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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
(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：
（8-6）
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。
二、吹塑薄膜机头的结构及设计
1．吹塑薄膜机头结构形式
常见的吹塑薄膜机头结构形式有芯棒式机头、中心进料的“十字形机头”、螺旋式机头、旋转式机头以及双层或多层吹塑薄膜机头等。
（1）芯棒式机头
图9-9（下页）所示芯棒式吹塑薄膜机头。塑料熔体自挤出机栅板挤出，通过机颈5到达芯棒轴7时，被分成两股并沿芯棒分料线流动，然后在芯棒尖处重新汇合，汇合后的熔体沿机头环隙挤成管坯，芯棒中通入压缩空气将管坯吹胀成管膜。
芯棒式机头内部通道空腔小，存料少，塑料不容易分解，适用于加工聚氯乙烯塑料。但熔体经直角拐弯，各处流速不等，同时由于熔体长时间单向作用于芯棒，使芯棒中心线偏移，即产生“偏中”现象，因而容易导致薄膜厚度不均匀。
（2）十字形机头
图9-10为十字形机头，其结构类似管材挤出机机头。这种机头的优点是出料均匀，薄膜厚度容易控制；芯模不受侧压力，不会产生如芯棒式机头那种“偏中”现象。但机头内腔大，存料多，塑料易分解，适用于加工热稳定性好的塑料，而不适于加工聚氯乙烯。
（3）螺旋式机头
图9-11为螺旋式机头，塑料熔体从中央进口挤入，通过带有多个沟槽由深变浅直至消失的螺旋槽（也有单螺旋）的芯棒7，然后在定型区前缓冲槽汇合，达到均匀状态后从口模挤出。
这种机头的优点是，机头内熔体压力大，出料均匀，薄膜厚度容易控制，薄膜性能好。但结构复杂，拐角多，适用于加工聚丙烯、聚乙烯等粘度小且不易分解的塑料。
（4）旋转式机头
图9-12为旋转式机头。其特点是芯模2和口模1都能单独旋转。芯模和口模分别由直流电机带动，能以同速或不同速、同向或异向旋转。
采用这种机头可克服由于机头制造、安装不准确及温度不均匀造成的塑料薄膜厚度不均匀，其厚度公差可达0.01mm。它的应用范围较广，对热稳定性塑料和热敏性塑料均可成型。
2．机头几何参数的确定
如图9-9所示的芯棒式机头，环形缝隙宽度t一般在0.4～12.mm范围内，如果t太小，则机头内反压力很大，影响产量；如果t太大，则要得到一定厚度的薄膜，必须加大吹胀比和拉伸比。机头定型区高度h应比t大15倍以上，以便控制薄膜的厚度，H 应大于2倍d1。
为了避免制品产生接合缝，芯棒尖处到模口处的距离应不小于芯棒轴直径d1的两倍（图8-9），并在芯棒头部设1～2个缓冲区，以利于熔体很好汇合。应尽量使塑料熔体自分流到达机头出口处流动的距离相等，流道畅通，无死角。芯棒扩张角α一般取80°～90°，也可达到100°，但α过大，会增大熔体流动阻力。芯棒斜流道尖处应认真设计与加工，不能太尖，也不能太钝，必要时应经过试验确定，以免影响产品质量 。
机头进口部分的横截面积与出口部分的横截面积之比（压缩比）至少为2。但压缩比过大，熔体流动阻力大。对于聚氯乙烯等塑料，这种压缩比不宜过大。
三、电线电缆包覆机头
裸金属单丝或多股金属芯线上包覆塑料绝缘层的称为电线，一束彼此绝缘的导线上或不规则芯线上包覆塑料绝缘层的称为电缆。通常用挤压式包覆机头生产电线；用套管式包覆机头生产电缆。
1．挤压式包覆机头
图9-13为挤压式包覆机头。熔体进入机头体，绕过芯线导向棒，汇集成环状后经口模成型段，最后包覆在芯线上。由于芯线连续不断地通过导向棒，因而电线生产过程连续地进行。
改变（或更换）口模尺寸、挤出速度、芯线移动速度及移动导向棒轴向位置，都可以改变塑料绝缘层厚度。
图9-13b为口模局部放大图。其成型段长度L=(1.0～1.5)D，M=(1.0～1.5)D。
这种机头结构简单，调整方便，但芯线与塑料绝缘层同心度不够好。
2．套管式包覆机头
图9-14为套管式包覆机头。它与挤压式包覆机头不同之处是，挤压式包覆机头是在口模内将塑料包覆在芯线上，而套管式包覆机头则是将塑料挤成管，在口模外靠塑料管收缩包覆在芯线上，有时借助真空使塑料管更紧密地包覆在芯线上。
包覆层厚度随口模与导向棒（芯模）间隙值、挤出速度、芯线移动速度等的变化而变化。口模定型段长度不宜太长（L＜0.5D），否则，机头背压过大，影响生产率和制品表面质量 。
四、异型材挤出成型机头
塑料异形材具有优良的使用性能，用途广泛。按异形材截面特征分为五大类（图8-15所示）：
1）封闭中空异型材（图8-15a） 2）半封闭异型材（图8-15b）
3）开式异型材（图8-15c） 4）复合式异型材（图8-15d）
复合异型材有两种，一种是不同塑料或同一种塑料不同颜色共挤复合；另一种是塑料与木材、金属、纤维织物共挤镶嵌复合。
5）实芯异型材（图8-15e）
为使挤出工艺顺利进行和保证制品质量，必须认真设计异型材的结构形状及尺寸。
1．流线形挤出机头
如图9-16所示， 这种机头截面变化特征是，从圆形逐渐变为所需要异形截面。当异型材截面高度小于机筒内径而宽度大于机筒内径时，机头体内腔扩张角α＜70°，收缩角β=25°～50°。
这种挤出机头挤出的制品质量好，但机头加工难度大，成本高。为了改善加工性，口模和芯模可采用拼合结构，或将机头沿轴线分段后组合而成。
2．板式机头
如图9-17所示，图a为板式机头结构图，图b为制品断面图，从机头圆形截面入口过渡到口模成型段，截面形状呈急剧变化，熔体容易形成局部滞流，引起塑料分解，故这种机头不适于挤出热敏性塑料（如RPVC），而适用于挤出聚烯烃等塑料。但这种机头结构简单，制造较容易，成本较低。
思考题及习题
1 何谓塑料挤出成型？
2 挤出成型机头结构由哪几部分组成？各有哪些作用？
3 设计挤出成型机头时应遵循哪些原则？
4 管材挤出成型机头有哪些类型？各有何特点？用于何种场合？
5 常见的管材挤出成型机头的工艺参数主要有哪些？
6 管材定径有哪些方法？怎样确定定径套的尺寸？
7 何谓吹塑法？常用的吹塑膜有哪些类型？各用于何种塑料？
8 电线、电缆挤出成型机头分为哪两种？各用于何种场合？