一模双腔主型材的口模设计及问题分析

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一模双腔主型材的口模设计及问题分析

塑料门窗自上世纪五十年代问世以来，因其优良的性能价格比逐步被人们所重视，在许多欧美国家的市场占有率已超过50％。随着塑料挤出行业的不断发展，在高质量的前提下对挤出型材的高产量要求已成为目前所追求的主要目标。提高产量的一种方法是开发高速挤出模具，在挤出机辅机的牵引性能不能满足其高速挤出的时候，采用的另一个主要途径就是一模多腔挤出技术。
0 L% t6 A6 A& }, S& {4 F& i* j    目前国内许多模具生产厂家都已注意到一模三腔主型材模具潜在的市场价值，积极推出自己的双腔模具。作为重点开发项目，我有机会参加对60平开框双腔口模的设计。由于以往只是听说国外有双腔主型材模具，不曾真正见到过，对其口模的结构设计存在一定难度。我在设计时是遵循单腔模具的设计步聚，再结合双腔模具结构的特殊性逐步进行的。?
% _% B4 f$ L6 O) _1 口模的设计?
1.1 口模放大率的确定?
8 q$ n& Q& r: B+ Z2 C! R! Y    在熔融硬PVC挤出成型过程中，物料在模头里受压缩、拉伸等作用产生弹性形变，当它离开口模时产生弹性回复（即巴拉斯效应）；同时由于型材牵引速度大于口模出料速度（使分子 链定向排列），在冷却过程中会产生一定的收缩使型材外形尺寸变小，因此在口模设计时需适当放大外形尺寸并减小壁厚。通常硬PVC挤出口模放大率取1％～6％，口模间隙与型材壁厚比取0.8～0.95。由于模具要求按高速设计，根据聚合物流变实验可知，在口模长径比一定的情况下，离模膨胀比随剪切速率的增大而增加，线性放大系数随离模膨胀比增大而减小，因此当速度增大时，口模尺寸放大系数趋向减小。据此本套模具的放大系数取偏小值3 ％，间隙比取0.9。型材壁厚2.3mm，口模间隙应为0.9×2.3≈2.1mm。?
1.2 口模定型段长度的确定?
    为了有效消除熔接痕、稳定型材外形尺寸，一般对口模取较大的压缩比和较长的定型（即平直段）长度，定型长度L定＝20h～80h(h为口模间隙)。由非牛顿流体流道定型段长度计算公式可知，在保证一定的成型压力降的情况下，速度增加定型段长度趋于减少，本套模具取L定＝35h=35×2.1≈5mm。
5 p& \/ Z+ n9 t% I为保证口模各处流速均匀一致，按非牛顿型假塑性熔体流动规律有?
(6Q)/(Wh2)=k((△ph)/(2L)m ) 公式(1)?
4 d6 h: k& z) \! _8 \, l$ W而熔体流速u=(Q/Wh) 公式(2)?
; S5 N# y' k, \/ D! d/ ~9 C( P其中：Q为熔体流量?
9 a$ @) F* _* Z' b△P为熔体在口模中的压力降?
W为窄缝流道的宽度?
h为窄缝流道的间隙?
L为口模定型段长度?
1 i; R1 C  L0 Y$ z, S$ v( bK为稠度系数?
M为流动指数?
" P3 Q* U6 G+ V/ y, a0 {2 a由公式（1）和（2），当m取2时得?
  V6 y( }! m. GL1/L2=(h1/h2)(3/2) ? 公式(3)?
( j7 S+ v: _8 e& V" j  ?( x, {根据公式（3），要达到口模不同间隙处出料的一致性，间隙小的地方定型段长度应减小。 本套模具内筋为1.2mm，设计内间隙1.2mm，其定型段长度参考计算结果并结合单腔模具的设计经验，本套模具内间隙的定型段长度取20mm。?
2 L! G- l9 N; L: Q! ]L1.2?=(1.2/2.1)1.5? L2.1≈0.43L2.1 ≈30mm
1.3 口模过渡段的确定?
$ ^! I5 j1 M9 Z! H; v; C    为保证挤出型材的密度，一般过渡段的压缩比取2～7，因高速挤出的熔体在口模定型段消耗的压力降较大，所以压缩比要减小。本套模具取Z5，可得过渡段放大尺寸为2.5×2.1≈5 .5mm。?
    为避免熔体在口模中产生过大的压力损耗，压缩角常控制在25°～50°。本套模具的过渡段长度取20mm，经计算其压缩角在30°左右，符合要求。?
1.4 口模结构的确定?
( }4 S) ~  P, J/ U: B( t    在确定了口模定型段和过渡段长度后，接着就需要设计型芯的固定形式。本套模具采用两块分流板从两边分别吊装型芯和尾锥，如图1。每块分流板用10个2mm分流盘将型腔分割成多个面积较均匀的小料腔，使熔体在分流板中均匀地分配，并且各料腔中的料流很容易分别进行控制。尾锥部分有30mm平直段与分流板3的型腔形成平行等间隙的流道来稳定料流，锥度段长度仅30mm与分流板4形成等压缩角流道分流板4长40mm，采用异形线切割由异形型腔过渡到Φ50的圆孔。双腔主型材结构设计的关键及难点在连接头处，如何使从挤出机出来的熔体料流在连接头中均匀平稳地分配到两个供料腔，直接决定模具设计的成败。在本套模具设计时曾考虑过两种不同的加工方式，一种是分体式连接头（分成上下两部分），采用数控铣分别 加工上下型腔，然后将两部分拼合修整对接，这样做增加了加工的难度且很难保证两流道的 一致性和光滑度；另一种是整体式，采用线切割加工两个Φ50的供料腔，这种方式很好地解 决了分体式所存在的问题，因此最终选择了整体式连接。
- g) I% D4 R/ w( Q! R% [1 `1.5 内筋供料方式的确定?
    本套模具有横竖5个内筋，并且是筋连筋，这给型材冷却成型带来很大的困难。为避免出现内筋缺料和型材外面缺陷，从口模设计上考虑，决定采用内腔单独供料的方式，使口模主间隙与内间隙的供料腔分开，仅在距口模出口20mm处汇流，这样既保证了型材内筋的供料，又使得其供料量可以控制，型芯镶件如图3所示。型材内筋形状要求如图4（a）所示，两筋互成90°。由于是筋连筋的结构，在定型模中内 筋很难通过型材外壁及时的将热量散掉，并且在口模设计时内筋与型材外壁的出料又不易控 制的完全一致，往往形成如图4（b）所示的缺陷。为解决这个问题，本套模具采用预放补偿量的方法，如图4（c），在设计内筋时增加一个反向补偿量，经过这样处理后就能够成型出型材所需的形状了。
经过以上几个步聚的分析计算，本套模具口模部分的设计就基本上完成，剩下的绘图工作和一些局部小爪处的设计，这里就不一一叙述了。?
, }, E5 {( W) m4 k% B$ W0 ]2 m2 z2 试模中出现的问题及处理方法?
    本套双腔主型材模具在口模首次调试时，双腔出料较一致，各单腔出料也很均匀，取得了令人满意的结果。在口模设计中存在的一个主要问题是内筋供料腔放大的不够，反映到试模中出现内筋出料很慢的现象。经分析发现，在计算内筋供料腔尺寸时只考虑到其间隙放大量与间隙处的平衡，而实际上供料腔不可能包容内筋的整个长度尺寸，因此在计算时就应该按照 其面积放大量来平衡。模具经过对内筋供料腔的返修后，二次试模的口模切片已达到上定型模牵引的要求，应该说这套双腔主型材的口模设计是成功的。?
    本套一模双腔主型材的开发成功，将为今后更多的双腔模具设计提供理论依据，同时也为企业的发展奠定了坚实的基础。