挤出管材的模具设计及加工工艺

挤出管材的模具设计及加工工艺2010.12管机头分类按结构分：直通式、侧式、篮式、螺旋芯棒式等按用途分：硬管、软管、波纹管、复合管等管材——燃气管、压力管、上下水管、排水管、排灌管、穿线管、硅芯管、软管、医用软管、发泡管、单壁、双壁波纹管、多层复合管材等原料——UPVC、PE、PP、PPR、ABS、PU、PA等、•挤管成型设备塑料挤出成型设备管材生产线管材生产工艺流程图一般管材生产线工艺过程•原料→真空上料→原料干燥→单螺杆挤出机→机头模具→定径套→喷淋真空定型箱→喷淋冷却水箱→喷码机→履带牵引机→成品检测包装带有标记管材生产线工艺过程•原料+色母料→混合→真空上料→原料干燥→单螺杆挤出机→色线挤出机→机头模具→定径套→喷淋真空定型箱→喷淋冷却水箱→喷码机→履带牵引机→成品检测包装1.挤出机2.机头（熔体输出与定径装置）3.辅机(冷却装置、牵引装置、切割装置)4.控制系统（二）特点1.连续化生产2.生产率高3.应用范围广4.结构简单、收效快（一）管材生产线组成管材生产是挤出成型最重要的方法之一。挤出模具是管材成型的关键部件！挤管机头大型机头管材机头设计挤出管材动画挤出管材成型机头示意图组成定型部分导流部分分流部分入流部分四个功能部分：1.入流部分功能——使来自挤塑机的塑料熔体，由螺旋运动逐渐变为直线运动2.分流部分功能——将熔体按所需制品形状进行分流，由柱状分流成为环状。3.导流部分功能——通过模腔内流道几何形状与尺寸的变化，产生必要的成型压力．将分流部分流出物料进行导流并压实4.定型部分功能——通过机头成型段及模唇的调节作用，获得所需断面形状的连续制品熔体坯。四个功能部分：定型部分导流部分分流部分入流部分作用1.使熔融物料的螺旋运动直线运动。2.将物料压实。3.使物料进一步塑化均匀。4.成型制品。定型部分导流部分分流部分入流部分1．正确选择结构形式（1）成型制品种类（2）原材料种类和要求（3）成型工艺特点2．流道结构（1）流道呈流线型（2）无突变（3）各连接处应保证密封（4）表面粗糙度（5）应具有一定压缩比（6）保证口模出口处各点料流速度一致管材机头设计原则3．机头选材（1）合理选材（2）耐磨、耐腐蚀（3）足够的强度和刚度，进行热处理（4）容易电镀（5）在高温下不变形4．机头结构（1）结构紧凑，易于加工制造和装拆维修（2）形状尽可能规则和对称（3）成型部分应能保证熔体挤出后具有所要求的截面形状和尺寸挤出机与挤出模具的连接螺纹连接1、栅板2、机头法兰3、铰链螺钉4、机筒法兰5、机筒螺钉连接1、机头法兰2、铰链螺钉3、机筒法兰4、栅板5、螺杆6、机筒7、内六角螺钉8、定位销卡箍式连接栅板的形式设计栅扳的结构如图所示，除具有分流、混合、促进熔体塑化均匀外，还承担着支承滤网的作用。栅板上流道孔眼直径，通常为3—6mm．入口端应有30º一45º的锥角。流道孔总面积须占栅板有效面积的40％一70％为宜，孔的排列应紧凑合理；栅板应有足够机械强度和刚度，但其厚度也不宜过厚，以免造成过大阻力或滞料分解。(1)非等径孔同心圆排列(2)等径孔同心圆排列(3)等孔径弧形面栅板(4)等孔径六边形排列闸板型过滤器1、平板2、滤网3、4、滤网座5、螺栓6、壳体7、氟塑料环8、鱼雷体9、分流支架套10、热电偶11、螺栓12、限位板13、加热器14、多孔板15、支承环16、推力杆直通式管机头一、基本结构和工作原理口模、芯棒、分流器、分流器支架、机头体、调节螺钉、连接螺钉等1.基本结构2.工作原理直通式管机头直通机头大口径管材挤出机头示意图1-机头体上部;2-机头体下部;3-机颈;4-分流锥;5-分流梭;6-过渡芯模分流梭断面图挤出成型模具管材挤塑成型机头1、橡皮片堵头2、定径套3、口模4、芯棒5、调节螺栓6、分流锥7、芯棒支架8、模体9、过滤板二、设计要点1.压缩比ε压缩比——分流器支架出口处截面积与芯棒口模间的截面积之比ε=3～10低粘度物料：4～10高粘度物料：3～6另一种方法：取分流器支架直径与口模直径之比UPVC：D/d=1.4～1.6PE：D/d=1.4～2大管取小值；小管取大值分流锥长度L4L4=（1～1.5）DD—分流锥最大直径锥尖半径rr=0.5～2mm热稳定性好的物料：αmax＜90°热稳定性差的物料：α≤60°2.分流锥扩张角α作用——使熔料逐渐变成环形3.分流器支架分流筋形状要求——流线型、不得有大的拐角、有利于熔接线的消除——支撑分流器及芯棒作用——收缩角＜扩张角分流筋宽度bb≤9～12mm分流筋长度ll≤30～80mm分流筋高度ss≤10～25mm分流筋数量nn=4～8扩张角：β≤60°收缩角：θ＜30°UPVC：θ≈10°4.口模作用——成型管材外表面定型长度L1经验公式：L1≈3DD——管材外径国外资料：L1=（10～30）hh——管材壁厚国内资料：L1=（30～40）hUPVC：（18～33）hPPVC：（15～25）hPE：（14～22）hPP：（14～22）hPA：（13～23）h口模直径D影响口模直径的因素：①挤出胀大②牵引拉伸③冷却收缩④定径方式→管材截面变大→管材截面变小→管材截面变小→外定径时的真空度、定径套内径与口模直径有关考虑胀大和定径收缩口模直径：管外DCD式中：C—系数PVC：0.95～1.05；PO：0.90～1.05拉伸比——环形截面积与管材截面积之比2222管内管外DDdDI式中：D—口模直径d—芯棒直径D管外—管材外径D管内—管材内径I—拉伸比UPVC：1.00～1.08；SPVC：1.10～1.35LDPE：1.20～1.25；HDPE：1.10～1.20ABS：1.00～1.10；PA：1.40～3.005.芯棒作用——导流、成型管材内表面收缩角ββ=20°～30°定型长度与口模定型长度相等β应小于分流锥的扩张角αUPVC：β≤24°；PO可稍大壁厚调节目的：管材壁厚均匀调节螺钉数量：S=4～8经验公式：222管内管外DDIDd芯棒直径d三、特点1.优点⑴结构简单，成本低；⑵中心进料，易于物料均匀分配；⑶应用广泛。2.缺点⑴体积大，重量大；⑵分流筋多，熔接线多。模具零件的连接讨论调节管材壁厚的方式机头进料结构形式中心供料筛孔式机头侧向供料机头螺旋式机头1、芯模2、芯模支架3、栅板4、螺旋式芯模5、支架支柱2.措施⑴安装绕机头轴线旋转的部件⑵分流筋表面喷涂不粘材料⑶将流道加长⑷加热分流筋⑸使流过分流筋的物料迅速得到压缩⑹芯棒上带多头螺旋沟槽⑺采用阻尼筋或多孔板熔接线的影响——只能减小，不可能消除1.形成原因四、减小熔接线影响的措施多孔板(筛板)式分流板的实物图和挤出物流痕的照片。蓝式管机头1.结构2.工作原理简单蓝式机头蓝式机头⑴直通式机头的特殊形式；⑵总压力损失小；⑶产量高，能耗低；⑷机头中热耗散少；⑸重量轻；⑹便于操作。3.特点⑴筛孔套①要求足够强度、小孔利于物料流动②孔径d⑵口模直径DD/DT≤1.4DT—筛孔套直径4.设计要点d=1～2.5mm5.应用聚烯烃类耐压管材螺旋芯棒式管机头2.工作原理1.结构螺旋管材机头结构图1.进料口2.固定螺钉3.模体4.热电偶5.调节螺钉6.压环7.口模8.固定螺钉9.芯模10.螺旋槽11.径向孔12.模底座13.通气杆14.连接体直通机头与螺旋机头比较⑴出料均匀；⑵总压力损失小；⑶产量高，能耗低；⑷机头中热耗散少；⑸无熔接线。3.特点4.应用直径＞400mm的聚烯烃类管材蓝式、螺旋式机头蓝式、螺旋式模具。模具特点：1、熔体流动速度达到预期的力学均匀性、热均匀性。2、无须芯模支架，使生产中常发生的流纹消失。3、压力消耗少，产量高，产量可达到挤出量的80%。4、机构紧凑，连接合理，更换方便。5、采用优质模具钢制造。6、采用不锈钢或铜的水环定径套。管机头螺旋机头大机头大机头多口模管机头1.结构2.工作原理一模多机头一模多机头⑴充分发挥挤出机的生产能力；⑵节省占地面积；⑶熔体流速慢；⑷结构较复杂。3.特点5.应用小直径薄壁管材4.设计要点带流量调节的分配流道设计波纹管机头1.结构结构形式与一般机头基本相同，只是口模部分很长。用吹胀法成型波纹2.成型原理用真空吸附法成型波纹多层共挤出机头带有色标的蓝式机头多空管形状带标志线的多孔管直式模机头1.主体连接；2.分流体；3.分流体板；4.过渡板；5.外模腔；6.芯模；7.冷却水管；8.中模芯；9.副连接板；10.口模板三层共挤出管材示意图多层挤出模具用于成型多种塑料或多种颜色的复合管材或复合膜，通常用多台挤出机挤出成型。双层共挤出机头结构示意图1.栅板；2.机头体1；3.分流锥；4.分流套；5.机头体2；6.平直口模；7.口模压环；8.带内螺纹芯棒；9.分流支架；10.机颈三层共挤出机头结构示意图1.口模；2.分流套；3.隔层分流套；4.阻尼分流器支架；5.6.外、内层流道；7.人字流道连接器；8.芯棒；9.分流锥；10.连接器；11.中层流道管材的定型管材定径的方法•内径定径•外径定径–内压定径–真空定径内径定径管材内定径方法•内径定径法的定径套直接与机头模芯连接，定径套内通入循环冷却水，熔体出口模后直接在定径套上冷却。•管材内径尺寸与定径棒尺寸一致•管材外径自由冷却，外径尺寸难以控制。内芯定径内径定径机头结构示意图管材的内径定型1.管材；2.定径芯棒；3芯棒；4.回水流道；5.进水管；6.排水嘴；7.进水嘴内压外定径方法管材的内压定径示意图1.芯棒；2.压缩空气入口；3.机头体；4.绝热垫；5.定型模；6.冷却水；7.管材；8.链条；9.浮塞；10出水口；11入水口管材气压外定径方法管材挤塑成型机头1、橡皮片堵头2、定径套3、口模4、芯棒5、调节螺栓6、分流锥7、芯棒支架8、模体9、过滤板外径压力定径真空外定径方法真空定径套真空定径图1.管材；2.水浴槽；3.冷却水；4.真空；5.芯棒；6.模套真空定径箱直径收缩率•真空定径的管材外径可以根据管材原料的尺寸收缩率来得到精确控制，•聚乙烯2～4%•双峰聚乙烯4～4.6%•PP-R3～6%真空定径有如下优点(1)引管简单快速,废料少;(2)内压定径方法中,压缩空气存留在管内,随着生产的连续进行,气体温度不断升高,而真空定径空气在管材内部自由流动,管材内壁冷却效果好;(3)能较好控制尺寸公差;(4)管坯在机头出口处于塑化状态几乎没有变形;真空定径有如下优点(5)管材的内应力小;(6)没有被螺塞撕裂的危险;(7)不会因螺塞磨损而停产;(8)机头口模与真空定径装置二者分离,因而温度能单独控制。高速挤出管材•最常见的方法是在定径入口处设置冷却水入口，通过特殊的喷嘴或在定径套上开缝，让水直接包覆在管坯外圆。带水环的定径套带冷却装置的定径套定径环组外定径组装图1.冷却水入口；2.至真空泵；3.真空区；4冷却水出口带预冷装置的定径套组装图1.可调预冷却装置；2.定径套；3.定径环小定径套大定径套大定径套透明定径自动改变管材尺寸装置•可以对直径32到1200mm范围内不同直径和压力等级的PO管子自动并连续的变径•现有的挤出生产线可以逐步完善实现完全自动化变径。传统挤出模头、真空箱、下游设备设备和新的优化设备结合。就可以达到更高的灵活性和更大的经济利益。用于连续改变管径和壁厚的一种简单的机械装置。由以下4部分组成：柔性定径套柔性密封圈柔性管支撑装置控制设备自动改变管材尺寸装置同步改变生产量和牵引机的参数并结合定径套的性能，可以达到必需的产品直径和壁厚，所以不需要再改变挤出模具中的融化指数，继续使用现有的挤出模头。产量增加同时放大定径套内径导致管子直径增大，反之亦然。增大牵引速度导致壁厚减小，反之亦然。瞬间连续改变管材直径和壁厚启动时间更短，产品输出时间更短，更高的柔性。优化—直径的自动改变可以逐步实现。不需要新的挤出模头、水箱，并且继续使用现有的下游设备。管材表面质量和生产线能力保持不变变径定径结束语•随着新材料的不断出现，塑料管材加工技术也在不断地改进和发展，伴随着计算机控制和高精度的检测设备的应用管材挤出的技术将朝着高速、高效、和高质量的方向发展