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塑料异型材挤出模具稳定性的研究 摘要 目前，随着国内型材市场的激烈竞争，型材生产形成了大规模生产的特点，对挤 出模具提出了更高的要求。近年来，国内模具的制造技术有了很大的提高，但仍然不 能满足型材大规模生产对模具的高速稳定的要求。虽然进口挤出模具的价格数倍于国 产模具，但国内主要型材厂家模具的使用格局却是进口模具为主，国产模具为辅。针 对这一问题，我们与国风公司联合申报并完成合肥市科委重点科研项目一一塑料 异型材新型高效挤出模具的研制。 本论文是在完成该课题的基础上，对挤出模具稳定性的问题进行了深入研究。 通过比较和研究国内外挤出模具的实际使用状况，得出了国内外模具质量的差异主要 是模具的稳定性的结论。由于在型材生产中工艺参数的波动是不可避免的，对挤出模 具的稳定性的要求就是能有一个宽的工艺范围来适应这些不可避免的工艺波动，提出 要对挤出模具进行稳定性设计的概念，并总结出模具稳定性设计的几方面措施。为合 理选择和准确实施这些措施，还需要对塑料熔体在模头内的流变规律和型材在定 型模和水箱里的冷却变形规律等进行深入研究，本人对型材的冷却变形规律进 行了探索性研究。重点是采用有限元分析软件a n s y s ，分析了一个正方形框型材 在定型模和水箱里的冷却变形状况，获得出了一些具有实际参考价值的结果。 关键词：塑料异型材挤出模具稳定性有限元 t h er e s e a r c ho nt h es t a b i l i t yo fp l a s t i cp r o f i l ee x t r u s i o nd i e a b s t r a c t a t p r e s e n t ，w i t h t h ed r a s t i c c o m p e t i t i o n o ft h e n a t i v e p l a s t i cp r o f i l em a r k e t ，t h e p r o d u c t i o no fp l a s t i cp r o f i l eh a sf o r m e dm a s sp r o d u c t i o n sp e c u l i a r i t y , w h i c hp u tf o r w a r d t h eh i g h e rr e q u e s tf o rp l a s t i cp r o f i l ee x t r u s i o nd i e t h em a n u f a c t u r e t e c h n o l o g yo f n a t i v ed i e h a sb e e ng r e a t l yi m p r o v e d ，b u ti tc a n ts a t i s f yt h er e q u i r eo f h i g hs p e e da n ds t a b i l i t yw h i c h c o m ef r o mt h ep l a s t i cp r o f i e sm a s sp r o d u c t i o n t h ep r i c eo f i m p o r te x t r u s i o nd i ei ss e v e r a l t i m e st h a nt h a to fn a t i v ed i e ，b u tt h eu s eo fe x t r u s i o nd i e ss i t u a t i o ni st h a tt h ei m p o r td i e s u s e r sb e c o m em o r ew h i l et h en a t i v ed i e su s e r e sa r el e s se s p e c i a l l yi nt h el e a d i n gn a t i v e p l a s t i cp r o f i l e f a c t o r i e s a i m e da tt h ei s s u e ，w ea s s o c i a t e dw i t ht h e g u o f e n gp l a s t i c t o d e c l a r ea n df i n i s ht h e k e yi t e m o f s c i e n t i f i cc o m m i t t e eo f h e f e i ，w h i c hi st h er e s e a r c ho nt h e n e wa n d h i g h e f f i c i e n tp l a s t i cp r o f i l ee x t r u s i o nd i e t h er e s e a r c ho ft h et h e s i si st h ep r o b l e mo ft h ep l a s t i cp r o f i l ed i e ss t a b i l i t y , w h i c hi s b a s e do nt h es c i e n t i f i cr e s e a r c h t h ec o n c l u s i o no ft h ed i f f e r e n c eo fn a t i v ea n d o v e r s e a s p l a s t i cp r o f i l e e x t r u s i o nd i ei st h a tt h ed i e s s t a b i l i t yt h r o u g hc o m p a r i s o na n d s t u d y t h es t a t u so fn a t i v ea n d o v e r s e a s p l a s t i cp r o f i l e e x t r u s i o nd i e j u s tb e c a u s et h e f l u c t u a t i o no ft h et e c h n i t s p a r a m e t e r sa r en o ta v o i d a n ei nt h ep r o d u c t i o no ft h ep l a s t i c p r o f i l e t os a t i s f yt h er e q u i r eo f t h es t a b i l i t yo fe x t r u s i o nd i e ，w es h o u l dh a v eaw i d et e c h n i c r a n g e t oa d a p tt h e s eu n a v o i d a b l et e c h n i cf l u c t u a t i o n i nt h i sp a p e r , ip u tf o r w a r dt h ec o n c e p t o f e x t r u s i o nd i e ss t a b i l i t y , a n dis u m m a r i z et h em e a s u r e m e n to f t h e p l a s t i cp r o f i l ee x t r u s i o n d i e ss t a b i l i t y i no r d e rt os e l e c tt h em e a s u r e m e n t r e a s o n a b l ya n d e x e c u t et h em e a s u r e m e n t e x a c t l nw e s h o u l dd om o r er e s e a r c hw o r ko nt h et h e o l o g y sr u l eo ft h ep l a s t i cm e l ti nt h e m o u l da n dt h ec o o l i n gd i s t o r t i o nr u l eo f p l a s t i cp r o f i l ei nt h es h a p em o u l da n dw a t e rt a n k i h a sr e s e a r c h e dt h ec o o l i n gd i s t o r t i o nr u l e t h er e s e a r c he m p h a s i si st oa n a l y z et h ec o o l i n g r u l eo ft h ep l a s t i cp r o f i l ei nt h es h a p em o u l da n dw a t e rt a n ku s i n gt h ef e ms o f t w a r e a n s y s ，a n dt og a i ns o m er e s u l t sw h i c hh a v ep r a c t i c a lr e f e r e n c ev a l u e k e y w o r d s ：p l a s t i cp r o f i l ee x t r u s i o nd i e s t a b i l i t y f i n i t ee l e m e n t s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导f 进行的研究l 作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标志 【l 致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得金蟹羔些厶堂或其他教育机构的学位或证啪而使用过的材 料。与我一同l ：作的同忐对本研究所馓的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签字：矽露斋国) 签字日期：弦牛年r 月，7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒b 幽：业叁堂有关保留、使用学位论文的规定有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅缄借阅。本人授权盒 ! ：些苤堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：移两舅印f 签字日期：朋唯年r 月 r 日篡豁枷 签字日期：d 午午夕月吖日 学位论文作者毕业厉考向：工 f 1 ：作单位：亏予各国璃砰譬隶踊兔彳筐申，c 电话：d j 7 ，g g 即嚣纺6 通讯地址： i 邮编： 致谢 在三年的硕士研究生课程学习和撰写学位论文的过程中，自始至终得到了我的导 师朱元吉老师的悉心指导，无论从课程学习、论文选题，还是到收集资料、论文成稿， 都倾注了朱老师的心血。在此，由衷感谢导师在学业指导及各方面所给予我的关心以 及从言传身教中学到的为人品质和道德情操。老师广博的学识、严谨的治学作风、诲 人不倦的教育情怀和对事业的忠诚，必将使我终身受益，并激励我勇往直前。 在课题研究和论文撰写过程中，还得到了摩擦所里各位老师和王晓枫等老师的热 情帮助与大力支持，在此表示诚挚的谢意! 最后对刘付春、王芳、王晓松、万金培等同学给予我的关心和帮助表示真挚的谢 意! 。 作者：胡善刚 2 0 0 4 年5 月 第一章绪论 1 1 塑料门窗及异型材的发展概况 塑料门窗由于其保护环境，节能降耗，保温隔音和美观实用等一系列优异 性能，是人们至今寻觅到的较理想的门窗材料。塑料门窗种类较多，其中p v c u ( 硬聚氯乙稀) 塑料异型材门窗所占比例较大，约为总量的9 0 以上。本文中 所说的塑料异型材是指门窗用的p v c u 异型材即硬聚氯乙稀异型材。 国外塑料门窗的发展是从二十世纪六、七十年代开始的，由于塑料门窗捐j 有的优异性能使得它在世界范围，尤其在西欧和美洲发达国家得到了大力发展。 一些国家例如德国在政府出台的一系列经济政策的推动下，已率先发展了三、 四十年。这些国家的塑料门窗在建筑门窗市场中的份额不断增长，在技术上始 终处于世界领先的位置1 1 t 。 我国塑料门窗的真正发展是从二十世纪八十年代中后期，全面引进国外先 进技术开始的，至今已有近二十年的历史。这当中有过几次大起落，但由于国 情的迫切需要和国家政策的积极引导，始终处于技术不断进步和市场不断拓展 的过程之中。国内涌现了一批设备、模具、型材和门窗组装设备的生产厂商。 目前，国内塑料门窗行业已经形成了相当大的行业规模。 据有关方面统计【2 】( 见表1 1 ) ，到2 0 0 2 年底全国塑料异型材生产线拥有 量为3 8 0 0 多条，塑料异型材总生产能力为2 8 0 万吨；塑料门窗生产企业近万家。 而实际产量，2 0 0 2 年塑料异型材为1 2 0 万吨，产能比不足5 0 。并且随着塑料 型材产量的增加和各类门窗市场的竞争，塑料门窗的价格一直呈缓慢下降的趋 势，塑料异型材门窗行业已经供大于求，进入了激烈竞争的阶段。 表1 1全国塑窗型材行业统计表 项目 1 9 8 6 笠2 0 0 0 正2 0 0 2 丘 生产企业 2 0 3 5 5 3 9 6 生产线( 条) 2 0 0 2 6 0 0 3 8 8 5 年生产能力( 万吨) 1 0 1 3 5 2 9 7 2 1 实际销售量( 万吨) 1 0约9 0约1 2 0 销售产能比 1 0 0 6 7 4 3 全国型材生产厂家中万吨以上的企业有5 4 家，虽然数量只占到1 4 ，但 年产能的合计却达到1 7 7 万吨。其中两个领头企业年生产能力达7 4 万吨，占全 行业的近2 6 5 1 2 】。可见，型材的大规模生产已经是现在型材生产的重要特征。 这就要求在型材的生产过程中能够高效、稳定地生产出合格产品。 随着市场的丰富，用户对产品的要求也越来越高，不仅关注型材的价格、 质量而且更加关注其外观造型艺术。塑料异型材门窗市场多样化、个性化的发 展趋势使得型材生产厂家必须不断推出新产品以占领更多的市场份额。由于一 种塑料异型材产品至少要对应一副挤出模具，型材品种的增加就要求型材厂家 购买新的挤出模具。因此，型材厂家对于挤出模具的需求量是巨大的。 1 2 国内外塑料异型材挤出模具的发展概况 欧美等国经过三、四十年的发展，其塑料异型材挤出模具的设计制造技术 已经较成熟。国外先进的挤出模具生产厂家都有一个可靠的挤出模具设计系统 作保证，它们不断进行实验研究和探索，旨在提高模具的质量。他们主要采用 理论与实践相结合来解决挤出模具的高速高质问题。以德国、奥地利等为代表 的国家在异型材挤出模具的设计研发上一直处于技术领先的地位。 国内的塑料异型材挤出模具在发展的初期，主要是依靠进口。从9 0 年代开 始我国的塑料异型材挤出模具技术才得到迅速发展 3 】。十多年来，我国的塑料 异型材挤出模具随着我国塑料门窗行业的迅猛发展，也获得了快速的发展，己形 成了相当大的生产能力【l ”。一些挤出模具生产企业进口了加工中心，慢走丝线 切割机床以及磨料流挤出衍磨抛光机等一批十分先进的加工设备，使得我国挤 出模具加工的硬件条件丝毫不比发达国家逊色1 3 。但是国内对于挤出模具的研 究和开发，基本是以进口挤出模具为样本开展，测绘仿制的多，实验性研究的 少，机理性研究和探索的就更少。而挤出模具设计的实践性很强，至今还没有 形成成熟的理论和固定的模式，仅仅简单的测绘仿制是很难真正设计出高质量 的挤出模具的。在严格产品质量要求和生产效率不断提高的情况下，作为型材 生产线的关键部分，挤出模具性能的提高就越来越重要了。总的来说，相对于 进口的先进挤出模具，国产挤出模具一直存在着明显的差距，尤其对于严格质 量要求的大规模、高挤出速率的塑料异型材挤出生产，显得很不适应。 1 3 塑料异型材生产对挤出模具提出的更高要求 型材市场的激烈竞争，使得型材的生产向少数大企业集中，呈现大规模生 产的特点。在这种情况下，相应地对挤出模具提出了更高的要求，主要是模具 在高挤出速度下的高稳定性。目前，国内规模比较大的异型材生产厂家所使用 的挤出模具都形成进口模具为主，国产模具为辅的格局。并且现在的趋势是主 型材模具以进v i 为主，特别对生产量很大的主型材全部采用进口模具；而国产 模具却从主型材模具的位黄上撤下来，让位于进口的挤出模具，主要用来生产 辅型材，不重要的主型材咀及产品开发初期的主型材。( 这里说的主型材和辅型 材是根据异型材在塑料门窗中的作用来分类的。主型材是形成门窗骨架的主要 型材，主要包括框型材扇型材中挺型材等。按重量算，主型材的用量占门窗型 材消耗量的约9 0 。辅型材是指除了主型材之外，其他用于门窗的p v c u 型 材的统称，如玻璃压条、连接型材、封条等。但按重量算，其用量仅为1 0 左 右【1 1 。) 表l 一2 是国风塑业建材厂的模具状况。其中进口的挤出模以奥地利g r e i n e r 公司为主，g r e i n e r 公司在塑料异型材挤出模设计制造技术上处于世界先进水 平。国产模具包括了国内几家知名的挤出模具厂家的产品，这几个厂家的模具 水平代表了国内先进水平。从表中可以看出，在初期，该厂使用的模具是以国 产模具为主，进口模具为辅的。但随着时间的推移，却形成了进口模具为主， 国产模具为辅的格局。 表1 2国风建材厂模具状况 年份购买的国内模具( 副)购买的国外模具( 副) 1 9 9 7 1 9 9 8三佳模具2 8 副，长城模具2 6 副g r e i n e r 模具6 副 1 9 9 9三佳模具1 7 副g r e i n e r 模具1 6 副 2 0 0 0三佳模具1 2 副g r e i n e r 模具1 6 副 2 0 0 l三佳模具1 6 副，杰瑞模具2 副g r e i n e r 模具1 9 副 2 0 0 2三佳模具2 4 副，建园模具1 副g r e i n e r 模具3 6 副 说明：国风塑业是9 7 年开始生产塑料异型材的 从模具价格上讲，进口挤出模具通常是国产模具的六、七倍甚至十几倍， 从降低生产成本的角度看，大量购买高价的进口挤出模具似乎是在提高型材生 产成本。进口模具如此高的价格仍然在国内型材厂家中有大量使用是有其必然 原因的。有比较才有鉴别，型材厂家作这样的选择是通过不同挤出模具在实际 生产中的比较得出的结果一一技术先进但价格较高的挤出模具由于其稳定性 高，反而是在一定程度上降低了生产成本。 1 4 本文研究的主要内容 十多年来，随着塑料异型材在我国的大力推广和应用，型材市场进入激烈 竞争的阶段，型材生产形成了大规模生产的特点，对挤出模具提出了更高的要 求。近年来，虽然国内的塑料异型材挤出模具行业获得了长足发展，模具的制 造技术有了很大的提高，但仍然不能满足型材大规模生产对模具的高速稳定的 要求。进口挤出模具的价格虽然是国产模具六、七倍甚至十几倍，但国内主要 型材厂家却倾向于购买进口的挤出模具，并形成了进口模具为主，国产模具为 辅的格局。究其原因，主要是相对于先进的进口挤出模具，国产模具在使用性 能上存在着不稳定的问题。针对这一问题，我们与国风公司联合申报并完成合肥 市科委重点科研项目一一塑料异型材新型高效挤出模具的研制。在完成该课题 的基础上作了进一步的研究后撰写了本文，主要内容如下： 1 通过对国风塑业建材厂的实际调研，比较和研究了国内外挤出模具的实 际使用状况，得出了国内外模具质量的差异主要是模具的稳定性的结论，特别 是在高挤出速率下，对挤出模具的稳定性要求就更加突出。为了研究挤出模具 的稳定性问题，对型材生产系统和生产工艺进行了深入分析，指出了在型材生 产中工艺参数的波动是不可避免的，模具的稳定性就是为了适应这些不可避免 的工艺波动，提出了要对挤出模具进行稳定性设计。 2 在完成合肥市科委重点科研项目( 塑料异型材新型高效挤出模具的研制) 的基础上，总结出模具稳定性设计的几个方面，主要有：采用横向流动最小化 的思想来设计模头流道；考虑冷却变形、拉伸变形和离模膨胀的三重作用来设 计模头口模尺寸；定型模真空设计要使各个拐角都能吸附到位，不能对型材壁 的两侧同时吸附；采用空气隔离技术以达到缓冷的目的；定型模冷却水路的设 计应以均匀冷却为主要指标，而不是单纯追求冷却效率；定型模腔尺寸和水箱 支架板尺寸的设计应按照型材定型冷却过程中的变形规律来设计。 3 为了合理选择和准确实施挤出模具稳定性设计的措施，需要对塑料熔体 在模头内的流变规律和型材在定型模和水箱的冷却变形规律等进行深入研究， 本人对冷却变形规律进行了探索性研究。采用有限元分析软件a n s y s ，以多付 实际使用的挤出模具作为分析模型的基础，重点模拟分析了一个正方形框型材 在定型模里的冷却变形状况，以及型材进入水箱( 开式水箱和负压型水箱两种 情况) 后的冷却变形状况，并获得了一些具有实际参考价值的结果。 4 第二章挤出模具对型材稳定生产的作用 2 1 塑料异型材生产系统简介 对于塑料异型材的挤出加工，欧洲国家和美国选择了不同的途径。美国倾 向于使用单螺杆挤出机，而欧洲国家则以双螺杆挤出机为主，这两者的工艺路 线是不相同的。我国塑料异型材的生产主要和欧洲技术相同，以双螺杆挤出机 为主。双螺杆挤出成型工艺的优点是可以直接添加干混合粉料、无需造粒、加 工费用低、产量高、适合于大批量、大尺寸、断面复杂的异型材挤出生产。因 此，这里主要介绍双螺杆挤出生产系统 双螺杆挤出生产系统主要由混料系统、双螺杆挤出机、辅机和模具四部分 组成( 见图2 一1 ) 。辅机主要有冷却定型台、牵引装置、切割锯及型材堆放翻 转装置等几部分组成。其中模具的冷却定型部分是安装在冷却定型台上的，冷 却定型台提供一定压力的冷却水和有一定真空度的真空。由于真空和冷却水的 获得是由专门的设备来提供的。所以严格地说，双螺杆挤出生产系统还包括产 生和输送真空、冷却水的部分。对于大的型材生产厂家，通常是由大的真空站 提供真空，由冷却塔提供冷却水输送到各个机台。小一点的厂家通常由功率较 小的真空泵提供真空，冷水机提供冷却水。 246 图2 1异型材挤山生产线 1 一型材堆放翻转装置2 一切割锯3 一牵引装置 4 一冷却定型台和水箱5 定型模6 一挤出模头7 一螺杆挤出机 馨裂氮卜一茸芳称塞l 毒整整零筻一- 碱蘧碴 一! 瓣 王掘粉赳 ， 一 ， _ 一t 成品异型材_ j 翻转台i 一一切割一 牵引卜i 真空冷却定型一j 双螺杆挤出成型； 幽2 2双螺杆挤山成型t 艺流程 对于采用双螺杆挤出成型的异型材生产，其工艺流程【1 1 如图2 2 所示。操 作者按照配方对p v c 和各类助剂进行准确称量并按照一定的投料顺序投料，经 过高速热混合、低速热混合以及过筛得到干混粉料。干混粉料由专用的输料机 输送到型材的各个生产线。在挤出机上，干混粉料由螺杆挤出成为具有一定温 度和压力的熔体。塑料熔体经过模头、定型模、水箱后形成符合质量要求的塑 料异型材。型材牵引装置以一定的牵引速度，把型材连续拉出，由切割装置按 设定的长度进行切割，最后由堆放翻转装置把型材放在一定的位置。 从上面的叙述来看，塑料异型材生产工艺是比较复杂的，其生产系统也是 相当复杂的。因此要保证型材在生产过程中能够稳定运行是比较困难的，而异 型材大批量连续生产的特点，对生产系统的稳定性要求较高。型材生产系统稳 定性是指在异型材的连续生产过程中，能够稳定生产合格型材的能力。高稳定 的生产系统对于大批量的产品制造来说是极其重要的，它直接影响着企业的效 益、生产效率和产品质量，进而影响产品的市场竞争力。 2 2 原料配方和生产设备对型材生产系统稳定性的影响 塑料异型材生产系统的稳定性和其各个组成部分是密切相关，这包括原料 配方、生产设备和挤出模具。下面首先就原料配方和生产设备对生产系统稳定 性的影响进行论述。 2 2 1 原料配方和混料系统 塑料异型材的原料是以p v c 树脂为基本原料，加上各类加工助剂如稳定 剂、抗冲击改性剂、润滑剂、加工助剂，增白剂和填充剂组成。其中p v c 树脂 作为p v c u 塑料异型材生产的基本原料，它的用量约占配方原料总重的8 0 以上。同样是用于型材生产的p v c 树脂，不同的厂家的树脂性能指标是不尽相 同的。即使是同一厂家的p v c 树脂，其多项性能指标是在一定的范围内波动的。 p v c 树脂性能指标上的差异必然会对塑料异型材的稳定生产产生一定的影响 。 p v c u 是硬脆性聚合物，抗冲击韧性较差，特别在低温环境下抗冲击强度 更差；从加工特性上讲，p v c u 的加工性能也较差。热稳定性低劣、加工流动 性差、加工工艺范围狭窄。因此，需选择各类加工助剂进行改善，这是一项非 常复杂又十分重要的工作。 理想的稳定剂应具有多种功能，但是在现实中是难以找到的，只能根据加 工和应用过程中的主要矛盾进行_ i _ f 确的选择和匹配。选用不同的抗冲击改性剂 对p v c u 的加工有着不同的影响，在选用特定的抗冲击改性剂的情况下，其添 加量对p v c u 共混物的流变性能有一定的影响。润滑剂是用来改善p v c 熔体 的流动性，避免因剪切过热造成的p v c 分解。润滑剂的选择和用量要看总配方、 p v c 改性剂、稳定剂的类型和用量、与其他助剂之间的协同效应、加工设备的 类型、模具和加工条件等来确定。作为填料的碳酸钙( c a c 0 3 ) ，其加入的目的 是为了提高制品的硬度、耐磨性、热变形温度、热稳定性和耐候性，降低制品 的成型收缩率、减小离模膨胀、提高热熔体刚度、改善成型性及降低成本。但 是填料的加入将提高物料的熔体粘度，降低物料的流动性及影响塑化速度。 如上所述，配方的设计要考虑多方面因素以达到改善树脂的加工性能，改 善树脂的内在性能和降低成本。在一个确定的配方体系下，按照配方进行混料 得出的混合物在理论上是一致的，但在实际的生产中却是无法实现的。首先配 方中各组成部分的原料可能来自不同的生产厂家，虽然牌号相同但性能指标上 的差异是难以避免的。即使一种原料是来自同一生产厂家，由于生产批次的不 同、运输和储存情况的不同，原料的性能指标也是难以一致的。原料性能指标 的差异也必然会影响干混粉料质量的稳定性。 在双螺杆挤出生产工艺中，采用的是干混粉料直接挤出成型的。由双螺杆 挤出成型工艺流程可以知道，干混粉料是由p v c 树脂和各类助剂按一定的配方 和混料工艺由混料装置加工所得。干混粉料的制各要经过：按照配方，将p v c 树脂、各类加工助剂、增白剂和填充剂等进行准确称量，进行高速热混合、低 速冷混合和过筛，最终得到型材加工所用的干混粉料。物料的混合过程中经历 了密实、均化和部分凝胶化过程，这是一个复杂的高分子物理变化过程。作为 异型材制品生产的前道工序，干混粉料的质量是型材高速稳定生产的重要保证。 例如干粉流动性不好会造成滞料架桥或附壁悬挂、加料v i 堵塞，影响型材的稳 定生产。挤出速度愈高，干混粉料的预塑化、凝胶化程度及均匀性对挤出系统 的稳定性的影响愈大。 影响干混粉料质量的因素很多，如配方、混料机械设备、每批投料量、投 料顺序、混合时间、高速混合机中的加料量、物料的表观形态、冷混机中的冷 却速度和出料温度等都是极为重要的影响因素【 “。由于影响干混粉料质量有这 么多因素，再加上其制备又是间断性分批操作，所以在型材的实际生产中，要 想地得到稳定质量的干混粉料是比较困难的。 2 2 2 螺杆挤出机和辅机 在国内，硬聚氯乙稀异型材的加工中主要采用异向旋转的双螺杆挤出机。 双螺杆挤出机主要由传动系统、加料系统、挤压系统、排气系统、加热冷却系 统、控制系统和机架等几大部分组成。其中加料系统由料斗、加料电机、减速 箱、加料螺杆和加料机筒组成；挤压系统由两根螺杆、“。o ”字形孔机筒和机头 过渡体组成；排气系统由排气口、观察视窗、真空表、真空罐和真空泵等组成： 加热冷却系统中，加热大多采用电加热，机筒的冷却方式主要有风冷和循环油 冷却，螺杆的冷却有热油循环冷却系统和无油封闭式自循环系统两种；控制系 统主要由电控柜、检测元件、仪表、电气元器件等组成。可以看到，双螺杆挤 出机自身就是一个复杂的大系统，其各个组成部分对螺杆挤出机的平稳运转都 有一定的影响。例如，生产中电流和电压总是在一定范围内波动的，由此带来 的是电机转速和力矩的变化。对传动系统而言，电机转速和力矩的变化会引起 螺杆转速的变化：加料系统电机转速和力矩的变化会使原料混合不均匀进而造 成加料的不稳定：排气系统的真空泵转速和力矩的变化对塑化状态下的物料排 气产生影响；在加热冷却系统中，即使是高质量的热电偶测温也存在2 的误 差，加上温控装置存在一定的反应滞后，这样会造成机筒内熔体的温度波动， 而熔体温度的波动带来的是熔体流动状况的波动。 由上面的叙述可知，在实际生产中要求挤出机绝对平稳地运转是不可能的。 型材生产中，螺杆挤出机的作用是将输送到挤出机的干混粉料塑化熔融、混合、 均化并定量、定压、定温地从机头口模挤出。然而由于挤出机中这么多不稳定 因素的存在，从而螺杆挤出机挤出的熔体的压力、温度等都是在一定范围内波 动的。 冷却定型装置一般由冷却定型台、真空系统、水冷却系统、冷却定型台移 动系统和操作控制盘等组成。其中真空系统一般由2 3 台真空泵、管路及水气 分离器等组成；大的型材生产厂家采用真空站方式对各个生产线供真空。水冷 却系统一般由冷却水循环装置、管路及水箱等组成，冷却水是由冷水机或冷却 塔产生的。虽然冷却定型装置远没有挤出机复杂，但是它也存在着很多不稳定 的因素。真空系统也存在着由于真空泵转速和力矩的变化而造成的真空压力不 稳定。冷却系统中电机及泵转速和力矩的变化使得冷却水的温度、压力在一定 范围内波动，由于生产环境不是恒温的，冷却水的温度还受环境温度的影响。 冷却水的压力和温度、真空压力等的波动都对型材的冷却定型产生影响，容易 造成型材质量不稳定。 牵引装置对型材稳定生产的影响体现在牵引速度的无级可调、牵引速度与 挤出速度的匹配以及牵弓1 速度的稳定保持。牵引速度与挤出速度的匹配主要由 操作者决定，存在一定的不确定性：牵引速度的稳定保持与型材的生产状况、 牵引设备状况等因素相关，牵引速度会在一定范围内波动； 从本节的叙述可以看到，塑料异型材的整个生产系统和生产工艺是比较复 杂的，存在多种因素影响着型材的稳定生产，并且生产过程中的这些波动是不 可避免的。挤出模具作为型材生产系统中对产品稳定生产起着至关重要作用的 一部分，可以通过扩大模具的工作窗即提高模具稳定作业的适用范围来达到型 材稳定生产的目的。 2 3 挤出模具对型材稳定生产的影响 下面从挤出模具的结构和型材厂家挤出模具的实际使用状况来说明挤出模 具对型材生产稳定性的影响。 2 3 1 塑料异型材挤出模具的组成 塑料异型材挤出模具由模头和冷却定型两部分组成。冷却定型部分有多种 结构形式，目前应用比较广泛的是干湿混合冷却定型，如图2 3 所示。干湿混 合定型是指采用真空吸附定型( 又称作干式真空定型) 和水循环冷却( 也称作 湿式真空定型) 两种方式来对型材定型和冷却的，其优点有：1 干式真空定型 使得型坯避免了急冷和冷却不匀现象，大大抑制了型材内应力的产生，容易获 得相对稳定的型坯：2 湿式真空定型贝u 可提高冷却效率，并可降低挤出模具在 冷却定型部分的成本。 压 挤 图2 3塑料异型材挤出模具示意图 挤出模头从功能上讲包括机颈、分流支架、压缩板和成型板四个部分。为 便于制造，实际在做挤出模头时通常按七块板来设计制造，分别是机颈、过渡 板、分流锥支架板、型芯支架板、压缩板、预成型板、口模板。模头上还要安 装加热板和温度传感器用来保证塑料熔体在模头内的温度控制在一定的范围。 定型模就是干式真空定型，为便于加工制造，通常分成2 4 节，每节长度 大多为2 0 0 3 0 0 m m ，定型模的节数和每节长度视具体型材而不同。定型模的 模壁上有用于冷却的冷却水路和用来吸附型坯的真空槽和真空孔，所以在每节 定型模上都有用来接入冷却水和真空的专用接头。有的还装有用来测量定型模 内真空大小的真空表和在两节定型模之间的密封胶条。 水箱通常是1 3 节组成，总长有3 15 米不等，视异型材的壁厚和挤出速 度而定【3 “，随着挤出速率的不断提高，水箱有加长的趋势。水箱上有接入冷却 水和真空的专用接头，以及用来测量水压和真空压力的表。水箱内有多块支架 板起着支撑型材的作用。 2 3 2 国内外挤出模具在使用上的比较和对生产稳定性的影响 国内型材厂家通过对国内外多种挤出模具的长期使用比较，认为一些国产 模具不能适应型材生产的高速高效的要求，其反映的问题主要如下 2 8 ： 1 在高挤出速度下的连续生产中，容易出现型材尺寸波动较大，出现较多 的次品或废品，严重时会出现“喘气”现象甚至造成生产的停顿。这里所说的 “喘气”是指在型材生产过程中出现的牵引不稳定，型材发生抖动的现象。生 产中出现“喘气”现象时，型材的表面可以看到明显的花纹，严重影响型材的 表面质量，这样的型材属于次品或废品。这些花纹的产生被认为是由于型材与 定型模或水箱支架板尺寸设计不合理，型材在通过定型模和水箱的过程中产生 了剧烈的摩擦所造成的。同样的生产条件下，使用高质量的模具生产时就没有 这样的现象出现。 2 在实际的生产中，生产线的重新开机是不可避免的。型材生产的一个特 点就较大的型材厂家的型材种类都是自成体系的，一般都有好几个系列( 如8 0 系列、9 0 系列) ，这每一个系列通常是从主型材到辅型材都生产。这样就造成 了型材品种多，也使得车间生产任务的调整和改变相应变得频繁。加上设备维 护保养、模具的维护保养等情况的出现，生产线重新开机的次数就更多了。重 新开机有一个调试的过程，这一过程中挤出的都是废料、废品和次品。因此都 希望从开机启动到稳定生产的这一段时间越短越好。从实际的使用比较上来看， 在同样情况下，进口挤出模具从- 丌机启动很快就能达到稳定生产，所用的时间 较短，有效地降低了生产成本。 3 虽然一个型材生产厂家模具的品种繁多，但挤出生产线的类型和数量是 有限的。从提高设备利用率的角度看，要求一副模具能够在不同的生产线上都 能正常使用、稳定生产，这样可以在一定程度上减少设备数量、从而降低一些 生产成本。从我们调研的情况看，一些国产挤出模具往往只适宜在某条挤出生 产线上使用，调换生产线( 同厂家型号相同的生产线) 后，废品率就大幅度增 加。并且这些模具所适宜的生产线通常是该模具试模通过时所用的那条生产线。 4 型材生产所用的原料是一批一批配出来的，批次之间的一些变化是不可 避免的。国产模具使用性能不稳定还表现在对原料配方的批次变化特别敏感， 容易因此而产生很多次品或废品甚至造成停机拆模。这在一定程度上提高了型 材的生产成本。 5 对于一个熟悉型材生产的人来说，往往只需根据型材断面就能判断出这 个型材是用国产模具还是进口模具生产的。究其原因，是由于国产挤出模具生 产的型材截面的规整度比较低。规整度低意味着型材的一些尺寸偏离了理想尺 寸或者就是超差了，实际的测量也表明了这一点。根据g b 8 8 1 4 - 1 9 9 8 的型材检 验标准，对型材的弯曲度、壁厚、配合部位尺寸、断面尺寸等允许偏差都有明 确要求；对低温冲击性能也有严格要求。而一些国产模具生产的型材在低温冲 击性能上经常达不到检测标准的要求。 6 一副模具在其生命周期内，由于安装和维护保养的需要，必然要经过多 次的拆装。合理的设计应该是拆卸装配方便、定位可靠准确。相对于进v i 模具， 一些国产挤出模具结构设计上不尽合理，不易装配和拆卸，定位可靠性差。一 方面，会使得模具的维护保养比较麻烦和生产中的操作不太方便。另一方面， 1 0 模具经过再装配后如果不能很好的定位必然会影响模具的使用性能，可能会使 得原本稳定性很好的模具发生变化。 如前所述，虽然十多年来国内挤出模行业对于进口先进挤出模的跟踪很紧， 一些挤出模具厂家的硬件设备似乎有了超越的发展，模具结构也亦步亦趋，但 设计思想却始终没有跳出测绘、仿制的框框，仅用技巧、诀窍的观点来对待进 口挤出模具的技术的改进。较少见到有实验研究的开展，机理性的研究和探索 就更少，甚至造成了生产实践与一些相关理论研究的脱节。所以形成国内挤出 模具使用性能不稳定的现象也不是偶然的。模具是塑料异型材生产系统中的关 键部分，模具性能的好坏对整个生产系统的稳定性有着重要的影响。根据以往 模具设计和制造的经验，没有考虑模具稳定性设计出的模具也可以通过修模和 试模使这副模具最终生产出合格产品。但是采用这种方式来制造模具，必然会 牺牲掉模具的工艺适应范围，即模具只能在很窄的工艺范围内才能生产出合格 的异型材。 我们知道，整个异型材生产系统由多个部分组成，每一个部分都存在着一 些不稳定因素，工艺上的波动是不可避免的。在现有的生产装备和技术条件下， 如果采用更精良的生产设备，更好的原材料等是可以从一定程度上提高整个型 材生产系统的稳定性的，但付出将是比较大的。在塑料异型材市场激烈竞争的 情况下，生产设备的更新换代对那些已经投产的企业来说成本过高：如果购买 质量特别高的原材料，那么生产出来的产品在市场上也就没有竞争力。从这我 们就不难理解现在的型材厂家为了降低生产成本而宁愿花是国产模具六七倍甚 至十几倍价格去大量购买进口挤出模具。究其原因，是相对于进口的先进挤出 模来说，一些国产挤出模具使用性能不稳定。在型材生产系统的工艺波动不可避 免的情况下，要稳定地生产出严格质量要求的异型材产品，就要求挤出模能有 一个尽可能宽的工艺适应范围，也就是所谓的模具的“工作窗”要大即高稳定 性。因此在设计挤出模具时，高稳定性应作为挤出模具的一项重要性能指标。 挤出速度的提高一直是降低生产成本、提高设备利用率和人员劳动效率的有效 方法。异型材的挤出速度是一直在不断变快的，从以前的1 2 m m i n 发展到现 在的2 5 3 5 m m i n 甚至更高( 这里是指主型材) 。因此，这里所说的稳定性是 指在较高的挤出速度下，模具仍然有较宽的工艺适应范围即较大的工作窗 2 7 。 挤出模具的实践性很强，从世界范围来说挤出模至今还没有形成严谨的设 计理论和固定的模式。进口挤出模稳定的使用性能所反映出的高水平，在于其 对基础理论的重视并在正确的理论指导下，结合制造工艺水平的提高，对挤出 模具技术进行不断地改进的结果。这就告诉了我们在设计和制造挤出模具时， 对模具的稳定性问题进行深入研究是十分必要的。 第三章塑料异型材挤出模具设计的理论基础 挤出模具的设计理论涉及到聚合物流变学和热力学等多学科理论，这里进 行简要介绍。 3 1 挤出成型的流变学基础 在进行塑料异型材挤出模具设计中，对被加工对象的性能参数和流动特性 的了解是至关重要的。异型材挤出模具加工的对象是p v c ，它属于聚合物的范 畴。聚合物在流道中流动时，由于受到各种因素的影响，不同聚合物的流变特 性。表现在流变行为上差别很大。聚合物的流变特性，决定了加工方法和加工 设备的选择。所以了解聚合物的流变特性及各种因素对聚合物流动的影响，对 于指导塑料异型材挤出模具的设计具有重要的意义。 3 1 1 聚合物熔体的粘度 在挤出模头内的流动过程中，熔体呈剪切变形，这种剪切流是由于熔体与 模头壁之间的附着作用引起的，被称为斯托克粘力 4 1 ，其作用的结果是引起流 道横截面上流速的变化，该变化用下述方程来描述： ，= _ d v( 3 1 ) 掣 式中，v 是流速，y 是剪切方向。y 表示单位时间内的剪切应变，也称剪切 速率。 剪切应力。与剪切速率之间存在着一定的关系： t = u 宰= u t( 3 2 ) 上式就是著名的牛顿粘性定律，u 称为粘度。单位为p a s ( 帕斯卡秒) ， 粘度是在剪切流动状态下流体内阻的度量。当u 为一常数时，公式( 3 2 ) 所描 述的为牛顿型流体。然而真正属于牛顿流体的只是气体、低分子化合物的液体 或溶液。一般来说，聚合物熔体不具备牛顿流的性质，其粘度不是常量，而是 取决于剪切速率，剪切应力与剪切速率是非线性的关系。凡是不符合上式规律 者均称为非牛顿流体。 根据非牛顿型流体的剪切应力与剪切速率之间呈现非线性关系的不同特 征，非牛顿型流体又可分为粘性系统、有时间依赖性系统和粘弹性系统三大类。 其中与模具设计密切相关的主要是粘性系统，它在流动时，其剪切速率只依赖 于剪切应力，而与剪切应力施加时间长短无关。根据剪切应力与剪切速率函数 关系的不同，又可分为：宾哈流体、假塑性流体和膨胀性流体等，如图3 1 所示 5 】： 1 2 畸流佟 臻缝流体l 胀墅流体 镄型流体 塑性流体2 台流悔 图3 1非牛顿流体的流动曲线 其中，最常见的一种非牛顿型流体是假塑性流体，p v c u 熔体就是假塑性 流体。在描述假塑性流体流动特性的经验方程式中，最有实用价值的为幂律函 数： 。：k f 立 “ l d r j kp ”( n 1 )( 3 3 ) 式中，k 与n 均为常量。k 称为流体的稠度；r l 是判断流体与牛顿型流体差别 程度的参数。在实际的应用中，塑料熔体流动的范围只是流变曲线上的的某一 线段。这时的n 可近似地视为常量。所以用幂率函数方程来描述聚合物熔体的 流动行为是准确而又简便的。 为了将上式与牛顿流体公式作比较，这里对它进行一些公式上的转换 6 】 f ：( k f 笃”。) 安= ( k 广t ) 户 i 办j咖 取 仉= k 【冬1 = k 户”1 则公式( 3 3 ) 可写为： t = t 1 。j ， ( 3 4 ) 仉称为表观粘度，单位是n s m 2 3 1 2 影响聚合物粘度的因素 粘度是聚合物熔体流变行为最重要的度量，是挤出模具流变学设计不可缺 少的参数。较为详尽地了解聚合物熔体的粘度及其影响因素是十分必要的。 从分子运动的观点上来看，聚合物熔体的粘度由两个方面的因素来决定的： 一是聚合物熔体内的自由体积的增减，自由体积是聚合物中未被聚合物占领的 空隙，它是大分子链段进行扩散的场所。凡是能引起自由体积增加的因素均能 活跃大分子的运动，导致聚合物粘度的降低；二是大分子之间的缠结，凡是能 增强这种缠结的因素，就会使分子链的运动变得困难，导致熔体粘度的增加1 5 】。 从宏观的角度来看，影响聚合物熔体粘度的因素主要有温度、压力、剪切 速率、分子结构和分子量等，而且这些影响因素之间又存在着互相影响的关系。 所以说，影响聚合物熔体粘度的因素是非常复杂的。