Extrusion Die Head Explained: Function, Types, Materials, Selection, and Maintenance

押出ダイヘッドとは何ですか?

押出ダイヘッドは、単軸または二軸押出機の吐出端に取り付けられる精密流量分配ユニットです。ケーブル製造では、溶接線、デッドスポット、または温度勾配を生じさせることなく、連続した同心円状の層で移動する導体の周囲に溶融ポリマーを巻き付けます。

その仕事は成形だけにとどまりません。また、適切に設計されたダイヘッドは、背圧を生成することでスクリューの安定した動作を促進し、スクリューからの圧力と温度の変動を均一にし、溶融物が導体の全周にわたって均一な速度で流れるように保ちます。

ケーブル押出ラインでの役割

• 溶融物をワイヤまたはケーブルコアの周囲に均一に分配します。
• ダイとチップの形状によって壁の厚さの比率を制御します。
• 1,000 m/分を超える速度でも同心度を維持します。
• スクリュー出力を安定させるのに十分な背圧を高めます。
• 流路全体のポリマー温度を均一に保ちます。

押出ダイヘッドの主要コンポーネント

ダイヘッドの設計は機械メーカーによって異なりますが、中心的な要素は同じです。各コンポーネントには特定の役割があり、それらのいずれかに小さな磨耗や位置合わせの誤差があると、完成したケーブルにすぐに現れます。

これらの部分はシステムとして連携して動作します。ガイドコアが中心にあるものの、ダイリングが片側で 0.02 mm 摩耗している場合、壁厚の変動は薄い FEP 層で /-0.03 mm を超える可能性があり、これは静電容量が顧客の要件の外にシフトするのに十分です。

これらのそれぞれが完全な配線にどのように適合するかは、以前に説明した内訳で確認できます。 押出機を構成するコンポーネント .

押出ダイヘッドの仕組み

溶融物は押出機のフランジからヘッドに入り、ブレーカープレートを通過して、スプレッダーの周りを流れます。スプレッダーは、ポリマーを円形の流れからガイド チップを囲む環状リングに再分配します。導体はヘッドの中心を通り、出口のダイリングが最終的な直径を制御します。

3 つの設計変数が最も重要です。

• ランド長さ ：金型出口の直線部。ランドが長いと流れが安定しますが、圧力損失が増加します。
• 抜き勾配角度 : ランドにつながるテーパー。角度が急すぎると、高いせん断力と熱が発生します。テーパーが浅すぎると、厚くて動きの遅い境界層が生成されます。
• 流路バランス : 溶融経路は導体の周囲で対称でなければなりません。チャネル長の 10% の違いでも、検出可能な厚さの違いが生じます。

高温 FEP 絶縁の場合、通常の溶融温度は 380 ～ 420°C です。 100 mm のスチール ダイ リングは、室温と動作温度の間で約 0.4 mm 膨張する可能性があるため、最終的な同心度調整を行う前に、ヘッドが完全な熱平衡に達するまで待つ必要があります。

溶融物は導体よりも大きいチューブとして排出されます。押し出されたチューブは、必要な最終直径まで引き抜かれます。ダイの形状、ドローダウン、および引き上げ速度の関係によって、最終的な壁の厚さが決まります。

押出ダイヘッドの種類と用途

ケーブル構造が異なれば、異なるダイヘッドのコンセプトが必要になります。この選択は、工具のコストだけでなく、壁厚の許容差や達成できる最大ライン速度にも影響します。

加圧式ダイヘッド

圧力タイプのヘッドでは、溶融したポリマーがヘッド内の導体と接触し、結合層として排出されます。この設計は、ポリマーとケーブルコアの間の接着が必要なシースおよびジャケットの用途に一般的です。圧力により、ポリマーは導体表面と接触した状態に保たれます。

チューブタイプダイヘッド

チューブタイプのヘッドでは、最初に溶融ポリマーのチューブが形成され、その後、多くの場合真空補助を使用して、ダイの出口後に導体に適用されます。このタイプは、導体にかかる引張応力を軽減し、より速いライン速度を可能にするため、薄い絶縁層に適しています。

FEPおよびPFA用高温ダイヘッド

フッ素ポリマーには耐食性の流路と正確な加熱制御が必要です。ヘッドは、400℃以上での連続運転にスケールを発生させずに耐えられる材料で作られていなければなりません。ジェムウェルはそれを組み合わせます FEP/PFA高温芯線絶縁押出機 溶融温度の偏差を /-5°C 以内に保つダイヘッドを使用すると、 壁の厚さがわずか 0.09 mm の場合は重要です .

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発泡ダイヘッド

化学発泡プロセスでは、発泡剤が早期に膨張しないように、ヘッドを通る圧力プロファイルを注意深く制御する必要があります。ヘッド圧力は、溶融物がダイから出るまでガスの膨張を抑制するのに十分な高さを維持する必要があります。これが、PE/PP/PU 発泡断熱ラインが固体断熱ヘッドの代わりに専用のダイヘッド形状を使用する理由です。

多層および共押出ヘッド

発泡スキン絶縁体や接着ジャケット構造などの多層ケーブルには、単一のフロー チャネル内で 2 つ以上の溶融ストリームを組み合わせる共押出ヘッドが必要です。ヘッドの形状は、各層が結合する前に平行かつ均一に保つ必要があり、層間の界面にこぶやうねりが発生してはなりません。

クロスヘッド設計とストレートスルー設計

ほとんどのケーブルの絶縁および被覆ラインでは、導体が押出機の軸に対して 90° で入るクロスヘッドが使用されます。ストレートスルーヘッドはロッドや異形押出成形によく使用され、ワイヤーコーティングにはほとんど使用されません。クロスヘッドの 90° の曲がりは潜在的なデッド スポットであるため、ポリマーの劣化を避けるために、流路は十分な半径とスムーズな移行を考慮して設計する必要があります。

ダイヘッドの構造に使用される材料

ダイヘッドの材料の選択は、耐摩耗性、耐食性、動作温度での寸法安定性という 3 つの要件によって決まります。

• H13工具鋼 500℃まで硬度を保ち、靭性に優れているため、最も広く使用されているボディ材料です。
• 4140合金鋼 大きなボディに使用され、深刻な磨耗は見られませんが、機械加工が容易になります。
• ステンレス鋼 17-4 PH や 431 などは、フッ素ポリマーにさらされる流れ表面に使用されます。
• 窒化またはクロムメッキ 耐摩耗性が向上します。窒化された H13 表面は 1,000 HV を超える硬度に達することがあります。
• 炭化タングステンインサート 高速FEPラインのダイランドなど、摩耗が最も激しい領域で使用されます。

一般的な PVC、PE、PP、または PU コアの場合、同じ工具鋼ヘッド本体を使用できますが、流動面の仕上げと公差は用途に適合する必要があります。 Gemwell ビルドが完了しました PVC/PE/PP/PU ソリッドコアワイヤー絶縁押出機 ネジの出力範囲と使用する予定のワイヤ サイズ範囲に合わせたダイヘッドを使用します。

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LSZH およびその他の高充填コンパウンドの場合、純粋なポリオレフィンよりも腐食と摩耗が激しくなります。 PE に適切に機能するヘッドでも、LSZH では、特に鉱物フィラーの含有量が 40% を超える場合、6 か月以内に重大なダイリングの摩耗が発生する可能性があります。

ダイヘッドの性能に影響を与える要因

ダイヘッドの性能は、メルトレオロジー、工具の形状、および操作方法の結果です。最も影響力のある要因は次のとおりです。

これらに加えて、ライン速度とドローダウン率も考慮する必要があります。ドローダウン比が高すぎると、溶融物がダイと導体の間で過度に引き伸ばされ、ネックインや直径の変動が発生します。

適切な押出ダイヘッドの選択方法

ダイヘッドの選択は、押出機の選択とは別の決定ではありません。ヘッドは、ネジの直径、出力レート、ポリマー ファミリ、およびケーブルの構造に適合している必要があります。小型押出機にはヘッドが大きすぎると滞留時間が長くなります。ヘッドが小さすぎると、過剰な圧力降下が発生し、溶融温度が高くなります。

選択チェックリスト

1. ケーブルの構造を定義します: 固体絶縁体、発泡絶縁体、またはジャケット。
2. ポリマーファミリーと最高加工温度を確認してください。
3. 壁の厚さの範囲と必要な同心度の公差を定義します。
4. 最大ライン速度と対応する溶融出力を決定します。
5. 押出機のスクリュー径とフランジ寸法を確認してください。
6. 層構成に応じて圧力式ヘッドとチューブ式ヘッドを選択してください。

1 つのワークショップで複数の断熱材を使用する場合は、ヘッド全体を交換するのではなく、ガイド チップとダイ リングのみを交換できるモジュラー ヘッド設計を検討してください。

ジャケット層と厚肉シースについては、0.3 mm 絶縁層の流量要件が 1.5 mm ジャケットの流量要件と完全に異なるため、Gemwell は別個のヘッド設計を推奨します。私たちの LSZH/XLPE/TPE/TPU ワイヤーおよびケーブル シース押出機 より大きな流路と異なるダイランドアプローチを使用して、高出力時の過剰な圧力を回避します。

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ジャケット重ね着に合わせて頭のサイズを決める方法の詳細については、こちらの記事をご覧ください。 ケーブルシース押出機のナレッジベース 、構造と典型的な工具の形状を比較します。

メンテナンスと一般的なダイヘッドの問題

A die head can run for months without attention, but when problems appear, they tend to appear suddenly. The most common symptoms are wall-thickness variation, black specks, flow lines, and surface roughness.

Preventive Maintenance

• Disassemble the head and clean flow surfaces after every extended campaign.
• Inspect the land and the guide tip for scratches and edge rounding.
• Polish the flow surfaces to Ra 0.4 µm or better before reassembly.
• Check heater bands for cold spots and replace thermocouples with calibrated units.
• Re-torque head bolts to the recommended values after reaching operating temperature.

A complete routine operation, maintenance, and repair schedule for extrusion machines should therefore include the die head as a separate inspection item, because it wears differently from the screw and barrel.

Common Problems and Fixes

Frequently Asked Questions about Extrusion Die Heads

What is the difference between an extrusion die and an extrusion die head?

The die head is the complete assembly that distributes the melt, while the die itself is usually the replaceable ring at the exit that defines the final outside diameter. In daily shop-floor language, operators often say “die” when they mean the whole head, but in tooling design the distinction matters because the die is only one of several parts that control the geometry.

Can the same die head be used for solid insulation and foamed insulation?

Not normally. Foamed insulation requires a pressure profile that keeps the blowing agent compressed until the melt exits the die. Solid insulation does not need this constraint. Using a foaming head for solid layers can create excessive pressure and a rough surface; using a solid head for foaming can cause premature expansion inside the channel.

How often should an extrusion die head be cleaned?

The cleaning interval depends on the polymer. Thermoplastic materials such as PVC tend to degrade slowly and may require a head wipe-down every one to two weeks. Fluoropolymers and highly filled LSZH compounds need more frequent checks, and any stop of more than 20 minutes, or a visible pressure rise, is a reason to open the head and inspect the flow surfaces.

What causes eccentric insulation in a cable extruder?

Eccentric insulation is most often caused by a misaligned guide core, a worn die ring, or a misaligned conductor-guide tube. It can also come from uneven heater temperature around the head, which creates a viscosity difference between opposite sides of the flow channel.

Do die head materials matter for low-smoke halogen-free (LSZH) compounds?

Yes. LSZH compounds often have a high mineral filler content and generate acidic decomposition products. A standard H13 head will wear faster and may corrode. Nitrided or stainless-steel flow surfaces are a more reliable choice for LSZH, especially at high output rates.

How do I know if my die head is too large for the extruder?

Residence time and pressure drop are the main indicators. If you see a long delay between a color change and the new color appearing at the exit, or if the melt pressure at the head is too low to stabilize the screw, the flow channel is probably too large for the application.

Conclusion

The extrusion die head is the least visible but most influential part of a cable extrusion line. It determines whether a high-speed line can hold tight wall-thickness tolerance, clean surface, and stable diameter without constant operator intervention.

When you select a new extruder, evaluate the die head as carefully as the screw and drive. Match it to the polymer family, the wall-thickness range, and the maximum line speed. Then control the operating variables: melt temperature, head pressure, tooling alignment, and surface condition.

If you are chasing a tolerance problem in an existing line, start your investigation at the die head. In many cases, the screw is not the root cause; a worn or misaligned die head is . Gemwell designs each extruder around the specific head and tooling set, which is why cable makers use our lines for applications where consistent geometry matters.