张友新，冯金茂

（浙江伟星新型建材股份有限公司，浙江 临海 317000）

0 引 言

在管材挤出生产线中，无论是生产PVC管材还是PE管材，机头对于产品质量起着关键性的作用，使挤出的熔料均匀地通过整个机头断面。管材机头与挤出产品规格要求相适应，对整条生产线的工作效率与经济性具有决定性的作用，机头的结构设计影响管材的力学性能。目前，常用的挤出管材机头为直通式机头，其模具结构比较简单，制造容易，成本较低，熔料挤出方向与挤出机螺杆轴线一致，熔料在机头中流动阻力较小，管材、机头与机筒三者同轴，管材挤出成型容易[1]。但是，该机头的分流器支架设有分流筋，熔料通过分流筋时被强行分流，导致挤出的管材内部出现熔接痕。熔接痕是管材强度与力学性能最薄弱的部位，不仅影响塑料管材的表面质量，而且使此处性能远低于其他部位，影响了管材的综合物理性能。同时，该机头为实体结构，比较笨重，拆装费时费力，并且加热和冷却时间较长。为了解决这些问题，在直通式机头的基础上进行改进，设计了带有菱形螺旋条组成的镂空式混合器和圆形流道的网格支架板集成的混合器支架，消除了熔接痕，提高了管材的综合物理性能，避免了管道因熔接痕造成的强度低、报废率高等现象。同时，为了减轻模具质量，缩短机头的加热和冷却时间，将分流器和芯棒连接套设计为中空结构，使其拆装更方便。

1 机头结构设计

带混合器支架的挤出机头如图1所示，该机头适合PE管、PP管及PVC管材的加工生产，在相同规格和材料的情况下，经带混合器支架挤出机头生产的PE63管材直径为φ63 mm、壁厚为2.3 mm。对该管材进行性能测试，按要求连接好管材打压夹具、水箱的快速接头和管路，同时，将上夹具密封接头的排气孔打开，给管材充满水，然后将管材及夹具放入恒温箱，水温控制在（20±1）℃，进行静压直至试验结束。通过试验，管材静压环向应力为8.6 MPa，不破裂、不渗漏，断裂伸长率为370%，纵向回缩率（110℃）为2.3%，力学性能高于GB/T 13663-200标准。

图1 带混合器支架的挤出机头

为了消除因支架分流筋产生的熔接痕和减轻模具质量，设计了混合器和网格支架板集成的混合器支架，使熔料通过机头内流道时，经多个交错菱形螺旋条的镂空式混合器剪切、混合、缓冲，使料流混合均匀，消除了熔接痕。带混合器支架的挤出机头主要由中空分流器、网格支架板、菱形螺旋条、混合器支架、中空芯棒连接套等组成。

1.1 中空分流器设计

传统的分流器大多都是实体结构（见图2），也有分流器与支架板设计为整体结构，如图3所示，但都比较笨重，拆装费时费力，且加热和冷却时间较长。为了节省能源和拆装操作时间、减轻分流器的质量，将分流器设计为中空结构，如图4所示。设计分流器时有3个主要尺寸：扩张角α、分流锥长度L及分流器顶部圆角R，设计应该注意以下3点。

图2 实体分流器结构

图3 分流器与支架板为一体结构

（1）分流器扩张角α的选取与塑料黏度有关。黏度较低，熔体流动阻力较小，α通常取30°～60°；黏度较高，熔体流动阻力大，α通常取30°～45°[2]。

（2）分流锥长度L按下式计算：

式中：L——分流锥长度，mm；D0——过滤板出口处直径，mm。

（3）分流器顶部圆角R一般取0.5～2.0 mm。

1.2 网格支架板设计

现使用的支架板上设计有多个分流筋，一般大型机头将支架板单独设置，可多设置分流筋，而小型机头将支架板与芯棒设计为整体结构，分流筋相对少[3]。由于支架板设置了分流筋，使熔料通过分流筋时被强行切开分流，导致挤出的成品管材内出现熔接痕。为了消除分流筋产生的熔接痕，将支架板设计为圆形的网格支架板，如图5所示，均匀设置了多个贯通的网孔，一般为φ5～φ8 mm的流道通孔，大型机头支架板可以设置较多的流道通孔。

图5 网格支架板

为了料流顺畅地从网孔通过，在支架板的进料端面设计一定深度的锥形孔（喇叭孔），即在圆形通孔的基础上进行过渡再扩径。同时，在混合器支架上设置焊接通孔和网孔流道，焊接通孔位于网孔流道外圈，每个焊接通孔内焊有菱形螺旋条。菱形螺旋条数量以机头尺寸进行合理选择，一般设置4～12条，以方便菱形螺旋条插入通孔进行焊接。菱形螺旋条的插入通孔直径应大于网格支架板的流道通孔，以使焊接的菱形螺旋条具有足够的强度。在熔料挤出过程中，熔料通过圆形流道的网格支架板可有效消除熔接痕。网格支架板应设计较厚，由于机头内挤出的熔料压力较大，如果网格支架板强度不足，容易发生损坏。同时，加工进料端面不应有料流阻力死角，孔的表面应尽量光滑，以保证料流通畅。

1.3 菱形螺旋条设计

菱形螺旋条是混合消除熔接痕的关键部件，通过高温加热将菱形条扭曲为不同曲面形态的结构，如图6所示，使每条的菱角不在同一个平面上，形成复杂的曲面形态，熔料通过时更容易被剪切混合，消除熔接痕。其制作方法：将菱形条截取适当的长度，放入高温炉加热后取出，一端固定，另一端采用夹持工具按中空芯棒连接套的外形结构（见图1零件7），对菱形条进行转动扭曲，预制成型多曲面的菱形螺旋条。然后将预制成型的菱形螺旋条插入4个以上呈中心对称分布的焊接通孔的网格支架板，精调布置，使螺旋条整体呈镂空式网格状结构包裹在中空芯棒外。同时，在2条菱形螺旋条相互交错搭接点上也要进行焊接固定，以增强镂空网格的整体强度。另外，菱形螺旋条要有足够的强度，防止在挤出成型过程中，熔料通过菱形螺旋条时产生挤压变形。

图6 菱形螺旋条

1.4 混合器支架设计

网格支架板与菱形螺旋条通过焊接构成了镂空式混合器支架，如图7所示。混合器支架为圆形结构，支架板中心设置有通孔，中心通孔由中空分流器与中空芯棒通过螺纹将网格支架板连接固定。混合器有多条预制不同曲面形态的菱形螺旋条，围绕中空芯棒连接套和机头体形成相互交错的通道，挤出成型过程中，熔料通过中空分流器穿过网格支架板的圆孔进入镂空式混合器，打乱通过的熔料流向，减少熔接痕的产生。同时，为了进一步提高熔料的混合均匀性、彻底消除熔接痕，使熔料通过混合器，以不同的方向剪切、混合、缓冲，挤出的管材表面更光滑。

图7 混合器支架

1.5 中空芯棒连接套设计

如图8所示，传统塑料管材挤出机头一般使用实体芯棒，生产不同规格管材制品时只需更换一套口模和芯棒，这种机头塑化均匀，制品质量好[4]，但是这种结构设计比较笨重，更换过程费时费力，并且加热和冷却时间较长。为了减轻模具质量，节省能源和拆装操作时间，将芯棒设计为中空结构。同时，为了连接方便，将中空芯棒的一端设计内螺纹，嵌套在分流器一端连接的外螺纹上，另一端中空芯棒的内螺纹与芯棒的外螺纹连接，这样使中空芯棒的连接和拆卸更为方便。

图8 中空芯棒连接套

2 工作原理

塑料加入挤出机经加热塑化后，通过机头设置的过滤板进入分流器，分流器使熔料逐渐变薄进一步塑化[4]，然后进入网格支架板的径向排列流道，在挤压作用下被分成多股料流，挤出后的多股料流相互融合。由于网格支架板设置了网孔流道，增加了熔料的过流面积，使合流线被多股熔料熔合塑化，消除熔接痕，紧接着融合后的熔料进入混合器。多个菱形螺旋条被扭曲加工成交错形态的镂空式混合器，菱形螺旋条设计成上下互为反螺旋，形成复杂的菱形曲面形态，使通过的熔料被打乱流向，并且混合器包含了剪切、混合、松弛缓冲区，使通过的熔料混合更均匀，消除了熔接痕，挤出的管材更稳定，表面更光滑。

3 结束语

配置镂空式混合器和网格支架板集成的混合器支架的塑料管材挤出机头与传统的挤出机头相比，混合器支架对熔料可起到剪切、混合、缓冲作用，消除了熔接痕，提高了管材的综合物理性能。

为了减轻模具质量，缩短机头的加热和冷却时间，该机头将分流器和芯棒设计为中空结构。该机头适应性强，结构稳定，不同材料在生产过程中塑化均匀，出料稳定，表面光滑，挤出的管材管径及壁厚尺寸稳定，同时机头的装拆和操作简便。