塑料异型材挤出成型模具AutoUTOCAD设计

塑料异型材挤出成型模具AutoUTOCAD设计
李辉
塑料异型材大多采用PVC—U塑料，其配方成分复杂，制品的结构和形状复杂，且配合尺寸和精度要求高，故而影响挤出成型的因素较多，模具设计难度也较大。

机头设计
机头设计理念：①支承板流道截面积为口模截面积的4倍以上，便于调节料流速度和异型材挤出形状。

②要有足够的压缩比和定型长度，以保证制品密实和消除熔接痕。

③异型材横截面厚的部位定型段长度要比薄的部位长，以均一流速，防止制品变形。

④模腔的流量与定型长度成反比，与口模间隙的三次方成正比。

⑤制品形状复杂部位，料流多，压缩角要大一些。

⑥平直段过长，则机头压力大，挤出速度慢，机头负荷大；⑦平直段过短，则物料不稳，型材内应力大，易变形，型材强度低。

1、机头结构选择
其主要组成部分如图一所示。

图1
模具设计时一般采用此结构，尤其适用于塑料门窗的主型材等复杂断面形式。

其优点在于：
①有利于对PVC—U料流进行加热塑化，使其内外温度趋于均匀。

②减少易引起紊流的压缩段的长度，使PVC—U料流尽可能地形成稳定流动，有利于减少离模膨胀(也称Barus效应)。

③分流锥是平直走向，有利于减少料流阻力，预防高聚物受热降解。

④型芯内开设了单独给内筋供料的流道腔，有利于减少PVC—U料流在模内的界面应力，有利于减少形变应力。

2、机头流道设计
近几年，机头流道设计中开始运用塑料流变学原理，但PVC—U异型材，尤其是塑料门窗异型材机头内料流的特殊流动形式，国内外仍在研究之中，大多还是靠经验设计和试模修正的方法。

①塑料门窗异型材截面重心的位置坐标
塑料门窗异型材截面重心必须位于挤出机的输出物料的中心轴线上，以确保熔融物料对复杂中空异型材截面有较均匀的分布。

用AutoCAD软件可以容易地求出截面重心的位置坐标。

先用region,Subtract等命令把截面图形组成一个面域，再用list命令可以方便地查出重心的X、Y值。

②口模横截面型腔尺寸
对于异型材流道理论计算可参阅相关的书籍，一般可作为设计验证，本文不再论述。

现将在实际设计开发中的经验介绍如下：
口模横截面的型腔尺寸的计算主要考虑三方面的因素：离模膨胀比、牵引
拉伸比、成型收缩比。

A、口模间隙计算
求成型壁厚的间隙h,对于异型材壁厚H，筋厚T
有经验数据统计表明：
——壁厚H大于2.5mm，口模间隙h=0.85～0.89H。

——壁厚H小于2.5mm大于2mm，口模间隙h=0.9～0.95H。

——筋厚T大于1.5mm，口模间隙h=0.9～1T。

——筋厚T小于1.5mm，口模间隙h=0.8T。

——毛条开口处取系数0.9，胶条开口处取系数0.95，压条开口处取系数1。

——实际挤出生产中，牵引拉伸比、冷却收缩对异型材截面的型腔尺寸影响大，而离模膨胀比对内筋影响甚大，因而对于口模中类似突筋、卡脚突起结构的部分间隙，考虑到其由于物料流动性能与膨胀不同而产生较大的收缩，其系数一般取1.04～1.1，通常取1.06左右。

对于型材突起部分一般为塑料门窗的配合部分，尺寸大多数是相同的。

在不断地总结试模经验的基础上，可利用Autolisp编写程序实现模块化设计，以利于提高设计开发速度。

B、口模型腔外形尺寸计算
对于塑料门窗外形尺寸放大系数γ,一般取1.02～1.06，其中半开式取1.05～1.06,开式取1.1～1.5，高速挤出取1.03，低速挤出取1.05。

相对大尺寸的横截面取γ的值大，反之取小。

注意这里的γ值指的是定型模横截面的放大系数。

若考虑牵引力及重力等因素，口模型腔外形的X方向、Y方向尺寸取的γ值也是不同的。

可用AutoCAD中
的粘贴命令中的X、Y方向输入不同的数值来计算图形的形状。

设计口模型腔的外形及型芯的步骤：
——求出定型模型腔外的图形。

(具体参见定型模设计2)
——对定型模型腔外形的图形放大γ倍(AutoCAD中用Scale命令)，求出口模型腔外形。

——根据口模的间隙，依次求出各个型芯的图形。

C、口模形状修正
有些塑料门窗型材的空腔过小，给型芯的强度与机械加工带来一定的困难，可对其口模形状进行放大处理，再靠定型模的定型作用来回复原来结构的尺寸要求(如图2所示)。

图2
图3a图3b
在一些三轨框中，如图3a所示的类似结构形式。

若不做图3b的处理，则
易出现制品弯筋的现象。

对于模具温度△T从200℃降到60℃，查表得PVC—U的线性收缩率α为(5～18.5)×10-5/℃，则△L=Lα△T。

考虑到料流在缝隙机头中的流动性，一般△L 取0.5～0.8。

③机头成型段长度的计算
A、理论法(塑料门窗型材机头可作为缝隙机头的数学模型)
L=PWh3/12Qη
其中:
P—异型材机头的挤出压力。

单螺杆挤出机机头挤出压力一般为8～12MPa,双螺杆则为12.5～20MPa。

有条件的应测出挤出压力的实际数据。

W—口模缝隙当量宽度cm，即为异型材中型层的宽度。

h—口模缝隙当量高度cm,即口模壁厚间隙。

η—熔融物料表观粘度Pas。

Q—口模流量cm3/s。

Q=GV/pm
G—异型材每米长的理论重量g/m。

V—异型材挤出时牵引速度m/s。

pm—熔融物料密度g/cm3。

B、经验法
成型段长度的经验公式L=(30～40)h(h为模壁厚间隙)，求出的数值应代非牛顿流体在宽扁孔模壁处剪切速率v=6Q/Wh2。

验证剪切速率是否超过临界剪切速率。

综上所述，PVC—U的临界剪切速率以-40s-1为佳，口模挤出压力不超过28MPa。

成型段长度的确定一般在理论法与经验法相互对比中选取一适中值，一般取50～
80mm。

异型材断面尺寸小，取偏小值，反之则取偏大值。

成型段长短直接影响到机头挤出压力和产量高低，因而在不超过临界剪切速率的前提下，尽可能地实现高产和高质量的型材。

④压缩角的计算
压缩段的作用:使物料产生一定的压缩比，以保证有足够的挤压力，消除由于支承筋而产生的熔接痕，从而形成塑化均匀、密实度良好、内应力小的型胚。

设计时应在压缩角的大小(15°～20°)，压缩比ε、压缩段长度L(15～35mm)三者之间合理调整地其数据(如图4)。

图4
PVC—U物料不宜采用过高的压缩比，一般取4～8t(t为壁厚)，常用3.6t。

异型材断面尺寸小，取偏小值。

压缩比过大，导致模压上升，螺杆背压和扭矩明显增大。

压缩比过小，会使物料在模腔流动不稳，塑化程度不够。

实际的压缩比应是支承板与口模板的型腔横截面的面积比，应尽可能地做到压缩比在横截面各部位均匀，避免径向流动。

型芯的压缩角(内筋)应2倍于，L长度要大些(如图5)。

⑤机头进料部位的计算
A、机颈设计
由支架板型腔的各点与多孔板相对应的各点相
连组成机颈型腔的三维面(在Pro/E软件中应用)，求出最大角度
值。

若最大值小于60°，则应调整压缩角的大小。

一般来说，模
体的型腔比较复杂、沟槽多、狭缝多，传统的加工手段用摇臂铣
床加工，易产生死角和停滞区，PVC—U物料就会发生过热分解。

现一般采用慢走丝线切割来加工机颈型腔异型部分。

图5
B、分流锥设计
挤出成型有别于其它成型工艺的显著特点，是物料及制品的成型、定型始终是在连续的、动态的过程中进行。

因而要求料流及其工艺因素应尽量突出一个”稳”字。

要有稳定的温度、稳定的压力、稳定的料流与型坯、稳定的冷却水流、稳定的真空、稳定的牵引等(如图6)。

图6
多孔板距离分流锥头部空间较大，并有锥度，料流通过该区段达到初步有序流动，并有较小的背压，最大限度减少了刚从挤出机不稳定料流对机头内稳定料流的影响。

K过小，则出料不均；但不能太大，否则物料停留时间过长而分解。

α不宜过大，否则
物料阻力大，α太小，不利于料层很快变薄，对加热不利。

经验数据如下：
K：10～20mm或稍小于0.1Ds；
30°≤α≤50°；
L≈1～1.5D0；
R=0.5～2mm
加热系统设计
加热线圈最好设计成四个单独工作的电热板，若口模处的物料流速不均匀时可通过温度来调节。

理论公式：加热线圈加热功率
W=CpV(t-t0)3600η
其中：
p——模具钢材的比重9.8g/cm3
V——模具总体积cm3
C——模具钢材比热容KJ/Kg℃
t——模具工作温度℃
t0——模具起始温度℃
η——加热线圈效率，常取0.3～0.5
经验公式：0.04×模具的重量(Kg)
考虑到挤出机料筒自身加热及料流在模具内由剪切产生的热量，因而一般取比计算值偏小的值。

定型模设计
定型模通过真空将型坯吸附在模具壁上进行冷却定型，获得所需异型材的尺寸和形状精度，并在此过程中将型胚的形变内应力和热内应力基本消除。

1、合理的结构设计
结构设计原则：①选择上、下分型面要考虑便于操作，出故障时能取出型胚，易于清理。

②冷却水孔分布均匀。

③真空吸附足够且均匀。

④真空槽(孔)和冷却水道加工工艺性好。

⑤水冷回路和真空吸附回路分别相联组成独立的、可循环的系统，要交替设置，但不能串通。

现在行业内普遍采用干式真空定型模(如图7)及包抄式真空定型模(如图8)。

图7
干式真空定型模比较常见，现把设计时要注意的要点整理如下：
①真空吸附面积和真空槽(孔)设计：
A、真空吸附面积
真空吸附面积S=0.67fG/M
其中:
G——型材每米的重量Kg/m
f——系数，取16～30,f与型材、壁厚、质量、真空度有关
M——定型模真空度，一般在-0.05～0.08MPa
算出的数值需验证，可按下式验证：牵引力/真空吸附面积<型材的拉伸强度，其结果必须小于型材的拉伸强度(≥36.8MPa),否则要调整真空吸附面积和牵引力。

B、真空槽(孔)设计
由于进入第一节定型模时，挤出的型胚仍是粘流态，易被吸入真空沟槽中，故第一段定型模的前面1～6道的真空吸附沟槽宽度采用0.8mm，间距为25～30mm，其余沟槽宽度为1.2mm，间距为30～40mm。

吸附力要布置均匀，定型模上下两半真空沟槽要对齐，并要各自相通，但在分型面处尽量与大气相通。

在型胚的筋和棱边的部位要有较大的吸附力(冷却慢)，故应使抽气孔对准筋和棱边。

②冷却水路设计
定型模冷却水路设计应注意：
A、根据型胚所含热量的分布来布置水路。

B、水路应尽量靠近定型模型腔，水孔孔壁与型腔距离大于5mm，上下定型板的水孔的中心距应大于14mm。

水孔孔壁与真空槽孔的距离应大于3mm，以防止距离过薄，加工时引起水气相穿的现象。

C、定型模上型板冷却速率应大于下型板。

因为模脚与定型台相连利于传热，型胚由于自重的作用与下型板的型腔面贴合得更好，也利于传热。

③本文侧重推荐包抄式真空定型模(如
图8所示)。

其优点在于：它兼顾了冷却水道的均匀性和
大的冷却水道面积这两大因素。

其特征是冷却水道与型腔
的外形呈平行闭合状，包容了全部型腔，显然大大提高了
冷却水道的面积；加之冷却水是沿型腔的外形呈双向包抄
式流动，又缩短了单位时间内的水流路程，相应地缩短了
水流时间，提高了冷却效率。

同时，由于冷却水道布置与
型腔外形几何形状相似，使得型腔各处在横截面方向上的
冷却均匀性几图8
乎可以达到一致。

且该定型模的冷却水道在定型模的纵截面方向呈螺旋状布置，并设置在真空区域内，因而在整个定型模型腔各处的冷却都很均匀。

这种高冷却效率、高冷却均匀性的定型模对于提高型材的挤出速度很有意义。

另外，由于该结构形式的定型模的型腔、水槽、气槽可采用一次整体加工而成，对于降低模具制造成本，提高模具制造精度也是很有意义的。

该形式的定型模已获国家专利(ZL00218173.8)。

为了提高挤出产量及异型材制品的质量，便于定型模装卸，定型模可采用浮动定位形式置于挤出机辅机上。

此结构形式目前正在申请国家专利。

2、定型模型腔尺寸计算
一般来说，挤出速度越快，型腔横截面平面应越凸翘，相应外形尺寸要越大；制品壁越厚，型腔的横截面应越凸翘，相应外形尺寸要越大，反之亦然；定型模越长，其型腔的横截面平面越平坦，尺寸越小，反之亦然；冷却定型水箱无真空负压时，则定型模型腔尺寸应大，横截面平面越凸翘，反之亦然。

定型模型腔尺寸主要由型材收缩率、膨胀率、牵引拉伸率、冷却方式、制品复杂程度、操作方式等决定。

根据生产经验总结：
①定型模模腔外形尺寸比制品大1.01为宜，开式结构按1.015～1.02的系数。

第1、4节尺寸按1.01系数，第2、3节尺寸比第1、4节尺寸大0.1～0.2mm。

②毛条开口处取系数0.9，胶条开口处取系数0.95，压条开口处取系数1。

③断面宽度超过40mm，给反弹弧。

大平面反向圆弧R=420～500×制品壁厚。

④模隙取系数1.06。

⑤冷却水孔的中心距为14～16mm。

3、定型模长度计算
定型模长度L应视制品的壁厚、形状来定。

制品的壁越厚，形状越复杂，要求定型模越长。

其目的是使从最终定型段出来的制品在横截面内外各处温度达到完全冷却(14℃左右)。

据文献介绍经验公式：
其中：
①L=400t2V
t——型材最大壁厚，cm
V——牵引速度，cm/s。

按最大值考虑。

用涡流式真空水箱，定型模长度可适当减少1/3～1/2。

②L=(-t2/2πα)loge{[πTx-Tm)]/4(Tc-Tm)}V
其中：
α——塑料热扩散系数，cm/s
Tx——型材出定型模的温度，50℃
Tm——定型模温度，20～25℃
Tc——型胚入定型模时的温度，℃
真空定型水箱
常采用“涡流式真空水箱”，其冷却水是从水箱前端进入，上下左右翻腾着向后流动，水流轨迹呈螺旋式，最终经水环式真空泵排出。

这种冷却定型水箱由于其水流时刻充满着水箱且呈螺旋式运动，故而冷却效率高，冷却均匀性好。

为了更进一步提高挤出速度，已开发出内、外双冷的挤出定型装置。

它的外冷装置如上述干、湿式组合定型装置，它的内冷装置则是在机头的支承筋、芯模上开设一条冷却介质通道，以使型材内表面也同时得到相应的冷却，这就更加有利于型材冷却速度的加快和冷却的均匀性，有利于高速挤出成型。

结论
总之，根据本文论述的经验数据及挤出理论，可利用Autolisp、ObjectARX2000等软件，建立较完整的异型材模具CAD图库，推行模块化设计，主要用于模具外形图和装配图的设计、校对及仿真显示等，对提高设计质量和效率大有裨益。

具体思路如下：
1、用VC或VB编制一个基于SQLSERVER数据库的软件来管理图纸文档。

2、建立典型异型材截面图库，加强标准化、系列化设计。

3、建立常备料规格尺寸，提前备料。

4、用Autolisp、ObjectARX2000等软件，建立了较完整的异型材模具CAD 图库，推行模块化设计。

参考文献
[1]彭吉跃、庄正军《PVC—U异型材高速挤出成型模具探讨》，《化学建材》2002(3)
[2]李志英等，《硬聚氯乙烯塑料异型材和塑窗制造与应用》，中国建材工业出版社。