论挤出平模头设计和加工的优化升级

2015-05-30

塑料制造 2015年5期

1 前言

挤出（extrude）这个词由拉丁文“ex”（离开）和“trudere”（推）组成，形象地描述了“施加压力驱使材料通过模具成型”的挤出过程。

挤出平模头（下文简称为“模头”）生产线工作时，通常是将粉状或粒状形态的聚合物加入到挤出机机筒中，在螺杆的作用下，聚合物沿螺槽或机筒向前移动，并逐渐熔融成为黏流体，然后通过设置在机筒端部的模头，形成与模具的口模形状相仿的连续体，最后经冷却定型，便可成型为所需要形状的制品，形状分为板、片、膜，目前主要应用于建筑、医药、包装、家电、太阳能等行业。模头是挤出生产的核心部分，它设计的合理性直接影响着生产效率、制品精度、模具寿命等诸多方面，因而研究挤出模头设计尤为重要。

2 传统模头设计

目前，国内的许多模头制造企业还停留在简单的模仿阶段，企业在设计模头时主要依靠测绘、经验和简单的人工计算，设计出的模头缺乏理论数据的支撑，从而导致模头在试模过程中需经过多次修模，才能使模头符合生产要求，情况严重的，会直接导致模头报废，造成时间和经济上的损失。因此，传统的设计方法不仅延长了模具的设计制造周期，而且在试模和修模过程中耗费大量的人力、物力和财力。

3 传统模头加工

在传统的模头加工企业中，模头外形和流道的加工，主要依靠三轴加工中心，其主轴最高转速一般在3000～6000转/分钟，这种加工方式技术比较成熟，但因为机床条件限制，加工结构稍复杂的模体时，至少需要人工翻多个角度加工，从而导致产品精度差、表面光洁度差等缺点。

模头的加热棒孔、孔和螺纹的加工，主要依靠普通钻床。这种加工方式带来孔径公差大、表面光洁度差、垂直度差等缺点，容易出现螺纹滑丝、加热不均匀等现象，导致模头漏料、螺钉卡死、加热棒容易烧坏等严重后果。

在模头的表面处理方面，还停留在单一的镀铬，虽然它有加工成本低、传统工艺成熟、维修退镀方便等优点，但是缺点也非常明显：表面有网纹结构，模唇尖角处理条件一般，在生产中模唇容易挂料，而且不容易调节制品的厚薄。

综上所述，传统的设计和加工方法，缺少自己核心的技术和数据支持，仅适用于要求不高的低端产品或技术相对成熟的产品。

4 模头设计的优化

在新材料应用呈井喷发展的今天，传统的设计和加工方式已无法适应其发展需求，就目前的发展情况来看，我国正积极进行着工业转型升级，以自动化、数字化为基础的智能化生产逐步被关注和应用，这不仅将改造提升传统产业，也促进先进制造业的发展。当然，工业的转型升级势必需要巨大的资金投入，国内也只有个别具有前瞻意识、实力雄厚的企业，率先引进了欧美、日本等国先进的设备和分析软件，比如原材料分析仪、有限元分析软件、五轴高速加工中心、精密磨床等，来提升模头设计的合理性和加工的精准性。就此，我们来感受先进技术带来的模头设计革新。

5 塑料原料的检测

因为模头的设计主要是由塑料原材料的特性所决定的，所以首先必须全面了解塑料原料的属性。只有对其粘度、剪切速率、加工工艺温度、热传导率及膨胀系数等进行一个有效的分析和技术掌控，才能研制出完全符合生产需求的模头。

许多制品厂家在生产过程中存在一个误区，认为同一套模具可以生产多种原料，其实每一套定制的模头都具有唯一性，如果用不同原料进行生产，将导致制品达不到既定的质量要求，情况严重的将损坏模头。

5.1 流道的模似分析

流道是平模头的心脏，流道设计的合理性，直接决定了产品的质量。理想的设计方法是根据塑料原料特性，以及对制品厚度与线速度的要求，对比歧管式、衣架式、鱼尾式等流道的优缺点，利用有限元分析软件，设计出最小停滞时间、最适合的压力、最均匀的流速曲线以及避免产生剪切热的流道。虽然在进行流道模拟分析时有数据的结果，但是要在各项数据中提取最优化的配比，就需要技术全面的工程师，既要全面的了解塑料原料的各项特性，又要精通最终产品的生产工艺。

5.2 模头结构的优化分析

当我们开始模头设计时，先是根据生产工艺的要求来确定结构，结构的合理性对模头使用的稳定性、寿命等有很大的影响。不合理的结构，可能出现模头变形、漏料、加热不均等现象。因此模头结构的设计也需要深入地分析：

① 结构刚度的分析：由于制品的生产是一种高压挤出生产工艺，特别是生产PVC发泡板、PVC保鲜膜等模头，其生产的模腔压力通常会达到20—40MPa，为了保证模头的质量，必须通过刚度的分析，以免模头变形导致的出料不均和漏料的情况。

② 材料疲劳的分析：一般平模头都带弹性微调装置，如图1所示，其A处的数值，对调节的灵敏性以及稳定性起决定性作用。若数值过小，微调灵敏性过高，造成模头出料不稳定且容易造成此处塑性变形；若数值过大，则模唇开口可调节范围减少，操作费力。只有通过模拟分析，才能得出最适合的数值。

图1 平模头上的弹性微调装置

③ 热传导的分析：以前的设计往往忽略了加热均匀性对塑料的影响（特别是热敏性材料），合理的加热棒功率和排布间隔，既能够稳定地给塑料所需的热量，又能避免热能损耗（节能，降低生产成本。）

5.3 模头钢材选择和热处理

我们都知道模头是由钢材加工而成，选择钢材的重要性就不言而喻，一般在选择时主要考虑钢材是否满足模头的工作条件、是否具有良好的加工性以及经济性等指标。现在再加上模头结构的分析结果和塑料原料的特性，设计师在选择钢材时有了数据的引导，更能得心应手。

为了使金属工件具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能，除合理选用材料和各种成形工艺外，热处理工艺往往是必不可少的，同一种金属采用不同的热处理工艺，可获得不同的组织，从而具有不同的性能。因此，热处理是机械制造中的特殊工艺过程，也是质量管理的重要环节，在选择模具钢时也必须考虑钢材的热加工处理带来的质量问题。

5.4 模头的精密加工

挤出平模头的结构相对比较简单，但在精度和表面光洁度方面要求比较高，所以对加工设备也提出了很高的要求，这里将详细介绍模头流道、外形、孔类以及流道“精密柔性抛光”的一体化加工方式。

5.5 五轴高速加工中心一体化

此加工方式整合了铣、钻、磨功能，机床主轴转速可以达到15000～20000转/分钟，并可以任意角度旋转，可以充分利用铣刀最佳切削区域进行加工，并无需人工对工件进行位置调整，适合各种外形及流道的加工，所以无论是加工精度、表面光洁度和加工效率都能得到很大提升。

这里我们还将提出一个全新的概念—精密柔性抛光，这一技术在流道由铣刀精加工后，可直接换成装有砂轮头带柔性的特制夹头，其最高转速可达50000转/分钟，用此方法加工得到的表面光洁度可达Ra0.2～0.3，可以减少70～80%抛光工作量，直线度和平整度是手工抛光的2～3倍。

模头上所有的孔（除加热棒孔）都由加工中心承担加工任务，能得到高垂直度与高精度的孔和螺纹孔，从而克服传统加工方式产生的弊端。

5.6 模头加热棒孔的精细加工

在实际加工中，生产技术人员往往会忽视加热棒孔加工，认为只要能把加热棒放进去就算合格。其实其孔径的精度直接影响模头的质量，在孔径过小时，加热棒容易出现卡死，无法取出；孔径过大时，加热棒无法与模体紧密贴合，热传导慢，影响加热棒使用寿命，甚至出现立即烧坏现象。

采用数控深孔钻机床加工，可以有效地保证孔径的精度，并得到较高的光洁度、高精密的配合公差，使加热棒充分发挥其性能，并延长加热棒的使用寿命，减少电能损耗。

5.7 模头表面的处理

在传统的镀铬基础上，增加碳化钨和纳米钻石合金处理技术，以满足不同的使用需求。模唇碳化钨处理加工技术，是针对模唇定型部位进行碳化钨喷涂，并通过精密磨床及专用磨具进行精密磨屑。其优点是：表面硬度可达HV1100—1300，模唇尖角R0.01mm，表面摩擦系数非常小。此项技术适合于涂复模头，特别是接触式涂复模头，模唇口的高耐磨性，延长了模头的使用寿命。

纳米钻石合金表面处理技术，属于多层复合涂覆技术，涂层成分包括镍、硼、麟、纳米钻石等组成。其优点是：表面没有网纹现象，耐磨性和耐腐蚀性是镀硬铬的2～3倍。此项技术适合于生产高端薄膜的模头，即便是经常性的清理模唇和模腔时，也不会划伤模头流面，延长了模头的使用寿命。

6 结语

综上所述，优化后模头的设计流程（如图2），根据客户提供的材料，分析其数据，再经过反复模拟分析，最后得出最优的设计方案。此方法有大量的理论数据支撑，避免传统设计存在的各种弊端，并通过一整套精密的加工方式和完善的质量检测体系，保证了设计方案得到完美的实现。当然，模头的生产周期也是一项重要的指标，经过前期所做的大量的设计准备工作、加工各环节的紧密配合，在确保产品质量前提下，一般需要60~70天；一些模内复合模头，生产周期则需要90~100天左右。