論擠出平模頭設(shè)計(jì)和加工的優(yōu)化升級(jí)

1 前言

擠出（extrude）這個(gè)詞由拉丁文“ex”（離開）和“trudere”（推）組成，形象地描述了“施加壓力驅(qū)使材料通過模具成型”的擠出過程。

擠出平模頭（下文簡(jiǎn)稱為“模頭”）生產(chǎn)線工作時(shí)，通常是將粉狀或粒狀形態(tài)的聚合物加入到擠出機(jī)機(jī)筒中，在螺桿的作用下，聚合物沿螺槽或機(jī)筒向前移動(dòng)，并逐漸熔融成為黏流體，然后通過設(shè)置在機(jī)筒端部的模頭，形成與模具的口模形狀相仿的連續(xù)體，最后經(jīng)冷卻定型，便可成型為所需要形狀的制品，形狀分為板、片、膜，目前主要應(yīng)用于建筑、醫(yī)藥、包裝、家電、太陽能等行業(yè)。模頭是擠出生產(chǎn)的核心部分，它設(shè)計(jì)的合理性直接影響著生產(chǎn)效率、制品精度、模具壽命等諸多方面，因而研究擠出模頭設(shè)計(jì)尤為重要。

2 傳統(tǒng)模頭設(shè)計(jì)

目前，國(guó)內(nèi)的許多模頭制造企業(yè)還停留在簡(jiǎn)單的模仿階段，企業(yè)在設(shè)計(jì)模頭時(shí)主要依靠測(cè)繪、經(jīng)驗(yàn)和簡(jiǎn)單的人工計(jì)算，設(shè)計(jì)出的模頭缺乏理論數(shù)據(jù)的支撐，從而導(dǎo)致模頭在試模過程中需經(jīng)過多次修模，才能使模頭符合生產(chǎn)要求，情況嚴(yán)重的，會(huì)直接導(dǎo)致模頭報(bào)廢，造成時(shí)間和經(jīng)濟(jì)上的損失。因此，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法不僅延長(zhǎng)了模具的設(shè)計(jì)制造周期，而且在試模和修模過程中耗費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力。

3 傳統(tǒng)模頭加工

在傳統(tǒng)的模頭加工企業(yè)中，模頭外形和流道的加工，主要依靠三軸加工中心，其主軸最高轉(zhuǎn)速一般在3000～6000轉(zhuǎn)/分鐘，這種加工方式技術(shù)比較成熟，但因?yàn)闄C(jī)床條件限制，加工結(jié)構(gòu)稍復(fù)雜的模體時(shí)，至少需要人工翻多個(gè)角度加工，從而導(dǎo)致產(chǎn)品精度差、表面光潔度差等缺點(diǎn)。

模頭的加熱棒孔、孔和螺紋的加工，主要依靠普通鉆床。這種加工方式帶來孔徑公差大、表面光潔度差、垂直度差等缺點(diǎn)，容易出現(xiàn)螺紋滑絲、加熱不均勻等現(xiàn)象，導(dǎo)致模頭漏料、螺釘卡死、加熱棒容易燒壞等嚴(yán)重后果。

在模頭的表面處理方面，還停留在單一的鍍鉻，雖然它有加工成本低、傳統(tǒng)工藝成熟、維修退鍍方便等優(yōu)點(diǎn)，但是缺點(diǎn)也非常明顯：表面有網(wǎng)紋結(jié)構(gòu)，模唇尖角處理?xiàng)l件一般，在生產(chǎn)中模唇容易掛料，而且不容易調(diào)節(jié)制品的厚薄。

綜上所述，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)和加工方法，缺少自己核心的技術(shù)和數(shù)據(jù)支持，僅適用于要求不高的低端產(chǎn)品或技術(shù)相對(duì)成熟的產(chǎn)品。

4 模頭設(shè)計(jì)的優(yōu)化

在新材料應(yīng)用呈井噴發(fā)展的今天，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)和加工方式已無法適應(yīng)其發(fā)展需求，就目前的發(fā)展情況來看，我國(guó)正積極進(jìn)行著工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，以自動(dòng)化、數(shù)字化為基礎(chǔ)的智能化生產(chǎn)逐步被關(guān)注和應(yīng)用，這不僅將改造提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，也促進(jìn)先進(jìn)制造業(yè)的發(fā)展。當(dāng)然，工業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)勢(shì)必需要巨大的資金投入，國(guó)內(nèi)也只有個(gè)別具有前瞻意識(shí)、實(shí)力雄厚的企業(yè)，率先引進(jìn)了歐美、日本等國(guó)先進(jìn)的設(shè)備和分析軟件，比如原材料分析儀、有限元分析軟件、五軸高速加工中心、精密磨床等，來提升模頭設(shè)計(jì)的合理性和加工的精準(zhǔn)性。就此，我們來感受先進(jìn)技術(shù)帶來的模頭設(shè)計(jì)革新。

5 塑料原料的檢測(cè)

因?yàn)槟ｎ^的設(shè)計(jì)主要是由塑料原材料的特性所決定的，所以首先必須全面了解塑料原料的屬性。只有對(duì)其粘度、剪切速率、加工工藝溫度、熱傳導(dǎo)率及膨脹系數(shù)等進(jìn)行一個(gè)有效的分析和技術(shù)掌控，才能研制出完全符合生產(chǎn)需求的模頭。

許多制品廠家在生產(chǎn)過程中存在一個(gè)誤區(qū)，認(rèn)為同一套模具可以生產(chǎn)多種原料，其實(shí)每一套定制的模頭都具有唯一性，如果用不同原料進(jìn)行生產(chǎn)，將導(dǎo)致制品達(dá)不到既定的質(zhì)量要求，情況嚴(yán)重的將損壞模頭。

5.1 流道的模似分析

流道是平模頭的心臟，流道設(shè)計(jì)的合理性，直接決定了產(chǎn)品的質(zhì)量。理想的設(shè)計(jì)方法是根據(jù)塑料原料特性，以及對(duì)制品厚度與線速度的要求，對(duì)比歧管式、衣架式、魚尾式等流道的優(yōu)缺點(diǎn)，利用有限元分析軟件，設(shè)計(jì)出最小停滯時(shí)間、最適合的壓力、最均勻的流速曲線以及避免產(chǎn)生剪切熱的流道。雖然在進(jìn)行流道模擬分析時(shí)有數(shù)據(jù)的結(jié)果，但是要在各項(xiàng)數(shù)據(jù)中提取最優(yōu)化的配比，就需要技術(shù)全面的工程師，既要全面的了解塑料原料的各項(xiàng)特性，又要精通最終產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝。

5.2 模頭結(jié)構(gòu)的優(yōu)化分析

當(dāng)我們開始模頭設(shè)計(jì)時(shí)，先是根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求來確定結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的合理性對(duì)模頭使用的穩(wěn)定性、壽命等有很大的影響。不合理的結(jié)構(gòu)，可能出現(xiàn)模頭變形、漏料、加熱不均等現(xiàn)象。因此模頭結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也需要深入地分析：

① 結(jié)構(gòu)剛度的分析：由于制品的生產(chǎn)是一種高壓擠出生產(chǎn)工藝，特別是生產(chǎn)PVC發(fā)泡板、PVC保鮮膜等模頭，其生產(chǎn)的模腔壓力通常會(huì)達(dá)到20—40MPa，為了保證模頭的質(zhì)量，必須通過剛度的分析，以免模頭變形導(dǎo)致的出料不均和漏料的情況。

② 材料疲勞的分析：一般平模頭都帶彈性微調(diào)裝置，如圖1所示，其A處的數(shù)值，對(duì)調(diào)節(jié)的靈敏性以及穩(wěn)定性起決定性作用。若數(shù)值過小，微調(diào)靈敏性過高，造成模頭出料不穩(wěn)定且容易造成此處塑性變形；若數(shù)值過大，則模唇開口可調(diào)節(jié)范圍減少，操作費(fèi)力。只有通過模擬分析，才能得出最適合的數(shù)值。

圖1 平模頭上的彈性微調(diào)裝置

③ 熱傳導(dǎo)的分析：以前的設(shè)計(jì)往往忽略了加熱均勻性對(duì)塑料的影響（特別是熱敏性材料），合理的加熱棒功率和排布間隔，既能夠穩(wěn)定地給塑料所需的熱量，又能避免熱能損耗（節(jié)能，降低生產(chǎn)成本。）

5.3 模頭鋼材選擇和熱處理

我們都知道模頭是由鋼材加工而成，選擇鋼材的重要性就不言而喻，一般在選擇時(shí)主要考慮鋼材是否滿足模頭的工作條件、是否具有良好的加工性以及經(jīng)濟(jì)性等指標(biāo)?，F(xiàn)在再加上模頭結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果和塑料原料的特性，設(shè)計(jì)師在選擇鋼材時(shí)有了數(shù)據(jù)的引導(dǎo)，更能得心應(yīng)手。

為了使金屬工件具有所需要的力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能，除合理選用材料和各種成形工藝外，熱處理工藝往往是必不可少的，同一種金屬采用不同的熱處理工藝，可獲得不同的組織，從而具有不同的性能。因此，熱處理是機(jī)械制造中的特殊工藝過程，也是質(zhì)量管理的重要環(huán)節(jié)，在選擇模具鋼時(shí)也必須考慮鋼材的熱加工處理帶來的質(zhì)量問題。

5.4 模頭的精密加工

擠出平模頭的結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，但在精度和表面光潔度方面要求比較高，所以對(duì)加工設(shè)備也提出了很高的要求，這里將詳細(xì)介紹模頭流道、外形、孔類以及流道“精密柔性拋光”的一體化加工方式。

5.5 五軸高速加工中心一體化

此加工方式整合了銑、鉆、磨功能，機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速可以達(dá)到15000～20000轉(zhuǎn)/分鐘，并可以任意角度旋轉(zhuǎn)，可以充分利用銑刀最佳切削區(qū)域進(jìn)行加工，并無需人工對(duì)工件進(jìn)行位置調(diào)整，適合各種外形及流道的加工，所以無論是加工精度、表面光潔度和加工效率都能得到很大提升。

這里我們還將提出一個(gè)全新的概念—精密柔性拋光，這一技術(shù)在流道由銑刀精加工后，可直接換成裝有砂輪頭帶柔性的特制夾頭，其最高轉(zhuǎn)速可達(dá)50000轉(zhuǎn)/分鐘，用此方法加工得到的表面光潔度可達(dá)Ra0.2～0.3，可以減少70～80%拋光工作量，直線度和平整度是手工拋光的2～3倍。

模頭上所有的孔（除加熱棒孔）都由加工中心承擔(dān)加工任務(wù)，能得到高垂直度與高精度的孔和螺紋孔，從而克服傳統(tǒng)加工方式產(chǎn)生的弊端。

5.6 模頭加熱棒孔的精細(xì)加工

在實(shí)際加工中，生產(chǎn)技術(shù)人員往往會(huì)忽視加熱棒孔加工，認(rèn)為只要能把加熱棒放進(jìn)去就算合格。其實(shí)其孔徑的精度直接影響模頭的質(zhì)量，在孔徑過小時(shí)，加熱棒容易出現(xiàn)卡死，無法取出；孔徑過大時(shí)，加熱棒無法與模體緊密貼合，熱傳導(dǎo)慢，影響加熱棒使用壽命，甚至出現(xiàn)立即燒壞現(xiàn)象。

采用數(shù)控深孔鉆機(jī)床加工，可以有效地保證孔徑的精度，并得到較高的光潔度、高精密的配合公差，使加熱棒充分發(fā)揮其性能，并延長(zhǎng)加熱棒的使用壽命，減少電能損耗。

5.7 模頭表面的處理

在傳統(tǒng)的鍍鉻基礎(chǔ)上，增加碳化鎢和納米鉆石合金處理技術(shù)，以滿足不同的使用需求。 模唇碳化鎢處理加工技術(shù)，是針對(duì)模唇定型部位進(jìn)行碳化鎢噴涂，并通過精密磨床及專用磨具進(jìn)行精密磨屑。其優(yōu)點(diǎn)是：表面硬度可達(dá)HV1100—1300，模唇尖角R0.01mm，表面摩擦系數(shù)非常小。此項(xiàng)技術(shù)適合于涂復(fù)模頭，特別是接觸式涂復(fù)模頭，模唇口的高耐磨性，延長(zhǎng)了模頭的使用壽命。

納米鉆石合金表面處理技術(shù)，屬于多層復(fù)合涂覆技術(shù)，涂層成分包括鎳、硼、麟、納米鉆石等組成。其優(yōu)點(diǎn)是：表面沒有網(wǎng)紋現(xiàn)象，耐磨性和耐腐蝕性是鍍硬鉻的2～3倍。此項(xiàng)技術(shù)適合于生產(chǎn)高端薄膜的模頭，即便是經(jīng)常性的清理模唇和模腔時(shí)，也不會(huì)劃傷模頭流面，延長(zhǎng)了模頭的使用壽命。

6 結(jié)語

綜上所述，優(yōu)化后模頭的設(shè)計(jì)流程（如圖2），根據(jù)客戶提供的材料，分析其數(shù)據(jù)，再經(jīng)過反復(fù)模擬分析，最后得出最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。此方法有大量的理論數(shù)據(jù)支撐，避免傳統(tǒng)設(shè)計(jì)存在的各種弊端，并通過一整套精密的加工方式和完善的質(zhì)量檢測(cè)體系，保證了設(shè)計(jì)方案得到完美的實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然，模頭的生產(chǎn)周期也是一項(xiàng)重要的指標(biāo)，經(jīng)過前期所做的大量的設(shè)計(jì)準(zhǔn)備工作、加工各環(huán)節(jié)的緊密配合，在確保產(chǎn)品質(zhì)量前提下，一般需要60~70天；一些模內(nèi)復(fù)合模頭，生產(chǎn)周期則需要90~100天左右。

圖2 優(yōu)化后模頭的設(shè)計(jì)流程

只有最優(yōu)化的設(shè)計(jì)和精密加工的配合，才能根據(jù)客戶的需求量身定制，并快速地為客戶提供更穩(wěn)定、更高效、更節(jié)能、更優(yōu)質(zhì)的模頭，最終讓客戶迅速占領(lǐng)市場(chǎng)先機(jī)，創(chuàng)造更大的價(jià)值。