塑料门窗挤出模设计.pdf

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1、 摸 具 I 业 1 9 9 9 No 9总 2 2 3 塑料门窗挤出模设计 华 东 理 I 大 学 ( 上 海 2 0 0 2 3 7 ) 徐 佩 弦 上 海 化 I 厂 东方 模 具 公 司 陆 殿 武 摘要 】 叙 述 了在 RP VC 塑料 门窗挤 出模设 计 中， 成型模 型芯位 置 和成 型段 长度 的计算及 定 型模冷 却程度 系数和 热平 衡 的计算。 关 键 词挤 出模 塑料 f 窗冷 却程 度 系数 塑 料 门窗 异型材 挤 出模 成型 的制 品形 状 复杂 且质 量要 求高 ，模具 设 计计算 有较 大难 度 。用经 验设 计方 法模 具调 试成 本 占模 具成 本 的

2、l 0 5 O ，且模具 制 造周期 长。运用 塑 料流变 学和 传 热学原 理 与经验设 计 结合 的 方 法 ， 可提高挤 出模 的设计 质 量 】 。 塑料 门窗 型材 的截 面大 多为 不对 称框式 结 构 。图 1为 RP VC窗框截面筒 图 ，单 向与 双 向各有 2个外 伸 的卡脚 ，还 有 2个 凹进 的 卡槽 ， 另外 框 中还 有 2条 增强 腹板 。 截面 上壁 厚应均 匀 一致 ， 保 证挤 出速 率和 热传递 的 均 匀性 。而腹板 位于 框体 的内部 ， 它 的壁 厚应 比框壁厚度薄 2 0 。因为成型腹板的流道位 于 高温 的型芯 中， 出模 后较 薄 的腹板 才

3、能保 收稿 曰期 ： 1 9 9 9年 3月 4日 持 与外框壁厚 冷 却的均 匀一致 。此制 品的腹 图 1 RP VC 窗框 型材 的 截 面 简 图 +为形 心 位 置 为 ， 计 算 长度 一一- 为 计 算 长 度 h： r第二 层塑件 高 度， mm h 多 留距 离 ( 7 1 2 ) ， mm 此 时 允 许 动 模 的继 续 开 模 距 离 S 应 满 足 下关系 ： h 2 1 S h 2 +h ( 5 ) 为尽可 能保证 两层 型腔 同时进料 ， 第 二层流道浇 口的直径应取塑件壁厚的 ( 1 2 1 5 )倍 ，最大不 超过 2 mm，浇 口对面 的顶杆 顶部 加工 出

4、深塑 件 壁厚 一 半的球 凹， 以利于 减 小 充模 阻 力。 注射工 艺 亦应选 择快速 注射 方 式。 4 结束语 ( 1 )经应 用实验证 明，该 套模具 注射 、 脱 模 容 易， 易实现 自动化 生产 。采 用同样 的主 机， 可比单层模具增产近 l 倍， 加工费用减少 4 O 左 右。 ( 2 ) 本 模具结 构 简单实 用 ， 易制 造 、 易维 修 ， ( 3 )该模 的第 一层 塑件上 有 流道 凝 料疤 痕 ， 不适 于生产外观 要求 高的制 品。 维普资讯 http:/ 标准搜搜网 提供各类标准行业资料免费下载 3 8 ( 模具 I业 1 9 9 9 N。 ， 9总

5、2 2 3 板 与框 的壁厚 比为 1 4 2 ， 2 ， 腹 板过薄 ， 成型 困难 。 1 成型 模 计算 1 1 成 型 截面 面 积和形 心位 置的计 算 截 面几何 体 的形 心位置 必 须位于 挤 出机 输 出 中心 的轴线 上 ，以保证 熔体 流量 对 非对 称 的成型截 面 有较 均 匀分 布 。用微机 在 电 子 图板 上 ， 可 方 便 解 出 面 积 和 形 心 。 如 用 Au t o C AD 软 件 ，将 截 面 以每 单 位 l mm 绘 制 ， 并设 好坐标 。然 后 点菜 单 As s i s s ( 援助 ) 一 I n q u i r y ( 查 询 )

6、Ar e a ( 面积) 。 在 lT和 v 2个 方 向截 得一 半 面积 的轴线 ， 即 为形心坐 标 。 上 例 可 求 得 面 积 A =5 4 8 c m z=1 3 9 mm = 3 9 5 mm 。 1 2 型 材挤出 流量 计算 由文 献 【 3 】 可 知 ： Q = ( 4 1 2 # o ) ( 1 ) 式 中 Q 所要 求的 型材产 量 k g h p 一塑料 在室温 下 的密度 ， RP VC 约 1 4 g c m Q熔 体 的体 积流 量 c m s 型 材 的产量 Q 取决 于定 型模工 作 时的 牵 引速 度 Q 与挤 出机 的工 作参 量和 挤 出模 的成

7、型段长 度 等参 量有关 。应该 根 据产 生熔体 破碎 的临界 剪 切应力 ，对 Q 进行 限制性 计算 ， 但计 算过 程较 复杂 。 目前， 国 内 门 窗 型 材 生 产 时 牵 引 速 度 大 致 在 1 3 m mi n 。上例 型材 线重 m =5 4 81 0 01 4 = 7 6 7 2 g m。现假 定 =1 5 m rai n ， 则型材产 量 达 到 Q =6 0 m ：6 00 7 6 71 5= 6 9 k g h，代入 式 ( 1 )得 体积 流 量 Q ：6 9 ( 4 1 2 1 4)=1 2 c m s 。 1 3 成 型模结 构 模具 结构 如 图 2所

8、示 ，该 结构 为多 级模 板 的串联 结构 。 可 方便地 加工 内腔轮廓 ， 以达 到流 线型并 避免 “ 死 角” ，口模 在挤 出方 向形 成 3个成 型 流程 的区段 。熔体 首 先进 入 稳流 和 分流段 。机 头 的多孔 板将 螺旋 运 动的物料 转 变成轴 向直线 运动 ， 而后 由分 流锥分 流 ， 到 达 A 截面 时，应 略有 压缩 。此流程 的熔体 压 力 损失一般 小于 2 3 MPa I o A截 面是分流 后 的等 压起 始面 ， 经 压缩后 ， 从 B截 面开始是 成 型 段 图 2门窗 成 型模 的 多 圾 式 结 构 示 意 圈 I 稳 流 和 分 流 段

9、压缩 段 成 型 段 RP VC 物 料 在 压 缩 段 不 宜 用 高 的 压缩 比，常用 2 4 。过大 压缩 比有高 剪切和高 压 力 降， 会使 物料不 稳定 ， 也使 挤 出螺 杆 的受载 过大 。本例 的压缩 比，即 A截 面积与 B截 面 积 之 比为 2 7 。图 1上 所 示成 型截 面 上 2条 1 4 mm 厚 的腹 板 ，要在分 流锥芯轴上相 应 开出 2个 通道 来成 型 。熔 体 料流在 成型段 再 与周 框熔 料汇合 。 此 2腹板 在成 型时， 要保 证 有足 够料 流和压缩 比。为此把 总流量 Q 在 A截 面 附近 就分 配 成 周框 流量 Q 和 腹板 流

10、 量 Q 2 。辑 方程 得 Ql =1 1 3 2 c m s Q 2 = 0 6 8 cm 3 s 1 4 成型 段 的长度计 算 此长 度应该 随轴 向挤 出线 速度增 加而 增 长，但过 长 的成型段 会 增加螺 杆驱 动 系统 的 负载。 虽 然挤 出机 螺杆按 轴 向压力 5 0 MP a设 计 ，熔料 经多 孔板 产生 压 降，又经 稳流和 分 流 ， 再经 压缩段 的 压力损失 后， 留给成 型段的 允 许 压 力 降 A p 在 3 0 MP a以 下 。 一 般 取 A p=2 0 MP a ， 考 虑 到 由异 向锥 形双 螺 杆 挤 出 ， 取 自：2 5 MPa 维普

11、资讯 http:/ 标准搜搜网 提供各类标准行业资料免费下载 模具S - - 业) 1 9 9 9 No 9总 2 2 3 3 9 塑 料 门 窗 型 材 是 非 牛 顿 型 的 熔 体 在 平 板 缝 隙 中挤 压流 动 后的连 续稳 定 的挤 出物 ，可 将矩 形框式 缝 隙展 开成 平板缝 隙 。 据此 ， 可用 文献 I 3 推 荐的成 型段 长度 计算 式 ： L = 等 加 ( 2 ) 式 中 L 缝 隙 H 的周 框缝 隙的成 型段 长 度， c m 成型段沿程 允许 压力降 Q 熔体 的体积 流量 ， C lFl l 3 s 平 板缝 隙宽度 ， 即 图 1虚线 所 示 周框

12、缝 隙 的中性 层总长 。 c m H平 板缝 隙 的间距 ， 即型板 的壁 厚 ， c m RP Vc熔体 的非牛顿幂 律指数 K RP vC熔 体 在平板缝 隙中 的 表观 稠度 N S C m n和 K 是 随 流 动 剪 切速 率 变 化 的 幂 律 参 数 。 成 型 模 中 物 料 的 剪 切 速 率 1 0 0 s- 1 此 例中可 用 =6 ( Q ( WH ) 近似 求 出熔体 的最大剪切速率 约为 6 0 8 0 s - 1 对 RP VC门窗物料 ，通 常 n=0 4 0 5 ，有 K = ( 1 0 4 1 0 3 ) K 。此 K 为熔体 在毛细管 中的表观稠 度 。

13、 对 于周 框 的成 型 段 长 度 ， 用 n=0 4 5 K ：5 N - s c m ，Q1 =1 1 3 2 c mVs 。在 电子 图板 上测 知周框 总 长 W ：2 4 4 c m， 因此有 L1 = 2 2 m 】 ( 丽 u 2 2 = 8 8 8c m 而 对 H 2= 1 4 ram 的 腹 板 ， Q 2 ： 0 6 8 c m3 s ， W 2 =2 2 6 c m， 故 腹板 的成 型 长度 为 ： L 2 = ( 】 l = 4 5 7 c m 对应 厚 壁的成 型段 应 有较 长的 长度 ，反 之， 成型段应短些 。 可 用下 式表达它 们的关 系 ： L L

14、( H H ) ( 3 ) 对 上 例 L】 ； 8 8 8 c m， Hl = 0 2 2 c m， H 2 =0 1 4 c m， H：0 4 5 ，同 样 可求 得 L 2 = 4 6 1 c m。 ( 3 ) 式采用流变学计算方程推导 。 这就是 为什 么型材 壁 厚不 能相差 过 大的原 因 之 一 。 2 定型模 计算 定 型模是 将挤 出物 用 负压吸 附在模 具 壁 上冷却 定型 ， 获得 所需 的 尺寸和 形状精 度 ， 这 是 个被 牵 引的 固化 过 程 。通过塑 料传 热的计 算 ， 求 得定型 模的 长度， 进而 获知对 冷却水 的 流量和 温度 要求 ，将 保证 足

15、够 的冷却管 的传 热面积 和冷却效 率。 2 1 净却程 度系数 计算 型材 在 定型模 腔 内，属 单 向的大壁 面 传 热。在 很低 的模 壁温 度 T 下 ， 用 一维导热方 程求解 的模型 见图 3 。 型材有 初始温 度 T 在 牵 引速度 下 型材 通过 定型 模 的 时 间 为 t ，在 径 向深 度 z方 向上 具 有所 需 固化 温度 T。型材 的 中心是 高温 且滞止 的空气 ， 型材 只 需外表 层 固化 ， 就 可顺 利 定型 ， 整体 冷却将会 在冷 却槽 中实现 。因此有冷 却程度 系数 ： 0=( T 一 T) ( T， 一 T o ) ( 4 ) 式 中 型

16、材的冷 却程 度系数 T 一定 深度 z 需达到 的 固化温 度， T 一 进 入定 型模 的粘流态 塑料熔 体 温 度 ， T 定型模 的模壁 温度 图 3 塑 料 异 型 材 在 定 型 模 中的 传 热 模 型 1 定 型 摸2 型 材3 热 空 气 RP VC型材挤 出后 ， 有 T。 =1 9 5 “1 2。固化 维普资讯 http:/ 标准搜搜网 提供各类标准行业资料免费下载 模具 I 业 1 9 9 9 No 9总 2 2 3 温度应 在 RP VC热变形 温度 ( 8 0 C ) 以下 ， 现 取 T=5 5 。定型 模温 度 设计 为 T =3 5 1 2， 代 入 ( 4

17、 )式 后得 =0 1 2 5 ，一 维导热方 程 的 解 ： 7 。 ( ) 式 中 z 从模壁起 始 的塑件冷 却深度 ， mm RP vc的热扩散 率， 为 0 062 m m 0 s 型 材某截 面在定型模中的时间 ， s 冷 却 深 度 Z 达 到 型 材 壁 厚 H 的 0 1 0 3 ，就可 牵 引出模 。e r f 是 一个积分 函数式 ， 它 的 解 可 查 表 1 。 现 取 Z 为 0 2 H， 即 0 4 4 mm， 查表 1后插值 得 =0 1 4 0 2 5 。 代 入 ( 5 ) 式得 通过 定型模 的 时间 t =3 9 s 。 按 牵 引速 度 =1 5 mm

18、i n ，可得 定型模 的轴 向长度 = 0 975 m 。 表 l 冷却系数 0的解 ( 1 )计 算单 位 时间 内熔 体 携入 系统 的热 量 g 。 型材进入定型模温度 T。 =1 9 5 13 ，输出 产量 Q =6 9 k g h ，型 材脱离 定型模 的平均 温度 T =4 0 1 2。 已知 RP VC的 比热容 C = 1 8 4 2 k J ( k g ) ， 代入 下式求得输 入热量 ： q= Q C ( T o T ) = 6 91 8 4 2( 1 9 54 0 ) = 1 9 7 1 0 k J h= 5 4 7 1 0 k W ( 2 )计算带 走系统 内热 量

19、q所需冷 却水 的体积流 量 v 。 水 的密度 p =1 0 k g r f l ，比热 容 C = 4 1 8 7 k J ( k g- ) 。假定 冷却水进 入定型模 时 温 度 T =2 0 ， 升 温 后 流 出 的水 温 T = 3 0 。需冷 却水体 积流量 ： 1 ，一 一 m C ( T。 l T， ) Z兰 ： 1 0 4 1 8 7 ( 3 02 0) =e r r t 0 02 8 2 0 05 6 4 0 2 2 2 7 0 2 76 3l 0 3 28 6 0 0 2 5 0 l 5 0 2 0 0 2 5 l 0 3 0 2 2 热平衡 计算 首 先 进 行 该

20、冷 却 系 统 的 热 平 衡 状 态 计 算 。 以确定维 持定 型模 温度 T 的冷 却条件 。 折 合7 8 4 2 1 0 h 3 rai n或 1 3 0 7 1 0 。 ( 3 )确 定 能保 证 管 道 内 水 流呈 湍流 状 态的管径 d。 表 2是 雷诺 数 R =1 0 时 ，对应 的管径 和流速 ， 现 取管径 d=1 2 mm。 ( 4 ) 计 算冷却 水在管道 内的流速 。 表 2 冷 却 水 的湍 流和 流 量 =4V ( n d )=41 3 0 71 0 ( 3 1 4 0 0 1 2 )=1 1 5 6 m s ( 5 )计算冷却管孔壁与水之 间的传热 系数

21、0 由 丁 和 丁 求 得 平 均 水 温 T = 2 5 ， 在 表 3中查得 系数 A =7 9 3 。 。 s 0 5 4 1 8 1 0w ( m - ) 表 3 水 冷 却时 的 系 数 A。 值 ( 6 ) 计算 所需 玲却管道 的 传热 面积 A。 A = 南= 而 告 维普资讯 http:/ 标准搜搜网 提供各类标准行业资料免费下载 ( 模具 I 业) 1 9 9 9 No 9总 2 2 3 4 1 水 箱 弯 管 热 蒸 气 冲 气 硫 化 模 贵 州 大众 橡 胶 有 限 公 司 ( 贵 州 贵 阳 5 5 0 0 0 8 ) 王 光 富 1 引言 图 1所示 的水 箱

22、弯管 ，采用 传统 的模 压 方式存 在着 取 产品和 芯模制 作 的困难 ，如 采 用 图 2所示 的热蒸 气 充气硫 化模 后 ，则 大 大 降低 了芯 模 制 作的 困难 且取 出产 品非常 方 便， 特 别是对 于三维 空 间的水箱 胶管 ， 采用 传 图 1 水 箱 弯 管 收稿 日期 ： 1 9 0 8年 l O月 9日 设 计 统 的模压 方式 很难 保证 产 品设 计 的要求 ，采 用热 蒸气 充气硫化模 后 ，生产 出的产 品壁 厚 图 2 热 蒸 气 冲 气 硫 化模 1 镶 块2 堵 塞3 导柱 4 型 腔 模块5 预 制 管6 气 嘴 = 0 1 01 m ( 7 )

23、计算管 道孔数 。 定型模 长 0 9 7 5 m，但实 际有效 传热 长度 z 0 9 m 或更 小。 孔数 为 =A ( d 2 ) =0 1 0 1 ( 3 1 4 0 0 1 20 9) = 2 9 8 。 定 型模 设 计可 翻起 的上 模盖板 ，冷 却管 道要 避 免与抽 气通道 干 涉 。此例 定型模设 计 成 4进 4出的单 向排孔 ， 由大 口径 1 2 ram 进 入后 ， 再 分成 2个 小孔 管道 。总传热面 积大于 计算值 。 异 型 材 挤 出 模 的 设 计 计 算 还 有 许 多 方 面 ， 如成型 模和 定型模 的成型尺寸计 算 ， 真空 吸附计算等 。异型材

24、挤出过程的许多流变和 传热现 象 ，如 E l 模 膨胀等 还有 待 于实验 和理 论 研 究。 参考文献 1 朱绍 男译 塑料异型材和 复合挤 出技术及制品 开发 化学工业出版社 ， 1 9 8 7 2 黄振华译 挤塑模头设计 及工程 计算 烃 加工 出版 社 1 9 8 9 3 唐 志玉 挤塑模设计化学工业 出版社 1 9 9 7 4 朱元吉 黄录官 用 流变学原理设计异型材挤 塑机头 现代塑料加工应用， 1 9 9 1 5 孙 淑俨 壁 厚 不 均 的 塑 料 异型 材 挤 出 机头 控 制 流 速 均 一 性 措 麓 塑 料 工 业 ， 1 9 8 4 6 李 为正等译 动量 、 热量、 质量传 递原理 国防 工 业 出版 社 ， 1 9 8 4 维普资讯 http:/ 标准搜搜网 提供各类标准行业资料免费下载