三層自扣復(fù)合實(shí)壁管材共擠模頭設(shè)計(jì)

張友新，金宗利，應(yīng)大翔，張偉嬌

（浙江偉星新型建材股份有限公司，浙江 臨海 317000）

0 引言

共擠技術(shù)是目前較先進(jìn)的塑料復(fù)合增強(qiáng)管材的一種加工方法，它能以不同特性的原料生產(chǎn)各種具有特殊性能的復(fù)合管材，并能降低生產(chǎn)成本。隨著塑料管材應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，共擠技術(shù)在復(fù)合管材的功能化方面發(fā)揮越來越重要的作用，特別是復(fù)合PE/ 玻璃纖維增強(qiáng)/PE、PE/改性PP、PE/PE、PP/鋁管/PP、PE/剛帶/PE等。對于不同材質(zhì)擠出成型的復(fù)合管材，由于在生產(chǎn)過程中有可能出現(xiàn)各層之間塑化的原料分子中結(jié)構(gòu)不緊密、相容性不好、不容易粘結(jié)等問題，導(dǎo)致管材在使用中出現(xiàn)分層、起包、起皮等現(xiàn)象，影響管材的性能和外觀。在擠出過程中采用膠粘劑將內(nèi)外層粘結(jié)的方式，生產(chǎn)的管材不僅增加了膠粘劑的成本，且膠粘劑的熔點(diǎn)較低，伴隨著高分子材料的老化過程，導(dǎo)致擠出穩(wěn)定性差，為此設(shè)計(jì)了一種三層自扣復(fù)合實(shí)壁管材共擠模頭，通過自扣口模和自扣芯棒合理匹配構(gòu)成自扣不同材質(zhì)復(fù)合的高強(qiáng)度、低成本管材。同時(shí)為了消除管材的合流線，模頭設(shè)計(jì)了微孔多孔板使物料進(jìn)入中層料流道，由于沒有分流筋熔合線，使擠出的中層管材質(zhì)量得到提高。因微孔多孔板的熔料流動(dòng)方向與擠出機(jī)螺桿的軸線方向一致，熔料由螺旋運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，能夠形成一定的機(jī)頭壓力[1]，使熔料進(jìn)入中層料流道中被緩沖、再逐漸壓實(shí)通過環(huán)形流道，使物料進(jìn)一步均勻塑化。

1 自扣復(fù)合實(shí)壁管材的成型工藝

三層自扣復(fù)合實(shí)壁管材共擠模頭包括依次連接的機(jī)頭連接體、微孔多孔板、外層分流套、外層進(jìn)料連接套、外層連接套、機(jī)頭體、自扣口模和壓環(huán)套，還包括依次連接的分流器、中心芯棒、內(nèi)層進(jìn)料連接套、中層分流套、自扣芯棒以及由上述部件構(gòu)成的外層管材物料通道、中層料流道、內(nèi)層料流道。將同一種或不同特性的原料分別加入3 臺(tái)擠出機(jī)中，在一定壓力作用下從微孔多孔板的出料孔擠出進(jìn)入中層料流道。外層通過外層進(jìn)料連接套進(jìn)入外層料流道，內(nèi)層通過內(nèi)層料流道，然后在同一流道中匯集自扣復(fù)合為一體，從口模成型段擠出，后經(jīng)冷卻定型、牽引、切割得到三層自扣復(fù)合實(shí)壁管材。對于現(xiàn)有技術(shù)，不同材質(zhì)擠出的復(fù)合管材會(huì)出現(xiàn)一些缺陷，影響管材的性能和外觀，采用自扣復(fù)合實(shí)壁管材模頭成型是在每一層熔融物料的狀態(tài)下，在一定的壓力作用下通過設(shè)定的口模內(nèi)徑凸起物和芯棒外徑的凸起物成型自扣復(fù)合實(shí)壁管材。

2 自扣復(fù)合實(shí)壁管材模頭結(jié)構(gòu)

2.1 自扣復(fù)合實(shí)壁管材模頭構(gòu)成

三層自扣復(fù)合實(shí)壁管材共擠模頭結(jié)構(gòu)如圖1所示。機(jī)頭連接體1內(nèi)部設(shè)置中層喇叭狀進(jìn)料口及錐形中層料流道腔體；微孔多孔板2 設(shè)置有網(wǎng)孔流道若干圈，每圈網(wǎng)孔流道之間錯(cuò)位分布，在寬度軸心側(cè)設(shè)有中心進(jìn)料口；中心進(jìn)料處與內(nèi)層進(jìn)料連接套11 匹配對應(yīng)連接；外層連接套5 與中層分流套3 構(gòu)成外層料流道，外層進(jìn)料連接套4 固定在機(jī)頭體6上；自扣口模7 設(shè)有向外凸圓，內(nèi)壁軸向均布6～15個(gè)凸圓；壓環(huán)套8 與機(jī)頭體6 通過螺釘連接；分流錐9 上依次連接中心芯棒10、微孔多孔板2、自扣芯棒13，中心芯棒10 與內(nèi)層分流套12 構(gòu)成內(nèi)層料流道；內(nèi)層進(jìn)料連接套11 固定在機(jī)頭體6 上；中層分流套3 設(shè)有凸臺(tái)，凸臺(tái)卡在機(jī)頭體6 上；自扣芯棒13 連接在中心芯棒10 的內(nèi)螺紋上，自扣芯棒13 設(shè)有向外凸起的凸圓，其外壁軸向均布6～15 個(gè)凸圓，6～15 個(gè)凸圓與自扣口模7內(nèi)壁軸向均布的凸圓在模頭內(nèi)相互均布交錯(cuò)。

圖1 三層自扣復(fù)合實(shí)壁管材共擠模頭結(jié)構(gòu)

2.2 微孔多孔板

微孔多孔板如圖2 所示，為了消除分流筋產(chǎn)生的熔接痕，將支架板設(shè)計(jì)為圓形的網(wǎng)格狀，均勻設(shè)置多個(gè)貫通的網(wǎng)孔，直徑一般為φ5～φ8 mm[2]。微孔多孔板采用高錳耐磨鋼40 鉻，熱處理硬度為235～255 HB，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后的40鉻具有良好的綜合力學(xué)性能和低溫沖擊韌性。

圖2 微孔多孔板

2.3 中心芯棒

中心芯棒如圖3 所示，兩端設(shè)有外、內(nèi)連接螺紋，大端連接分流錐9，小端連接自扣芯棒13，為了物料流動(dòng)和逐漸壓實(shí)，中心芯棒設(shè)計(jì)為圓錐體一體結(jié)構(gòu)。一體結(jié)構(gòu)是內(nèi)層分流套12 與中心芯棒10 構(gòu)成的內(nèi)層料流道，經(jīng)過的熔料能夠順利沿模頭的流道充滿并均勻地?cái)D出，避免物料流動(dòng)不順暢而發(fā)生過熱分解。由于傳統(tǒng)塑料管材擠出模頭一般使用實(shí)體芯棒，成型不同規(guī)格的管材時(shí)只要更換1 副口模和芯棒就可以完成[3]，但是傳統(tǒng)芯棒結(jié)構(gòu)一般采用芯棒與收縮芯棒連接為一體，如圖4所示，在連接過渡處會(huì)產(chǎn)生連接痕跡，使物料流動(dòng)不順暢，同時(shí)配合處精度要求較高，導(dǎo)致加工成本高。

圖3 中心芯棒

圖4 傳統(tǒng)芯棒

2.4 自扣芯棒

自扣芯棒如圖5 所示，外壁軸向均布6～15 個(gè)凸圓，凸圓的卡接部位為R圓弧過渡，凸圓最大直徑要大于卡接R圓弧部位，R圓弧過渡能使內(nèi)層管的物料和中層管的物料順暢流動(dòng)，并且使中層管的內(nèi)層熔料與自扣芯棒設(shè)置的凸圓緊密熔合連接，防止物料出現(xiàn)分解和糊料現(xiàn)象。為了自扣芯棒能夠使物料均勻沿著設(shè)計(jì)布局的流道充滿各自型腔，并產(chǎn)生適當(dāng)?shù)膲毫Γ谠O(shè)計(jì)平直定型段時(shí)可適當(dāng)增加長度，使物料在擠出前達(dá)到穩(wěn)定穩(wěn)流狀態(tài)成型[4]。

圖5 自扣芯棒

2.5 自扣口模

自扣口模如圖6 所示，內(nèi)壁軸向均布6～15 個(gè)凸圓，凸圓的卡接部位為R圓弧過渡，凸圓最大直徑也要大于卡接R圓弧部位，R圓弧過渡能使外層管的物料和中層管的物料順暢流動(dòng)，并且使中層管的外層熔料與自扣口模設(shè)置的凸圓緊密熔合連接，也能防止物料出現(xiàn)分解和糊料現(xiàn)象。

圖6 自扣口模

2.6 自扣復(fù)合管

自扣復(fù)合管如圖7 所示，由自扣口模與自扣芯棒通過均布的6～15 個(gè)凸圓凸凹連接形成自扣外層管、中層管及內(nèi)層管。

圖7 自扣復(fù)合管

2.7 自扣燕尾槽復(fù)合管材

自扣燕尾槽復(fù)合管材如圖8 所示，在復(fù)合模頭設(shè)計(jì)的零部件結(jié)構(gòu)均不變的情況下，只變換自扣口模和自扣芯棒，可成型其它結(jié)構(gòu)的自扣復(fù)合管材，如自扣燕尾槽復(fù)合管材，通過凸起物設(shè)置燕尾結(jié)構(gòu)，使凸起的燕尾與相匹配的凹槽經(jīng)擠出成型為自扣復(fù)合管材。

圖8 自扣燕尾槽復(fù)合管材

3 模頭成型原理

三層自扣復(fù)合實(shí)壁管材共擠模頭的成型原理：物料從3 個(gè)進(jìn)料口分別進(jìn)料，外層管從外層進(jìn)料連接體進(jìn)料，外層料流道經(jīng)過自扣口模成型外層管；中層管物料從喇叭狀進(jìn)料口進(jìn)入微孔多孔板，然后進(jìn)入中層料流道，擠出成型中層管；內(nèi)層管通過內(nèi)層進(jìn)料連接套，使物料從微孔多孔板的軸心側(cè)上的中心進(jìn)料口進(jìn)入內(nèi)層料流道，成型內(nèi)層管。通過3個(gè)進(jìn)料口將物料匯合到自扣口模和自扣芯棒擠出成型為三層自扣復(fù)合管材。

4 結(jié)束語

（1）通過在微孔多孔板的軸心側(cè)上設(shè)計(jì)中心進(jìn)料口，物料進(jìn)入內(nèi)層料流道，使物料通過中心芯棒流動(dòng)，不會(huì)產(chǎn)生分流筋熔合線，提高了擠出的內(nèi)層管材的質(zhì)量，同時(shí)因微孔多孔板的熔料流動(dòng)方向與擠出機(jī)螺桿的軸線方向一致，熔料進(jìn)入中層料流道被緩沖、逐漸壓實(shí)通過環(huán)形流道，使物料得到了均勻塑化。

（2）中心芯棒兩端設(shè)有外螺紋和內(nèi)螺紋將分流錐和自扣芯棒連接固定，方便加工，同時(shí)中心芯棒進(jìn)料前端直徑大，后端直徑小，從前端向后端延伸時(shí)直徑逐漸縮小，之后又開始逐漸變大過渡到與自扣芯棒的直徑相等。該設(shè)計(jì)的中心芯棒無分流筋，不會(huì)產(chǎn)生分流筋熔合線，使物料流動(dòng)更順暢，一端逐漸變大使物料密實(shí)度逐漸增加，提高成型管材的強(qiáng)度。

（3）自扣芯棒連接在中心芯棒的內(nèi)螺紋上，自扣芯棒的徑向設(shè)有向外凸圓，圓形的卡接部位為R圓弧過渡，R圓弧過渡能使內(nèi)層管的物料和中層管的物料順暢流動(dòng)，并與自扣芯棒的凸圓緊密熔合連接，提高了內(nèi)層管與中層管的復(fù)合管材質(zhì)量，防止復(fù)合管材分層現(xiàn)象。