挤出模具设计 8-1概述 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。 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二分之一以上 。因此，挤出成型在塑料加工工业中占有很重 要的地位。 8-1.1挤出成型机头典型结构分析 机头是挤出成型模具的主要部件，它有下述四 种作用。 (1)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。 1-模具体 2-分流锥 3-分流锥支架 4-中套 5-压 盖 6-口模 7-芯轴 8-定径套 9-气堵 10-进气管 现以管材挤出机头为例，分析一下机头的 组成与结构，见图所示。 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 制品横截面形状和尺 寸。 2多孔板（过滤板、栅板） 如图所示，多孔板的作用是 将物料由螺螺旋运动变为直 线运动，同时还能阻止未塑 化的塑料和机械杂质进入机 头口此外，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问的 间隙，保证制品壁厚均匀。 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 8.1.2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，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： (l)按机头用途分类 可分为挤管机头、吹管机头、挤板机头等； 挤管机头 吹管机头 挤板机头 (2)按制品出品方向分类 可分为直向机头和横向机头，前者机头内料流 方向一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螺杆轴向成某一角度， 如电缆机头。 直向机头 1芯线 2导向棒 3机头体 4电热器 5调节螺钉 6口模 7包覆塑件 8过滤板 9挤出机螺杆 横向机头 挤出电缆 (3)按机头内压力大小分类 可分为: 低压机头（料流压力100公斤厘米2）。 2设计原则 (l)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。 压缩比：是指模具体 内熔料流道空腔中， 进料端最大截面积与 口模处环形空腔截面 积之比。压缩比一般 取4 10，如果熔料粘 度较高，取压缩比在 2.56 (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。 离模膨胀 拉伸比 (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，使传热均匀，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，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。 8.2典型挤出机头及设计 常见的挤出机头有： 管材挤出机头、 电线电缆包覆机头 异型材挤出机头 常见的管材挤出机头结构形式有以下三种： (1)直管式机头 图示为直管式机头。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。是挤出成型塑料 管材应用最广泛的一种模具结构 1管材挤出机头的结构形式 (2)弯管式机头 右图为弯管式机头 ，其结构特点是内部 不设分流器支架，熔 体在机头中包围芯棒 流动成型，因此只产 生一条分流痕迹。这 种机头最突出的优点 是：挤出机机筒容 易接近芯棒上端，芯棒容易被加热；与它配合的冷 却装置可以同时对管材的内外径进行冷却定型，所 以定型精度较高：流动阻力较小，料流稳定，出料 均匀，生产率高，产品质量好。但结构复杂，制造 困难，生产占地面积较大。 PP PE 应用 ：医用管材内径定型PVC管成型模具 内径定型管材挤出成型模具结构，多在成型 医用管材中应用。此种塑料管多是透明，内、 外壁光滑的小直径管。模具结构不同于通用塑 料成型模具之处，是设有内径冷却定型装置。 生产时、内径冷却定型装置在管坯内通过，为 挤出模具的管坯冷却降温定型；内径冷却定型 装置的外圆直径与管的内孔直径尺寸相符（或 略大些），内有冷却水通过。 (3)旁侧式机头 图示为旁侧式 机头。综合了直 向式和横向式的 优点。物料经改 变方向消除了横 向机头一次变向 所造成的不均匀 现象。占地面积 小。 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。挤出阻力大 1芯线 2导向棒 3机头体 4电热器 5调节螺钉 6口模 7包覆塑件 8过滤板 9挤出机螺杆 电线电缆包覆机头 异型材挤出机头 这种结构中的模具 零件安装，拆卸都 比较方便；分流锥 支架的外圆与模具 体内表面采用H7/h6 级精度配合定位， 保证了分流锥、分 流锥支架和芯轴间 用螺纹连接后，三 者与模具体在同一 条中心线上的配合 精度。 小型（直径50mm） 硬管挤出模具 右图所示 图中的芯 轴上设有R 形凸台， 这对熔料 经过分流 锥支架肋 时产生的 熔料接合 线消除有 利，可使 管材更密实，内表面光洁。这种模具结 构既可成型硬质PVC管，也可成型软质PVC管。定 径套与口模连接，成型的管坯挤出定径套后即进入 水槽冷却定型 下图所示是成型管材直径小于80mm用成型模具 结构。采用内压法定径，定径套外腔是带有能通 冷却循环水的环形套，冷却管坯；生产时，通过 分流锥支架肋上的小孔，把压缩空气输入管坯内 ，管坯前端装有气堵，防止管内压缩空气逸出。 分流锥、支架和芯轴也是用螺纹连接成一体，依 靠分流锥支架外圆与模具体内圆紧密配合定位。 保证分流锥、支架和芯轴与模具体装配后的同心 精度。 （直径80mm）硬管 挤出模具 50 管 与 25 管 对 比 （直径90120mm） 硬管挤出模具 图示模具成型的管材直径较大些（一般管 直径在90125 mm范围）。模具结构与前两种结 构不同处，是分流锥、分流锥支架和芯轴，三 件由螺纹连接组合成一体后，是从模具体的左 端（图示方向）装入模具体内，口模是从模具 体右端（图示方向）装入模具体内；定径套外 腔可采用能通冷却循环水的环形套，也可用带 有抽真空腔段的冷却定径环形套。 这种真空定径套与口模的出料口端2050mm距 离，挤出口模的管坯先经空气冷却，表面形成 光滑冷层面后再进入真空定径套。生产厚壁管 时，既可借助管内的压缩空气把管坯吹胀，又 可用真空吸附着外表面紧贴在定径套内圆表面 ，保证了厚壁管冷却定型质量。 为了模具零件机械加工和组装的方便，把模 具体分成两段，机械加工后，组装时用螺钉连接 固定。 连接模具体的、与分流锥外圆为配合基准的 结合圆要采用H7/h6精度配合，以保证模具体内 表面装配后的同心度和接触面过渡处不出现凸凹 台现象。图中芯轴上设有弧形凸台、这对熔料经 过分流锥支架肋后、产生的熔料结合线消除有利 ，改进了熔料塑化质量、使产品质量得到进一步 提高。 （直径150200mm）硬管挤出模具 图示是较大直径（250 315 mm）塑料管 成型模具结构。为了机械加工和组装的方便， 把有较大重量的模具体分成三段，由螺钉连接 成一体；连接接触面设计成锥形，这使组合的 三个零件连接牢固可靠，同心度精度高，不会 出现位移、保证了装配精度。较大直径的芯轴 为中空型、这既可减轻芯轴重量、又可在空腔 内安装电阻加热器，这既可加速模具芯轴的加 热升温，又提高了熔料的塑化质量。组装后的 模具体较重，应配置装运用吊环。 塑料管材挤出模具设计 口模 芯棒 分流锥 模具体 定径套 1)口模 口模是成型管材外表面的零 件，其结构如图所示。 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 几寸，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比 。 式中I为拉伸比 常用塑料允许的拉伸比如下： r口模内径； rl芯棒外径； R 管材外径： R1管材内径。 PVC1.01.4 PA1.43.0 ABS1.01.1 PP1.0.1.2 HDPE1.11.2 LDPE1.21.5 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： 口模结构尺寸从图中可 以看到，主要是平直段 长度、内径和压缩角。 平直段（也叫定型段） 长度L1=(0.53)D 内径 d1= D/k 式中D 管材外径( mm) k系数，k=1. 011.06。 压缩角取14 50 之间。 (2)芯模 芯模是成型管材内表面的零件，如图所示。 直管机头与分流器以螺纹联接。 芯轴结构中的主要尺寸是平直段直径、长 度及收缩角。一般规律是芯轴平直段长度与 口模平直段长度相等或略长些，可在L1 =(1 2.5)D范围内选择；也可按表所示经验数据选 择。 芯模的结构应有利于熔体流动，有利于消除 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，芯模的长度L l 与口模 L1相等。芯轴收缩角应小于分流锥的扩张角，以 利于分流锥支架肋造成的熔料结合线在此处能尽 快消除。这个收缩角的选择要注意熔料粘度的大 小，粘度大时应取较小的收缩角，如PVC 料取 =10 30 ，粘度较小 的PE料取 =25 40 芯模直径d1可按下式计算： d1=d-2 式中 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，使不等于制品壁厚，可按下式计算 ： 式中k经验系数， t 制品壁厚， k=1.16 1.20; 为了使管材壁厚均匀，必须设置调节螺钉