全包覆共擠出成型塑料異型材門(mén)窗模具優(yōu)化設(shè)計(jì)

陳鵬元

［新疆天業(yè)（集團(tuán)）有限公司，新疆石河子 832000］

全包覆共擠出成型塑料異型材門(mén)窗模具優(yōu)化設(shè)計(jì)

陳鵬元

［新疆天業(yè)（集團(tuán)）有限公司，新疆石河子 832000］

采用全包覆共擠技術(shù)，對(duì)塑料異型材門(mén)窗模具進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，采用非線性流道設(shè)計(jì)，階梯式分級(jí)供料，“模唇”式共擠交匯入料，“哈夫”式共擠入料口設(shè)計(jì)技術(shù)，達(dá)到同時(shí)均勻穩(wěn)定地?cái)D出兩種聚合物熔體，既滿(mǎn)足型材的耐老化要求，又可以降低型材的成本。同時(shí)簡(jiǎn)要介紹了模具加工中應(yīng)注意的問(wèn)題。

全包覆共擠模具；塑料異型材；優(yōu)化設(shè)計(jì)

塑料異型材門(mén)窗大多數(shù)使用于戶(hù)外，受到紫外線、雨、冰雪、風(fēng)沙和工業(yè)化污染等的影響，從而使型材表面出現(xiàn)變灰、變黃、粉化等老化現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了塑料門(mén)窗的外觀及使用性能。型材老化的原因主要是紫外線對(duì)PVC型材的降解，尤其是我國(guó)西北地區(qū)處于高輻射地區(qū)，型材的耐老化是急需解決的一個(gè)重要問(wèn)題。

如果僅在型材表面附著一層耐老化的表層，使紫外線不能穿透，而底層就可以不用添加過(guò)多的耐老化組分，這樣就形成了一種全新的技術(shù)——全包覆共擠技術(shù)，即使用專(zhuān)門(mén)的模具共擠流道，通過(guò)另一臺(tái)共擠出機(jī)，在型材的外輪廓包覆共擠上一層耐候材料，底層用擠出機(jī)擠出另一種配方的材料，包覆層使用鈦白粉含量較高的聚氯乙烯（PVC）或耐候性好的丙烯腈-苯乙烯-丙烯酸酯塑料（ASA）材料，底層材料中使用鈦白粉含量略低的PVC材料。這樣，由于紫外線的穿透性較差，型材表面的抗老化層吸收、阻擋紫外線，從而可滿(mǎn)足型材的抗老化要求，底層使用的鈦白粉含量低，可以降低型材的成本。同時(shí)，為了改善PVC塑料門(mén)窗的熱穩(wěn)定性、光穩(wěn)定性、加工性能和物理力學(xué)性能，通常還需添加熱穩(wěn)定劑、紫外線吸收劑、潤(rùn)滑劑、加工助劑、抗沖改性劑、顏料、增強(qiáng)填充材料等。但國(guó)內(nèi)塑料異型材共擠擠出模設(shè)計(jì)和制造水平與國(guó)外有一定的差距，而近幾年發(fā)展起來(lái)的共擠模具的設(shè)計(jì)，各模具生產(chǎn)廠家都有自己的特點(diǎn)［1］，因此急需對(duì)各模具生產(chǎn)廠家的先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行統(tǒng)一和規(guī)范，達(dá)到取長(zhǎng)補(bǔ)短、相互借鑒的目的。筆者根據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)全包覆共擠出成型塑料異型材模具設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化。

1 塑料異型材門(mén)窗異型材結(jié)構(gòu)分析

圖1是塑料異型材門(mén)窗全包覆共擠平開(kāi)框的截面圖和示意圖。采用全包覆共擠技術(shù)生產(chǎn)的型材只在可視面共擠上一層耐候物質(zhì)，厚度一般為0.2～0.5 mm［2］。由于共擠層很薄，因此基本不影響型材的力學(xué)性能，而且生產(chǎn)成本降低。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)彩色異型材主要有三種方式：共擠、噴涂和覆膜［3］，而國(guó)外大部分采用表層覆膜技術(shù)。常用的共擠形式有ASA（皮層）與PVC（基層）共擠和PVC（皮層）與PVC（基層）共擠兩種。ASA/PVC共擠的成型溫度為170～230℃，與PVC的加工工藝溫度接近，但易吸潮，需干燥。PVC的溶解度參數(shù)與ASA的非常接近，所以相容性非常好，并且ASA有極好的耐侯性和豐富的色彩，所以ASA是目前應(yīng)用最多的共擠層材料；相對(duì)其它兩種共擠形式，PVC/PVC共擠的成本最低，但PVC共擠料由于流動(dòng)性比較差，共擠層厚度的均勻性不易控制，流道設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。

圖1 塑料異型材門(mén)窗全包覆共擠擠出成型截面圖和示意圖

由于采用共擠技術(shù)，兩種物料的流動(dòng)角度不同，流速不同，共擠交匯入料口易發(fā)生滯流、糊料、竄流和紊流現(xiàn)象，致使物料不易均勻擠出，生產(chǎn)不穩(wěn)定，廢品多。

2 模具設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1 全包覆共擠擠出成型流道優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于全包覆共擠擠出成型技術(shù)涉及到兩種或兩種以上不同原料通過(guò)模頭流道的過(guò)渡，使其相熔后從模頭擠出，所以共擠流道的設(shè)計(jì)顯得尤為重要。合理的共擠流道設(shè)計(jì)，既能保證料流平穩(wěn)，又能獲得均勻的共擠層厚度。口?？p隙和尺寸設(shè)計(jì)時(shí)要考慮和定型模的匹配，避免局部阻力過(guò)大，保證壓力的平衡［4］。為保證這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，可采用以下技術(shù)：

（1）采用非線性流道設(shè)計(jì)，保證料流平穩(wěn)。

擠出模頭成型設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是擠出流道應(yīng)平滑過(guò)渡，熔體流出模頭時(shí)流速應(yīng)均勻一致［5］。為保證料流在流道內(nèi)流動(dòng)平穩(wěn)，不發(fā)生滯流、紊流，并不會(huì)使料流在流道內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間的停留，而發(fā)生發(fā)黃、分解、碳化等現(xiàn)象，共擠流道的設(shè)計(jì)必須要保證流道內(nèi)主、分流道間過(guò)渡圓滑，不能產(chǎn)生死角、突變等缺陷。

圖2為改進(jìn)前的中挺全包覆共擠流道示意圖。其流道的不足之處表現(xiàn)在：流動(dòng)路徑長(zhǎng)，擠出壓力大，流道不圓滑，有突變，易發(fā)生滯流、糊料現(xiàn)象。圖3為改進(jìn)后的中挺全包覆流道示意圖，其流道優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在：流動(dòng)路徑短，擠出壓力小，流道圓滑，無(wú)突變，不易發(fā)生滯流、糊料現(xiàn)象。

（2）采用階梯式分級(jí)供料，保證共擠層均勻。

圖2 改進(jìn)前的中挺全包覆共擠流道示意圖

圖3 改進(jìn)后的中挺全包覆流道示意圖

供料方式的選擇對(duì)共擠層的均勻性有著至關(guān)重要的影響。為保證共擠層厚度的均勻性、可控性，共擠流道主要由主流道、分流道（可分為一級(jí)分流道、二級(jí)分流道）和成型平直段三部分組成。圖4為全包覆共擠流道示意圖，主流道和分流道主要控制料流的穩(wěn)定性，成型平直段主要控制共擠層的均勻性，通過(guò)加長(zhǎng)或減短平直段的長(zhǎng)度，即可有效控制共擠層的厚薄和均勻性。

圖4 全包覆共擠流道示意圖

平直段越長(zhǎng)，熔體料流越平緩，熔體內(nèi)部密實(shí)程度越趨于一致，這樣也有利于提高制品的拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度。但平直段也不能太長(zhǎng)，否則會(huì)增加熔融物料的停留時(shí)間，造成熔融物料阻力大、壓力大、易糊料，熔體容易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，影響異型材產(chǎn)品性能［6］。平直段太短，熔融物料還未形成層流，致使熔融物料的厚薄不勻，生產(chǎn)不穩(wěn)定。合理進(jìn)行模頭平直段設(shè)計(jì)，可以降低模具設(shè)計(jì)和制造的難度［7］。

（3）采用“模唇”式共擠交匯入料，提高料流穩(wěn)定性。

由于全包覆共擠是由兩股熔融物料采用先分后合的共擠形式粘合在一起共同擠出的，所以?xún)晒扇廴谖锪显谌诤系乃查g，熔溫、熔壓、流速的控制顯得尤為重要，只有兩股料流在交匯的瞬間熔溫、熔壓、流速都達(dá)到一種層流和平流的效果，才能避免兩股物料竄流、紊流現(xiàn)象的發(fā)生，保證共擠層均勻一致。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，在進(jìn)行技術(shù)方案設(shè)計(jì)時(shí)，引用了“模唇”這一設(shè)計(jì)理念，將原兩股料的進(jìn)料方式由原來(lái)的“垂直”交匯進(jìn)料轉(zhuǎn)變?yōu)椤巴颉苯粎R進(jìn)料，減小料流間的相互影響，保持料流平穩(wěn)、均勻。

圖5為改進(jìn)前的“垂直”交匯共擠入料示意圖，其交匯方式的不足之處表現(xiàn)在：共擠料與基料方向垂直，擠出流料及厚度不易控制，共擠均勻性受料流壓力的影響大。圖6為改進(jìn)后的“模唇”式交匯共擠入料示意圖，改進(jìn)后的交匯方式優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在：共擠料與基料同向，擠出料流及厚度容易控制，共擠均勻性受料流壓力影響小。

圖5 改進(jìn)前的“垂直”式交匯共擠入料示意圖

圖6 改進(jìn)后的“模唇”式交匯共擠入料示意圖

（4）采用“哈夫”式共擠入料口設(shè)計(jì)，減小擠出壓力。

通常共擠流道的入口是在共擠板塊的居中位置打一直孔，然后，再在流道端面打一斜孔與直孔接通，但這樣很容易造成共擠料在入料瞬間，由于流動(dòng)路徑的突變，造成共擠壓力驟然加大，流動(dòng)阻力增大，從而引起溢料或滯流現(xiàn)象的發(fā)生。為避免這一現(xiàn)象的發(fā)生，將共擠入口設(shè)置在兩塊共擠板的拼接面上，采用“哈夫”式入料口形式設(shè)計(jì)，這樣既杜絕了料流的突變，同時(shí)，也便于流道在一個(gè)面上，一次裝夾加工，提高加工精度。

圖7為改進(jìn)前的“打孔”式共擠入料口示意圖，其入料方式的不足之處表現(xiàn)在：入料斜孔加工不便，入料瞬間料流有突變，流道不圓滑，容易糊料。圖8為改進(jìn)后的“哈夫”式共擠入料口示意圖，其入料方式優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在：整體加工精度高，入料瞬間料流平滑，流道圓滑，不容易糊料。

圖7 改進(jìn)前的“打孔”式共擠入料口示意圖

圖8 改進(jìn)后的“哈夫”式共擠入料口示意圖

2.2 模具加工應(yīng)注意的問(wèn)題

模具的材質(zhì)對(duì)型材表面的質(zhì)量有著重要的影響，如果模具的材質(zhì)差，使用較短的時(shí)間就會(huì)被磨損，模具內(nèi)表面就會(huì)被物料的析出物所腐蝕而變成麻面，導(dǎo)致物料粘附在模具內(nèi)表面上，從而降低型材表面的光亮度。所以模具一定要選用較好的材質(zhì)，必要時(shí)還要進(jìn)行材質(zhì)理化檢驗(yàn)，以保證模具質(zhì)量［8］。制作模具的主要材質(zhì)一般是模具鋼3Cr17，3Cr17Mo和合金鋼M300，M340。確定的模具加工技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1，模具研發(fā)主要設(shè)備見(jiàn)表2。

表1 模具加工技術(shù)指標(biāo)

表2 模具研發(fā)主要設(shè)備

在表面質(zhì)量方面，由于擠出成型過(guò)程中對(duì)模具的磨損較大，根據(jù)摩擦力公式可知，如果按照普通PVC模具的型腔處理（表面粗糙度Ra為0.2 μm），則會(huì)產(chǎn)生很大的摩擦力，會(huì)加速模具的磨損，降低模具使用壽命。降低模具表面的粗糙度，可以減小成型過(guò)程中定型段的阻力，有利于成型和穩(wěn)定生產(chǎn)。因此對(duì)于全包覆共擠模具模頭、定型模和定型塊的表面粗糙度要求較高，Ra為0.025 μm。為了達(dá)到高的表面質(zhì)量，定型模、定型塊上的型腔面主要用加工中心和立銑機(jī)床加工。加工中心有較高的加工精度，一般為0.005 mm，經(jīng)過(guò)加工中心加工后的表面粗糙度Ra可達(dá)到0.4 μm，再經(jīng)過(guò)精細(xì)拋光，表面粗糙度Ra可達(dá)到0.025 μm，且經(jīng)過(guò)其加工的表面硬度會(huì)有一定程度的提升。另一種主要加工設(shè)備為立銑機(jī)床，其主軸轉(zhuǎn)速為40 000～50 000 r/min，通過(guò)高轉(zhuǎn)速、微切削，兼顧了加工效率和工件的表面質(zhì)量，加工后的零件只需用晶相砂紙略微拋光，表面粗糙度Ra即可達(dá)到0.025 μm。全包覆共擠模具中的共擠流道則是通過(guò)高速銑床精密加工來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

在定位精度方面，對(duì)于模頭板塊，采用高精度的銷(xiāo)釘、銷(xiāo)釘套定位，銷(xiāo)孔用加工中心與型腔同步割出，具有與型腔相同的精度±0.005 mm （加工中心的加工精度），再加上銷(xiāo)釘、銷(xiāo)釘套的定位偏差±0.008 mm，總的定位偏差約為±0.013 mm；對(duì)于定型模、定型塊采用方鍵定位，用立銑機(jī)床與型腔同步加工，避免了加工基準(zhǔn)不一致和重復(fù)定位產(chǎn)生的誤差。同樣可以保證定位精度為±0.015 mm。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)全包覆共擠擠出成型模具截面進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)優(yōu)化，采用非線性流道設(shè)計(jì)、階梯式分級(jí)供料、“模唇”式共擠交匯入料、“哈夫”式共擠入料口設(shè)計(jì)技術(shù)，達(dá)到同時(shí)均勻穩(wěn)定地?cái)D出兩種聚合物熔體，使共擠出產(chǎn)品可以綜合各種材料的優(yōu)點(diǎn)，如更高的耐候性，更多的色彩，更高的表面光澤度，更好的加工性，從而生產(chǎn)出功能各異、性能更全面和成本更合理的塑料異型材制品。同時(shí)簡(jiǎn)要介紹了模具加工中應(yīng)注意的問(wèn)題。

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Optimization Design of Totally Coated Co-Extrusion Mold for Plastic Profile Door and Window

Chen Pengyuan
［Xinjiang Tianye （Group） Co.， Ltd.， Shihezi 832000， China］

Totally coated co-extrusion mold for plastic profile door and window was reasonably designed and optimized. Through using the nonlinear flow channel design，feeding of ladder type classification，“die lip” co-extrusion type intersection feeding and “huff”type crowding in hopper design technology， the homogeneous and stable extrusion of two polymer melts are achieved at the same time，both to meet the profile aging requirements and decrease the profile cost. The advertent problems in mold processing are also briefly introduced.

totally coated co-extrusion mold；plastic profile；optimization design

TQ320.66

A

1001-3539（2016）07-0094-04

10.3969/j.issn.1001-3539.2016.07.018

聯(lián)系人：陳鵬元，高級(jí)工程師，從事塑料加工工作2016-05-06