塑料异型材挤出渐变成型模具优化设计
塑料异型材被广泛使用，但模具与国外先进技术还存在一些差距。采用挤出渐变成型新技术，在异型材模具加工过程中，优化模头设计，采用预折弯定型模设计和冷却定型模设计，将模头简单的型坯逐步过渡成型为所 需求的产品形状，满足复杂成型截面和高速成型挤出的发展需求。
塑料异型材被广泛使用，但其模具与国外先进技术相比还存在一定差距。渐变成型技术采用类 似金属钣金折弯技术，将模头最简单的平板型坯通过逐步过渡成型为所需的复杂产品形状，打破了直接挤出的模坯与制品相似的传统方式，使物料更易均匀挤出，提高生产稳定性和产能，降低生产成本。
1 塑料异型材制品分析
图1为一种塑料异型材制品，其大面口宽度300mm ，小面底宽度200 mm，高度250 mm，为五折面结构，壁厚4.5 mm，材料为聚氯乙烯(PVC ) 。该模具须在满足塑料异型材制品成型尺寸和物理力学性能的同时，实现高速稳定生产。
该塑料异型材模具设计的难点在于过渡折弯定型模的结构。由于在过渡成型过程中，物料型坯 折弯时，其拐点受到的挤压、拉伸和冷却都不同，使拐点处的物料易发生形变。在设计时须重点考虑拐点处的受力和冷却参数，控制物料流动过程中各平面的受力与流速的平衡，使制品壁厚均匀一致。本文对该塑料异型材模具结构进行了优化设计，满足了模具制造需求，同时生产出达到实用要求的制品。
2 塑料异型材模具优化设计
2.1 渐变成型模具设计
渐变成型模具系统主要由模头、预折弯定型模、冷却定型模等部分组成。模头采用上模板、下 模板分体式开放结构(图2) ，采用不同于流道加工的方式，可用铣削取代线切割加工，加工和材料成本低、周期短。通过调节螺钉A 来控制柔性挤出成型缝隙，保证制品壁厚满足要求。运用开放式流道结构，便于加工、维护和修理。
内加热采用高效、节能的上下平行内加热，保证物料受热均匀。最大化地合理利用电能是制定 加热系统的出发点。为了加热均匀，提高温控精度，同时减少热量散发，提高热能利用率，采用内置式加热管供热，同层加热管分为三个独立控制区，通过测温点1、测温点2、测温点3，对流道内的物料进行实时精确控制，进而对生产的产品进行实时在线壁厚调节和控制(图3) 。
模具采用衣架式流道(图4) ，可满足熔体流动性要求。流道的变化应尽量平缓，使物料从模头挤出时由螺旋运动变为直线运动，出模口的物料压力均匀一致，各点出料速度一致，保证制品密实度。由于异型材熔体压力可产生一定的背压，需采用合适的熔体压缩比(压缩段入口过流截面和口模出口成型缝隙过流截面之比) ，一般为3.5~6。可减小压缩段和过渡段的压力降、增大平直段的压力降来提高异型材的密实度和冲击强度。由于熔体通过压缩段后受到剪切和拉伸，当应力超过临界值会出现熔体破裂现象，因此压缩角一般为20~30°为宜。同时，还要考虑离模膨胀(熔体受到挤压、拉伸的作用临时取向，到达模口后就会卷曲恢复形变，产生物料膨大的现象) 。离模膨胀是一种应力得到释放的现象，一般采用增加平直段长度、增大平直段间隙和提高 平直段工艺温度这3种办法给予解决和改善[1]。但平直段也不能太长，这样会延长熔融物料的停留时间，导致物料阻力大、压力大、能耗高。温度也不能太高，一般控制在200℃以内，温度太高会使机头物料分解。所以，只有通过合理的渐变模头设计，同时辅助以合理的工艺参数才能保证熔体稳定、均匀地从模口挤出，生产出高质量的产品[2]。
2.2 预折弯定型模设计
采用左右、前后可独立调节装置，四向可调节预折弯定型模，使预折弯定型模处在最佳的过渡成型段，确保最优型坯折弯过渡成型(图5) 。预折弯定型模流道内壁为流线型，不能存在使熔融物料明显收缩和扩张的角度突变，常规流线设计角度小于20°，确保熔融物料型坯挤压、拉伸、应力最小化，物料从模具模口挤出时，其模口截面流速须保持均匀一致[3]。如果有上下或左右模口物料流速不一致的情况，须通过多次试模和修模使其达到一致，但主要的控制因素还是合理的预折弯定型模处的过渡成型段设计，只有把握好这个主要因素才能最终实现对产品质量和生产速度的控制。
预折弯定型模的调节：在独立调节丝杆A 、B 带动下，实现预折弯定型模上下移动，在独立调节丝杆C 带动下实现预折弯定型模前后调节。预折弯定型模装置如图6所示。
2.3 冷却定型模设计
图7为冷却定型模的冷却循环水路。该设计采用内外层单控冷却水的循环水路，定型模中的型坯与型腔贴合，通过冷却水路带走型坯的热量，从而固定型坯的形状，保证异型材冷却效果最佳，应力最小。因塑料异型材成型过程经过了挤压和拉伸， 大分子取向存在未松驰的高弹形变，在冷却定型过程中，当温度高于玻璃化转变温度时，物料是黏流态，并有应力松驰现象[4]。在冷却过程中，温度低于玻璃化转化时为固态，异型材冷却定型时收缩不均匀，会引起其内外、上下的体积、温度、应力的差异。长时间存放或使用时，当温度改变、受力变化就会使异型材发生变形，甚至开裂。异型材内应力的存在不仅使其在储存和使用中出现扭曲或弯曲变形，同时也会影响异型材的外观质量和物理力学性能。因此，异型材的冷却很重要，须使异型材充分冷却，内应力尽可能小，以减少产品的后期使用变形，实现对冷却水资源的充分合理循环利用。
3 模具工作过程
物料经过螺杆的剪切塑化，从过渡套经过口模形成平板形状的熔坯。物料进入预折弯定型模的
过程中，通过六向调节，为冷却定型模提供型坯折弯过渡成型，同时进行初步冷却定型，使型坯挤压拉伸。然后进入冷却定型模，吸附型坯与定型模型腔贴合，经冷却水路带走型坯的热量，定型型坯形状保证产品尺寸。经过冷却定型模时，对异型材进行冷却定型，消除内应力，调整局部外形尺寸，最后定长切割成合格产品(图8) 。
4 结论
对塑料异型材成型而言，挤出模具是其最关键的元素。随着挤出渐变成型技术的不断进步，在异型材模具加工过程中，采用合适的压缩比，优化模头设计，采用预折弯定型模和冷却定型模，将模头成型的简单平板型坯逐步过渡成型为所需产品形状，满足复杂成型截面和高速成型挤出的发展需求，必将会促进我国塑料异型材模具的长足发展。
塑料异型材挤出渐变成型模具优化设计
塑料异型材被广泛使用，但模具与国外先进技术还存在一些差距。采用挤出渐变成型新技术，在异型材模具加工过程中，优化模头设计，采用预折弯定型模设计和冷却定型模设计，将模头简单的型坯逐步过渡成型为所 需求的产品形状，满足复杂成型截面和高速成型挤出的发展需求。
塑料异型材被广泛使用，但其模具与国外先进技术相比还存在一定差距。渐变成型技术采用类 似金属钣金折弯技术，将模头最简单的平板型坯通过逐步过渡成型为所需的复杂产品形状，打破了直接挤出的模坯与制品相似的传统方式，使物料更易均匀挤出，提高生产稳定性和产能，降低生产成本。
1 塑料异型材制品分析
图1为一种塑料异型材制品，其大面口宽度300mm ，小面底宽度200 mm，高度250 mm，为五折面结构，壁厚4.5 mm，材料为聚氯乙烯(PVC ) 。该模具须在满足塑料异型材制品成型尺寸和物理力学性能的同时，实现高速稳定生产。
该塑料异型材模具设计的难点在于过渡折弯定型模的结构。由于在过渡成型过程中，物料型坯 折弯时，其拐点受到的挤压、拉伸和冷却都不同，使拐点处的物料易发生形变。在设计时须重点考虑拐点处的受力和冷却参数，控制物料流动过程中各平面的受力与流速的平衡，使制品壁厚均匀一致。本文对该塑料异型材模具结构进行了优化设计，满足了模具制造需求，同时生产出达到实用要求的制品。
2 塑料异型材模具优化设计
2.1 渐变成型模具设计
渐变成型模具系统主要由模头、预折弯定型模、冷却定型模等部分组成。模头采用上模板、下 模板分体式开放结构(图2) ，采用不同于流道加工的方式，可用铣削取代线切割加工，加工和材料成本低、周期短。通过调节螺钉A 来控制柔性挤出成型缝隙，保证制品壁厚满足要求。运用开放式流道结构，便于加工、维护和修理。
内加热采用高效、节能的上下平行内加热，保证物料受热均匀。最大化地合理利用电能是制定 加热系统的出发点。为了加热均匀，提高温控精度，同时减少热量散发，提高热能利用率，采用内置式加热管供热，同层加热管分为三个独立控制区，通过测温点1、测温点2、测温点3，对流道内的物料进行实时精确控制，进而对生产的产品进行实时在线壁厚调节和控制(图3) 。
模具采用衣架式流道(图4) ，可满足熔体流动性要求。流道的变化应尽量平缓，使物料从模头挤出时由螺旋运动变为直线运动，出模口的物料压力均匀一致，各点出料速度一致，保证制品密实度。由于异型材熔体压力可产生一定的背压，需采用合适的熔体压缩比(压缩段入口过流截面和口模出口成型缝隙过流截面之比) ，一般为3.5~6。可减小压缩段和过渡段的压力降、增大平直段的压力降来提高异型材的密实度和冲击强度。由于熔体通过压缩段后受到剪切和拉伸，当应力超过临界值会出现熔体破裂现象，因此压缩角一般为20~30°为宜。同时，还要考虑离模膨胀(熔体受到挤压、拉伸的作用临时取向，到达模口后就会卷曲恢复形变，产生物料膨大的现象) 。离模膨胀是一种应力得到释放的现象，一般采用增加平直段长度、增大平直段间隙和提高 平直段工艺温度这3种办法给予解决和改善[1]。但平直段也不能太长，这样会延长熔融物料的停留时间，导致物料阻力大、压力大、能耗高。温度也不能太高，一般控制在200℃以内，温度太高会使机头物料分解。所以，只有通过合理的渐变模头设计，同时辅助以合理的工艺参数才能保证熔体稳定、均匀地从模口挤出，生产出高质量的产品[2]。
2.2 预折弯定型模设计
采用左右、前后可独立调节装置，四向可调节预折弯定型模，使预折弯定型模处在最佳的过渡成型段，确保最优型坯折弯过渡成型(图5) 。预折弯定型模流道内壁为流线型，不能存在使熔融物料明显收缩和扩张的角度突变，常规流线设计角度小于20°，确保熔融物料型坯挤压、拉伸、应力最小化，物料从模具模口挤出时，其模口截面流速须保持均匀一致[3]。如果有上下或左右模口物料流速不一致的情况，须通过多次试模和修模使其达到一致，但主要的控制因素还是合理的预折弯定型模处的过渡成型段设计，只有把握好这个主要因素才能最终实现对产品质量和生产速度的控制。
预折弯定型模的调节：在独立调节丝杆A 、B 带动下，实现预折弯定型模上下移动，在独立调节丝杆C 带动下实现预折弯定型模前后调节。预折弯定型模装置如图6所示。
2.3 冷却定型模设计
图7为冷却定型模的冷却循环水路。该设计采用内外层单控冷却水的循环水路，定型模中的型坯与型腔贴合，通过冷却水路带走型坯的热量，从而固定型坯的形状，保证异型材冷却效果最佳，应力最小。因塑料异型材成型过程经过了挤压和拉伸， 大分子取向存在未松驰的高弹形变，在冷却定型过程中，当温度高于玻璃化转变温度时，物料是黏流态，并有应力松驰现象[4]。在冷却过程中，温度低于玻璃化转化时为固态，异型材冷却定型时收缩不均匀，会引起其内外、上下的体积、温度、应力的差异。长时间存放或使用时，当温度改变、受力变化就会使异型材发生变形，甚至开裂。异型材内应力的存在不仅使其在储存和使用中出现扭曲或弯曲变形，同时也会影响异型材的外观质量和物理力学性能。因此，异型材的冷却很重要，须使异型材充分冷却，内应力尽可能小，以减少产品的后期使用变形，实现对冷却水资源的充分合理循环利用。
3 模具工作过程
物料经过螺杆的剪切塑化，从过渡套经过口模形成平板形状的熔坯。物料进入预折弯定型模的
过程中，通过六向调节，为冷却定型模提供型坯折弯过渡成型，同时进行初步冷却定型，使型坯挤压拉伸。然后进入冷却定型模，吸附型坯与定型模型腔贴合，经冷却水路带走型坯的热量，定型型坯形状保证产品尺寸。经过冷却定型模时，对异型材进行冷却定型，消除内应力，调整局部外形尺寸，最后定长切割成合格产品(图8) 。
4 结论
对塑料异型材成型而言，挤出模具是其最关键的元素。随着挤出渐变成型技术的不断进步，在异型材模具加工过程中，采用合适的压缩比，优化模头设计，采用预折弯定型模和冷却定型模，将模头成型的简单平板型坯逐步过渡成型为所需产品形状，满足复杂成型截面和高速成型挤出的发展需求，必将会促进我国塑料异型材模具的长足发展。