塑料成型工艺与模具设计第18章.ppt

1,普通高等教育“十二五”规划教材,杨永顺主编,塑料成型工艺与模具设计,第18章挤出成型工艺与模具设计,18.1挤出成型工艺,2,18.2管材挤出模具设计,18.3棒材挤出成型机头设计,18.4吹塑薄膜机头,18.5板片材挤出成型机头设计,18.6异型材挤出成型机头,18.7电线电缆挤出成型机头,3,概念：挤出成型是将塑料在旋转螺杆和机筒之间进行输送、压缩、熔融塑化，定量地通过挤出机头部的口模和定型装置，生产出连续型材的一种工艺方法。用途：在挤出机头部配以不同类型的机头及其相应的定型装置和辅机，即可生产出管材、棒材、异型截面型材、板材、片材、薄膜、单丝、电线电缆覆层及中空制品毛坯等，大部分热塑性塑料都能以挤出成型方法成型。,简介,4,18.1挤出成型工艺,5,塑料从料斗加入挤出机机筒后，在旋转螺杆的摩擦力和推动力作用下向前运动，在此过程中，塑料受到机筒的外部加热、螺杆的剪切和压缩以及塑料之间的相互摩擦等作用，逐渐塑化（即变成粘性流体），并通过具有一定形状的挤出模具的口模及定型、冷却、牵引、切断等一系列辅助装置，从而获得截面形状一定的连续型材。,18.1.1挤出成型原理,挤出成型原理,6,原材料的准备塑化挤出成型定型冷却,18.1.1挤出成型原理,挤出成型工艺过程,图18-1管材挤出成型1切割装置2塑料管3牵引装置4浮塞5冷却装置6定型套7机头8挤出机料筒,7,挤出成型工艺参数包括：温度压力挤出速度牵引速度,18.1.2挤出成型工艺参数,8,概念：挤出成型温度是指塑料熔体温度。为了方便检测，常用机筒温度近似表示。热源：大部分由机筒外部的加热器提供；少部分来源于混合时产生的摩擦热。要求：通常机头温度应控制在塑料热分解温度之下；口模温度可以比机头温度稍低一些；同时应保证塑料熔体具有良好的流动性。,18.1.2挤出成型工艺参数,1.温度,9,18.1.2挤出成型工艺参数,表18-1部分热塑性塑料挤出成型时的温度参数,10,产生压力波动的原因：螺杆转速的变化，加热、冷却系统的不稳定。压力波动塑件质量的影响：导致局部疏松、表面不平、弯曲等缺陷。控制措施：精确地控制螺杆转速；提高加热和冷却装置的控温精度和稳定性。,18.1.2挤出成型工艺参数,2.压力,11,概念：挤出速度是单位时间内从挤出机口模挤出的塑化好的塑料质量（单位为kg/h）或长度（m/min），是挤出机生产能力高低的标志。影响因素：挤出口模阻力螺杆与机筒的结构螺杆转速加热系统塑料特性,18.1.2挤出成型工艺参数,3.挤出速度,12,螺杆转速对成型工艺和产品质量的影响增加螺杆转速，可提高产量，同时由于剪切速率增加，使熔体的粘度降低，有利于物料的均匀化，此外，由于塑化良好，使得物料分子间的作用力增大，产品的机械强度得到提高；螺杆转速过高，会使电机负载过大，而且会使熔体压力过高，使得熔体离模膨胀加大，进而使得制件表面质量变差。,18.1.2挤出成型工艺参数,3.挤出速度,13,牵引速度的影响：产品壁厚，尺寸公差，性能及外观，因而必须稳定，并且要与管材挤出速度相适应。牵引比：牵引速度与挤出速度的比值。要求：牵引比必须等于或大于1，即牵引速度应略大于挤出速度。,18.1.2挤出成型工艺参数,4.牵引速度,14,18.2管材挤出模具设计,15,塑料管材挤出模,管材成型机头,定型模,16,直通式机头直角式机头旁侧式机头微孔流道挤管机头,18.2.1管材成型机头,1.结构类型,17,（1）直通式机头,18.2.1管材成型机头,特征：塑料熔体在机头内的流向与螺杆轴向一致。,图18-2管材挤出成型机头1管材2定径套3口模4芯模5调节螺钉6分流器7分流器支架8机头体9过滤板10过滤网11、12电加热圈,18,（1）直通式机头,18.2.1管材成型机头,特点：a.机头结构简单，容易制造；b.熔体经过分流器支架时形成的分流痕迹不易消除；c.机头长度较大、整体结构笨重。用途：适用于聚氯乙烯、尼龙、聚碳酸酯等塑料管材的挤出成型。,19,特征：塑料熔体在机头内的流向与螺杆轴向成直角。,18.2.1管材成型机头,（2）直角式机头,图18-3直角式挤管机头1机头体2芯模3调节螺钉4口模5连接管,20,特点：a.塑料熔体包围着芯模流动，成型时只会产生一条分流痕迹。b.熔体的流动阻力小、料流稳定、生产效率高，成型质量较好。,18.2.1管材成型机头,（2）直角式机头,21,特征：挤出机的出管方向与供料方向平行。,18.2.1管材成型机头,（3）旁侧式机头,图18-4旁侧式挤管机头1、12温度计插孔2口模3芯模4、7电加热圈5调节螺钉6机头体8、10熔料测温孔9连接体11芯模加热器,22,特点：1）旁侧式机头与直角式机头结构相似但更复杂;2）没有分流器支架，芯模容易加热，定型长度不长。3）大小管材均适用。,18.2.1管材成型机头,（3）旁侧式机头,23,特征：出管方向与螺杆轴向一致;机头内没有分流器及分流支架;熔体通过芯模的微孔进入口模成型。,18.2.1管材成型机头,（4）微孔流道机头,图18-5微孔流道挤管机头1芯模2口模,24,特点：1）挤出的管材没有分流痕迹，管材强度高；2）机头重量轻、体积小、结构紧凑；3）料流稳定且流速可以控制；4）由于管材直径大，容易因自重引起壁厚不均。用途：适用于生产口径较大（外径可达600mm以上）的聚烯烃类塑料管材。,18.2.1管材成型机头,（4）微孔流道机头,25,（1）口模口模是成型管材外表面轮廓的机头零件，结构如件3所示，主要尺寸为口模内径和定型段长度。,18.2.1管材成型机头,2.结构设计,图18-2管材挤出成型机头1管材2定径套3口模4芯模5调节螺钉6分流器7分流器支架8机头体9过滤板10过滤网11、12电加热圈,26,（1）口模1）口模内径DD=kds(18-1)式中：D口模内径（mm）；ds塑料管材的外径（mm）；k补偿系数，内径定径时取1.101.30；外径定径时取0.951.05。,18.2.1管材成型机头,2.结构设计,27,（1）口模2）定型段长度L1L1=（0.53）ds(18-2)当管材直径较大时定径段长度取小值，反之取大值。或者按照管材厚度计算L1=（815）t(18-3)式中：t管材厚度(mm)。,18.2.1管材成型机头,2.结构设计,28,芯模是成型管材内表面轮廓的机头零件，结构如图18-2的件4所示。,18.2.1管材成型机头,（2）芯模,2.结构设计,29,1）芯模外径d指定型段的直径，它决定管材的内径。d=D-2(18-4)式中：d芯模外径；D口模内径；口模与芯模的单边间隙，通常取0.830.94倍的管材壁厚。,18.2.1管材成型机头,（2）芯模,2.结构设计,30,芯模的长度由定型段和压缩段两部分构成，定型段与口模的相应段构成管材的成型区。压缩段与口模相应的锥面部分构成塑料熔体的压缩区，主要作用是使进入定型区之前的塑料熔体的分流痕迹熔合消除。L2=(1.52.5)D0（18-5）式中，L2芯模的压缩长度；D0塑料熔体在多孔板出口的流道直径。,18.2.1管材成型机头,2）芯模长度L2,（2）芯模,2.结构设计,31,压缩区的锥角称为压缩角。对于低粘度塑料取4560，高粘度塑料取3050,18.2.1管材成型机头,3）压缩角,（2）芯模,2.结构设计,32,分流器作用：迫使流过的熔融料分散成薄层而加强传热效果，借以提高塑化能力。分流器支架作用：支撑分流器及芯模，另外还起着搅拌物料的作用。,18.2.1管材成型机头,（3）分流器和分流器支架,2.结构设计,图18-6分流器和分流器支架的结构,33,扩张角：低粘度不易分解塑料通常取4580；高粘度易分解塑料取3060。有效长度L3：L3=（0.61.5）D0（18-6）式中：D0机头与过滤板相连处的流道直径。圆角R：一般取0.52mm。表面粗糙度Ra：应小于0.40.2m。,18.2.1管材成型机头,（3）分流器和分流器支架,2.结构设计,34,为了及时消除塑料通过分流器后形成的结合线，分流器支架上的分流筋应做成流线型；在机械强度许可的前提下，其宽度和长度应尽量小些，分流筋的数量也尽可能少。一般小型的用3根，中型的用4根，大型的用68根。分流器支架上设有进气孔，用以通入压缩空气使管坯定径。,18.2.1管材成型机头,3.设计要点,35,（1）外径定径1）压缩空气外径定径原理：在高温塑料管坯内通入压缩空气，使其紧贴定径套内壁而定型，为保持管内压力，可通过系于芯模上的浮塞封堵。用途：该法仅适用于管径大于350mm的聚氯乙烯管及管径大于90mm的聚烯烃管材。,18.2.2管材定径模,1.定径方法,图18-7压缩空气外定径原理1管材2定径套3口模,36,（1）外径定径2）真空外定径定径原理：借助真空吸附力将管坯外壁紧贴于具有冷却装置的定径套内壁定型，从而获得一定尺寸和形状的管材。特点：管材外观质量好、尺寸精度高、壁厚均匀性好、产品内应力小。是管材生产的重要定径方法。,18.2.2管材定径模,1.定径方法,图18-8真空外定径原理1管材2定径套3口模,37,（2）内定径原理：利用冷却收缩使高温管坯紧贴内定径芯模外表面而定型。,18.2.2管材定径模,图18-9内定径原理1管材2定径芯模3机头4芯模,1.定径方法,优点：能保证管材内孔的圆度且操作方便。用途：只适用于结构复杂的直角式机头。只是用于内径公差要求严格的压力输送管道。,38,（1）定径套长度要求：应能使管坯表面形成足够的硬化层，以达到定型的目的。影响定径套长度的因素：管材尺寸、塑料性能、管坯温度、挤出速度、冷却效率及热传导性能。尺寸：对于RPVC管材，当直径小于300mm时，定径套长度为管径的36倍，倍数随管径减小而增加，直径小于35mm时，可达10倍；对于聚烯烃管材，定径套长度为管径的25倍，管径小时取大值。,18.2.2管材定径模,2.定径套尺寸,39,（2）定径套直径外定径套的内径可比口模内径大0.8%1.2%。（3）定径套锥度定径套的出口直径应略小于进口直径，以满足管坯冷却收缩的需要。其锥度随冷却水温度、管坯材料不同而异。内定径时：芯模长度一般取80300mm。芯模的外径比管材内径大2%4%。,18.2.2管材定径模,2.定径套尺寸,40,18.3棒材挤出成型机头设计,41,棒材机头流道不需要分流，只要做成无滞料区的光滑过渡即可满足流动要求。,18.3.1棒材机头,图18-10圆形棒料挤出机头典型结构1接套2口模3加热圈4机头体5栅板6、7法兰盘8螺杆9机筒,42,18.3.1棒材机头,要求：1）由于棒材横截面积大，故流道的阻力小，要想使实心型材密实，应当从结构上保证机头有足够的压力。如图所示，在圆形口模中，虽然熔体流速沿半径方向有很大变化，但沿圆周方向是一致的，即流动速度仅在一个方向变动。,43,2）在给定流量和直径条件下，管道越短，应力建立的时间也越短，熔体离开口模时的膨胀就越大。一般塑料棒材的膨胀程度可以超过38120为此，在设计口模时常采用以下两种方式，一是减少模孔直径，二是使棒材制品的牵引速度等于口模处型坯的离模速度。流道平直部分直径小，可起到增加机头压力，增强阻流的作用。对于棒材密实度要求不高或作为提供二次加工坯料用时，挤出机头可设计成组合式结构，如图18-11所示，加工制造十分容易。,18.3.1棒材机头,要求：,44,图18-11组合式圆形棒料挤出机头1口模2加热圈3接套4联接套5机头体,18.3.1棒材机头,要求：,对于棒材密实度要求不高或作为提供二次加工坯料用时，挤出机头可设计成组合式结构，加工制造十分容易。,45,设计不当则不能保证棒材成型尺寸和外观质量，特别是收缩角选择不当会影响表面粗糙度。成型段长度L:L=(410)D或：Ds(60150)mm时，取L=(150200)mmDs(60150)mm时，取L=(230300)mm式中，D口模平直部分直径Ds塑料棒材直径机头的收缩角：通常取3060。机头出口过渡角：取45以下。,18.3.1棒材机头,主要设计参数：,46,图18-12挤出棒材定型套结构1定型套2绝热板3机头,18.3.2棒材定型套,为了加强对棒材的冷却效果，定型套上可设计出螺旋式冷却槽。,为减少机头热量向定型套的传递，两者间应当安放绝热板，其材料通常用聚四氟乙烯。,定型套结构：,47,图18-12挤出棒材定型套结构1定型套2绝热板3机头,18.3.2棒材定型套,依据冷却介质的温度而定，温度低时可取短些，反之则取长些；,棒材直径在50mm以下时，定型套长度取200350mm；棒材直径为50100mm时，定型套长度取300500mm。,定型套长度：,48,18.4吹塑薄膜机头,49,吹塑成型比压延、流延、拉伸等方法生产塑料薄膜经济，加工简单、生产效率高，广泛应用于聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚酰胺等塑料薄膜的生产。吹塑薄膜机头简称为吹膜机头，根据成型过程中熔体的挤出方向及泡管的牵引方向不同，薄膜吹塑成型可分为平挤上吹、平挤下吹、平挤平吹三种方法。其中前两种使用直角式机头，后一种使用水平机头。吹膜机头根据结构形式的不同有芯模式机头、十字形机头（中心进料式机头）、旋转芯模式机头和多层复合膜机头等。,简介,50,以平挤上吹法为例：来自挤塑机的熔料熔体通过机颈7到达芯轴9，并分成两股沿芯模轴分料线流动，在其末端尖处汇合后，沿机头流道环隙挤成管坯。由进气装置向芯轴9中通入压缩空气，将管坯吹胀成膜。管坯可用调节螺钉5调节其厚薄均匀性。,18.4.1薄膜吹塑原理,图18-13芯模式机头1芯模2缓冲槽3口模4压环5调节螺钉6口模座7机颈8紧固螺母9芯轴10模体,51,以芯模式机头为例（1）口模与芯模的单边间隙太小，机头内成型压力就大，挤出速度慢；太大，则需要较大的吹胀比及牵引力，薄膜的均匀性较差，容易被拉断。=0.41.2mm，=（1830）tt薄膜厚度。,18.4.2薄膜吹塑机头几何参数,52,（2）口模定型段长度L115（3）缓冲槽厚度目的：消除芯模尖角处的熔接痕迹。尺寸：深度h=(3.58)宽度b=(1530),18.4.2薄膜吹塑机头几何参数,53,（4）吹胀比、牵引比和压缩比吹胀比是指吹胀后的泡管膜直径与管坯直径的比值，一般取1.53；牵引比是指泡管膜牵引速度与管坯挤出速度的比值，通常取46；压缩比是指机颈内流道截面积与口模定型段截面积的比值，一般应大于或等于2。（5）芯模扩张角芯模扩张角不能取太大，否则会使塑料流动阻力增大，对薄膜均匀性和机头强度产生不良影响。通常取8090，最大取100120。,18.4.2薄膜吹塑机头几何参数,54,18.5板片材挤出成型机头设计,55,板材：厚度超过1mm，挤出成型片材：厚度在0.251mm之间，挤出成型平膜：厚度度在0.25mm以下，挤出吹塑成型,基本概念,56,机头特征：机头在成型段的横截面上具有平行缝隙特征，熔体流道的模口（出料口）宽而薄。要求：a.使熔体流速沿幅宽方向上要均匀一致，以保证制件厚度均匀；b.要求塑料熔体流经整个机头流道的压力降要适度；c.停留时间要尽可能短，且无滞料现象发生。,基本概念,57,特点：板片材挤出成型设备简单、生产过程连续、成本低廉、材料冲击强度高，但厚度均匀性较差。用途：适用于聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、ABS、抗冲聚丙乙烯、聚碳酸酯、聚酰胺、聚甲醛和醋酸纤维等板、片材挤出成型。类型：按模腔形状主要有鱼尾式、支管式、螺杆式和衣架式等。,基本概念,58,塑料熔体呈放射状流动，从机头的中部进入模腔，并沿宽度展开。其模腔形状犹如鱼尾。,18.5.1鱼尾式机头,图18-14带阻流器的鱼尾式机头1模口调节块2阻流器,结构特征：,a.结构比较简单且易于加工制造。b.熔体中部的压力大，流速高，温度高，粘度小。c.两侧熔体的压力相对较小，因而流速较低，温度较低，粘度偏大。,特点：,因此，口模中部出料较多而两侧相对较少，造成塑料件厚度不均匀。,59,在机头模腔内设置阻流装置。采用阻流棒来调节料流阻力。,18.5.1鱼尾式机头,避免塑件厚度不均的措施：,主要用于粘度较低的聚烯烃类塑料、粘度较高的塑料以及热敏性较强的聚氯乙烯和聚甲醛等塑料的挤出成型。用于幅宽不大于500mm，厚度不大于3mm板片材成型。,用途：,图18-15带阻流器和阻流棒的鱼尾式机头,60,机头模腔呈管状;由一个纵向切口与口模区相连。特点：体积小、质量轻、易加工，可以挤出幅宽较大的板材，应用较广泛。,18.5.2支管式机头,特征：,61,一端供料的直支管机头中间供料的直支管机头弯支管机头带有阻流棒的双支管机头,18.5.2支管式机头,机头形式：,62,特征：塑料熔体从支管的一端进入。结构特点：支管模腔与挤出物料流向一致，塑件的宽度可以由幅宽调节块1调节。熔体在支管内停留时间较长容易分解，料温也难以控制。,18.5.2支管式机头,（1）一端供料的直支管机头：,图18-16一端供料的直支管机头1幅宽调节块2支管模腔3模口调节块4调节螺钉,63,特征：塑料熔体从支管的中间进料，分流并充满支管后，从平缝中挤出。,18.5.2支管式机头,（2）中间供料的直支管机头：,图18-17中间供料的直支管机头1幅宽调节块2支管模腔3模口调节块4调节螺钉,结构特点：机头结构简单，能调节幅宽，可以生产宽幅塑料件，且制件沿中心线有较好的对称性。因此应用比较广泛。,64,特点：a.具有中间供料的直支管机头的优点；b.料腔呈流线型，没有死角，物料不会滞留；c.机头制造困难，幅宽不能调节。用途：特别适合热稳定性差的塑料（如聚氯乙烯）成型。,18.5.2支管式机头,（3）弯支管机头：,图18-18中间供料的弯支管机头,65,阻流棒的作用：调节流量，限制模腔中部塑料熔体的流动速度。,18.5.2支管式机头,（4）带有阻流棒的双支管机头：,图18-19带有阻流棒的双支管机头1支管模腔2阻流棒3模口调节块,用途：用于加工成型粘度高、幅度宽的塑件，成型幅度可达12m。,66,特征：在螺杆式机头的模腔内安装一根可以单独驱动的螺杆。制作要求：为防止塑料熔体受热分解，螺杆应制作成多头、渐变型螺纹并可以单独转动。,18.5.3螺杆式机头,图18-20螺杆式机头1过滤板2螺杆,67,优点：a.螺杆的旋转可以塑化塑料，物料也不会滞在支管内。b.由于螺杆能均匀地将物料分配到机头整个宽度上，所以可使模口的压力均匀，流速趋于一致，以便获得厚度均匀的板片材。缺点：a.机头结构复杂、加工困难、成本高。b.物料在模腔内由圆周运动变为直线运动，所以塑件表面容易出现波形痕迹。,18.5.3螺杆式机头,68,18.6异型材挤出成型机头,69,异型材：除管材、棒材、板（片）材、薄膜等形状外的其它截面形状的塑料型材。塑料异型材在建筑、交通、汽车等方面已经被广泛使用。塑料异型材截面形状不规则，几何形状复杂，尺寸精度要求高。由于异型材的形状尺寸和所用的塑料品种较多且复杂，所以异型材机头结构复杂，其设计也比较困难。异型材挤出机头形式：板式机头流线型机头,基本概念,70,特点：a.结构简单、制造方便、成本低、安装调试也较容易。b.机头内流道截面在口模入口处急剧变化，熔体流动容易形成局部滞留，