帶混合器支架的塑料管材擠出機頭設計

張友新，馮金茂

（浙江偉星新型建材股份有限公司，浙江 臨海 317000）

0 引 言

在管材擠出生產線中，無論是生產PVC管材還是PE管材，機頭對于產品質量起著關鍵性的作用，使擠出的熔料均勻地通過整個機頭斷面。管材機頭與擠出產品規格要求相適應，對整條生產線的工作效率與經濟性具有決定性的作用，機頭的結構設計影響管材的力學性能。目前，常用的擠出管材機頭為直通式機頭，其模具結構比較簡單，制造容易，成本較低，熔料擠出方向與擠出機螺桿軸線一致，熔料在機頭中流動阻力較小，管材、機頭與機筒三者同軸，管材擠出成型容易[1]。但是，該機頭的分流器支架設有分流筋，熔料通過分流筋時被強行分流，導致擠出的管材內部出現熔接痕。熔接痕是管材強度與力學性能最薄弱的部位，不僅影響塑料管材的表面質量，而且使此處性能遠低于其他部位，影響了管材的綜合物理性能。同時，該機頭為實體結構，比較笨重，拆裝費時費力，并且加熱和冷卻時間較長。為了解決這些問題，在直通式機頭的基礎上進行改進，設計了帶有菱形螺旋條組成的鏤空式混合器和圓形流道的網格支架板集成的混合器支架，消除了熔接痕，提高了管材的綜合物理性能，避免了管道因熔接痕造成的強度低、報廢率高等現象。同時，為了減輕模具質量，縮短機頭的加熱和冷卻時間，將分流器和芯棒連接套設計為中空結構，使其拆裝更方便。

1 機頭結構設計

帶混合器支架的擠出機頭如圖1所示，該機頭適合PE管、PP管及PVC管材的加工生產，在相同規格和材料的情況下，經帶混合器支架擠出機頭生產的PE63管材直徑為φ63 mm、壁厚為2.3 mm。對該管材進行性能測試，按要求連接好管材打壓夾具、水箱的快速接頭和管路，同時，將上夾具密封接頭的排氣孔打開，給管材充滿水，然后將管材及夾具放入恒溫箱，水溫控制在（20±1）℃，進行靜壓直至試驗結束。通過試驗，管材靜壓環向應力為8.6 MPa，不破裂、不滲漏，斷裂伸長率為370%，縱向回縮率（110℃）為2.3%，力學性能高于GB/T 13663-200標準。

圖1 帶混合器支架的擠出機頭

為了消除因支架分流筋產生的熔接痕和減輕模具質量，設計了混合器和網格支架板集成的混合器支架，使熔料通過機頭內流道時，經多個交錯菱形螺旋條的鏤空式混合器剪切、混合、緩沖，使料流混合均勻，消除了熔接痕。帶混合器支架的擠出機頭主要由中空分流器、網格支架板、菱形螺旋條、混合器支架、中空芯棒連接套等組成。

1.1 中空分流器設計

傳統的分流器大多都是實體結構（見圖2），也有分流器與支架板設計為整體結構，如圖3所示，但都比較笨重，拆裝費時費力，且加熱和冷卻時間較長。為了節省能源和拆裝操作時間、減輕分流器的質量，將分流器設計為中空結構，如圖4所示。設計分流器時有3個主要尺寸：擴張角α、分流錐長度L及分流器頂部圓角R，設計應該注意以下3點。

圖2 實體分流器結構

圖3 分流器與支架板為一體結構

（1）分流器擴張角α的選取與塑料黏度有關。黏度較低，熔體流動阻力較小，α通常取30°～60°；黏度較高，熔體流動阻力大，α通常取30°～45°[2]。

（2）分流錐長度L按下式計算：

式中：L——分流錐長度，mm；D0——過濾板出口處直徑，mm。

（3）分流器頂部圓角R一般取0.5～2.0 mm。

1.2 網格支架板設計

現使用的支架板上設計有多個分流筋，一般大型機頭將支架板單獨設置，可多設置分流筋，而小型機頭將支架板與芯棒設計為整體結構，分流筋相對少[3]。由于支架板設置了分流筋，使熔料通過分流筋時被強行切開分流，導致擠出的成品管材內出現熔接痕。為了消除分流筋產生的熔接痕，將支架板設計為圓形的網格支架板，如圖5所示，均勻設置了多個貫通的網孔，一般為φ5～φ8 mm的流道通孔，大型機頭支架板可以設置較多的流道通孔。

圖5 網格支架板

為了料流順暢地從網孔通過，在支架板的進料端面設計一定深度的錐形孔（喇叭孔），即在圓形通孔的基礎上進行過渡再擴徑。同時，在混合器支架上設置焊接通孔和網孔流道，焊接通孔位于網孔流道外圈，每個焊接通孔內焊有菱形螺旋條。菱形螺旋條數量以機頭尺寸進行合理選擇，一般設置4～12條，以方便菱形螺旋條插入通孔進行焊接。菱形螺旋條的插入通孔直徑應大于網格支架板的流道通孔，以使焊接的菱形螺旋條具有足夠的強度。在熔料擠出過程中，熔料通過圓形流道的網格支架板可有效消除熔接痕。網格支架板應設計較厚，由于機頭內擠出的熔料壓力較大，如果網格支架板強度不足，容易發生損壞。同時，加工進料端面不應有料流阻力死角，孔的表面應盡量光滑，以保證料流通暢。

1.3 菱形螺旋條設計

菱形螺旋條是混合消除熔接痕的關鍵部件，通過高溫加熱將菱形條扭曲為不同曲面形態的結構，如圖6所示，使每條的菱角不在同一個平面上，形成復雜的曲面形態，熔料通過時更容易被剪切混合，消除熔接痕。其制作方法：將菱形條截取適當的長度，放入高溫爐加熱后取出，一端固定，另一端采用夾持工具按中空芯棒連接套的外形結構（見圖1零件7），對菱形條進行轉動扭曲，預制成型多曲面的菱形螺旋條。然后將預制成型的菱形螺旋條插入4個以上呈中心對稱分布的焊接通孔的網格支架板，精調布置，使螺旋條整體呈鏤空式網格狀結構包裹在中空芯棒外。同時，在2條菱形螺旋條相互交錯搭接點上也要進行焊接固定，以增強鏤空網格的整體強度。另外，菱形螺旋條要有足夠的強度，防止在擠出成型過程中，熔料通過菱形螺旋條時產生擠壓變形。

圖6 菱形螺旋條

1.4 混合器支架設計

網格支架板與菱形螺旋條通過焊接構成了鏤空式混合器支架，如圖7所示。混合器支架為圓形結構，支架板中心設置有通孔，中心通孔由中空分流器與中空芯棒通過螺紋將網格支架板連接固定。混合器有多條預制不同曲面形態的菱形螺旋條，圍繞中空芯棒連接套和機頭體形成相互交錯的通道，擠出成型過程中，熔料通過中空分流器穿過網格支架板的圓孔進入鏤空式混合器，打亂通過的熔料流向，減少熔接痕的產生。同時，為了進一步提高熔料的混合均勻性、徹底消除熔接痕，使熔料通過混合器，以不同的方向剪切、混合、緩沖，擠出的管材表面更光滑。

圖7 混合器支架

1.5 中空芯棒連接套設計

如圖8所示，傳統塑料管材擠出機頭一般使用實體芯棒，生產不同規格管材制品時只需更換一套口模和芯棒，這種機頭塑化均勻，制品質量好[4]，但是這種結構設計比較笨重，更換過程費時費力，并且加熱和冷卻時間較長。為了減輕模具質量，節省能源和拆裝操作時間，將芯棒設計為中空結構。同時，為了連接方便，將中空芯棒的一端設計內螺紋，嵌套在分流器一端連接的外螺紋上，另一端中空芯棒的內螺紋與芯棒的外螺紋連接，這樣使中空芯棒的連接和拆卸更為方便。

圖8 中空芯棒連接套

2 工作原理

塑料加入擠出機經加熱塑化后，通過機頭設置的過濾板進入分流器，分流器使熔料逐漸變薄進一步塑化[4]，然后進入網格支架板的徑向排列流道，在擠壓作用下被分成多股料流，擠出后的多股料流相互融合。由于網格支架板設置了網孔流道，增加了熔料的過流面積，使合流線被多股熔料熔合塑化，消除熔接痕，緊接著融合后的熔料進入混合器。多個菱形螺旋條被扭曲加工成交錯形態的鏤空式混合器，菱形螺旋條設計成上下互為反螺旋，形成復雜的菱形曲面形態，使通過的熔料被打亂流向，并且混合器包含了剪切、混合、松弛緩沖區，使通過的熔料混合更均勻，消除了熔接痕，擠出的管材更穩定，表面更光滑。

3 結束語

配置鏤空式混合器和網格支架板集成的混合器支架的塑料管材擠出機頭與傳統的擠出機頭相比，混合器支架對熔料可起到剪切、混合、緩沖作用，消除了熔接痕，提高了管材的綜合物理性能。

為了減輕模具質量，縮短機頭的加熱和冷卻時間，該機頭將分流器和芯棒設計為中空結構。該機頭適應性強，結構穩定，不同材料在生產過程中塑化均勻，出料穩定，表面光滑，擠出的管材管徑及壁厚尺寸穩定，同時機頭的裝拆和操作簡便。