第五章 挤出机头设计及制造

第五章挤出机头设计及制造第一节挤出成型模具的分类及作用一、挤出成型模具包括两部分:机头和定型模｡1.机头的作用机头是挤出塑料制件成型的主要部件,它使来自挤出机的熔融塑料由螺旋运动变为直线运动,并进一步化,产生必要的成型压力,保证塑件密实,从而获得截面形状一致的连续型材。2.定型模的作用通常采用冷却､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,并对其进行精整,从而得到截面尺寸更为精确､表面更为光亮的塑料制件｡3.机头的分类(1)按挤出成型的塑料制件分类：通常的挤出成型塑件有管材､棒材､板材､片材､网材、单丝､粒料､各种异型材､吹塑薄膜､电线电缆等｡(2)按制品出口方向分类：可分为直向机头和横向机头,直向机头内料流方向与挤出机螺杆轴向一致,如硬管机头;横向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(料流压力小于4MPa)､中压机头(料流压力为4—1OMPa)和高压机头(料流压力大于1OMPa).二、挤出成型模具的结构组成以典型的管材挤出成型机头为例,如图5-1所示,挤出成型模具的结构可分为以下几个主要部分｡图5-1管材挤出成型机头1-管道2-定径管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-过滤板10､11-电加热图(加热图)1.口模和芯模口模3是用来成型塑件的外表面的,芯棒4用来成型塑件的内表面的,所以口模和芯模决定了塑件的截面形状｡2.过滤网和过滤板过滤网9的作用是将塑料熔体由螺旋运动转变为直线运动,过滤杂质,并形成一定的压力;过滤板又称多孔板,同时还起支承过滤网的作用｡3.分流器和分流器支架分流器6(又称鱼雷头)使通过它的塑料熔体分流变成薄环状以平稳地进入成型区,同时进一步加热和塑化;分流器支架7主要用来支承分流器及芯棒,同时也能对分流后的塑料熔体加强剪切混合作用,但产生的熔接痕影响塑件强度｡小型机头的分流器与其支架可设计成一个整体｡4.机头体机头体8相当于模架,用来组装并支承机头的各零件｡机头体需与挤出机筒连接,连接处应密封以防塑料熔体泄漏｡5.温度调节系统为了保证塑料熔体在机头中正常流动及挤出成型质量,机头上一般设有可以加热的温度调节系统,如图5-1所示的电加热圈10､11｡6.调节螺钉图5-1所示调节螺钉5用来调节控制成型区内口模与芯棒间的环隙及同轴度,以保证挤出塑件壁厚均匀｡7.定型模离开成型区后的塑料熔体虽已具有给定的截面形状,但因其温度仍较高不能抵抗自重变形,为此需要用径套2对其进行冷却定型,以使塑件获得良好的表面质量､准确的尺寸和几何形状｡三、挤出机头设计原则1.内腔呈流线型为了使塑料熔体能沿着机头中的流道均匀平稳地流动而顺利挤出，机头的内腔应呈光滑的流线型，表面粗糙度应小于1.6－3.2120°1212m.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.正确的截面形状和尺寸由于塑料的物理性能和压力、温度等因素引起的离模膨胀效应，及由于牵引作用引起的收缩效应使得机头的成型区截面形状和尺寸并非塑件所要求的截面形状和尺寸，因此设计时，要对口模进行适当的形状和尺寸补偿，合理确定流道尺寸，控制口模成型长度，获得正确的截面形状及尺寸。4.合理的选择材料机头内的流道与流动的塑料熔体相接触，磨损较大；有的塑料在高温成型过程中还会产生化学气体，腐蚀流道。因此为提高机头的使用寿命，机头材料应选择耐磨、耐腐蚀、硬度高的钢材或合金钢。第二节管材挤出机设计一、常用管材挤出机头结构常用的管材挤出机头结构有直通式、直角式和旁侧式三种形式.1.直通式挤管机头图5-1及图5-2所示机头主要用于挤出薄壁管材，其结构简单，容易制造。图5-2所示直通式挤管机头适用于挤出小管，分流器和分流器支架设计成一体，装卸方便。塑料熔体经过分流器支架时，产生几条熔接痕，不易消除。直通式挤管机头适用于挤出成型软硬聚氯乙烯、聚乙烯、尼龙、聚碳酸酯等塑料管材。2.直角式挤管机头如图5-3所示。其用于内径定径的场合，冷却水从芯棒3中穿过。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，成型质量较高。但机头结构复杂，制造困难。图5－2直通式挤管机头图5－3直角式挤管机头1－芯棒2－口模3－调节螺钉1－口模2－调节螺钉3－芯棒4－分流器支架5－分流器6－加热器7－机头体4－机头体5－连接管3.旁侧式挤管机头如图5-4所示。其与直角式挤管机头相似，其结构更复杂，制造更困难。图5－4旁侧式管挤管机头1－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11－芯棒加热器三种机头的特征见表5-3。表5-3三种机头的特征机头类型项目特征直通式直角式旁侧式挤出口径适用于小口径管材大小均可大小均可机头结构简单复杂更复杂挤管方向与螺杆轴线一致与螺杆轴线垂直与螺杆轴线一致分流器支架有无无芯棒加热较困难容易容易定型长度应该长不宜过长不宜过长二、工艺参数的确定主要确定口模、芯棒、分流器和分流器支架的形状和尺寸,在设计挤管机头时，需有已知的数据，包括挤出机型号、制品的内径、外径及制品所用的材料等.1.口模口模是用于成型管子外表面的成型零件。在设计管材模时，口模的主要尺寸为口模的内径和定型段的长度。如图5-1所示.(1)口模的内径D口模内径的尺寸不等于管材的外径的尺寸，因为挤出的管材在脱离口模后，由于压力突然降低，体积膨胀，使管径增大，此种现象为巴鲁斯效应。也可能由于牵引和冷却收缩而使管径缩小。膨胀或收缩都与塑料的性质、口模的温度、压力以及定径套的结构有关。D=d/k（5-1）式中D－口模的内径(mm)。D－管材的外径（mm）K－补偿系数，见表5-4表5-4补偿系数k值塑料种类定径套定管材内径定径套定管材外径聚氯乙烯（PVC）-0.95-1.05聚乙烯（PE）1.05-1.10-聚烯烃1.20-1.300.90-1.05(2)定型段长度L1口模和芯模的平直部分的长度称为定型段，如图5-1中L1所示.a、按管材外径计算:见式（5-2）L1=（0.5—3）D（5-2）通常当管子直径较大时定型长度取小值，因为此时管子的被定型面积较大，阻力较大，反之就取大值。同时考虑到塑料的性质，一般挤软管取大值，挤硬管取小值。b、按管材壁厚计算：见式（5-3）。L1=nt(5-3)式中t一管材壁厚(mm)；n一系数,见表5-5。表5-5口模定型段长度与壁厚关系系数塑料品种硬聚氯乙烯（HPVC）软聚氯乙烯（SPVC）聚酰胺（PA）聚乙烯（PE）聚丙烯（PP）系数n18－3315－2513－2214－2214－222.芯棒芯棒是用于成型管子内表面的成型零件。一般芯棒与分流器之间用螺纹连接。其结构如图5-1中4所示。芯棒的结构应利于物料流动，利于消除接合线，容易制造。其主要尺寸为：芯棒外径、压缩段长度和压缩角。(1)芯棒的外径芯棒的外径由管材的内径决定，但由于与口模结构设计同样的原因，即离模膨胀和冷却收缩效应，所以芯棒外径的尺寸不等于管材内径尺寸。根据生产经验，可按式(5-4)计算：d=D-2e（5-4）式中d一芯棒的外径(mm)；D一口模的内径(mm)；e一口模与芯棒的单边间隙(mm)，e=(0.83－0.94)tt一材料壁厚(mm)。(2)定型段、压缩段和收缩角塑料经过分流器支架后，先经过一定的收缩。为使多股料很好地会合，压缩段L2与口模口相应的锥面部分构成塑料熔体的压缩区，使进入定型区之前的塑料熔体的分流痕迹被熔合消去.a、芯棒定型段的长度与L,相等或稍长。b、L2可按下面经验公式计算：L2=（1.5－2.5）D0（5-5）式中L2一芯棒的压缩段长度(mm)；D0一塑料熔体在过滤板出口处的流道直径(mm)。c、芯模收缩角：低粘度塑料=45°－60°高粘度塑料=30°－50°三、分流器和分流器支架1.分流器图5-5所示为分流器和分流器支架的结构图，塑料通过分流器，使料层变薄，这样便于均匀加热，以利于塑料进一步塑化，大型挤出机的分流器中还设有加热装置。aαR压缩空气AA-A放大aA图5-5分流器和分流器支架的结构图(1)分流锥的角度(扩张角)：低粘度塑料=30°-80°高粘度塑料=30°-60°扩张角收缩角过大时料流的流动阻力大,熔体易过热分解;过小时不利于机头对其内的塑料熔休均匀加热,机头体积也会增大｡(2)分流锥长度L5可按式(5-6)计算：L5=（1－1.5）D0(5-6)式中D0一头于过滤板相连处的流道直径(mm)，如图5-6所示。(3)分流锥尖角处圆弧半径R：R=(0.5－2)mmR不易过大，否则熔体容易在此处发生滞留。(4)分流器表面粗糙度RaRa＜0.4－0.2m(5)栅板与分流锥顶间隔L6L6=(10－20)mm或L5＜0.1D1式中D1一杆直径，如图5-8所示。L5过小料流不均，过大则停料时间长。(6)分流器支架主要用于支承分流器及芯棒。支架上的分流肋应作成流线型，在满足强度要求的条件下，其宽度和长度尽可能小些，以减少阻力。出料端角度应小于进料端角度，分流时应可能少些，以免产生过多的熔接痕。一般小型机头3根,中型的4根,大型的6－8根，如图5-8所示。0图5－6分流器和过滤板的相对位置1－分流器2－螺杆3－过滤板2.拉伸比和压缩比拉伸比和压缩比是与口模和芯棒尺寸相关的工艺参数。根据管材断面尺寸确定口模环隙截面尺时，一般尚凭拉伸比确定。(1)拉伸比I所谓管材的拉伸比是口模和芯棒的环隙截面积与管材成型后的截面积之比，其计算公式如下：5~60.2~0.30.2~0.34~80.2~0.30.2~0.3(5-7)式中I一拉伸比；D1一口模内径(mm)；D2一芯棒外径(mm)；d1一塑料管材的外径(mm)；d2一塑料管材的内径(mm)。表5－6常用塑料的挤管拉伸比塑料品种硬聚氯乙烯(HPVC)软聚氯乙烯(SPVC)ABS高压聚乙烯(PE)低压聚乙烯(PE)聚酰胺(PA)聚碳酸酯(PC)拉伸比1.00-1.081.10-1.351.00-1.101.20-1.501.10-1.201.40-3.000.90-1.05挤出时拉伸比较大有如下优点：经过牵引的管材，可明显提高其力学性能；在生产过程中变更管材规格时，一般不需要拆装芯棒、口模；在加工某些容易产生熔体破裂现象的塑料时，用较大的芯棒、口模可以生产小规格的管材，既不产生熔体破裂又提高了产量。(2)压缩比所谓管材的压缩比是机头和多孔板相接处最大进料截面积与口模和芯棒的环隙截面积之比，反映出塑料熔体的压实程度。低粘度塑料=4－10高粘度塑料=2.5－6.0四、管材的定径和冷却管材被挤出口模时，还具有相当高的温度，没有足够的强度和刚度来承受自重和变形，为了使管子获得较细的表面粗糙度、准确的尺寸和几何形状，管子离开口模时，必须立即定径和冷却，由定径套来完成。经过定径套定径和初步冷却后的管子进入水槽继续冷却，管子离开水槽时已经完全定型。一般用外径定径和内径定径两种方法。1.外径定径如果管材外径尺寸精度要求高，使用外径定径。外径定径是使管子和定径套内壁相接触，为此，常用内部加压或在管子外壁抽真空的方法来实现，因而外径定径又分为内压法和真空法。(1)内压法外定径图5－7所示为在管子内部通入压缩空气预热，保持压力约为(0.02－0.1MPa)，可用浮塞堵住防止漏气，浮塞用绳索系于芯模上。定径套的内径和长度一般根据经验和管材直径来确定，见表5-7。冷却水出口冷却水入口图5－7内压法外定径1－芯棒2－口模3－定径管表5-7内压外定径套尺寸（mm）材料定径套的内径定径套的长度PE、PPPVC(1.02－1.04）Ds（1.00－1.02）Ds10Ds10Ds注：Ds一管材的公称直径。当管材直径Ds=40mm时，定径套的长度L10Dz，定径套的内径d0.8％－1.2％Ds当管材直径Ds100mm时，定径套的长度L=3－5Ds，设计定径套的内径时，其尺寸不得小于口模内径。(2)真空法外定径如图5－8所示。在离开挤出机头与口模的软性管材外壁和定型套内壁之间抽取真空，以此产生一