塑料管材挤出模具设计

挤出模具设计8-1概述塑料挤出成型是用加热的方法使塑料成为流动状态，然后在一定压力的作用下．使它通过塑模，经定型后制得连续的型材。挤出法加工的塑料制品种类很多，如管材、薄膜、棒材、板材、电缆敷层、单丝以及异形截面型材等。挤出机还可以对塑料进行混合、塑化、脱水、造粒和喂料等准备工序或半成品加工。因此，挤出成型已成为最普通的塑料成型加工方法之一。用挤出法生产的塑料制品大多使用热塑性塑料，也有使用热固性塑料的。如聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、尼龙、ABS、聚碳酸酯、聚砜、聚甲醛、氯化聚醚等热塑性塑料以及酚醛、脲醛等热固性塑料。挤出成型具有效率高、投资少、制造简便，可以连续化生产，占地面积少，环境清洁等优点。通过挤出成型生产的塑料制品得到了广泛的应用，其产量占塑料制品总量的二分之一以上。因此，挤出成型在塑料加工工业中占有很重要的地位。8-1.1挤出成型机头典型结构分析机头是挤出成型模具的主要部件，它有下述四种作用。(1)物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)使物料通过机头得到进一步塑化；(4)通过机头成型所需要的断面形状的制品。1-模具体2-分流锥3-分流锥支架4-中套5-压盖6-口模7-芯轴8-定径套9-气堵10-进气管现以管材挤出机头为例，分析一下机头的组成与结构，见图所示。1．口模和芯棒口模成型制品的外表面，芯棒成型制品的内表面，故口模和芯棒的定型部分决定制品横截面形状和尺寸。2．多孔板（过滤板、栅板）如图所示，多孔板的作用是将物料由螺螺旋运动变为直线运动，同时还能阻止未塑化的塑料和机械杂质进入机头口此外，多孔板还能形成一定的机头压力，使制品更加密实。3．分流器和分流器支架分流器又叫鱼雷头。塑料通过分流器变成薄环状，便于进一步加热和塑化。大型挤出机的分流器内部还装有加热装置。分流器支架主要用来支撑分流器和芯棒，同时也使料流分束以加强搅拌作用。小型机头的分流器支架可与分流器设计成整体。4．调节螺钉用来调节口模与芯棒之问的间隙，保证制品壁厚均匀。5．机头体用来组装机头各零件及挤出机连接。6．定径套使制品通过定径套获得良好的表面粗糙度，正确的尺寸和几何形状。7．堵塞防止压缩空气泄漏，保证管内一定的压力8.1.2挤出成型机头分类及其设计原则1．分类由于挤出制品的形状和要求不同，因此要有相应的机头满足制品的要求，机头种类很多，大致可按以下三种特征来进行分类：(l)按机头用途分类可分为挤管机头、吹管机头、挤板机头等；挤管机头吹管机头挤板机头(2)按制品出品方向分类可分为直向机头和横向机头，前者机头内料流方向一与挤出机螺杆轴向一致，如硬管机头；后者机头内料流方向与挤出螺杆轴向成某一角度，如电缆机头。直向机头1—芯线2—导向棒3—机头体4—电热器5—调节螺钉6—口模7—包覆塑件8—过滤板9—挤出机螺杆横向机头挤出电缆(3)按机头内压力大小分类可分为:低压机头（料流压力40公斤／厘米2）、中压机头（料流压力为40-100公斤／厘米2高压机头（料流压力100公斤／厘米2）。2．设计原则(l)流道呈流线型为使物料能沿着机头的流道充满并均匀地被挤出，同时避免物料发生过热分解，机头内流道应呈流线型，不能急剧地扩大或缩小，更不能有死角和停滞区，流道应加工得十分光滑，表面粗糙度应在Ra0.4um以下。(2)足够的压缩比为使制品密实和消除因分流器支架造成的结合缝，根据制品和塑料种类不同，应设计足够的压缩比。压缩比：是指模具体内熔料流道空腔中，进料端最大截面积与口模处环形空腔截面积之比。压缩比一般取4~10，如果熔料粘度较高，取压缩比在2.5~6(3)正确的断面形状机头的成型部分的设计应保证物料挤出后具有规定的断面形状，由于塑料的物理性能和压力、温度等因素的影响，机头的成型部分的断面形状并非就是制品的相应的断面形状，二者有相当的差异，设计时应考虑此因素，使成型部分有合理的断面形状。由于制品断面形状的变化与成型时间有关，因此控制必要的成型长度是一个有效的方法。离模膨胀拉伸比(4)结构紧凑在满足强度条件下，机头结构应紧凑，其形状应尽量做得规则而对称，使传热均匀，装卸方便和不漏料。(5)选材要合理由于机头磨损较大，有的塑料又有较强的腐蚀性，所以机头材料应选择耐磨、硬度较高的碳钢或合金钢，有的甚至要镀铬，以提高机头耐腐蚀性。此外，机头的结构尺寸还和制品的形状、加热方法、螺杆形状、挤出速度等因素有关。设计者应根据具体情况灵活应用上述原则。8.2典型挤出机头及设计常见的挤出机头有：管材挤出机头、电线电缆包覆机头异型材挤出机头常见的管材挤出机头结构形式有以下三种：(1)直管式机头图示为直管式机头。其结构简单，具有分流器支架，芯模加热困难，定型长度较长：适用于PVC、PA、PC、PE、PP等塑料的薄壁小口径的管材挤出。是挤出成型塑料管材应用最广泛的一种模具结构1．管材挤出机头的结构形式(2)弯管式机头右图为弯管式机头，其结构特点是内部不设分流器支架，熔体在机头中包围芯棒流动成型，因此只产生一条分流痕迹。这种机头最突出的优点是：挤出机机筒容易接近芯棒上端，芯棒容易被加热；与它配合的冷却装置可以同时对管材的内外径进行冷却定型，所以定型精度较高：流动阻力较小，料流稳定，出料均匀，生产率高，产品质量好。但结构复杂，制造困难，生产占地面积较大。PPPE应用：医用管材内径定型PVC管成型模具内径定型管材挤出成型模具结构，多在成型医用管材中应用。此种塑料管多是透明，内、外壁光滑的小直径管。模具结构不同于通用塑料成型模具之处，是设有内径冷却定型装置。生产时、内径冷却定型装置在管坯内通过，为挤出模具的管坯冷却降温定型；内径冷却定型装置的外圆直径与管的内孔直径尺寸相符（或略大些），内有冷却水通过。(3)旁侧式机头图示为旁侧式机头。综合了直向式和横向式的优点。物料经改变方向消除了横向机头一次变向所造成的不均匀现象。占地面积小。结构复杂，没有分流器支架，芯模可以加热，定型长度也不长。大小口径管材均适用。挤出阻力大1—芯线2—导向棒3—机头体4—电热器5—调节螺钉6—口模7—包覆塑件8—过滤板9—挤出机螺杆电线电缆包覆机头异型材挤出机头这种结构中的模具零件安装，拆卸都比较方便；分流锥支架的外圆与模具体内表面采用H7/h6级精度配合定位，保证了分流锥、分流锥支架和芯轴间用螺纹连接后，三者与模具体在同一条中心线上的配合精度。小型（直径50mm）硬管挤出模具右图所示图中的芯轴上设有R形凸台，这对熔料经过分流锥支架肋时产生的熔料接合线消除有利，可使管材更密实，内表面光洁。这种模具结构既可成型硬质PVC管，也可成型软质PVC管。定径套与口模连接，成型的管坯挤出定径套后即进入水槽冷却定型下图所示是成型管材直径小于80mm用成型模具结构。采用内压法定径，定径套外腔是带有能通冷却循环水的环形套，冷却管坯；生产时，通过分流锥支架肋上的小孔，把压缩空气输入管坯内，管坯前端装有气堵，防止管内压缩空气逸出。分流锥、支架和芯轴也是用螺纹连接成一体，依靠分流锥支架外圆与模具体内圆紧密配合定位。保证分流锥、支架和芯轴与模具体装配后的同心精度。（直径80mm）硬管挤出模具50管与25管对比（直径90～120mm）硬管挤出模具图示模具成型的管材直径较大些（一般管直径在90~125mm范围）。模具结构与前两种结构不同处，是分流锥、分流锥支架和芯轴，三件由螺纹连接组合成一体后，是从模具体的左端（图示方向）装入模具体内，口模是从模具体右端（图示方向）装入模具体内；定径套外腔可采用能通冷却循环水的环形套，也可用带有抽真空腔段的冷却定径环形套。这种真空定径套与口模的出料口端20~50mm距离，挤出口模的管坯先经空气冷却，表面形成光滑冷层面后再进入真空定径套。生产厚壁管时，既可借助管内的压缩空气把管坯吹胀，又可用真空吸附着外表面紧贴在定径套内圆表面，保证了厚壁管冷却定型质量。为了模具零件机械加工和组装的方便，把模具体分成两段，机械加工后，组装时用螺钉连接固定。连接模具体的、与分流锥外圆为配合基准的结合圆要采用H7/h6精度配合，以保证模具体内表面装配后的同心度和接触面过渡处不出现凸凹台现象。图中芯轴上设有弧形凸台、这对熔料经过分流锥支架肋后、产生的熔料结合线消除有利，改进了熔料塑化质量、使产品质量得到进一步提高。（直径150～200mm）硬管挤出模具图示是较大直径（Φ250~Φ315mm）塑料管成型模具结构。为了机械加工和组装的方便，把有较大重量的模具体分成三段，由螺钉连接成一体；连接接触面设计成锥形，这使组合的三个零件连接牢固可靠，同心度精度高，不会出现位移、保证了装配精度。较大直径的芯轴为中空型、这既可减轻芯轴重量、又可在空腔内安装电阻加热器，这既可加速模具芯轴的加热升温，又提高了熔料的塑化质量。组装后的模具体较重，应配置装运用吊环。塑料管材挤出模具设计口模芯棒分流锥模具体定径套1)口模口模是成型管材外表面的零件，其结构如图所示。口模内径不等于塑料管材外径，因为从口模挤出的管坯由于压力突然降低，塑料因弹性恢复而发生管径膨胀，同时，管坯在冷却和牵引作用下，管径会发生缩小。这些膨胀和收缩的大小与塑料性质、挤出温度和压力等成型条件以及定径套结构有关，目前尚无成熟的理论计算方法计算膨胀和收缩值，一般是根据要求的管材截面几寸，按拉伸比确定口模截面尺寸。所谓拉伸比是指口模成型段环隙横截面积与管材横截面积比。式中I为拉伸比常用塑料允许的拉伸比如下：r—口模内径；rl—芯棒外径；R—管材外径：R1——管材内径。PVC1.0～1.4PA1.4～3.0ABS1.0～1.1PP1.0.～1.2HDPE1.1～1.2LDPE1.2～1.5口模定型段长度L1，与塑料性质、管材的形状、壁厚、直径大小及牵引速度有关。其值可按管材外径或管材壁厚来确定：口模结构尺寸从图中可以看到，主要是平直段长度、内径和压缩角。平直段（也叫定型段）长度L1=(0.5~3)D内径d1=D/k式中D—管材外径(mm)k—系数，k=1.01~1.06。压缩角α取14°~50°之间。(2)芯模芯模是成型管材内表面的零件，如图所示。直管机头与分流器以螺纹联接。芯轴结构中的主要尺寸是平直段直径、长度及收缩角。一般规律是芯轴平直段长度与口模平直段长度相等或略长些，可在L1=(1～2.5)D范围内选择；也可按表所示经验数据选择。芯模的结构应有利于熔体流动，有利于消除熔体经过分流器后形成的结合缝。熔体流过分流器支架后，先经过一定的压缩，使熔体很好地汇合。为此芯模应有收缩角β，芯模的长度Ll与口模L1相等。芯轴收缩角α应小于分流锥的扩张角，以利于分流锥支架肋造成的熔料结合线在此处能尽快消除。这个收缩角的选择要注意熔料粘度的大小，粘度大时应取较小的收缩角，如PVC料取α=10°～30°，粘度较小的PE料取α=25°～40°芯模直径d1可按下式计算：d1=d-2δ式中δ—芯模与口模之间间隙；d—口模内径由于如上所述塑料熔体挤出口模后的膨胀与收缩，使δ不等于制品壁厚，δ可按下式计算：式中k—经验系数，t—制品壁厚，k=1.16～1.20;为了使管材壁厚均匀，必须设置调节螺钉以便安装与调整口模与芯模之间间隙。调节螺钉数目一般为4～8个。(3)分流锥分流锥的作用是使熔体料层变簿，以便均匀加热，使之进一步塑化。其结构如图所示。分流器与栅板之间的距离一般取10～20mm，或稍小于0.lD(D1为挤出机螺杆直径)。保持分流器与栅板之间的一定距离的作用是使通过栅板的熔体汇集。因此，该距离不宜过小，否则熔体流速不稳定，不均匀；距离过大，熔体在此空间停留时问较长，高分子容易产生分解。分流器的扩张角α值取决于塑料粘度，低粘度塑料取α=300～800，高粘度塑料取α=300-600，α太大，熔体流动阻力大：α过小，势必增大分流锥部分的长度。分流锥的长度一般按下式确定：L3=(1～1.5)Do式中Do——栅板出口处直径。分流器头部圆角r一般取0.5～2mm。(4)分流器支架分流器支架设有进气孔和导线孔，用以通入压缩空气和内装置电热器时导入导线。通入压缩空气的作用是为了管材的定径（内压