论挤出平模头设计和加工的优化升级

1、挤出（extrude）这个词由拉丁文“ex”（离开）和“trudere”（推）组成，形象地描述了施加压力驱使材料通过模具成型”的挤出过程。挤出平模头（下文简称为“模头”）生产线工作时，通常是将粉状或粒状形态的聚合物加入到挤出机机筒中挤出（extrude）这个词由拉丁文“ex”（离开）和“trudere”（推）组成，形象地描述了施加压力驱使材料通过模具成型”的挤出过程。挤出平模头（下文简称为“模头”）生产线工作时，通常是将粉状或粒状形态的聚合物加入到挤出机机筒中，在螺杆的作用下，聚合物沿螺槽或机筒向前移动，并逐渐熔融成为黏流体，然后通过设置在机筒端部的模头，形成与模具的口模形状相仿的连续体，最后

2、经冷却定型，便可成型为所需要形状的制品，形状分为板、片、膜，目前主要应用于建筑、医药、包装、家电、太阳能等行业。模头是挤出生产的核心部分，它设计的合理性直接影响着生产效率、制品精度、模具寿命等诸多方面，因而研究挤出模头设计尤为重要。传统模头设计目前，国内的许多模头制造企业还停留在简单的模仿阶段，企业在设计模头时主要依靠测绘、经验和简单的人工计算，设计出的模头缺乏理论数据的支撑，从而导致模头在试模过程中需经过多次修模，才能使模头符合生产要求，情况严重的，会直接导致模头报废，造成时间和经济上的损失。因此，传统的设计方法不仅延长了模具的设计制造周期，而且在试模和修模过程中耗费大量的人力、物力和财力。

3、传统模头加工在传统的模头加工企业中，模头外形和流道的加工，主要依靠三轴加工中心，其主轴最高转速一般在30006000转/分钟，这种加工方式技术比较成熟，但因为机床条件限制，加工结构稍复杂的模体时，至少需要人工翻多个角度加工，从而导致产品精度差、表面光洁度差等缺点。模头的加热棒孔、孔和螺纹的加工，主要依靠普通钻床。这种加工方式带来孔径公差大、表面光洁度差、垂直度差等缺点，容易出现螺纹滑丝、加热不均匀等现象，导致模头漏料、螺钉卡死、加热棒容易烧坏等严重后果。在模头的表面处理方面，还停留在单一的镀铬，虽然它有加工成本低、传统工艺成熟、维修退镀方便等优点，但是缺点也非常明显：表面有网纹结构，模唇尖角处

4、理条件一般，在生产中模唇容易挂料，而且不容易调节制品的厚薄。综上所述，传统的设计和加工方法，缺少自己核心的技术和数据支持，仅适用于要求不高的低端产品或技术相对成熟的产品。模头设计的优化在新材料应用呈井喷发展的今天，传统的设计和加工方式已无法适应其发展需求，就目前的发展情况来看，我国正积极进行着工业转型升级，以自动化、数字化为基础的智能化生产逐步被关注和应用，这不仅将改造提升传统产业，也促进先进制造业的发展。当然，工业的转型升级势必需要巨大的资金投入，国内也只有个别具有前瞻意识、实力雄厚的企业，率先引进了欧美、日本等国先进的设备和分析软件，比如原材料分析仪、有限元分析软件、五轴高速加工中心、精密

5、磨床等，来提升模头设计的合理性和加工的精准性。就此，我们来感受先进技术带来的模头设计革新。塑料原料的检测因为模头的设计主要是由塑料原材料的特性所决定的，所以首先必须全面了解塑料原料的属性。只有对其粘度、剪切速率、加工工艺温度、热传导率及膨胀系数等进行一个有效的分析和技术掌控，才能研制出完全符合生产需求的模头。许多制品厂家在生产过程中存在一个误区，认为同一套模具可以生产多种原料，其实每一套定制的模头都具有唯一性，如果用不同原料进行生产，将导致制品达不到既定的质量要求，情况严重的将损坏模头。（见图1）流道的模似分析流道是平模头的心脏，流道设计的合理性，直接决定了产品的质量。理想的设计方法是根据塑料

6、原料特性，以及对制品厚度与线速度的要求，对比歧管式、衣架式、鱼尾式等流道的优缺点，利用有限元分析软件，设计出最小停滞时间、最适合的压力、最均匀的流速曲线以及避免产生剪切热的流道。虽然在进行流道模拟分析时有数据的结果，但是要在各项数据中提取最优化的配比，就需要技术全面的工程师，既要全面的了解塑料原料的各项特性，又要精通最终产品的生产工艺。（见图2）模头结构的优化分析当我们开始模头设计时，先是根据生产工艺的要求来确定结构，结构的合理性对模头使用的稳定性、寿命等有很大的影响。不合理的结构，可能出现模头变形、漏料、加热不均等现象。因此模头结构的设计也需要深入地分析： 结构刚度的分析：由于制品的生产是一

7、种高压挤出生产工艺，特别是生产PVC发泡板、PVC保鲜膜等模头，其生产的模腔压力通常会达到20-40MPa，为了保证模头的质量，必须通过刚度的分析，以免模头变形导致的出料不均和漏料的情况。（见图3） 材料疲劳的分析：一般平模头都带弹性微调装置，如图4所示，其A处的数值，对调节的灵敏性以及稳定性起决定性作用。若数值过小，微调灵敏性过高，造成模头出料不稳定且容易造成此处塑性变形*；若数值过大，则模唇开口可调节范围减少，操作费力。只有通过模拟分析，才能得出最适合的数值。（见图5） 热传导的分析：以前的设计往往忽略了加热均匀性对塑料的影响（特别是热敏性材料），合理的加热棒功率和排布间隔，既能够稳定地给

8、塑料所需的热量，又能避免热能损耗（节能，降低生产成本）。（见图6）模头钢材选择和热处理我们都知道模头是由钢材加工而成，选择钢材的重要性就不言而喻，一般在选择时主要考虑钢材是否满足模头的工作条件、是否具有良好的加工性以及经济性等指标。现在再加上模头结构的分析结果和塑料原料的特性，设计师在选择钢材时有了数据的引导，更能得心应手。为了使金属工件具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能，除合理选用材料和各种成形工艺外，热处理工艺往往是必不可少的，同一种金属采用不同的热处理工艺，可获得不同的组织，从而具有不同的性能。因此，热处理是机械制造中的特殊工艺过程，也是质量管理的重要环节，在选择模具钢时也必须考虑

9、钢材的热加工处理带来的质量问题。模头的精密加工挤出平模头的结构相对比较简单，但在精度和表面光洁度方面要求比较高，所以对加工设备也提出了很高的要求，这里将详细介绍模头流道、外形、孔类以及流道“精密柔性抛光”的一体化加工方式。五轴高速加工中心一体化此加工方式整合了铣、钻、磨功能，机床主轴转速可以达到1500020000转/分钟，并可以任意角度旋转，可以充分利用铣刀最佳切削区域进行加工，并无需人工对工件进行位置调整，适合各种外形及流道的加工，所以无论是加工精度、表面光洁度和加工效率都能得到很大提升。这里我们还将提出一个全新的概念精密柔性抛光，这一技术在流道由铣刀精加工后，可直接换成装有砂轮头带柔性的

10、特制夹头，其最高转速可达50000转/分钟，用此方法加工得到的表面光洁度可达Ra0.20.3，可以减少7080%抛光工作量，直线度和平整度是手工抛光的23倍。模头上所有的孔（除加热棒孔）都由加工中心承担加工任务，能得到高垂直度与高精度的孔和螺纹孔，从而克服传统加工方式产生的弊端。（见图7）模头加热棒孔的精细加工在实际加工中，生产技术人员往往会忽视加热棒孔加工，认为只要能把加热棒放进去就算合格。其实其孔径的精度直接影响模头的质量，在孔径过小时，加热棒容易出现卡死，无法取出；孔径过大时，加热棒无法与模体紧密贴合，热传导慢，影响加热棒使用寿命，甚至出现立即烧坏现象。采用数控深孔钻机床加工，可以有效地

11、保证孔径的精度，并得到较高的光洁度、高精密的配合公差，使加热棒充分发挥其性能，并延长加热棒的使用寿命，减少电能损耗。模头表面的处理在传统的镀铬基础上，增加碳化钨和纳米钻石合金处理技术，以满足不同的使用需求。模唇碳化钨处理加工技术，是针对模唇定型部位进行碳化钨喷涂，并通过精密磨床及专用磨具进行精密磨屑。其优点是：表面硬度可达HV11001300，模唇尖角R0.01mm，表面摩擦系数非常小。此项技术适合于涂复模头，特别是接触式涂复模头，模唇口的高耐磨性，延长了模头的使用寿命。纳米钻石合金表面处理技术，属于多层复合涂覆技术，涂层成分包括镍、硼、麟、纳米钻石等组成。其优点是：表面没有网纹现象，耐磨性和耐腐蚀性是镀硬铬的23倍。此项技术适合于生产高端薄膜的模头，即便是经常性的清理模唇和模腔时，也不会划伤模头流面，延长了模头的使用寿命。结语综上所述，优化后模头的设计流程（如图8），根据客户提供的材料，分析其数据，再经过反复模拟分析，最后得出最优的设计方案。此方法有大量的理论数据支撑，避免传统设计存在的各种弊端，并通过一整套精密的加工方式和完善的质量检测体系，保证了设计方案得到完美的实现。当然，模头的生产周期也是一项重要的指标，经过前期所做的大量的设