擠出成型工藝與模具設(shè)計(jì)

擠出成型工藝與模具設(shè)計(jì)1第1頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一§17-1

擠出成型原理及工藝

擠出模塑或擠塑

借助螺桿或柱塞的擠壓作用，受熱熔化的塑料，強(qiáng)行通過(guò)口模而成為具有恒定截面的連續(xù)型材。所有熱塑性塑料，某些熱固性塑料

生產(chǎn)的制品有——管材、板材、棒材、片材、薄膜、單絲、線纜包履物、各種異型材及塑料與其它材料的復(fù)合物。第2頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一約占熱塑性塑料制品的50～70%左右擠出成形是生產(chǎn)效率高、用途廣泛、適應(yīng)性強(qiáng)的最重要成形方法之一。第3頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一根據(jù)塑料塑化方式不同，擠出工藝分為：干法——靠外加熱熔化，塑化與擠出成形在機(jī)內(nèi)完成（簡(jiǎn)單的冷卻→固化）濕法——

有機(jī)溶劑作用→粘流態(tài)→塑化在機(jī)外預(yù)先完成→定型處理靠溶劑揮發(fā)而固化）

優(yōu)點(diǎn)：塑化均勻，可避免熱降解，考慮溶劑回收及環(huán)境污染等，生產(chǎn)中較少應(yīng)用故多為干法（濕法僅用于硝酸纖維素和少數(shù)醋酸纖維素塑料等的成形，不能加熱塑化）第4頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一按加壓方式的不同，擠出工藝分：

連續(xù)式——螺桿式擠出機(jī)：?jiǎn)温輻U擠出機(jī)多螺桿擠出機(jī)間歇式——柱塞式擠出機(jī)本節(jié)主要以單螺桿擠出機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來(lái)討論擠出成形的原理及工藝。第5頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一一、單螺桿擠出機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及作用

由傳動(dòng)系統(tǒng)、擠出系統(tǒng)、加熱和冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等幾部分組成。（此外，還有一些輔助設(shè)備）擠出系統(tǒng)是成形關(guān)鍵部分，主要包括——加料裝置、料筒、螺桿、機(jī)頭和口模等

第6頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

（一）加料裝置

（二）料筒

一金屬圓筒，一般用耐溫、耐壓強(qiáng)度較高、堅(jiān)固耐磨、耐腐的合金鋼或內(nèi)襯合金鋼的復(fù)合鋼管制成。

外面設(shè)有分段加熱和冷卻的裝置常用電阻或電感應(yīng)加熱，也有采用遠(yuǎn)紅外線加熱。冷卻一般用風(fēng)冷或水冷。

目的：防止塑料過(guò)熱或停車時(shí)須對(duì)塑料快速冷卻（以免降解）（三）螺桿是擠出機(jī)最主要部件，直接關(guān)系到擠出機(jī)的應(yīng)用范圍和生產(chǎn)率。第7頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第8頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一[注]：

1）螺桿的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)直徑、長(zhǎng)徑比、壓縮比、螺槽深度、螺旋角、間隙等a．螺桿直徑Ds——外徑（30~200mm），最常見(jiàn)60~150mm，隨Ds↑→生產(chǎn)能力↑所以，擠出機(jī)規(guī)格常以Ds表示。b．長(zhǎng)徑比（L/DS）

L/DS以25居多。

第9頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一c．壓縮比A——加料段第一個(gè)螺槽的容積與均化段最后一個(gè)螺槽的容積之比，表示塑料通過(guò)螺桿的全過(guò)程被壓縮的程度。

第10頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2）螺桿的作用

三大作用輸送物料——向機(jī)頭方向流動(dòng)傳熱塑化物料——軟化物料→粘流態(tài)混合均化物料——與料筒和機(jī)頭相配合→強(qiáng)大剪切作用，使物料均勻混合→定量定壓由機(jī)頭擠出。三段——加料段、壓縮段、均化段

第11頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一漸變螺桿——全長(zhǎng)均起壓縮作用。突變螺桿——壓縮段很短，甚至一個(gè)螺距。（結(jié)晶型塑料，熔融溫度范圍窄，如尼龍等）第12頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3）螺桿的形式——普通螺桿（應(yīng)用最廣）

高效螺桿（末端設(shè)置一些剪切混合元件，以促進(jìn)混合、熔化和提高產(chǎn)量）

第13頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第14頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（四）機(jī)頭和口模

機(jī)頭是口模與料筒的過(guò)渡連接部分，口模是制品的成形部件，機(jī)頭和口模通常為一體，習(xí)慣上統(tǒng)稱——機(jī)頭。作用：1）使粘流態(tài)物料從螺旋運(yùn)動(dòng)變?yōu)槠叫兄本€運(yùn)動(dòng)→導(dǎo)入口模成型2）產(chǎn)生回壓，進(jìn)一步均化，提高制品質(zhì)量。3）產(chǎn)生必要成型壓力→結(jié)構(gòu)緊密，形狀準(zhǔn)確制品第15頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（如圖）擠出機(jī)機(jī)頭和口模示意圖。第16頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二、擠出成形原理

固體進(jìn)料的擠出過(guò)程，塑料要經(jīng)歷固體——彈性體——粘性液體的變化，變動(dòng)的溫度、壓力，狀態(tài)變化和流動(dòng)行為十分復(fù)雜，擠出理論應(yīng)用最廣的是——固體輸送理論、熔融理論和熔體輸送理論

第17頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、擠出成形工藝與過(guò)程

程序?yàn)椤锪系母稍?、成形、制品的定型與冷卻、制品的牽引與卷取（或切割），有時(shí)還包括制品的后處理等。（一）原料干燥控制水分含量在0.5%以下

在烘箱或烘房?jī)?nèi)進(jìn)行（表17.1）第18頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（二）擠出成形

加熱到預(yù)定溫度，開(kāi)動(dòng)螺桿，加料。

根據(jù)擠出工藝性能、機(jī)頭口模結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等調(diào)整料筒各加熱段和機(jī)頭口模的溫度及螺桿的轉(zhuǎn)速等工藝參數(shù)，以控制料筒內(nèi)物料的溫度和壓力分布。根據(jù)制品的形狀和尺寸要求，調(diào)整口模尺寸和同心度及牽引等設(shè)備裝置，以控制擠出物離膜膨脹和形狀的穩(wěn)定性→控制擠出物產(chǎn)量和質(zhì)量

第19頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一不同的塑料品種要求螺桿特性和工藝條件不同。

（下表）

主要熱塑性塑料擠出成形時(shí)螺桿特征和工藝條件第20頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（表17.2）第21頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一料筒、機(jī)頭及口模中的溫度和壓力分布一般如圖所示

第22頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一影響塑化效果的主要因素是——溫度和剪切作用1）溫度升高→物料粘度↓，有利于塑化，同時(shí)熔體壓力↓，出料快。2）溫度降低→粘度↑→機(jī)頭口模壓力↑→制品密度大，形狀穩(wěn)定性好。

3）口模和型芯溫度應(yīng)該一致，若相差太大→制品出現(xiàn)向內(nèi)或向外翻，甚至扭歪。

4）增大螺桿轉(zhuǎn)速→強(qiáng)化對(duì)塑料的剪切作用→有利于塑料的混合和塑化

第23頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一降低熔體的粘度（見(jiàn)左圖）和提高料筒中物料的壓力（見(jiàn)右圖）第24頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（三）定型與冷卻

若不及時(shí)，制品在自重作用下發(fā)生形變。大多數(shù)同時(shí)進(jìn)行。（下圖）兩種擠出圓管的定徑套

冷卻一般采用空冷或水冷。冷卻速度對(duì)制品的性能有一定影響。

第25頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第26頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（四）制品的牽引和卷?。ㄇ懈睿?/p>

從口模擠出后，一般要產(chǎn)生離模膨脹現(xiàn)象，使擠出物尺寸、形狀發(fā)生改變；同時(shí)制品從口模擠出后，愈來(lái)愈重，若不引出→堵塞→停滯生產(chǎn)，破壞擠出的連續(xù)性，并使后面擠出物發(fā)生形變管材的牽引設(shè)備——滾輪式、履帶式牽引速度稍>擠出速度

第27頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一定型冷卻后的制品進(jìn)行卷繞或切割。軟質(zhì)型材在卷繞到給定長(zhǎng)度或質(zhì)量后切斷；硬質(zhì)型材從牽引裝置送出達(dá)到一定長(zhǎng)度后切斷。第28頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（五）后處理

提高制品性能（有些需要）后處理——熱處理和調(diào)濕處理

如：由狹縫扁平口模直接擠出片材經(jīng)拉伸而得的薄膜，應(yīng)在材料Tg~Tf(或Tm)間熱處理（熱定型），提高薄膜尺寸穩(wěn)定性，減少使用過(guò)程熱收縮率。第29頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一四、典型擠出制品成形工藝

包括管材、棒材、板材、吹塑薄膜、塑料電線電纜等，以塑料管材擠出為例。有硬管、軟管，主要擠管塑料有——聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、尼龍、ABS和聚碳酸酯等，目前國(guó)內(nèi)以聚氯乙烯為主。介紹硬聚氯乙烯管材的成形工藝及設(shè)備

第30頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1.基本工藝

2．設(shè)備擠出機(jī)、機(jī)頭口模、定型裝置、冷卻水槽、牽引及切割裝置等，機(jī)頭口模、定型裝置是管材擠出的關(guān)鍵部件。

第31頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（1）機(jī)頭和口模

機(jī)頭是管材的成形部件，分直通式——用得最多（上圖）

直角式（圖17.4）

旁側(cè)式（圖17.5）機(jī)頭包括——分流器、分流器支架、管芯、口模和調(diào)節(jié)螺釘?shù)确至髌鳌址Q魚(yú)雷頭第32頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第33頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一擴(kuò)張角α（30°~

90°）一般取60°；分流錐長(zhǎng)度L3=1~1.5D（D見(jiàn)上圖）分流器支架——支撐分流器及管芯；管芯——成形管材內(nèi)表面，收縮角β<α；粘度大→β↓、粘度小→β↑機(jī)頭壓縮比A=3~10第34頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一口模結(jié)構(gòu)見(jiàn)下圖第35頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（2）管材的定徑和冷卻

硬聚氯乙烯管的定徑——定徑套：

定外徑——外徑尺寸要求高；定內(nèi)徑——內(nèi)徑尺寸要求高。我國(guó)硬聚氯乙烯管的標(biāo)準(zhǔn)——外徑帶公差→主要采用外徑定型法，外徑定型法：內(nèi)壓法（下圖）——直徑較大管材

抽真空法（下圖）——小直徑管材內(nèi)徑定型裝置（下圖）——用于直角式、旁側(cè)式第36頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第37頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第38頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（3）管材牽引和切割

牽引速度比擠管速度大1%~10%，且無(wú)級(jí)調(diào)速，要求均勻平穩(wěn)、無(wú)跳動(dòng)。牽引夾持裝置：滑輪、履帶，夾持器可調(diào)節(jié)→適應(yīng)各種D和牽引力要求，不打滑切割裝置——電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的圓鋸片。[注]：棒材和各種中空異型材的擠出成形工藝與管材無(wú)本質(zhì)差別，只是機(jī)頭口模截面形狀有所不同。第39頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一[注]棒材、薄膜吹塑、板材和片材、

異形材、線纜包覆擠出成型機(jī)頭設(shè)計(jì)此外，雙螺桿擠出熱固性塑料的擠出——往復(fù)式液壓機(jī)（主要成形酚醛塑料等）

反應(yīng)式擠出——機(jī)內(nèi)發(fā)生物理變化的同時(shí)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，