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塑料挤出模具设计doc9页
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?