挤出模具设计

第9章挤出模具设计9.1概述•9.1.1挤出成型机头典型结构分析•9.1.2挤出成型机头分类及其设计原则9.2典型挤出机头及设计•9.2.1管材挤出机头及设计•9.2.2吹塑薄膜机头的结构及设计•9.2.3电线电缆包覆机头•9.2.4异型材挤出成型机头•思考题及习题9.1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三分之一以上。因此，挤出成型在塑料加工工业中占有很重要的地位。机头是挤出成型模具的主要部件，它有下述四种作用。（1）使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。现以管材挤出机头为例，分析一下机头的组成与结构，见图8-1所示。9.1.1挤出成型机头典型结构分析图8-2多孔板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的横截面形状和尺寸。2．多孔板（过滤板、栅板）如图8-2所示，多孔板的作用是将物料由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。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间的间隙，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。9.1.2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：（1）按机头用途分类可分为挤管机头、吹管机头、挤板机头等；（2）按制品出口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机螺杆轴向成某一角度，如电缆机头；（3）按机头内压力大小分类可分为低压机头（料流压力为MPa）、中压机头（料流压力为4-10MPa）和高压机头（料流压力在10MPa以上）。2．设计原则（1）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。（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。（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。9.2典型挤出机头及设计常见的挤出机头有管材挤出机头、吹管膜机头、电线电缆包覆机头、异形材料挤出机头等。9.2.1管材挤出机头及设计•1．管材挤出机头的结构形式常见的管材挤出机头结构形式有以下几种：（1）直管式机头图8-3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。（2）弯管式机头图8-4为弯管式机头。其结构复杂，没有分流器支架，芯模容易加热，定型长度不长。大小口径管材均适用,特别适用于定内径的PE、PP、PA等塑料管材成型。（3）旁侧式机头图8-5为旁侧式机头，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。8-6口模的结构2．管材挤出机头零件的设计（1）口模口模是成型管材外表面的零件，其结构如图8-6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尺寸，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之比。即(8-1)式中I为拉伸比，常用塑料允许的拉伸比如下：PVC为1.0～1.4，PA为1.4～3.0；ABS为1.0～1.1；PP为1.0～1.2；HDPE为1.1～1.2；LDPE为1.2～1.5。r——口模内径；r1——芯棒外径；R——管材外径；R1——管材内径。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；L1=（0.5～3）D（8-2）或L1=（8～15）t（8-3）式中D——管材外径；t——管材壁厚。212212212212RRrrRRrrIβd1L2L图8-7芯模结构（2）芯模芯模是成型管材内表面的零件，如图8-8所示。直管机头与分流器以螺纹联接。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，其值决定于塑料特性，对于粘度较高的硬聚乙烯，β一般30°～50°；对于粘度低的塑料β可取45°～60°。芯模的长度L1′与口模L1相等。L2一般按下式决定：L2=（1.5～2.5）D0（8-4）式中D0——栅板出口处直径。芯模直径d1可按下式计算；d1=d—2δ(8-5)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：（8-6）式中k—经验系数，k=1.16～1.20;t—制品壁厚。为了使管材壁厚均匀，必须设置调节螺钉（图8-3件3）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。kt（3）分流器分流器的作用是使熔体料层变薄，以便均匀加热，使之进一步塑化。其结构如图8-8所示。图8-8分流器及其支架A-AAAaL3分流器与栅板之间的距离一般取10～20mm，或稍小于0.1D1（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间较长，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=30°～80°，高粘度塑料取α=30°～60°，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）D0（8-7）式中D0——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（内压法外径定型）和冷却。分流器支架与分流器可以制成整体式的（图8-8），也可制成组合式的（图8-1）。前者一般用于中小型机头，后者一般用于大型机头。分流器支架上的分流筋的数目在满足支持强度的条件下，以少为宜，一般为3～8根。分流筋应制成流线型的（图8-8A-A剖面），在满足强度前提下，其宽度和长度应尽量小些，而且出料端的角度应小于进料端的角度。（5）定径套对于外径定型法，直径小于30mm的硬聚氯乙烯管材，定径套长度取管径的3-6倍，其倍数随管径减小而增加，当管径小于35mm时，其倍数可增至10倍。对于聚烯烃管材，定径套长度为管径的2～5倍，其倍数随直径减小而增大。定径套直径通常比机头口模直径大2%～4%，且出口直径比进口直径略小。对于内径定型法，定径芯模长度取80～300mm，其外径比管材内径大2%～4%，以利于管材内径公差的控制。定径芯模锥度为1:1.6～1:10，始端大，终端小。9.2.2吹塑薄膜机头的结构及设计1．吹塑薄膜机头结构形式常见的吹塑薄膜机头结构形式有芯棒式机头、中心进料的“十字形机头”、螺旋式机头、旋转式机头以及双层或多层吹塑薄膜机头等。（1）芯棒式机头图9-9（下页）所示芯棒式吹塑薄膜机头。塑料熔体自挤出机栅板挤出，通过机颈5到达芯棒轴7时，被分成两股并沿芯棒分料线流动，然后在芯棒尖处重新汇合，汇合后的熔体沿机头环隙挤成管坯，芯棒中通入压缩空气将管坯吹胀成管膜。ad1D图8-9芯棒式机头4-上模体5-机颈6-螺母7-芯棒轴8-下模体1-芯棒（芯模）2-口模3-压紧圈压缩空气8Hth67d52134熔融塑料芯棒式机头内部通道空腔小，存料少，塑料不容易分解，适用于加工聚氯乙烯塑料。但熔体经直角拐弯，各处流速不等，同时由于熔体长时间单向作用于芯棒，使芯棒中心线偏移，即产生“偏中”现象，因而容易导致薄膜厚度不均匀。（2）十字形机头图9-10为十字形机头，其结构类似管材挤出机机头。这种机头的优点是出料均匀，薄膜厚度容易控制；芯模不受侧压力，不会产生如芯棒式机头那种“偏中”现象。但机头内腔大，存料多，塑料易分解，适用于加工热稳定性好的塑料，而不适于加工聚氯乙烯。4-进气管5-分流器支架6-机体1-口模2-分流器3-调节螺钉645图9-10十字形机头（3）螺旋式机头图9-11为螺旋式机头，塑料熔体从中央进口挤入，通过带有多个沟槽由深变浅直至消失的螺旋槽（也有单螺旋）的芯棒7，然后在定型区前缓冲槽汇合，达到均匀状态后从口模挤出。这种机头的优点是，机头内熔体压力大，出料均匀，薄膜厚度容易控制，薄膜性能好。但结构复杂，拐角多，适用于加工聚丙烯、聚乙烯等粘度小且不易分解的塑料。（4）旋转式机头图9-12为旋转式机头。其特点是芯模2和口模1都能单独旋转。芯模和口模分别由直流电机带动，能以同速或不同速、同向或异向旋转。采用这种机头可克服由于机头制造、安装不准确及温度不均匀造成的塑料薄膜厚度不均匀，其厚度公差可达0.01mm。它的应用范围较广，对热稳定性塑料和热敏性塑料均可成型。2．机头几何参数的确定如图9-9所示的芯棒式机头，环形缝隙宽度t一般在0.4～12.mm范围内，如果t太小，则机头内反压力很大，影响产量；如果t太大，则要得到一定厚度的薄膜，必须加大吹胀比和拉伸比。机头定型区高度h应比t大15倍以上，以便控制薄膜的厚度，H应大于2倍d1。为了避免制品产生接合缝，芯棒尖处到模口处的距离应不小于芯棒轴直径d1的两倍（图8-9），并在芯棒头部设1～2个缓冲区，以利于熔体很好汇合。应尽量使塑料熔体自分流到达机头出口处流动的距离相等，流道畅通，无死角。芯棒扩张角α一般取80°～90°，也可达到100°，但α过大，会增大熔体流动阻力。芯棒斜流道尖处应认真设计与加工，不能太尖，也不能太钝，必要时应经过试验确定