型材的高速挤出技术是一项较严密的系统工程 ，从挤出机的选择 、机头的设计 、辅机的配套 、原料的配方 、工艺参数的设定调整都要科学 、合理 、先进 、协调 ，所有这些是高速挤 出的手段和保证 。挤出速度是以线速度衡量的。

（1） 挤出机  生产小管材用的单螺杆挤出机 ，一般对 φ30 以下的小管（ 软 、硬） 都可  以实现高速生产 。但是在现有基础上要实现真正意义的高速生产 ，虽然管材口径小 ，但它的  挤出吨量不能小 ，这样就要大幅度提高吨位产量 ，一般软管能达到 20m/min 甚至更高 ，硬  管挤出成型速度可以低些 。这样对小管配套 φ50 ~ φ60mm 的常规螺杆就可以了 ，高速挤出  线则要配套 φ70 ~ φ80mm 螺杆挤出机 。因要提高螺杆转速 ，原料就会过度剪切难保证质量。 这样在转速维持不变的情况下 ，可加大塑化量和挤出量 ，也就是加大挤出机规格 。再就是加  长螺杆 ，采用 30 ～35 的长径比 ，螺杆形状采用混炼效果好的螺杆设计（分离型带混炼组  件），适当加深螺槽深度 ，增大挤出量 。大点的管材和异型材挤出可选用锥形双螺杆或平行  双螺杆挤出机 ，这样异型材挤出线速度可达 3m/min 以上。

（2） 高速挤出机头  在机头设计上采用螺旋式机头 ， 因螺旋机头虽然加工困难 ，但能提供较大的机头阻力 ，可保证机头压力的稳定性和制品的密实度 。为克服加工难度大的缺点 ，可用一个机头体 ，通过更换口模 、芯棒 、定径套生产出多个品种  ( φ63 以下）。高速挤  出在设计口模 、芯棒时拉伸比要适当比普通管大一些 。有足够的拉伸比，一是管子强度好， 二是可避免管材的壁厚超差 。高速生产线的冷却定型也非常重要 ， 由于高速挤出生产 ，定径  套和冷却水槽都要大大增长 ，定径套用黄铜制作 ，软管采用自动换卷的双工位收卷机 ，冷却水的温度要控制在 20℃ 以下。

1） 高速挤出机头的特点 。机头又称模头 ，通常由机颈 、分流锥 、支承板 、压缩套 、 口模 、芯模等几个主要部件组成 ，高速机头与普通机头不同之处如下：

① 在相同的机头长度内缩短了容易引起形变和紊流的压缩区段 ，增设了稳流区段 ，使料流在机头内容易形成稳定流动。

② 在进入机颈的预成型区段前增加了过渡区段，这样在料流通过该区段后除了达到初 步有序流动外 ，还有较大的背压 ，相对隔开了机头内 、外料流的影响 ，减少了刚从挤出机出 来的不稳定料流对机头内稳定料流的影响。

③ 挤出口模平直段较短， 约为普通机头的 0. 7 ～0. 9 倍 ， 同时口模入口处有较大的空间。

④ 有较大的拉伸比 ，并随制品结构 、物料配方的变化而不同 ，一般在 1. 02 ～1. 12 之间 选取 。对制品不同形状横截面分开设置流道 ， 以减少界面应力 ， 防止流道压力干扰。

2） 高速挤出机头的结构。

① 高速挤出管材机头结构 。如图 1-35 所示 ，第一部分为预成型段 ， 由机颈 、分流锥组 成 ；第二部分为稳流段 ， 由支承板构成 ；第三部分为压缩段 ， 由压缩套和芯模压缩部分组 成 ；第四部分为成型段 ， 由口模板和芯模的平直段构成 。这种流道内的熔融料挤出过程由厚 到薄变化 ，使塑化更均匀 ，并形成了一定的压缩比 ，有足够挤压力 、挤压速度 、挤出量和可 靠的密实度 ，有利于消除支承筋所产生的熔接痕 ，从而得到塑化均匀 、内应力小 、形状合理 的型坯。

② 高速挤出异型材机头结构 。图 1-36 所示为高速挤出异型材机头结构 ，在相同的机头 长度内缩短了容易引起形变和紊流的压缩段 ，增长了稳流段 ，使料流在机头内能最大限度地 形成稳定流动 。 由于稳流段比锥面的压缩段长得多 ，相应地压缩段较短 ， 因此不容易产生紊流 ，进入口模后能较快 、较好地消除形变应力 ，有利于型坯的定型和产品的物理力学性能稳 定 。稳流段加长设计两块支承板 ，后支承板固定分流锥 ，前支承板固定芯棒。

图 1-35   高速挤出管机头的基本结构                       图 1-36    高速挤出异型材机头结构

另外一个不同处是由于芯模是平直走向 ，无角度 ， 因而缩小了分流锥径向的尺寸 ，也相 应减少了分流锥角度 ，有利于减少料流阻力 、预防高聚物降解 、方便提高挤出线速度。

还有一个特点是在芯模内开设了单独供料的流道腔 ，专门用于给型材内筋供料 ，使它们 在通过预成型区后各走各的道 ，只是在离开机头口模时才合到一起 。这样在口模合流有利于 减少模内料流的界面应力，且形变应力小 ，有利于提高线速度。

3） 高速挤出机头设计的几个技术参数。

① 流道 。一般为各自独立流道 ， 面与面 、沟槽 、 内筋等都是用 0. 5 ～ 1. 0mm 厚的分隔  筋隔开 ，这种分隔使料流在料道腔中不窜位 ，从而减小了料流的界面应力 ，对今后的修模、 改模也方便。

② 口模尺寸放大率 。放大率一般在 5% 左右 ，这样挤出产品放大率小 ，其拉伸量也较小 ，拉伸小的产品残留料应力也较小 。 由于放大率小 ，定型模与机头靠得很近 ，较小的拉伸比就定型为产品 ，型材残留应力小 ，力学性能有所提高。

③ 挤出机头压缩比 。在保证制品密实的情况下 ，机头压缩比常选择比普通机头略小， 约为 2. 5 ～4 ，一般选择较小的压缩比 。若压缩比大 ， 因压力过大 ，挤出量减小 ，物料滞留  时间长会使物料变黄 ，离模料坯膨胀更大 ，残留应力大 ，对高速挤出不好 。所以选择偏低的压缩比。

④ 口模平直段长度 。 口模平直段过长，机头压力过大 ，挤出效率低 ，不利于高速挤出。 一般高速挤出平直段长度为常规挤出长度的 70% ～90% ，或者大约是口模间隙的 30 倍。

⑤ 口模横截面型腔尺寸 。物料离模时有熔体的膨胀现象 ，牵引拉伸有收缩作用，进入 定型模遇水冷却又要收缩 ，所以口模的横截面型腔尺寸要选得适当 。截面型腔尺寸过小 ，型 坯通过拉伸收缩变小，进入定型模就无法充满型腔并贴近定型模通过抽真空吸附成合格产 品 。只有口模横截面型腔尺寸适当 ，定型模与挤出机头口模距离合适 ，型坯能充满定型模腔 ，真空吸附到位 ，才能成型合格制品。

     ⑥ 其他部分 。高速挤出机头支架板流道长度要大于普通机头 ， 因除了支承分流锥和型 芯外 ，还有一个汇流作用和向口模不断供料作用 。支架板流道长 ，料流平稳 ，供料稳定 ，可 承受的挤压力也大些 。另外高速挤出机头的扩张角和压缩角比普通机头要小 ，模体相对要大 ，模具材料要用不锈加硬调质钢制作。

（3） 高速挤出定型模

1） 定型模的作用 。通过真空吸附和冷却介质的热传导作用 ，将熔融型坯的热量带走， 冷却到一定的温度 ，定型为符合尺寸要求和形状的制品。

2） 定型模的形式。

图 1-37    干式管材定型模                 图 1-38    湿式管材定型模             图 1-39    湿式定型过程示意图

① 干式定型 。图 1-37 所示为干式管材定型模 。对于干式定型 ，冷却水在密闭的流道中流动 ，水不直接接触管材 ，散热慢 ，热传导效率差 ，且在定型套内 ，管材直接和金属内表面 接触 ，使摩擦阻力增大 ，冷却效率降低。

② 湿式定型 。湿式定型的冷却水直接和型材表面接触 ，水环的内孔与定径套端面留有0. 2 ～0. 3mm 的间隙 ，有一层水膜进入制品表面直接冷却 ，冷却效率高 ，水的润滑作用大大 降低了摩擦阻力 ， 因而大幅度降低了牵引功率 。图 1-38 所示为湿式管材定型模。

③ 干湿组合式定型模 。干湿组合式定型通常采用在真空水箱喷淋水和喷淋水槽喷淋水或真空水箱后加浸没式水箱（ 小型件）。对门 、窗 、异型材高速挤出线速度达 3 ～5m/min。 要加长冷却定型区 ，就要把多个水箱和多个真空定型模串联起来 。为了保证直线度和防止变形 ，在后面的冷却水箱中要设置几块甚至十几块定型直块进行后续定型。图 1-39 所示为湿式定型过程示意图。

3） 高速挤出对模具的其他要求。

① 可靠性 。不但要保证产品质量 ，还要能稳产高产。

② 通用性 。适用于不同物料和产品的生产 ，不局限于单一产品。

③ 尽可能缩短模具换装时间。

④ 降低真空和冷却水的能量消耗。

⑤ 尽可能缩短模具研制 、试模的周期 ，降低生产费用和挤出模具的绝对价格。

（4） 原材料与配方  异型材配方比管材要求严格 。要达到高速挤出的目的 ，从原材料 到配方都选用优级的 。常用配方有稳定剂 、加工改性剂 、润滑剂 、填充剂等几种成分 。最近 新开发的稀土复合稳定剂有许多优点 ，如挤出过程中塑化良好 ，型材外观漂亮 ，形状尺寸稳定 。但是定型模析出物较多 ，要清理定型模又不利于高速生产 ，这是需要改善的。

加工改性剂最好使用共混改性的 PVC/ACR 体系 ，它具有更好的流变性能 ，在用量比 CPE 少的情况下 ，其塑化时间短 ，最大转矩高 。在冲击强度 、耐候性能和焊接强度等方面均有明显提高 ，有利于高速挤出。

      润滑体系对高速挤出作用非常重要 ，须用高分子复合型润滑剂以满足加工全过程的润滑需要 ，达到适量与内外润滑的平衡是挤出对润滑体系的基本要求。

好的配方是能得到稳定的流变性能 、高的焊接强度 、 良好的冷冲性能 、好的表观质量， 并可降低配料成本 。在配方设计中还要考虑与模具的兼容性 ，配方变动不会影响模具的使用 。高速挤出还要充分考虑定型模积垢的排除方法 ，通过调节配方并改进工艺 ，解决积垢问  题 。另外还要选择适应高速挤出型材的专用改性树脂 ， 以提高高速挤出的稳定性。

（5） 生产工艺  实现高速挤出必须配置技术成熟 、经验丰富的生产工艺和操作人员， 而国内外企业对高速挤出技术 、工艺都保密 ，所以需要设计 、生产 、工艺 、操作人员在生产  现场不断积累经验 ，不断改进提高 ，才能使高速挤出技术不断完善 、提高。

（6） 其他相关技术

1） 混料技术 。采用双批混料工艺 ，其工作过程如下： 热混时 ，加入正常混料所用的 PVC 用量 ，而助剂加入量则是普通混料时单批 PVC 所需助剂的两倍 。当热混温度达到 120℃  时 ，将热混料卸入冷混机 ，在冷混机中事先已经加入单批混料所需的 PVC 。这时冷混不仅  要冷却含有两倍助剂的已预塑化的 PVC ， 同时还要将其与纯 PVC 混合起来 。使用这项技术， 加工时可以节能 44% ，并增加混合料产量 70% 。

2） 加料方式 。一般都采用计量加料方式 ， 以保证挤出的稳定性。

3） 加热冷却系统 。加热采用电加热方式 ，冷却一般用风冷却 ，容易操作和维修。

1. 5. 5   管材挤出自动控制技术

1） 配置新型激光测量仪 ，连续监测型材尺寸，并根据结果调整牵引机和挤出机速度， 从而有效地保证质量。

2） 在自动生产线装一个德国公司生产的 C4 微信息处理机 。该处理机包括一个用于远 程误差分析的存储器 ，它可以通过调质解调器或网络服务器从用户机器将操作数据传送到服 务中心 ，这样可以监控转矩 、熔体压力 、温度和牵引速度等参数 ， 以便更好地控制质量和 产量。

管材的自动控制工艺流程如下：

图示工艺流程线路图是浙江省迈得自动化公司生产的医用一次性输液导管自动化生产线 的流程图 ，它选用德国西门子公司生产的软件 ，配套光学测径仪 LS-7030M 测量头 ，可自动 测量管子的外径 、内孔 、壁厚公称值及公差值 ，并自动显示在显示屏幕上。

① 可以利用牵引机的线速度与对应直径值来设定参数值实现闭环控制 ，牵引机配速度 传感器 ， 当直径值发生波动时 ，通过软件的联动 ，使牵引速度微调自动修正误差 ，在调试过 程中要先把相关技术参数设定准确。

② 也可以利用螺杆的转速与导管直径波动变化值微调螺杆速度传感装置来实现闭环联 动控制 ，确保导管直径保持在公差范围内。

③ 还可以用挤出压力或流速流量与标准直径 ，再应用精密熔体齿轮泵 ，依据压力或流 速流量传感装置实现闭环全自动控制 。当直径大小波动时 ，微调精密齿轮泵转速来控制 尺寸。

④ 用先进的加料装置实现自动控制 。先进的计量加料技术 ，就是通过对进入挤出机料 斗的加料量进行连续控制 ，保持挤出过程加料量的一致性和均匀性 ，达到控制制品米重 （ 或直径） 波动在最小的目的。

通常是采用计量失重加料装置来达到尺寸精度偏差在 0. 5% 之内 ，也有用增重式加料装 置 。图 1-40 所示为失（ 增） 重式加料器。

图 1-40    失（ 增） 重式加料器     a） 失重式计量   b） 增重式计量

         失重或增重式计量控制系统通过对加料机的控制 ，达到精确定量加料的目的 。失（ 增） 重式计量控制系统通过测定把加料量实际值与设定值作比较 ，并不断调节加料机的加料量， 实现精确加料 。图 1-41 所示为计量控制系统控制流程图。

图 1-41   计量控制系统控制流程图

      从图示可以看出传感器采集实际加料流 量 ，然后反馈给控制器 ，再与设定值作比较 ，如果实际值小于设定值 ，控制器就增加加料机的转速 ，反之就减少加料机的转速， 从而使实际值与设定值接近， 因此传感器的精确度和采样速度与控制的精度密切相关 。实时的加料流量靠重量的减少来测定 ，这种计量 方法称失重式计量 。失重式加料机 ，其机械形式有螺杆式 、皮带式 、振动盘式 、计量泵 （ 液体） 等 ，它们均可采用失重式控制得到精确加料。

失重式加料在 HDPE 燃气管生产线 、室内外冷热水管材高速生产线 、薄膜挤出生产线、 PC 板材挤出生产线都得到广泛应用 ，并获得显著经济效益。

       管材生产线的在线测径 ，是为了严格控制管材径向壁厚的均匀以及外径公差 。测径测厚 装置 ，一般采用超声波技术和激光技术 。超声测径测厚装置需要附加一个短的浸泡水槽 ，并且要用纯净水 。也有采用射线或红外线的测径测厚装置 ，这类装置结构较简单 ，测径测厚装 置的显示精度为 0. 001mm 。图 1-42 所示是德国 SIKORA（ 西科拉） 公司生产的在线壁厚检 测系统的可视化界面 ， 图中右侧四格 ，从上到下依次表示的是管材内径 、管材外径 、壁厚公差 、公称壁厚。

图 1-42   在线壁厚检测系统可视化界面

在管材实际生产中 ，测径测厚装置通常在开机时使用 。通过它在管材走出真空水槽后就可知道管材直径和壁厚是否符合要求 ， 以及时地调整机头或者牵引速度 。如果无测径测厚装置 ，操作人员需在生产线的末端 ，也就是在生产数十米后从末端锯下一段进行测量 ，再去调机头，调牵引速度 ， 既 浪 费 时 间 又 浪 费 原 材料 。如果有测径测厚装置 ，又配置了失重加料装置 ，就可以保持管材几何尺寸的稳定 。如果  再安装了此方面的软件 ，通过传感器闭环联动 ，就可实现自动控制，确保生产过程中制品的质量稳定 。在流延膜和板 、片材生产中 ，利用机头配置的精密齿轮熔体泵的联动 ，通过传感器的作用实现闭环联动控制 ，实现自动调节。

⑤ 全数字直流电动机调速器在自动调节中的应用 。全数字直流电动机调速器的操作面 板如图 1-43 所示 。这是我国（ 四川英杰电气有限公司） 开发的产品 ，是模拟式直流电动机调速器的换代产品 ，用在挤出机大速比无级调速的直流驱动系统上 。它功能齐全 ，性能稳  定 ，完全代替了进口产品 。低速大转矩输出的稳定性是挤出机调速器最重要的性能指标 ，它  可确保挤出流量均匀 。M3R10 系列产品具有功能完善（ 满足多种需要的控制 、通信 、信息  查询和功能保护）、调速精度高 、性能稳定 、中英文人机界面等优点 ，所有的控制 、调节、监视及 附加功 能 都 由 微 处 理 机 实现 ，软件功能模块功能齐全 、检测和保护功能完善， 自带操作面板、 LCD 中文显示 ，方便的参数设定、 监测 。多种速度给定方式和开关量  给定是通过上升 、下降软件模块实  现 。三种速度反馈方式 ：① 电驱电  压反馈 。② 测速机反馈 。③ 脉冲  编码器反馈 。有多路可编程开关量  和模拟量输入 、输出 。用操作面板  可对调速器进行参数设定 、状态监  控等操作。

图 1-43   全数字直流电动机调速器的操作面板

参考文献: 《塑料挤出机头典型结构设计及试模调机经验汇编》 陈泽成 、陈斌 编著