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摘要：传统的塑料挤出成型技术也正朝着微型化方向发展,出現了塑料微挤出成型技术。成型出的微小截面塑料制品应用在许多重要领域，如塑料光纤、介入导管、汽车油管等。塑料微管以其独有的物理性能、化学性能、力学性能和加工性能在材料领域发挥着无以替代的作用。因此，研究基于流动平衡的塑料微管挤出模具设计具有非常重要的现实意义和广阔的应用价值。
关键词：微挤出；流道结构；流动平衡；模具设计
中图分类号：S611文献标识码： A
一、聚合物微挤出模具概述
塑料管材挤塑成形模具，简称管材模或挤管模，俗称挤管机头。
(一)挤出模具的作用
(1)将来自于挤出机料筒的塑料熔体由螺旋运动转变为直线运动，因此它必须有一定的长度。
(2)使熔体在流向口模时有一定的压力，以致制品密实，因此它的通路截面积必须是由大到小。
(3)保证塑料在到达机头内时塑化完成。
(4)通过定型段口模后，获得所要求截面形状的连续体。
(二)挤出模具的分类
挤出模具的机头按塑件出口方向分类，有直向机头和横向机头两种，其中直向机头有称直通式机头，它的料流方向和螺杆方向一致；横向机头又称为直角式机头，它的料流方向与螺杆周成为90度夹角。直向机头主要用于挤出薄壁管材，其结构简单，易于制造，因此我们在条件允许的情况下要尽量选用直向机头。直通式挤管机头的分流器和分流器支架设计成一体，拆装方便，适用于挤出小直径管材，如聚乙烯、聚酞胺、聚碳酸酯等塑料。
二、聚合物挤出模具流道结构设计
模具流道结构设计是设计的重点和难点。目前还没有成熟的理论可以指导微挤出模具的流道结构设计。因此我们选择使用ANSYS有限元分析软件的流体流动分析模块，在计算机上模拟出熔体在流道内的真实流动情况，得出速度场分布，通过对速度场的分析，设计出流动均匀性较好的挤出模具。流道结构中各参数的设计是保证流体流动平衡的重要条件，只有合理的优化设计各影响参数，才能使出口流动速度均匀平衡。
(1)流道结构设计原则
①机筒内的流道应呈光滑的流线型，流道中不允许有任何死区或死角，即尽量避免流道横截面急剧的突然变小、变大或转向。而且流道中的所有半径必须大于3mm。
②流道横截面大的区域，通常会导致热敏性塑料，如聚氯乙烯的热分解。对使用这类物料的挤塑模设计，应遵循“最小流道体积”原则。
③在设计机头成形区时，其截面形状必须要正确，应尽量减少离模膨胀效应和收缩效应的影响，保证塑料件截面形状满足设计要求。由于塑件的挤出胀大效应，使塑件在长度方向收缩而在截面形状尺寸上发生胀大，这样塑件的形状和尺寸与模口的形状尺寸在横截面的方向上出现偏差，因此，在设计机头时，一定要确定合理的流道尺寸，另外要对口模进行适当的形状和尺寸补偿，控制口模成形长度(塑料件截面形状的变化与成形时间有关)，从而保证了塑料件正确的截面形状和尺寸。
④应有足够的压缩比，压缩比是口模和芯棒在成形区的环隙截面积与流道型腔内最大料流处横截面积之比，它反映了熔融状塑料在挤出成形过程中的压实程度，为了使塑料件密实，根据塑料和塑料件种类的不同，应设计足够的压缩比。
⑤流道表面需抛光或研磨。若有必要也可镀铬。光滑的流道表面可减少熔体粘附流道表面的倾向、缩短熔体在模内的停留时间。
⑥无论是生产半成品或加工原材料，应设有平直的口模成形区，以使熔体的可逆形变在流道末端衰减至最小，且此处的温度应能单独控制。
⑦对于聚酯和聚酰胺这类聚合物熔体，在选择模具时，通常首选高强度高硬度，耐腐蚀钢材，因为此类材料冷却时在模壁上会产生巨大拉拔力，其力量会撕下镀铬层，而耐蚀钢只需硬化和抛光即可。
根据上述要求，本文选用的模具钢牌号为420SS，国标牌号为4Crl3。为耐烛塑料
模具钢，马氏体不锈钢。该模具钢具有优良的机械加工性能，经热处理后(淬火及回火)后，硬度可达到50HV，高硬度、高强度、耐腐烛性良好，适合制造高硬度、高耐磨性、耐腐烛性的塑料模具、透明塑料制品用模具等。
(2)结合上述流道设计原则，设计出如下图所示流道结构，如图1:
①此模具所要挤出的管材为五腔微管，如前所述，为了保证挤出管材的尺寸和形状精度达到要求，我们需要采用真空定径法，即在挤出过程中，在五腔微管的五个内腔中通气，所以我们需要从芯棒头中引出五个通气管。基于以上结构要求，直通式挤出机头已经不再适用，因此此处我们采用弯机头，即直角式机头。
角式机头的特点:结构比较复杂，制造困难;熔接痕(接合缝)只有一条;管子内部应力分布比较均匀;溶体流动阻力小，成形质量较高。
②因为采用的是直角式机头，所以流道中塑料熔体的流动行程长短不一，接近流道入口处流动行程较短，远离流道入口处流动行程较长。结合塑料熔体在宽流道处流动逨度快，在窄流道处流动速度慢的流动特点，为了使熔体在挤出过程中达到流动平衡(即在模具出口处横截面上各处速度相等)，我们采用芯棒中心线相对于口模中心线具有一定偏心量的流道结构设计方案(具体的偏心量值由后续的流动平衡分析确定)。并且将流道横截面设计为由两个偏心圆围成，以使流道从近入口处到远入口处逐渐过渡，由窄变宽。流道横截面图如图2所示。
③出于流道设计的流线型原则，即流道中不允许有任何死区或死角，尽量避免流道横截面急剧的突然变小、变大或转向，我们在流道入口和主流道的连接处采用椭圆弧过渡，并且将芯棒头设计成偏心形式，以便其与芯棒尾呈流线型衔接。
④流道不宜过长，如果流道较长;，则流道中的塑料熔体在流道中的存留时间较长，容易发生热分解，因此在保证熔体流动平衡的前提下，流道总长度越短越好，流道设计应遵循流道总长最小原则。
图1五腔微管挤出模具流道简图
图2 流道横截面图
⑤在入口流道与主流道衔接处(即流道拐角处)设有缓冲槽，有利于提高熔体在流道内的流动均匀性。
⑥考虑到本文采用的是正交试验法进行模具设计，需要选取相应的几个变量来进行正交试验。这就要求选取的变量在取值发生变化时不会影响其他变量的值，且变量在取值发生变化时，流道内部结构要产生实质性的变化。综合考虑各变量之间的相互制约和内在联系，同时又要将各个重要因素都体现在正交试验中，我们设计出了如上的流道结构。
三、挤出模具结构设计
(一)总体设计方案
由于挤出管材为五腔微管，需要进行通气，为使通气方便，选用直角式机头。为使加工方便且便于试模修模，口模与托架设计成两个零件，依靠压圈连接在一起。芯棒头为偏心零件，安装时需进行周向定位，设计时应先利用销钉对芯棒头芯棒尾相互位置进行定位，然后利用拉杆将芯棒头固定在芯棒尾上。如图3所示。
图3模具装配图
(二)连接部分的设计
机头和挤出机通过螺钉和法兰盘相连，法兰盘为挤出机自带零件，这里主要是指对挤出机头连接管的设计，设汁时主要考虑连接管与法兰盘、过滤板的配合，以便挤出机头能够较好的安装在挤出机上，如图4所示，尺寸Φ54、11根据法兰盘尺寸进行设汁、尺寸Φ25.5、Φ35根据过滤板内外径尺寸进行设汁、尺寸Φ44根据加热圈内径尺寸进行设计。连接管的总长为连接管拧入深度、法兰盘高度和选接管加热全长度之和，为装配方便，留有3-5mm的余量。设汁时应保证连接管与机头体连接紧密，流道不留料。
图4 连接管设计图
(三)机头体部分的设计
机头体是机头的主体，用于组装和支撑机头的各部分零件，是机头的核心零件。它的轴心为固定模芯的支架，它的一部分内孔是机头流道腔壁的主体。它的一端通过连接管与挤出机连接，连接处应密封，以防止塑料溶体的溢出。另一端与口模套和调节机构连接。
机头体内壁流道时由挤出机出口处引入的，然后过渡到模口。流道是渐变截面型腔，其入料端截面形状与挤出机出料口的截面形状相同，即为圆形，而后逐渐变化，最后过渡到模口处的形状与制品相似。这就要求机头体内壁流道部分加工时，尽量平滑的流线型过渡，不准有死角及四槽，以防物料在死角处停滞发生降解和分解。与连接管或口模的接口处均需平滑过渡，与可调节件的接口处则必须做到下游接口大于上游接口，以防调节过程出现挡阻现象。
机头体的外径和长度根据挤出机加热圈的内径和长度进行设计，以保证较好的加热效果。为了保证流道不漏料，机头体与芯棒尾之间为过渡配合，同时考虑到装卸的方便性，选用的过渡配合为H7/js6。机头体与托架之间留有径向间隙m(如图5所示)，以便调节口模芯棒的同轴度，设计口模芯棒的单□边间隙量为0.7mm，因此机头体托架单边间隙量应小于0.7mm，否则可能会损坏芯棒头，调节装置要保证有足够大的调节范围且调整灵活方便，因此托架与机头体之间的单边间隙量m应小于托架与挡圈之间的单边间隙量n，这里取机头体托架单边间隙m=0.5mm，挡圈托架单边间隙n=lmm。
图5调节装置设计示意间
结语
挤出模具工作时需要进行加热，因此设计时应根据挤出机自带加热圈的尺寸设计模具的外轮廓尺寸，以保证达到较好的加热效果。对挤出模具各零件进行设计时，要注意各零件间的配合，配合表面应相互连接紧密，以保证模具工作时不漏料。
参考文献
[1]赵丹阳，王敏杰，李凯，宋满仓，金翼飞.聚合物微挤出成型过程流动的均匀性[J].高分子材料科学与工程.2010(07)
[2]吴大鸣，刘颖，郭奕崇.精密医用塑料导管的应用前景[J].塑料制造.2006(06)
[3]邹维东，郭奕崇，吴大鸣，王景娜.小截面精密异型管材挤出模拟与实验研究[J].工程塑料应用.2006(03)
关键词：微挤出；流道结构；流动平衡；模具设计
中图分类号：S611文献标识码： A
一、聚合物微挤出模具概述
塑料管材挤塑成形模具，简称管材模或挤管模，俗称挤管机头。
(一)挤出模具的作用
(1)将来自于挤出机料筒的塑料熔体由螺旋运动转变为直线运动，因此它必须有一定的长度。
(2)使熔体在流向口模时有一定的压力，以致制品密实，因此它的通路截面积必须是由大到小。
(3)保证塑料在到达机头内时塑化完成。
(4)通过定型段口模后，获得所要求截面形状的连续体。
(二)挤出模具的分类
挤出模具的机头按塑件出口方向分类，有直向机头和横向机头两种，其中直向机头有称直通式机头，它的料流方向和螺杆方向一致；横向机头又称为直角式机头，它的料流方向与螺杆周成为90度夹角。直向机头主要用于挤出薄壁管材，其结构简单，易于制造，因此我们在条件允许的情况下要尽量选用直向机头。直通式挤管机头的分流器和分流器支架设计成一体，拆装方便，适用于挤出小直径管材，如聚乙烯、聚酞胺、聚碳酸酯等塑料。
二、聚合物挤出模具流道结构设计
模具流道结构设计是设计的重点和难点。目前还没有成熟的理论可以指导微挤出模具的流道结构设计。因此我们选择使用ANSYS有限元分析软件的流体流动分析模块，在计算机上模拟出熔体在流道内的真实流动情况，得出速度场分布，通过对速度场的分析，设计出流动均匀性较好的挤出模具。流道结构中各参数的设计是保证流体流动平衡的重要条件，只有合理的优化设计各影响参数，才能使出口流动速度均匀平衡。
(1)流道结构设计原则
①机筒内的流道应呈光滑的流线型，流道中不允许有任何死区或死角，即尽量避免流道横截面急剧的突然变小、变大或转向。而且流道中的所有半径必须大于3mm。
②流道横截面大的区域，通常会导致热敏性塑料，如聚氯乙烯的热分解。对使用这类物料的挤塑模设计，应遵循“最小流道体积”原则。
③在设计机头成形区时，其截面形状必须要正确，应尽量减少离模膨胀效应和收缩效应的影响，保证塑料件截面形状满足设计要求。由于塑件的挤出胀大效应，使塑件在长度方向收缩而在截面形状尺寸上发生胀大，这样塑件的形状和尺寸与模口的形状尺寸在横截面的方向上出现偏差，因此，在设计机头时，一定要确定合理的流道尺寸，另外要对口模进行适当的形状和尺寸补偿，控制口模成形长度(塑料件截面形状的变化与成形时间有关)，从而保证了塑料件正确的截面形状和尺寸。
④应有足够的压缩比，压缩比是口模和芯棒在成形区的环隙截面积与流道型腔内最大料流处横截面积之比，它反映了熔融状塑料在挤出成形过程中的压实程度，为了使塑料件密实，根据塑料和塑料件种类的不同，应设计足够的压缩比。
⑤流道表面需抛光或研磨。若有必要也可镀铬。光滑的流道表面可减少熔体粘附流道表面的倾向、缩短熔体在模内的停留时间。
⑥无论是生产半成品或加工原材料，应设有平直的口模成形区，以使熔体的可逆形变在流道末端衰减至最小，且此处的温度应能单独控制。
⑦对于聚酯和聚酰胺这类聚合物熔体，在选择模具时，通常首选高强度高硬度，耐腐蚀钢材，因为此类材料冷却时在模壁上会产生巨大拉拔力，其力量会撕下镀铬层，而耐蚀钢只需硬化和抛光即可。
根据上述要求，本文选用的模具钢牌号为420SS，国标牌号为4Crl3。为耐烛塑料
模具钢，马氏体不锈钢。该模具钢具有优良的机械加工性能，经热处理后(淬火及回火)后，硬度可达到50HV，高硬度、高强度、耐腐烛性良好，适合制造高硬度、高耐磨性、耐腐烛性的塑料模具、透明塑料制品用模具等。
(2)结合上述流道设计原则，设计出如下图所示流道结构，如图1:
①此模具所要挤出的管材为五腔微管，如前所述，为了保证挤出管材的尺寸和形状精度达到要求，我们需要采用真空定径法，即在挤出过程中，在五腔微管的五个内腔中通气，所以我们需要从芯棒头中引出五个通气管。基于以上结构要求，直通式挤出机头已经不再适用，因此此处我们采用弯机头，即直角式机头。
角式机头的特点:结构比较复杂，制造困难;熔接痕(接合缝)只有一条;管子内部应力分布比较均匀;溶体流动阻力小，成形质量较高。
②因为采用的是直角式机头，所以流道中塑料熔体的流动行程长短不一，接近流道入口处流动行程较短，远离流道入口处流动行程较长。结合塑料熔体在宽流道处流动逨度快，在窄流道处流动速度慢的流动特点，为了使熔体在挤出过程中达到流动平衡(即在模具出口处横截面上各处速度相等)，我们采用芯棒中心线相对于口模中心线具有一定偏心量的流道结构设计方案(具体的偏心量值由后续的流动平衡分析确定)。并且将流道横截面设计为由两个偏心圆围成，以使流道从近入口处到远入口处逐渐过渡，由窄变宽。流道横截面图如图2所示。
③出于流道设计的流线型原则，即流道中不允许有任何死区或死角，尽量避免流道横截面急剧的突然变小、变大或转向，我们在流道入口和主流道的连接处采用椭圆弧过渡，并且将芯棒头设计成偏心形式，以便其与芯棒尾呈流线型衔接。
④流道不宜过长，如果流道较长;，则流道中的塑料熔体在流道中的存留时间较长，容易发生热分解，因此在保证熔体流动平衡的前提下，流道总长度越短越好，流道设计应遵循流道总长最小原则。
图1五腔微管挤出模具流道简图
图2 流道横截面图
⑤在入口流道与主流道衔接处(即流道拐角处)设有缓冲槽，有利于提高熔体在流道内的流动均匀性。
⑥考虑到本文采用的是正交试验法进行模具设计，需要选取相应的几个变量来进行正交试验。这就要求选取的变量在取值发生变化时不会影响其他变量的值，且变量在取值发生变化时，流道内部结构要产生实质性的变化。综合考虑各变量之间的相互制约和内在联系，同时又要将各个重要因素都体现在正交试验中，我们设计出了如上的流道结构。
三、挤出模具结构设计
(一)总体设计方案
由于挤出管材为五腔微管，需要进行通气，为使通气方便，选用直角式机头。为使加工方便且便于试模修模，口模与托架设计成两个零件，依靠压圈连接在一起。芯棒头为偏心零件，安装时需进行周向定位，设计时应先利用销钉对芯棒头芯棒尾相互位置进行定位，然后利用拉杆将芯棒头固定在芯棒尾上。如图3所示。
图3模具装配图
(二)连接部分的设计
机头和挤出机通过螺钉和法兰盘相连，法兰盘为挤出机自带零件，这里主要是指对挤出机头连接管的设计，设汁时主要考虑连接管与法兰盘、过滤板的配合，以便挤出机头能够较好的安装在挤出机上，如图4所示，尺寸Φ54、11根据法兰盘尺寸进行设汁、尺寸Φ25.5、Φ35根据过滤板内外径尺寸进行设汁、尺寸Φ44根据加热圈内径尺寸进行设计。连接管的总长为连接管拧入深度、法兰盘高度和选接管加热全长度之和，为装配方便，留有3-5mm的余量。设汁时应保证连接管与机头体连接紧密，流道不留料。
图4 连接管设计图
(三)机头体部分的设计
机头体是机头的主体，用于组装和支撑机头的各部分零件，是机头的核心零件。它的轴心为固定模芯的支架，它的一部分内孔是机头流道腔壁的主体。它的一端通过连接管与挤出机连接，连接处应密封，以防止塑料溶体的溢出。另一端与口模套和调节机构连接。
机头体内壁流道时由挤出机出口处引入的，然后过渡到模口。流道是渐变截面型腔，其入料端截面形状与挤出机出料口的截面形状相同，即为圆形，而后逐渐变化，最后过渡到模口处的形状与制品相似。这就要求机头体内壁流道部分加工时，尽量平滑的流线型过渡，不准有死角及四槽，以防物料在死角处停滞发生降解和分解。与连接管或口模的接口处均需平滑过渡，与可调节件的接口处则必须做到下游接口大于上游接口，以防调节过程出现挡阻现象。
机头体的外径和长度根据挤出机加热圈的内径和长度进行设计，以保证较好的加热效果。为了保证流道不漏料，机头体与芯棒尾之间为过渡配合，同时考虑到装卸的方便性，选用的过渡配合为H7/js6。机头体与托架之间留有径向间隙m(如图5所示)，以便调节口模芯棒的同轴度，设计口模芯棒的单□边间隙量为0.7mm，因此机头体托架单边间隙量应小于0.7mm，否则可能会损坏芯棒头，调节装置要保证有足够大的调节范围且调整灵活方便，因此托架与机头体之间的单边间隙量m应小于托架与挡圈之间的单边间隙量n，这里取机头体托架单边间隙m=0.5mm，挡圈托架单边间隙n=lmm。
图5调节装置设计示意间
结语
挤出模具工作时需要进行加热，因此设计时应根据挤出机自带加热圈的尺寸设计模具的外轮廓尺寸，以保证达到较好的加热效果。对挤出模具各零件进行设计时，要注意各零件间的配合，配合表面应相互连接紧密，以保证模具工作时不漏料。
参考文献
[1]赵丹阳，王敏杰，李凯，宋满仓，金翼飞.聚合物微挤出成型过程流动的均匀性[J].高分子材料科学与工程.2010(07)
[2]吴大鸣，刘颖，郭奕崇.精密医用塑料导管的应用前景[J].塑料制造.2006(06)
[3]邹维东，郭奕崇，吴大鸣，王景娜.小截面精密异型管材挤出模拟与实验研究[J].工程塑料应用.2006(03)