塑料异型材模具调试工作程序与型材内在质量控制
摘 要：本文论述了挤出模具对塑料异型材内在质量性能的影响和不同情况下模具调试程序及型材质量控制措施。
关键词：塑料异型材；模具；调试；程序；质量；控制；措施 1 绪言 随着塑料异型材行业的发展，我国型材挤出模具企业制造技术有了很大程度提高，基本上能满足国内塑料异型材质量需求，并陆续走出了国门，开始为世界各国同行业服务。但由于不同塑料异型材截面呈不对称结构，各个截面上物料分布差异很大，改性聚氯乙烯熔融状态流动性较差，目前各个企业采用的配方和原料又有很大不同，不同配方和原料在一定温度下，流动性与收缩膨胀率亦不同。因此如何使不同配方和原料，不同截面结构型材，能按照模具设计的形状和轨道，在一定熔压作用下，准确、均匀成型和定型，至今还没有现成的理论模式可做借鉴，大部分模具企业还处于模拟、经验阶段。一套模具制成后，还需要经过大量、反复的挤出调试工作，才能生产出质量优异的塑料异型材制品。 塑料异型材是在挤出机提供的外热和剪切热作用下，由玻璃态转化为粘流态，通过口模挤出成型，然后再在定型模真空和冷却作用下，由粘流态再转化为玻璃态，成为加工所需要的型材制品的。性能和质量优异的异型材由挤出机、工艺、配方、模具四方面因素所决定。在型材生产过程中，这四方面因素不仅各自有不同的职能，而且相互作用和影响。其中挤出机和工艺主要决定了物料塑化程度；配方对塑化有一定的辅助作用，配方在物料良好塑化和型材截面存在最小应力前提下，主要决定型材内在质量性能；模具不仅和型材外观质量相关，除工艺、配方因素外，也一定程度上制约和影响型材内在质量。如果模具设计、试验不当，虽然对简支梁冲击、拉伸冲击性能影响不大，但对加热后尺寸变化率，低温抗冲击、焊接性能等几项指标有决定性。的影响。目前不少塑料异型材企业试模和模具验收过程中，对型材的外观成型尺寸和壁厚等参数比较重视，检查、验收也相当严格，但对其内在质量，如加热后尺寸变化率，低温落锤冷冲、焊接强度等指标却不是那么重视，并错误地认为，以上指标仅和配方和工艺相关，和模具关系不是很大。其实这是一种十分错误的观点，如不能引起高度重视，将给塑料异型材生产遗留下难以弥补的质量缺陷。鉴于此，笔者经过几十年工作实践，在此着重论述塑料异型材模具调试过程中质量性能控制和验收问题，以供型材与模具试验企业参考。 2在试模工作中存在的错误倾向和对型材内在质量性能的影响 目前试模工作存在的一些错误倾向是：当型材出现壁厚达不到标准及既定指标与各可视面壁厚不均时，不是通过修理口模予以处理，而是“以调代修”，错误采用牵引和口模温度等工艺方法处理。比如不按设计型材壁厚调试，为达到所需要的型材壁厚，任意采用提高或降低牵引速度进行操作，导致型材加热后尺寸变化率超标；为了型材各个可视面壁厚一致，不对应调整模具，而采取任意提高或降低口模各个面设定温度，致使型材相邻两个面尺寸变化率差值超标。由于加热后尺寸变化率及其差值超标，在同样配方条件下，低温落锤冲击性能和焊接性能与其他型材相比有很大差距；为片面提高挤出生产率，任意提高挤出速度，导致型材从口模挤出后发生膨胀，不仅影响型材成型质量，也影响到型材加热后尺寸变化率、低温抗冲击、焊接性能等项指标。 3定制模具基本要求 模具设计时应如实向模具企业提供所采用或准备采用型材配方的基本构成和产品各项技术指标要求，包括碳酸钙、抗冲击改性剂、润滑剂等助剂剂量、型材壁厚、口模线速度和型材所执行标准指标等参数。其中碳酸钙、抗冲击改性剂、润滑剂等助剂剂量对物料的流动性和膨胀率影响很大，决定了口模压缩比、口模唇间隙、口模定型段长度及口模与定型模的放量尺寸；口模压缩比决定了型材密实度和生产的难易程度。口模唇间隙决定了型材壁厚，口模线速度决定了口模定型段长度、定型模节数、每节长度、放量尺寸及冷却形式，型材壁厚与规格决定了理论最小焊接力。不同线速度的口模与定型模结构有很大区别。高速模具与低速模具的压缩比、口模平直段长度不同，定型模节数、长度、放量尺寸也不同。每一类型材模具在设计时都有规定的挤出线速度。 口模在型材内筋和外壁供料方式上也对型材低温冲击性能有不同程度影响。口模内筋供料有外分和内分两种供料形式。所谓外分，即通过在外壁通道上开辟一条沟槽，分流一部分料给内筋；所谓内分，即在分流锥部位设计有专门给内筋供料的通道。由于外壁分流一部分料给内筋，致使外壁局部熔压减弱，会影响型材抗冲击性能。模具制造企业早期设计模具在型材内筋供料上均采用外分形式，近年来大部分企业已改为内分形式，但不排除一些模具企业仍有采用外分的可能性。因此订购模具应明确内筋物料供料方式。 如果以上参数提供不准确或模具设计不规范，导致模具设计存在问题，仅仅通过模具调试，很难满足用户对所生产型材质量性能要求。 4不同情况下试模程序 塑料异型材行业内，模具试验大致可分为以下几种情况：一是新建企业模具试验；二是企业现有挤出生产设备和模具，新增加模具主要用于使用新配方的产品；三是原设备、配方、工艺不变情况下，新增型材或更新模具试验。现分别将不同情况下试模程序论述如下。 4．1 新建企业试模程序 作为一个新建企业，在调试模具的同时，也存在挤出机、原料、配方、工艺调试问题，影响因素较多，调试模具工作难度较大。大多企业第一次从事型材生产工作，缺乏相应工作经验，调试模具往往不得要领，在设备、工艺、配方未确定前，贸然调试模具，很难有条不紊、有序展开，甚至会反复多次，一不得其果，模具调试工作遥遥无期，甚至会因错误 的调试而导致模具报废。正确的试模方法，是首先要清楚模具和挤出机、工艺及配方各自独立功能与相互之间的辩证关系，并按照其各自独立功能和对应关系确定正确的试模程序。 新建企业调试模具时，首先应调试工艺。所谓工艺，即挤出机温度、合流芯温度、口模温度、给料速度、挤出速度、牵引速度等参数的设置，主要决定了物料的塑化程度。如果物料塑化不好，欠塑化或过塑化都会影响型材加热后尺寸变化率、低温落锤冲击、焊接性能等项性能指标。试模是以物料在一定外热和剪切热、熔压作用下良好塑化为前提的。同时工艺也和挤出机性能相关。不同规格和剪切性能的挤出机有完全不同的挤出效率。如果不能依据挤出机规格和剪切性能调试好工艺，难以保证型材的挤出效率和各项质量性能。尤其是给料速度大小直接和塑化程度相关，应根据不同剪切性能的挤出机进行调整，剪切性能小的挤出机，给料速度适当高一些；剪切性能强的挤出机，给料速度适当低一些。应该指出的是：模具线速度是模具设计时所规定的，在工艺调试时，不可任意变动。模具线速度过高，型坯从口模挤出“后膨胀”现象严重，不仅影响成型，而且因进定型模困难，被迫提高牵引速度，型材承受拉伸过大，使加热后尺寸变化率增加，且会因定型模冷却不足，影响型材成型质量；其次不同剪切性能的挤出机，仅靠工艺调试很难达到物料均匀、良好塑化之目标，在一定程度上也需要配方支持。所谓配方，即各种原材料组分和配比。塑料异型材配方中的物料大致可分为两类：一类是功能性助剂，如PVC、CPE、钛白粉、紫外线吸收剂、碳酸钙等，其剂量多少，主要决定了型材所具备的各项性能；另一类是加工类助剂，如401、润滑剂、稳定剂等，其剂量多少应根据挤出机剪切性能需要，和工艺相适应，共同制约和影响着物料塑化进程。判断物料塑化是否良好的依据有两个：一个是从真空孔观察： 螺杆持料量约在螺槽容积的l／2～2／3区间(因熔融段螺纹头数而有所不同)，呈不饱和“微熔状”，基本胶凝化，并紧紧包裹螺杆，不被螺筒剥离，从真空孔溢出或直接被真空抽走，螺杆底部没有流动的粉料；另一个是开机时，从型坯挤出后状态特征观察判断：外观光滑，颜色纯正呈乳白色，切片结晶细腻，切口平齐规整，宽度均匀，由挤出机挤出后，脱离口 应该指出：工艺参数中口模线速度、牵引速度、挤出速度是三个不同的概念。口模线速度即物料每分钟从口模挤出的长度；牵引速度即型材每分钟被牵引的长度；挤出速度即挤出机螺杆每分钟转速。三者之间又有一定的对应关系。虽然模具线速度，也是以牵引速度表征的，但又与牵引速度不同，两者之间比值以l：1．05为宜。牵引速度则以物料从口模挤出后呈现“微膨胀”：既不堵模，又不承受过大的牵引、拉伸为宜；挤出速度和口模线速度共同表征了挤出效率。不同的是挤出速度主要受挤出机剪切性能所决定，口模线速度主要由口模与定型模结构和冷却效率所决定，由物料塑化和口模线速度等因素所支配。 工艺调试完结以后，即可进行模具初步调试。模具初步调试，主要是为解决模具截面各部位所提供的物料与型材异型截面各部位对物料需求的平衡，各部位的熔压相互基本保持一致，消除因模具设计或加工不当，存在过大的内应力。因型材规格和异型大小不同，模具初步调试的难度有所不同，一般情况下，型材截面异形越大的模具、多腔同时挤出的模具比型材截面异型较小的模具、单腔挤出模具调试难度大。例如外开扇、Z型梃型材，多腔压 条或拼管模具相对比平开框、中梃型材、单腔压条或拼管模具调试难度大一些，调试时间和消耗废料相应多一些。型材中存在的内应力大致可分为纵向拉伸应力和横向截面应力。 纵向拉伸应力主要和以下两方面因素相关；一是挤出／牵引速度比设置不当，牵引速度过快或过慢；二是设计口模和定型模存在安装玻璃沟槽不匹配。模具初步调试前，应认真检查口模唇间隙是否和型材设计壁厚相符，一般型材设计壁厚和口模唇间隙之间比值为1：O．85～0．90左右。模具初步调试，达到设计型材壁厚后，应检验其加热后尺寸变化率 是否达标?如达不到标准指标，可通过试验，适当降低或提高调整牵引速度，由型材加热后尺寸变化率变化趋势，对型材壁厚予以验证。如将型坯拉厚或减薄，当挤出型坯调至某一壁厚的型坯，加热后尺寸变化率最小时，即可确定该壁厚为型材最佳壁厚，作为以后生产控制挤出和牵引速度比的依据或通过修正口模唇间隙，使之达到设计型材壁厚时，型材加热后尺寸变化率为最小状态。 截向横面应力主要反映在型材外壁壁厚不均，内筋与外壁厚配比不合适，内筋和外壁连接呈直角过渡，或内筋及内筋间距设置不当，存在应力集中或相互干扰现象。其中内筋间距设置不当，属于设计问题，模具调试是无法处理的，务必要在模具接收前予以防范，其余均可以通过模具调试解决。初步调试时，首先应认真检查型材可视面壁厚是否均匀?内筋与外壁厚配比例是否合适，是否呈圆弧过渡?模具各个流通截面是否光滑?并分别进行对应处理。使型材各个截面出料匀称，消除内筋和外壁过度存在的集中应力，提高模具各流通截面光洁度。值得注意的是；在模具初步调试时，应保持口模各个截面的设定温度基本一致条件下，调试口模各个异型截面物料流量，克服其截面局部流动阻力，促进型材截面各部位物料分配与流速均匀一致。口模温度仅能用以微量调整，最大温度偏差不应超过 模具初步调试完结后，即进行配方调试。通过增减配方中功能类助剂剂量，使该模具生产的型材达到国家标准质量、性能指标。当因功能类助剂的调整，影响到物料塑化时，相应也应调整配方中加工类助剂或调整工艺参数。如以上各个环节调试，均没有问题，型材内在质量性能仍存在问题，可能与设计的模具压缩比偏低，生产型材的密实度不足有关，可在口模与挤出机连接部位增设过孔板，以改善型材熔压，提高其密实度。 配方调试完结后，即进行模具精确调试。所谓精确调试，即通过微观调整，使型材外观尺寸更加精确、平整，消除因模具所提供的物料与型材各截面所需要的物料不平衡、存在的微外观质量缺陷。如型材外观局部塌角、收缩痕、亮带、暗带等。以上质量缺陷，均是型材截面熔体温度与应力分散不均、相互作用或内筋内应力作用于外壁，外壁对内筋牵制与约 束不力，归根结底是熔体分散性和流动性差异在型材外观上的具体体现，可分别进行对应处理。 对模具精确调试时，还应充分考虑型材的相互配合、搭接问题。对于采用多套模具生产同一型材，存在不同尺寸偏差的扇在一起组装，或与不同尺寸偏差框组装时错边量超标问题，一定要提前综合平衡考虑与调整。以免门窗组装后出现外观不平整等质量缺陷。 模具精确调试完成以后，在对模具经稳定24小时挤出后的型材，全面进行一次内在质量性能检验，发现问题及时调整。没有问题可视为模具调试工作终结，即可进入模具验收议程。 由以上模具调试程序可知：模具调试的目的是实现型材各截面所需物料和模具所供物料的平衡，使型材外观质量和内在质量性能均能达到国家型材标准指标和企业所需要的技术水平。调试模具前，必须通过工艺调试，使物料在一定温度和压作用下处于良好塑化状态后方能进行。调试模具不宜一步完成，应分两步实施：第一步在工艺调试合格以后，予以模具初步调试；第二部在配方调试达标以后，再进行模具精确调试。模具调试应首先解决物料塑化问题，其次是处理型材外观质量和型材内应力问题，再其次解决内在质量问题，最后才精确解决外观质量问题。 4．2更换配方的模具调试程序 截至目前，不少企业为适应型材出口和国人环保意识提高的要求，采用的生产型材配方已开始由铅盐配方向无铅稳定剂转化。由于热稳定剂不同，塑化工艺温度也有所不同，尤其是有机锡稳定剂和铅盐稳定剂的差别较大。因此更换配方，调试模具时，也应当和新建企业一样，首先调试工艺、进行模具初步调试，再调试新配方，最后再精确调试模具。 4．3挤出机、工艺、配方不变情况下模具调试程序 在挤出机、工艺、配方不变情况下模具调试工作相对比较简单，在既定挤出机、工艺、配方、条件下，先初步调试模具，在型材各项内在质量性能达标后，再精确调试模具。 5模具和型材各项质量性能的对应性分析 型材的各项内在质量性能都与模具制造和调试关系很大。其中型材加热后尺寸变化率及差值直接受模具的制约和影响。由以上论述可知：模具的作用是将从挤出机挤出的熔体均匀地分配到型材各截面，保证从模具挤出的物料和型材各截面所需要物料相互平衡。模具调试工作就是要将通过模具的物料所存在的分散不均，在型材截面聚积的横向和纵向拉伸应力消除掉，从而生产出设计所需要的型材制品。 加热后尺寸变化率与差值指标表征了型材轴向和截面积聚内应力的大小。其中加热后尺寸变化率，表征了型材轴向承受拉伸应力的大小。尽管通过调试配方中功能类助剂剂量，也可以降低或增加尺寸变化率，但不能完全改善型材聚集的拉伸应力。型材拉伸应力过大主要是型材生产壁厚与口模唇设计间隙不合比例，型材在挤出、牵引过程中承受了过大的拉伸应力。型材壁厚是设计所决定的，不是可以任意通过牵引速度调整的。但假如型材实际壁厚和设计壁厚存在偏差，随牵引速度提高，型材壁厚减薄后加热后尺寸变化率减小，依然在型材标准允许尺寸偏差之内，比如设计壁厚为2． 如果通过降低或提高牵引速度生产的型材，试验加热后尺寸变化率均难以达标，例如某模具企业近期调试的模具，其他型材质量性能均已达标，仅60中梃模具加热后尺寸变化率超标问题迟迟未能解决。该模具设计壁厚为2． 型材两个相对可视面的尺寸变化率差值，表征了型材截面上下或左右两侧物料存在的内应力不均衡。影响因素主要有两条：一是口模截面熔体压力和温度不均。一些企业在口模装配不当，出料不均时，不是重新装配或调试口模，而是完全依赖口模温度调节，致使口模各个面设定温差很大甚至达 型材大面或共挤型材共挤面受到的摩擦阻力较大，型材小面或非共挤面受到的摩擦阻力较小。型材大面或共挤型材共挤面尺寸变化率值也均大于型材小面或非共挤面。如果口模温度或定型模真空及冷却水调整不当，会致使型材尺寸变化率及差值超标。 从模具角度来讲，影响型材低温抗冲击性能，除模具的压缩比，平直段长度、内筋供料及定型冷却方式等设计因素外，在试模过程中主要是型材截面横向应力和轴向拉伸应力偏大，致使型材加热后尺寸变化率及差值超标得以体现的。例如某公司有两套56推拉扇模具一套，设计壁厚为2． 需要注意的是：一般共挤型材共挤面承受低温冲击性能较差，PMMA共挤料相对于ASA更差。之，所以如此，一是共挤料脆性相对大于PVC—U物料，二是共挤料塑化温度比PVC—U物料高；三是共挤料与PVCW物料膨胀收缩率不同。型材挤出后，共挤面和基料之间聚集较大的截面与拉伸应力，不仅致使共挤面尺寸变化率大于非共挤面，也使共挤面在冲击力作用下更易破裂。QB／T 2976--2008{门、窗用未增塑聚氯乙烯(PVC—U)彩色型材》规定：冲击和老化试验，装饰层(即共挤层)与型材主体间(即基料)不发生裂痕和分离即为合格，不计共挤层破裂个数。为了消除共挤层与型材主体分离和裂痕，减少共挤层冲击破裂个数，在型材共挤塑化与成型良好状态下，调试模具时应尽量减少型材共挤层厚度，降低口模共挤层一侧设定温度，减少定型模共挤层一侧真空度，增加定型模冷却水量，提高共挤层一侧光洁度。 模具经长期生产使用磨损后，也会影响型材内在质量性能。比如某公司两年前加工一套按2． 型材焊接性能除和配方、工艺等因素紧密相关外，还受型材规格、壁厚，以及内应力大小的影向和制约。在JG／T l80--2005{未增塑聚氯乙烯(PVC—U)塑料门》与JG／T l40--2005《未增塑聚氯乙烯(PVC—U)塑料窗》标准中，对不同类型和品种型材，规定了不同的焊接角最小破坏力计算值。在试模时，一定认真检查模具图纸是否符合国家标准规定的技术要求，如果计算值小于标注值，说明设计的型材模具在壁厚或规格上存在问题，达不到标准要求，应提前予以防范，杜绝型材投产后检验时达不到标准指标，留下难以弥补的质量问题。在试模后可检验型材试验值是否达到模具设计值。如试验值达不到设计值，除型材挤出或门窗焊接塑化不良，配方功能类助剂添加不当外，很可能和生产型材的壁厚偏小，模具聚集的内应力过大有关。如试验值超过设计值，也不要盲目乐观，揭示了配方中可能填充了过量的碳酸钙，致使弹性模量提高，增强了型材焊接性能，但必然会影响到低温落锤冲击性能，尤其是拉伸冲击、简支梁冲击等项性能。 6 总结 a)订购模具时务必提供所生产型材的配方组分构成，尤其是树脂、热稳定剂、润滑剂、碳酸钙、加工助剂等剂量，所需要型材壁厚、口模线速度、以及应达到的焊接性能和低温抗冲击性能等参数和指标，比便所设计的模具能满足型材稳定生产和制品质量、性能之需要； b)塑料异型材模具调试应在适宜的工艺前提下，使物料处于良好塑化状态和一定熔压作用下进行。模具调试应分两步实施：第一步应在工艺调试完成后，进行模具初步调试，重点解决型材的外观及截面存在的内应力；第二步在配方调试完成，型材内在质量性能达标后进行，重点消除型材外观质量和结构配合尺寸偏差。即工艺调试一配方中加工类助剂辅助调试一模具初调一配方中功能助剂调试一模具精调； C)挤出模具对型材各项内在质量性能的影响主要是其截面应力和拉伸应力。处理模具截面应力主要应使型材各截面所需物料和模具所供物料相平衡，消除内筋与外壁存在的应力集中和对应可视面出料不均产生的截面不对称应力。处理型材出料不均时，模具四个面设定温度应基本一致，切忌用调整温度的方法取代模具调试；处理模具拉伸应力时，应以型材设计壁厚为准，以便将型材加热后尺寸变化率降低最低水平。在型材日常生产时，应以模具调试确定型材壁厚进行生产，切忌采用牵引速度任意调整型材壁厚； d)型材加热后尺寸变化率及差值达标以后，仅从模具的角度而言，也基本上消除了影响低温落锤冲击性能、焊接性能等因素。 |
