管材挤出机设计
栏目：媒体新闻 发布时间：2021-06-01 15:53
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...
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1.20-1.300.90-1.05
(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n18－3315－2513－2214－2214－22
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1.00-1.081.10-1.351.00-1.101.20-1.501.10-1.201.40-3.000.90-1.05
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较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）Ds10Ds
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=3－5 Ds，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
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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1.20-1.300.90-1.05
(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n18－3315－2513－2214－2214－22
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1.00-1.081.10-1.351.00-1.101.20-1.501.10-1.201.40-3.000.90-1.05
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较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）Ds10Ds
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=3－5 Ds，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
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