塑料门窗异型材生产线及口模设计.docx

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塑料门窗异型材生产线及口模设计

年产8000吨塑料门窗异型材生产线

及80型推拉框口模设计

摘要

塑料门窗具有传统门窗难以比拟的优异性能，是国家建设部推广使用的节能、环保型产品。

目前已广泛用于各种建筑工程中，其发展空间很大，前景十分看好。

本设计即为U-PVC塑料门窗生产线设计。

设计包含两部分内容，一是年产8000吨塑料门窗异型材生产线设计，二是80型推拉框挤出口模的设计。

生产线的设计包括总体方案的制定、产品配方的设计、物料衡算、生产线设备的选择、生产工艺的设计等几部分内容。

口模的设计包括80型推拉框横截面的设计和80型推拉框口模的设计。

其中，配方设计、混料工艺设计和型材挤出质量的控制是异型材产品具有良好的质量和性能的重要保障，也是本设计的重点。

关键词：

塑料异型材，推拉框，挤出工艺，挤出模

Designontheproductionlinesof8,000tons/aplasticdoorandwindowprofilesandthedieof80slidingsash

Abstract

Plasticdoorsandwindowshasexcellentperformancethattraditionaldoorsandwindowsdifficulttocompare.Itissoenergy-savingandenvironment-friendlyastobecomingtheproductthatministryofourconstructionpromotesit’suse.Forthepresent,plasticdoorsandwindowshasbeenwidelyusedinallkindsofarchitecturalengineering,ithasabrightfuture.ThisisadesignontheU-PVCplasticdoorandwindowproductiveline.Thedesigncontainstwopartsofcontent.Apartisthedesignonproductivelinesthatcanproduceabout8,000tons/yearplasticdoorandwindowprofiles;theotherisaboutthedesignonthedieof80slidingsash.Thedesignonproductivelinescontainsdevelopmentofoverallprogram,designonproductformula,materialbalance,equipmentselectionofproductivelines,designonproductionprocess,andsoon.Thedesignonthediecontainsdesignoncrosssectionof80slidingsashanddesignonthedieof80slidingsash.Inordertoobtainprofileproductswithgoodqualityandperformance,thedesignonformula,designonmixingprocessandqualitycontrolofprofileextrusionareveryimportant,andtheyarethefocusofthisdesignaswell.

Keywords:

plasticprofile,slidingsash,extrusionprocess,extrusiondie

第1章概述

1.1塑料门窗异型材概述

许多聚合物可以通过挤出成型工艺制成横向截面为非圆形、环形等常规形状的各种复杂形状的连续型体，通常称这种连续型材为塑料异型材。

塑料异型材可以通过塑料挤出机由挤出工艺生产，其制品具有外观色泽鲜艳，光亮平滑，不需要油漆涂饰，耐腐蚀等特点。

可以通过改变挤出机机头的形状，生产多种截面形状复杂的异型材制品[1]。

近年来，塑料异型材在建筑、家具、电器、汽车等领域得到了广泛的应用，尤其在建筑业中用途最广，可用作塑料门窗框、门板、楼梯扶手、壁材、隔墙、屏风、线槽、地板条、密封条等建筑材料。

其中，塑料门窗是塑料建材众多品种中的佼佼者，它是继木门窗、钢门窗、铝合金门窗之后的第四代新型建筑门窗，是人们至今寻觅到的较理想的门窗材料[1]。

塑料门窗异型材是以聚合物树脂为主，以各种助剂和增强材料为辅制成的一类新型材质的门窗。

塑料门窗按材质可分为塑料包覆门窗（喷塑门窗）、组合塑料门窗和全塑门窗三大类。

其中，全塑门窗是目前发展最快、技术最成熟、用量最大的一类，是塑料门窗发展的主流产品。

全塑门窗是完全以塑料材料制造而成的，主要以由挤出成型的改性硬质聚氯乙烯（PVC-U）塑料中空异型材组装而成的塑料门窗为主[1]。

1.2硬聚氯乙烯塑料门窗的发展与现状

1.2.1硬聚氯乙烯塑料门窗的性能和特点

1.2.1.1硬聚氯乙烯塑料门窗的主要性能

（1）隔热、保温性

隔热、保温是塑料门窗的突出优点。

原因是PVC-U塑料热导率极低，仅为钢材的1/4-1/5，铝材的1/4-1/3；塑料窗异型材多为多腔室中空断面结构，各封闭的空气腔室进一步改善了它的热性能；型材侧面带有嵌固弹性密封条的凹槽，在此嵌装密封条，使成窗缝隙热的渗透量大大降低。

由于上述原因，塑料窗框的隔热效果远远优于铝、钢、木窗[2]。

（2）物理性能

塑料门窗的物理性能主要包括抗风压强度、空气渗透性（气密性）、雨水渗透性（水密性）、保温及隔声等性能。

由于PVC-U材料的优良性能，塑料异型材具有的独特的多腔结构，精湛的挤出、组装工艺，以及通过嵌入钢质加强筋进行补强，使得塑料门窗具有一系列优良性能[2]。

（3）耐候性能

通过优化配方、添加紫外光屏蔽剂和吸收剂，以阻止阳光中紫外线对门窗的老化破坏作用，大大提高了PVC-U塑料窗的使用寿命[2]。

（4）燃烧性能

PVC-U塑料不助燃、不自燃、燃烧后能自熄，安全可靠。

其氧指数通常大于40%，防火的安全性高于木门窗。

但PVC-U型材燃烧时会变软，释放出的氯化氢会使人感到很强的窒息性气味[2]。

（5）耐腐蚀性

PVC-U塑料有极好的化学稳定性和耐腐蚀性，不受任何酸、碱、盐雾、雨水的浸蚀，也不会因潮湿和雨水的浸泡而变形、溶胀[2]。

1.2.1.2硬聚氯乙烯塑料门窗的特点

塑料异型材子诞生以来得到了快速的发展和应用，尤其近年来在建筑门窗领域的应用非常广泛，这一切预与其独特的性能特点是分不开的。

塑料异型材的主要特点如下：

（1）轻质塑料异型材的密度在1.5g/cm3以下，个别的甚至只有0.9g/cm3。

因此，其轻质的特点使其在建筑、汽车等领域的应用具有突出的优势。

（2）环保塑料产品具有可回收再利用的特点，对于减少资源消耗具有重要的现实意义，是国家提倡的节能环保材料，符合当今世界发展潮流。

（3）节能塑料异型材不但生产能耗低，为钢材的1/5，铝材的1/8，而且绝热性、气密性、水密性、隔音性等极佳。

因此，在当今全球能源危机问题日益严重的今天，合理使用塑料异型材显得尤为重要。

（4）美观、耐用塑料异型材与铝材相比，具有色彩丰富、表面形式多样的优点。

另外，塑料异型材本身的耐腐蚀特性使其具有防水耐油、历久如新的优点。

（5）成本低塑料异型材密度小，单位质量的价格低于铝型材；且具有一定的弹性，运输、堆放过程中因变形而产生的损耗较小。

另外，塑料异型材在安装时多采用扣、粘等安装形式，施工简便快捷，大大降低了安装成本。

（6）开发周期短塑料异型材从产品设计到样品生产，一般只需3～20天的时间。

而且，塑料异型材还可以进行二次加工以满足使用过程中各种线型的需要。

目前，世界上已开发出的众多异型材制品当中，以塑料门窗应用为最，而PVC门窗异型材在其中又占据了主导地位，约为塑料门窗总量的90%以上[1]。

1.2.2硬聚氯乙烯塑料门窗的发展历史

PVC-U塑料门窗在20世纪50年代中期由前联邦德国首先开发成功。

1955年DynamitNobel公司生产出PVC窗框异型材，Hoechst公司也研制成功PVC窗框，并于1959年在联邦德国杜塞尔多夫举行的世界塑料展览会上，展出了他们的PVC塑料窗框样品，从此后开始安装试用。

但由于当时人们对塑料窗认识不足，没有专用的原材料及加工设备，致使塑料窗的发展也经历了艰难的历程。

直至20世纪70年代以后，由于节能的需要，前联邦德国政府对塑料窗的发展给予了强有力的经济支持并出台了一系列推广使用塑料窗的优惠政策。

在此推动下，德国的塑料门窗工业得到了迅速发展，使其成为世界上开发最早、发展速度最快、使用量最大的国家。

总结欧洲塑料门窗的发展，大体经历了如下四个阶段：

①用塑料外包覆钢架或木框，实际上只起到了对芯材的防腐蚀作用。

②用PVC混合料挤出单腔室异型材制造的塑料窗，这中窗承受风压的能力和耐热变形性能都存在一定问题。

③挤出的PVC-U异型材（内部有塑料加强筋）为多腔室异型材，虽然其耐热变形性得到提高，但当承受较强的风压时仍存在一定问题，只能用作小面积窗体。

④挤出的多腔室PVC-U异型材内衬金属加强筋制成的整体窗，即目前各国通用的塑料窗。

第四代塑料窗的开发成功，解决了PVC-U塑料门窗生产的一系列技术工艺问题。

此后，确定了技术标准；安装施工技术规范；异型材有了专用原料和专用生产设备；小五金等配件不断改进完善；安装施工有了专用工具，塑料窗逐渐得到了人们的认可和欢迎。

目前，塑料门窗在德国已经形成了规模巨大、标准完善、技术成熟、高度发达的现代化产业。

塑料门窗因其有独特的节能、隔热、隔音和防腐的优点，在欧洲迅速推广应用。

随之，塑料门窗工艺技术和产品性能得到不断的改进和提高。

与此相适应，塑料异型材挤出机、挤出模具、混合设备、门窗组装设备也应运而生，不断发展。

同时，塑料门窗配套产品的生产也获得长足进步。

塑料门窗产品标准和配套标准相继制定、发布和实施，由此，以联邦德国、奥地利为首的欧洲塑料门窗形成了一个完整的体系。

20世纪80年代我国开始引进制造塑料门窗的设备和技术。

追溯我国开发塑料吗产品的根源，主要有以下三点。

首先，20世纪70年代末至80年代初期，我国PVC原料大量积压，价格很低，主要原因是没有足够的产品来消耗，因而当时急需开发、研制出可大量使用PVC原料的产品。

所以，经国内部分专家及技术人员赴国外考察和认真论证后，选定了PVC门窗这一具有发展潜力的产品。

其次，当时人们已开始具有环保意识，“以塑代钢、以塑代木”的口号就是当时提出来的，作为新生的高科技产品，塑料门窗异型材具有很强的生命力。

最后，众所周知，由于钢、木、铝门窗的保温、密封效果远不及塑钢门窗，因而使用塑钢门窗可以大量节约能源，符合国家大力提倡的节能号召，因此开发塑钢门窗就是大势所趋，更符合当时我国发展战略的总体规划。

基于以上三点基本原因，塑料门窗于1980年被正式列入国家“六五”重大科技攻关项目，并于1989年成立了塑料异型材及门窗制品专业委员会。

从1994年起全国化学建材发展开始进入了推广应用阶段，中国塑协及其专委会曾多次召开塑料异型材及门窗制品的生产技术交流会和产品推广应用会。

国家产业扶植政策力度的加大、从业人员的专业知识和技术水平的提高、国家扩大内需的需要，以及作为建筑业支柱行业之一的化学建材的持续高速发展等，对塑料门窗的数量、品种、规格、性能不断提出更多、更高的要求。

我国塑料行业不失时机的抓住这一难得机遇，促使我国塑料异型材和门窗行业不断上规模、上水平，在过去的20多年中得到了飞跃性的发展[1,2]。

1.2.3塑料门窗异型材的发展趋势

从开始使用到现在聚氯乙烯门窗型材已经有几十年的历史了，用于制造门窗异型材用的原料硬质聚氯乙烯使得型材的颜色几乎全部是白色的。

造成这一事实的主要原因在于除白色以外的其它颜色的聚氯乙烯异型材都很容易发生褪色或变色现象。

显然，这种白色PVC一统天下的现状远远满足不了人们在材料性能和建筑美学等方面的要求。

因此人们始终没有放弃新的聚氯乙烯型材的研究开发工作。

另外，PVC-U异型材生产过程中的粉尘和毒性以及PVC可能存在对环境的潜在危害等问题也不断引起人们的重视。

随着经济的发展和技术的进步，聚氯乙烯以下的发展出现了一些令人高兴的趋势，主要表现在PVC-U异型材的改性研究和制品开发上[1]。

PVC-U异型材的改进主要包括三个方面：

首先是生产彩色（深颜色）的PVC-U异型材；其次是改进配方和生产工艺；第三是改善PVC-U异型材与环境的协调性。

（1）彩色异型材

目前市场上塑料异型材产量虽然很大，但有一个共同点，即均为白色，色调单一，不能适应建筑墙面装饰多样化的要求。

彩色异型材和塑料门窗以其色泽鲜艳、色调丰富、外型美观等优点获得越来越多的青睐，将成为塑料门窗今后一个发展方向。

彩色塑料异型材有多种加工方法。

不同的加工方法，如喷涂、复膜、双色共挤、通体彩色型材等，显示出不同的经济技术水平、档次和效果，且各有优缺点。

中国地域辽阔，各地区的气温与紫外线辐射量及辐射强度差异很大。

究竟采取哪种加工方法生产彩色塑料异型材，一定要根据中国不同地区的气候条件、消费者的经济条件和消费水平来决定。

（2）改进配方和生产工艺

改进配方是保证和提高型材质量的关键。

近年来国内PVC原料价格大幅度上涨，而由于目前市场上塑料门窗供大于求，塑料异型材与门窗价格又一路下滑，大部分生产企业处于亏损状态。

摆在企业面前唯一有效的出路是通过新型高效、低铅、无毒、防菌配方助剂的开发应用，取代原低效、有毒配方助剂，提升产品的性能、文件次，形成不同特色产品，从而在价格上拉开距离，满足不同气候领域、不同档次建筑与消费群体的需求。

在型材挤出技术方面，目前型材生产速度与挤出机本身的技术不相适应，现有的模具是限制生产速度提高的主要因素，因此，型材挤出口模和定型模的设计迫切需要通过计算机模拟来提高质量和降低生产成本。

（3）改善PVC-U异型材与环境的协调性

随着人们对健康和环境问题的日益关注，绿色建材备受人们青睐。

所谓绿色建材是指对人体、周边环境无害的健康型、环保型、安全型的建筑材料。

从广泛含义上讲，绿色建材不是单独的建材品种，而是对建材“健康、环保、安全”的属性的评价。

改善塑料异型材与环境的协调性已日益引起世界各国的重视。

对聚氯乙烯门窗异型材来讲，要求在产品配制或生产过程中不得使用甲醛、卤化物溶剂或芳香族碳氢化合物；产品中不得含有汞及其化合物；不得用铅、镉、铬及其化合物的颜料和添加剂。

目前，美国大多使用有机锡做稳定剂来生产PVC门窗专用异型材。

国内正在开发和研制以有机钡和有机锌做热稳定体系，代替含铅、铜的硬脂酸盐做稳定剂的热稳定体系。

1.3塑料异型材挤出技术

1.3.1塑料异型材挤出技术的现状

（1）挤出机

近年来国外许多公司为了大幅度提高产量，纷纷推出了大直径、大长径比、高扭矩、高产量的平双机型，并设计了更加灵活的结构形式。

但挤出量提高的同时也带来了一系列的相关问题，首先是挤出传动系统和螺杆传动的扭矩需要增加，给挤出机带来了额外的磨损；其次，在产量提高的同时也要保证产品质量，这就要求挤出模具、配套辅机及控制系统与挤出主机同步发展[3]。

为了解决磨损问题，国外各大挤出机制造商采取了各种措施。

德国Battenfeld公司开发的高扭矩、高产量机型，特别设计了一种螺杆结构，据称能使磨损减少30%。

其设计特点为螺杆一定区域内其螺旋角为负值，并延长螺杆出料区的长度。

而奥地利CincinnatiMilacron公司则设计了一种四轴型减速器，将扭矩一分为二，以驱动从动螺杆，并将总扭矩的25%传递给两根附加轴，这样可以保证齿轮的耐久性和可靠性。

德国KraussMaffei公司也着手开发了长径比增加的机型，该公司的新型平双机型采用了单元化设计，除了一个通用的支架和标准化的机筒外，其余部件均可根据需要进行组合。

同时也重新设计了驱动系统，扭矩比以前型号高出50%。

美国Davies-Stand公司新开发的挤出机，重新设计了其齿轮箱，并提高了止推轴承的承载能力[3]。

（2）高速挤出技术

目前，挤出速度呈稳步上升趋势。

目前欧洲的最高水平：

挤出机产量在1500kg/h，主型材一模双腔，挤出速度高于5m/min，最高可达10m/min。

当今双股挤出已很普遍，因为挤出机可以提供足够的产量，因此百叶窗和玻璃压条等小型材几乎都可以双股挤出。

随着模具设计和加工水平的日益提高，料流的分配技术已经成熟，在某些条件下，玻璃压条可以采用四股挤出，百叶窗也可以用八股挤出。

现在主型材也开始逐渐采用双股挤出。

目前KraussMaffei、Cincinnati、Battenfeld、Actual和Greiner等公司都开发了这种多股挤出技术[3]。

（3）共挤出技术

近年来，共挤出技术得到了广泛的应用。

所谓共挤出技术就是在同一模具中将两种不同的材料同时成型的技术。

由于门窗的个性化设计（彩色型材）和绿色设计（回收再利用）的需求，共挤出技术得到了更大的发展。

CincinnatiMilacron和KraussMaffei公司均研制了一种新的共挤出技术，即把原生PVC材料覆盖在用再生PVC材料制造的窗框外面。

在共挤出技术中，挤出机的布置形式很重要，可以并排或星形排放挤出机，对于已建挤出系统，可以采用上述排布形式，也可以将共挤出机骑肩似地安装在主挤出机上。

Greiner公司开发了后共挤出技术，其特点是在定型台上放置一台后共挤出机，在主型材冷却定型后再进行复合共挤[3]。

1.3.2塑料异型材挤出技术的热点及发展方向

异型材挤出技术的发展并未停滞不前,而是不断的飞速向前发展。

新理论、新技术不断出现，推动挤出模设计、制造和调试技术日新月异。

高效率的挤出机、复合共挤技术、模头内流动模拟、定型模冷却分析等一系列新技术，已成为该行业发展的趋势[3]。

（1）共挤出技术

目前，型材表面覆膜、双色共挤、仿木型材在欧洲的应用十分广泛，共挤技术已达到工程应用的程度。

国内在共挤方面的研究尚未成熟，处于摸索阶段。

（2）高速挤出技术

高速挤出是一个全面的系统工程，是从原料配方、混料到挤出机和模具设计及定型、牵引和切割等一系列技术的共同协调发展的综合工程。

这一技术体现了一个国家和地区的塑料异型材挤出模行业的整体水平。

目前在欧洲大约有1000家企业已拥有高质量、高效率的型材挤出技术，主要采用800kg/h挤出量挤出机生产。

（3）挤出模头三维流动模拟仿真

由于挤出模头内的塑料熔体流动更为复杂，巴拉斯效应和出模后的牵引运动以及运动中的拉伸与冷却效应，都进一步增加了预测型材最终形状的复杂性，因而相关理论都不太成熟，还需要进一步改进与深化。

国外，技术领先的公司已拥有较为成熟的软件，但并不作为商业软件出售。

设计思路为，采用三维方法将模具流道切成若干断面，将流道每个断面分割成有限个单元网格，根据材料的流动状况、实际温度，分析流道每个点材料的压力及流动速度。

根据流道内三维压力分布曲线，使整个机头的压力均匀分布、稳定下降，各点流速保持一致，加强了流道设计的合理性。

（4）定型模冷却模拟分析

在国内尚未开展相关工作。

在欧洲，只是有个别厂家自行研制了该方面的软件。

软件是按挤出速度要求，给定水温、压力，将型材在预先设计的定型模内进行冷却过程测试。

分析型材在各型腔断面的冷却情况，各点速度在计算机内用型材断面的颜色进行分区，对冷却速度慢的部位水路进行调整，使气、水路安排更合理。

另外，型材在定型模冷却过程中各断面的尺寸变化率明显表现出来，从而可以准确计算出定型模型腔各断面的尺寸，进一步加大了定型模设计的合理性。

（5）新型挤出材料的研制

在塑料型材的研究和应用领域涉足较早的欧洲国家，又率先推出将木材纤维和塑料结合起来制成的复合型材，并已在诸多方面成功地实现了应用。

国内在该方面未见报道。

（6）挤出机的创新设计

在欧洲，利用低剪切熔融理论和新的高效喂料技术以及将双螺杆挤出的某些理论应用于单螺杆上是未来发展的方向。

（7）温度控制技术

温度控制在近年来也取得了稳定的进步，现在已达到温度可以自调、准确性很高的程度。

随着ISO9000的推广实施，人工智能化已开始使用，工作人员可借助计算机来解决问题、作记录和建立数据库。

当前，欧洲许多厂家已成功地应用该项技术。

第2章设计方案总述

本设计为年产8000吨塑料门窗异型材生产线及80型推拉框口模设计。

设计内容包括生产工艺设计、配方设计、设备的选型与计算、物料衡算和模具设计等。

其中生产工艺设计、配方设计、物料衡算和模具设计将在后面的章节中详细陈述，本章主要进行生产方法、工艺流程和主要设备或系统的粗选。

2.1螺杆挤出机的选择

自20世纪80年代以来，我国塑料异型材、PVC塑料门窗行业发展迅速，拥有了世界第一位的产能规模和应用；原料、助剂、设备、模具、门窗附件等全部上下游产品完成了配套供应国产化的进程；塑料异型材及门窗行业基本掌握了产品的一流制造技术。

随着时代的发展，人们对于塑料门窗有了更多新的更高的要求，相应的PVC异型材挤出技术也有了更高的发展。

目前，双螺杆挤出机正在逐步替代单螺杆挤出机，成为塑料异型材挤出成型的主要机型。

与单螺杆挤出机相比，双螺杆挤出机有很大的优越性[8]：

（1）生产能力大，根据理论计算，在相同螺杆直径下，双螺杆挤出机产量能达到单螺杆挤出机的4倍。

（2）能耗低，双螺杆挤出机的单位能耗仅为单螺杆挤出机的1/3～1/2左右。

（3）产品质量好，且在保证产品强度的条件下，原材料消耗下降约1/5～1/4。

（4）摩擦产生的热量少。

（5）塑料所受的剪切比较均匀。

（6）螺杆输送能力较大，挤出速度比较稳定，塑料在料筒内停留时间按较短。

（7）料筒自洁性能好。

（8）加料容易特别是PVC粉料。

现在，PVC异型材的挤出倾向于粉料直接挤出。

常用挤出机为排气式异向双螺杆挤出机。

异向双螺杆挤出机的显著特点是，它比同向双螺杆挤出机的物料输送能力和挤出能力强，在相同直径下，挤出量比同向挤出机一般高1倍左右。

物料在机内的滞留时间比同向机短，并且剪切发热小，物料分散充分、温差也小，物料温度分布十分均匀。

对加工热敏性塑料十分有利。

因此，它最适宜加工热稳定温度低的聚氯乙烯无毒配方，同时可减少稳定剂用量50%左右，不仅降低成本，而且有利于提高制品的物理性能，特别是冲击强度的提高[8]。

故此，本设计选用排气式异向双螺杆挤出机作为型材挤出主机，不仅有利于提高生产质量，而且省去了单螺杆挤出机造粒工序，既节约能耗，由可以提高生产效率。

2.2混料系统的选择

传统的混料工序是人工称重配料，投入混合机组，混合好的物料人工搬运至挤出机。

这种生产方式适合只有几条线的小工厂，对大型PVC产品生产工厂来说，这种方法缺点很多：

（1）人工配料，易出错。

称重配料是一个机械枯燥的重复动作，工人很容易疲劳，而出现配错料的情况，而当出错后，要么没有发现，要么发现了也不敢向领导汇报，导致产品合格率波动。

（2）劳动强度大，人力成本高。

（3）相关化学原料对操作者的身体健康有危害。

为解决这些问题，发展了电脑自动控制称重、配料、输送的系统解决方案。

自动配混的基本流程为：

自动称重，称重完毕的物料投入混合机组，辅以气力管道输送至挤出机。

与传统的方法相比这种方案的优点是：

（1）由电脑控制的自动配料系统提高了配料的精度和