挤出成型模具设计

4.2.2 定型模的作用
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 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 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，从而获得截面尺寸更为精确、表 面更为光亮的塑料制件。
挤出成型工艺过程可分为四个阶段: （1） 塑化阶段 （2）挤出成型阶段 （3）冷却定型阶段 （4）塑件的牵引、卷取和切割
4.1.3 挤出成型工艺参数及其选择
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 。
1． 温度
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 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 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 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 温度参数见表4.1。
低黏度塑料： β=45～60； 高黏度塑料： β=30～50；
3. 分流器和分流器支架
（1）分流器的扩张角α： 对于低黏度塑料： α=45～80； 对于高黏度塑料： α=30～60；
（2）分流器长度L3：L3=（1～1.5）D
（3）分流器尖角处圆弧半径R： R=0.5～2 mm
（4）分流器表面粗糙度：Ra＜0.4～0.2
4.3.2 棒材挤出机头的典型结构
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 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 有分流措施。棒材挤出机头的典型结构如 图4.5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；
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 如果机头压力过大将影响产量。
3．挤出速度
挤出速度是单位时间内挤出的塑料质 量（单位为kg/h）或塑件长度（单位为 m/min）。挤出速度的大小表征着生产能 力的高低。
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 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 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。
2. 螺杆
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 消耗等主要取决于螺杆结构。
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， 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， 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 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。
4.1.2 挤出成型工艺过程
管材的定径和冷却由定型模来完成。
1. 外径定径
（1）内压法外定径 （2）真空法外定径
2. 内径定径
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0.6∶100～1.0∶100 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80～300mm。
4.5 挤出成型设备
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 种。
1. 直通式挤管机头
直通式挤管机头如图2所示，其结构 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。 但塑料熔体经过分流器支架时，产生几条 分流痕，难以消除。
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 龙、聚碳酸酯等塑料管材的成型。
2. 直角式挤管机头
表4.1
常用塑料挤出成型的温度参数
塑料 名称
丙烯酸类 聚合物 醋酸
纤维素
加料段 室温 室温
聚酰胺 室温 ～90
挤出温度
压缩段
均化段
100～170
～200
110～130
～150
140～180
～270
机头及口模段
原料中 水份控
制 /%
175～210 ≤0.025
175～190
＜0.5
180～270
＜0.3
第4章 挤出成型模具设计
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 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 泛用于塑料管材、棒材、板材、薄膜、电 缆包层等。
4.1 挤出成型工艺过程及参数选择
4.1.1 挤出成型原理 4.1.2 挤出成型工艺过程 4.1.3 挤出成型工艺参数及其选择
4.2.4 挤出模具结构组成
图4.2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7部分 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
1．口模和芯棒
口模3用来成型塑料制件的外表面， 芯棒4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 截面形状。
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 宽度小于500mm，厚度为1～3mm。
2. 支管式机头
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 模唇间的缝隙流出成型板材。
3. 螺杆式机头
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 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 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4000mm。其 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 高。
4.1.1 挤出成型原理
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 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。 图4.1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
4.2.3 机头的分类
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 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； 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 机头（料流压力小于4MPa）、中压机头 （料流压力为4 MPa～10MPa）、高压机头 （料流压力大于10MPa）。
1. 口模
（1）口模内径d
dD K
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L1 口模和芯棒的平直部分的长度称为定
型段长度。
按管材外径计算：L1=（0.5～3）D 按管材壁厚计算：L1=nt
2. 芯棒
（1）芯棒的外径：D=d-2δ （2）定型段长度：等于或略大于口模的定 型段长度L1 （3）压缩段长度L2：L2=（1.5～2.5）d （4）芯棒收缩角β：
6、7—法兰盘； 8—螺杆； 9—料筒
4.3.3 板材与片材挤出机头的典型结构
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 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 头和螺杆式机头等。
1. 鱼尾式机头
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。
4. 拉伸比和压缩比
（1）拉伸比：
I D12 D22
d12
d
2 2
（2）压缩比ε 对于低黏度塑料： ε=4～10； 对于高黏度塑料： ε=2.5～6.0
4.4.3 管材定型模的设计
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 模时，必须立即进行定径和冷却。
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 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 中挤出。
1. 料筒
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55MPa， 工作温度一般为180～250oC。料筒外部设 有分区加热和冷却装置，料筒与机头之间 设有多孔板。
4. 机头体
机头体8相当于模架，作用是用来组装 机头各零件并与挤出机连接。
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，机头上设置有可以加热 的温度调节系统，如图4.2中所示的加热器 10。
6. 调节螺钉
调节螺钉5用来调节口模与芯棒之间的 间隙，保证制品的壁厚均匀。
7. 定型模
4．牵引速度
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 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 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 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 比值称为牵引比，其值必须等于或大于1。
直角式挤管机头如图4.3所示，机头内 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 棒3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 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
4.2 挤出模具的组成
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 分，挤出工艺不同，塑件断面形状不同， 机头的结构也不同。
4.2.1 机头的作用
机头是挤出成型的关键部件，它有如 下四种作用。
（1）使塑料由螺旋运动转变为直线运动 （2）产生必要的成型压力，使挤出的塑料
熔体密实 （3）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 寸，并均匀被挤出
定型模2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 的尺寸和几何形状。
4.3 挤出机头的典型结构
4.3.1 管材挤出机头的典型结构
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 比（即螺杆长度与其直径之比）i=15～25， 螺杆转速n=10～35r/min。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 。
聚乙烯
室温
硬聚氯乙
烯
室温～60
90～140 120～170
～180 ～180
160～200 170～190
＜0.3 ＜0.2
2．压力
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 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 得以成型为塑件的重要条件之一。
4.4 挤出成型模具的设计
4.4.1 机头的设计原则 （1）内腔呈流线型 （2）成型部分要有足够的长度 （3）选材合理 （4）形成一定的压缩比 （5）结构紧凑，装拆方便
4.4.2 管材挤出机头的设计
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 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， 塑料制品的内径、外径，制品所用的材料 等。
2．多孔板
多孔板9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， 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 蜜的过滤网，增加挤出压力，使塑件更加 密实。
3．分流器和分流器支架
分流器6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 区，以便进一步加热和塑化。分流器支 架7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。
3. 旁侧式挤管机头
旁侧式挤管机头如图4.4所示，与直角 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。 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