PC/ABS擠出成型及模具設計

欄目:公司新聞 發布時間:2021-04-06

        摘要:以硬質聚氯乙烯(PVC–U) 常規擠出成型設計為基礎,介紹了聚碳酸酯(PC)/丙烯腈– 丁二烯– 苯乙烯塑料(ABS) 擠出成型過程中工藝參數的選取及擠出模頭設計相關參數的確定方法,對PC/ABS 材料的擠出成型提出了一系列新的設計思路。通過優化阻流筋設計使流道形狀達到平緩過渡的效果,有效防止糊料、暗痕現象的產生;通過真空腔與多個真空孔連接,多個孔與吸附槽連接的方式來提高真空強度,使型坯與模具型腔面貼合更加緊密,成型尺寸更加精確;采用氣、油、水組成的新型綜合冷卻方法,有效解決型坯在定型模中冷卻速度過快帶來的牽引困難、成型不規整、表面質量差等問題。最終擠出成型的PC/ABS 型材尺寸滿足要求。
        聚碳酸酯(PC)/丙烯腈– 丁二烯– 苯乙烯塑料(ABS) 材料結合了ABS 的成型性及PC 的力學性能和耐溫、抗紫外線等性質,是世界上銷售量較大的商業化聚合物合金之一[1]。此種材料廣泛應用于汽車內外飾;商務設備機殼和內置部件;電子電器產品外殼;家用開關,插頭和插座,電纜電線管道等。PC/ABS 材料的主要成型方法有注塑成型、壓注成型和擠出成型等。其中在擠出成型生產過程中,會出現牽引阻力大、局部成型不規整、產品表面不平或有暗痕的現象,嚴重降低了產品的生產效率和產品合格率?,F在以硬質聚氯乙烯(PVC–U) 常規擠出成型設計為基礎,通過性能參數對比,對PC/ABS 材料擠出成型提出了一系列新的設計思路,優化模頭流道設計,提高定型模局部型腔的真空強度,在定型模采用了氣、油、水共同組成的新型綜合冷卻方法,可以有效解決以上問題?,F以用PC/ABS 材料擠出成型某一斷面型材的設計為例予以闡述。
1擠出成型條件
1.1 材料分析
        PC/ABS 材料目前市場主流配比為PC 占60%~70%,ABS 占30%~40%。不同的配比主要是為改善PC 的熔融流動性、成型性、可電鍍性、外觀性以及提高ABS 的耐熱性、抗沖性和薄壁制品的剛性。但就總的改性目標而言,獲得良好成型性、外觀性及降低PC 成本是最重要的。PC/ABS 與PVC–U 材料一樣同屬于非結晶型高分子材料,其形態隨溫度變化見圖1,其中Tg 代表玻璃化轉變溫度,Tf 代表黏流態轉變溫度,下標1,2 分別代表PVC–U和PC/ABS 材料。由圖1 可看出,兩者的整體形態隨溫度變化趨勢是相似的,只是PC/ABS 材料具有相對較高的玻璃化轉變溫度和黏流態轉變溫度。

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        表1 列出兩種材料的性能參數對比。由表1 可知,兩者的密度與膨脹系數相當,收縮率也相差不大,除了形態轉化溫度差別較大外,僅有熔體流動速率有一定區別。這說明PC/ABS 材料擠出成型結構是可以建立在PVC–U 擠出成型結構基礎上的,但是由于某些性能參數的不同又決定了其擠出成型結構不能完全相同,否則就會產生一系列成型問題。如:PC/ABS 的熔體流動速率遠高于PVC–U 材料,說明熔融狀態下其流動狀態較好,那么擠出模具模頭與定型模間距不能過大,否則型坯由模頭進入定型模過程中,會由于彎曲形變過大易發生堵?,F象。

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1.2 斷面分析及工藝條件
        圖2 為目標型材制品斷面示意圖。目標型材屬于穿線盒類型材,主要應用在電纜、電線保護管道范圍。此斷面包含了單臂和腔體,具有一定代表性。雖然結構相對簡單,但是一般對其單臂外表面的平整度和光亮度都有較高要求,又由于其寬度較大,單臂收縮的絕對值也相對較大,如果在定型模中不能達到緩慢平穩的冷卻效果,極易產生卡模、堵?,F象,給調試生產帶來難度。產品主要參數要求如下:生產速度≥1.5 m/min,壁厚公差±0.1 mm,外形公差±0.2 mm,米重1.48 kg/m±2%。
        結合斷面及材料性能參數可以初步設定主要生產工藝參數如下:螺桿溫度85℃;螺桿1 區溫度255℃,2 區溫度250℃,3~4 區溫度245℃,5 區溫度230℃;模頭壓力25 MPa ;連接體溫度220℃;模具1 區溫度220℃,2~5 區溫度230℃;主機真空度–0.06 MPa。

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2模具設計
2.1 總體結構
        擠出成型是物料經過擠出機和擠出模具的加熱、塑化、均化、擠壓、輸送、成型及定型等過程的加工處理,使其成為能夠使用的制品的過程[2]。擠出成型生產線主要設備一般包括擠出機( 主機)、附屬設備( 輔機) 和擠出模具三部分,其中擠出模具是擠出生產線的核心部分,對制品的形狀、尺寸精度、表面質量、理化性能、擠出效率等都有一定或決定性的影響。擠出模具主要由模頭、定型模、水箱組成。
2.2 模頭設計及優化
        模頭的作用是在一定的溫度和壓力下,將擠出機混煉塑化后的熔體通過模腔流道幾何形狀和尺寸的變化,使之形成符合預定斷面形狀的連續型坯[3]。
        (1) 模頭基本結構及參數確定。
        從模頭擠出的塑件型坯并不是所要求的最終制品,只是在形狀上相似。塑化了的物料從擠出機進入模頭時幾何形狀一般為圓形。根據模頭在物料從圓形向幾何形狀變化的過程中所起的不同作用,可將模頭劃分為三個區段,即供料分流段、壓縮段和型坯成型段,考慮加工工藝、加工成本及后期修模等因素,又將模頭的三個區段分成一定數量模板[4]。圖3 為PC/ABS 型材頭基本結構圖,其總體結構框架遵循以上原則,但各個區段具體長度則根據自身材料性能特點而定。

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        黏流態的物料在模頭擠出成型過程中受壓縮、拉伸等作用產生彈性形變,當它離開口模時產生彈性回復( 即巴拉斯效應)[5] ;同時由于型材牽引速度大于口模出料速度( 使分子鏈定向排列),在冷卻過程中會產生一定的收縮使型材外形尺寸變小,因此在口模設計時需適當放大外形尺寸并減小壁厚。同時影響壁厚間隙尺寸的因素還有如熔體壓力、熔體溫度、物料的塑化情況等諸多因素。一般模頭出口間隙取斷面壁厚尺寸的0.90~0.95。型腔單臂外形尺寸根據物料收縮率值放大,型材腔體部分的外形尺寸由于在后續干定型過程中周邊真空度較高,真空吸附較好,其尺寸受干定型段型腔尺寸影響較大,可由式(1) 經驗公式計算而得。

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式中:LL1 為成型段長度;LL2 為分流段長度;ε 為壓縮比;m 為熔體流動速率。
        其中壓縮比ε 是指模頭流道內最大過流面積與模頭出口處過流面積的比值。壓縮比的合理取值有利于提高型材致密性并使型材具有良好的理化性能。其大小主要取決于原料特性、狀態、擠出機的類型以及異型材的壁厚。ε 一般經驗值2.5~4.5,本次取值3 ;m 取20 g/10 min。最終得到分流段的長度約是成型段長度的3 倍。
        模頭成型段長度是指在擠出方向上保持口模間隙的部分,是型坯的形成段,同時也是保持模具擠出背壓的主體部分[7]。成型段長度在多數資料中是根據模具流道的幾何特征參數、允許壓力降大小、物料的流動度系數等進行計算的表達式。在異型材擠出模頭的設計過程中,更多地使用式(3) 經驗公式。

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式中:β 為??陂g隙尺寸。
        綜上所述,模頭相關設計參數整理如下:出口間隙放大比率0.9 ;壓縮比3 ;單臂放大比率1.045 ;腔體放大比率1.015 ;成型段長度55 mm ;分流段長度165 mm。
        (2) 模頭流道優化設計。
        由于制品斷面腔體較小,導致其型芯高度尺寸較小,僅有6 mm 左右,如果按常規PVC–U 擠出模具設計,型芯吊裝在分流板上,型芯需從分流板一直延伸至口模1,型芯高度方向的抗彎強度較差,模具在生產或加工返修過程中,容易造成型芯的彎曲甚至損壞。將左右型芯吊裝在模板2 上可以有效減短型芯長度,避免以上問題的產生。但是這又會帶來新的問題,型芯吊裝在口模2 上,由于支撐筋距離模頭出口面較近,在型材表面支撐筋對應位置又會產生凹痕現象。這是因為由于熔融狀態的物料被支撐筋分割后,來不及重新融合完全所導致的結果。圖4 為支撐筋優化設計結構,將支撐筋設計成出入口異型的形式,并在支撐筋附近給予一定的物料補償,來達到增加支撐筋附近的物料壓力,使其在流出模頭之前融合更加充分,可以解決凹痕現象。同時,由于型芯長度減短,使得在分流段型腔成為了單獨的空腔,為保證料流道均勻性,通常會在空腔里設計若干限流筋來達到阻流效果,減緩空腔料流速度,但是限流筋根部空間較小,物料流動不順暢,容易出現糊料進而導致產品表面有暗痕的產生。為此可以進一步優化型腔設計,如圖5 所示,通過此種不采用限流筋設計而僅通過改變型腔形狀的辦法,既起到阻流作用又能達到物料順暢流動的效果,有效防止了暗痕的產生。

2.3 定型模設計及優化
        (1) 基本結構及型腔尺寸。
        干定型段模簡稱定型模,是利用干定型法將高溫熔融型坯冷卻成型的一段模具。其原理是模頭的型坯在牽引力的作用下從定型模的空腔中通過,在定型??涨坏膬缺砻嬖O置有真空吸附單元,使得型坯能夠緊貼在型腔表面滑移并與型腔表面發生熱傳導,型坯逐漸冷卻定型,模板的熱量又通過冷卻水道中的冷卻水帶走。定型模最顯著的特點是,型材成型過程并不與冷卻水直接接觸[8]。
        圖6 為PC/ABS 材料定型?;窘Y構。圖6是在常規PVC–U 定型?;A上增加了絲杠開合模裝置,定型模主要由上下模板、側模板、鑲件板和上下蓋板由螺釘聯接而成。由于此斷面寬度較寬,定型模上模板( 需開啟的模板) 相對較重,PC/ABS材料在調試生產過程中易發生堵?,F象,采用絲杠開合??梢允构と思皶r且方便地完成模具開合操作。

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        制品的最終幾何尺寸精度主要是由定型??刂频?。定型模的長度可以通過類比法取300 mm 左右,長度過長不僅會增加成本,還會使牽引過程中的阻力增加,容易造成型材牽引時抖動甚至卡?,F象;長度過短又會使型坯還未達到完全冷卻定型就進入后續模具部分( 濕定型部分),使制品達不到要求尺寸。定型模中的型坯在冷卻過程中存在收縮現象,所以定型模的尺寸還不是最終制品要求的尺寸,需要有一定的放大量。通常入口端面型腔徑向尺寸可由式(4) 計算得到[9]。

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式中:l 為型材公稱尺寸;Δ 為型材尺寸公差;q為型材收縮率;i為型材與模具之間滑動間隙,一般取0.1 mm。
        本次型材寬度l=200 mm,Δ=0.5 mm,q 取值0.5。得出定型模型腔寬度尺寸L≈201.35 mm。
        (2) 真空強度及冷卻方法優化設計。
        型坯離開模頭后,在自重和內應力的作用下很快變形。進入定型模后,在真空吸附力作用下與定型模型腔吻合,依靠冷卻液的冷卻,按型腔形狀準確定型。所以在定型模中,除了型腔尺寸的設計外,真空強度以及冷卻作用對型材最終尺寸起著至關重要的作用[4]。但是由于斷面自身結構特點以及加工工藝條件限制,按常規設計方法使得制品有些位置無法獲得足夠強的真空度,無法使型坯與定型模貼合緊密,影響成型尺寸。圖7 為真空吸附優化設計圖。

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        在鑲件板常規設計中,吸附真空槽寬1 mm,為了不使型腔表面有較大缺陷從而影響制品表面質量,一般連接真空槽的寬度與吸附真空槽款相等,都為1 mm,同時為增強真空度,長度方向可以取2~3 mm,這樣就形成了吸附真空槽通過兩段3 mm×1 mm 的連接真空槽與主真空孔相通。但是這種槽與槽相對接的連接方式嚴重限制了真空強度的提高,再加上加工誤差等因素,使得小腔體內側型腔的真空度無法達到所需強度,造成小腔體成型不規整,成型尺寸較差。通過優化設計,將較長的一段連接真空槽改成真空腔的形式,將較短一段連接真空槽改成多個直徑為1 mm 的真空孔。生產實踐證明,這種采用腔與多個孔連接,多個孔與槽連接的樣式可以有效達到增強真空度,提高制品尺寸精度的效果。
        在定型模中,物料形態是從黏流態逐漸轉變成高彈態,最終達到玻璃態的過程[10]。定型模常規冷卻方法主要是通過水泵使常溫冷卻水在冷卻孔中循環流動,與模具實現熱交換,最終達到冷卻型坯的作用。由于PC/ABS 材料的黏流溫度要遠高于PVC–U,如果使用常規水冷卻方法,會導致型坯冷卻過快,型坯還未達到理想尺寸就已經冷卻至玻璃態,從而產生制品形狀不規則、表面質量差的缺陷,并且冷卻過快,型坯提前定型,減少了與模具的緩沖間隙,增加了牽引阻力,造成了牽引困難等問題。將常規水冷優化成由氣、油、水共同組成的新型冷卻方法,可以避免以上問題的產生,具體結構如圖8。

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        當黏流態型坯經過定型模時,首先進入空氣預冷段,具體結構是在定型模模板的入口端,通過兩排吹氣管、吹氣孔及吹氣槽,在氣泵的作用下向型坯表面吹氣;吹氣槽寬度0.8 mm??赏ㄟ^閥門合理控制吹氣強度,盡可能保證既有較大吹氣強度的同時,也應避免吹氣過大使型材表面產生凹痕。接著型坯進入高溫油續冷段,結構見圖9。

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        在定型模外部設置有恒溫油箱,使冷卻油溫度始終保持在60~80℃,恒溫油箱底部分別安裝有出油管以及回油管,出油管的一端安裝有油泵,油泵另一端連接至定型模模板的總進油管接頭上,油泵提供了油冷卻循環往復的動力。冷卻油經過總進油管分散至各個縱向油冷孔中,與模板完成熱交換的冷卻油最終通過回油管路重新回到恒溫油箱中,完成油冷循環過程。經過冷卻油冷卻后的型坯逐步從高彈態進入玻璃態,形狀已初步成型。型坯再經過常溫水冷卻后,達到在定型模中的最終冷卻定型。
        空氣預冷,高溫油冷,常溫水冷共同在定型模中發揮作用,形成了一種新的綜合冷卻方法。該種冷卻方法雖然在設備成本上有一定增加,但是實際生產實踐證明了它能夠很好地減緩        型坯冷卻速度,穩定型坯逐步冷卻狀態,降低牽引阻力的同時,保證了制品的最終尺寸和表面質量。
2.4 濕式定型模設計
        型坯從定型模出來后,雖然形狀已經基本成型,但是并沒有完全冷卻到室溫,如果不繼續冷卻,其壁厚內部及空腔內殘存的熱量將使原已冷卻的產品表面升高而引起變形,因此必須繼續冷卻排除余熱。設計的水箱基本結構見圖10。PC/ABS 材料水箱中定型塊型腔尺寸設計原則同PVC–U 模具一樣,只是在定型模型腔基礎上進行一定的簡化。

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3結論
        (1) 模頭流道形狀設計上可以通過優化阻流筋設計使流道形狀達到平緩過渡到效果,有效防止糊料、暗痕現象的產生。
        (2) 對于型材腔體較小,腔體內側真空度較弱的斷面型坯,可以通過真空腔與多個真空孔連接,多個孔與吸附槽連接的方式來提高真空強度,使型坯與模具型腔面貼合更加緊密,成型尺寸更加精確。
        (3) 采用氣、油、水組成的新型綜合冷卻方法,對于PC/ABS 材料,可以有效解決型坯在定型模中冷卻速度過快帶來的牽引困難、成型不規整、表面質量差等問題。
        (4) PC/ABS 型材模具設計合理,最終得到的產品尺寸滿足要求。

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