挤出机头设计与制造课案.docx
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挤出机头设计与制造课案
第五章挤出机头设计及制造
第一节挤出成型模具的分类及作用
一、挤出成型模具包括两部分:
机头和定型模｡
1.机头的作用
机头是挤出塑料制件成型的主要部件,它使来自挤出机的熔融塑料由螺旋运动变为直线运动,并进一步化,产生必要的成型压力,保证塑件密实,从而获得截面形状一致的连续型材。
2.定型模的作用
通常采用冷却､加压或抽真空的方法,将从口模中挤出的塑料的既定形状稳定下来,并对其进行精整,从而得到截面尺寸更为精确､表面更为光亮的塑料制件｡
3.机头的分类
（1）按挤出成型的塑料制件分类：
通常的挤出成型塑件有管材､棒材､板材､片材､网材、单丝､粒料､各种异型材､吹塑薄膜､电线电缆等｡
（2）按制品出口方向分类：
可分为直向机头和横向机头,直向机头内料流方向与挤出机螺杆轴向一致,如硬管机头;横向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（料流压力小于4MPa）､中压机头（料流压力为4—1OMPa）和高压机头（料流压力大于1OMPa）.
二、挤出成型模具的结构组成
以典型的管材挤出成型机头为例,如图5-1所示,挤出成型模具的结构可分为以下几个主要部分｡
图5-1管材挤出成型机头
1-管道2-定径管3-口模4-芯棒5-调节螺钉
6-分流器7-分流器支架8-机头体9-过滤板10､11-电加热图（加热图）
1.口模和芯模
口模3是用来成型塑件的外表面的,芯棒4用来成型塑件的内表面的,所以口模和芯模决定了塑件的截面形状｡
2.过滤网和过滤板
过滤网9的作用是将塑料熔体由螺旋运动转变为直线运动,过滤杂质,并形成一定的压力;过滤板又称多孔板,同时还起支承过滤网的作用｡
3.分流器和分流器支架
分流器6（又称鱼雷头）使通过它的塑料熔体分流变成薄环状以平稳地进入成型区,同时进一步加热和塑化;分流器支架7主要用来支承分流器及芯棒,同时也能对分流后的塑料熔体加强剪切混合作用,但产生的熔接痕影响塑件强度｡小型机头的分流器与其支架可设计成一个整体｡
4.机头体
机头体8相当于模架,用来组装并支承机头的各零件｡机头体需与挤出机筒连接,连接处应密封以防塑料熔体泄漏｡
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,如图5-1所示的电加热圈10､11｡
6.调节螺钉
图5-1所示调节螺钉5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｡
7.定型模
离开成型区后的塑料熔体虽已具有给定的截面形状,但因其温度仍较高不能抵抗自重变形,为此需要用径套2对其进行冷却定型,以使塑件获得良好的表面质量､准确的尺寸和几何形状｡
三、挤出机头设计原则
1.内腔呈流线型
为了使塑料熔体能沿着机头中的流道均匀平稳地流动而顺利挤出，机头的内腔应呈光滑的流线型，表面粗糙度应小于1.6－3.2
m.
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.正确的截面形状和尺寸
由于塑料的物理性能和压力、温度等因素引起的离模膨胀效应，及由于牵引作用引起的收缩效应使得机头的成型区截面形状和尺寸并非塑件所要求的截面形状和尺寸，因此设计时，要对口模进行适当的形状和尺寸补偿，合理确定流道尺寸，控制口模成型长度，获得正确的截面形状及尺寸。
4.合理的选择材料
机头内的流道与流动的塑料熔体相接触，磨损较大；有的塑料在高温成型过程中还会产生化学气体，腐蚀流道。
因此为提高机头的使用寿命，机头材料应选择耐磨、耐腐蚀、硬度高的钢材或合金钢。
第二节管材挤出机设计
一、常用管材挤出机头结构
常用的管材挤出机头结构有直通式、直角式和旁侧式三种形式.
1.直通式挤管机头图5-1及图5-2所示机头主要用于挤出薄壁管材，其结构简单，容易制造。
图5-2所示直通式挤管机头适用于挤出小管，分流器和分流器支架设计成一体，装卸方便。
塑料熔体经过分流器支架时，产生几条熔接痕，不易消除。
直通式挤管机头适用于挤出成型软硬聚氯乙烯、聚乙烯、尼龙、聚碳酸酯等塑料管材。
2.直角式挤管机头如图5-3所示。
其用于内径定径的场合，冷却水从芯棒3中穿过。
成型时塑料熔体包围芯棒并产生一条熔接痕。
熔体的流动阻力小，成型质量较高。
但机头结构复杂，制造困难。
图5－2直通式挤管机头图5－3直角式挤管机头
1－芯棒 2－口模 3－调节螺钉1－口模2－调节螺钉3－芯棒
4－分流器支架 5－分流器 6－加热器 7－机头体4－机头体5－连接管
3.旁侧式挤管机头如图5-4所示。
其与直角式挤管机头相似，其结构更复杂，制造更困难。
图5－4旁侧式管挤管机头
1－计插孔 2－口模3－芯棒4、7－电热器5－调节螺钉
6－机头体 8、10－熔料测温孔 9－机头 11－芯棒加热器
三种机头的特征见表5-3。
表5-3三种机头的特征
机头类型
项目特征
直通式
直角式
旁侧式
挤出口径
适用于小口径管材
大小均可
大小均可
机头结构
简单
复杂
更复杂
挤管方向
与螺杆轴线一致
与螺杆轴线垂直
与螺杆轴线一致
分流器支架
有
无
无
芯棒加热
较困难
容易
容易
定型长度
应该长
不宜过长
不宜过长
二、工艺参数的确定
主要确定口模、芯棒、分流器和分流器支架的形状和尺寸,在设计挤管机头时，需有已知的数据，包括挤出机型号、制品的内径、外径及制品所用的材料等.
1.口模
口模是用于成型管子外表面的成型零件。
在设计管材模时，口模的主要尺寸为口模的内径和定型段的长度。
如图5-1所示.
（1）口模的内径D口模内径的尺寸不等于管材的外径的尺寸，因为挤出的管材在脱离口模后，由于压力突然降低，体积膨胀，使管径增大，此种现象为巴鲁斯效应。
也可能由于牵引和冷却收缩而使管径缩小。
膨胀或收缩都与塑料的性质、口模的温度、压力以及定径套的结构有关。
D=d/k（5-1）
式中D－口模的内径（mm）。
D－管材的外径（mm）
K－补偿系数，见表5-4
表5-4补偿系数k值
塑料种类
定径套定管材内径
定径套定管材外径
聚氯乙烯（PVC）
-
0.95-1.05
聚乙烯（PE）
1.05-1.10
-
聚烯烃
1.20-1.30
0.90-1.05
（2）定型段长度L1口模和芯模的平直部分的长度称为定型段，如图5-1中L1所示.
a、按管材外径计算:
见式（5-2）
L1=（0.5—3）D（5-2）
通常当管子直径较大时定型长度取小值，因为此时管子的被定型面积较大，阻力较大，反之就取大值。
同时考虑到塑料的性质，一般挤软管取大值，挤硬管取小值。
b、按管材壁厚计算：
见式（5-3）。
L1=nt（5-3）
式中t一管材壁厚（mm）；
n一系数,见表5-5。
表5-5口模定型段长度与壁厚关系系数
塑料品种
硬聚氯乙烯（HPVC）
软聚氯乙烯（SPVC）
聚酰胺
（PA）
聚乙烯
（PE）
聚丙烯
（PP）
系数n
18－33
15－25
13－22
14－22
14－22
2.芯棒
芯棒是用于成型管子内表面的成型零件。
一般芯棒与分流器之间用螺纹连接。
其结构如图5-1中4所示。
芯棒的结构应利于物料流动，利于消除接合线，容易制造。
其主要尺寸为：
芯棒外径、压缩段长度和压缩角。
（1）芯棒的外径芯棒的外径由管材的内径决定，但由于与口模结构设计同样的原因，即离模膨胀和冷却收缩效应，所以芯棒外径的尺寸不等于管材内径尺寸。
根据生产经验，可按式（5-4）计算：
d=D-2e（5-4）
式中d一芯棒的外径（mm）；
D一口模的内径（mm）；
e一口模与芯棒的单边间隙（mm），e=（0.83－0.94）t
t一材料壁厚（mm）。
（2）定型段、压缩段和收缩角塑料经过分流器支架后，先经过一定的收缩。
为使多股料很好地会合，压缩段L2与口模口相应的锥面部分构成塑料熔体的压缩区，使进入定型区之前的塑料熔体的分流痕迹被熔合消去.
a、芯棒定型段的长度与L,相等或稍长。
b、L2可按下面经验公式计算：
L2=（1.5－2.5）D0（5-5）
式中L2一芯棒的压缩段长度（mm）；
D0一塑料熔体在过滤板出口处的流道直径（mm）。
c、芯模收缩角
：
低粘度塑料
=45°－60°
高粘度塑料
=30°－50°
三、分流器和分流器支架
1.分流器
图5-5所示为分流器和分流器支架的结构图，塑料通过分流器，使料层变薄，这样便于均匀加热，以利于塑料进一步塑化，大型挤出机的分流器中还设有加热装置。
图5-5分流器和分流器支架的结构图
（1）分流锥的角度
（扩张角）：
低粘度塑料
=30°-80°
高粘度塑料
=30°-60°
扩张角
>收缩角
过大时料流的流动阻力大,熔体易过热分解;
过小时不利于机头对其内的塑料熔休均匀加热,机头体积也会增大｡
（2）分流锥长度L5可按式（5-6）计算：
L5=（1－1.5）D0（5-6）
式中D0一头于过滤板相连处的流道直径（mm），如图5-6所示。
（3）分流锥尖角处圆弧半径R：
R=（0.5－2）mm
R不易过大，否则熔体容易在此处发生滞留。
（4）分流器表面粗糙度Ra
Ra＜0.4－0.2
m
（5）栅板与分流锥顶间隔L6
L6=（10－20）mm或L5＜0.1D1
式中D1一杆直径，如图5-8所示。
L5过小料流不均，过大则停料时间长。
（6）分流器支架主要用于支承分流器及芯棒。
支架上的分流肋应作成流线型，在满足强度要求的条件下，其宽度和长度尽可能小些，以减少阻力。
出料端角度应小于进料端角度，分流时应可能少些，以免产生过多的熔接痕。
一般小型机头3根,中型的4根,大型的6－8根，如图5-8所示。
图5－6分流器和过滤板的相对位置
1－分流器 2－螺杆 3－过滤板
2.拉伸比和压缩比
拉伸比和压缩比是与口模和芯棒尺寸相关的工艺参数。
根据管材断面尺寸确定口模环隙截面尺时，一般尚凭拉伸比确定。
（1）拉伸比I所谓管材的拉伸比是口模和芯棒的环隙截面积与管材成型后的截面积之比，其计算公式如下：
（5-7）
式中I一拉伸比；
D1一口模内径（mm）；
D2一芯棒外径（mm）；
d1一塑料管材的外径（mm）；
d2一塑料管材的内径（mm）。
表5－6常用塑料的挤管拉伸比
塑料品种
硬聚氯乙烯（HPVC）
软聚氯乙烯（SPVC）
ABS
高压聚乙烯（PE）
低压聚乙烯（PE）
聚酰胺
（PA）
聚碳酸酯
（PC）
拉伸比
1.00-1.08
1.10-1.35
1.00-1.10
1.20-1.50
1.10-1.20
1.40-3.00
0.90-1.05
挤出时拉伸比较大有如下优点：
经过牵引的管材，可明显提高其力学性能；在生产过程中变更管材规格时，一般不需要拆装芯棒、口模；在加工某些容易产生熔体破裂现象的塑料时，用较大的芯棒、口模可以生产小规格的管材，既不产生熔体破裂又提高了产量。
（2）压缩比
所谓管材的压缩比是机头和多孔板相接处最大进料截面积与口模和芯棒的环隙截面积之比，反映出塑料熔体的压实程度。
低粘度塑料
=4－10
高粘度塑料
=2.5－6.0
四、管材的定径和冷却
管材被挤出口模时，还具有相当高的温度，没有足够的强度和刚度来承受自重和变形，为了使管子获得较细的表面粗糙度、准确的尺寸和几何形状，管子离开口模时，必须立即定径和冷却，由定径套来完成。
经过定径套定径和初步冷却后的管子进入水槽继续冷却，管子离开水槽时已经完全定型。
一般用外径定径和内径定径两种方法。
1.外径定径
如果管材外径尺寸精度要求高，使用外径定径。
外径定径是使管子和定径套内壁相接触，为此，常用内部加压或在管子外壁抽真空的方法来实现，因而外径定径又分为内压法和真空法。
（1）内压法外定径图5－7所示为在管子内部通入压缩空气预热，保持压力约为（0.02－0.1MPa），可用浮塞堵住防止漏气，浮塞用绳索系于芯模上。
定径套的内径和长度一般根据经验和管材直径来确定，见表5-7。
图5－7内压法外定径
1－芯棒 2－口模 3－定径管
表5-7内压外定径套尺寸（mm）
材料
定径套的内径
定径套的长度
PE、PP
PVC
（1.02－1.04）Ds
（1.00－1.02）Ds
10Ds
10Ds
注：
Ds一管材的公称直径。
当管材直径Ds=40mm时，定径套的长度L<10Dz，定径套的内径d>0.8％－1.2％Ds
当管材直径Ds>100mm时，定径套的长度L=3－5Ds，设计定径套的内径时，其尺寸不得小于口模内径。
（2）真空法外定径如图5－8所示。
在离开挤出机头与口模的软性管材外壁和定型套内壁之间抽取真空，以此产生一种很大的真空吸附力将管材外壁紧贴于定径套内壁冷却定型。
这种方法称也为真空吸附定型法。
真空法的定径装置比较简单，管口不必堵塞，但需要一套抽真空设备，常用于生产小管。
图5－8真空法外定径
1－机头2－定径管3－管材
真空定径套生产时与机头口模应有20－lOOmm的距离，使口模中流出的管材先行离模膨胀和一定程度的空冷收缩后，再进入定径套中冷却定型。
定径套内的真空度一般要求在53－66kPa。
真空孔径在0.6－1.2mm范围内选取，与塑料粘度和管壁厚度有关，如塑料粘度大或管壁厚度大，孔径取大值，反之取小值.
真空定径套的内径见表5－8。
真空定径套的长度一般应大于其它类型定径套的长度。
例如，对于直径大于100mm的管材，真空定径套的长度可取4－6倍的管材外径。
这样有助于更好地改善或控制离模膨胀（巴鲁斯效应）和冷却收缩对管材尺寸的影响.
表5-8真空定径套的内径（mm）
材料
定径套内径
HPVC
（0.993－1.99）Dz
PE
（0.98－1.96）Dz
注：
Dz一管材的称呼直径。
2.内径定径
内径定径是固定管材内径尺寸的一种定径方法。
此种方法适用于侧向供料或直角挤管机头。
该定径装置如图5－9所示，定径芯模与挤管芯模相连，在定径芯模内通入冷却水。
当管坯通过定径芯模后，便获得内径尺寸准确、圆柱度较好的塑料管材。
这种方法使用较少，因为管材的标准化系列多以外径为准。
但内径公差要求严格，用于压力输送的管道，是这种定径方法的唯一应用，同时内径定径管壁的内应力分布较合理。
（1）定径套应沿其长度方向带有一定的锥度，在0.6:
100－1.0:
100之间选取。
（2）定径套外径一般取（1+2％～4％）ds（ds为管材内径），定径套外径稍大于管材内径，使管材内壁紧贴在定径套上，则管壁获得较低的表面粗糙镀。
另外，通过一段时间的磨损也能保证管材内径ds的尺寸公差，提高定径套的寿命。
（3）定径套的长度一般取80－300mm。
牵引速度较大或管材壁厚较大时取大值；反之，取小值。
图5－9内径定径法
1－管材 2－定径芯模 3－芯棒 4－回水流道 5－进水管 6－排水嘴7－进水嘴
第三节吹塑薄膜挤出机设计
吹塑薄膜挤出机头简称吹膜机头，其方法是挤出壁薄的大直径管坯，然后用压缩空气吹涨。
吹塑成型可以生产聚氯乙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚胺等各种塑料薄膜，应用广泛。
根据成型过程中管坯的挤出方向及泡管的牵引方向不同，吹塑薄膜成型可分为平挤上吹、平挤下吹及平挤平吹三种方法。
其中前两种使用直角式机头，后一种使用水平机头。
一、机头结构类型和结构参数
常用的薄膜机头大致可分为：
芯棒式机头、十字形机头、螺旋机头、多层薄膜吹塑机头和旋转机头。
1.芯棒式机头如图5－10所示。
来自挤出机的塑料熔体，通过机颈7到达9转向90°，并分成两股沿芯棒轴分流线流动，在其末端尖处汇合后，沿机头流道芯棒轴9和口模3的环隙挤成管坯，由芯棒9中通入压缩空气，将管坯吹涨成膜，调节螺钉5，可调节管坯厚薄的均匀性。
图5－10芯棒式机头
1-芯棒2－缓冲槽3-口模4-压环5-调节螺钉6-上机头体7-机颈
8-紧固螺母9-芯棒轴10-下机头体
芯棒扩张角
和分流线斜角
芯棒扩张角
在选取上不可取得过大，否则会对机头操作工艺控制、膜厚均匀度和机头强度设计等方面产生不良影响。
通常取
=80°－90°，必要时可取
=100°－120°。
芯棒轴分流线斜角的取值与塑料的流动性有关，不可取得太小，否则会使芯棒尖处出料慢，形成过热滞料分解，一般
=40°－60°。
图5－11十字形机头
1-机颈2-十字形分流支架3-锁压盖4-连杆5-芯模6-锁母7-调节螺钉
8-口模9-机头座10-气嘴11-套12-过滤板13-机头体14-堵头
芯棒式机头结构简单，机头内部通道空隙小，存料少，熔体不易过热分解，适用于加工聚氯乙烯等热敏性塑料，仅有一条薄膜熔合线。
但芯棒轴受侧向压力，会产生“偏中”现象，造成口模间隙偏移，出料不均，所以薄膜厚度不易控制均匀。
2.十字形机头如图5－11所示，其结构类似于挤管机头。
在设计这种中心进料式机头时，要注意分流器支架上的支承肋在不变形的前提下，数量尽可能少一些，宽度和长度也应小一些，以减少接合线。
为了消除接合线，可在支架上方开一道环形缓冲朝槽，并适当加长支承肋到出口的距离。
十字形机头的优点是出料均匀，薄膜厚度易于控制。
由于中心进料，芯模不受侧向力，因而没有“偏中”现象。
其缺点是：
因为有几条支承肋，增加了薄膜的接合线；机头内部空腔大，存料多，不适合于容易分解的物料。
3.螺旋式机头如图5-12所示。
熔融树脂从机头底部的树脂流人口10进入模体，通过一个由若干个径向分布孔所组成的星形分配器，自分歧点9分成2－8股料流，分别沿着各自的螺槽旋转上升，并从切向流动逐渐过渡为轴向流动。
熔料至成型前的5处汇合，然后经缓冲槽4均匀地从定型段挤出。
这种机头适合于加工流动性好而不易分解的树脂。
图5-12螺旋式机头
1-调节螺钉2-口模3-定型段4-缓冲槽5-合流部分6-芯模7-树脂流道
8-模体9-螺旋分歧点10-树脂流入口11-压缩空气进口
（1）螺旋槽数目见表5-11，主要取决于挤出量和螺旋芯棒的直径。
表5-11螺旋槽数目与芯棒直径的关系
芯棒直径（mm）
50
100
200
300
螺旋槽数
2
2-4
3-4
4-6
星形分配器各径向孔的直径取决于树脂类型、熔体指数、加工温度，通常为8－16mm。
螺槽开始点的深度16－20mm。
螺距16－22mm。
口模定型段高度h为20－25mm，口模间隙为为0.8－1.2mm。
（2）中心进料孔直径可根据挤出机大小和口模直径按表5-12进行选取。
表5-12中心进料孔直径与螺杆、口模直径的关系（mm）
螺杆直径
45
65
90
150
口模直径
50-200
150-400
250-800
500-1200
中心进料孔直径
25
25-32
25-32
32-38
4.多层薄膜吹塑机头也称复合吹塑机头，是将同种（异色）或异种树脂分别加入两台以上的挤出机，经过同一个模具同时挤出，一次制成多色或多层薄膜。
（1）模内复合：
挤出的各熔融树脂分别导人模内各自的流路，这些层流于模口定型区进行汇合,如图5-13所示。
（2）模外复合：
是在树脂刚刚离开口模时就进行复合的一种工艺，如图5-19b所示。
图5-13多层薄模吹塑机头
a）模内复合b）模外复合
1-外层树脂入口2-内层树脂入口3-压缩空气入口4-调节螺钉
图5-14旋转机头
1-芯模2-口模3-齿轮4-空心轴5-外模支撑体
6-机头螺旋体7-螺旋套8-绝缘环9-铜环10-碳刷
11-铜环的输电结构;
在设计多层薄膜吹塑机头时，一般要求机头内的料流达到相等的线速度。
其次，对模内复合机头应注意接合部件形状，使之容易加工制造。
另外，模外复合机头往往带有引入氧化性气体通道，使两层薄膜之间进行物理和化学的接合。
5.旋转机头机理是通过外套或芯棒的转动，对流道中压力和流速不均衡的料层产生一个“抹平”的机械作用，使薄膜超差点均匀地分布到整个圆周上，于是大大改善了薄膜的收卷质量。
用旋转机头生产的聚丙烯膜，其厚度公差可达0.0001mm。
如图5-14所示，芯模l和口模2既可分别单独旋转，又能以同速、异速同向或异向旋转。
由一台直流电动机经减速系统将运动传给齿轮，带动空心轴4和芯模1旋转。
由另一台直流电动机经减速系统将运动传给外模支持体5和机头旋转体6而带动外模2旋转。
芯模1的最高速度为2.5r/min，口模2的最高速度为2r/min。
旋转机头参数的设定
1.调节装置设调节环和调节螺钉，保证机头出料口环形隙缝宽度均匀一致，调节螺钉5应多于6个。
2.环形隙缝尺寸
=0.4－1.2mm或按18－30倍的薄膜厚度选取，太小时机头内反压力大，太大时又影响薄膜厚度的均匀性。
一般薄膜厚度为0.01－0.3mm，应附和吹胀比、牵引比和压缩比。
（1）吹胀比a是指吹胀后的泡管膜直径与未吹胀的管坯直径（也叫机头口模直径）的比值，一般取1.5－4.0，工程上常用2－3。
增大吹胀比，薄膜的横向强度随之增大，但不能太大，以防吹破。
其计算见式（5-8）：
（5—8）
式中a一吹胀比；
W一膜管压平后的双层宽度（mm）；
d一口模直径（mm）。
（2）牵引比b指薄膜牵引速度与管坯挤出速度的比值，一般为4－6，增大牵引比，薄膜的纵向强度随之提高，但不能太大，否则难以控制厚薄均匀，直到将薄膜拉断。
牵引速度即薄膜牵引辊的圆周速度。
管坯挤出速度可用单位时间挤出的树脂体积除以口模间隙的截面积求得。
其计算见式（5-9）。
（5—9）
式中V一一管坯挤出速度（cm/min）；
Q一一膜产率（g/min）；
d一一口模直径（cm）；
一一口模间隙（cm）；
一一熔融树脂密度（g/cm3）。
压缩比：
指机颈内流道截面积与口模定型区环形流道截面积的比值，一般应>2。
（3）定型区长度L1一般没经验公式L1=ct而定，t为管材的壁厚，c可参考表5-13。
表5-13定型区长度L1的计算系数
塑料品种
硬聚氯乙烯（HPVC）
软聚氯乙烯（HPVC）
聚乙烯
（PE）
聚酰胺
（PA）
聚丙烯
（PP）
系数c
18-33
15-25
13-23
14-22
14-22
（4）缓冲槽尺寸通常在芯棒的定型区开设1－2个缓冲槽，其深度取（3.5－8）
，宽度取（15－30）
，它的作用是可以用来消除管坯上的分流痕迹。
（5）避免产生接合缝芯棒尖到模口处的距离L应不小于芯棒轴直径d的两倍。
二、冷却装置
为了使接近流动态的
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