型材的高速擠出技術(shù)是一項較嚴密的系統(tǒng)工程 ，從擠出機的選擇 、機頭的設計 、輔機的配套 、原料的配方 、工藝參數(shù)的設定調(diào)整都要科學 、合理 、先進 、協(xié)調(diào) ，所有這些是高速擠 出的手段和保證 。擠出速度是以線速度衡量的。

（1） 擠出機  生產(chǎn)小管材用的單螺桿擠出機 ，一般對 φ30 以下的小管（ 軟 、硬） 都可  以實現(xiàn)高速生產(chǎn) 。但是在現(xiàn)有基礎(chǔ)上要實現(xiàn)真正意義的高速生產(chǎn) ，雖然管材口徑小 ，但它的  擠出噸量不能小 ，這樣就要大幅度提高噸位產(chǎn)量 ，一般軟管能達到 20m/min 甚至更高 ，硬  管擠出成型速度可以低些 。這樣對小管配套 φ50 ~ φ60mm 的常規(guī)螺桿就可以了 ，高速擠出  線則要配套 φ70 ~ φ80mm 螺桿擠出機 。因要提高螺桿轉(zhuǎn)速 ，原料就會過度剪切難保證質(zhì)量。 這樣在轉(zhuǎn)速維持不變的情況下 ，可加大塑化量和擠出量 ，也就是加大擠出機規(guī)格 。再就是加  長螺桿 ，采用 30 ～35 的長徑比 ，螺桿形狀采用混煉效果好的螺桿設計（分離型帶混煉組  件），適當加深螺槽深度 ，增大擠出量 。大點的管材和異型材擠出可選用錐形雙螺桿或平行  雙螺桿擠出機 ，這樣異型材擠出線速度可達 3m/min 以上。

（2） 高速擠出機頭  在機頭設計上采用螺旋式機頭 ， 因螺旋機頭雖然加工困難 ，但能提供較大的機頭阻力 ，可保證機頭壓力的穩(wěn)定性和制品的密實度 。為克服加工難度大的缺點 ，可用一個機頭體 ，通過更換口模 、芯棒 、定徑套生產(chǎn)出多個品種  ( φ63 以下）。高速擠  出在設計口模 、芯棒時拉伸比要適當比普通管大一些 。有足夠的拉伸比，一是管子強度好， 二是可避免管材的壁厚超差 。高速生產(chǎn)線的冷卻定型也非常重要 ， 由于高速擠出生產(chǎn) ，定徑  套和冷卻水槽都要大大增長 ，定徑套用黃銅制作 ，軟管采用自動換卷的雙工位收卷機 ，冷卻水的溫度要控制在 20℃ 以下。

1） 高速擠出機頭的特點 。機頭又稱模頭 ，通常由機頸 、分流錐 、支承板 、壓縮套 、 口模 、芯模等幾個主要部件組成 ，高速機頭與普通機頭不同之處如下：

① 在相同的機頭長度內(nèi)縮短了容易引起形變和紊流的壓縮區(qū)段 ，增設了穩(wěn)流區(qū)段 ，使料流在機頭內(nèi)容易形成穩(wěn)定流動。

② 在進入機頸的預成型區(qū)段前增加了過渡區(qū)段，這樣在料流通過該區(qū)段后除了達到初 步有序流動外 ，還有較大的背壓 ，相對隔開了機頭內(nèi) 、外料流的影響 ，減少了剛從擠出機出 來的不穩(wěn)定料流對機頭內(nèi)穩(wěn)定料流的影響。

③ 擠出口模平直段較短， 約為普通機頭的 0. 7 ～0. 9 倍 ， 同時口模入口處有較大的空間。

④ 有較大的拉伸比 ，并隨制品結(jié)構(gòu) 、物料配方的變化而不同 ，一般在 1. 02 ～1. 12 之間 選取 。對制品不同形狀橫截面分開設置流道 ， 以減少界面應力 ， 防止流道壓力干擾。

2） 高速擠出機頭的結(jié)構(gòu)。

① 高速擠出管材機頭結(jié)構(gòu) 。如圖 1-35 所示 ，第一部分為預成型段 ， 由機頸 、分流錐組 成 ；第二部分為穩(wěn)流段 ， 由支承板構(gòu)成 ；第三部分為壓縮段 ， 由壓縮套和芯模壓縮部分組 成 ；第四部分為成型段 ， 由口模板和芯模的平直段構(gòu)成 。這種流道內(nèi)的熔融料擠出過程由厚 到薄變化 ，使塑化更均勻 ，并形成了一定的壓縮比 ，有足夠擠壓力 、擠壓速度 、擠出量和可 靠的密實度 ，有利于消除支承筋所產(chǎn)生的熔接痕 ，從而得到塑化均勻 、內(nèi)應力小 、形狀合理 的型坯。

② 高速擠出異型材機頭結(jié)構(gòu) 。圖 1-36 所示為高速擠出異型材機頭結(jié)構(gòu) ，在相同的機頭 長度內(nèi)縮短了容易引起形變和紊流的壓縮段 ，增長了穩(wěn)流段 ，使料流在機頭內(nèi)能最大限度地 形成穩(wěn)定流動 。 由于穩(wěn)流段比錐面的壓縮段長得多 ，相應地壓縮段較短 ， 因此不容易產(chǎn)生紊流 ，進入口模后能較快 、較好地消除形變應力 ，有利于型坯的定型和產(chǎn)品的物理力學性能穩(wěn) 定 。穩(wěn)流段加長設計兩塊支承板 ，后支承板固定分流錐 ，前支承板固定芯棒。

圖 1-35   高速擠出管機頭的基本結(jié)構(gòu)                       圖 1-36    高速擠出異型材機頭結(jié)構(gòu)

另外一個不同處是由于芯模是平直走向 ，無角度 ， 因而縮小了分流錐徑向的尺寸 ，也相 應減少了分流錐角度 ，有利于減少料流阻力 、預防高聚物降解 、方便提高擠出線速度。

還有一個特點是在芯模內(nèi)開設了單獨供料的流道腔 ，專門用于給型材內(nèi)筋供料 ，使它們 在通過預成型區(qū)后各走各的道 ，只是在離開機頭口模時才合到一起 。這樣在口模合流有利于 減少模內(nèi)料流的界面應力，且形變應力小 ，有利于提高線速度。

3） 高速擠出機頭設計的幾個技術(shù)參數(shù)。

① 流道 。一般為各自獨立流道 ， 面與面 、溝槽 、 內(nèi)筋等都是用 0. 5 ～ 1. 0mm 厚的分隔  筋隔開 ，這種分隔使料流在料道腔中不竄位 ，從而減小了料流的界面應力 ，對今后的修模、 改模也方便。

② 口模尺寸放大率 。放大率一般在 5% 左右 ，這樣擠出產(chǎn)品放大率小 ，其拉伸量也較小 ，拉伸小的產(chǎn)品殘留料應力也較小 。 由于放大率小 ，定型模與機頭靠得很近 ，較小的拉伸比就定型為產(chǎn)品 ，型材殘留應力小 ，力學性能有所提高。

③ 擠出機頭壓縮比 。在保證制品密實的情況下 ，機頭壓縮比常選擇比普通機頭略小， 約為 2. 5 ～4 ，一般選擇較小的壓縮比 。若壓縮比大 ， 因壓力過大 ，擠出量減小 ，物料滯留  時間長會使物料變黃 ，離模料坯膨脹更大 ，殘留應力大 ，對高速擠出不好 。所以選擇偏低的壓縮比。

④ 口模平直段長度 。 口模平直段過長，機頭壓力過大 ，擠出效率低 ，不利于高速擠出。 一般高速擠出平直段長度為常規(guī)擠出長度的 70% ～90% ，或者大約是口模間隙的 30 倍。

⑤ 口模橫截面型腔尺寸 。物料離模時有熔體的膨脹現(xiàn)象 ，牽引拉伸有收縮作用，進入 定型模遇水冷卻又要收縮 ，所以口模的橫截面型腔尺寸要選得適當 。截面型腔尺寸過小 ，型 坯通過拉伸收縮變小，進入定型模就無法充滿型腔并貼近定型模通過抽真空吸附成合格產(chǎn) 品 。只有口模橫截面型腔尺寸適當 ，定型模與擠出機頭口模距離合適 ，型坯能充滿定型模腔 ，真空吸附到位 ，才能成型合格制品。

     ⑥ 其他部分 。高速擠出機頭支架板流道長度要大于普通機頭 ， 因除了支承分流錐和型 芯外 ，還有一個匯流作用和向口模不斷供料作用 。支架板流道長 ，料流平穩(wěn) ，供料穩(wěn)定 ，可 承受的擠壓力也大些 。另外高速擠出機頭的擴張角和壓縮角比普通機頭要小 ，模體相對要大 ，模具材料要用不銹加硬調(diào)質(zhì)鋼制作。

（3） 高速擠出定型模

1） 定型模的作用 。通過真空吸附和冷卻介質(zhì)的熱傳導作用 ，將熔融型坯的熱量帶走， 冷卻到一定的溫度 ，定型為符合尺寸要求和形狀的制品。

2） 定型模的形式。

圖 1-37    干式管材定型模                 圖 1-38    濕式管材定型模             圖 1-39    濕式定型過程示意圖

① 干式定型 。圖 1-37 所示為干式管材定型模 。對于干式定型 ，冷卻水在密閉的流道中流動 ，水不直接接觸管材 ，散熱慢 ，熱傳導效率差 ，且在定型套內(nèi) ，管材直接和金屬內(nèi)表面 接觸 ，使摩擦阻力增大 ，冷卻效率降低。

② 濕式定型 。濕式定型的冷卻水直接和型材表面接觸 ，水環(huán)的內(nèi)孔與定徑套端面留有0. 2 ～0. 3mm 的間隙 ，有一層水膜進入制品表面直接冷卻 ，冷卻效率高 ，水的潤滑作用大大 降低了摩擦阻力 ， 因而大幅度降低了牽引功率 。圖 1-38 所示為濕式管材定型模。

③ 干濕組合式定型模 。干濕組合式定型通常采用在真空水箱噴淋水和噴淋水槽噴淋水或真空水箱后加浸沒式水箱（ 小型件）。對門 、窗 、異型材高速擠出線速度達 3 ～5m/min。 要加長冷卻定型區(qū) ，就要把多個水箱和多個真空定型模串聯(lián)起來 。為了保證直線度和防止變形 ，在后面的冷卻水箱中要設置幾塊甚至十幾塊定型直塊進行后續(xù)定型。圖 1-39 所示為濕式定型過程示意圖。

3） 高速擠出對模具的其他要求。

① 可靠性 。不但要保證產(chǎn)品質(zhì)量 ，還要能穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)。

② 通用性 。適用于不同物料和產(chǎn)品的生產(chǎn) ，不局限于單一產(chǎn)品。

③ 盡可能縮短模具換裝時間。

④ 降低真空和冷卻水的能量消耗。

⑤ 盡可能縮短模具研制 、試模的周期 ，降低生產(chǎn)費用和擠出模具的絕對價格。

（4） 原材料與配方  異型材配方比管材要求嚴格 。要達到高速擠出的目的 ，從原材料 到配方都選用優(yōu)級的 。常用配方有穩(wěn)定劑 、加工改性劑 、潤滑劑 、填充劑等幾種成分 。最近 新開發(fā)的稀土復合穩(wěn)定劑有許多優(yōu)點 ，如擠出過程中塑化良好 ，型材外觀漂亮 ，形狀尺寸穩(wěn)定 。但是定型模析出物較多 ，要清理定型模又不利于高速生產(chǎn) ，這是需要改善的。

加工改性劑最好使用共混改性的 PVC/ACR 體系 ，它具有更好的流變性能 ，在用量比 CPE 少的情況下 ，其塑化時間短 ，最大轉(zhuǎn)矩高 。在沖擊強度 、耐候性能和焊接強度等方面均有明顯提高 ，有利于高速擠出。

      潤滑體系對高速擠出作用非常重要 ，須用高分子復合型潤滑劑以滿足加工全過程的潤滑需要 ，達到適量與內(nèi)外潤滑的平衡是擠出對潤滑體系的基本要求。

好的配方是能得到穩(wěn)定的流變性能 、高的焊接強度 、 良好的冷沖性能 、好的表觀質(zhì)量， 并可降低配料成本 。在配方設計中還要考慮與模具的兼容性 ，配方變動不會影響模具的使用 。高速擠出還要充分考慮定型模積垢的排除方法 ，通過調(diào)節(jié)配方并改進工藝 ，解決積垢問  題 。另外還要選擇適應高速擠出型材的專用改性樹脂 ， 以提高高速擠出的穩(wěn)定性。

（5） 生產(chǎn)工藝  實現(xiàn)高速擠出必須配置技術(shù)成熟 、經(jīng)驗豐富的生產(chǎn)工藝和操作人員， 而國內(nèi)外企業(yè)對高速擠出技術(shù) 、工藝都保密 ，所以需要設計 、生產(chǎn) 、工藝 、操作人員在生產(chǎn)  現(xiàn)場不斷積累經(jīng)驗 ，不斷改進提高 ，才能使高速擠出技術(shù)不斷完善 、提高。

（6） 其他相關(guān)技術(shù)

1） 混料技術(shù) 。采用雙批混料工藝 ，其工作過程如下： 熱混時 ，加入正?；炝纤玫?/span> PVC 用量 ，而助劑加入量則是普通混料時單批 PVC 所需助劑的兩倍 。當熱混溫度達到 120℃  時 ，將熱混料卸入冷混機 ，在冷混機中事先已經(jīng)加入單批混料所需的 PVC 。這時冷混不僅  要冷卻含有兩倍助劑的已預塑化的 PVC ， 同時還要將其與純 PVC 混合起來 。使用這項技術(shù)， 加工時可以節(jié)能 44% ，并增加混合料產(chǎn)量 70% 。

2） 加料方式 。一般都采用計量加料方式 ， 以保證擠出的穩(wěn)定性。

3） 加熱冷卻系統(tǒng) 。加熱采用電加熱方式 ，冷卻一般用風冷卻 ，容易操作和維修。

1. 5. 5   管材擠出自動控制技術(shù)

1） 配置新型激光測量儀 ，連續(xù)監(jiān)測型材尺寸，并根據(jù)結(jié)果調(diào)整牽引機和擠出機速度， 從而有效地保證質(zhì)量。

2） 在自動生產(chǎn)線裝一個德國公司生產(chǎn)的 C4 微信息處理機 。該處理機包括一個用于遠 程誤差分析的存儲器 ，它可以通過調(diào)質(zhì)解調(diào)器或網(wǎng)絡服務器從用戶機器將操作數(shù)據(jù)傳送到服 務中心 ，這樣可以監(jiān)控轉(zhuǎn)矩 、熔體壓力 、溫度和牽引速度等參數(shù) ， 以便更好地控制質(zhì)量和 產(chǎn)量。

管材的自動控制工藝流程如下：

圖示工藝流程線路圖是浙江省邁得自動化公司生產(chǎn)的醫(yī)用一次性輸液導管自動化生產(chǎn)線 的流程圖 ，它選用德國西門子公司生產(chǎn)的軟件 ，配套光學測徑儀 LS-7030M 測量頭 ，可自動 測量管子的外徑 、內(nèi)孔 、壁厚公稱值及公差值 ，并自動顯示在顯示屏幕上。

① 可以利用牽引機的線速度與對應直徑值來設定參數(shù)值實現(xiàn)閉環(huán)控制 ，牽引機配速度 傳感器 ， 當直徑值發(fā)生波動時 ，通過軟件的聯(lián)動 ，使牽引速度微調(diào)自動修正誤差 ，在調(diào)試過 程中要先把相關(guān)技術(shù)參數(shù)設定準確。

② 也可以利用螺桿的轉(zhuǎn)速與導管直徑波動變化值微調(diào)螺桿速度傳感裝置來實現(xiàn)閉環(huán)聯(lián) 動控制 ，確保導管直徑保持在公差范圍內(nèi)。

③ 還可以用擠出壓力或流速流量與標準直徑 ，再應用精密熔體齒輪泵 ，依據(jù)壓力或流 速流量傳感裝置實現(xiàn)閉環(huán)全自動控制 。當直徑大小波動時 ，微調(diào)精密齒輪泵轉(zhuǎn)速來控制 尺寸。

④ 用先進的加料裝置實現(xiàn)自動控制 。先進的計量加料技術(shù) ，就是通過對進入擠出機料 斗的加料量進行連續(xù)控制 ，保持擠出過程加料量的一致性和均勻性 ，達到控制制品米重 （ 或直徑） 波動在最小的目的。

通常是采用計量失重加料裝置來達到尺寸精度偏差在 0. 5% 之內(nèi) ，也有用增重式加料裝 置 。圖 1-40 所示為失（ 增） 重式加料器。

圖 1-40    失（ 增） 重式加料器     a） 失重式計量   b） 增重式計量

         失重或增重式計量控制系統(tǒng)通過對加料機的控制 ，達到精確定量加料的目的 。失（ 增） 重式計量控制系統(tǒng)通過測定把加料量實際值與設定值作比較 ，并不斷調(diào)節(jié)加料機的加料量， 實現(xiàn)精確加料 。圖 1-41 所示為計量控制系統(tǒng)控制流程圖。

圖 1-41   計量控制系統(tǒng)控制流程圖

      從圖示可以看出傳感器采集實際加料流 量 ，然后反饋給控制器 ，再與設定值作比較 ，如果實際值小于設定值 ，控制器就增加加料機的轉(zhuǎn)速 ，反之就減少加料機的轉(zhuǎn)速， 從而使實際值與設定值接近， 因此傳感器的精確度和采樣速度與控制的精度密切相關(guān) 。實時的加料流量靠重量的減少來測定 ，這種計量 方法稱失重式計量 。失重式加料機 ，其機械形式有螺桿式 、皮帶式 、振動盤式 、計量泵 （ 液體） 等 ，它們均可采用失重式控制得到精確加料。

失重式加料在 HDPE 燃氣管生產(chǎn)線 、室內(nèi)外冷熱水管材高速生產(chǎn)線 、薄膜擠出生產(chǎn)線、 PC 板材擠出生產(chǎn)線都得到廣泛應用 ，并獲得顯著經(jīng)濟效益。

       管材生產(chǎn)線的在線測徑 ，是為了嚴格控制管材徑向壁厚的均勻以及外徑公差 。測徑測厚 裝置 ，一般采用超聲波技術(shù)和激光技術(shù) 。超聲測徑測厚裝置需要附加一個短的浸泡水槽 ，并且要用純凈水 。也有采用射線或紅外線的測徑測厚裝置 ，這類裝置結(jié)構(gòu)較簡單 ，測徑測厚裝 置的顯示精度為 0. 001mm 。圖 1-42 所示是德國 SIKORA（ 西科拉） 公司生產(chǎn)的在線壁厚檢 測系統(tǒng)的可視化界面 ， 圖中右側(cè)四格 ，從上到下依次表示的是管材內(nèi)徑 、管材外徑 、壁厚公差 、公稱壁厚。

圖 1-42   在線壁厚檢測系統(tǒng)可視化界面

在管材實際生產(chǎn)中 ，測徑測厚裝置通常在開機時使用 。通過它在管材走出真空水槽后就可知道管材直徑和壁厚是否符合要求 ， 以及時地調(diào)整機頭或者牽引速度 。如果無測徑測厚裝置 ，操作人員需在生產(chǎn)線的末端 ，也就是在生產(chǎn)數(shù)十米后從末端鋸下一段進行測量 ，再去調(diào)機頭，調(diào)牽引速度 ， 既 浪 費 時 間 又 浪 費 原 材料 。如果有測徑測厚裝置 ，又配置了失重加料裝置 ，就可以保持管材幾何尺寸的穩(wěn)定 。如果  再安裝了此方面的軟件 ，通過傳感器閉環(huán)聯(lián)動 ，就可實現(xiàn)自動控制，確保生產(chǎn)過程中制品的質(zhì)量穩(wěn)定 。在流延膜和板 、片材生產(chǎn)中 ，利用機頭配置的精密齒輪熔體泵的聯(lián)動 ，通過傳感器的作用實現(xiàn)閉環(huán)聯(lián)動控制 ，實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)。

⑤ 全數(shù)字直流電動機調(diào)速器在自動調(diào)節(jié)中的應用 。全數(shù)字直流電動機調(diào)速器的操作面 板如圖 1-43 所示 。這是我國（ 四川英杰電氣有限公司） 開發(fā)的產(chǎn)品 ，是模擬式直流電動機調(diào)速器的換代產(chǎn)品 ，用在擠出機大速比無級調(diào)速的直流驅(qū)動系統(tǒng)上 。它功能齊全 ，性能穩(wěn)  定 ，完全代替了進口產(chǎn)品 。低速大轉(zhuǎn)矩輸出的穩(wěn)定性是擠出機調(diào)速器最重要的性能指標 ，它  可確保擠出流量均勻 。M3R10 系列產(chǎn)品具有功能完善（ 滿足多種需要的控制 、通信 、信息  查詢和功能保護）、調(diào)速精度高 、性能穩(wěn)定 、中英文人機界面等優(yōu)點 ，所有的控制 、調(diào)節(jié)、監(jiān)視及 附加功 能 都 由 微 處 理 機 實現(xiàn) ，軟件功能模塊功能齊全 、檢測和保護功能完善， 自帶操作面板、 LCD 中文顯示 ，方便的參數(shù)設定、 監(jiān)測 。多種速度給定方式和開關(guān)量  給定是通過上升 、下降軟件模塊實  現(xiàn) 。三種速度反饋方式 ：① 電驅(qū)電  壓反饋 。② 測速機反饋 。③ 脈沖  編碼器反饋 。有多路可編程開關(guān)量  和模擬量輸入 、輸出 。用操作面板  可對調(diào)速器進行參數(shù)設定 、狀態(tài)監(jiān)  控等操作。

圖 1-43   全數(shù)字直流電動機調(diào)速器的操作面板

參考文獻: 《塑料擠出機頭典型結(jié)構(gòu)設計及試模調(diào)機經(jīng)驗匯編》 陳澤成 、陳斌 編著