3.1棒材机头要求：对于棒材密实度要求不高或作为提供二次加工坯料用时，挤出机头可设计成组合式结构