一种自润滑低黏附挤出模具的设计及应用.pdf

设计了一种可以自由组合的新型挤出模具，模具工作面采用耐高温、化学性能稳定、胶料极难粘连特性的耐高温聚四氟乙烯（PTFE）材料涂氟和单件制作，同时使用SolidWorks软件进行3D建模，采用COMSOLMultiphysics软件进行温度场分析。新型模具利用PTFE的自润滑性构建的模腔工作面，改善了胶体在机头内部的流动性，降低了胶体在机身和机头的挤出压力及内摩擦生热，可广泛应用于高黏度塑料和橡胶的挤出，进一步提高设备的产量。关键词：聚四氟乙烯；自润滑；低黏附；耐高温；挤出模具；有限元分析中图分类号：TM202Design and Application of Self-Lubricating Low Adhesion Extrusion Die SleeveZHOU Jian,LI Kaidong,DENG Weijie,LI Kaichun,DAI Yanyong,(Guangzhou Nanyang cable group Co.,Ltd.,Guangzhou 511356,China)Abstract:A new extrusion die which can be combined freely was designed.The working surface of the die wasmade of high-temperature fluoroplastic PTFE material with high temperature resistance,stable chemical propertiesand difficult adhesion of rubber.At the same time,3D model was carried out with Solid Works software,and thethermal field analysis of heat conduction was carried out with COMSOL Multiphysics software.The new die usedthe die cavity working face constructed by the self-lubricating property of PTFE to improve the process fluidity ofcolloid in the head,reduced the extrusion pressure of colloid in the body and head,and reduced the internal frictionheat generation of colloid.It can be widely used for the extrusion of high viscosity plastics and rubber,and furtherimprove the output of the machine.Key words:PTFE;self-lubricating;low adhesion;high temperature resistance;extrusion die;finite elementanalysis0引言在电线电缆行业，传统橡塑挤出模具多为合金钢材料制作而成，材质表面能大，高温胶料在机头和模腔容易产生粘连，摩擦因数大，胶体压力增高，工艺流动性差，出胶量降低；同时，胶料在模口容易发生黏附、焦烧和硬化等不良现象，导致线缆表面粗糙、表面划伤等缺陷。在现代塑料挤出和注塑工业，特氟龙材料是不粘涂料的鼻祖,其耐高温、高化学稳定性 1、低摩擦因数以及极低表面能已被广泛研究 2-5。因此，如何利用聚四氟乙烯（PTFE）材料的低表面能，实现模具表面对高温熔融胶体的黏度减阻效果,改善熔融胶体在机头模腔内的流动性，降低胶料的强力黏附作用，提高绝缘或护套的表面质量，收稿日期：2 0 2 2-0 7-14作者简介：周建（197 2 一），男，高级工程师。E-mail:50文献标志码：AZHOU You,YAO Hongqing,YANG Tao文章编号：16 7 2-6 90 1（2 0 2 3)0 3-0 0 50-0 5成为高黏度橡塑材料实现高光洁生产挤出呕待解决的工艺问题。本工作采用PTFE通过氟塑料及其涂层技术，充分利用PTFE极低的表面能，对模芯和模套形成的模腔工作面进行最大程度的全氟化处理，设计出一种新型自润滑、低黏附、低粗糙度的挤出模具，极大增强了模具对高温熔融胶体的自润滑脱模和黏度减阻,改善了胶体在机头模腔内的流动性，降低了机头的压力，减少了胶体的内摩擦生热，解决了产品的黏模问题，提高产品的外观质量。本模具设计特别适用于高填充、高黏度、高黏附橡塑材料的挤出，尤其是可应用于新型低烟无卤聚烯烃B，级电缆绝缘和护套材料的生产。1传统模具结构形式传统电线电缆绝缘和护套挤出模具通常为金属材质，模芯和模套之间形成的模腔流道为硬质处理的抛光金属面。这种模具结构简单、生产使用方便、2023年第3期No.32023模具导热介质单一、升温速率较快。但模具的热稳定性差，金属表面与高温熔融胶体黏附性较大，熔融胶体的流动性差，同时在出模口容易发生粘连，导致塑料或橡胶制品的表面不光滑。传统模具结构形式，以挤管式为例,其结构设计图见图1。1(a)正视剖面图1一模套;2 一模芯图1金属模套传统结构设计图2聚四氟乙烯的特性2.1PTFE材料特性特氟龙系列具有耐高温、耐磨损、不沾黏以及耐化学性能稳定的特点，常用有PTFE、全氟乙烯丙烯共聚物（FEP）、可溶性聚四氟乙烯（PFA）、乙烯-四氟乙烯共聚物（ETFE）几种基本类型,其中,FEP使用温度最高为2 0 0；PFA连续使用温度最高为260;ET FE连续使用温度最高为150。PTFE由四氟乙烯聚合成的，化学式为一(CF,一CF,),一。PTFE 在特氟龙系列中耐温等级最高，可以在2 50 以下连续安全工作，最高使用温度为2 90 30 0，加热至415后开始缓慢分解。新型自润滑低黏附挤出模具采用工作面涂氟工艺或采用PTFE制作模具元件组合而成。涂氟材料和加工棒材均选用特氟龙产品系列中性能最好的PTFE，主要因为其具有耐高温、不粘连、自润滑和化学稳定性好等特点。2.2材料界面的摩擦系数PTFE中的碳氟键结构高度对称，由于主链上碳原子的表面被氟原子包裹，分子极性低，表面很难与一般橡塑聚合物形成范德华力中的定向力和诱导力,表面能相对较低,PTFE的临界表面张力在3134mNm范围，接触角大，塑料和橡胶很难浸润PTFE,不能黏附在PTFE上。因此PTFE材料具有不黏、低摩擦因数等特性。PTFE负载滑动时的摩擦因数在0.0 5 0.15之间,PTFE具有自润滑性强、易滑动、不黏附、易清洁等优点，实际上几乎所有物质均不与涂膜黏合。PTFE结晶度大，化学稳定性好，其溶胀和溶解电线电缆Wire&Cable极为困难。常用橡塑和增塑剂等化学物质与PTFE很难发生高聚物分子链成链域的互相扩散和缠结，不能形成较强的黏附力。两种材料界面的摩擦因数见表1,其中,钢材料之间和PTFE之间，是静摩擦因数，可以看出PTFE在模具中发挥自润滑的效果。表1各种材料的摩擦因数材料1材料2钢钢聚四氟乙烯钢2高密度聚乙烯(b)右视图聚氯乙烯聚酰胺PTFE各类塑料采用PTFE材料制作模套和涂氟模芯表面，充分利用PTFE不粘连特性，各类塑料与涂氟表面的摩擦因数在0.0 5 0.15范围内，低于塑料与钢质模具表面的摩擦因数（0.12 0.34），在高温挤出过程中，可以有效避免塑料、弹性体和橡胶等熔融体与金属合金模具因黏度高而黏附导致的机头模腔内流动性差、挤出压力大和出胶困难等问题,降低机头和机筒内胶料的内摩擦生热，防止在出胶模口发生胶料粘连，避免电缆护套制品表面出现划痕、表面粗糙不光滑的不良现象。利用PTFE不粘连特性制作内模套和模芯氟塑料工作面，可以实现挤出机的长时间连续生产的目的，即使粘连有少量胶料，也易于清理，通过简单擦拭，即可清除，因此缩短停机时间，节省工时，提高工作效率。3涂氟模具的结构设计挤出模具组合中的模芯工作面均采用PTFE进行涂氟处理，涂覆厚度不小于15m，以下主要按制品加工的外径尺寸，分别介绍90及以下规格和90及以上规格的挤出模套设计和制作的几种结构形式及其与涂氟模芯的配合。3.1小规格涂氟模套90及以下规格的挤出机的机头尺寸相对较小，机头流道空间很难设计成为复杂结构，其模芯、模套的工作面直接采用涂氟工艺，以增加模腔工作面自润滑效能，减小胶体和模具腔体的高温黏附，改善胶体流动性，减轻模口的黏模。模芯和模套的组合见图2。512023年6 月Jun.,2023摩擦因数0.150.05钢0.12 0.26钢0.4钢0.34PTFE0.04PTFE0.05 0.152023年第3期No.320231电线电缆Wire&Cable2023年6 月Jun.,2023234(a)正视剖面图1一模套；2 一模芯PTFE涂氟层；3一模芯；4一模套PTFE涂氟层图2 小规格的涂氟模具由图2 可知，模套与模芯的PTFE涂层和工作面形成氟塑料模腔流道。内模套圆锥面的设计，主要是为了降低圆锥面对胶体的黏性，减小挤塑过程中整个机头模腔的压力。PTFE涂氟工艺主要包括高温脱脂、表面预处理、喷涂工艺、高温固化以及后期处理等主要环节，工艺流程示意图见图3。高温表面脱脂预处理图3PTFE涂氟工艺流程示意图高温脱脂是将模具放入150 的高温炉中高温烘烤，进行脱脂老化，去除油污；表面预处理是采用按一定比例配制的38 0 m（40 目）、2 12 m（7 0 目）石英砂和8 0 m（18 0 目）棕刚玉，对模具进行喷砂处理，清除表面杂质，并用无水乙醇擦拭、清理和烘干，同时表面须达到一定的粗糙度，以增强涂层附着力；喷涂工艺是通过喷枪将分散在溶剂中的PTFE以高压速流方式喷涂在模具工作面上；高温固化是将经粉末涂层的模具放在烧结炉内，在330 40 0 高温中进行40 min左右的高温烧结，熔融塑化成膜，其中烧结温度、烧结时间以及冷却速率是影响涂层质量的主要工艺因素。涂层经过反复喷涂和高温烧结，直至得到工艺所需要的PTFE涂层厚度。后期处理是指对烧结完成并达到厚度要求的模具涂层进行抛光处理，涂层表面达到工艺规定的粗糙度要求。3.2加氟模套的单限位内嵌设计单限位加氟模套的结构设计见图4。由图4可知，单限位加氟模套，由金属外模套、PTFE内模套组成，金属外模套内表面设计成阶梯状嵌槽,用于PTFE内模套的支座定位，将PTFE内模套以较高同心度和配合度从进线口方向装配到外模座内。PTFE内模套孔径根据电缆外径进行选配5234(b)右视图(a)正视剖面图1一金属外模套；2 一PTFE内模套；3一模芯；4一模芯PTFE涂氟层图4单限位加氟模套的结构设计后，可以和外模套进行装配,PTFE内模套与模芯PTFE涂氟层工作面形成氟塑料模腔流道。这个模具设计方式中，PTFE内模套采用胶体的挤出压力实现固定，在挤出机生产的起始阶段，PTFE内模套固定存在一定的不稳定性。3.3力加氟模套的双限位内嵌式设计双限位加氟模套的结构示意图见图5。喷涂高温工艺固化个反复喷涂至工艺要求厚度(b)右视图后期处理7(a)正视剖面图1一金属外模套；2 一PTFE内模套；3一模芯；4一模芯PTFE涂氟层；5一压板；6 一拆卸沉孔；7一嵌槽定位台阶；8 一测温热电偶图5双限位加氟模套的结构设计由图5可知，双限位加氟模套由金属外模套、全氟内模套、压板以及测温热电偶组成。金属外模套内表面设计成阶梯状嵌槽，嵌槽定位台阶用于全氟内模套的嵌人定位，将PTFE内模套以较高同心度和配合度从出线口方向装配到金属外模套后，由PTFE内模套压板经螺纹旋转固定，形成整体的组合模套。金属内模套的孔径可以根据电缆外径设计，适配后与外模套进行组装，再采用PTFE内模套压板进行装配锁定。PTFE内模套与模芯PTFE涂氟层工作面形成氟塑料模腔流道。这个模具设计方案，是通过金属外模套和压板双向锁定PTFE内模套，在挤出机生产的整个过程中,PTFE内模套一直保持固定的稳定性，不受胶体挤出压力的干扰。56.2348(b)右视图2023年第3期No.32023根据双限位加氟模套的设计方案，采用SolidWorks软件进行3D建模，双限位加氟模套的金属外模套、PTFE内模套和压板盖的三组件装配结构见图6。电线电缆Wire&Cable2023年6 月Jun.,2023(a)涂氟模芯(b)金属外模套(a)金属外模套图6 双限位加氟模套的拆解图模套组合经装配后出口端和进口端的外形状态见图7。(b)PTFF内模套(c)压板盖(c)PTFF内模套图8 挤出模具的4个组件(d)压板盖321一涂氟模芯;2 一金属外模套;3一PTFE内模套;4一压板盖(a)加氟模套出线端视图图9挤出模具装配图要更长的预热时间。4.2多层模套的温度场分析按内外模筒壁间以及压板之间接触良好，导热系数对应选取10 45钢材和PTFE的数值，则导热速率可推导得到多层圆筒壁的热传导计算公式，采用COMSOLMultiphysics软件进行几何模型创建、定义参数、材料选择、边界设置和选择传热方程，实施(b)加氟模套内部视图网格划分，最后进行传热仿真计算。图7 双限位加氟模套的装配图根据模具图纸和元件的材质，采用COMSOL图8 展示了模具4个组件，挤出模具的装配图Multiphysics软件进行几何模型创建、定义参数、材见图9。料选择、边界设置和选择传热方程后划分网格，组合模套热传导的网格划分见图10。4组合模套温度场分析组合模套在环境温度条件下，冷机加热2.5h后的4.1材料导热系数温度场分析,见图11,因为PTFE的导热系数远小于钢PTFE的导热系数为0.2 56 Wm-1.-1,远小金属材料，需要延长加热升温时间，特别是较小直径的于铜（导热系数36 54Wm.-）、铝（导热系数电缆。PTFE模套的厚度对热阻影响较大。237Wm-1.-l）和紫铜（导热系数40 1W.在挤塑过程中，组合模套内模达到塑料熔体挤m-1.-1)等金属材料,属于不良热传导材料。对于出温度。此时熔融胶体在模腔内部相当于热源对内采用涂氟工艺加工的PTFE的涂层导热效能影响不模套的内侧进行加热升温，在某种程度上，氟塑料内大，但对采用棒材加工的厚壁内模套，必须考虑模套对机头模腔起到保温层的隔热效果。PTFE的热阻因素，与传统全钢制模套结构橡胶相4.3PTFE内模套的温度控制比，这种因素将导致机头内部出现升温延迟，从而需鉴于PTFE的工作温度的限制，在组合模套中532023年第3期No.32023图10 组合模套传热的网格划分长度/mm-500D(a)加氟模套出线端长度/mm100150(b)加氟模套内部图11组合模套加热过程的温度场分析设计和加装热电偶测温装置，用于测量PTFE内模54电线电缆Wire&Cable套的实际温度是否符合挤出工艺温度，同时也是为了控制PTFE内模温度不超过2 50，防止加热装置温度的失控，避免PTFE内模套和涂氟层熔融。根据电缆的绝缘层或护套层材料的特性，温度应控制在2 0 0 内。经实际使用验证，采用氟模技术加工的挤出模具，与相同形状的传统金属模具相比,挤出机的出胶(a)加氟模套出线端视图量可以增加10%15%，机头压力下降10%15%，胶料在模口粘连基本消失，制品表面质量获得了较大改善。WDZB1NYJY0.6/1kV3300+1150电缆的低烟、无卤、阻燃护套的机械性能见表2。表2 B，级低烟无卤阻燃护套的机械性能指标老化前抗张强度/（Nmm）老化前断裂伸长率/%(b)加氟模套内部视图老化后抗张强度(100,16 8 h)/(Nmm-2)表面温度/老化后断裂伸长率（10 0,16 8 h)/%425050240220200200uu/180150160140D100表面温度/425020024022050200wu/1800160140120-501032023年6 月Jun.,2023技术要求实测值9.011.21251809.012.0125170老化后抗张强度变化率/%-40 40老化后断裂伸长率变化率/%-40 40护套表面无划痕表面光洁，无划痕半挤压式挤出模具模口无黏连和流涎现象5结束语采用PTFE材料制作模具，模腔流道具有非常良好的自润滑、不黏附，以及优异的耐高温、高硬度、120高润滑、不黏附和摩擦因数较小等特点，可有效解决103高温条件下，高黏附橡塑材料与传统金属模具之间的摩擦力大、物料的流动性差、挤出压力大、模口粘连和焦烧硬化等问题，避免产品表面出现划痕、粗糙和不光滑等现象。氟模技术可以广泛应用于电线电缆用聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、热塑性弹性体、聚氨酯弹性体、乙丙橡胶、氯化聚乙烯橡胶以及高黏度低烟、无卤聚烯烃材料，特别是B1级电缆护套料等材料的良好挤出，也可以应用于化工和建筑行业用塑料管材和异型材的挤出加工领域。参考文献：1张广欣，汪星平，裴金东.橡塑模具表面含氟涂层浅析 J.化工生产与技术,2 0 14,2 1(5）：1-3.2邹德荣.含氟防粘涂料在金属模具中的应用J.现代塑料加工应用,2 0 0 3,15(3):2 1-2 3.3黄震，张晓丽.一种适于提高氟塑料粘接性能的表面改性剂J.试验与研究,1999,（2：6 7-6 8.4董高峰.聚四氟乙烯的表面处理与粘接J.腐蚀与防腐，2006,27(5):259-262.5陈平，尹桂荣.聚四氟乙烯材料与AL合金粘接工艺研究J.电子工艺技术,2 0 14,35(6)：36 4-36 7.7-6