PC／ABS擠出成型及模具設(shè)計(jì)

        摘要：以硬質(zhì)聚氯乙烯(PVC–U) 常規(guī)擠出成型設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，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(guò)程中工藝參數(shù)的選取及擠出模頭設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)的確定方法，對(duì)PC／ABS 材料的擠出成型提出了一系列新的設(shè)計(jì)思路。通過(guò)優(yōu)化阻流筋設(shè)計(jì)使流道形狀達(dá)到平緩過(guò)渡的效果，有效防止糊料、暗痕現(xiàn)象的產(chǎn)生；通過(guò)真空腔與多個(gè)真空孔連接，多個(gè)孔與吸附槽連接的方式來(lái)提高真空強(qiáng)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(guò)快帶來(lái)的牽引困難、成型不規(guī)整、表面質(zhì)量差等問(wèn)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(jié)合了ABS 的成型性及PC 的力學(xué)性能和耐溫、抗紫外線等性質(zhì)，是世界上銷(xiāo)售量較大的商業(yè)化聚合物合金之一[1]。此種材料廣泛應(yīng)用于汽車(chē)內(nèi)外飾；商務(wù)設(shè)備機(jī)殼和內(nèi)置部件；電子電器產(chǎn)品外殼；家用開(kāi)關(guān)，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(chǎn)過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)牽引阻力大、局部成型不規(guī)整、產(chǎn)品表面不平或有暗痕的現(xiàn)象，嚴(yán)重降低了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品合格率。現(xiàn)在以硬質(zhì)聚氯乙烯(PVC–U) 常規(guī)擠出成型設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，通過(guò)性能參數(shù)對(duì)比，對(duì)PC／ABS 材料擠出成型提出了一系列新的設(shè)計(jì)思路，優(yōu)化模頭流道設(shè)計(jì)，提高定型模局部型腔的真空強(qiáng)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(wèn)題?，F(xiàn)以用PC／ABS 材料擠出成型某一斷面型材的設(shè)計(jì)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(chǎng)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(dòng)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(biāo)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(jié)晶型高分子材料，其形態(tài)隨溫度變化見(jiàn)圖1，其中Tg 代表玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，Tf 代表黏流態(tài)轉(zhuǎn)變溫度，下標(biāo)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(tài)隨溫度變化趨勢(shì)是相似的，只是PC／ABS 材料具有相對(duì)較高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和黏流態(tài)轉(zhuǎn)變溫度。

        表1 列出兩種材料的性能參數(shù)對(duì)比。由表1 可知，兩者的密度與膨脹系數(shù)相當(dāng)，收縮率也相差不大，除了形態(tài)轉(zhuǎn)化溫度差別較大外，僅有熔體流動(dòng)速率有一定區(qū)別。這說(shuō)明PC／ABS 材料擠出成型結(jié)構(gòu)是可以建立在PVC–U 擠出成型結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的，但是由于某些性能參數(shù)的不同又決定了其擠出成型結(jié)構(gòu)不能完全相同，否則就會(huì)產(chǎn)生一系列成型問(wèn)題。如：PC／ABS 的熔體流動(dòng)速率遠(yuǎn)高于PVC–U 材料，說(shuō)明熔融狀態(tài)下其流動(dòng)狀態(tài)較好，那么擠出模具模頭與定型模間距不能過(guò)大，否則型坯由模頭進(jìn)入定型模過(guò)程中，會(huì)由于彎曲形變過(guò)大易發(fā)生堵?，F(xiàn)象。

1．2　斷面分析及工藝條件
        圖2 為目標(biāo)型材制品斷面示意圖。目標(biāo)型材屬于穿線盒類(lèi)型材，主要應(yīng)用在電纜、電線保護(hù)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(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，但是一般對(duì)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(duì)值也相對(duì)較大，如果在定型模中不能達(dá)到緩慢平穩(wěn)的冷卻效果，極易產(chǎn)生卡模、堵?，F(xiàn)象，給調(diào)試生產(chǎn)帶來(lái)難度。產(chǎn)品主要參數(shù)要求如下：生產(chǎn)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(jié)合斷面及材料性能參數(shù)可以初步設(shè)定主要生產(chǎn)工藝參數(shù)如下：螺桿溫度85℃；螺桿1 區(qū)溫度255℃，2 區(qū)溫度250℃，3～4 區(qū)溫度245℃，5 區(qū)溫度230℃；模頭壓力25 MPa ；連接體溫度220℃；模具1 區(qū)溫度220℃，2～5 區(qū)溫度230℃；主機(jī)真空度–0.06 MPa。

2模具設(shè)計(jì)
2．1　總體結(jié)構(gòu)
        擠出成型是物料經(jīng)過(guò)擠出機(jī)和擠出模具的加熱、塑化、均化、擠壓、輸送、成型及定型等過(guò)程的加工處理，使其成為能夠使用的制品的過(guò)程[2]。擠出成型生產(chǎn)線主要設(shè)備一般包括擠出機(jī)( 主機(jī))、附屬設(shè)備( 輔機(jī)) 和擠出模具三部分，其中擠出模具是擠出生產(chǎn)線的核心部分，對(duì)制品的形狀、尺寸精度、表面質(zhì)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(shè)計(jì)及優(yōu)化
        模頭的作用是在一定的溫度和壓力下，將擠出機(jī)混煉塑化后的熔體通過(guò)模腔流道幾何形狀和尺寸的變化，使之形成符合預(yù)定斷面形狀的連續(xù)型坯[3]。
        (1) 模頭基本結(jié)構(gòu)及參數(shù)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(jī)進(jìn)入模頭時(shí)幾何形狀一般為圓形。根據(jù)模頭在物料從圓形向幾何形狀變化的過(guò)程中所起的不同作用，可將模頭劃分為三個(gè)區(qū)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(gè)區(qū)段分成一定數(shù)量模板[4]。圖3 為PC／ABS 型材頭基本結(jié)構(gòu)圖，其總體結(jié)構(gòu)框架遵循以上原則，但各個(gè)區(qū)段具體長(zhǎng)度則根據(jù)自身材料性能特點(diǎn)而定。

        黏流態(tài)的物料在模頭擠出成型過(guò)程中受壓縮、拉伸等作用產(chǎn)生彈性形變，當(dāng)它離開(kāi)口模時(shí)產(chǎn)生彈性回復(fù)( 即巴拉斯效應(yīng))[5] ；同時(shí)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(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的收縮使型材外形尺寸變小，因此在口模設(shè)計(jì)時(shí)需適當(dāng)放大外形尺寸并減小壁厚。同時(shí)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(jù)物料收縮率值放大，型材腔體部分的外形尺寸由于在后續(xù)干定型過(guò)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(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算而得。

式中：LL1 為成型段長(zhǎng)度；LL2 為分流段長(zhǎng)度；ε 為壓縮比；m 為熔體流動(dòng)速率。
        其中壓縮比ε 是指模頭流道內(nèi)最大過(guò)流面積與模頭出口處過(guò)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(tài)、擠出機(jī)的類(lèi)型以及異型材的壁厚。ε 一般經(jīng)驗(yàn)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(zhǎng)度約是成型段長(zhǎng)度的3 倍。
        模頭成型段長(zhǎng)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(shí)也是保持模具擠出背壓的主體部分[7]。成型段長(zhǎng)度在多數(shù)資料中是根據(jù)模具流道的幾何特征參數(shù)、允許壓力降大小、物料的流動(dòng)度系數(shù)等進(jìn)行計(jì)算的表達(dá)式。在異型材擠出模頭的設(shè)計(jì)過(guò)程中，更多地使用式(3) 經(jīng)驗(yàn)公式。

式中：β 為?？陂g隙尺寸。
        綜上所述，模頭相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)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(zhǎng)度55 mm ；分流段長(zhǎng)度165 mm。
        (2) 模頭流道優(yōu)化設(shè)計(jì)。
        由于制品斷面腔體較小，導(dǎo)致其型芯高度尺寸較小，僅有6 mm 左右，如果按常規(guī)PVC–U 擠出模具設(shè)計(jì)，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(qiáng)度較差，模具在生產(chǎn)或加工返修過(guò)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(zhǎng)度，避免以上問(wèn)題的產(chǎn)生。但是這又會(huì)帶來(lái)新的問(wèn)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(duì)應(yīng)位置又會(huì)產(chǎn)生凹痕現(xiàn)象。這是因?yàn)橛捎谌廴跔顟B(tài)的物料被支撐筋分割后，來(lái)不及重新融合完全所導(dǎo)致的結(jié)果。圖4 為支撐筋優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，將支撐筋設(shè)計(jì)成出入口異型的形式，并在支撐筋附近給予一定的物料補(bǔ)償，來(lái)達(dá)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(xiàn)象。同時(shí)，由于型芯長(zhǎng)度減短，使得在分流段型腔成為了單獨(dú)的空腔，為保證料流道均勻性，通常會(huì)在空腔里設(shè)計(jì)若干限流筋來(lái)達(dá)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(dòng)不順暢，容易出現(xiàn)糊料進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)品表面有暗痕的產(chǎn)生。為此可以進(jìn)一步優(yōu)化型腔設(shè)計(jì)，如圖5 所示，通過(guò)此種不采用限流筋設(shè)計(jì)而僅通過(guò)改變型腔形狀的辦法，既起到阻流作用又能達(dá)到物料順暢流動(dòng)的效果，有效防止了暗痕的產(chǎn)生。

2．3　定型模設(shè)計(jì)及優(yōu)化
        (1) 基本結(jié)構(gòu)及型腔尺寸。
        干定型段模簡(jiǎn)稱(chēng)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(guò)，在定型?？涨坏膬?nèi)表面設(shè)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(fā)生熱傳導(dǎo)，型坯逐漸冷卻定型，模板的熱量又通過(guò)冷卻水道中的冷卻水帶走。定型模最顯著的特點(diǎn)是，型材成型過(guò)程并不與冷卻水直接接觸[8]。
        圖6 為PC／ABS 材料定型?；窘Y(jié)構(gòu)。圖6是在常規(guī)PVC–U 定型?；A(chǔ)上增加了絲杠開(kāi)合模裝置，定型模主要由上下模板、側(cè)模板、鑲件板和上下蓋板由螺釘聯(lián)接而成。由于此斷面寬度較寬，定型模上模板( 需開(kāi)啟的模板) 相對(duì)較重，PC／ABS材料在調(diào)試生產(chǎn)過(guò)程中易發(fā)生堵模現(xiàn)象，采用絲杠開(kāi)合?？梢允构と思皶r(shí)且方便地完成模具開(kāi)合操作。

        制品的最終幾何尺寸精度主要是由定型?？刂频?。定型模的長(zhǎng)度可以通過(guò)類(lèi)比法取300 mm 左右，長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)不僅會(huì)增加成本，還會(huì)使?fàn)恳^(guò)程中的阻力增加，容易造成型材牽引時(shí)抖動(dòng)甚至卡?，F(xiàn)象；長(zhǎng)度過(guò)短又會(huì)使型坯還未達(dá)到完全冷卻定型就進(jìn)入后續(xù)模具部分( 濕定型部分)，使制品達(dá)不到要求尺寸。定型模中的型坯在冷卻過(guò)程中存在收縮現(xiàn)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(jì)算得到[9]。

式中:l 為型材公稱(chēng)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(dòng)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(qiáng)度及冷卻方法優(yōu)化設(shè)計(jì)。
        型坯離開(kāi)模頭后，在自重和內(nèi)應(yīng)力的作用下很快變形。進(jìn)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(zhǔn)確定型。所以在定型模中，除了型腔尺寸的設(shè)計(jì)外，真空強(qiáng)度以及冷卻作用對(duì)型材最終尺寸起著至關(guān)重要的作用[4]。但是由于斷面自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及加工工藝條件限制，按常規(guī)設(shè)計(jì)方法使得制品有些位置無(wú)法獲得足夠強(qiáng)的真空度，無(wú)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(yōu)化設(shè)計(jì)圖。

        在鑲件板常規(guī)設(shè)計(jì)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(zhì)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(shí)為增強(qiáng)真空度，長(zhǎng)度方向可以取2～3 mm，這樣就形成了吸附真空槽通過(guò)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(duì)接的連接方式嚴(yán)重限制了真空強(qiáng)度的提高，再加上加工誤差等因素，使得小腔體內(nèi)側(cè)型腔的真空度無(wú)法達(dá)到所需強(qiáng)度，造成小腔體成型不規(guī)整，成型尺寸較差。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，將較長(zhǎng)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(gè)直徑為1 mm 的真空孔。生產(chǎn)實(shí)踐證明，這種采用腔與多個(gè)孔連接，多個(gè)孔與槽連接的樣式可以有效達(dá)到增強(qiáng)真空度，提高制品尺寸精度的效果。
        在定型模中，物料形態(tài)是從黏流態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變成高彈態(tài)，最終達(dá)到玻璃態(tài)的過(guò)程[10]。定型模常規(guī)冷卻方法主要是通過(guò)水泵使常溫冷卻水在冷卻孔中循環(huán)流動(dòng)，與模具實(shí)現(xiàn)熱交換，最終達(dá)到冷卻型坯的作用。由于PC／ABS 材料的黏流溫度要遠(yuǎn)高于PVC–U，如果使用常規(guī)水冷卻方法，會(huì)導(dǎo)致型坯冷卻過(guò)快，型坯還未達(dá)到理想尺寸就已經(jīng)冷卻至玻璃態(tài)，從而產(chǎn)生制品形狀不規(guī)則、表面質(zhì)量差的缺陷，并且冷卻過(guò)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(wèn)題。將常規(guī)水冷優(yōu)化成由氣、油、水共同組成的新型冷卻方法，可以避免以上問(wèn)題的產(chǎn)生，具體結(jié)構(gòu)如圖8。

        當(dāng)黏流態(tài)型坯經(jīng)過(guò)定型模時(shí)，首先進(jìn)入空氣預(yù)冷段，具體結(jié)構(gòu)是在定型模模板的入口端，通過(guò)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^(guò)閥門(mén)合理控制吹氣強(qiáng)度，盡可能保證既有較大吹氣強(qiáng)度的同時(shí)，也應(yīng)避免吹氣過(guò)大使型材表面產(chǎn)生凹痕。接著型坯進(jìn)入高溫油續(xù)冷段，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖9。

        在定型模外部設(shè)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(jìn)油管接頭上，油泵提供了油冷卻循環(huán)往復(fù)的動(dòng)力。冷卻油經(jīng)過(guò)總進(jìn)油管分散至各個(gè)縱向油冷孔中，與模板完成熱交換的冷卻油最終通過(guò)回油管路重新回到恒溫油箱中，完成油冷循環(huán)過(guò)程。經(jīng)過(guò)冷卻油冷卻后的型坯逐步從高彈態(tài)進(jìn)入玻璃態(tài)，形狀已初步成型。型坯再經(jīng)過(guò)常溫水冷卻后，達(dá)到在定型模中的最終冷卻定型。
        空氣預(yù)冷，高溫油冷，常溫水冷共同在定型模中發(fā)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(shè)備成本上有一定增加，但是實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐證明了它能夠很好地減緩        型坯冷卻速度，穩(wěn)定型坯逐步冷卻狀態(tài)，降低牽引阻力的同時(shí)，保證了制品的最終尺寸和表面質(zhì)量。
2．4　濕式定型模設(shè)計(jì)
        型坯從定型模出來(lái)后，雖然形狀已經(jīng)基本成型，但是并沒(méi)有完全冷卻到室溫，如果不繼續(xù)冷卻，其壁厚內(nèi)部及空腔內(nèi)殘存的熱量將使原已冷卻的產(chǎn)品表面升高而引起變形，因此必須繼續(xù)冷卻排除余熱。設(shè)計(jì)的水箱基本結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖10。PC／ABS 材料水箱中定型塊型腔尺寸設(shè)計(jì)原則同PVC–U 模具一樣，只是在定型模型腔基礎(chǔ)上進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化。

3結(jié)論
        (1) 模頭流道形狀設(shè)計(jì)上可以通過(guò)優(yōu)化阻流筋設(shè)計(jì)使流道形狀達(dá)到平緩過(guò)渡到效果，有效防止糊料、暗痕現(xiàn)象的產(chǎn)生。
        (2) 對(duì)于型材腔體較小，腔體內(nèi)側(cè)真空度較弱的斷面型坯，可以通過(guò)真空腔與多個(gè)真空孔連接，多個(gè)孔與吸附槽連接的方式來(lái)提高真空強(qiáng)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(duì)于PC／ABS 材料，可以有效解決型坯在定型模中冷卻速度過(guò)快帶來(lái)的牽引困難、成型不規(guī)整、表面質(zhì)量差等問(wèn)題。
        (4) PC／ABS 型材模具設(shè)計(jì)合理，最終得到的產(chǎn)品尺寸滿足要求。