窗框异型材挤出机头设计毕业设计说明书.docx

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窗框异型材挤出机头设计毕业设计说明书

毕业设计论文

窗框异型材挤出机头设计

摘要

塑料窗框具有传统窗框难以比拟的优异性能，是国家建设部推广使用的节能、环保型产品。

目前已广泛用于各种建筑工程中，其发展空间很大，前景十分看好。

本文是关于窗框异型材挤出机头的设计，设计主要包含两部分内容，一是80型推拉框挤出机头和定型模的设计,二是窗框异型材原材料配方的设计。

其中挤出机头模具设计是该设计的重要内容，也是设计的难点。

挤出机头模具的设计主要包括机头各部件外形和尺寸的设计以及定型模的设计。

定型模的设计主要包括定型模腔的设计和定型模长度的设计。

原材料配方设计主要包括PVC树脂型号、稳定剂、改性剂、润滑剂、着色剂、加工助剂和填充剂等的选取和分配比例。

关键词：

PVC-U，塑料异型材，窗框，机头，定型模

DesignofExtruderHeadMoldoftheWindowFrameProfiles

ABSTRACT

Plasticwindowframeshasexcellentperformancethattraditionalwindowframesdifficulttocompare.Itissoenergy-savingandenvironment-friendlyastobecomingtheproductthatministryofourconstructionpromotesit’suse.Forthepresent,plasticwindowframeshasbeenwidelyusedinallkindsofarchitecturalengineering,ithasabrightfuture.Thisarticleisaboutthedesignofsashprofileextruderhead.Thedesignconsistsmainlyoftwoparts.Thefirstpartincludesslidingframeof80typeextruderheadandthedesignofstockmould.Thesecondpartincludesthedesignofsashprofilesrawrecipe.Whereintheextruderheaddesignistheimportantpartofthedesign,butalsothedifficultyofthedesign.Thedesignoftheextruderdieforthevariouscomponentsincludestheshapeandsizeoftheheaddesignandsizingdiedesign.Thedesignincludessizingdiecavityshapelengthofthemolddesignandthedesignofthetype.FormulationmaterialsincludetheselectionandallocationratioofPVCresinmodel,stabilizers,modifiers,lubricants,colorant,processingaidsandfillersandsoon.

KEYWORDS:

：

PVC-U，plasticprofile，windowframe，extruderhead，stockmould

前言

近年来塑料挤出成型模具的产量和发展水平十分迅速，高效率、自动化、大型、精密、长寿命模具在模具总产量中所占比例越来越大。

可以说，一个国家模具设计生产能力的强弱、水平的高低，影响着产品质量和经济效益的提高。

目前发达国家模具标准化程度达到30%以上，我国模具标准化工作也有了很大进展，基本上配齐了主要模具类别的零件标准。

模具标准化为塑料模具设计和制造带来极大方便，由于标准件可直接购买，因此模具设计制造者只需精心设计加工型腔，这使得塑料模具的设计和制造周期大为缩短，成本降低质量得到保证。

本次毕业设计主要是针对80型塑料推拉框挤出机头（模头）的设计，设计中主要依据聚合物加工流变学和传热学等基础理论，来分析和计算挤出机头各零部件的形状和尺寸。

采用CAD软件重点对挤出机头各块模板进行了参数化设计。

例如：

本次设计中的成型板，分流支架板，以及型芯和分流锥都有详细的尺寸。

在做异型材挤出模具设计时，根据实际情况，对没有标准或成熟理论支持的部件设计时，多采用了采用经验数据。

第1章概述

1.1塑料门窗异型材概述

许多聚合物可以通过挤出成型工艺制成横向截面为非圆形、环形等常规形状的各种复杂形状的连续型体，通常称这种连续型材为塑料异型材。

塑料异型材可以通过塑料挤出机由挤出工艺生产，其制品具有外观色泽鲜艳，光亮平滑，不需要油漆涂饰，耐腐蚀等特点。

可以通过改变挤出机机头的形状，生产多种截面形状复杂的异型材制品。

近年来，塑料异型材在建筑、家具、电器、汽车等领域得到了广泛的应用，尤其在建筑业中用途最广，可用作塑料门窗框、门板、楼梯扶手、壁材、隔墙、屏风、线槽、地板条、密封条等建筑材料。

其中，塑料门窗是塑料建材众多品种中的佼佼者，它是继木门窗、钢门窗、铝合金门窗之后的第四代新型建筑门窗，是人们至今寻觅到的较理想的门窗材料。

塑料门窗异型材是以聚合物树脂为主，以各种助剂和增强材料为辅制成的一类新型材质的门窗。

塑料门窗按材质可分为塑料包覆门窗（喷塑门窗）、组合塑料门窗和全塑门窗三大类。

其中，全塑门窗是目前发展最快、技术最成熟、用量最大的一类，是塑料门窗发展的主流产品。

全塑门窗是完全以塑料材料制造而成的，主要以由挤出成型的改性硬质聚氯乙烯（PVC-U）塑料中空异型材组装而成的塑料门窗为主。

1.2硬聚氯乙烯塑料窗的发展与现状

1.2.1硬聚氯乙烯塑料窗的性能和特点

1.硬聚氯乙烯塑料窗的主要性能

（1）隔热、保温性

隔热、保温是塑料门窗的整体突出优点。

原因是PVC-U塑料热导率极低，仅为钢材的1/4-1/5，铝材的1/4-1/3；塑料窗框异型材多为多腔室中空断面结构，各封闭的空气腔室进一步改善了它的热性能；型材侧面带有嵌固弹性密封条的凹槽，在此嵌装密封条，使成窗缝隙热的渗透量大大降低。

由于上述原因，塑料窗框的隔热效果远远优于铝、钢、木窗。

（2）物理性能

塑料窗框的物理性能主要包括抗风压强度、空气渗透性（气密性）、雨水渗透性（水密性）、保温及隔声等性能。

由于PVC-U材料的优良性能，塑料异型材具有的独特的多腔结构，精湛的挤出、组装工艺，以及通过嵌入钢质加强筋进行补强，使得塑料窗框具有一系列优良性能。

（3）耐候性能

通过优化配方、添加紫外光屏蔽剂和吸收剂，以阻止阳光中紫外线对窗框的老化破坏作用，大大提高了PVC-U塑料窗的使用寿命。

（4）燃烧性能

PVC-U塑料不助燃、不自燃、燃烧后能自熄，安全可靠。

防火的安全性高于木门窗，其氧指数通常大于40%。

但PVC-U型材燃烧时会变软，释放出的氯化氢会使人感到很强的窒息性气味。

2.硬聚氯乙烯塑料窗框的特点

塑料异型材自诞生以来得到了快速的发展和应用，尤其近年来在建筑门窗领域的应用非常广泛，这一切与其独特的性能特点是分不开的。

塑料异型材的主要特点如下：

（1）轻质塑料异型材的密度在1.5g/cm3以下，个别的甚至只有0.9g/cm3。

因此，其轻质的特点使其在建筑、汽车等领域的应用具有突出的优势。

（2）环保塑料产品具有可回收再利用的特点，对于减少资源消耗具有重要的现实意义，是国家提倡的节能环保材料，符合当今世界发展潮流。

（3）节能塑料异型材不但生产能耗低，为钢材的1/5，铝材的1/8，而且绝热性、气密性、水密性、隔音性等极佳。

因此，在当今全球能源危机问题日益严重的今天，合理使用塑料异型材显得尤为重要。

（4）美观、耐用塑料异型材与铝材相比，具有色彩丰富、表面形式多样的优点。

另外，塑料异型材本身的耐腐蚀特性使其具有防水耐油、历久如新的优点。

（5）成本低塑料异型材密度小，单位质量的价格低于铝型材；且具有一定的弹性，运输、堆放过程中因变形而产生的损耗较小。

另外，塑料异型材在安装时多采用扣、粘等安装形式，施工简便快捷，大大降低了安装成本。

（6）开发周期短塑料异型材从产品设计到样品生产，一般只需3～20天的时间。

而且，塑料异型材还可以进行二次加工以满足使用过程中各种线型的需要。

目前，世界上已开发出的众多异型材制品当中，以塑料门窗应用为最，而PVC门窗异型材在其中又占据了主导地位，约为塑料门窗总量的90%以上。

1.2.2硬聚氯乙烯塑料窗的发展历史

总结欧洲塑料窗的发展，大体经历了如下四个阶段：

①用塑料外包覆钢架或木框，实际上只起到了对芯材的防腐蚀作用。

②用PVC混合料挤出单腔室异型材制造的塑料窗，这种窗承受风压的能力和耐热变形性能都存在一定问题。

③挤出的PVC-U异型材（内部有塑料加强筋）为多腔室异型材，虽然其耐热变形性得到提高，但当承受较强的风压时仍存在一定问题，只能用作小面积窗体。

④挤出的多腔室PVC-U异型材内衬金属加强筋制成的整体窗，即目前各国通用的塑料窗。

第四代塑料窗的开发成功，解决了PVC-U塑料门窗生产的一系列技术工艺问题。

此后，确定了技术标准；安装施工技术规范；异型材有了专用原料和专用生产设备；小五金等配件不断改进完善；安装施工有了专用工具，塑料窗逐渐得到了人们的认可和欢迎。

目前，塑料门窗在德国已经形成了规模巨大、标准完善、技术成熟、高度发达的现代化产业。

塑料窗因其有独特的节能、隔热、隔音和防腐的优点，在欧洲迅速推广应用。

随之，塑料窗工艺技术和产品性能得到不断的改进和提高。

与此相适应，塑料异型材挤出机、挤出模具、混合设备、门窗组装设备也应运而生，不断发展。

同时，塑料窗配套产品的生产也获得长足进步。

塑料窗产品标准和配套标准相继制定、发布和实施，由此，以联邦德国、奥地利为首的欧洲塑料门窗形成了一个完整的体系。

20世纪80年代我国开始引进制造塑料门窗的设备和技术。

追溯我国开发塑料产品的根源，主要有以下三点。

首先，20世纪70年代末至80年代初期，我国PVC原料大量积压，价格很低，主要原因是没有足够的产品来消耗，因而当时急需开发、研制出可大量使用PVC原料的产品。

所以，经国内部分专家及技术人员赴国外考察和认真论证后，选定了PVC门窗这一具有发展潜力的产品。

其次，当时人们已开始具有环保意识，“以塑代钢、以塑代木”的口号就是当时提出来的，作为新生的高科技产品，塑料门窗异型材具有很强的生命力。

最后，众所周知，由于钢、木、铝门窗的保温、密封效果远不及塑钢门窗，因而使用塑钢门窗可以大量节约能源，符合国家大力提倡的节能号召，因此开发塑钢门窗就是大势所趋，更符合当时我国发展战略的总体规划。

基于以上三点基本原因，塑料门窗于1980年被正式列入国家“六五”重大科技攻关项目，并于1989年成立了塑料异型材及门窗制品专业委员会。

从1994年起全国化学建材发展开始进入了推广应用阶段，中国塑协及其专委会曾多次召开塑料异型材及门窗制品的生产技术交流会和产品推广应用会。

国家产业扶植政策力度的加大、从业人员的专业知识和技术水平的提高、国家扩大内需的需要，以及作为建筑业支柱行业之一的化学建材的持续高速发展等，对塑料门窗的数量、品种、规格、性能不断提出更多、更高的要求。

我国塑料行业不失时机的抓住这一难得机遇，促使我国塑料异型材和门窗行业不断上规模、上水平，在过去的20多年中得到了飞跃性的发展、。

1.2.3塑料窗框异型材的发展趋势

从开始使用到现在聚氯乙烯窗框型材已经有几十年的历史了，用于制造窗框异型材用的原料硬质聚氯乙烯使得型材的颜色几乎全部是白色的。

造成这一事实的主要原因在于除白色以外的其它颜色的聚氯乙烯异型材都很容易发生褪色或变色现象。

显然，这种白色PVC一统天下的现状远远满足不了人们在材料性能和建筑美学等方面的要求。

因此人们始终没有放弃新的聚氯乙烯型材的研究开发工作。

另外，PVC-U异型材生产过程中的粉尘和毒性以及PVC可能存在对环境的潜在危害等问题也不断引起人们的重视。

随着经济的发展和技术的进步，聚氯乙烯以下的发展出现了一些令人高兴的趋势，主要表现在PVC-U异型材的改性研究和制品开发上[1]。

PVC-U异型材的改进主要包括三个方面：

首先是生产彩色（深颜色）的PVC-U异型材；其次是改进配方和生产工艺；第三是改善PVC-U异型材与环境的协调性。

第2章塑料制件的结构设计及螺杆挤出机的选择

2.180型推拉窗框横截面的设计

2.1.1设计原则

推拉窗型材设计时，须研究和计算其窗型受力模式、承力大小、刚度高低，以选择最佳受力结构，充分发挥塑料具有的特性和功能。

（1）推拉窗型材应具有良好的力学机械性能，如抗低温冲击、抗弯、抗压、导热系数、线膨胀系数及维卡耐热等物理性能。

（2）推拉窗型材设计为满足密封、五金件安装、排水、配合等多种功能，设计带有沟、槽、凸起、内腔加强筋等结构，要考虑挤出机和挤出成型模具对型材设计的“制约”作用。

（3）推拉窗型材设计要考虑用户的使用要求，如立面形式、最大窗型尺寸、地区的温差，推拉窗应达到的气密、水密、抗风压强度和刚度及隔热等建筑功能。

（4）推拉窗的施工安装力求简便，墙体与推拉窗联接部位结构设计要考虑塑料推拉窗窗框的热膨胀系数。

2.1.2外形和空腔设计

本设计中80型推拉框的横截面结构主要借鉴于河北丰辉型材有限公司生产的HD-80推拉系列中的HD-80TLK结构。

结构图如图2-1所示.

2.1.3壁厚设计

壁厚尽可能均匀，这是异型材设计的一个基本原则。

因为这样有利于实现型材挤出过程的稳定流动和冷却定型过程的均匀冷却，这是提高型材挤出正品率的前提。

推拉框为构成窗子骨架的主型材，GB/T8814-2004《门、窗框用硬聚氯乙烯（PVC）型材》中对于主型材壁厚做出了相关规定（表

图2-180型推拉框横截面结构图

2-1）。

根据要求，本设计中推拉框的主要结构壁厚取3.0mm，分隔空腔的内筋厚度取2.0mm。

表2-1主型材壁厚分类（单位mm）

项目

A类

B类

C类

可视面

非可视面

≥2.8

≥2.5

≥2.5

≥2.0

不规定

不规定

2.1.4圆角设计

制品应避免直角，弯角处弧度也不能太小。

弯角处应按异型材的壁厚平滑圆弧过渡，以避免应力集中影响制品的强度。

由于物料通过模具尖角处受到的阻力最大，容易使物料滞留，引起物料流动不均匀，以致难于保证与其它部位的相同挤出速度，所以，转角处的半径R不能太小。

大的转角不仅有助于物料流动，使变形现象减少，而且可以减少转角处的应力集中。

最理想的转角是使内外侧的转角半径R同心。

一般圆弧过渡半径R应随型材壁厚来选取，壁厚在2mm以上者R取1.6mm，壁厚小于2mm者R取0.4～0.8mm。

通常外侧转角R至少为壁厚的1/2，不小于0.4mm，内半径不小于0.25mm。

2.2螺杆挤出机的选择

自20世纪80年代以来，我国塑料异型材、PVC塑料门窗行业发展迅速，拥有了世界第一位的产能规模和应用；原料、助剂、设备、模具、门窗附件等全部上下游产品完成了配套供应国产化的进程；塑料异型材及门窗行业基本掌握了产品的一流制造技术。

随着时代的发展，人们对于塑料门窗有了更多新的更高的要求，相应的PVC异型材挤出技术也有了更高的发展。

目前，双螺杆挤出机正在逐步替代单螺杆挤出机，成为塑料异型材挤出成型的主要机型。

与单螺杆挤出机相比，双螺杆挤出机有很大的优越性：

（1）生产能力大，根据理论计算，在相同螺杆直径下，双螺杆挤出机产量能达到单螺杆挤出机的4倍。

（2）能耗低，双螺杆挤出机的单位能耗仅为单螺杆挤出机的1/3～1/2左右。

（3）产品质量好，且在保证产品强度的条件下，原材料消耗下降约1/5～1/4。

（4）摩擦产生的热量少。

（5）塑料所受的剪切比较均匀。

（6）螺杆输送能力较大，挤出速度比较稳定，塑料在料筒内停留时间按较短。

（7）料筒自洁性能好。

（8）加料容易特别是PVC粉料。

现在，PVC异型材的挤出倾向于粉料直接挤出。

常用挤出机为排气式异向双螺杆挤出机。

异向双螺杆挤出机的显著特点是，它比同向双螺杆挤出机的物料输送能力和挤出能力强，在相同直径下，挤出量比同向挤出机一般高1倍左右。

物料在机内的滞留时间比同向机短，并且剪切发热小，物料分散充分、温差也小，物料温度分布十分均匀。

对加工热敏性塑料十分有利。

因此，它最适宜加工热稳定温度低的聚氯乙烯无毒配方，同时可减少稳定剂用量50%左右，不仅降低成本，而且有利于提高制品的物理性能，特别是冲击强度的提高。

故此，本设计选用排气式异向双螺杆挤出机作为型材挤出主机，不仅有利于提高生产质量，而且省去了单螺杆挤出机造粒工序，既节约能耗，由可以提高生产效率。

第3章产品配方设计

3.1配方设计目的

塑料异型材产品配方是按一定比例在树脂中混入各种助剂而形成的复合体系。

助剂的种类很多，具体有增塑剂、稳定剂、增韧剂、加工助剂、着色剂、抗氧剂、填料等。

配方设计是指选择在树脂中加入何种助剂，并确定其加入量大小的一个过程。

配方设计主要实现下面几方面的目的。

（1）改善树脂加工性能。

有些树脂品种（如PVC）加工性能很差，不加入适当的添加剂难于进行常规的加工。

（2）改善树脂的内在性能。

完全符合制品性能要求的树脂品种是很难找到的，即使有这样的品种，不是价格过高，就是难于加工。

因此，配方设计人员常选取性能最接近制品性能要求的树脂品种，并对其进行适当的改性，使之达到完全满足制品要求。

（3）降低成本。

物美价廉是每一个配方设计者的首选目标，因此，树脂及助剂在满足制品需求性能的前提下，其价格愈低愈好。

3.2配方设计原理

3.2.1配方设计应考虑的因素

纯PVC树脂性能较差，加工十分困难。

PVC是热敏性树脂，光热稳定性差，熔体粘度高，成型加工工艺范围狭窄，加工性能不好，抗冲击性能，尤其是低温抗冲击性能较差。

但是PVC体系同其他类材料比较，其物性指标和加工性能受各类添加剂、混炼技术和成型加工条件的影响较大，因而通过选配各类助剂，调整不同配方和加工条件，即可获得各项性能指标优异的窗框异型材。

窗框型材能够具有足够的刚性、强度、良好的耐冲击性，以及较好的加工性、光热稳定性，能够保证制品尺寸稳定，并在较宽的气候条件下，保持长期的机械性能及色泽，配方的设计至关重要。

配方设计时应着重应考虑以下因素：

（1）成型加工用的设备。

（2）成型加工方法和工艺对配方的要求。

（3）制品的性能、结构、用途、使用环境条件和期望的寿命。

（4）各类原材料的选择及用量，各组分间的组合、相互影响及协同效应。

3.2.2制品主要性能和原材料的关系

PVC配方中加入的各种助剂有利于改善PVC或其成品的性能，不同助剂对其性能的影响方面是不同的，人们希望得到的性能与助剂的关系如下所述。

（1）拉伸强度：

表征制品刚度。

一般随PVC树脂分子量增加，填料含量的减少，填料粒度的微细，成型加工塑化程度良好而增加。

随抗冲击改性剂用量增加而减少。

（2）冲击强度、伸长率、弯曲模量：

表征制品韧性。

一般随PVC树脂分子量增加、抗冲击改性剂用量增加、填料用量的减少（微细CaCO3除外）而增加。

应注意润滑剂的种类和用量有时也会影响制品的冲击强度。

特别在用ACR改性PVC体系中。

如润滑剂的选择和配合不当，可使抗冲击改性剂的作用全部失效。

（3）光稳定性：

表征制品耐候性及使用寿命。

随PVC树脂分子量增加，分子结构中支链减少而增加。

二盐基亚磷酸铅对紫外光有较强的吸收作用，其中亚磷酸阳离子抗氧作用也有助于其良好的耐候性，是已知在无碳黑存在情况下唯一具有良好电性能及耐候性稳定剂。

当它与金红石型TiO2并用时，可大大延长制品寿命。

此外，在气温较高、紫外光照射较强地区，可微量添加紫外线吸收剂如UV531、UV9等。

（4）加工性能：

PVC熔体粘度高，流动性不好，流动摩擦热大，制品表面粗糙。

PVC树脂的分子量和结构、加工助剂、润滑剂、抗冲改性剂及稳定剂等各类助剂的添加，都会影响或改善其物料流动性能。

配方最后确定要求配制的UPVC具有适宜的流动温度和良好的成型加工性。

3.2.3主原料和助剂的选择及作用

（1）PVC树脂

PVC树脂是制造窗框异型材的基本材料，其用量约占85%。

制造异型材通常选用悬浮聚合PVC树脂。

其性能应满足成型加工工艺和制品性能的要求。

PVC树脂平均分子量愈大，即聚合度n值愈大，材料机械性能愈高，耐低温及耐热性能愈好。

但成型加工温度愈高，流动性愈差，成型加工愈困难。

综合平衡各项性能，制造PVC异型材通常选用K值为65～68，平均聚合度为850～1000的SG-5型树脂。

表3-1为SG-5型PVC树脂的部分物化性能。

表3-1挤出成型时常用塑料的压缩比

项目

优等品

一等品

合格品

粘数/（ml/g）

（或K值）

（或平均聚合度）

118-170

68-66

1100-1000

杂质粒子数/个

挥发物含量/%

表观密度/（g/ml）

筛余物/%0.25mm

筛余物/%0.063mm

鱼眼数/（个/400m2）

100树脂增塑剂吸收量/g

白度（160℃，10min后）/%

残留氯乙烯含量/（mg/kg）

≤

≤

≥

≤

≥

≤

≥

≥

≤

16

0.40

0.45

2.0

90

20

20

74

8

30

0.40

0.42

2.0

90

40

19

-

10

90

0.50

0.40

8.0

80

-

-

-

-

（2）为了保证型材的使用寿命，且其各项技术指标如（硬度、拉伸强度、断裂伸长率、弯曲弹性模量、低温落锤冲击、维卡软化点、简支梁冲击强度、氧指数）都达到国标，须在选择助剂时必须想到光热稳定性，抗老化性对型材的物理性能要求，以及生产过程的生产效率，并要兼顾配方成本等因素，下面将不同助剂作简要阐述。

稳定剂

纯的PVC树脂对热极为敏感，当加热温度达到90℃以上时，就会发生轻微的热分解反应，当温度升到120℃后分解反应加剧，在150℃，10min，PVC树脂就由原来的白色逐步变为黄色-红色-棕色-黑色。

PVC树脂分解过程是由于脱HCl反应引起的一系列连锁反应，最后导致大分子链断裂。

PVC门窗生产中一般使用硬脂酸金属皂类稳定剂。

润滑剂

润滑剂的作用是降低物料之间及物料和加工设备表面的摩擦力，从而降低熔体的流动阻力，降低熔体粘度，提高熔体的流动性,避免熔体与设备的粘附，提高制品表面的光洁度等。

于减低了摩擦，使PVC混合料能在较低温度下加工。

润滑剂使用不可过多，否则会影响焊接强度。

一般使用脂肪酸、石蜡及金属皂类。

着色剂

着色剂除了使制品具有美丽的颜色外，还可提高耐光性，对延长型材的使用寿命起很大作用。

型材中一般使用的着色剂为TiO2，它具有屏蔽紫外线和反射红外线的作用，可提高耐热性和耐候性。

TiO2分为两种，金红石型和锐钛型。

金红石型光学稳定性强，适于户外使用。

钛白在PVC塑料门窗型材中的使用量为3～6phr。

加工改性助剂

由于PVC熔体延展性差，易导致熔体破碎；PVC熔体松弛慢，易导致制品表面粗糙、无光泽及鲨鱼皮等。

因此，PVC加工时往往需要加入加工助剂，以改善其熔体的缺陷。

加工助剂为一类可以改善树脂加工性能的助剂，其主要作用方式有三种：

促