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塑料模具设计

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这一点已得到大多数同行的认可

发布时间:2018-08-22 09:36

  摘 要:通过对高速挤出模具的设计、生产、调试等实践积累、总结和对进口高速模的消化吸收,比较详细地介绍了高速挤出模具的设计要点和设计原理,并简要介绍了进口高速挤出模具的部分优点。

  关于UPVC型材高速挤出模具,包括本公司在内的国内几家较大的模具制造商以及几所大学这几年已投入了很大的人力和财力进行探索和研制,已取得了一些成果。由于各个模具制造商因为市场竞争的缘故,技术上相对保密已是不争的事实,而且各家的技术成份中含经验性的东西较多,因此差异性也显而易见。

  有不少文献资料上讲述了高速挤出模具的设计,从这些资料上可以看出有些技术参数是公认的,有些技术参数各执一词,本文谈谈我们的设计和进口模具的一些优点。

  高速挤出机头设计要保证流道中的料流稳定流动,这一点很主要,所以机头几个要素必须围绕这个稳字来做文章。

  高速挤出机头的流道一般为各自独立流道,面与面、特别是勾槽、内筋与面更是必须用0.5~1.0mm厚的分隔筋隔开,这种分隔不仅使料流在流道中互不窜位,有利于减少料流的界面应力,对提高挤出成型速度有益,而且修模方便,生产出来的型材断面各处分明悦目,没有东扯西拉的感觉。

  高速挤出机头的口模尺寸放大率有趋小之势,一般在5%以下,近期所见进口模具,口模尺寸放大率一般在1%~3%之间。相对以前的低速模具,高速挤出机头的口模尺寸放大率趋小,这一点已得到大多数同行的认可,并已在实际中应用。理由是:在挤出成型中有一种内部形变(残留应力)是由拉伸作用引起的。机头口模尺寸放大率较小,所挤出型坯经过较小的拉伸就定型成为产品,型材残留应力小,有利于型材的成型和性能的提高。反之,口模尺寸放大率较大的话,型坯更容易贴紧定型模型腔,但型坯经过较大的拉伸定型成为产品,型材的纵向拉伸强度有所提高,横向上有所降低,而残存的内应力较大,低温落锤冲击强度等指标受到较大的影响。

  机头的压缩比在保证制品密实等前提下比以前的普通模具略小,一般在2.5~4之间。高速挤出模具内,物料在模头定型区消耗的压力降较大,因此模头的压缩比应相应减小。机头压力过大,挤出量减小,挤出量减小何谈高产,何谈高速挤出;机头压力过大,有部分模具因此会使物料发黄,物料的离模膨胀更大;由于高速挤出机头口模尺寸放大率减小,定型模与机头靠得很近,熔融物料离开口模马上就进入定型模进行强冷和高真空定型,分子链未来得及充分松驰就已被强制定型了,残留应力大。所以较小的压缩比有利于高速挤出的实现。

  口模平直段过长,机头压力过大,挤出效率降低,不利于高速挤出的实现,所以大家一般认为高速挤出机头的平直段为低速模具口模平直段的0.9倍。实际上同一个机头等间隙各面的口模平直段不尽相等,这是因为,由于分流锥和支架分布导致压力不均衡,料流不一致,为了保证料流出口模时流速一致,一般料流相差不多的情况下,修了汇流(压缩)部分,致使同一机头等间隙各面的口模平直段不尽相等。实践表明同一机头等间隙各面的口模平直段相差较大时,高速挤出时若料流出口模速度一致,低速挤出时就不一定一致,反之亦然。

  因此,制作和修模时一定要注意这一点。至于口模平直段的长短,在大约30倍于口模间隙这一数据时,笔者认为还要与机头压缩比联系起来考虑。现在的型材生产线上熔体压力显示、扭矩显示为机头的压缩比和口模平直段设计提供了一些有益的帮助。

  高速挤出机头支架板流道的长度比低速挤出机头的要长。这是因为支架板除了起支撑分流锥和型芯外,还有一个作用是给汇流与口模部分连续不断地供料,支架板流道长,料流流动平稳,给汇流与口模部分供料更稳定,这一点很重要,也得了大家的认同。

  高速挤出机头进料部位要平缓过渡,不能让料流突然产生较大的压力降,这样才会给支架板型腔流道提供比较稳定的料流,有利于高速挤出。

  高速挤出机头的扩张角和压缩角比低速模具要小,这也是保证料流压力降不致太大,也是体现设计的一个稳字。

  国外某公司的机头支架板流道设计与国内模具相比有些不同,他们有部分机头支架流道外形与口模外形的仿形不那么逼真。他们在高速挤出机头的唇模板料流出口周围铣槽或打孔,装上电阻丝加热,以提高型材表面光洁度。

  高速挤出定型模总长度比低速定型模总长度要长得多,它由较短的干定型和很长的湿定型组成。高速挤出定型模主型材干定型由二至四段235mm长定型模组成,小型材由一至二段235mm长定型模组成,湿定型由二至六米的强力涡流水箱组成。

  1、定型模型腔尺寸放大率随着挤出速度的提高由小到大,低速模具定型模型腔尺寸放大率在5‰~10‰之间,而高速模具在8‰~12‰之间,而且要求更准确。对于相同尺寸的部位,有沟槽牵制收缩定型的部位和无沟槽牵制自由收缩定型的部位放大率不同,对沟槽部位功能尺寸要强制定型,准确把握,而且通过时不能有太大的磨擦阻力。

  2、型材定型过程中变形的防范与设计补偿措施要求严密、准确,而这种严密、准确来自实践的积累、总结。譬如反向圆弧与速度、尺寸大小、型材结构位置的关系,反向圆弧的大小、圆心位置的确定,圆弧与直线根据实际情况的衔接。再如多阶梯转折部分的变形补偿设计,型材的直角,在定型模中设计成锐角或钝角。又如有些冷却不好、容易下塌的部位,特别是有内筋相连的这种部位,除了正常放大外,还要预放变形、收缩尺寸量,例如三轨推拉框中间轨道的设计、推拉扇装滑轮处的设计。

  3、冷却水道的设置。国外某公司制作的高速挤出定型模冷却水道统进单出,模具外观看起来简洁、美观、实用。当然这种水道的外给水压要达到一定值,否则达不到应有的效果。定型模的许多细微部分都设有冷却水孔,如密封条槽、毛条槽、排水槽、装压条槽等处都通有φ1.5mm左右的单独水孔(不一定全程都通),这对加强和平衡型材的冷却起到了很大的作用,这些细微部位的有效冷却对提高模具挤出速度非常明显。笔者就此问题曾用推拉扇中梃在进口生产线上做过试验,中梃有两个装压条槽、两个密封条槽,若此四个部位通水冷却,在水温13±2℃,水压0.5Mpa的条件下(干定型两段共长900mm,涡流水箱长3m),挤出速度可从2米/分提高到3.7米/分以上。

  冷却的速率对高速挤出固然很重要,但冷却的平衡也同样不容忽视,特别是在干定型中,较快的冷却速率而冷却不平衡是难以实现高速挤出的,所以设计定型模时要仔细地分析计算热量的传递和传递速率,使型材外表各部位冷却尽量均匀,残留应力小、不变形、不弯曲。

  4、高速挤出定型模真空的设计也很特别,距定型模入口10mm左右型坯就受到真空吸附,贴紧定型模。国外某公司最新高速挤出模具干定型入口倒成圆弧,距入口5mm左右就设有气槽,气槽排列较密。由于高速模具干定型长度的减短和挤出速度的提高,型材在干定型中停滞的时间短,所以干定型中气槽设计较密较多,相对增加吸附程度。排在干定型中间的一至二段定型模只有容易下塌和变形(或防止变形)的部位设有气槽吸附,而其它部位无气槽吸附,靠干定型各段之间密封的真空吸附。沟槽单层部位只有单面吸附,他们的定型模许多细微部位真空孔道的设计制作非常灵巧、精致、令人叹为观止。真空度的大小,特别是干定型中第一段的真空度,正常生产时要尽可能达到0.07Mpa以上。

  5、涡流水箱和支撑板的设计。涡流水箱真空度大小可调、密封严实,水流通畅有力,型材所有外表面直接与水接触,由于强有力的涡流,冷却速度快,热交换好,冷却均匀,型材冷却定型的效果很好。国外某公司的涡流水箱底部用不锈钢板析弯而成,支撑板下导流件使用塑料注塑件,表面光滑、导流角度合理,在真空的作用下,水流流动通畅、翻腾更劲,冷却效果非常之好。涡流水箱长度3~8米不等,视具体型材结构确定。

  高速挤出中,由于干定型长度的减短,支撑板对型材尺寸和外形的定型愈显得重要,支撑板的数量成倍增加,排列前密后疏。支撑板型腔面与型材并不是所有的面都有摩擦接触,若说干定型是一种成型,那么湿定型是一种在支撑板作用下防止变形的定型,所以支撑板型腔尺寸的设计与干定型型腔尺寸有很大的不同,该支撑的部位必须支撑,不该摩擦接触的地方就不能让其接触产生阻力,使型材产生不良的受力变形,所谓该与不该应对各型材在支撑板中的具体状态进行系统的受力变形分析。

  总之,高速挤出模具设计是一次质与量的飞跃,是在并不多的理论指导下实践积累的升华。高速挤出是一个系统工程,高速模具是其中的一部分,实现高速挤出,整个系统必须建立一个良好的技术平台,要靠系统内各要素的提高才得以实现。

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