第三章 擠出成型工藝與模具結(jié)構(gòu)

.,第3章擠出成型工藝與模具結(jié)構(gòu),課件制作：袁正東,.,3.1擠出成型原理和工藝過程,擠出成型一般用于熱塑性塑料的管材、棒材、板材、薄膜、線材等連續(xù)型材的生產(chǎn)，所得到的塑件均具有穩(wěn)定的截面形狀。擠出成型在熱塑性塑料成型中是一種用途廣泛、所占比例很大的價(jià)格方法。,.,首先將粒狀或粉狀塑料加入料斗中，在擠出機(jī)螺桿的作用下，加熱的塑料沿螺桿的螺旋槽向前方輸送。塑料不斷接受料筒的外加熱和摩擦熱，逐漸熔融呈黏流態(tài)，然后在擠壓系統(tǒng)的作用下，塑料熔體通過具有一定形狀的擠出模具，從而獲得具有一定截面形狀的塑料型材，如下圖所示。,3.1.1擠出成型原理和特點(diǎn),1擠出成型原理,PVC擠出成型視頻,.,2擠出成型的特點(diǎn),（1）連續(xù)成型，生產(chǎn)量大，生產(chǎn)率高，成本低。（2）塑件截面恒定，形狀簡單。（3）塑件內(nèi)部組織均衡緊密，尺寸比較穩(wěn)定準(zhǔn)確。（4）適用性強(qiáng)，能加工多數(shù)熱塑性和部分熱固性塑料。,3.1.1擠出成型原理和特點(diǎn),.,經(jīng)過干燥處理的塑料原料加入擠出機(jī)料筒后，在料筒溫度和螺桿旋轉(zhuǎn)、壓實(shí)及混合作用下，由固態(tài)的粒狀或粉狀轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢鲃有缘木鶆蛉垠w，這一過程稱為塑化。,3.1.2擠出成型的工藝過程,1塑化階段,塑化,成型,定型,牽引,切斷,.,2擠出成型階段,均勻塑化的塑料熔體隨螺桿的旋轉(zhuǎn)向料筒前端移動，在螺桿的旋轉(zhuǎn)擠壓作用下，通過一定形狀的口模而獲得與口模形狀一致的型材。,塑化,成型,定型,牽引,切斷,3.1.2擠出成型的工藝過程,.,3定型冷卻階段,塑件離開機(jī)頭口模后，通過定型裝置和冷卻裝置，冷卻變硬而定型。在大多數(shù)情況下定型和冷卻是同時(shí)進(jìn)行的，但在擠出各種管材和棒材時(shí)，有一個(gè)獨(dú)立的定型過程。冷卻一般采用空氣冷卻或水冷卻，冷卻速度對塑件性能有很大影響。,3.1.2擠出成型的工藝過程,.,4塑件的牽引、切割和卷取,塑件從口模擠出后，一般會因壓力的解除而發(fā)生膨脹現(xiàn)象，而冷卻后又會產(chǎn)生收縮現(xiàn)象，使塑件的形狀和尺寸發(fā)生改變。如果不加以引導(dǎo)，就會造成塑件停滯，使塑件不能順利擠出。因此，在冷卻的同時(shí)，要連續(xù)均勻地將塑件引出，這就是牽引。通過牽引的塑件可根據(jù)使用要求在切割裝置上裁剪（如棒材、管材、板材、片材等）或在卷取裝置上繞制成卷（如薄膜、單絲、電線電纜等）。,塑化,成型,定型,牽引,切斷,3.1.2擠出成型的工藝過程,.,溫度是擠出成型中的重要參數(shù)之一。嚴(yán)格地說，擠出成型溫度應(yīng)該是指料筒中的塑料熔體溫度，但是該溫度在很大程度上取決于料筒和螺桿的溫度，所以，在實(shí)際生產(chǎn)中為了檢測方便，經(jīng)常用料筒溫度近似表示成型溫度。擠出擠出過程中的溫差和溫度波動，都會影響塑件的質(zhì)量，使塑件產(chǎn)生殘余應(yīng)力，各點(diǎn)強(qiáng)度不均勻，表面灰暗無光。,3.1.3擠出成型工藝參數(shù),1溫度,.,2壓力,在擠出過程中，由于塑料流動的阻力、螺桿槽深度的變化、過濾板、過濾網(wǎng)和口模產(chǎn)生阻礙等原因，在塑料內(nèi)部形成一定的壓力，而這種壓力是塑料經(jīng)歷物理狀態(tài)變化而達(dá)到均勻密實(shí)的重要條件。壓力隨時(shí)間的變化也會產(chǎn)生周期性波動，對塑件質(zhì)量有不利的影響，如局部疏松、表面不平、彎曲等。為了減小壓力波動，應(yīng)合理控制螺桿轉(zhuǎn)速，保證加熱和冷卻裝置的溫控精度。,3.1.3擠出成型工藝參數(shù),.,3擠出速度,擠出速度是指在單位時(shí)間內(nèi)，從擠出機(jī)頭的口模中擠出塑化好的物料量或塑件長度。它反映擠出生產(chǎn)能力的高低。影響擠出速度的因素有很多，如料筒的結(jié)構(gòu)、螺桿轉(zhuǎn)速、加熱冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和塑料的性能等。在擠出機(jī)結(jié)構(gòu)和塑料品種及塑件類型確定的情況下，擠出速度與螺桿轉(zhuǎn)速有關(guān)，因此調(diào)整螺桿轉(zhuǎn)速是控制擠出速度的主要措施。,3.1.3擠出成型工藝參數(shù),.,4牽引速度,從機(jī)頭和口模中擠出的成型塑件，在牽引力作用下將會發(fā)生拉伸取向，拉伸取向程度越高，塑件沿取向方位上的拉伸強(qiáng)度也越大，但冷卻后長度收縮也大。通常，牽引速度可與擠出速度相當(dāng)，兩者的比值稱為牽引比，一般應(yīng)略大于1。,3.1.3擠出成型工藝參數(shù),.,3.2擠出成型模具概述,擠出成型塑件的截面形狀均取決于擠出模具，所以，擠出模具設(shè)計(jì)的合理性，是保證良好的擠出成型工藝和擠出成型質(zhì)量的決定因素。擠出成型模具主要由兩部分組成：機(jī)頭定徑裝置（定徑套）,.,機(jī)頭是擠出塑料制件成型的主要部件，它的作用是將來自擠出機(jī)的熔融塑料由螺旋運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動，并進(jìn)一步塑化，產(chǎn)生必要的成型壓力，保證塑件密實(shí)，從而獲得截面與口模形狀相似的型材。下面以典型的管材擠出成型機(jī)頭為例，介紹機(jī)頭的結(jié)構(gòu)組成，如右圖所示。,3.2.1擠出成型模具的結(jié)構(gòu)組成,1機(jī)頭,.,（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內(nèi)表面，口模和芯棒的定型部分決定了塑件的截面形狀。（2）過濾板和過濾網(wǎng)過濾板又稱為多孔板，和過濾網(wǎng)共同將塑料熔體由螺旋運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動，并能過濾雜質(zhì)。過濾板同時(shí)還起到支承過濾網(wǎng)的作用，并且增加了塑料流動阻力，使塑件更加密實(shí)。,3.2.1擠出成型模具的結(jié)構(gòu)組成,1機(jī)頭,.,（3）分流器和分流器支架分流器又稱為魚雷頭，塑料熔體通過分流器能夠分流變成薄環(huán)狀而平穩(wěn)進(jìn)入成型區(qū)，便于進(jìn)一步加熱和塑化。分流器支架主要用來支承分流器和芯棒，同時(shí)也能對分流后的塑料熔體起加強(qiáng)剪切混合作用。（4）機(jī)頭體機(jī)頭體相當(dāng)于模架，與擠出機(jī)料筒連接，用來組裝并支承機(jī)頭的各零部件。,3.2.1擠出成型模具的結(jié)構(gòu)組成,1機(jī)頭,.,（5）溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)為了保證塑料熔體在機(jī)頭中正常流動及擠出成型質(zhì)量，機(jī)頭上一般設(shè)有可以加熱的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，如右圖中的10、11電加熱圈。（6）調(diào)節(jié)螺釘調(diào)節(jié)螺釘是用來調(diào)節(jié)控制成型區(qū)內(nèi)口模與芯棒間的環(huán)隙及同軸度，以保證擠出塑件壁厚均勻。,3.2.1擠出成型模具的結(jié)構(gòu)組成,1機(jī)頭,.,2定徑裝置（定徑套）,離開成型區(qū)后的塑料熔體雖然已經(jīng)具有給定的截面形狀，但是因?yàn)橹萍囟容^高不能抵抗自重而變形，因此需要使用定徑套對制件進(jìn)行冷卻定型，使其獲得良好的表面質(zhì)量、準(zhǔn)確的尺寸和幾何形狀。,3.2.1擠出成型模具的結(jié)構(gòu)組成,.,1、按塑料制件的形狀分類擠出成型的塑件主要有管材、棒材、板材、片材、網(wǎng)材、單絲、粒料、各種異型材、吹塑薄膜、帶有塑料包覆層的電線電纜等，所用的機(jī)頭相應(yīng)稱為管機(jī)頭、棒機(jī)頭等。2、按塑料制件的出口方向分類：分為直通機(jī)頭和角式機(jī)頭。3、按塑料熔體所受的壓力分類：低壓機(jī)頭（壓力小于4MPa）和高壓機(jī)頭（壓力大于10MPa）。,3.2.2擠出成型模具分類,.,3.2.3擠出成型設(shè)備,擠出機(jī)組,控制系統(tǒng),擠出系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、加熱冷卻系統(tǒng)、機(jī)身,機(jī)頭、定型裝置、冷卻裝置、牽引裝置、切割裝置、卷取裝置,輔機(jī)：,擠出機(jī)：,.,擠出機(jī)主要由主機(jī)和輔機(jī)兩大部分組成。（1）主機(jī)主機(jī)包括擠壓系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)。（2）輔機(jī)輔機(jī)包括機(jī)頭、定徑裝置、冷卻裝置、牽引裝置、切割裝置和卷取裝置。,1擠出機(jī)的組成,3.2.3擠出成型設(shè)備,.,2擠出機(jī)的種類,擠出機(jī)的類型很多，有不同的分類方法。（1）按照螺桿的數(shù)目進(jìn)行分類：可以分為單螺桿擠出機(jī)和多螺桿擠出機(jī)。（2）按照擠出機(jī)可否排氣進(jìn)行分類：可以分為排氣式擠出機(jī)和非排氣式擠出機(jī)。（3）按照螺桿在空間的位置進(jìn)行分類：可以分臥式擠出機(jī)和立式擠出機(jī)。最常用的擠出機(jī)是臥式單螺桿非排氣式擠出機(jī)。,3.2.3擠出成型設(shè)備,.,3機(jī)頭與擠出機(jī)的連接,常用國產(chǎn)擠出機(jī)與機(jī)頭的連接形式如圖33，機(jī)頭以螺紋聯(lián)接在機(jī)頭法蘭上，機(jī)頭法蘭以46個(gè)鉸鏈螺釘與機(jī)筒法蘭連接固定。,3.2.3擠出成型設(shè)備,.,3機(jī)頭與擠出機(jī)的連接,常用國產(chǎn)擠出機(jī)與機(jī)頭的連接形式如圖34所示,為擠出機(jī)與機(jī)頭的又一種連接形式。機(jī)頭以8個(gè)內(nèi)六角螺釘與機(jī)頭法蘭連接固定，機(jī)頭法蘭與機(jī)筒法蘭由定位銷定位，機(jī)頭外圓與機(jī)頭法蘭內(nèi)孔配合，保證機(jī)頭與擠出機(jī)的同心度。,3.2.3擠出成型設(shè)備,.,3.3管材擠出成型模具,管材擠出成型機(jī)頭是擠出機(jī)頭的主要類型之一，應(yīng)用范圍較廣，主要用于成型聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸脂、尼龍、軟、硬聚氯乙烯等塑料的圓形管件。管材機(jī)頭適用的擠出螺桿長徑比（螺桿長度與直徑之比）為1525，螺桿轉(zhuǎn)速為1035r/min。,PVC管材擠出成型視頻,.,直通式擠管機(jī)頭如圖所示。直通式擠管機(jī)頭結(jié)構(gòu)比較簡單，容易制造，但塑料熔體經(jīng)過分流器和分流器支架時(shí)形成的熔接痕不容易消除。另外機(jī)頭的長度較大，整體笨重。直通式擠管機(jī)頭主要用于擠出成型聚乙烯、聚碳酸脂、尼龍、軟、硬聚氯乙烯等塑料管材。,3.3.1管材擠出機(jī)頭的結(jié)構(gòu)類型,1直通式擠管機(jī)頭,.,2直角式擠管機(jī)頭,直角式擠管機(jī)頭如圖36所示。塑料熔體包圍芯棒，流動成型時(shí)只會產(chǎn)生一條分流痕跡，熔體流動阻力小，料流穩(wěn)定均勻，生產(chǎn)率高，成型質(zhì)量好。但機(jī)頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難。直角式擠管機(jī)頭主要用于擠出成型聚乙烯、聚丙烯等塑料管材。,3.3.1管材擠出機(jī)頭的結(jié)構(gòu)類型,.,3旁側(cè)式擠管機(jī)頭,旁側(cè)式擠管機(jī)頭如圖所示，與直角式擠管機(jī)頭相似，其機(jī)頭結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，制造更困難，熔體流動阻力較大，但機(jī)頭的體積較小。,3.3.1管材擠出機(jī)頭的結(jié)構(gòu)類型,.,4微孔流道擠管機(jī)頭,微孔流道擠管機(jī)頭如圖38所示。機(jī)頭內(nèi)無芯棒，塑料熔體的流動方向與擠出機(jī)螺桿的軸線方向一致，塑料熔體通過微孔管上的微孔進(jìn)入口模而成型。擠出成型的管材沒有分流痕跡，強(qiáng)度較高，特別適合于成型直徑大、流動性差的聚烯烴類塑料管材。,3.3.1管材擠出機(jī)頭的結(jié)構(gòu)類型,.,（1）口模的內(nèi)徑：Dkds（ds為管材外徑)（2）定型段長度：1）依據(jù)管材外徑計(jì)算：L1（0.53）ds2）依據(jù)管材壁厚計(jì)算：L1nt,3.3.2管材擠出機(jī)頭結(jié)構(gòu)尺寸和工藝參數(shù),1口模,.,2芯棒,（1）芯棒的外徑：dD2（2）壓縮段長度：L2（1.52.5）Do（）壓縮角壓縮區(qū)的錐角稱為壓縮角，一般在3060的范圍內(nèi)選取。,3.3.2管材擠出機(jī)頭結(jié)構(gòu)尺寸和工藝參數(shù),.,3分流器與分流器支架,分流器作用是使熔體料層變薄，便于均勻加熱塑,分流器長度：L3=(1-1.5）D0D0為柵板出口處直徑,分流器頭部圓角r一般取0.5-2mm,3.3.2管材擠出機(jī)頭結(jié)構(gòu)尺寸和工藝參數(shù),.,3分流器與分流器支架,分流器支架與分流器可以制成整體式（如右圖），用于中小型機(jī)頭；也可制成組合式，用于大型機(jī)頭,分流器支架上分流筋數(shù)目在滿足強(qiáng)度下，盡量少一般為3-8根，并制成流線型,3.3.2管材擠出機(jī)頭結(jié)構(gòu)尺寸和工藝參數(shù),.,管材的定徑方法：1、外徑定型法：（1）內(nèi)壓法（2）真空吸附法。,3.3.3管材定徑套的結(jié)構(gòu)類型及尺寸,.,管材的定徑方法：2、內(nèi)徑定型法,3.3.3管材定徑套的結(jié)構(gòu)類型及尺寸,.,3.4棒材擠出成型模具,棒材是指截面為圓形的實(shí)心塑料型材，塑料棒材的原材料一般是工程塑料，如尼龍、聚甲醛、聚碳酸脂、ABS、聚砜、玻璃纖維增強(qiáng)塑料等。棒材機(jī)頭的螺桿長徑比為2，除了生產(chǎn)玻璃纖維增強(qiáng)塑料外，可以設(shè)置5080目的過濾網(wǎng)。,.,棒材擠出成型機(jī)頭的典型結(jié)構(gòu)如下圖所示。棒材擠出成型機(jī)頭的結(jié)構(gòu)較簡單，與管材擠出機(jī)頭基本相似，區(qū)別是棒材擠出成型機(jī)頭中沒有芯棒，只有分流器。使用分流器可以減少模腔內(nèi)部的容積及增加塑料的受熱面積。如果模腔內(nèi)為無滯料區(qū)的流線型，也可以不設(shè)分流器裝置。,3.4.1棒材擠出成型機(jī)頭的典型結(jié)構(gòu),.,如右圖所示。機(jī)頭內(nèi)的流道有阻流閥的作用，以增加機(jī)頭內(nèi)的壓力，流道不得有停滯區(qū)。棒材定型區(qū)的長度為棒材直徑的415倍，比管材定型區(qū)長一些。機(jī)頭進(jìn)口處的擴(kuò)張角為3060，收縮部分的長度為50100mm。機(jī)頭出口處要制作成喇叭形，便于棒材中心熔融區(qū)快速補(bǔ)料，喇叭口的擴(kuò)張角小于45，否則會產(chǎn)生死角。,3.4.2棒材擠出機(jī)頭的結(jié)構(gòu)類型,1有分流錐的棒材模,.,2無分流錐的棒材模,如下圖所示。強(qiáng)勁冷卻的定徑套以法蘭與擠出模相連接，口模與定型模之間設(shè)有絕熱墊。該模的特點(diǎn)是成型與定型成為一體，口模1已成為直徑為810mm的供冷卻定型和補(bǔ)入塑料流體的流道。熔體與定型段的冷壁相接觸形成固態(tài)表層8。由于冷卻收縮，在棒材中某些部位有形成空洞的可能，因此要求擠出機(jī)必須有足夠的壓力。,3.4.2棒材擠出機(jī)頭的結(jié)構(gòu)類型,.,棒材的定徑裝置結(jié)構(gòu)比較簡單，與管材的定徑裝置相似，如圖314所示。定徑套的作用是使塑件不會因?yàn)樽灾囟a(chǎn)生變形，保證一定的表面質(zhì)量。為了減少棒材通過定徑套時(shí)的流動阻力，定徑套內(nèi)孔應(yīng)具有一定的錐度，錐度為1：35。定徑套的材料一般使用青銅制造，傳熱效果好。定徑套的內(nèi)徑要略大于棒材直徑。,3.4.3棒材定徑套的結(jié)構(gòu),.,3.5板材、片材擠出成型機(jī)頭,板材和片材的擠出成型機(jī)頭的進(jìn)料口為圓形，內(nèi)部逐漸過渡為狹縫形，最后形成寬而薄的出料口。熔體在擠出成型過程中，隨著流道的變化，沿寬度方向均勻分布，而且要求流速相等，這樣才能擠出厚度均勻、表面平整的板材和片材。,.,1、魚尾式機(jī)頭,3.5板材、片材擠出成型機(jī)頭,魚尾式機(jī)頭的模腔與魚尾形狀相似，為了達(dá)到均勻送料的目的，常在模腔內(nèi)設(shè)置阻流器或阻流棒以調(diào)整料流阻力，使整個(gè)出料滿足生產(chǎn)要求。,.,2、支管式機(jī)頭（1）一端供料的直支管機(jī)頭,3.5板材、片材擠出成型機(jī)頭,.,2、支管式機(jī)頭（2）中間供料的直支管機(jī)頭,3.5板材、片材擠出成型機(jī)頭,.,2、支管式機(jī)頭（3）中間供料的彎支管機(jī)頭,3.5板