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第3章 挤出成型工艺与模具结构,3.1 挤出成型原理和工艺过程,挤出成型一般用于热塑性塑料的管材、棒材、板材、薄膜、线材等连续型材的生产,所得到的塑件均具有稳定的截面形状。挤出成型在热塑性塑料成型中是一种用途广泛、所占比例很大的价格方法。,首先将粒状或粉状塑料加入料斗中,在挤出机螺杆的作用下,加热的塑料沿螺杆的螺旋槽向前方输送。塑料不断接受料筒的外加热和摩擦热,逐渐熔融呈黏流态,然后在挤压系统的作用下,塑料熔体通过具有一定形状的挤出模具,从而获得具有一定截面形状的塑料型材,如下图所示。,3.1.1 挤出成型原理和特点,1挤出成型原理,PVC挤出成型视频,2挤出成型的特点,(1)连续成型,生产量大,生产率高,成本低。 (2)塑件截面恒定,形状简单。 (3)塑件内部组织均衡紧密,尺寸比较稳定准确。 (4)适用性强,能加工多数热塑性和部分热固性塑料。,3.1.1 挤出成型原理和特点,经过干燥处理的塑料原料加入挤出机料筒后,在料筒温度和螺杆旋转、压实及混合作用下,由固态的粒状或粉状转变为具有一定流动性的均匀熔体,这一过程称为塑化。,3.1.2 挤出成型的工艺过程,1塑化阶段,塑化,成型,定型,牵引,切断,2挤出成型阶段,均匀塑化的塑料熔体随螺杆的旋转向料筒前端移动,在螺杆的旋转挤压作用下,通过一定形状的口模而获得与口模形状一致的型材。,塑化,成型,定型,牵引,切断,3.1.2 挤出成型的工艺过程,3定型冷却阶段,塑件离开机头口模后,通过定型装置和冷却装置,冷却变硬而定型。在大多数情况下定型和冷却是同时进行的,但在挤出各种管材和棒材时,有一个独立的定型过程。冷却一般采用空气冷却或水冷却,冷却速度对塑件性能有很大影响。,3.1.2 挤出成型的工艺过程,4塑件的牵引、切割和卷取,塑件从口模挤出后,一般会因压力的解除而发生膨胀现象,而冷却后又会产生收缩现象,使塑件的形状和尺寸发生改变。如果不加以引导,就会造成塑件停滞,使塑件不能顺利挤出。因此,在冷却的同时,要连续均匀地将塑件引出,这就是牵引。 通过牵引的塑件可根据使用要求在切割装置上裁剪(如棒材、管材、板材、片材等)或在卷取装置上绕制成卷(如薄膜、单丝、电线电缆等)。,塑化,成型,定型,牵引,切断,3.1.2 挤出成型的工艺过程,温度是挤出成型中的重要参数之一。严格地说,挤出成型温度应该是指料筒中的塑料熔体温度,但是该温度在很大程度上取决于料筒和螺杆的温度,所以,在实际生产中为了检测方便,经常用料筒温度近似表示成型温度。 挤出挤出过程中的温差和温度波动,都会影响塑件的质量,使塑件产生残余应力,各点强度不均匀,表面灰暗无光。,3.1.3 挤出成型工艺参数,1温度,2压力,在挤出过程中,由于塑料流动的阻力、螺杆槽深度的变化、过滤板、过滤网和口模产生阻碍等原因,在塑料内部形成一定的压力,而这种压力是塑料经历物理状态变化而达到均匀密实的重要条件。 压力随时间的变化也会产生周期性波动,对塑件质量有不利的影响,如局部疏松、表面不平、弯曲等。为了减小压力波动,应合理控制螺杆转速,保证加热和冷却装置的温控精度。,3.1.3 挤出成型工艺参数,3挤出速度,挤出速度是指在单位时间内,从挤出机头的口模中挤出塑化好的物料量或塑件长度。它反映挤出生产能力的高低。 影响挤出速度的因素有很多,如料筒的结构、螺杆转速、加热冷却系统的结构和塑料的性能等。在挤出机结构和塑料品种及塑件类型确定的情况下,挤出速度与螺杆转速有关,因此调整螺杆转速是控制挤出速度的主要措施。,3.1.3 挤出成型工艺参数,4牵引速度,从机头和口模中挤出的成型塑件,在牵引力作用下将会发生拉伸取向,拉伸取向程度越高,塑件沿取向方位上的拉伸强度也越大,但冷却后长度收缩也大。通常,牵引速度可与挤出速度相当,两者的比值称为牵引比,一般应略大于1。,3.1.3 挤出成型工艺参数,3.2 挤出成型模具概述,挤出成型塑件的截面形状均取决于挤出模具,所以,挤出模具设计的合理性,是保证良好的挤出成型工艺和挤出成型质量的决定因素。 挤出成型模具主要由两部分组成: 机头 定径装置(定径套),机头是挤出塑料制件成型的主要部件,它的作用是将来自挤出机的熔融塑料由螺旋运动转变为直线运动,并进一步塑化,产生必要的成型压力,保证塑件密实,从而获得截面与口模形状 相似的型材。下 面以典型的管材 挤出成型机头为 例,介绍机头的 结构组成,如右 图所示。,3.2.1 挤出成型模具的结构组成,1机头,(1)口模和芯棒 口模的作用是成型塑件的外表面,芯棒的作用是成型塑件的内表面,口模和芯棒的定型部分决定了塑件的截面形状。 (2)过滤板和过滤网 过滤板又称为多孔板,和过滤网共同将塑料熔体由螺旋运动转变为直线运动,并能过滤杂质。过滤板同时还起到支承过滤网的作用,并且增加了塑料流动阻力,使塑件更加密实。,3.2.1 挤出成型模具的结构组成,1机头,(3)分流器和分流器支架 分流器又称为鱼雷头,塑料熔体通过分流器能够分流变成薄环状而平稳进入成型区,便于进一步加热和塑化。分流器支架主要用来支承分流器和芯棒,同时也能对分流后的塑料熔体起加强剪切混合作用。 (4)机头体 机头体相当于模架,与挤出机料筒连接,用来组装并支承机头的各零部件。,3.2.1 挤出成型模具的结构组成,1机头,(5)温度调节系统 为了保证塑料熔体在机头中正常流动及挤出成型质量,机头上一般设有可以加热的温度调节系统,如右图中的10、11电加热圈。 (6)调节螺钉 调节螺钉是用来调节控制成型区内口模与芯棒间的环隙及同轴度,以保证挤出塑件壁厚均匀。,3.2.1 挤出成型模具的结构组成,1机头,2定径装置(定径套),离开成型区后的塑料熔体虽然已经具有给定的截面形状,但是因为制件温度较高不能抵抗自重而变形,因此需要使用定径套对制件进行冷却定型,使其获得良好的表面质量、准确的尺寸和几何形状。,3.2.1 挤出成型模具的结构组成,1、按塑料制件的形状分类 挤出成型的塑件主要有管材、棒材、板材、片材、网材、单丝、粒料、各种异型材、吹塑薄膜、带有塑料包覆层的电线电缆等,所用的机头相应称为管机头、棒机头等。 2、按塑料制件的出口方向分类: 分为直通机头和角式机头。 3、按塑料熔体所受的压力分类: 低压机头(压力小于4MPa)和高压机头(压力大于10MPa)。,3.2.2 挤出成型模具分类,3.2.3 挤出成型设备,挤出机组,控制系统,挤出系统、传动系统、加热冷却系统、机身,机头、定型装置、冷却装置、牵引装置、切割装置、卷取装置,辅机:,挤出机:,挤出机主要由主机和辅机两大部分组成。 (1)主机 主机包括挤压系统、传动系统、加热系统。 (2)辅机 辅机包括机头、定径装置、冷却装置、牵引装置、 切割装置和卷取装置。,1挤出机的组成,3.2.3 挤出成型设备,2挤出机的种类,挤出机的类型很多,有不同的分类方法。 (1)按照螺杆的数目进行分类: 可以分为单螺杆挤出机和多螺杆挤出机。 (2)按照挤出机可否排气进行分类: 可以分为排气式挤出机和非排气式挤出机。 (3)按照螺杆在空间的位置进行分类: 可以分卧式挤出机和立式挤出机。 最常用的挤出机是卧式单螺杆非排气式挤出机。,3.2.3 挤出成型设备,3机头与挤出机的连接,常用国产挤出机与机头的连接形式如图33,机头以螺纹联接在机头法兰上,机头法兰以46个铰链螺钉与机筒法兰连接固定。,3.2.3 挤出成型设备,3机头与挤出机的连接,常用国产挤出机与机头的连接形式如图34所示,为挤出机与机头的又一种连接形式。机头以8个内六角螺钉与机头法兰连接固定,机头法兰与机筒法兰由定位销定位,机头外圆与机头法兰内孔配合,保证机头与挤出机的同心度。,3.2.3 挤出成型设备,3.3 管材挤出成型模具,管材挤出成型机头是挤出机头的主要类型之一,应用范围较广,主要用于成型聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸脂、尼龙、软、硬聚氯乙烯等塑料的圆形管件。管材机头适用的挤出螺杆长径比(螺杆长度与直径之比)为1525,螺杆转速为1035r/min。,PVC管材挤出成型视频,直通式挤管机头如图 所示。直通式挤管机头结构比较简单,容易制造,但塑料熔体经过分流器和分流器支架时形成的熔接痕不容易消除。另外机头的长度较大,整体笨重。直通式挤管机头主要用于挤出成型聚乙烯、聚碳酸脂、尼龙、软、硬聚氯乙烯等塑料管材。,3.3.1 管材挤出机头的结构类型,1直通式挤管机头,2直角式挤管机头,直角式挤管机头如图36所示。塑料熔体包围芯棒,流动成型时只会产生一条分流痕迹,熔体流动阻力小,料流稳定均匀,生产率高,成型质量好。但机头结构复杂,制造困难。直角式挤管机头主要用于挤出成型聚乙烯、聚丙烯等塑料管材。,3.3.1 管材挤出机头的结构类型,3旁侧式挤管机头,旁侧式挤管机头如图所示,与直角式挤管机头相似,其机头结构更复杂,制造更困难,熔体流动阻力较大,但机头的体积较小。,3.3.1 管材挤出机头的结构类型,4微孔流道挤管机头,微孔流道挤管机头如图38所示。机头内无芯棒,塑料熔体的流动方向与挤出机螺杆的轴线方向一致,塑料熔体通过微孔管上的微孔进入口模而成型。挤出成型的管材没有分流痕迹,强度较高,特别适合于成型直径大、流动性差的聚烯烃类塑料管材。,3.3.1 管材挤出机头的结构类型,(1)口模的内径: Dkds (ds为管材外径) (2)定型段长度 : 1)依据管材外径计算: L1(0.53)ds 2)依据管材壁厚计算: L1nt,3.3.2管材挤出机头结构尺寸和工艺参数,1口模,2芯棒,(1)芯棒的外径 : dD 2 (2)压缩段长度: L2(1.52.5)Do ()压缩角 压缩区的锥角称为压缩角,一般在3060的范围内选取。,3.3.2管材挤出机头结构尺寸和工艺参数,3分流器与分流器支架,分流器作用是使熔体料层变薄,便于均匀加热塑,分流器长度: L3=(1-1.5)D0 D0为栅板出口处直径,分流器头部圆角r一般取0.5-2mm,3.3.2管材挤出机头结构尺寸和工艺参数,3分流器与分流器支架,分流器支架与分流器可以制成整体式(如右图),用于中小型机头;也可制成组合式,用于大型机头,分流器支架上分流筋数目在满足强度下,尽量少一般为3-8根,并制成流线型,3.3.2管材挤出机头结构尺寸和工艺参数,管材的定径方法 : 1、外径定型法: (1)内压法 (2)真空吸附法 。,3.3.3 管材定径套的结构类型及尺寸,管材的定径方法 : 2、内径定型法,3.3.3 管材定径套的结构类型及尺寸,3.4 棒材挤出成型模具,棒材是指截面为圆形的实心塑料型材,塑料棒材的原材料一般是工程塑料,如尼龙、聚甲醛、聚碳酸脂、ABS、聚砜、玻璃纤维增强塑料等。棒材机头的螺杆长径比为2,除了生产玻璃纤维增强塑料外,可以设置5080目的过滤网。,棒材挤出成型机头的典型结构如下图所示。棒材挤出成型机头的结构较简单,与管材挤出机头基本相似,区别是棒材挤出成型机头中没有芯棒,只有分流器。使用分流器可以减少模腔内部的容积及增加塑料的受热面积。如果模腔内为无滞料区的流线型,也可以不设分流器装置。,3.4.1 棒材挤出成型机头的典型结构,如右图所示。机头内的流道有阻流阀的作用,以增加机头内的压力,流道不得有停滞区。棒材定型区的长度为棒材直径的415倍,比管材定型区长一些。机头进 口处的扩张角为3060, 收缩部分的长度为50 100mm。机头出口处要制 作成喇叭形,便于棒材 中心熔融区快速补料,喇 叭口的扩张角小于45,否则会产生死角。,3.4.2 棒材挤出机头的结构类型,1有分流锥的棒材模,2无分流锥的棒材模,如下图所示。强劲冷却的定径套以法兰与挤出模相连接,口模与定型模之间设有绝热垫。该模的特点是成型与定型成为一体,口模1已成为直径为810mm的供冷却定型和补入塑料流体的流道。熔体与定型段的冷壁相接触形成固态表层8。由于冷却收缩,在棒材中某些部位有形成空洞的可能,因此要求挤出机必须有足够的压力。,3.4.2 棒材挤出机头的结构类型
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