挤出模具设计

1、挤出模具设计 第9章 挤出模具设计 9.1 概概 述述 9.1.1 挤出成型机头典型结构分析 9.1.2 挤出成型机头分类及其设计原则 9.2 典型挤出机头及设计典型挤出机头及设计 9.2.1 管材挤出机头及设计 9.2.2 吹塑薄膜机头的结构及设计 9.2.3 电线电缆包覆机头 9.2.4 异型材挤出成型机头 思考题及习题 挤出模具设计 9.1 概概 述述 塑料挤出成型是用加热的方法使塑料成 为流动状态，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很多，如管材、薄 膜、棒材、板材、电缆敷层、单丝以及异形 截面型材等。挤出机还可以对塑料进行混 合、塑

2、化、脱水、造粒和喂料等准备工序或 半成品加工。因此，挤出成型已成为最普通 的塑料成型加工方法之一。 挤出模具设计 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， 可以连续化生产，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很重要的地位。 挤出模具设计 机头是挤出成型模具的主要部件，它有下述四种 作用。 （1）使物料

3、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。 9.1.1 挤出成型机头典型结构分析 挤出模具设计 图8-2 多孔板 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。 挤

4、出模具设计 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。 分流器支架主要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调节螺钉 用来调节口模与芯棒之间的间隙，保证制品壁 厚均匀。 挤出模具设计 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。 挤出模具设计 9.1.2 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，

5、因此要 有相应的机头满足制品的要求，机头种类很 多，大致可按以下三种特征来进行分类： （1）按机头用途分类 可分为挤管机头、吹管机头、挤板机头等； 挤出模具设计 （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）。 挤出模具设计 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均匀地被挤 出，同时避免物料发生过热分解，机头

6、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 为使制品密实和消除因分流器支架造成的结合 缝，根据制品和塑料种类不同，应设计足够的压缩 比。 挤出模具设计 （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 因素的影响，机头的成型部分的断面形状并非就是制 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间有关，因此控制必要的 成型长度是一个有效的方法。 （4）结构紧

7、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，使传热均匀，装卸方便和不漏 料。 挤出模具设计 （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，所以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。设计者应根据具体情况灵活应用上述原 则。 挤出模具设计 9.2 典型挤出机头及设计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。 挤出模具设计 9.2.1管材挤出机头及设计 1管材挤出机头的结

8、构形式 常见的管材挤出机头结构形式有以下几种： （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。 挤出模具设计 （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,特别适 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，芯模可以加热， 定型长度也不长。大小口径管材均适用。 挤出模具设计 8-6 口模的结构 2管材挤出机头零件的设计 （1） 口模

9、 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，塑料因弹性恢复而发生 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 尚无成熟的理论计算方法计算膨胀和收 缩值，一般是根据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。 挤出模具设计 即 (8-1) 式中I为拉伸比，常用塑料允许的拉伸比如下：PVC为1.0 1.4，PA为1.43.0；ABS为1.01.1；PP为1.

10、01.2；HDPE 为1.11.2；LDPE为1.21.5。 r口模内径； r1芯棒外径； R管材外径； R1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； L1=（0.53）D （8-2） 或 L1=（815）t （8-3） 式中 D管材外径； t管材壁厚。 2 1 2 2 1 2 2 1 2 2 1 2 RR rr RR rr I 挤出模具设计 d1 L2L 图8-7 芯模结构 （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。 挤出模具设计 芯模的结构应有利于熔体流动，有利于消除

11、 熔体经过分流器后形成的结合缝。熔体流过分流 器支架后，先经过一定的压缩，使熔体很好地汇 合。为此芯模应有收缩角，其值决定于塑料特性， 对于粘度较高的硬聚乙烯，一般3050；对 于粘度低的塑料可取4560。芯模的长度L1 与口模L1相等。L2一般按下式决定： L2=（1.52.5）D0 （8-4） 式中D0栅板出口处直径。 芯模直径d1可按下式计算； d1=d2 (8-5) 式中芯模与口模之间间隙； d口模内径。 挤出模具设计 由于如上所述塑料熔体挤出口模后的膨胀 与收缩，使不等于制品壁厚，可按下式计 算： （8-6） 式中k经验系数，k=1.161.20; t制品壁厚。 为了使管材壁厚均匀，

12、必须设置调节螺钉 （图8-3件3）以便安装与调整口模与芯模之 间间隙。调节螺钉数目一般为48个。 k t 挤出模具设计 （3）分流器 分流器的作用是使 熔体料层变薄，以 便均匀加热，使之 进一步塑化。其结 构如图8-8所示。 图8-8 分流器及其支架 A-A A A a L3 挤出模具设计 分流器与栅板之间的距离一般取1020mm， 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 的熔体汇集。因此，该距离不宜过小，否则熔体 流速不稳定，不均匀；距离过大，熔体在此空间 停留时间较长，高分子容易产生分解。 分流器的扩张角值取决于塑料粘度，低粘度塑 料

13、取=3080，高粘度塑料取=3060 ， 太大，熔体流动阻力大；过小，势必增大分 流锥部分的长度。 挤出模具设计 分流锥的长度一般按下式确定： L3=（11.5）D0 （8-7） 式中D0 栅板出口处直径。 分流器头部圆角r一般取0.52mm。 挤出模具设计 （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可以制成整体式的（图8- 8），也可制成组合式的（图8-1）。前者一般用于 中小型机头，后者一般用于大型机头。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

14、少 为宜，一般为38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。 挤出模具设计 （5）定径套 对于外径定型法，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。 对于聚烯烃管材，定径套长度为管径的25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。 对于内径定型法，定径芯模长度取80300mm， 其外径比管材内径大2%4%，以利于管材内径公差 的控制。定径芯模锥度为1:1.6

15、1:10，始端大，终端 小。 挤出模具设计 9.2.2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动，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。 挤出模具设计 a d1 D 图8-9 芯棒式机头 4-上模体 5-机颈 6-螺母 7-芯棒轴 8-下模体 1-芯棒（芯模） 2-口

16、模 3-压紧圈 压缩空气 8 H t h 6 7 d 5 2 1 3 4 熔融塑料 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 由于熔体长时间单向 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 均匀。 挤出模具设计 （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 料均匀，薄膜厚度容易控 制；芯模不受侧压力，不 会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，适用于加工热稳定性 好的塑料，而不适于加工 聚氯乙烯。

17、4-进气管 5-分流器支架 6-机体 1-口模 2-分流器 3-调节螺钉 6 4 5 图9-10 十字形机头 挤出模具设计 （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失的螺 旋槽（也有单螺旋）的芯棒7，然后在定型区前 缓冲槽汇合，达到均匀状态后从口模挤出。 这种机头的优点是，机头内熔体压力大，出 料均匀，薄膜厚度容易控制，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。 挤出模具设计 （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

18、速或不同速、同向或异向 旋转。 采用这种机头可克服由于机头制造、安 装不准确及温度不均匀造成的塑料薄膜厚度 不均匀，其厚度公差可达0.01mm。它的应用 范围较广，对热稳定性塑料和热敏性塑料均 可成型。 挤出模具设计 2 机头几何参数的确定 如图9-9所示的芯棒式机头，环形缝隙宽 度t一般在0.412.mm范围内，如果t太小，则 机头内反压力很大，影响产量；如果t太大， 则要得到一定厚度的薄膜，必须加大吹胀比 和拉伸比。机头定型区高度h应比t大15倍以上 ，以便控制薄膜的厚度，H 应大于2倍d1。 挤出模具设计 为了避免制品产生接合缝，芯棒尖处到模口处 的距离应不小于芯棒轴直径d1的两倍（图8

19、-9），并 在芯棒头部设12个缓冲区，以利于熔体很好汇合。 应尽量使塑料熔体自分流到达机头出口处流动的距 离相等，流道畅通，无死角。芯棒扩张角一般取 8090，也可达到100，但过大，会增大熔体 流动阻力。芯棒斜流道尖处应认真设计与加工，不 能太尖，也不能太钝，必要时应经过试验确定，以 免影响产品质量 。 机头进口部分的横截面积与出口部分的横截面 积之比（压缩比）至少为2。但压缩比过大，熔体流 动阻力大。对于聚氯乙烯等塑料，这种压缩比不宜 过大。 挤出模具设计 9.2.3电线电缆包覆机头 裸金属单丝或多股金属芯线上包覆塑料绝缘 层的称为电线，一束彼此绝缘的导线上或不规则 芯线上包覆塑料绝缘层的

20、称为电缆。通常用挤压 式包覆机头生产电线；用套管式包覆机头生产电 缆。 挤出模具设计 1挤压式包覆机头 图9-13为挤压式包覆机头。熔体进入机头体，绕 过芯线导向棒，汇集成环状后经口模成型段，最后 包覆在芯线上。由于芯线连续不断地通过导向棒， 因而电线生产过程连续地进行。 改变（或更换）口模尺寸、挤出速度、芯线移动 速度及移动导向棒轴向位置，都可以改变塑料绝缘 层厚度。 图9-13b为口模局部放大图。其成型段长度L=(1.0 1.5)D，M=(1.01.5)D。 这种机头结构简单，调整方便，但芯线与塑料绝 缘层同心度不够好。 挤出模具设计 2套管式包覆机头 图9-14为套管式包覆机头。它与挤压

21、式包覆机头不同 之处是，挤压式包覆机头是在口模内将塑料包覆在芯 线上，而套管式包覆机头则是将塑料挤成管，在口模 外靠塑料管收缩包覆在芯线上，有时借助真空使塑料 管更紧密地包覆在芯线上。 包覆层厚度随口模与导向棒（芯模）间隙值、挤出速 度、芯线移动速度等的变化而变化。口模定型段长度 不宜太长（L0.5D），否则，机头背压过大，影响 生产率和制品表面质量 。 挤出模具设计 8.2.4异型材挤出成型机头 塑料异形材具有优良的使用性能，用途广泛。按异形材截面特征 分为五大类（图8-15所示）： 1）封闭中空异型材（图8-15a） 2）半封闭异型材（图8-15b） 3）开式异型材（图8-15c） 4）复

22、合式异型材（图8-15d） 复合异型材有两种，一种是不同塑料或同一种塑料不同颜色共挤 复合；另一种是塑料与木材、金属、纤维织物共挤镶嵌复合。 5）实芯异型材（图8-15e） 为使挤出工艺顺利进行和保证制品质量，必须认真设计异型材的 结构形状及尺寸。 a) b) c) d) e) 图8-15 异型材挤出机头 挤出模具设计 1流线形挤出机头 如图9-16所示， 这种机头截面变化特征是，从圆 形逐渐变为所需要异形截面。当异型材截面高度小 于机筒内径而宽度大于机筒内径时，机头体内腔扩 张角70，收缩角=2550。 这种挤出机头挤出的制品质量好，但机头加工难 度大，成本高。为了改善加工性，口模和芯模可采 用拼合结构，