挤出成型工艺与模具设计

挤出成型工艺与模具设计1第1页，共42页，2023年，2月20日，星期一§17-1

挤出成型原理及工艺

挤出模塑或挤塑

借助螺杆或柱塞的挤压作用，受热熔化的塑料，强行通过口模而成为具有恒定截面的连续型材。所有热塑性塑料，某些热固性塑料

生产的制品有——管材、板材、棒材、片材、薄膜、单丝、线缆包履物、各种异型材及塑料与其它材料的复合物。第2页，共42页，2023年，2月20日，星期一约占热塑性塑料制品的50～70%左右挤出成形是生产效率高、用途广泛、适应性强的最重要成形方法之一。第3页，共42页，2023年，2月20日，星期一根据塑料塑化方式不同，挤出工艺分为：干法——靠外加热熔化，塑化与挤出成形在机内完成（简单的冷却→固化）湿法——

有机溶剂作用→粘流态→塑化在机外预先完成→定型处理靠溶剂挥发而固化）

优点：塑化均匀，可避免热降解，考虑溶剂回收及环境污染等，生产中较少应用故多为干法（湿法仅用于硝酸纤维素和少数醋酸纤维素塑料等的成形，不能加热塑化）第4页，共42页，2023年，2月20日，星期一按加压方式的不同，挤出工艺分：

连续式——螺杆式挤出机：单螺杆挤出机多螺杆挤出机间歇式——柱塞式挤出机本节主要以单螺杆挤出机的结构特点来讨论挤出成形的原理及工艺。第5页，共42页，2023年，2月20日，星期一一、单螺杆挤出机的基本结构及作用

由传动系统、挤出系统、加热和冷却系统、控制系统等几部分组成。（此外，还有一些辅助设备）挤出系统是成形关键部分，主要包括——加料装置、料筒、螺杆、机头和口模等

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（一）加料装置

（二）料筒

一金属圆筒，一般用耐温、耐压强度较高、坚固耐磨、耐腐的合金钢或内衬合金钢的复合钢管制成。

外面设有分段加热和冷却的装置常用电阻或电感应加热，也有采用远红外线加热。冷却一般用风冷或水冷。

目的：防止塑料过热或停车时须对塑料快速冷却（以免降解）（三）螺杆是挤出机最主要部件，直接关系到挤出机的应用范围和生产率。第7页，共42页，2023年，2月20日，星期一第8页，共42页，2023年，2月20日，星期一[注]：

1）螺杆的几何结构参数直径、长径比、压缩比、螺槽深度、螺旋角、间隙等a．螺杆直径Ds——外径（30~200mm），最常见60~150mm，随Ds↑→生产能力↑所以，挤出机规格常以Ds表示。b．长径比（L/DS）

L/DS以25居多。

第9页，共42页，2023年，2月20日，星期一c．压缩比A——加料段第一个螺槽的容积与均化段最后一个螺槽的容积之比，表示塑料通过螺杆的全过程被压缩的程度。

第10页，共42页，2023年，2月20日，星期一2）螺杆的作用

三大作用输送物料——向机头方向流动传热塑化物料——软化物料→粘流态混合均化物料——与料筒和机头相配合→强大剪切作用，使物料均匀混合→定量定压由机头挤出。三段——加料段、压缩段、均化段

第11页，共42页，2023年，2月20日，星期一渐变螺杆——全长均起压缩作用。突变螺杆——压缩段很短，甚至一个螺距。（结晶型塑料，熔融温度范围窄，如尼龙等）第12页，共42页，2023年，2月20日，星期一3）螺杆的形式——普通螺杆（应用最广）

高效螺杆（末端设置一些剪切混合元件，以促进混合、熔化和提高产量）

第13页，共42页，2023年，2月20日，星期一第14页，共42页，2023年，2月20日，星期一（四）机头和口模

机头是口模与料筒的过渡连接部分，口模是制品的成形部件，机头和口模通常为一体，习惯上统称——机头。作用：1）使粘流态物料从螺旋运动变为平行直线运动→导入口模成型2）产生回压，进一步均化，提高制品质量。3）产生必要成型压力→结构紧密，形状准确制品第15页，共42页，2023年，2月20日，星期一（如图）挤出机机头和口模示意图。第16页，共42页，2023年，2月20日，星期一二、挤出成形原理

固体进料的挤出过程，塑料要经历固体——弹性体——粘性液体的变化，变动的温度、压力，状态变化和流动行为十分复杂，挤出理论应用最广的是——固体输送理论、熔融理论和熔体输送理论

第17页，共42页，2023年，2月20日，星期一三、挤出成形工艺与过程

程序为——物料的干燥、成形、制品的定型与冷却、制品的牵引与卷取（或切割），有时还包括制品的后处理等。（一）原料干燥控制水分含量在0.5%以下

在烘箱或烘房内进行（表17.1）第18页，共42页，2023年，2月20日，星期一（二）挤出成形

加热到预定温度，开动螺杆，加料。

根据挤出工艺性能、机头口模结构特点等调整料筒各加热段和机头口模的温度及螺杆的转速等工艺参数，以控制料筒内物料的温度和压力分布。根据制品的形状和尺寸要求，调整口模尺寸和同心度及牵引等设备装置，以控制挤出物离膜膨胀和形状的稳定性→控制挤出物产量和质量

第19页，共42页，2023年，2月20日，星期一不同的塑料品种要求螺杆特性和工艺条件不同。

（下表）

主要热塑性塑料挤出成形时螺杆特征和工艺条件第20页，共42页，2023年，2月20日，星期一（表17.2）第21页，共42页，2023年，2月20日，星期一料筒、机头及口模中的温度和压力分布一般如图所示

第22页，共42页，2023年，2月20日，星期一影响塑化效果的主要因素是——温度和剪切作用1）温度升高→物料粘度↓，有利于塑化，同时熔体压力↓，出料快。2）温度降低→粘度↑→机头口模压力↑→制品密度大，形状稳定性好。

3）口模和型芯温度应该一致，若相差太大→制品出现向内或向外翻，甚至扭歪。

4）增大螺杆转速→强化对塑料的剪切作用→有利于塑料的混合和塑化

第23页，共42页，2023年，2月20日，星期一降低熔体的粘度（见左图）和提高料筒中物料的压力（见右图）第24页，共42页，2023年，2月20日，星期一（三）定型与冷却

若不及时，制品在自重作用下发生形变。大多数同时进行。（下图）两种挤出圆管的定径套

冷却一般采用空冷或水冷。冷却速度对制品的性能有一定影响。

第25页，共42页，2023年，2月20日，星期一第26页，共42页，2023年，2月20日，星期一（四）制品的牵引和卷取（切割）

从口模挤出后，一般要产生离模膨胀现象，使挤出物尺寸、形状发生改变；同时制品从口模挤出后，愈来愈重，若不引出→堵塞→停滞生产，破坏挤出的连续性，并使后面挤出物发生形变管材的牵引设备——滚轮式、履带式牵引速度稍>挤出速度

第27页，共42页，2023年，2月20日，星期一定型冷却后的制品进行卷绕或切割。软质型材在卷绕到给定长度或质量后切断；硬质型材从牵引装置送出达到一定长度后切断。第28页，共42页，2023年，2月20日，星期一（五）后处理

提高制品性能（有些需要）后处理——热处理和调湿处理

如：由狭缝扁平口模直接挤出片材经拉伸而得的薄膜，应在材料Tg~Tf(或Tm)间热处理（热定型），提高薄膜尺寸稳定性，减少使用过程热收缩率。第29页，共42页，2023年，2月20日，星期一四、典型挤出制品成形工艺

包括管材、棒材、板材、吹塑薄膜、塑料电线电缆等，以塑料管材挤出为例。有硬管、软管，主要挤管塑料有——聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、尼龙、ABS和聚碳酸酯等，目前国内以聚氯乙烯为主。介绍硬聚氯乙烯管材的成形工艺及设备

第30页，共42页，2023年，2月20日，星期一1.基本工艺

2．设备挤出机、机头口模、定型装置、冷却水槽、牵引及切割装置等，机头口模、定型装置是管材挤出的关键部件。

第31页，共42页，2023年，2月20日，星期一（1）机头和口模

机头是管材的成形部件，分直通式——用得最多（上图）

直角式（图17.4）

旁侧式（图17.5）机头包括——分流器、分流器支架、管芯、口模和调节螺钉等分流器——又称鱼雷头第32页，共42页，2023年，2月20日，星期一第33页，共42页，2023年，2月20日，星期一扩张角α（30°~

90°）一般取60°；分流锥长度L3=1~1.5D（D见上图）分流器支架——支撑分流器及管芯；管芯——成形管材内表面，收缩角β<α；粘度大→β↓、粘度小→β↑机头压缩比A=3~10第34页，共42页，2023年，2月20日，星期一口模结构见下图第35页，共42页，2023年，2月20日，星期一（2）管材的定径和冷却

硬聚氯乙烯管的定径——定径套：

定外径——外径尺寸要求高；定内径——内径尺寸要求高。我国硬聚氯乙烯管的标准——外径带公差→主要采用外径定型法，外径定型法：内压法（下图）——直径较大管材

抽真空法（下图）——小直径管材内径定型装置（下图）——用于直角式、旁侧式第36页，共42页，2023年，2月20日，星期一第37页，共42页，2023年，2月20日，星期一第38页，共42页，2023年，2月20日，星期一（3）管材牵引和切割

牵引速度比挤管速度大1%~10%，且无级调速，要求均匀平稳、无跳动。牵引夹持装置：滑轮、履带，夹持器可调节→适应各种D和牵引力要求，不打滑切割装置——电动机带动的圆锯片。[注]：棒材和各种中空异型材的挤出成形工艺与管材无本质差别，只是机头口模截面形状有所不同。第39页，共42页，2023年，2月20日，星期一[注]棒材、薄膜吹塑、板材和片材、

异形材、线缆包覆挤出成型机头设计此外，双螺杆挤出热固性塑料的挤出——往复式液压机（主要成形酚醛塑料等）

反应式挤出——机内发生物理变化的同时发生化学反应，