浅谈异型材彩色复合共挤模具的设计

摘要：目前异型材彩色复合共挤正在我国兴起，这项技术的关键之一在于模具设计，本文根据生产实践初步探讨总结了此类模具的机头设计、定型冷却系统设计、模具调试。
　　关键词：异型材 复合共挤 模具 设计
　　前言：
　　共挤型材成型技术是当代应用很广，技术先进的一种复合挤塑成型加工方法。它能赋予塑料型材以特殊性能，并能大幅度降低生产成本。
　　目前，塑窗异型材生产行业的发展开始采用复合共挤方式生产彩色异型材，不仅可以丰富塑窗颜色，还可以提高表面品质，也大大提高市场竞争力。此项技术有如下特点：
　　（1） 充分发挥各种塑料的固有特性，表层材料可改变颜色，提高表面光亮度，提高表面硬质。芯部材料可提高强度，降低配方成本。
　　（2） 多种塑料一起成型的整体技术，勿需粘接或贴合，勿需再对产品喷漆、喷涂等表面处理，效率高，成本低。
　　（3） 可构成品种多、花样新、性能优的各种型材，以满足特殊场合使用的材料。
　　此项技术的关键是共挤模具设计的合理性，模具的结构也相对于非共挤模具发生了很大变化。北京长城模具数控技术公司在PVC异型材彩色复合共挤模具的生产实践中，做了很多尝试，现就其设计技术特点做一简述。
　　1. 设计概述：
　　异型材彩色复合共挤模具是一种共挤模具，虽然随着型材断面的不同，可以选用不同的共挤方式。但由于异型材断面的复杂性，通常采用模内复合共挤方式，即来自两台挤塑机的两种熔体经独立的流道在离开口模前不远处汇合，一种熔体以极薄的厚度与另一种熔体大面积复合，并一起被挤出模外，再经定型模及水箱冷却成型。目前两种熔体有的是同品种材料，也有的是不同品种或牌号、不同特性的两种材料，使得模具设计要考虑更多的因素，对于复合共挤模具而言，复合关键在与机头（口模），共挤成型的关键在与冷却定型部分。
　　至于彩色复合共挤，只是复合材料的不同特性，要影响模具部分参数和结构。目前，可见到异型材彩色PVC与白色PVC材料的复合、彩色PMMA与白色PVC材料的复合。
　　2. 异型材彩色复合共挤机头设计
　　机头是共挤出模具的核心, 异型材彩色复合共挤机头更是如此.首先,它要构成两种不同料流的流道并引导它们汇合,形成稳定复合料流.其次,共挤流道与主流道的交汇是加工中的难点.如何降低加工难度是设计的
难点.
　　2.1 . 流道设计
　　异型材彩色复合共挤机头流道分为共挤流道和主流道两部分，它们在交汇之前是相互独立的。目前，共挤流道的形式一般有衣架式流道，迷宫式流道以及容池式流道三种。它们各有其特点。衣架式流道比较直观，也很简单，容易构成合理的料流，但它与主流道的交汇密封在加工上有一定的难度。迷宫式流道结构比较复杂，料流压力损失大，但加工工艺性较
好。容池式流道与衣架式流道有点相似，其加工工艺性较好，但对料流的流动性要求较高。 主流道基本上与异型材非共挤机头流道相似，只是在共挤面上要根据产品断面的不同作一些调整。
　　2.2. 主要参数的确定经理论计算，按经验调整确定各部分尺寸参数。
　　2.2.1 模隙
　　模隙的大小和共挤层的厚度有关，一般来说共挤层的厚度越厚，模隙越大，反之则模隙越小。通常共挤层的厚度在0.2～0.5mm之间，为了适应不同的厚度要求，模隙取中等偏上值较好。
　　2.2.2 平直段长度平直段长度的大小影响到料流的稳定性，平直段长度越长，料流就越稳定。但平直段过长会使机头尺寸增大。
　　2.2.3 压缩比压缩比的大小对共挤层的密实度有一定影响，一般应大于3。
　　2.2.4 出口与挤出方向的夹角共挤流道出口与挤出方向的夹角，在结构和加工工艺允许的前提下，较小为好。衣架式流道出口与挤出方向的夹角较小，在26°左右﹔迷宫式流道和容池式流道较大，接近90。 
　　2.3. 结构设计示意： 
 
 
　　3. 复合共挤定型冷却系统设计：
　　3.1同材质共挤模具，由于复合部分为同材质PVC材料，故形腔所承受的摩擦阻力应与普通PVC型材产生的阻力相同，在设计上基本与普通PVC型材的定型模设计相同，只是应考虑复合面的粘接强度，如在机头设计中充分考虑了粘接强度问题，在定型模中就不考虑了，在设计中应尽量避免使型材急冷的设计思路，在第一节的复合面如遇到沟槽，应缓慢冷却。由于机头分流锥作用产生合流区域分子排列的微小变化，减弱了结合面的粘接强度及热导系数，定型模对型材的冷却是由外向内逐步冷却的，由于PVC的线胀系数较大在0.00005 ~0.00008/℃，如急剧冷却会导致在复合面产生相对位移，从而大大减弱了复合面的粘接强度，直接导致复合部分的脱落，同时严重影响了抗冲击性能。在定型套冷却结构形式上无变化，只是进水由原来的入口面进水改为出口面进水，由入口面排水的方法，以解决急冷问题，同时可将水流速度放缓。如此种方法生产的型材抗冲击实验中产生剥离现象时，可调整挤出工艺，适当提高模头温度，以提高粘接强度，或适当增加融合长度，以提高粘接强度。
　　3.2PMMA复合共挤模具：首先应考虑PMMA与PVC在玻璃态下的硬度及表面摩擦阻力，在玻璃态下PMMA的硬度比PVC的硬度要高一些（PVC为14左右，PMMA为17左右），相应的定型模中应增加相对形腔型板的硬度，设计硬度由原来的28度提高到30~32度，以抵抗PMMA对形腔的摩擦。同时也应采用缓冷方式对型材进行冷却，其原理同上面所阐明的观点。在定型模设计上，我们对定型模的长度进行了调整，增加了50~100mm的长度，以保证共挤时的速度要求。在冷却水的布局上我们增加了PMMA面的冷却效率，这是因为PVC与PMMA的比热容的不同，（PVC的比热容为1.05~1.47KJ/Kg﹒℃，PMMA的比热容为1.47 KJ/Kg﹒℃）。还有一点应值得大家注意，PMMA复合共挤层的厚度应不大于0.5mm,最好保持在0.3~0.4mm为好,由于PMMA的脆化温度要比PVC高出许多,故在有些型材(如90度转角、135度转角等)折弯复合面型材在牵引压力下容易产生脆裂现象。
　　4. 异型材彩色复合共挤模具的调试：
调试要考虑不同的模具结构而采取不同的方法。通常先调主料，后调复合层。
　　（1） 对于简单直通式复合共挤模具，由于主料会从复合层供料腔中倒流，应当先以适当较好压力挤出复合料后再挤出主料，或同时挤出。而后先调整主料挤出系统，经调整、模具修理使主料出料均匀，定型成型良好，型材尺寸达到合格后，再调整复合料。再经过调整复合共挤参数（速度、温度等）、修理共挤流道，使复合料以适当的厚度（用户要求），均匀一致，牢固的复合于主料表面，且表面质量光亮，无缩痕、划痕。
　　（2）对于设计流道较为复杂、完善的模具，可以避免主料倒流问题，可以先不加复合料，调整主料比较方便。可修模使型材尺寸基本到位后，加复合料并调试到位即可。
　　5. 经常出现的问题：
　　５.1. 壁厚不均问题。 
 
　　                                原因：模头复合料流道分流不均造成。
　　                               解决方法：调整模头复合料流道压力分配。
　　5.2. 复合层在局部出现尖点增厚现象。
 
　　                          原因：模头主流道与复合料流道流量及压力比分配不均造成。
　　                          解决方法：精细调整主流道与复合料流道回合处的压力分配。
　　5.3. 表面出现气泡现象。
　　原因：复合料中含水量超标造成。
　　解决方法：严格按照配料标准及步骤配混复合料，尤其是干燥过程的控制。
　　5.4. 表面出现水波纹现象。
　　原因：定型模气槽未导角造成。
　　解决方法：将定型模气槽迎料面导角R0.2
　　5.5. 复合PMMA型材表面出现暗纹现象。
　　原因：与PMMA的透光率有关，不同颜色的PMMA材料其透光率是相差很大的，从5%~80%，低透光率的PMMA材料可以不考虑此问题。解决方法：当透光率在35%以上时就要考虑这个问题，就目前技术来看，尚无很好的方法解决，我们认为可在PMMA的配料中适当增加无机不透光粉末材料，以降低PMMA的透光率，这种方法有待于与PMMA厂家协商解决。还有就是增加PMMA的复合厚度，以减弱PMMA复合层的透光率，不过这样做就相对地增加了材料的成本。 
　　６．结束语：
　　彩色复合共挤技术在我国正蓬勃兴起，共挤的适用范围也在不断拓展，前景十分广阔。此项技术必将得到不断的完善和发展，模具设计在不断完善和经验积累中还会有新的改进、创新，将为塑窗业的发展提供坚实的基础。