電線(xiàn)電纜行業(yè)模具知識簡(jiǎn)介
一、概述
隨著(zhù)電纜行業(yè)發(fā)展需要、電纜產(chǎn)品種類(lèi)的多樣化以及客戶(hù)對電纜產(chǎn)品的特殊需求型，電纜類(lèi)模具的種類(lèi)及要求也逐漸增加。目前，電纜行業(yè)涉及到的模具較多的有：拉絲、絞合模具；緊壓成型模具、成纜模具；擠出模具等。下面我們對電纜行業(yè)常用模具進(jìn)行大概梳理，并針對我們工作接觸較多的模具進(jìn)行解讀。
二、拉絲、絞合模具的種類(lèi)、性能及應用
2.1此類(lèi)模具一般稱(chēng)為線(xiàn)模，可分圓模和型模，常用線(xiàn)模材料有鉆石模、硬質(zhì)合金模、聚晶模等。
a鉆石模：鉆石模也稱(chēng)金剛石，具有最高的硬度，耐磨，但價(jià)格較貴。在拉絲中，一般用在拉小規格單絲，如Φ0.40mm及以下規格。
b硬質(zhì)合金模：在拉伸生產(chǎn)中，過(guò)去使用的鎢鋼模全為硬質(zhì)合金模所代替的。因為硬質(zhì)合金模拉伸模與鋼模相比具有：耐磨性較好，拋光性好、對被加工金屬的粘附性小，摩擦系數小，導熱系數高和具有很高的耐腐蝕性。
c聚晶模：也稱(chēng)人造鉆石，是目前最常用的模絲模，它具有耐磨性，但也有不足之處就是生產(chǎn)出產(chǎn)品表面不光滑。
d鎢鋼模：目前常用于鋁拉，且使用壽命較短，一般用于過(guò)橋模，鎢鋼模耐磨性一般、價(jià)格低廉，其強度不適合于銅拉，拉制線(xiàn)芯表面不光滑。
2.2?？捉Y構圖如下（圖1）
2.2.1入口區和潤滑區
a入口區：一般有圓弧，便于拉制線(xiàn)材進(jìn)入工作區，不被?？走吘壦鶕p傷；潤滑液儲蓄、并起到潤滑拉制線(xiàn)材作用，在拉伸?？字锌窟@部分來(lái)加大工作區的高一般為模坯總高H的25%，角度為60度。
b工作區：是整個(gè)?？椎闹匾糠?，金屬拉伸塑性變形是該區進(jìn)行的就是金屬材料通過(guò)此區由尺寸的截面。此區的選擇主要是高度和錐角，高度的選擇原則是：a，拉制軟金屬線(xiàn)材應拉制硬金屬線(xiàn)材為短，b，拉制小直徑線(xiàn)材應拉制較大直徑線(xiàn)材為短，c，濕法拉伸應干式潤滑拉伸為短，d，一般為定徑區d的1～1.4倍。工作錐角根據下列原則選擇：a，壓縮率越小，工作錐角越小，b，拉制材料越硬，工作錐角越小，c，拉制小直徑的材料的材料為小，一般有金屬及其合金拉伸時(shí)，角度為16～26°，一般拉銅線(xiàn)圓錐角為16～18°，拉鋁線(xiàn)時(shí)圓錐角為20～24°。
c定徑區：它的作用是使制品得到最終尺寸，其高度的選擇原則是：a拉制軟金屬材料較拉制金屬材料要短，b拉制大直徑材料應較拉制小直徑的炎短，c濕式拉伸較之干式潤滑拉伸的為短，一般選擇h=0.5～1.0d。
d出口區：出口區是拉制材料離開(kāi)?？椎淖詈笠徊糠?，它能保護定徑區不致于崩裂，出口錐角可避免金屬線(xiàn)材被定徑的出口處損傷和停機時(shí)線(xiàn)倒退被括傷，一般為45°。
金屬的強度極限與拉伸應力之比稱(chēng)為拉伸的安全系數。它的制范圍：1.4～2.0。
三、緊壓成型模具
電纜行業(yè)緊壓成型類(lèi)模具最常見(jiàn)的是異型壓輪，適用于多芯電纜線(xiàn)芯的壓制。按其用途及角度主要分：180°兩芯電纜用、120°三芯電纜用、90°四芯或3+1芯電纜及3+2或4+1芯電纜用。也有將3+1芯、3+2芯及4+1芯電纜用緊壓成型模具細分為：90°、100°等。
圓形線(xiàn)芯經(jīng)異型壓輪緊壓后，可獲得我們設計給定的形狀，從而較小電纜的外徑，節省材料。壓輪的設計面積S與線(xiàn)芯計算面積S1的關(guān)系為：S=S1/k k—填充系數，等于緊壓系數k1×延伸系數k2。根據線(xiàn)芯截面大小，一般70mm2及以下，k1取0.84，k2取1.03；120 mm2～185 mm2，k1取0.83，k2取1.03；240 mm2及以上，k1取0.85，k2取1.02。以上均為全國標線(xiàn)芯的經(jīng)驗值，供大家可以參考，針對目前導體多元化的情形，k值一定需經(jīng)驗證后才能知曉。
影響S值的關(guān)鍵因素有大圓弧半徑R及扇高H。因R、H值的計算公式較為煩瑣，在此我就不詳細說(shuō)明，大家可以參考電線(xiàn)電纜手冊第一冊P1133頁(yè)相關(guān)資料。
四、成纜模具
此類(lèi)模具（圖2）的設計主要是根據成纜模架的裝配尺寸決定成纜壓模的外形尺寸，其孔徑根據我們成纜纜芯的外徑來(lái)決定。注意的是，在模具的兩端有圓弧過(guò)渡，在進(jìn)線(xiàn)端需取一個(gè)較大圓弧來(lái)保護線(xiàn)芯，其主要計算方法可以采用下列方法
（本方法是實(shí)踐歸納總結得出，僅供大家參考）：
1、測出成纜絞籠的最大外徑D1，測出絞籠至壓模架的距離L，利用三角形計算出角度α，見(jiàn)圖3。
2、將α角引入到成纜模具中，從B點(diǎn)作α角線(xiàn)段BA與端面交于A(yíng)點(diǎn)，作AB垂直平分線(xiàn)CO，作BO線(xiàn)與中心線(xiàn)垂直并相交CO線(xiàn)與O點(diǎn)，得到∠COB=α，設計時(shí)根據模架尺寸給定成纜壓模的總長(cháng)L1，設計給定成纜模定徑區長(cháng)度L2，出線(xiàn)區長(cháng)度等于圓弧半徑（一般R1取5或10），通過(guò)求三角函數關(guān)系得到我們需要的大圓弧半徑R=OB（見(jiàn)圖4）：
（L1-L2-L3）
cosα=
—AB
0.5×—AB
sinα=
—OB
通過(guò)以上公式，可以計算得到大圓弧半徑R=—OB。
五、擠出模具
模具是產(chǎn)品定型的裝置，是塑料擠出全過(guò)程中最后熱壓作用裝置，其幾何形狀、結構形式和尺寸，溫度高低、壓力大小等直接決定電纜加工的成敗，因此任何擠塑產(chǎn)品模具的設計、選配及其保溫措施都受到高度重視。在用塑料擠出機擠制電線(xiàn)電纜的絕緣層和護套層時(shí)，模具是控制塑料擠包層厚度的關(guān)鍵。
一般擠出模具按擠出方式可分為：擠壓式、擠管式、半擠管（擠壓）式三種。其配合方式見(jiàn)圖5：
5.1擠壓式模具：模芯與模套定徑區內側有一定的距離，利用壓力實(shí)現產(chǎn)品最后定型的，塑料通過(guò)擠壓，直接擠包在線(xiàn)芯或纜芯上，擠出緊密結實(shí)、表面平整光滑。但其易偏心，使用壽命不長(cháng)，配模要求較高，擠出線(xiàn)芯彎曲性能不好。適合用于小規格線(xiàn)芯的擠出；擠包要求緊密、外表要求圓整、均勻的線(xiàn)芯；以及塑料拉伸比較小者等。
5.2擠管式模具：模芯有“長(cháng)嘴”，配合時(shí)一般將模芯嘴與模套口持平，這樣就組成擠管式模具。其是利用塑料的可拉伸性，與擠壓式模具相比，具有高效率、易調偏、擠出線(xiàn)芯的彎曲性能好、使用壽命長(cháng)、配?；Q性強等優(yōu)點(diǎn)，但在擠出致密性、擠出質(zhì)量等方面不如擠壓式模具。
5.3半擠管式模具：又稱(chēng)半擠壓式模具，模芯有“短嘴”，一般模芯模嘴在模套定徑區的1/2處。半擠管式模具與擠管式模具大體相同，只是模嘴長(cháng)度比擠管式短，模套定徑區長(cháng)度也比擠管式稍短，其吸取了擠管式和擠壓式的優(yōu)點(diǎn)，改善了上面兩種方式模具的缺點(diǎn)，適用性較廣，但線(xiàn)芯柔軟性較差或線(xiàn)芯彎曲時(shí)，不宜采用此類(lèi)模具擠出。
5.4模具的尺寸設計
5.4.1擠壓式模具
5.4.1.1模芯（圖6）
1）模芯外錐最大外徑ΦD1：該尺寸是由模芯座的尺寸決定的，要求嚴格吻合，不得出現“前臺”，也不可出現“后臺”，否則會(huì )造成存膠死角，直接影響塑料組織和擠出表面質(zhì)量。
2）內錐最大外徑ΦD2：該尺寸決定于加工條件及模芯螺紋壁厚，在保證螺紋壁厚的前提下，ΦD2越大越好，便于穿線(xiàn)，也便于加工。
3）連接螺紋M1：該尺寸必須與模芯座的螺紋尺寸一致，保證螺紋連接緊密。
4）模芯孔徑Φd1：此尺寸是影響擠出質(zhì)量最大的結構尺寸，按線(xiàn)芯結構特性及其幾何尺寸設計。一般情況下，單線(xiàn)取d1=線(xiàn)芯直徑+（0.05～0.15）mm；絞合線(xiàn)芯取d1=線(xiàn)芯外徑+（0.3～1.3）mm，具體根據線(xiàn)芯大小而定。
5）模芯外錐最小外徑Φd2：實(shí)際上是模芯出線(xiàn)端口厚度的尺寸，端口厚度Δ=1/2（d2-d1）不能太薄，否則影響模具使用壽命；也不宜太厚，否則塑料不能直接流到線(xiàn)芯上，且在結合處容易形成渦流區，引起擠出壓力的波動(dòng)，擠出質(zhì)量不穩定，一般壁厚控制在0.5～1mm為宜。
6）模芯定徑區長(cháng)度l1：l1決定了線(xiàn)芯通過(guò)模芯的穩定性，不能設計的太長(cháng)，否則造成加工困難，工藝要求的必要性也不大，一般取l1=（0.5～1.5）d1。但同時(shí)必須考慮加工制造的因素，太短或太長(cháng)，都會(huì )引起加工困難，在設計時(shí)需綜合考慮，根據模芯總長(cháng)度取一個(gè)合適的值。
7）模芯外錐角度β：這是設計給出的參考尺寸，從圖6中不難看出，tgβ/2=（D1-d2）/[2*（L1-l2）]，即（L1-l2）=（D1-d2）/[2*tg（β/2）]。所以，模芯外錐部分長(cháng)度可以依據上述決定的尺寸確定，經(jīng)計算如果太長(cháng)或太短，與機頭內部結構配合不當，可回過(guò)頭來(lái)修正錐角β，然后在計算外錐長(cháng)度，直至合適。設計時(shí)，一般模芯外錐角度β應不大于45°，與模套內錐角度γ的角度差應控制在3～10°，具體應根據機頭實(shí)際結構尺寸及擠出材料的不同，選擇一個(gè)合理角度。
5.4.1.2模套（圖7）
1）模套最大外徑ΦD3：根據模套座（或機頭內筒直徑）設計，一般小于筒徑2～3mm，此間隙工藝調整偏心、確保同心度的必須。
2）內錐最大直徑ΦD4：這是模套設計的精密尺寸之一。其尺寸必須嚴格與模套座（或機頭內錐）末端內徑一致，否則裝配后將產(chǎn)生階梯死角，這是工藝設計不允許的。
3）模套定徑區直徑Φd3：這也是模套設計的精密尺寸之一。要根據產(chǎn)品外徑、考慮擠出各工藝參數及塑料特性嚴格設計。一般d3=成品標稱(chēng)直徑+（0.1～0.3）mm，根據材料的不同，有時(shí)則設計為d3=成品標稱(chēng)外徑-（0.1～0.3）mm。
4）模套內錐角γ：角γ是由ΦD4、Φd3及模套長(cháng)度制約的，角γ同時(shí)又受到與其配套的模芯的外錐角的制約，需控制模套內錐角γ-模芯外錐角β=3～10°。若角度差過(guò)小，保證不了擠出壓力；角度差也不能太大，太大則擠出壓力過(guò)大，減少擠出量，影響生產(chǎn)效率，可能會(huì )引起生產(chǎn)時(shí)厚度不能滿(mǎn)足我們的工藝要求。
5）模套定徑區長(cháng)度l3：一般取l3=（0.5～1）d3為宜，定徑區長(cháng)些對成型有利，但越長(cháng)阻力越大，影響產(chǎn)量。所以當模套孔徑d3較大時(shí)，不能取上限。
6）模套壓座厚度l4：按模套座深度（或機頭內筒出口處深度）設計，一般要大0.5～1mm。
7）模套總長(cháng)L2：這是設計給出的參考尺寸，由模套內錐角γ、模套內錐最大外徑ΦD4及模套定徑區長(cháng)度l3來(lái)決定。但還應考慮到，設計的模套在裝配時(shí)，模套最外端伸出機頭部分的長(cháng)度不宜過(guò)長(cháng)，太長(cháng)會(huì )影響傳熱效果，導致模套口塑料的溫度受到影響，從而影響擠出質(zhì)量。
5.4.2擠管式模具
5.4.2.1擠管式模芯（圖8）
其結構設計除定徑區部分外，其余外形尺寸與擠壓式模芯基本相同，現對擠管式模芯定徑部分的尺寸設計進(jìn)行說(shuō)明。
1）模芯定徑區內徑Φd1：又叫模芯孔徑。
該尺寸根據選用材料的耐磨性、半制品（線(xiàn)芯或纜芯）尺寸的大小及其材質(zhì)與外徑規整程度等進(jìn)行設計，一般設計為：絕緣時(shí)，d1=d線(xiàn)芯+（2～3）mm；護套時(shí)，d1=d線(xiàn)芯+（3～7）mm。通常，在設計模具規格時(shí)，應考慮系列化，將模具尺寸調整成整數。
2）模芯定徑區外圓柱直徑Φd2：從圖8中，我們可以看出d2決定于d1及其壁厚δ，即d2=d1+2δ，這個(gè)壁厚的設計既要考慮到模芯的壽命，又要考慮塑料的拉伸特性及擠包緊密程度等因素，一般都設計為d2=d1+2（0.5～1.5）mm，即模芯壁厚為0.5～1.5mm。
3）模芯定徑區外圓柱長(cháng)度l1：該尺寸依照尺寸d1考慮擠出塑料成型特性設計，一般設計為l1=（0.5～1）d1+（1～2）mm。
4）定徑區內圓柱長(cháng)度l2：該尺寸由加工條件及半制品結構特性所決定。無(wú)論如何l2都必須比l1長(cháng)2～4mm，主要是保證模芯模嘴部分的強度。
5.4.2.2擠管式模套（圖7）
擠管式模套的結構型式與擠壓式模套基本相同，如圖7所示。所不同之處是其結構尺寸中的模套定徑區的直徑d3及其長(cháng)度l3，必須按與其配合的擠管式模芯來(lái)設計。
1）模套定徑區直徑d3：該尺寸按擠管式模芯模嘴外圓直徑d2、線(xiàn)芯或纜芯外徑、擠包塑料厚度等因素來(lái)設計。一般設計為d3=d2+2δ厚度+拉伸余量。擠管式模具應用理論基礎是塑料的可拉伸性，我們在設計模具時(shí)要了解塑料的拉伸特性，利用并控制它。
拉伸比的定義：塑料?？诘膱A環(huán)面積S1與包覆于電纜的圓環(huán)面積S2之比。（實(shí)際上，拉伸比就是面積轉換）
S1=π/4（d32-d22）
S2=π/4（d擠包后2-d線(xiàn)芯2）
拉伸比K=S1/S2=（d32-d22）/（d擠包后2-d線(xiàn)芯2）
一般設計時(shí)，聚氯乙烯（PVC）的拉伸比取1.2～1.8，聚乙烯（PE）及交聯(lián)聚乙烯（XLPE）的拉伸比取1.3～2.0。
則，模套定徑區直徑d3=d2+（2+K）δ厚度，K值根據絕緣和護套的不同，適當調整。由此，可以看出，擠管式模具的適用范圍較廣。
2）模套定徑區長(cháng)度l3：該尺寸往往根據塑料的成型特性和模芯定徑區外圓柱的長(cháng)度l2而定。一般設計為l3=l2-（1～6）mm，同時(shí)應滿(mǎn)足l3=（0.5～1）d3mm，而且厚度小時(shí)取下限，否則，反之。
5.4.3半擠管式模具
半擠管式模具的設計與擠管式模具的設計基本是一樣的，所不同的是：模芯——模嘴部分的長(cháng)度沒(méi)有擠管式長(cháng)，且模嘴應在模套定徑區的1/2處；模套——定徑區的長(cháng)度較擠管式模套的定徑區稍短。其他參數的設計與擠管式模具的設計是一樣的。
總之，設計模具時(shí)，除考慮材料、加工、使用壽命外，還應滿(mǎn)足下列條件：①增加模具的壓力，使塑料從機筒進(jìn)入模具后的壓力均勻穩定增加，增加塑料的致密性；②增長(cháng)模具配合部分的塑料流動(dòng)通道，使流動(dòng)中的塑料進(jìn)一步塑化，從而提高塑料塑化的程度；③消除模具配合中產(chǎn)生的流動(dòng)死角，防止塑料在死角中發(fā)生老化、產(chǎn)生老膠。
5.5模具裝配尺寸的設計
模具設計，可以先設計模芯再設計模套，也可以先設計模套再設計模芯。為了較少設計驗證次數，一般先設計模套再設計模芯。
我們以65型擠出機機頭來(lái)舉例，已知機頭裝配尺寸，要求設計模芯、模套。
經(jīng)測繪，得65型擠出機模頭尺寸（見(jiàn)圖9）。
1、先設計模套，根據模套拆裝要求，其伸出模頭的長(cháng)度約10mm，則得到模套的總長(cháng)10+20=30mm；
2、確定模套內錐最大外徑=Φ25mm；
3、根據要求，確定模套定徑區直徑ΦD；
4、取定徑區長(cháng)度=0.5D；
5、計算模套內錐半角γ/2=ATAN（（25-D）/（2*（30-0.5D））*180/PI()；繪制模套的草圖（見(jiàn)圖10）；
6、因采用擠壓式，模芯與模套的模間距L=2δ厚度；
7、選模頭右邊平面為基準面A，模芯口至基準面A的距離=10-2δ厚度；
8、為模芯拆卸方便以及模芯強度，選模芯伸出模頭左邊約10mm，則可以得到模芯總長(cháng)=10+（10-2δ厚度）+65；
9、繪制模芯草圖（圖11）；
10、為便于調節偏芯，模芯螺紋長(cháng)度一
般取8～10mm，即b=8mm；
11、根據模頭尺寸結構，取d4=18mm；
12、根據第8條，我們知道模芯伸出模頭
左側10mm，則a+b=27+10=37mm，a=37-b=37-8=31mm；
13、為保證調偏螺釘能正面受力在模芯上，一般c取12～15mm，即c=15mm；
14、根據線(xiàn)芯大小，我們確定模芯定徑區直徑d1=d線(xiàn)芯+（0.2～0.5）mm，取d1=d線(xiàn)芯+0.2 mm，那么模芯外錐最小外徑d2=d1+0.5*2=d線(xiàn)芯+1.2 mm；
15、那么根據以上數據，我們可以得出模芯外錐部分的長(cháng)度=L-a-b-c=10+（10-2δ厚度）+65-31-8-15=31-2δ厚度mm；
16、根據錐角計算公式，求的模芯外錐角β=ATAN（（18-d線(xiàn)芯+1.2）/（2*（31-2δ厚度））*180/PI()
17、將計算出模芯的錐角β與計算的模套外錐角γ比較，看看其差值是不是符合我們設計要求，若在設計范圍內，設計成功，繪制零件圖；若有出入，再次循環(huán)以上內容，直至符合設計要求為止，但必須保證在滿(mǎn)足角度的前提下，還必須滿(mǎn)足裝配上的要求。
以上，我們是用最簡(jiǎn)單的65型擠出機模具設計來(lái)舉的一個(gè)例子，實(shí)際中比以上設計要復雜多，但萬(wàn)變不離其中，請大家在設計時(shí)，必須根據機頭的裝配圖及零件圖的尺寸來(lái)合理設計。具體步驟大致如下：
1、根據機頭的零件圖設計模套：
1.1先根據給定一個(gè)角度以及模套不要伸出機頭太長(cháng)的原則，將模套的總長(cháng)確定；
1.2根據機頭零件圖，確定模套裝配尺寸，包括模套內錐最大外徑、模套外徑等尺寸；
1.3根據產(chǎn)品工藝要求，暫現確定模套孔徑及定徑區長(cháng)度；
1.4根據確定好的模套各數據，計算出模套的內錐角。
2、根據機頭裝配圖、模芯座零件圖以及設計好的模套，來(lái)設計模芯：
2.1首先確定擠出類(lèi)型：擠壓式、擠管式、半擠管式，確定好模芯與模套的距離；
2.2在機頭裝配圖中，選擇一個(gè)基準面，以基準面來(lái)計算相關(guān)長(cháng)度；
2.3得到模芯的長(cháng)度后，根據模芯座的結構尺寸確定模芯裝配尺寸；
2.4根據線(xiàn)芯規格確定模芯孔徑以及模芯外錐最小外徑等尺寸；
2.5根據獲得的模芯的相關(guān)數據計算處模芯外錐錐角，并驗證與模套的角度差是否符合設計要求；
3、根據模芯、模套的相關(guān)尺寸繪制零件圖，加工使用驗證。
5.6下面，我們再簡(jiǎn)單介紹擠出機螺桿的壓力及出膠量等方面的知識，供大家參考：
5.6.1普通擠出機用等距不等深螺桿（漸變型螺桿）的出膠量計算公式：
u×b×h1×h2 b×g×p×h12×h22
Q=-
h1+h2 b×η×L×（h1+h2）
其中：Q：擠出量cm3/min
u：螺桿在推進(jìn)方向的速度（即螺桿轉速）cm/min
b：螺槽的寬度（法向）cm
h1：填實(shí)點(diǎn)螺桿深度（進(jìn)料口螺桿深度）cm
h2：端部螺桿深度（出料口螺桿深度）cm
g：重力加速度cm/min
η：塑料的粘度kg/cm·min
p：擠出壓力kg/cm2
L：從填實(shí)點(diǎn)到端部螺紋展開(kāi)長(cháng)度（螺紋旋合長(cháng)度）cm
從上式中，我們可以發(fā)現：
1、擠出壓力越大，擠出量就越??；
2、螺槽深度越淺，擠出量越穩定；
3、螺槽寬度越大，擠出量越大，但寬度加大會(huì )使得螺紋寬度減小或塑化路徑縮短；
4、螺紋深度要適當控制，螺紋深度越淺，則螺槽容積減小，擠出量減小，故太淺不行，但也不宜太深，太深則形成擠出量不穩定；
5.6.2塑料在螺桿中呈螺旋運動(dòng)，螺桿旋轉產(chǎn)生剪切力，產(chǎn)生的剪切力將塑料剪切塑化，不同的材料需要不同的剪切力，才能達到理想的塑化效果，故使用不同的材料，螺桿也應不同。產(chǎn)生的剪切應變率的大小是由螺桿與套筒間的剪切應變力所決定。
