挤出成型模具设计4

挤出成型是热塑性塑料成型的重要方挤出成型是热塑性塑料成型的重要方法之一，其生产过程连续性强，生产效率法之一，其生产过程连续性强，生产效率高，投资少，成本低，操作简单，工艺条高，投资少，成本低，操作简单，工艺条件容易控制，产品质量均匀。挤出成型广件容易控制，产品质量均匀。挤出成型广泛用于塑料管材、棒材、板材、薄膜、电泛用于塑料管材、棒材、板材、薄膜、电缆包层等。缆包层等。4.1.1 挤出成型原理挤出成型原理 4.1.2 挤出成型工艺过程挤出成型工艺过程4.1.3 挤出成型工艺参数及其选择挤出成型工艺参数及其选择 挤出成型是使塑料在一定温度和压力挤出成型是使塑料在一定温度和压力下熔融塑化，并连续的通过成型模具，成下熔融塑化，并连续的通过成型模具，成为特定的型材的过程。挤出成型所用的设为特定的型材的过程。挤出成型所用的设备是挤出机，挤出机头是挤出成型模具。备是挤出机，挤出机头是挤出成型模具。图图4.1为管材的挤出成型原理示意图。为管材的挤出成型原理示意图。 图4.1 挤出成型原理示意图 1挤出机料筒；2机头；3定径装置4冷却装置；5牵引装置； 6塑件； 7切割装置 首先将颗粒状或粉状的塑料加入挤出首先将颗粒状或粉状的塑料加入挤出机料筒内，在旋转的挤出机螺杆的作用下，机料筒内，在旋转的挤出机螺杆的作用下，经过加热的塑料通过沿螺杆的螺旋槽向前经过加热的塑料通过沿螺杆的螺旋槽向前方输送。在此过程中，塑料不断被加热，方输送。在此过程中，塑料不断被加热，逐渐熔融呈黏流态，然后在挤出系统的作逐渐熔融呈黏流态，然后在挤出系统的作用下，塑料熔料通过挤出机头口模以及定用下，塑料熔料通过挤出机头口模以及定型、冷却、牵引、切割等一系列辅助装置，型、冷却、牵引、切割等一系列辅助装置，从而获得一定的截面形状的型材。从而获得一定的截面形状的型材。 挤出成型工艺过程可分为四个阶段挤出成型工艺过程可分为四个阶段:（1） 塑化阶段塑化阶段（2）挤出成型阶段）挤出成型阶段（3）冷却定型阶段）冷却定型阶段（4）塑件的牵引、卷取和切割）塑件的牵引、卷取和切割 挤出成型的工艺参数主要包括温度、挤出成型的工艺参数主要包括温度、压力、挤出速度、牵引速度等压力、挤出速度、牵引速度等 。温度是挤出过程得以顺利进行的重要条件温度是挤出过程得以顺利进行的重要条件之一。温度主要指塑料熔体的温度，该温之一。温度主要指塑料熔体的温度，该温度在很大程度上取决于料筒和螺杆的温度。度在很大程度上取决于料筒和螺杆的温度。因为塑料熔体的热量除一部分来源于料筒因为塑料熔体的热量除一部分来源于料筒中混合时产生的摩擦热外，大部分是料筒中混合时产生的摩擦热外，大部分是料筒外部的加热器所提供的。所以，在实际生外部的加热器所提供的。所以，在实际生产中经常用料筒温度近似表示成型温度。产中经常用料筒温度近似表示成型温度。常用塑料挤出成型管材、片材和薄膜时的常用塑料挤出成型管材、片材和薄膜时的温度参数见表温度参数见表4.1。 塑料塑料名称名称 挤挤 出出 温温 度度 原料中原料中水份控水份控制制 /% 加料段加料段 压缩段压缩段 均化段均化段 机头及口模段机头及口模段 丙烯酸类丙烯酸类聚合物聚合物 室温室温 100170 200 175210 0.025 醋酸醋酸纤维素纤维素 室温室温 110130 150 175190 0.5 聚酰胺聚酰胺 室温室温 90140180 270 180270 0.3 聚乙烯聚乙烯 室温室温 90140 180 160200 0.3 硬聚氯乙硬聚氯乙烯烯 室温室温60120170 180 170190 0.2 在挤出过程中，由于料流的阻力，螺在挤出过程中，由于料流的阻力，螺杆槽深度的改变，以及过滤网、过滤板和杆槽深度的改变，以及过滤网、过滤板和口模等产生阻碍，沿料筒轴线方向，在塑口模等产生阻碍，沿料筒轴线方向，在塑料内部产生一定的压力。这种压力是塑料料内部产生一定的压力。这种压力是塑料得以成型为塑件的重要条件之一。得以成型为塑件的重要条件之一。 增加机头压力可以提高挤出熔体的混增加机头压力可以提高挤出熔体的混合均匀性和稳定性，提高产品致密度。但合均匀性和稳定性，提高产品致密度。但如果机头压力过大将影响产量。如果机头压力过大将影响产量。 挤出速度是单位时间内挤出的塑料质挤出速度是单位时间内挤出的塑料质量（单位为量（单位为kg/h）或塑件长度（单位为）或塑件长度（单位为m/min）。挤出速度的大小表征着生产能）。挤出速度的大小表征着生产能力的高低。力的高低。 影响挤出速度的因素很多，如机头、影响挤出速度的因素很多，如机头、螺杆和料筒的结构、螺杆的转速、加热冷螺杆和料筒的结构、螺杆的转速、加热冷却系统结构和塑料的特性等。在挤出机的却系统结构和塑料的特性等。在挤出机的结构和塑料品种以及塑件类型已确定的情结构和塑料品种以及塑件类型已确定的情况下，挤出速度仅与螺杆转速有关。因此，况下，挤出速度仅与螺杆转速有关。因此，调整螺杆转速是控制挤出速度的主要措施。调整螺杆转速是控制挤出速度的主要措施。 挤出成型生产的是连续的塑件，因此挤出成型生产的是连续的塑件，因此必须设置牵引装置。不同的塑件，牵引速必须设置牵引装置。不同的塑件，牵引速度不同。通常薄膜和单丝的牵引速度可以度不同。通常薄膜和单丝的牵引速度可以快一些，其原因是牵引速度大，塑件的厚快一些，其原因是牵引速度大，塑件的厚度和直径减小，纵向抗断裂强度增高。对度和直径减小，纵向抗断裂强度增高。对于挤出硬质塑件，牵引速度则不能大。通于挤出硬质塑件，牵引速度则不能大。通常是牵引速度与挤出速度相当或牵引速度常是牵引速度与挤出速度相当或牵引速度略大于挤出速度。牵引速度与挤出速度的略大于挤出速度。牵引速度与挤出速度的比值称为牵引比，其值必须等于或大于比值称为牵引比，其值必须等于或大于1。 挤出模具的组成包括两部分：机头和挤出模具的组成包括两部分：机头和定型模。机头是使熔体塑料成型的工作部定型模。机头是使熔体塑料成型的工作部分，挤出工艺不同，塑件断面形状不同，分，挤出工艺不同，塑件断面形状不同，机头的结构也不同。机头的结构也不同。 机头是挤出成型的关键部件，它有如机头是挤出成型的关键部件，它有如下四种作用。下四种作用。 （3）使塑料得到进一步塑化）使塑料得到进一步塑化（4）使塑料熔体获得需要的断面形状、尺）使塑料熔体获得需要的断面形状、尺寸，并均匀被挤出寸，并均匀被挤出 定型模的作用是使用定径装置将从机定型模的作用是使用定径装置将从机头挤出的具备了既定形状的制品进行冷却头挤出的具备了既定形状的制品进行冷却和定型，从而获得能满足使用要求的正确和定型，从而获得能满足使用要求的正确尺寸、几何形状及表面质量。通常采用冷尺寸、几何形状及表面质量。通常采用冷却、加压或抽真空的方法，将从口模中挤却、加压或抽真空的方法，将从口模中挤出的塑料的既定形状稳定下来，并对其进出的塑料的既定形状稳定下来，并对其进行精整，从而获得截面尺寸更为精确、表行精整，从而获得截面尺寸更为精确、表面更为光亮的塑料制件。面更为光亮的塑料制件。 机头按挤出的塑件形状大致可分为：挤机头按挤出的塑件形状大致可分为：挤管机头、挤板机头、吹塑机头三大类。按塑管机头、挤板机头、吹塑机头三大类。按塑件出口方向可分为：直向机头和横向机头。件出口方向可分为：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；前者机头内料流方向与挤出机螺杆轴向一致；后者机头内料流方向与挤出机螺杆轴向成某后者机头内料流方向与挤出机螺杆轴向成某一角度。按机头内压力的大小可分为：低压一角度。按机头内压力的大小可分为：低压机头（料流压力小于机头（料流压力小于4MPa）、中压机头）、中压机头（料流压力为（料流压力为4 MPa10MPa）、高压机头）、高压机头（料流压力大于（料流压力大于10MPa）。）。 图图4.2为管材的挤出模结构示意图。由为管材的挤出模结构示意图。由图中可以看出，挤出成型模具由以下图中可以看出，挤出成型模具由以下7部分部分组成。组成。 图4.2 挤出模结构 1 管材； 2定型模；3口模； 4芯棒; 5调节螺钉； 6分流器；7分流器支架；8机头体；9多孔板；10加热器 口模口模3用来成型塑料制件的外表面，用来成型塑料制件的外表面，芯棒芯棒4用来成型塑件的内表面。所以口模用来成型塑件的内表面。所以口模和芯棒的成型部分决定了塑料制件的横和芯棒的成型部分决定了塑料制件的横截面形状。截面形状。 多孔板多孔板9位于挤出机与机头之间，其作位于挤出机与机头之间，其作用是将塑料熔体由螺旋运动变为直线运动，用是将塑料熔体由螺旋运动变为直线运动，并起到过滤杂质的作用。为了进一步加强并起到过滤杂质的作用。为了进一步加强过滤作用，可在多孔板上设置孔眼更加细过滤作用，可在多孔板上设置孔眼更加细蜜的过滤网，增加挤出压力，使塑件更加蜜的过滤网，增加挤出压力，使塑件更加密实。密实。 分流器分流器6又称鱼雷头，塑料熔体通过又称鱼雷头，塑料熔体通过分流器被分为薄环状以平稳地进入成型分流器被分为薄环状以平稳地进入成型区，以便进一步加热和塑化。分流器支区，以便进一步加热和塑化。分流器支架架7主要用来支承分流器和芯棒，同时也主要用来支承分流器和芯棒，同时也能对分流后的塑料熔体加强搅拌。能对分流后的塑料熔体加强搅拌。 机头体机头体8相当于模架，作用是用来组装相当于模架，作用是用来组装机头各零件并与挤出机连接。机头各零件并与挤出机连接。 为了保证塑料熔体在机头中正常流动为了保证塑料熔体在机头中正常流动及挤出成型质量，机头上设置有可以加热及挤出成型质量，机头上设置有可以加热的温度调节系统，如图的温度调节系统，如图4.2中所示的加热器中所示的加热器10。 调节螺钉调节螺钉5用来调节口模与芯棒之间的用来调节口模与芯棒之间的间隙，保证制品的壁厚均匀。间隙，保证制品的壁厚均匀。 定型模定型模2可以对塑料制品进行冷却和定可以对塑料制品进行冷却和定型，以使塑件获得良好的表面质量、准确型，以使塑件获得良好的表面质量、准确的尺寸和几何形状。的尺寸和几何形状。 管材挤出机头主要用来成型连续的管管材挤出机头主要用来成型连续的管状塑件。管材机头适用的挤出机螺杆长径状塑件。管材机头适用的挤出机螺杆长径比（即螺杆长度与其直径之比）比（即螺杆长度与其直径之比）i=1525，螺杆转速螺杆转速n=1035r/min。常用的管材挤出。常用的管材挤出机头结构有直通式、直角式和旁侧式三种机头结构有直通式、直角式和旁侧式三种形式形式 。 直通式挤管机头如图直通式挤管机头如图4.2所示，其结构所示，其结构简单，容易制造，是最常用的机头。分流简单，容易制造，是最常用的机头。分流器和分流器支架设计成一体，装卸方便。器和分流器支架设计成一体，装卸方便。但塑料熔体经过分流器支架时，产生几条但塑料熔体经过分流器支架时，产生几条分流痕，难以消除。分流痕，难以消除。 直通式挤管机头，主要用来挤出薄壁直通式挤管机头，主要用来挤出薄壁管材，适用于软硬聚氯乙烯、聚乙烯、尼管材，适用于软硬聚氯乙烯、聚乙烯、尼龙、聚碳酸酯等塑料管材的成型。龙、聚碳酸酯等塑料管材的成型。 直角式挤管机头如图直角式挤管机头如图4.3所示，机头内所示，机头内的熔料挤出方向与挤出机螺杆轴线方向成的熔料挤出方向与挤出机螺杆轴线方向成90o角。用于内径定径的场合，冷却水从芯角。用于内径定径的场合，冷却水从芯棒棒3中通过。成型时塑料熔体包围芯棒并产中通过。成型时塑料熔体包围芯棒并产生一条熔接痕。熔体的流动阻力小，成型生一条熔接痕。熔体的流动阻力小，成型质量高。但机头结构复杂，制造困难。质量高。但机头结构复杂，制造困难。4.3 直角式挤管机头1口模； 2调节螺钉； 3芯棒； 4机头体； 5连接管 旁侧式挤管机头如图旁侧式挤管机头如图4.4所示，与直角所示，与直角式挤管机头相似。优点是加强了熔料塑化，式挤管机头相似。优点是加强了熔料塑化，提高了产品质量，适用于生产大口径管材。提高了产品质量，适用于生产大口径管材。缺点是结构复杂，制造困难，模具成本高。缺点是结构复杂，制造困难，模具成本高。图4.4 旁侧式挤管机头1、12温度计插孔； 2口模； 3芯棒； 4、7电热器； 5调节螺钉；6机头体； 8、10熔料测温孔； 9机头体； 11芯棒加热器 棒材主要指实心的具有一定规则形状棒材主要指实心的具有一定规则形状的型材，如圆形、方形、三角形、菱形和的型材，如圆形、方形、三角形、菱形和多边形等。棒材挤出机头结构比较简单，多边形等。棒材挤出机头结构比较简单，机头流道光滑呈流线型，一般流道中不必机头流道光滑呈流线型，一般流道中不必有分流措施。棒材挤出机头的典型结构如有分流措施。棒材挤出机头的典型结构如图图4.5所示。所示。 图4.5 棒材挤出机头的典型结构1口模； 2连接套； 3加热圈； 4机头体； 5多孔板； 6、7法兰盘； 8螺杆； 9料筒 凡是成型段横截面具有平行缝隙特征凡是成型段横截面具有平行缝隙特征的机头，为板材与片材挤出机头。主要用的机头，为板材与片材挤出机头。主要用于板材、片材和薄膜的成型。常见的板材于板材、片材和薄膜的成型。常见的板材与片材挤出机头有鱼尾式机头、支管式机与片材挤出机头有鱼尾式机头、支管式机头和螺杆式机头等。头和螺杆式机头等。 鱼尾式机头其模腔似鱼尾状。塑料熔鱼尾式机头其模腔似鱼尾状。塑料熔体从机头中部进入模腔，向两侧分流。体从机头中部进入模腔，向两侧分流。 鱼尾式机头结构简单，制造容易，适鱼尾式机头结构简单，制造容易，适合于多种塑料的挤出成型。所生产的板材合于多种塑料的挤出成型。所生产的板材宽度小于宽度小于500mm，厚度为，厚度为13mm。 这种机头的型腔呈管状，从挤出机挤这种机头的型腔呈管状，从挤出机挤出的熔体先进入歧管中，然后通过歧管经出的熔体先进入歧管中，然后通过歧管经模唇间的缝隙流出成型板材。模唇间的缝隙流出成型板材。 螺杆式机头实际上是支管机头的一种，螺杆式机头实际上是支管机头的一种，只是在歧管内装有分配螺杆。通过分配螺只是在歧管内装有分配螺杆。通过分配螺杆的转动，迫使塑料熔体沿机头幅宽均匀杆的转动，迫使塑料熔体沿机头幅宽均匀挤出，获得厚度均匀的板材。机头温度容挤出，获得厚度均匀的板材。机头温度容易控制，适用于加工热稳定性差的塑料，易控制，适用于加工热稳定性差的塑料，可生产宽幅制品，最宽可达可生产宽幅制品，最宽可达4000mm。其。其缺点是由于分配螺杆的转动，挤出制品易缺点是由于分配螺杆的转动，挤出制品易出现波浪形流痕。机头结构复杂，成本较出现波浪形流痕。机头结构复杂，成本较高。高。 4.4.1 机头的设计原则机头的设计原则 （1）内腔呈流线型）内腔呈流线型 （2）成型部分要有足够的长度）成型部分要有足够的长度 （3）选材合理）选材合理（4）形成一定的压缩比）形成一定的压缩比 （5）结构紧凑，装拆方便）结构紧凑，装拆方便 管材挤出机头的设计，主要确定机头管材挤出机头的设计，主要确定机头内口模、芯棒、分流器和分流器支架的形内口模、芯棒、分流器和分流器支架的形状和尺寸。在设计管材挤出机头时，须有状和尺寸。在设计管材挤出机头时，须有已知的数据，包括：挤出机的出口直径，已知的数据，包括：挤出机的出口直径，塑料制品的内径、外径，制品所用的材料塑料制品的内径、外径，制品所用的材料等。等。（1）口模内径）口模内径dKDd 式中 d口模内径（mm）； D管材外径（mm）；K补偿系数 （2）口模定型段长度）口模定型段长度L1 口模和芯棒的平直部分的长度称为定口模和芯棒的平直部分的长度称为定型段长度。型段长度。 按管材外径计算：按管材外径计算：L1=（0.53）D 按管材壁厚计算：按管材壁厚计算：L1=nt （1）芯棒的外径：）芯棒的外径：D=d-2 （2）定型段长度：等于或略大于口模的定）定型段长度：等于或略大于口模的定型段长度型段长度L1 （3）压缩段长度）压缩段长度L2：L2=（1.52.5）d （4）芯棒收缩角）芯棒收缩角： 低黏度塑料：低黏度塑料： =4560； 高黏度塑料：高黏度塑料： =3050；（1）分流器的扩张角）分流器的扩张角： 对于低黏度塑料：对于低黏度塑料： =4580； 对于高黏度塑料：对于高黏度塑料： =3060；（2）分流器长度）分流器长度L3：L3=（11.5）D （3）分流器尖角处圆弧半径）分流器尖角处圆弧半径R： R=0.52 mm（4）分流器表面粗糙度：）分流器表面粗糙度：Ra0.40.2 （1）拉伸比：）拉伸比：（2）压缩比）压缩比 对于低黏度塑料：对于低黏度塑料： =410； 对于高黏度塑料：对于高黏度塑料： =2.56.0 22212221ddDDI 管材被挤出口模时，还具有相当高的管材被挤出口模时，还具有相当高的温度，没有足够的强度和刚度来承受自重温度，没有足够的强度和刚度来承受自重和变形。为了使管材获得良好的表面粗糙和变形。为了使管材获得良好的表面粗糙度、准确的尺寸和几何形状，管材离开口度、准确的尺寸和几何形状，管材离开口模时，必须立即进行定径和冷却。模时，必须立即进行定径和冷却。 管材的定径和冷却由定型模来完成。管材的定径和冷却由定型模来完成。 （1）内压法外定径）内压法外定径（2）真空法外定径）真空法外定径 内径定径的定型模沿其长度方向应带内径定径的定型模沿其长度方向应带有一定的锥度，一般在有一定的锥度，一般在0.6 1001.0 100之间选取。定型模的长度根据管材壁厚和之间选取。定型模的长度根据管材壁厚和牵引速度而定，一般取牵引速度而定，一般取80300mm。 塑料挤出成型所用的设备为挤出机。塑料挤出成型所用的设备为挤出机。一般分为单螺杆挤出机和双螺杆挤出机两一般分为单螺杆挤出机和双螺杆挤出机两种种 。 挤出机的工作原理是：螺杆在料筒内挤出机的工作原理是：螺杆在料筒内转动，料被不断的推动压实，料在强力剪转动，料被不断的推动压实，料在强力剪切、摩擦以及外加热器的作用下，逐渐熔切、摩擦以及外加热器的作用下，逐渐熔化并均匀后，以一定的压力和流量从机头化并均匀后，以一定的压力和流量从机头中挤出。中挤出。 料筒和螺杆承担着塑料的塑化和加压料筒和螺杆承担着塑料的塑化和加压的任务。挤出时料筒内的压力可达的任务。挤出时料筒内的压力可达55MPa，工作温度一般为工作温度一般为180250oC。料筒外部设。料筒外部设有分区加热和冷却装置，料筒与机头之间有分区加热和冷却装置，料筒与机头之间设有多孔板。设有多孔板。 螺杆是挤出机的关键部件。挤出机的螺杆是挤出机的关键部件。挤出机的挤出产量、熔体温度、熔体均匀性和功率挤出产量、熔体温度、熔体均匀性和功率消耗等主要取决于螺杆结构。消耗等主要取决于螺杆结构。 螺杆工作部分可分为加料段、压缩段螺杆工作部分可分为加料段、压缩段和均化段。和均化段。 挤出机的参数主要有螺杆直径、螺杆挤出机的参数主要有螺杆直径、螺杆转数、螺杆的长径比、电动机功率等。转数、螺杆的长径比、电动机功率等。 (1) 螺纹式连接螺纹式连接(2) 螺钉式连接螺钉式连接(3) 卡箍式连接卡箍式连接