擠出模具設(shè)計

第9章擠出模具設(shè)計 9 1概述9 1 1擠出成型機頭典型結(jié)構(gòu)分析9 1 2擠出成型機頭分類及其設(shè)計原則9 2典型擠出機頭及設(shè)計9 2 1管材擠出機頭及設(shè)計9 2 2吹塑薄膜機頭的結(jié)構(gòu)及設(shè)計9 2 3電線電纜包覆機頭9 2 4異型材擠出成型機頭思考題及習題 9 1概述塑料擠出成型是用加熱的方法使塑料成為流動狀態(tài) 然后在一定壓力的作用下使它通過塑模 經(jīng)定型后制得連續(xù)的型材 擠出法加工的塑料制品種類很多 如管材 薄膜 棒材 板材 電纜敷層 單絲以及異形截面型材等 擠出機還可以對塑料進行混合 塑化 脫水 造粒和喂料等準備工序或半成品加工 因此 擠出成型已成為最普通的塑料成型加工方法之一 用擠出法生產(chǎn)的塑料制品大多使用熱塑性塑料 也有使用熱固性塑料的 如聚氯乙烯 聚乙烯 聚丙烯 尼龍 ABS 聚碳酸酯 聚砜 聚甲醛 氯化聚醚等熱塑性塑料以及酚醛 脲醛等熱固性塑料 擠出成型具有效率高 投資少 制造簡便 可以連續(xù)化生產(chǎn) 占地面積少 環(huán)境清潔等優(yōu)點 通過擠出成型生產(chǎn)的塑料制品得到了廣泛的應(yīng)用 其產(chǎn)量占塑料制品總量的三分之一以上 因此 擠出成型在塑料加工工業(yè)中占有很重要的地位 機頭是擠出成型模具的主要部件 它有下述四種作用 1 使物料由螺旋運動變?yōu)橹本€運動 2 產(chǎn)生必要的成型壓力 保證制品密實 3 使物料通過機頭得到進一步塑化 4 通過機頭成型所需要的斷面形狀的制品 現(xiàn)以管材擠出機頭為例 分析一下機頭的組成與結(jié)構(gòu) 見圖8 1所示 9 1 1擠出成型機頭典型結(jié)構(gòu)分析 1 口模和芯棒口模成型制品的外表面 芯棒成型制品的內(nèi)表面 故口模和芯棒的定型部分決定制品的橫截面形狀和尺寸 2 多孔板 過濾板 柵板 如圖8 2所示 多孔板的作用是將物料由螺旋運動變?yōu)橹本€運動 同時還能阻止未塑化的塑料和機械雜質(zhì)進入機頭 此外 多孔板還能形成一定的機頭壓力 使制品更加密實 3 分流器和分流器支架分流器又叫魚雷頭 塑料通過分流器變成薄環(huán)狀 便于進一步加熱和塑化 大型擠出機的分流器內(nèi)部還裝有加熱裝置 分流器支架主要用來支撐分流器和芯棒 同時也使料流分束以加強攪拌作用 小型機頭的分流器支架可與分流器設(shè)計成整體 4 調(diào)節(jié)螺釘用來調(diào)節(jié)口模與芯棒之間的間隙 保證制品壁厚均勻 5 機頭體用來組裝機頭各零件及擠出機連接 6 定徑套使制品通過定徑套獲得良好的表面粗糙度 正確的尺寸和幾何形狀 7 堵塞防止壓縮空氣泄漏 保證管內(nèi)一定的壓力 9 1 2擠出成型機頭分類及其設(shè)計原則 1 分類由于擠出制品的形狀和要求不同 因此要有相應(yīng)的機頭滿足制品的要求 機頭種類很多 大致可按以下三種特征來進行分類 1 按機頭用途分類可分為擠管機頭 吹管機頭 擠板機頭等 2 按制品出口方向分類可分為直向機頭和橫向機頭 前者機頭內(nèi)料流方向與擠出機螺桿軸向一致 如硬管機頭 后者機頭內(nèi)料流方向與擠出機螺桿軸向成某一角度 如電纜機頭 3 按機頭內(nèi)壓力大小分類可分為低壓機頭 料流壓力為MPa 中壓機頭 料流壓力為4 10MPa 和高壓機頭 料流壓力在10MPa以上 2 設(shè)計原則 1 流道呈流線型為使物料能沿著機頭的流道充滿并均勻地被擠出 同時避免物料發(fā)生過熱分解 機頭內(nèi)流道應(yīng)呈流線型 不能急劇地擴大或縮小 更不能有死角和停滯區(qū) 流道應(yīng)加工得十分光滑 表面粗糙度應(yīng)在Ra0 4um以下 2 足夠的壓縮比為使制品密實和消除因分流器支架造成的結(jié)合縫 根據(jù)制品和塑料種類不同 應(yīng)設(shè)計足夠的壓縮比 3 正確的斷面形狀機頭的成型部分的設(shè)計應(yīng)保證物料擠出后具有規(guī)定的斷面形狀 由于塑料的物理性能和壓力 溫度等因素的影響 機頭的成型部分的斷面形狀并非就是制品的相應(yīng)的斷面形狀 二者有相當?shù)牟町?設(shè)計時應(yīng)考慮此因素 使成型部分有合理的斷面形狀 由于制品斷面形狀的變化與成型時間有關(guān) 因此控制必要的成型長度是一個有效的方法 4 結(jié)構(gòu)緊湊在滿足強度條件下 機頭結(jié)構(gòu)應(yīng)緊湊 其形狀應(yīng)盡量做得規(guī)則而對稱 使傳熱均勻 裝卸方便和不漏料 5 選材要合理由于機頭磨損較大 有的塑料又有較強的腐蝕性 所以機頭材料應(yīng)選擇耐磨 硬度較高的碳鋼或合金鋼 有的甚至要鍍鉻 以提高機頭耐腐蝕性 此外 機頭的結(jié)構(gòu)尺寸還和制品的形狀 加熱方法 螺桿形狀 擠出速度等因素有關(guān) 設(shè)計者應(yīng)根據(jù)具體情況靈活應(yīng)用上述原則 9 2典型擠出機頭及設(shè)計 常見的擠出機頭有管材擠出機頭 吹管膜機頭 電線電纜包覆機頭 異形材料擠出機頭等 9 2 1管材擠出機頭及設(shè)計 1 管材擠出機頭的結(jié)構(gòu)形式常見的管材擠出機頭結(jié)構(gòu)形式有以下幾種 1 直管式機頭圖8 3為直管式機頭 其結(jié)構(gòu)簡單 具有分流器支架 芯模加熱困難 定型長度較長 適用于PVC PA PC PE PP等塑料的薄壁小口徑的管材擠出 2 彎管式機頭圖8 4為彎管式機頭 其結(jié)構(gòu)復(fù)雜 沒有分流器支架 芯模容易加熱 定型長度不長 大小口徑管材均適用 特別適用于定內(nèi)徑的PE PP PA等塑料管材成型 3 旁側(cè)式機頭圖8 5為旁側(cè)式機頭 結(jié)構(gòu)復(fù)雜 沒有分流器支架 芯?？梢约訜?定型長度也不長 大小口徑管材均適用 2 管材擠出機頭零件的設(shè)計 1 口?？谀Ｊ浅尚凸懿耐獗砻娴牧慵?其結(jié)構(gòu)如圖8 6所示 口模內(nèi)徑不等于塑料管材外徑 因為從口模擠出的管坯由于壓力突然降低 塑料因彈性恢復(fù)而發(fā)生管徑膨脹 同時 管坯在冷卻和牽引作用下 管徑會發(fā)生縮小 這些膨脹和收縮的大小與塑料性質(zhì) 擠出溫度和壓力等成型條件以及定徑套結(jié)構(gòu)有關(guān) 目前尚無成熟的理論計算方法計算膨脹和收縮值 一般是根據(jù)要求的管材截面尺寸 按拉伸比確定口模截面尺寸 所謂拉伸比是指口模成型段環(huán)隙橫截面積與管材橫截面積之比 即 8 1 式中I為拉伸比 常用塑料允許的拉伸比如下 PVC為1 0 1 4 PA為1 4 3 0 ABS為1 0 1 1 PP為1 0 1 2 HDPE為1 1 1 2 LDPE為1 2 1 5 r 口模內(nèi)徑 r1 芯棒外徑 R 管材外徑 R1 管材內(nèi)徑 口模定型段長度L1與塑料性質(zhì) 管材的形狀 壁厚 直徑大小及牽引速度有關(guān) 其值可按管材外徑或管材壁厚來確定 L1 0 5 3 D 8 2 或L1 8 15 t 8 3 式中D 管材外徑 t 管材壁厚 2 芯模芯模是成型管材內(nèi)表面的零件 如圖8 8所示 直管機頭與分流器以螺紋聯(lián)接 芯模的結(jié)構(gòu)應(yīng)有利于熔體流動 有利于消除熔體經(jīng)過分流器后形成的結(jié)合縫 熔體流過分流器支架后 先經(jīng)過一定的壓縮 使熔體很好地匯合 為此芯模應(yīng)有收縮角 其值決定于塑料特性 對于粘度較高的硬聚乙烯 一般30 50 對于粘度低的塑料 可取45 60 芯模的長度L1 與口模L1相等 L2一般按下式?jīng)Q定 L2 1 5 2 5 D0 8 4 式中D0 柵板出口處直徑 芯模直徑d1可按下式計算 d1 d 2 8 5 式中 芯模與口模之間間隙 d 口模內(nèi)徑 由于如上所述塑料熔體擠出口模后的膨脹與收縮 使 不等于制品壁厚 可按下式計算 8 6 式中k 經(jīng)驗系數(shù) k 1 16 1 20 t 制品壁厚 為了使管材壁厚均勻 必須設(shè)置調(diào)節(jié)螺釘 圖8 3件3 以便安裝與調(diào)整口模與芯模之間間隙 調(diào)節(jié)螺釘數(shù)目一般為4 8個 3 分流器分流器的作用是使熔體料層變薄 以便均勻加熱 使之進一步塑化 其結(jié)構(gòu)如圖8 8所示 分流器與柵板之間的距離一般取10 20mm 或稍小于0 1D1 D1為擠出機螺桿直徑 保持分流器與柵板之間的一定距離的作用是使通過柵板的熔體匯集 因此 該距離不宜過小 否則熔體流速不穩(wěn)定 不均勻 距離過大 熔體在此空間停留時間較長 高分子容易產(chǎn)生分解 分流器的擴張角 值取決于塑料粘度 低粘度塑料取 30 80 高粘度塑料取 30 60 太大 熔體流動阻力大 過小 勢必增大分流錐部分的長度 分流錐的長度一般按下式確定 L3 1 1 5 D0 8 7 式中D0 柵板出口處直徑 分流器頭部圓角r一般取0 5 2mm 4 分流器支架分流器支架設(shè)有進氣孔和導(dǎo)線孔 用以通入壓縮空氣和內(nèi)裝置電熱器時導(dǎo)入導(dǎo)線 通入壓縮空氣的作用是為了管材的定徑 內(nèi)壓法外徑定型 和冷卻 分流器支架與分流器可以制成整體式的 圖8 8 也可制成組合式的 圖8 1 前者一般用于中小型機頭 后者一般用于大型機頭 分流器支架上的分流筋的數(shù)目在滿足支持強度的條件下 以少為宜 一般為3 8根 分流筋應(yīng)制成流線型的 圖8 8A A剖面 在滿足強度前提下 其寬度和長度應(yīng)盡量小些 而且出料端的角度應(yīng)小于進料端的角度 5 定徑套對于外徑定型法 直徑小于30mm的硬聚氯乙烯管材 定徑套長度取管徑的3 6倍 其倍數(shù)隨管徑減小而增加 當管徑小于35mm時 其倍數(shù)可增至10倍 對于聚烯烴管材 定徑套長度為管徑的2 5倍 其倍數(shù)隨直徑減小而增大 定徑套直徑通常比機頭口模直徑大2 4 且出口直徑比進口直徑略小 對于內(nèi)徑定型法 定徑芯模長度取80 300mm 其外徑比管材內(nèi)徑大2 4 以利于管材內(nèi)徑公差的控制 定徑芯模錐度為1 1 6 1 10 始端大 終端小 9 2 2吹塑薄膜機頭的結(jié)構(gòu)及設(shè)計1 吹塑薄膜機頭結(jié)構(gòu)形式常見的吹塑薄膜機頭結(jié)構(gòu)形式有芯棒式機頭 中心進料的 十字形機頭 螺旋式機頭 旋轉(zhuǎn)式機頭以及雙層或多層吹塑薄膜機頭等 1 芯棒式機頭圖9 9 下頁 所示芯棒式吹塑薄膜機頭 塑料熔體自擠出機柵板擠出 通過機頸5到達芯棒軸7時 被分成兩股并沿芯棒分料線流動 然后在芯棒尖處重新匯合 匯合后的熔體沿機頭環(huán)隙擠成管坯 芯棒中通入壓縮空氣將管坯吹脹成管膜 芯棒式機頭內(nèi)部通道空腔小 存料少 塑料不容易分解 適用于加工聚氯乙烯塑料 但熔體經(jīng)直角拐彎 各處流速不等 同時由于熔體長時間單向作用于芯棒 使芯棒中心線偏移 即產(chǎn)生 偏中 現(xiàn)象 因而容易導(dǎo)致薄膜厚度不均勻 2 十字形機頭圖9 10為十字形機頭 其結(jié)構(gòu)類似管材擠出機機頭 這種機頭的優(yōu)點是出料均勻 薄膜厚度容易控制 芯模不受側(cè)壓力 不會產(chǎn)生如芯棒式機頭那種 偏中 現(xiàn)象 但機頭內(nèi)腔大 存料多 塑料易分解 適用于加工熱穩(wěn)定性好的塑料 而不適于加工聚氯乙烯 3 螺旋式機頭圖9 11為螺旋式機頭 塑料熔體從中央進口擠入 通過帶有多個溝槽由深變淺直至消失的螺旋槽 也有單螺旋 的芯棒7 然后在定型區(qū)前緩沖槽匯合 達到均勻狀態(tài)后從口模擠出 這種機頭的優(yōu)點是 機頭內(nèi)熔體壓力大 出料均勻 薄膜厚度容易控制 薄膜性能好 但結(jié)構(gòu)復(fù)雜 拐角多 適用于加工聚丙烯 聚乙烯等粘度小且不易分解的塑料 4 旋轉(zhuǎn)式機頭圖9 12為旋轉(zhuǎn)式機頭 其特點是芯模2和口模1都能單獨旋轉(zhuǎn) 芯模和口模分別由直流電機帶動 能以同速或不同速 同向或異向旋轉(zhuǎn) 采用這種機頭可克服由于機頭制造 安裝不準確及溫度不均勻造成的塑料薄膜厚度不均勻 其厚度公差可達0 01mm 它的應(yīng)用范圍較廣 對熱穩(wěn)定性塑料和熱敏性塑料均可成型 2 機頭幾何參數(shù)的確定如圖9 9所示的芯棒式機頭 環(huán)形縫隙寬度t一般在0 4 12 mm范圍內(nèi) 如果t太小 則機頭內(nèi)反壓力很大 影響產(chǎn)量 如果t太大 則要得到一定厚度的薄膜 必須加大吹脹比和拉伸比 機頭定型區(qū)高度h應(yīng)比t大15倍以上 以便控制薄膜的厚度 H應(yīng)大于2倍d1 為了避免制品產(chǎn)生接合縫 芯棒尖處到模口處的距離應(yīng)不小于芯棒軸直徑d1的兩倍 圖8 9 并在芯棒頭部設(shè)1 2個緩沖區(qū) 以利于熔體很好匯合 應(yīng)盡量使塑料熔體自分流到達機頭出口處流動的距離相等 流道暢通 無死角 芯棒擴張角 一般取80 90 也可達到100 但 過大 會增大熔體流動阻力 芯棒斜流道尖處應(yīng)認真設(shè)計與加工 不能太尖 也不能太鈍 必要時應(yīng)經(jīng)過試驗確定 以免影響產(chǎn)品質(zhì)量 機頭進口部分的橫截面積與出口部分的橫截面積之比 壓縮比 至少為2 但壓縮比過大 熔體流動阻力大 對于聚氯乙烯等塑料 這種壓縮比不宜過大 9 2 3電線電纜包覆機頭裸金屬單絲或多股金屬芯線上包覆塑料絕緣層的稱為電線 一束彼此絕緣的導(dǎo)線上或不規(guī)則芯線上包覆塑料絕緣層的稱為電纜 通常用擠壓式包覆機頭生產(chǎn)電線 用套管式包覆機頭生產(chǎn)電纜 1 擠壓式包覆機頭圖9 13為擠壓式包覆機頭 熔體進入機頭體 繞過芯線導(dǎo)向棒 匯集成環(huán)狀后經(jīng)口模成型段 最后包覆在芯線上 由于芯線連續(xù)不斷地通過導(dǎo)向棒 因而電線生產(chǎn)過程連續(xù)地進行 改變 或更換 口模尺寸 擠出速度 芯線移動速度及移動導(dǎo)向棒軸向位置 都可以改變塑料絕緣層厚度 圖9 13b為口模局部放大圖 其成型段長度L 1 0 1 5 D M 1 0 1 5 D 這種機頭結(jié)構(gòu)簡單 調(diào)整方便 但芯線與塑料絕緣層同心度不夠好 2 套管式包覆機頭圖9 14為套管式包覆機頭 它與擠壓式包覆機頭不同之處是 擠壓式包覆機頭是在口模內(nèi)將塑料包覆在芯線上 而套管式包覆機頭則是將塑料擠成管 在口模外靠塑料管收縮包覆在芯線上 有時借助真空使塑料管更緊密地包覆在芯線上 包覆層厚度隨口模與導(dǎo)向棒 芯模 間隙值 擠出速度 芯線移動速度等的變化而變化 口模定型段長度不宜太長 L 0 5D 否則 機頭背壓過大 影響生產(chǎn)率和制品表面質(zhì)量 8 2 4異型材擠出成型機頭塑料異形材具有優(yōu)良的使用性能 用途廣泛 按異形材截面特征分為五大類 圖8 15所示 1 封閉中空異型材 圖8 15a 2 半封閉異型材 圖8 15b 3 開式異型材 圖8 15c 4 復(fù)合式異型材 圖8 15d 復(fù)合異型材有兩種 一種是不同塑料或同一種塑料不同顏色共擠復(fù)合 另一種是塑料與木材 金屬 纖維織物共