第9章挤出模具设计pptConvertor9．1 概述塑料挤出成型是用加热的方法使塑料成为流淌状态，然后在一定压力的作用下使它通过塑模，经定型后制得连续的型材。
挤出法加工的塑料制品种类专门多，如管材、薄膜、棒材、板材、电缆敷层、单丝以及异形截面型材等。
挤出机还能够对塑料进行混合、塑化、脱水、造粒和喂料等预备工序或半成品加工。
因此，挤出成型已成为最一般的塑料成型加工方法之一。
用挤出法生产的塑料制品大多使用热塑性塑料，也有使用热固性塑料的。
如聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、尼龙、ABS、聚碳酸酯、聚砜、聚甲醛、氯化聚醚等热塑性塑料以及酚醛、脲醛等热固性塑料。
挤出成型具有效率高、投资少、制造简便，能够连续化生产，占地面积少，环境清洁等优点。
通过挤出成型生产的塑料制品得到了广泛的应用，其产量占塑料制品总量的三分之一以上。
因此，挤出成型在塑料加工工业中占有专门重要的地位。
一、挤出成型机头典型结构分析机头是挤出成型模具的要紧部件，它有下述四种作用：（1）使物料由螺旋运动变为直线运动；（2）产生必要的成型压力，保证制品密实；（3）使物料通过机头得到进一步塑化；（4）通过机头成型所需要的断面形状的制品。
现以管材挤出机头为例，分析一下机头的组成与结构，见图8-1所示。
1．口模和芯棒口模成型制品的外表面，芯棒成型制品的内表面，故口模和芯棒的定型部分决定制品的横截面形状和尺寸。
2．多孔板（过滤板、栅板）如图8-2所示，多孔板的作用是将物料由螺旋运动变为直线运动，同时还能阻止未塑化的塑料和机械杂质进入机头。
此外，多孔板还能形成一定的机头压力，使制品更加密实。
3．分流器和分流器支架分流器又叫鱼雷头。
塑料通过分流器变成薄环状，便于进一步加热和塑化。
大型挤出机的分流器内部还装有加热装置。
分流器支架要紧用来支撑分流器和芯棒，同时也使料流分束以加强搅拌作用。
小型机头的分流器支架可与分流器设计成整体。
4．调剂螺钉用来调剂口模与芯棒之间的间隙，保证制品壁厚平均。
5．机头体用来组装机头各零件及挤出机连接。
6．定径套使制品通过定径套获得良好的表面粗糙度，正确的尺寸和几何形状。
7．堵塞防止压缩空气泄漏，保证管内一定的压力。
二、挤出成型机头分类及其设计原则1．分类由于挤出制品的形状和要求不同，因此要有相应的机头满足制品的要求，机头种类专门多，大致可按以下三种特点来进行分类：（1）按机头用途分类可分为挤管机头、吹管机头、挤板机头等；（2）按制品出口方向分类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，如硬管机头；后者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（料流压力为MPa）、中压机头（料流压力为4-10MPa）和高压机头（料流压力在10MPa以上）。
2．设计原则（1）流道呈流线型为使物料能沿着机头的流道充满并平均地被挤出，同时幸免物料发生过热分解，机头内流道应呈流线型，不能急剧地扩大或缩小，更不能有死角和停滞区，流道应加工得十分光滑，表面粗糙度应在Ra 0.4um以下。
（2）足够的压缩比为使制品密实和排除因分流器支架造成的结合缝，依照制品和塑料种类不同，应设计足够的压缩比。
（3）正确的断面形状机头的成型部分的设计应保证物料挤出后具有规定的断面形状，由于塑料的物理性能和压力、温度等因素的阻碍，机头的成型部分的断面形状并非确实是制品的相应的断面形状，二者有相当的差异，设计时应考虑此因素，使成型部分有合理的断面形状。
由于制品断面形状的变化与成型时刻有关，因此操纵必要的成型长度是一个有效的方法。
（4）结构紧凑在满足强度条件下，机头结构应紧凑，其形状应尽量做得规则而对称，使传热平均，装卸方便和不漏料。
（5）选材要合理由于机头磨损较大，有的塑料又有较强的腐蚀性，因此机头材料应选择耐磨、硬度较高的碳钢或合金钢，有的甚至要镀铬，以提高机头耐腐蚀性。
此外，机头的结构尺寸还和制品的形状、加热方法、螺杆形状、挤出速度等因素有关。
设计者应依照具体情形灵活应用上述原则。
9.2 典型挤出机头及设计常见的挤出机头有管材挤出机头、吹管膜机头、电线电缆包覆机头、异形材料挤出机头等。
一、管材挤出机头及设计1．管材挤出机头的结构形式常见的管材挤出机头结构形式有以下四种：（1）直管式机头图8-3为直管式机头。
其结构简单，具有分流器支架。
芯模加热困难，定型长度较长。
适用于PVC、PA、PC、PE、PP等塑料的薄壁小口径的管材挤出。
（2）弯管式机头图8-4为弯管式机头。
其结构复杂，没有分流器支架，芯模容易加热，定型长度不长。
大小口径管材均适用,专门适用于定内径的PE、PP、PA等塑料管材成型。
（3）旁侧式机头图8-5为旁侧式机头，结构复杂，没有分流器支架，芯模能够加热，定型长度也不长。
大小口径管材均适用。
2．管材挤出机头零件的设计（1）口模口模是成型管材外表面的零件，其结构如图8-6所示。
口模内径不等于塑料管材外径，因为从口模挤出的管坯由于压力突然降低，塑料因弹性复原而发生管径膨胀，同时，管坯在冷却和牵引作用下，管径会发生缩小。
这些膨胀和收缩的大小与塑料性质、挤出温度和压力等成型条件以及定径套结构有关，目前尚无成熟的理论运算方法运算膨胀和收缩值，一样是依照要求的管材截面尺寸，按拉伸比确定口模截面尺寸。
所谓拉伸比是指口模成型段环隙横截面积与管材横截面积之比。
即 (8-1)式中I 为拉伸比，常用塑料承诺的拉伸比如下：PVC 为1.0～1.4，PA 为1.4～3.0；ABS 为1.0～1.1；PP 为1.0～1.2；HDPE 为1.1～1.2；LDPE 为1.2～1.5。
r ——口模内径；r 1——芯棒外径；R ——管材外径；R 1——管材内径。
口模定型段长度L1与塑料性质、管材的形状、壁厚、直径大小及牵引速度有关。
其值可按管材外径或管材壁厚来确定；L 1=（0.5～3）D （8-2）或 L 1=（8～15）t （8-3）式中 D ——管材外径；t ——管材壁厚。
（2）芯模芯模是成型管材内表面的零件，如图8-8所示。
直管机头与分流器以螺纹联接。
芯模的结构应有利于熔体流淌，有利于排除熔体通过分流器后形成的结合缝。
熔体流过分流器支架后，先通过一定的压缩，使熔体专门好地汇合。
为此芯模应有收缩角β，其值决定于塑料特性，关于粘度较高的硬聚乙烯，β一样30°～50°；关于粘度低的塑料β可取45°～60°。
芯模的长度L 1′与口模L 1相等。
L 2一样按下式决定：L 2=（1.5～2.5）D0 （8-4）式中D0——栅板出口处直径。
芯模直径d 1可按下式运算；d 1=d —2δ (8-5)式中δ—芯模与口模之间间隙；d —口模内径。
由于如上所述塑料熔体挤出口模后的膨胀与收缩，使δ不等于制品壁厚，δ可按下式运算： （8-6）212212212212R R r r R R r r I --=--=ππππkt =δ式中k—体会系数，k=1.16～1.20;t—制品壁厚。
为了使管材壁厚平均，必须设置调剂螺钉（图8-3件3）以便安装与调整口模与芯模之间间隙。
调剂螺钉数目一样为4～8个。
（3）分流器分流器的作用是使熔体料层变薄，以便平均加热，使之进一步塑化。
其结构如图8-8所示。
分流器与栅板之间的距离一样取10～20mm，或稍小于0.1D1（D1为挤出机螺杆直径）。
保持分流器与栅板之间的一定距离的作用是使通过栅板的熔体聚拢。
因此，该距离不宜过小，否则熔体流速不稳固，不平均；距离过大，熔体在此空间停留时刻较长，高分子容易产生分解。
分流器的扩张角α值取决于塑料粘度，低粘度塑料取α=30°～80°，高粘度塑料取α=30°～60°，α太大，熔体流淌阻力大；α过小，势必增大分流锥部分的长度。
分流锥的长度一样按下式确定：L3=（1～1.5）D0 （8-7）式中D0 ——栅板出口处直径。
分流器头部圆角r一样取0.5～2mm。
（4）分流器支架分流器支架设有进气孔和导线孔，用以通入压缩空气和内装置电热器时导入导线。
通入压缩空气的作用是为了管材的定径（内压法外径定型）和冷却。
分流器支架与分流器能够制成整体式的（图8-8），也可制成组合式的（图8-1）。
前者一样用于中小型机头，后者一样用于大型机头。
分流器支架上的分流筋的数目在满足支持强度的条件下，以少为宜，一样为3～8根。
分流筋应制成流线型的（图8-8A-A剖面），在满足强度前提下，其宽度和长度应尽量小些，而且出料端的角度应小于进料端的角度。
（5）定径套关于外径定型法，直径小于30mm的硬聚氯乙烯管材，定径套长度取管径的3-6倍，其倍数随管径减小而增加，当管径小于35mm时，其倍数可增至10倍。
关于聚烯烃管材，定径套长度为管径的2～5倍，其倍数随直径减小而增大。
定径套直径通常比机头口模直径大2%～4%，且出口直径比进口直径略小。
关于内径定型法，定径芯模长度取80～300mm，其外径比管材内径大2%～4%，以利于管材内径公差的操纵。
定径芯模锥度为1:1.6～1:10，始端大，终端小。
二、吹塑薄膜机头的结构及设计1．吹塑薄膜机头结构形式常见的吹塑薄膜机头结构形式有芯棒式机头、中心进料的“十字形机头”、螺旋式机头、旋转式机头以及双层或多层吹塑薄膜机头等。
（1）芯棒式机头图9-9（下页）所示芯棒式吹塑薄膜机头。
塑料熔体自挤出机栅板挤出，通过机颈5到达芯棒轴7时，被分成两股并沿芯棒分料线流淌，然后在芯棒尖处重新汇合，汇合后的熔体沿机头环隙挤成管坯，芯棒中通入压缩空气将管坯吹胀成管膜。
芯棒式机头内部通道空腔小，存料少，塑料不容易分解，适用于加工聚氯乙烯塑料。
但熔体经直角拐弯，各处流速不等，同时由于熔体长时刻单向作用于芯棒，使芯棒中心线偏移，即产生“偏中”现象，因而容易导致薄膜厚度不平均。
（2）十字形机头图9-10为十字形机头，其结构类似管材挤出机机头。
这种机头的优点是出料平均，薄膜厚度容易操纵；芯模不受侧压力，可不能产生如芯棒式机头那种“偏中”现象。
但机头内腔大，存料多，塑料易分解，适用于加工热稳固性好的塑料，而不适于加工聚氯乙烯。
（3）螺旋式机头图9-11为螺旋式机头，塑料熔体从中央进口挤入，通过带有多个沟槽由深变浅直至消逝的螺旋槽（也有单螺旋）的芯棒7，然后在定型区前缓冲槽汇合，达到平均状态后从口模挤出。
这种机头的优点是，机头内熔体压力大，出料平均，薄膜厚度容易操纵，薄膜性能好。
但结构复杂，拐角多，适用于加工聚丙烯、聚乙烯等粘度小且不易分解的塑料。
（4）旋转式机头图9-12为旋转式机头。
其特点是芯模2和口模1都能单独旋转。
芯模和口模分别由直流电机带动，能以同速或不同速、同向或异向旋转。
