第9章 挤出模具设计
9．1 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。
一、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）使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。
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。 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。
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。 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。
二、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：
（1）按机头用途分类
可分为挤管机头、吹管机头、挤板机头等； （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）。
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。
（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。
9.2 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。
一、管材挤出机头及设计
1．管材挤出机头的结构形式
常见的管材挤出机头结构形式有以下四种：
（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。
（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。
2．管材挤出机头零件的设计 （1） 口模
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。
即
2?r2??r12r2?r1I?2?2 ? R ? ? R 1 2 R ? R 1 2 (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1.4～3.0；ABS为1.0～1.1；PP为1.0～1.2；HDPE为1.1～1.2；LDPE为1.2～1.5。
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=（0.5～3）D （8-2） 或 L1=（8～15）t （8-3） 式中 D——管材外径； t——管材壁厚。 （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。
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β，其值决定于塑料特性，对于粘度较高的硬聚乙烯，β一般30°～50°；对于粘度低的塑料β可取45°～60°。芯模的长度L1′与口模L1相等。L2一般按下式决定：
L2=（1.5～2.5）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=d—2δ (8-5) 式中δ—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δ不等于制品壁厚，δ可按下式计算： ? ? t （8-6）
k式中k—经验系数，k=1.16～1.20; t—制品壁厚。
为了使管材壁厚均匀，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4～8个。
（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。 分流器与栅板之间的距离一般取10～20mm，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α值取决于塑料粘度，低粘度塑料取α=30°～80°，高粘度塑料取α=30°～60°， α太大，熔体流动阻力大；α过小，势必增大分流锥部分的长度。
分流锥的长度一般按下式确定：
L3=（1～1.5）D0 （8-7） 式中D0 ——栅板出口处直径。 分流器头部圆角r一般取0.5～2mm。 （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，以少为宜，一般为3～8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。
（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2～5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80～300mm，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1:1.6～1:10，始端大，终端小。
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