电线电缆行业模具知识简介
一、概述
随着电缆行业发展需要、电缆产品种类的多样化以及客户对电缆产品的特殊需求型，电缆类模具的种类及要求也逐渐增加。目前，电缆行业涉及到的模具较多的有：拉丝、绞合模具；紧压成型模具、成缆模具；挤出模具等。下面我们对电缆行业常用模具进行大概梳理，并针对我们工作接触较多的模具进行解读。
二、拉丝、绞合模具的种类、性能及应用
2.1此类模具一般称为线模，可分圆模和型模，常用线模材料有钻石模、硬质合金模、聚晶模等。
a钻石模：钻石模也称金刚石，具有最高的硬度，耐磨，但价格较贵。在拉丝中，一般用在拉小规格单丝，如Φ0.40mm及以下规格。
b硬质合金模：在拉伸生产中，过去使用的钨钢模全为硬质合金模所代替的。因为硬质合金模拉伸模与钢模相比具有：耐磨性较好，抛光性好、对被加工金属的粘附性小，摩擦系数小，导热系数高和具有很高的耐腐蚀性。
c聚晶模：也称人造钻石，是目前最常用的模丝模，它具有耐磨性，但也有不足之处就是生产出产品表面不光滑。
d钨钢模：目前常用于铝拉，且使用寿命较短，一般用于过桥模，钨钢模耐磨性一般、价格低廉，其强度不适合于铜拉，拉制线芯表面不光滑。
2.2模孔结构图如下（图1）
2.2.1入口区和润滑区
a入口区：一般有圆弧，便于拉制线材进入工作区，不被模孔边缘所损伤；润滑液储蓄、并起到润滑拉制线材作用，在拉伸模孔中靠这部分来加大工作区的高一般为模坯总高H的25%，角度为60度。
b工作区：是整个模孔的重要部分，金属拉伸塑性变形是该区进行的就是金属材料通过此区由尺寸的截面。此区的选择主要是高度和锥角，高度的选择原则是：a，拉制软金属线材应拉制硬金属线材为短，b，拉制小直径线材应拉制较大直径线材为短，c，湿法拉伸应干式润滑拉伸为短，d，一般为定径区d的1～1.4倍。工作锥角根据下列原则选择：a，压缩率越小，工作锥角越小，b，拉制材料越硬，工作锥角越小，c，拉制小直径的材料的材料为小，一般有金属及其合金拉伸时，角度为16～26°，一般拉铜线圆锥角为16～18°，拉铝线时圆锥角为20～24°。
c定径区：它的作用是使制品得到最终尺寸，其高度的选择原则是：a拉制软金属材料较拉制金属材料要短，b拉制大直径材料应较拉制小直径的炎短，c湿式拉伸较之干式润滑拉伸的为短，一般选择h=0.5～1.0d。
d出口区：出口区是拉制材料离开模孔的最后一部分，它能保护定径区不致于崩裂，出口锥角可避免金属线材被定径的出口处损伤和停机时线倒退被括伤，一般为45°。
金属的强度极限与拉伸应力之比称为拉伸的安全系数。它的制范围：1.4～2.0。
三、紧压成型模具
电缆行业紧压成型类模具最常见的是异型压轮，适用于多芯电缆线芯的压制。按其用途及角度主要分：180°两芯电缆用、120°三芯电缆用、90°四芯或3+1芯电缆及3+2或4+1芯电缆用。也有将3+1芯、3+2芯及4+1芯电缆用紧压成型模具细分为：90°、100°等。
圆形线芯经异型压轮紧压后，可获得我们设计给定的形状，从而较小电缆的外径，节省材料。压轮的设计面积S与线芯计算面积S1的关系为：S=S1/k k—填充系数，等于紧压系数k1×延伸系数k2。根据线芯截面大小，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。以上均为全国标线芯的经验值，供大家可以参考，针对目前导体多元化的情形，k值一定需经验证后才能知晓。
影响S值的关键因素有大圆弧半径R及扇高H。因R、H值的计算公式较为烦琐，在此我就不详细说明，大家可以参考电线电缆手册第一册P1133页相关资料。
四、成缆模具
此类模具（图2）的设计主要是根据成缆模架的装配尺寸决定成缆压模的外形尺寸，其孔径根据我们成缆缆芯的外径来决定。注意的是，在模具的两端有圆弧过渡，在进线端需取一个较大圆弧来保护线芯，其主要计算方法可以采用下列方法
（本方法是实践归纳总结得出，仅供大家参考）：
1、测出成缆绞笼的最大外径D1，测出绞笼至压模架的距离L，利用三角形计算出角度α，见图3。
2、将α角引入到成缆模具中，从B点作α角线段BA与端面交于A点，作AB垂直平分线CO，作BO线与中心线垂直并相交CO线与O点，得到∠COB=α，设计时根据模架尺寸给定成缆压模的总长L1，设计给定成缆模定径区长度L2，出线区长度等于圆弧半径（一般R1取5或10），通过求三角函数关系得到我们需要的大圆弧半径R=OB（见图4）：
（L1-L2-L3）
cosα=
—AB
0.5×—AB
sinα=
—OB
通过以上公式，可以计算得到大圆弧半径R=—OB。
五、挤出模具
模具是产品定型的装置，是塑料挤出全过程中最后热压作用装置，其几何形状、结构形式和尺寸，温度高低、压力大小等直接决定电缆加工的成败，因此任何挤塑产品模具的设计、选配及其保温措施都受到高度重视。在用塑料挤出机挤制电线电缆的绝缘层和护套层时，模具是控制塑料挤包层厚度的关键。
一般挤出模具按挤出方式可分为：挤压式、挤管式、半挤管（挤压）式三种。其配合方式见图5：
5.1挤压式模具：模芯与模套定径区内侧有一定的距离，利用压力实现产品最后定型的，塑料通过挤压，直接挤包在线芯或缆芯上，挤出紧密结实、表面平整光滑。但其易偏心，使用寿命不长，配模要求较高，挤出线芯弯曲性能不好。适合用于小规格线芯的挤出；挤包要求紧密、外表要求圆整、均匀的线芯；以及塑料拉伸比较小者等。
5.2挤管式模具：模芯有“长嘴”，配合时一般将模芯嘴与模套口持平，这样就组成挤管式模具。其是利用塑料的可拉伸性，与挤压式模具相比，具有高效率、易调偏、挤出线芯的弯曲性能好、使用寿命长、配模互换性强等优点，但在挤出致密性、挤出质量等方面不如挤压式模具。
5.3半挤管式模具：又称半挤压式模具，模芯有“短嘴”，一般模芯模嘴在模套定径区的1/2处。半挤管式模具与挤管式模具大体相同，只是模嘴长度比挤管式短，模套定径区长度也比挤管式稍短，其吸取了挤管式和挤压式的优点，改善了上面两种方式模具的缺点，适用性较广，但线芯柔软性较差或线芯弯曲时，不宜采用此类模具挤出。
5.4模具的尺寸设计
5.4.1挤压式模具
5.4.1.1模芯（图6）
1）模芯外锥最大外径ΦD1：该尺寸是由模芯座的尺寸决定的，要求严格吻合，不得出现“前台”，也不可出现“后台”，否则会造成存胶死角，直接影响塑料组织和挤出表面质量。
2）内锥最大外径ΦD2：该尺寸决定于加工条件及模芯螺纹壁厚，在保证螺纹壁厚的前提下，ΦD2越大越好，便于穿线，也便于加工。
3）连接螺纹M1：该尺寸必须与模芯座的螺纹尺寸一致，保证螺纹连接紧密。
4）模芯孔径Φd1：此尺寸是影响挤出质量最大的结构尺寸，按线芯结构特性及其几何尺寸设计。一般情况下，单线取d1=线芯直径+（0.05～0.15）mm；绞合线芯取d1=线芯外径+（0.3～1.3）mm，具体根据线芯大小而定。
5）模芯外锥最小外径Φd2：实际上是模芯出线端口厚度的尺寸，端口厚度Δ=1/2（d2-d1）不能太薄，否则影响模具使用寿命；也不宜太厚，否则塑料不能直接流到线芯上，且在结合处容易形成涡流区，引起挤出压力的波动，挤出质量不稳定，一般壁厚控制在0.5～1mm为宜。
6）模芯定径区长度l1：l1决定了线芯通过模芯的稳定性，不能设计的太长，否则造成加工困难，工艺要求的必要性也不大，一般取l1=（0.5～1.5）d1。但同时必须考虑加工制造的因素，太短或太长，都会引起加工困难，在设计时需综合考虑，根据模芯总长度取一个合适的值。
7）模芯外锥角度β：这是设计给出的参考尺寸，从图6中不难看出，tgβ/2=（D1-d2）/[2*（L1-l2）]，即（L1-l2）=（D1-d2）/[2*tg（β/2）]。所以，模芯外锥部分长度可以依据上述决定的尺寸确定，经计算如果太长或太短，与机头内部结构配合不当，可回过头来修正锥角β，然后在计算外锥长度，直至合适。设计时，一般模芯外锥角度β应不大于45°，与模套内锥角度γ的角度差应控制在3～10°，具体应根据机头实际结构尺寸及挤出材料的不同，选择一个合理角度。
5.4.1.2模套（图7）
1）模套最大外径ΦD3：根据模套座（或机头内筒直径）设计，一般小于筒径2～3mm，此间隙工艺调整偏心、确保同心度的必须。
2）内锥最大直径ΦD4：这是模套设计的精密尺寸之一。其尺寸必须严格与模套座（或机头内锥）末端内径一致，否则装配后将产生阶梯死角，这是工艺设计不允许的。
3）模套定径区直径Φd3：这也是模套设计的精密尺寸之一。要根据产品外径、考虑挤出各工艺参数及塑料特性严格设计。一般d3=成品标称直径+（0.1～0.3）mm，根据材料的不同，有时则设计为d3=成品标称外径-（0.1～0.3）mm。
4）模套内锥角γ：角γ是由ΦD4、Φd3及模套长度制约的，角γ同时又受到与其配套的模芯的外锥角的制约，需控制模套内锥角γ-模芯外锥角β=3～10°。若角度差过小，保证不了挤出压力；角度差也不能太大，太大则挤出压力过大，减少挤出量，影响生产效率，可能会引起生产时厚度不能满足我们的工艺要求。
5）模套定径区长度l3：一般取l3=（0.5～1）d3为宜，定径区长些对成型有利，但越长阻力越大，影响产量。所以当模套孔径d3较大时，不能取上限。
6）模套压座厚度l4：按模套座深度（或机头内筒出口处深度）设计，一般要大0.5～1mm。
7）模套总长L2：这是设计给出的参考尺寸，由模套内锥角γ、模套内锥最大外径ΦD4及模套定径区长度l3来决定。但还应考虑到，设计的模套在装配时，模套最外端伸出机头部分的长度不宜过长，太长会影响传热效果，导致模套口塑料的温度受到影响，从而影响挤出质量。
5.4.2挤管式模具
5.4.2.1挤管式模芯（图8）
其结构设计除定径区部分外，其余外形尺寸与挤压式模芯基本相同，现对挤管式模芯定径部分的尺寸设计进行说明。
1）模芯定径区内径Φd1：又叫模芯孔径。
该尺寸根据选用材料的耐磨性、半制品（线芯或缆芯）尺寸的大小及其材质与外径规整程度等进行设计，一般设计为：绝缘时，d1=d线芯+（2～3）mm；护套时，d1=d线芯+（3～7）mm。通常，在设计模具规格时，应考虑系列化，将模具尺寸调整成整数。
2）模芯定径区外圆柱直径Φd2：从图8中，我们可以看出d2决定于d1及其壁厚δ，即d2=d1+2δ，这个壁厚的设计既要考虑到模芯的寿命，又要考虑塑料的拉伸特性及挤包紧密程度等因素，一般都设计为d2=d1+2（0.5～1.5）mm，即模芯壁厚为0.5～1.5mm。
3）模芯定径区外圆柱长度l1：该尺寸依照尺寸d1考虑挤出塑料成型特性设计，一般设计为l1=（0.5～1）d1+（1～2）mm。
4）定径区内圆柱长度l2：该尺寸由加工条件及半制品结构特性所决定。无论如何l2都必须比l1长2～4mm，主要是保证模芯模嘴部分的强度。
5.4.2.2挤管式模套（图7）
挤管式模套的结构型式与挤压式模套基本相同，如图7所示。所不同之处是其结构尺寸中的模套定径区的直径d3及其长度l3，必须按与其配合的挤管式模芯来设计。
1）模套定径区直径d3：该尺寸按挤管式模芯模嘴外圆直径d2、线芯或缆芯外径、挤包塑料厚度等因素来设计。一般设计为d3=d2+2δ厚度+拉伸余量。挤管式模具应用理论基础是塑料的可拉伸性，我们在设计模具时要了解塑料的拉伸特性，利用并控制它。
拉伸比的定义：塑料模口的圆环面积S1与包覆于电缆的圆环面积S2之比。（实际上，拉伸比就是面积转换）
S1=π/4（d32-d22）
S2=π/4（d挤包后2-d线芯2）
拉伸比K=S1/S2=（d32-d22）/（d挤包后2-d线芯2）
一般设计时，聚氯乙烯（PVC）的拉伸比取1.2～1.8，聚乙烯（PE）及交联聚乙烯（XLPE）的拉伸比取1.3～2.0。
则，模套定径区直径d3=d2+（2+K）δ厚度，K值根据绝缘和护套的不同，适当调整。由此，可以看出，挤管式模具的适用范围较广。
2）模套定径区长度l3：该尺寸往往根据塑料的成型特性和模芯定径区外圆柱的长度l2而定。一般设计为l3=l2-（1～6）mm，同时应满足l3=（0.5～1）d3mm，而且厚度小时取下限，否则，反之。
5.4.3半挤管式模具
半挤管式模具的设计与挤管式模具的设计基本是一样的，所不同的是：模芯——模嘴部分的长度没有挤管式长，且模嘴应在模套定径区的1/2处；模套——定径区的长度较挤管式模套的定径区稍短。其他参数的设计与挤管式模具的设计是一样的。
总之，设计模具时，除考虑材料、加工、使用寿命外，还应满足下列条件：①增加模具的压力，使塑料从机筒进入模具后的压力均匀稳定增加，增加塑料的致密性；②增长模具配合部分的塑料流动通道，使流动中的塑料进一步塑化，从而提高塑料塑化的程度；③消除模具配合中产生的流动死角，防止塑料在死角中发生老化、产生老胶。
5.5模具装配尺寸的设计
模具设计，可以先设计模芯再设计模套，也可以先设计模套再设计模芯。为了较少设计验证次数，一般先设计模套再设计模芯。
我们以65型挤出机机头来举例，已知机头装配尺寸，要求设计模芯、模套。
经测绘，得65型挤出机模头尺寸（见图9）。
1、先设计模套，根据模套拆装要求，其伸出模头的长度约10mm，则得到模套的总长10+20=30mm；
2、确定模套内锥最大外径=Φ25mm；
3、根据要求，确定模套定径区直径ΦD；
4、取定径区长度=0.5D；
5、计算模套内锥半角γ/2=ATAN（（25-D）/（2*（30-0.5D））*180/PI()；绘制模套的草图（见图10）；
6、因采用挤压式，模芯与模套的模间距L=2δ厚度；
7、选模头右边平面为基准面A，模芯口至基准面A的距离=10-2δ厚度；
8、为模芯拆卸方便以及模芯强度，选模芯伸出模头左边约10mm，则可以得到模芯总长=10+（10-2δ厚度）+65；
9、绘制模芯草图（图11）；
10、为便于调节偏芯，模芯螺纹长度一
般取8～10mm，即b=8mm；
11、根据模头尺寸结构，取d4=18mm；
12、根据第8条，我们知道模芯伸出模头
左侧10mm，则a+b=27+10=37mm，a=37-b=37-8=31mm；
13、为保证调偏螺钉能正面受力在模芯上，一般c取12～15mm，即c=15mm；
14、根据线芯大小，我们确定模芯定径区直径d1=d线芯+（0.2～0.5）mm，取d1=d线芯+0.2 mm，那么模芯外锥最小外径d2=d1+0.5*2=d线芯+1.2 mm；
15、那么根据以上数据，我们可以得出模芯外锥部分的长度=L-a-b-c=10+（10-2δ厚度）+65-31-8-15=31-2δ厚度mm；
16、根据锥角计算公式，求的模芯外锥角β=ATAN（（18-d线芯+1.2）/（2*（31-2δ厚度））*180/PI()
17、将计算出模芯的锥角β与计算的模套外锥角γ比较，看看其差值是不是符合我们设计要求，若在设计范围内，设计成功，绘制零件图；若有出入，再次循环以上内容，直至符合设计要求为止，但必须保证在满足角度的前提下，还必须满足装配上的要求。
以上，我们是用最简单的65型挤出机模具设计来举的一个例子，实际中比以上设计要复杂多，但万变不离其中，请大家在设计时，必须根据机头的装配图及零件图的尺寸来合理设计。具体步骤大致如下：
1、根据机头的零件图设计模套：
1.1先根据给定一个角度以及模套不要伸出机头太长的原则，将模套的总长确定；
1.2根据机头零件图，确定模套装配尺寸，包括模套内锥最大外径、模套外径等尺寸；
1.3根据产品工艺要求，暂现确定模套孔径及定径区长度；
1.4根据确定好的模套各数据，计算出模套的内锥角。
2、根据机头装配图、模芯座零件图以及设计好的模套，来设计模芯：
2.1首先确定挤出类型：挤压式、挤管式、半挤管式，确定好模芯与模套的距离；
2.2在机头装配图中，选择一个基准面，以基准面来计算相关长度；
2.3得到模芯的长度后，根据模芯座的结构尺寸确定模芯装配尺寸；
2.4根据线芯规格确定模芯孔径以及模芯外锥最小外径等尺寸；
2.5根据获得的模芯的相关数据计算处模芯外锥锥角，并验证与模套的角度差是否符合设计要求；
3、根据模芯、模套的相关尺寸绘制零件图，加工使用验证。
5.6下面，我们再简单介绍挤出机螺杆的压力及出胶量等方面的知识，供大家参考：
5.6.1普通挤出机用等距不等深螺杆（渐变型螺杆）的出胶量计算公式：
u×b×h1×h2 b×g×p×h12×h22
Q=-
h1+h2 b×η×L×（h1+h2）
其中：Q：挤出量cm3/min
u：螺杆在推进方向的速度（即螺杆转速）cm/min
b：螺槽的宽度（法向）cm
h1：填实点螺杆深度（进料口螺杆深度）cm
h2：端部螺杆深度（出料口螺杆深度）cm
g：重力加速度cm/min
η：塑料的粘度kg/cm·min
p：挤出压力kg/cm2
L：从填实点到端部螺纹展开长度（螺纹旋合长度）cm
从上式中，我们可以发现：
1、挤出压力越大，挤出量就越小；
2、螺槽深度越浅，挤出量越稳定；
3、螺槽宽度越大，挤出量越大，但宽度加大会使得螺纹宽度减小或塑化路径缩短；
4、螺纹深度要适当控制，螺纹深度越浅，则螺槽容积减小，挤出量减小，故太浅不行，但也不宜太深，太深则形成挤出量不稳定；
5.6.2塑料在螺杆中呈螺旋运动，螺杆旋转产生剪切力，产生的剪切力将塑料剪切塑化，不同的材料需要不同的剪切力，才能达到理想的塑化效果，故使用不同的材料，螺杆也应不同。产生的剪切应变率的大小是由螺杆与套筒间的剪切应变力所决定。
