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塑料挤出模具设计（doc9页）

第9章挤出模具设计

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

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。

二、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。

一、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四种：

（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。

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。

（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。

（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。

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。

二、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。

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。

（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，以免影响产品质量。

机头进口部分的横截面积与出口部分的横截面积之比（压缩比）至少为2。

但压缩比过大，熔体流动阻力大。

对于聚氯乙烯等塑料，这种压缩比不宜过大。

三、电线电缆包覆机头

裸金属单丝或多股金属芯线上包覆塑料绝缘层的称为电线，一束彼此绝缘的导线上或不规则芯线上包覆塑料绝缘层的称为电缆。

通常用挤压式包覆机头生产电线；用套管式包覆机头生产电缆。

1．挤压式包覆机头

图9-13为挤压式包覆机头。

熔体进入机头体，绕过芯线导向棒，汇集成环状后经口模成型段，最后包覆在芯线上。

由于芯线连续不断地通过导向棒，因而电线生产过程连续地进行。

改变（或更换）口模尺寸、挤出速度、芯线移动速度及移动导向棒轴向位置，都可以改变塑料绝缘层厚度。

图9-13b为口模局部放大图。

其成型段长度L=（1.0～1.5）D，M=（1.0～1.5）D。

这种机头结构简单，调整方便，但芯线与塑料绝缘层同心度不够好。

2．套管式包覆机头

图9-14为套管式包覆机头。

它与挤压式包覆机头不同之处是，挤压式包覆机头是在口模内将塑料包覆在芯线上，而套管式包覆机头则是将塑料挤成管，在口模外靠塑料管收缩包覆在芯线上，有时借助真空使塑料管更紧密地包覆在芯线上。

包覆层厚度随口模与导向棒（芯模）间隙值、挤出速度、芯线移动速度等的变化而变化。

口模定型段长度不宜太长（L＜0.5D），否则，机头背压过大，影响生产率和制品表面质量。

四、异型材挤出成型机头

塑料异形材具有优良的使用性能，用途广泛。

按异形材截面特征分为五大类（图8-15所示）：

1）封闭中空异型材（图8-15a）2）半封闭异型材（图8-15b）

3）开式异型材（图8-15c）4）复合式异型材（图8-15d）

复合异型材有两种，一种是不同塑料或同一种塑料不同颜色共挤复合；另一种是塑料与木材、金属、纤维织物共挤镶嵌复合。

5）实芯异型材（图8-15e）

为使挤出工艺顺利进行和保证制品质量，必须认真设计异型材的结构形状及尺寸。

1．流线形挤出机头

如图9-16所示，这种机头截面变化特征是，从圆形逐渐变为所需要异形截面。

当异型材截面高度小于机筒内径而宽度大于机筒内径时，机头体内腔扩张角α＜70°，收缩角β=25°～50°。

这种挤出机头挤出的制品质量好，但机头加工难度大，成本高。

为了改善加工性，口模和芯模可采用拼合结构，或将机头沿轴线分段后组合而成。

2．板式机头

如图9-17所示，图a为板式机头结构图，图b为制品断面图，从机头圆形截面入口过渡到口模成型段，截面形状呈急剧变化，熔体容易形成局部滞流，引起塑料分解，故这种机头不适于挤出热敏性塑料（如RPVC），而适用于挤出聚烯烃等塑料。

但这种机头结构简单，制造较容易，成本较低。

思考题及习题

1何谓塑料挤出成型？

2挤出成型机头结构由哪几部分组成？

各有哪些作用？

3设计挤出成型机头时应遵循哪些原则？

4管材挤出成型机头有哪些类型？

各有何特点？

用于何种场合？

5常见的管材挤出成型机头的工艺参数主要有哪些？

6管材定径有哪些方法？

怎样确定定径套的尺寸？

7何谓吹塑法？

常用的吹塑膜有哪些类型？

各用于何种塑料？

8电线、电缆挤出成型机头分为哪两种？

各用于何种场合？