第2章　挤出中空吹塑成型机基础结构的创新设计

2.1　基本组成与结构的创新设计

国内挤出吹塑中空成型机经过近50年的发展与进步，尤其是改革开放以来的独立研发与技术交流，其技术水平已经基本接近发达国家同类设备的水平，并在国内形成多家具有独立研发能力和较大生产规模的中空成型机设备制造厂家。国产各种规格的中空成型机早已走出国门，销售到海外多个国家。随着计算机设计、计算机制造、计算机工程技术、计算机测量技术、快速成型技术的迅速发展与应用，国内挤出吹塑中空成型机的研制能力快速增强，在构成中空吹塑成型设备的许多重要零部件方面已经取得重大技术突破与进展。

当前，缩短吹塑制品生产周期、提高生产效率是大中型挤吹中空塑料成型机的重要发展方向之一。为此，其开发重点主要是提高机器的塑化能力。开发高塑化性能和高输送能力的螺杆机筒，大力推广、应用带强制喂料和强制冷却的高产量塑化挤出的IKV结构。提高吹气压力、使用低温干燥高压空气吹塑是缩短吹塑冷却成型时间及提高制品质量的关键。

在提高储料式机头、连续挤出机头的性能方面，可研发高性能双层、多层心形包络流道、多种复合流道结合的储料式机头和连续挤出机头。先进先出、快捷换色换料以及清理方便是高性能储料式机头的重要特征。在研制开发新的吹塑机过程中，应用先进的CAD/CAE/CAM技术，采用优质的钢材和精密的加工设备，研制新的吹塑机组与吹塑机生产线。

近年来，插销式、扣套式无拉杆合模机构发展较快，它具有锁模力大、分布均匀、装卸模具容易、容模量大、节能等方面的优点，因此，应在大型挤吹中空塑料成型机中推广使用。此外，插销式无拉杆合模机构的导向运动部件应采用摩擦系数小、运动平稳、运行精度高的滚珠直线导轨，快速移模由伺服电机通过滚珠丝杠来实现。高压锁模是由一模板上的插销插入另一模板上的锁紧套后，分布在其中一个模板左右两侧的两对以上的锁模油缸通过拉紧另一模板来实现的，反之，则为高压开模。液压同步驱动无拉杆合模机构是一种最新的合模机构，它采用互相对称的两套液压驱动机构，同步驱动各自的模板。由于模板中心受驱动油缸的作用力，所以能降低模板的重量，减小锁模变形量，从而使装卸模具更容易，容模量更大，更适合机械手的操作，性能上比插销式无拉杆合模机构更具有优越性，值得推广应用。苏州同大机械有限公司工程技术研究中心研制的扣套式外挂两板无拉杆合模机系统，具有锁模力大、使用寿命长、容模量大、模板刚度大、变形特别小、运行稳定等诸多优点。

加快研发并推广应用柔性环径向壁厚控制系统（PWDS），它与轴向壁厚控制系统（AWDS）联合作用，可获得最佳的型坯及更为理想的制品壁厚分布。目前在用的伺服电动机驱动的塑料型坯控制系统，其轴向有效拉力分别达到30t、120t、200t、250t、300t，可对大中型吹塑机的轴向塑料型坯控制实现全电动伺服驱动，较好地解决了塑料型坯的控制问题，同时彻底解决了液压伺服控制系统漏油、维护费用高、维护技术要求高等长期困扰制品企业的一系列难题。

近年来，全电动中空成型机得到了高速发展。食品包装对卫生性要求较高，由于全电动中空成型机比带有液压系统的中空成型机更容易达到高洁净度技术要求，所以现在很多吹塑制品企业开始新增全电动中空成型机。

多层吹塑中空成型机也是未来发展的一种趋势，多层塑料制品相比单层塑料制品有较好的阻隔性和强度，有些易挥发性液体包装就需要用到多层塑料桶，以减少挥发。多层中空塑料制品的强度根据层数的不同相比单层塑料制品会有不同程度的提高。

挤出吹塑成型吹塑机智能化生产线的设计与研制近几年来发展速度很快，批量生产规模较大的吹塑产品已经实现智能化，更多的大型吹塑制品由于批量的增加与市场的扩展，智能化吹塑机生产线正在研制之中，在未来几年内，可望更多的吹塑制品实现全自动智能化的吹塑生产。

2.1.1　塑料塑化挤出装置的创新设计

挤出吹塑中空成型机的塑化装置包括塑化平台、挤出机等。目前国内外挤出吹塑中空成型机使用最多的是单螺杆。

随着工业技术的发展，塑化平台从以往的单一功能发展到具有升降、转动、左右平移等复合功能。

图2-1为可以前后、左右平移的塑化平台，在高速生产机型中还要求机头在短时间内抬升一定高度，因此还需增加转动功能。在设计塑化平台时，还要从提高使用方便性、装配快速准确方面入手，做到电气线路、气路、水路横平竖直、整齐划一、易于辨识等。同时，设计平台时，要采用国际通用的标准，注重安全方面的考虑。

挤出吹塑中空成型机多数采用普通单螺杆挤出机，挤出机主要包括驱动装置、机筒螺杆、加热冷却装置、换网装置，如图2-2所示。驱动装置一般采用直流电机或三相异步电机（配变频器）输出转速和扭矩，再通过皮带或联轴器连接到减速机。近年来很多厂家采用减速机直连电机的形式，其结构紧凑、效率高、美观、噪声低；大功率电机直连减速机是未来多年的发展趋势。低速大扭矩交流伺服电机在低速范围下具有较好的转矩输出特性，其结构简单、体积小、效率高、响应迅速、过载能力强；采用低速大扭矩交流伺服电机直接驱动螺杆，可以省去减速机，实现对机械负载的直驱，提高系统的传动效率和控制精度以及系统运行的可靠性，降低能耗。目前在注塑机行业已经实现伺服电机直驱螺杆，挤出吹塑中空成型机领域只有国外少数厂家可以提供。采用伺服电机直驱是未来挤出吹塑中空成型机的一个发展方向。

2.1.1.1　机筒沟槽

早期的机筒内部是全部光滑的。1968年，德国亚堔工业大学塑料加工研究所研发的机筒开槽挤出机，被作为轴向直槽机筒螺杆挤出机的标志。随着螺杆转动，螺杆螺槽内物料与机筒和机筒沟槽内物料存在相对运动，聚合物材料之间的内摩擦系数是聚合物材料与光滑金属间外摩擦系数的1.5～5倍，因此沟槽机筒单螺杆挤出机能显著地提高固体物料输送效率。随后国内外众多先驱对机筒沟槽参数进一步深入研究，在槽轴向长度、槽深度、槽数量、槽锥度、加工工艺参数等方面已经得到很好的验证。直开槽加料段的沟槽结构形式通常是直线型，与螺杆轴线平行。直开槽的断面形式有矩形、三角形、锯齿形等。矩形断面沟槽多用于粒状原料，圆形（三角形）断面沟槽用于加工粉状原料。沟槽的长度在（2.5～6）D（D为螺杆直径）范围内。沟槽个数大约为螺杆直径的1/10。沟槽深度必须大于颗粒的最大尺寸，一般在1～4mm。沟槽宽度与螺杆直径有关，沟槽尺寸如表2-1所示。

很多情况下，机筒的开槽处设计为单独的零件，该零件称为开槽衬套。

（1）开槽衬套沟槽的基本数据

开槽衬套沟槽的最优化形状设计应该由塑料材料试验来确定，从试验中得出沟槽的数量n近似为：

D/10≤n＜（D/10＋2）　　（2-1）

式中　D——螺杆直径；

　 　　n——沟槽的数量。

加工HDPE或HMWHDPE粉料时，开槽衬套的轴向锥形沟槽参数可参考表2-2选择。

沟槽的入料锥角为β，对于HDPE，β可取15°；对于HMWHDPE粉料，β可取至5°。

沟槽的长度L，根据试验与实际应用，L可取（3～5）D（D为螺杆直径）。

加工粒料时，开槽衬套的沟槽深度、宽度与塑料原料的尺寸、形状有关，沟槽的宽度应大于粒料的平均尺寸，沟槽深度h可取粒料平均尺寸的1/2，沟槽宽度b可参考表2-3选择。

需要强调说明的是：机筒进料端开槽的数据由于挤出机采用的塑料原料的不同，或者采用的原料分子量的不同，其具体参数也会不同，需要针对不同的塑料原料及其分子量来确定这些具体参数的设置。

（2）开槽衬套的温度控制

开槽衬套在充分冷却的情况下，加工HMWHDPE粉料时，产量可以提高180%，能效可提高20%以上，这是因为衬套被充分冷却时，在进料段建立了很高的压力，因此需要增加螺杆的工作扭矩。因为HMWHDPE粉料的剪切应力较高，可以明显提高输送能力，所以也利于提高能效。

但开槽衬套充分冷却需要消耗较大的能量，会使螺杆的驱动装置增加能量或使机筒增加升温的能耗。因此改善开槽衬套挤出机的能效主要是选择较好的衬套冷却温度，理论分析与实践证明，一般情况下，只要塑料原料固体床与衬套接触的界面上不产生塑料熔膜，较高的衬套温度和较低的螺杆温度有利于提高挤出机的产量。

根据塑料原料品种的不同，衬套温度也不同，对于普通的HDPE、LDPE、PP等，衬套温度低一些（40～60℃）；对于HMWHDPE、LLDPE等，衬套温度高一些（60～90℃）；对于一些工程塑料衬套温度可更高一些，如ABS为90～110℃，PA6为140～180℃。此外，开槽挤出机开始工作时，开槽衬套的温度可以设置高一些，有利于适当降低开机时的功率输入，正常运行后，可以适当降低衬套的温度，以保证输送量的稳定。可在挤出机开槽衬套的部位设置自动控温装置，使挤出机的运行状况处于较好的节能状态和适用不同塑料原料对衬套温度的要求。

（3）减少开槽衬套及进料段前端磨损的措施

从多年使用的情况来看，IKV结构还是存在一些缺陷，比如螺杆与机筒的进料段前端4～10倍螺杆直径的区域以及开槽衬套磨损较快，磨损后生产效率会很快下降；虽然加强这一区段的冷却能够减缓部分磨损，也能部分提高挤出量，但冷却所带走的能量会明显偏高。在这一部位上，采用双金属螺杆和双金属机筒可明显使耐磨性能提高1～2倍，价格提高约50%。从投入产出比来说是可行的。目前，多家螺杆制造公司已经能较好地制作双金属螺杆和双金属机筒，采用高压速（HP/HVOF）全面合金披覆的熔射技术使合金层全面覆盖螺杆的所有表面。并将机筒的表面合金含钨由10%提高到30%及50%，能较好地解决IKV螺杆进料段前端螺杆、机筒磨损较快的问题。同时改善螺杆进料段的设计也能提高耐磨的能力，如将进料段螺棱设计成双螺棱结构能有效改善磨损情况。

提高固体物料输送效率的最新研究是机筒上开设与螺杆螺纹方向相反的螺旋沟槽，从而实现固体物料的正位移输送。在提高固体物料的输送效率的同时，也要提高物料的熔融效果，因此，螺杆的设计必须采用更加复杂的结构。螺旋沟槽机筒将是机筒的发展趋势之一。

2.1.1.2　螺杆

在挤出机的各个环节中，螺杆的设计是关键的一环，螺杆的性能决定了一台挤出机的生产率、塑化质量、添加物的分散性、熔体温度、动力消耗等，从而直接影响到挤出机的应用范围和生产效率。通过螺杆的转动对塑料产生挤压的作用，塑料在机筒中才可以发生移动、增压以及从摩擦中获取部分热量，塑料在机筒中移动的过程中获得混合和塑化，黏流态的熔体在被挤压而流经口模时，获得所需的形状而成型。与机筒一样，螺杆也是用高强度、耐热和耐腐蚀的合金钢制造而成。

熔体在螺杆、机筒中的流动示意图见图2-3。

表示螺杆特征的基本参数包括：直径、长径比、压缩比、螺距、螺槽深度、螺旋角、螺杆和机筒的间隙等。

最常见的螺杆直径D为45～150mm。螺杆直径增大，挤出机的生产效率也显著提高。螺杆工作部分有效长度与直径之比（简称长径比，表示为L/D）通常为10～42。L/D大，能改善物料温度分布，有利于塑料的混合和塑化，并能减少漏流和逆流，提高挤出机的生产能力，可用于多种塑料的挤出；但L/D过大时，会使塑料受热时间增加而发生降解，同时因螺杆自重增加，自由端挠曲下垂，容易引起机筒与螺杆间的摩擦而擦伤，并使制造加工困难。过短的螺杆，容易引起混炼的塑化不良。根据塑料熔料的特性，可从以下几个方面来考虑选择长径比。

（1）短螺杆的优点

① 物料在机筒内停留时间短，塑料受热时间短，可减少降解的机会。

② 塑化的机器占用空间小。

③ 扭矩要求低，使螺杆强度和驱动功率要求会低一些。换件修理时成本也低一些。

（2）长螺杆的优点

① 有更高的生产效率和熔体挤出量。

② 塑化熔融效果更好，有更好的混炼和更加均匀的输出。

③ 熔体具有较高的挤出压力。

④ 能够充分利用热能，相对节能。

机筒内径与螺杆直径差的一半称间隙δ，它能影响挤出机的生产能力，随着δ的增大，生产率降低。通常δ控制在0.1～0.6mm为宜。δ越小，物料受到的剪切作用越大，有利于塑化，但δ过小，强烈的剪切作用容易引起物料出现热机械降解，同时易使螺杆被抱住或与机筒壁摩擦，而且，δ太小时，物料的漏流和逆流几乎没有，在一定程度上影响熔体的混合。螺旋角是螺纹与螺杆横断面的夹角，随着增大，挤出机的生产能力提高，但对塑料产生的剪切作用和挤压力减小，通常螺旋角为10°～30°，沿螺杆长度的变化方向而改变，常采用等距螺杆，取螺距等于直径，的值约为17°41′；压缩比越大，塑料受到的挤压比也就越大。螺槽浅时，能对塑料产生较高的剪切速率，有利于机筒壁和物料间的传热，物料混合和塑化效率越高，反而生产率会降低；反之，螺槽深时，情况刚好相反。因此，热塑性材料（如聚氯乙烯）宜用深螺槽螺杆；而熔体黏度低和热稳定性较高的塑料（如聚酰胺），宜用浅螺槽螺杆。

常用的挤出吹塑中空成型机中较多采用普通单螺杆，螺杆的转速一般在100r/min以内。这类普通螺杆结构上可以分为加料段、压缩段、计量段与混炼段（见图2-4）。

普通单螺杆的特点：长径比L/D为（15～28）∶1；进料段长度为（4～8）D；计量段长度为（6～10）D。

普通单螺杆的工作过程：塑料进入固体输送段，随着螺杆的旋转，塑料在多种摩擦力共同作用下被强制地往前输送，塑料也由松散状态压缩成密实状态（改善了物料的传热性，有助于塑料的融化，这个密实的固态料块在基础理论的文献中常被称为“固体塞”）。在传导热的作用下，与机筒接触的塑料开始熔化，产生一个薄的熔膜。熔膜中由于各部分熔体间的运动速度不同，在塑料的大分子之间通过内摩擦也产生了大量的热量，这种作用产生的热量称为剪切热。在传导热和剪切热的共同作用下，在压力升高的同时，塑料逐渐融化，最后由固体状态变成流动着的熔体状态。流动的熔体由于多种复杂原因，可能存在温度、速度、压力等差异，熔体通过混炼段提高了混合的均匀度，降低了在温度、速度、压力方面的差异。

塑料有热固性和热塑性两大类。热固性塑料成型固化后，不能再加热熔融成型，而热塑性塑料成型后的制品可再加热熔融成型其他制品。

热塑性塑料随着温度的改变，产生玻璃态、高弹态和黏流态三态变化，随温度重复变动，三态产生重复变化。

玻璃态：塑料呈现为刚硬固体；热运动能小，分子间作用力大，形变主要由键角变形所贡献；除去外力后，形变瞬时恢复，属于普弹形变。

高弹态：塑料呈现为类橡胶物质；形变是链段取向引起大分子橡胶呈现黏流态的结果，形变值大；除去外力后，形变可恢复，但有时间依赖性，属于高弹形变。

黏流态：塑料呈现为高黏性熔体；热能进一步激化了链状分子的相对滑移运动；形变不可逆，属于塑性形变。

塑料玻璃态时可切削加工。高弹态时可拉伸加工，如拉丝纺织、挤管、吹塑和热成型等。黏流态时可进行涂覆、滚塑和注塑等加工。

当温度高于黏流态时，塑料就会产生热分解，当温度低于玻璃态时，塑料就会产生脆化。当塑料温度高于黏流态或低于玻璃态时，均使热塑性塑料趋向严重的恶化和破坏，所以在加工或使用塑料制品时，要避开这两种温度区域。

为适应不同状态的要求，通常将挤出机的螺杆分成三段：加料段L1（又称固体输送段）、熔融段L2（称压缩段）、均化段L3（称计量段）。这就是通常所说的三段式螺杆。塑料在这三段中的挤出过程是不同的。加料段的作用是将料斗供给的料送往压缩段，塑料在移动过程中一般保持固体状态，由于受热而部分熔化。加料段的长度随塑料种类不同，可从料斗不远处起至螺杆总长75%止。大体上说，挤出结晶聚合物最长，硬性无定形聚合物次之，软性无定形聚合物最短。由于加料段不一定要产生压缩作用，故其螺槽容积可以保持不变，螺旋角的大小对送料能力影响较大，实际影响着挤出机的生产率。通常粉状物料的螺旋角为30°左右时生产率最高，方块状物料螺旋角宜选15°左右，而球形物料宜选17°左右。

加料段螺杆的主要参数：螺旋升角ψ一般取17°～20°，螺槽深度H1是在确定均化段螺槽深度后，再由螺杆的几何压缩比ε来计算。加料段长度L1由经验公式确定：对非结晶型高聚物，L1＝（10%～20%）L；对于结晶型高聚物，L1＝（60%～65%）L。

压缩段（迁移段）的作用是压实物料，使物料由固体转化为熔融体，并排除物料中的空气；为起到将物料中气体推回至加料段、压实物料和物料熔化时体积减小的作用，本段螺杆应对塑料产生较大的剪切作用和压缩。为此，通常使螺槽容积逐渐缩减，缩减的程度由塑料的压缩率（制品的密度/塑料的表观密度）决定。压缩比除与塑料的压缩率有关外，还与塑料的形态有关，粉料密度小，夹带的空气多，需较大的压缩比（可达4～5），而粒料仅2.5～3。压缩段的长度主要和塑料的熔点等性能有关。熔化温度范围宽的塑料，如聚氯乙烯150℃以上开始熔化，压缩段最长，可达螺杆全长的100%（渐变型），熔化温度范围窄的聚乙烯（低密度聚乙烯105～120℃，高密度聚乙烯125～135℃）等，压缩段为螺杆全长的45%～50%；熔化温度范围很窄的大多数聚合物如聚酰胺等，压缩段甚至只有一个螺距的长度。

压缩比ε：一般指几何压缩比，它是螺杆加料段第一个螺槽容积和均化段最后一个螺槽容积之比。要有足够的压缩比，需把小块状的塑料压实成为密实的熔体而不含气泡。压缩比低时容易夹杂气泡。当回收料、粉末料或微小料较多时，压缩比可选择高些。但是，压缩比较高时，聚烯烃在渐变段容易产生融料块，导致螺杆和机筒的磨损加快。

均化段（计量段）的作用是将熔融物料，定容（定量）定压地送入机头，使其在口模中成型。均化段的螺槽容积与加料段一样恒定不变。为避免物料因滞留在螺杆头端面死角处，引起分解，螺杆头部常设计成锥形或半圆形；有些螺杆的均化段是一表面完全平滑的杆体，称为鱼雷头，但也有刻上凹槽或铣刻成花纹的。鱼雷头具有搅拌和节制物料、消除流动时脉动（脉冲）现象的作用，伴随物料压力的增大，料层厚度的降低，加热状况的改善，能进一步提高螺杆塑化效率。本段可为螺杆全长20%～25%。

均化段螺杆的重要参数：螺槽深度H3＝（0.02～0.06）Ds（螺杆外直径），长度L3＝（20%～25%）L。

普通单螺杆为了增大挤出量，必须提高螺杆转速或加深计量段槽深。这必然使固体熔体相变点往机头方向移动，如果不加大螺杆的长径比，便有可能在挤出制品中混有未熔化的固体残余物，使塑化质量下降。普通螺杆还有一个较大的缺点，即有较高的压力波动、温度波动和产量波动，直接导致制品尺寸波动和性能下降。这些不足主要是由普通螺杆的先天不足所造成的，因此，出现了许多新型的螺杆设计。

新型螺杆设计根据加工物料的特性而各有不同，在挤出中空吹塑行业主要采用HDPE、ABS、PVC、PC等。新型螺杆的结构形式很多，目前各国已公示的专利大约有300种，主要有分流型、屏障型、分离型、变流道型、强制输送的IKV系统等。下面对各功能型螺杆作简单介绍。

分流型螺杆是指在螺杆一定部分安装销子、圆柱、锥体等分流元件，或直接在螺杆上沟槽增加凸起、开分流孔的螺杆。图2-5所示3种分流型螺杆分流元件位于螺杆的头部，分别是经典的DIS螺杆（具有贯穿孔）、具有4组斜槽分流元件的串联螺杆、疏松连续分流元件螺杆。

分流型螺杆分流元件一般设在螺杆的熔融段尾部（促进物料熔融）或螺杆头部（促进物料混合）。普通螺杆整块的固体从大块逐渐熔化到完全熔化需较长时间，有分流元件的螺杆，塑料通过分流元件时，固相团块被剪切分离，形成细小的固相颗粒，熔化时间大大缩短。设置在计量段或螺杆头部的分流元件能打乱料流、减少温度波动和压力波动。因此合理设计分流元件既能提高螺杆产量也能提高螺杆塑化质量。

分离型螺杆是指能将螺槽中固液相快速分离挤出的螺杆，典型分离型螺杆有BM螺杆和XLK螺杆等，BM型分离螺杆在挤出中空行业使用较为普遍。BM型分离螺杆指在物料开始熔融的区域设置两条螺距不等螺纹，如图2-6所示。

主螺纹螺距为A，副螺纹螺距为B，副螺纹与机筒的间隙比主螺纹与机筒间隙大，因此固相熔融形成的熔膜越过间隙进入液相槽中，未熔固相仍留在固相槽内。图2-6中带有横杠的螺槽为液相槽，主螺纹螺槽为固相槽，从图中可以清楚看出，随着物料前进方向固相区间越来越窄，液相区间越来越宽的结构，适应了熔融理论所指出的液相越来越多，固相越来越少到消失的现象。分离型螺杆具有如下优点：①加速固相熔化；②有效减少压力波动、温度波动、产量波动；③减少塑化后熔体中的气泡量。从以上可以看出，在螺杆上设置分离功能段能提高塑化的产量和稳定性。

变流道型螺杆是通过塑料在螺杆上流道截面形状或截面积大小的变化，来达到保证塑料塑化和增强混炼的目的，其主要代表是波形螺杆，见图2-7。

波形螺杆的特点是在计量段螺槽底径根据一定的规律作波状变化，这样计量段的槽有规律的深浅变化。螺槽与机筒间距最小时称为波峰，间距最大时称为波谷。每当熔料流到波峰处，由于螺槽较浅，剪切作用加剧，内部发热增多，促进了固相的熔化。但波峰的高剪切时间较短，熔料迅速流向波谷，波谷处螺槽深，截面积大，熔料停留时间长，剪切作用减弱。熔料经历几个波峰波谷循环能使固相快速熔化，加速了机械混合和热量扩散。波形螺杆与屏障型螺杆、分离型螺杆相比较，在整个螺杆上没有死角，不易因为高剪切造成塑料分解；塑料中混入的金属杂质或其他硬质颗粒无法通过屏障型或分离型螺杆，而波形螺杆没有这个弊病。

经典IKV螺杆与普通螺杆相比，螺杆上3个功能段是（输送段、塑化段、均化段）分别独立完成的。从图2-8可以看出，在直径45mm螺杆的第二段螺纹上沿轴杆轴向铣有几条均布的沟槽，塑料在这些分流槽的作用下，通过机械位移的办法，固液相之间进行了强烈的混合和热交换，最后完全熔融。螺杆的第三段实际是一个销钉型分流元件，塑料在该段实现温度均化、压力均化、组分均化。实践证明：IKV在保证塑化质量好的前提下，产量可以大幅度提高。

中空挤出吹塑机用来吹塑HDPE制品时，通常将各种助剂与回料、新料按一定比例混合，这就需要挤出机具有较为广泛的适应性。图2-9中在螺杆的熔融段增加了一条反向螺纹，反向螺纹是一个带锥度的螺纹，当物料通过反向螺纹时，由于与机筒的间隙变小，加剧了物料内部的剪切作用，加速了固体团块的分散。此螺杆在螺杆头部增加一段5D以上分流原件，在螺杆尾部采用沟槽机筒强制送料，螺杆的产量高而且塑化质量好。异形分离型螺杆见图2-10。

在加工高分子量聚乙烯时，由于其分子量较高，分子链之间缠结密度大，熔体黏度极高，临界剪切速率很低。在吹塑一些大型塑料桶与储槽、大型路障、吹塑托盘、汽车保险杠与油箱、大型航标主体、桌面板、工矿设备的零部件等时都会用到高分子量聚乙烯，因为高分子量聚乙烯与普通聚乙烯相比，具有自润滑性、耐冲击、耐磨损、耐腐蚀、耐应力开裂、强度高等优点。

但是，现有普通螺杆在塑化这类物料时，不仅产量不高，塑化质量也不太稳定。苏州同大机械有限公司研制出了适应此类物料的专用挤出机，见图2-11。

从图2-11中可以看出，该挤出机的机筒采用沟槽结构，在这一部位上，采用双金属螺杆和双金属机筒可以明显使耐磨性能提高1～2倍，价格仅提高50%。输送段螺纹增加一副螺纹（螺棱较主螺纹窄一些），形成双螺棱结构，能有效改善磨损情况。螺杆的第二段采用分离型，且副螺纹具有一定的锥度，在整个分离段不存在死角位置，因此混入物料中的微小硬质颗粒可以顺利通过，大大提高螺杆的适应性。螺杆头部采用齿式分流元件，物料经过此处时，经过12次强烈剪切和混合，针对高分子量的聚乙烯能实现温度均匀、压力均匀、组分均匀。经实际挤出验证该挤出机同普通螺杆相比产量提高180%，塑化质量也大大提高。

螺杆是挤出机的关键部件，螺杆的材料必须具备耐高温、耐磨损、耐腐蚀、高强度等特性，同时还应具有切削性能好、热处理后残余应力小、热变形小等特点。

对于挤出机螺杆的材料，有如下几点要求。

① 力学性能高。要有足够的强度，以适应高温、高压的工作条件，提高螺杆的使用寿命。

② 机械加工性能好。要有较好的切削加工性能和热处理性能。

③ 耐腐蚀和抗磨性能好。

④ 取材容易。

为提高螺杆的耐磨性能，对单螺杆来说可采用整根螺杆超音速火焰喷涂的加工工艺；这种加工工艺是一种新型的热喷涂技术。其工作原理是：由小孔进入燃烧室的液体燃烧，如煤油，经雾化与氧气混合后点燃，发生强烈的气相反应，燃烧放出的热能使产物剧烈膨胀，流经喷嘴时受到约束形成超音速高温焰流。此焰流喷

涂至基体表面，形成高质量涂层。超音速喷涂碳化钨，可以有效地抑制碳化钨在喷涂过程中的分解，涂层不仅结合强度高，且致密，耐磨损性能优越，其耐磨性能超过等离子喷涂涂层，也超过了电镀硬铬层，已经广泛地应用在高效螺杆的生产加工中。图2-12为螺杆表面碳化钨喷涂处理外观图。

双螺杆常采用螺棱堆焊镍基合金粉，镍基合金粉内加一定量的碳化钨。堆焊合金通常是沿螺棱表面加工出一条U形槽，然后沿U形槽堆焊出合金条，来改善螺杆表面的硬度。

在挤出机螺杆与机筒的材料与热处理方面，近几年技术进步较快，吹塑制品生产厂家可以根据自己产品的特性提出技术要求，定制不同材质的挤出机螺杆与机筒。

2.1.1.3　挤出机的传动与驱动装置

挤出机的驱动装置主要由电动机（交流或直流）＋联轴器（皮带）＋减速箱组成。在挤出普通聚乙烯物料时一般采用变频器驱动交流电机，而在挤出高分子量聚乙烯物料时，因其需要更大的扭矩，而采用直流电动机驱动。这种驱动形式受电机结构及工作原理的限制，其控制和响应相对较慢，加减速时间相对较长，不利于系统实现闭环控制。由于减速机的存在，系统维护成本较高。

目前在挤出中空吹塑行业也紧随注塑机行业引入了低速大转矩永磁电机直接驱动螺杆。低速大转矩永磁电机在低速范围下具有非常好的转矩输出特性，其结构简单、体积小、效率高、响应迅速、过载能力强、可靠性高，这不仅可以满足挤出机对速度和转矩的需求，而且可以省去减速机，实现对机械负载的直驱，可以在很大程度上提高系统的传动效率与控制精度以及系统运行的可靠性，降低系统维护成本，降低能耗。国外已有同行将低速大转矩永磁电动机应用于中空挤出吹塑机，并取得较好的效果，但是对于35kW以上的直驱永磁电动机还未见报道。

（1）挤出机的传动装置

挤出机的传动装置采用减速箱，有多种形式的减速箱可供选择，通常采用低重心的减速箱。图2-13为两种低重心单螺杆挤出机专用减速箱。

这种形式的减速箱重心较低，有利于降低中空成型机上部平台的重心，减少设备的振动，增强整体设备的稳定性，同时有利于降低设备的总体高度。

图2-14为两种不同形式的单螺杆挤出机减速箱。

图2-15所示为大中型中空成型机的挤出机示意图。

图2-15所示的大中型中空成型机的挤出机工作原理：直流电动机3转动时通过联轴器8带动减速箱的轴转动，减速箱经过减速后，带动挤出机的螺杆转动，输送经过加热后的熔融塑料。在挤出机的出口端设置了前支架7，以保持挤出机的稳定性。直流电动机的下部设置机架1，用于支承直流电动机。测速发电机用于检测直流电动机的转速，以方便控制直流电动机的转速。冷却风机对直流电动机进行冷却，防止因温度过高而损害直流电动机。

此外，现在许多中空成型机的挤出机电动机采用变频器控制转速，其基本机械结构差不多，只是在直流电动机的位置安装了三相异步电动机。

（2）挤出机的驱动装置

挤出机减速箱主要是直流电动机或变频电动机通过联轴器或带轮传动来驱动的。由于HMWHDPE（高分子量高密度聚乙烯）等塑料材料所具有的黏弹性较高的特性，因此需要挤出输送的启动力矩较大。目前，中空成型机采用直流电动机或变频电动机进行驱动的较多，从实际使用的效果来看，这两种驱动方式均能满足使用的要求。

对于大型以及超大型中空成型机的挤出机，从多年使用的状况来看，一般采用直流电动机进行驱动比采用变频电动机的启动力矩会好一些，特别是加工分子量较高、熔体黏度较高的塑料材料时更是这样。

从近几年的变频器的研发与技术进步情况来看，一些变频器的启动力矩也在提升，值得关注。

直流电动机驱动器是一种将三相交流电转换为直流电的电子整流装置，它主要由可控硅元件和电路控制板组成，到目前为止，经历了多种控制模式的转变过程，已实现数字化电路控制。

变频器是一种使输送到异步电动机的三相交流电的工作频率发生变化的电子装置，使三相异步电动机转速随供电频率变化而发生改变。

图2-16为两种直流电动机驱动器外形。

图2-17为几种变频器的外形。

国内多家企业的直流驱动器产品在挤出吹塑中空成型机设备上使用良好。直流电动机驱动器（调速器）的接线简图如图2-18所示。

图2-19所示为变频器外部接线简图。

特别注意：图2-18、图2-19所示均为接线简图，在具体接线工作中，需要按照控制器产品的安装、使用说明书进行认真操作。因为设备制造厂家的不同，具体接线会有较大的差别，需要区别对待。

挤出机的驱动电机是降低能耗的关键部件，几种不同驱动方式的电动机见图2-20。

① 永磁同步电动机　永磁体作为转子产生旋转磁场，三相定子绕组在旋转磁场作用下通过电枢反应，感应三相对称电流，此时转子动能转化为电能，永磁同步电机作发电机用；此外，当定子侧通入三相对称电流，由于三相定子在空间位置上相差120°，所以三相定子电流在空间中产生旋转磁场，转子在旋转磁场中受到电磁力作用运动，此时电能转化为动能，永磁同步电机作电动机用。永磁同步电机与普通交流变频电机相比，具有高效率、高力矩惯量比、高能量密度等优点，是一种环保低碳电机。普通交流电机采用变频器驱动，永磁同步电动机需要采用专用驱动器驱动。

永磁同步电动机与普通异步电动机相比，具有如下优势。

a．效率高。这里所说的效率高，不仅指额定功率点的效率高于普通三相异步电动机，而是指其在整个调速范围内的平均效率。永磁同步电动机的励磁磁场由永磁体提供，转子不需要励磁电流，电机效率提高，与异步电动机相比，任意转速点均节约电能，尤其在转速较低的时候，这种优势尤其明显。

b．启动转矩。永磁同步电动机一般也采用异步启动方式，由于永磁同步电动机正常工作时转子绕组不起作用，在设计永磁电动机时，可使转子绕组完全满足高启动转矩的要求，例如使启动转矩倍数由1.8倍上升到2.5倍，甚至更大。

c．对电网运行的影响。因为异步电动机的功率因数较低，异步电动机启动时，要从电网中吸收大量的无功电流，造成电网输变电设备及发电设备中有大量无功电流，进而使电网的品质因数下降，加重了电网、变电设备及发电设备的负荷，同时无功电流在电网、输变电设备及发电设备中均要消耗部分电能，造成电力电网效率下降，影响了电能的有效利用。同样，由于异步电动机的效率低，要满足输出功率的要求，势必要从电网多吸收电能，进一步增加了电网能量的损失，加重了电网负荷。在永磁电动机转子中无感应电流励磁，电机的功率因数高，提高了电网的品质因数，使电网中不再需安装补偿器。同时，因永磁电动机的高效率，也节约了电能。

d．体积小，重量轻。由于使用了高性能的永磁材料提供磁场，使得永磁电动机的气隙磁场较感应电动机大为增强，永磁电动机的体积和重量较感应电动机可大为缩小。例如11kW的异步电动机重量为220kg，而永磁电动机仅为92kg，相当于异步电动机重量的45.8%。

基于以上对比优势，目前，永磁同步电动机比普通三相异步电动机更高效，更加节能。

② 直驱伺服电动机　直驱伺服电动机的连接外观见图2-21。

直驱伺服电动机的技术优势如下。

a．取代减速机构，节约设备成本。

b．降低噪声。

c．全速度范围、宽负载范围内保持高效率。

d．功率因数高。

e．提高动态响应。

f．结构紧凑，减小设备体积以及占地面积。

g．提高控制精度，提升制品品质。

h．提高MTBF（平均无故障时间）指标。

i．减少日常维护工作量。

j．螺杆拆装方便。

目前采直驱伺服电动机的塑机应用领域是塑料管材生产线、注塑机等。在挤出吹塑机行业，在一些吹塑机制造厂家进行了直驱伺服电动机直接启动挤出机螺杆研究与试验，但有待于进一步的试用。

2.1.2　型坯成型机头与流道创新设计

2.1.2.1　型坯成型机头简介

机头是挤出机的成型部件，主要包括机头、芯棒、口模、芯模、调节螺钉等，机头与挤出机相连，挤出机为机头提供塑化好的具有一定温度、压力、黏度、流道速度的塑料熔体，塑料熔体进入机头后，原来的螺旋运动方式转变为直线运动，熔体在流道内的流动剪切过程使塑料熔体进一步塑化均匀，熔体在流道内经过减压使速度均匀一致，熔体经过进一步压缩增压产生必要的成型压力使挤出制品密实，熔体最后经过机头成型段和口模的定型作用成为具有一定截面形状尺寸的型坯，型坯再经过后续的加工和冷却成型即成为制品。机头有单层、双层、多层和单模头、双模头、多模头多种形式。无论什么形式的机头都可归纳为直接挤出机头和储料机头。

在塑料机头的设计过程中，目前一些中空成型机制造厂家已经采用计算机工程模拟分析软件对机头内部的流道、熔体分布、压力降、熔体流动速度、熔体温度变化、零部件受力状况等诸多技术参数进行分析研究，使其具有更好的流变性能，使塑料熔体具有更好的型坯结构，同时更易于塑料原料的换料与换色，并且已经取得较为理想的使用效果。

图2-22所示为3种多模头形式的塑料机头外形。

图2-23所示为两种双层塑料机头的外形。图2-23（a）可以同时成型两个双层塑料型坯；图2-23（b）可以成型一个双层塑料型坯，主要用来生产5～10L润滑油包装桶。

塑料机头是保障成型塑料型坯的重要部件，它的结构形式、参数设计、工艺调整等会直接影响塑料型坯的质量，当吹塑设备到达生产厂家以后，对其各项工艺参数的仔细调整就是最重要的了。

从机头的结构形式来看，不管是单层型坯还是多层型坯机头，主要是两大类：一类是直接挤出式机头；另一类是储料式机头。

图2-24所示是两种储料机头的外形，它们主要用来生产单层型坯的大中型塑料吹塑制品。

图2-25所示是一种超大扁平型储料机头外形，该储料机头由苏州同大机械有限公司研发，可用于生产超大型的扁平类中空吹塑制品。

在小型中空机中多采用直接挤出机头，同时配有双工位的合模系统，这样生产效率高，可满足小型制品生产的要求。大中型中空机通常采用储料式机头。

（1）直接挤出式机头

直接挤出式机头可分为中心进料式直角机头和侧向进料式直角机头。为了保障熔融的塑料在机头中不会因为阻滞而发生材料的降解，机头内的流道和口模、芯模均应设计制作成流线型的形状，并且要尽量提高表面光洁度。

中心进料式直角机头与侧向进料式直角机头各有特点，分别介绍如下。

① 中心进料式直角机头的结构特点　直角机头是型坯的挤出方向与挤出机螺杆的轴心方向相互垂直的一种机头形式。此机头在内部设有分流梭、分流筋、芯棒等部分，以形成需要的型坯。此机头的内部流道相对较短，塑料熔体在流道内停留的时间基本一致，型坯圆周方向的壁厚比较均匀，熔体流动速度比较均匀，容易实现对挤出机型坯壁厚的调节。图2-26所示为中心进料式直角机头示意图。

如图2-26所示，从挤出机挤出的聚合物熔体，经挤出机接头1，从分流梭3顶端的中心位置进入机头，向下按圆周方向分布流过分流筋7，分成若干股熔体，在芯棒4处重新汇合，挤出型坯。

中心进料式直角机头的熔体流道相对较短，其在机头内部停留的时间基本一致，型坯圆周方向的壁厚比较均匀，熔体流动速度也比较均匀，容易实现对挤出型坯的壁厚调节。熔体在机头内部的降解较小，这类机头适合于PVC等热塑性塑料。

聚合物熔体经过分流筋7（支架）时，会使型坯形成多条熔接线，这种熔接线的周向强度较差，特别是生产薄壁制品时，在熔接线处的机械强度有可能明显降低。同时，制品转换颜色时（由深色转换为浅色时），有可能在型坯的熔接线位置出现多条深浅不一的熔接线，影响制品的外观质量。

型坯产生这种熔接线的主要原因如下。

a．熔体经过分流梭分流后，熔体压力降低。

b．在分流梭的表面，熔体受到的剪切速率较大，其纵向分子的取向较大。

c．熔体受分流梭的阻碍，使其流动速度降低。

为了改善型坯在熔接线上的缺陷，提高熔接线的结合强度，可使聚合物分子重新缠结。

a．熔体汇合后在机头内部的停留时间是提高熔接线强度比较有效的方法，可以在分流梭处设置U形流道，适当加长流道的尺寸，减小分流梭的夹角，设置释放槽，提高流道的表面光洁度等。

b．适当提高机头的加热温度。

c．增加机头内部的熔体压力。如设计相互错位的双环式分流梭，使型坯的熔接线相互错位，即熔接线不穿过整个型坯壁，使其起到一层增强另一层的作用。还可以在芯棒处增加节流环，以及在芯棒处增设螺纹槽等。

d．设计机头时，可以适当加长熔体汇合后的直线段长度，减小分流梭夹角等。

e．对于设备使用厂家，可以通过改进塑料配方的形式来改进熔体熔接线强度低与壁厚不均匀的状况；配方的设计需要根据产品的性能确定。

② 侧向进料式直角机头的结构特点　侧向进料式直角机头的聚合物熔体是从侧向进料口进入机头芯棒后，经过分流槽周向分流，从周向流动逐渐过渡到轴向流动。分流槽的形状对型坯的周向壁厚均匀性有较大的影响。分流槽的形状设计有环状、心形、螺旋形等。

a．环形侧向进料式直角机头。机头芯棒在熔体的入口部位，开设环形槽使进入机头的熔体分成两股环形流入芯棒，环形槽的流动断面设置较大，熔体的流动阻力较小，使两股环形熔体可以快速地沿环形槽的周向流动，并在与入料口相对的另一侧相汇合，形成环形熔体，沿轴向方向往下挤出成型坯。

图2-27所示为环形侧向进料式直角机头示意图。

如图2-27所示，这种机头的结构简单，紧凑，流动长度较短，型坯只有一条熔接线。但由于熔体在环形槽形成环向流动，这样就造成熔体在入口处压力较高，熔体熔接处压力较低，型坯容易出现周向的波动，影响型坯壁厚的均匀性和稳定性，这种结构的机头主要适用于中小容量的聚烯烃吹塑制品的加工。

b．心形侧向进料式直角机头。机头芯棒在熔体的入口部位，设计成为心形。进入机头的熔体被分成两个方向流动，在周向流动的同时，还沿轴向往下流动，最后汇合成一条熔接线，挤出成为型坯。图2-28为心形侧向进料式直角机头示意图。

如图2-28所示，这种心形机头的入口处，虽然熔体的压力最高，但是熔体到型坯出口处的流道也最长；汇合熔接处的熔体压力虽然低，但是流道也较短。这样就可以通过流道的长度来补偿熔体周向压力的差异，保证熔体沿周向以比较均匀的速度流动，从而使挤出的型坯壁厚比较均匀。这种机头的流道设计成流线型，熔体流动通畅，流速高，机头内部的熔体量较少，比较容易清理，适用于经常变换塑料品种和制品颜色的场合。它适用于聚烯烃塑料，同时也适用于热塑性塑料（如PVC等塑料）的成型。

为了减小熔体汇合熔接线对制品力学性能的影响，机头芯棒可以有多种心形的设计，也可以设置两个熔体入口处，使流道的入口错开180°，熔体被分成两个分流，分别进入内、外心形流道成交叉流动，形成两个环层，它们的汇合熔接线正好错开180°，即内层的汇合熔接线完全被外层所包覆。这种方法还可以提高制品周向壁厚的均匀性。

c．螺旋形侧向进料式直角机头。机头芯棒在熔体的入口部位，设计成为螺旋形，类似于挤出吹膜的螺旋形机头。图2-29为螺旋形侧向进料式直角机头示意图。

如图2-29所示，塑料熔体从螺旋形芯棒的一侧进入机头，再流入单头或多头螺旋流道。这时，大部分熔体沿螺旋流道流动，少部分熔体沿轴向漏流；最后，熔体沿芯棒轴向流动，挤出成为型坯。芯棒螺旋流道的深度，从进料口向出料口逐步变浅，使熔体在流道中的压力损失得到逐步的补偿。改变螺旋流道的头数、流道的长度、流道的截面积以及螺旋的角度等，可以调整和改善型坯周向壁厚的均匀性。

这种螺旋形的机头，结构紧凑，熔体流动的均匀性好，型坯没有汇合熔接线，型坯均匀，常用于聚烯烃塑料的吹塑成型以及要求制品没有汇合熔接线的产品加工。

此外，近年来出现的复合流道技术将几种流道的优点结合在一起，使塑料型坯壁厚更加均匀，换色、换料更为快速方便。

（2）储料式机头

生产大中型中空制品时多采用储料式机头。将储料型腔设计在机头流道内，可以保证塑料材料的“先进先出”，进入储料型腔的熔体先从机头的芯模和口模之间挤出，这样先进入的熔体就有较长的松弛时间进行应力释放。这种机头型坯挤出的速度较快，可减轻型坯自重造成的壁厚不均匀性，进一步通过型坯壁厚控制系统来调节型坯的壁厚，保证吹塑制品壁厚的均匀性。

图2-30所示为大型储料式机头示意图。

储料式机头主要包括：圆环形的机筒、压料活塞、可上下移动的芯棒、压料油缸、伺服油缸、可调节的口模、芯模、电加热器、电热偶、位移传感器、伺服阀等零件以及冷却装置。有的储料式机头还包括顶出装置、上部预夹装置、上部扩坯装置、型坯切断装置、径向伺服控制装置等。

双层心形包络流道的储料式机头是一种高性能储料式机头，其原理是将熔合缝区分成两处并错开分布，型坯被完整的熔料层所覆盖，提高了熔体融合缝区的强度，近几年在国内主要几家大型中空成型机生产厂家已广泛使用。图2-31为双层心形包络流道储料机头的示意图。

储料机头内部采用螺旋流道有利于提高塑料型坯的均匀性与消除熔接线，特别是生产高强度塑料制品时效果更为明显。目前国内各个中空成型机生产厂家都在积极开展这方面的研究，苏州同大机械有限公司成功研制了采用复合流道技术的储料式机头，有效地提高了塑料型坯的壁厚均匀性，加快了换色、换料的速度，缩短了换色、换料的时间。

流道采用流线形设计与制造可避免出现滞留区，有利于改善塑料熔体的流动与融合。机头流道表面（含芯模、口模表面）应该高度抛光，以防止熔体流过这些表面时发生滞留与积料，此外，如果流道不光滑，极易产生熔体破裂、制品表面质量差等缺陷。

2.1.2.2　塑料型坯成型机头流道设计的创新

机头流道设计需要重点考虑的问题是熔体流经不同界面流道时的流动特性。不同功能段流道过渡要平稳、光滑、无流动死角，特别是要考虑所加工塑料熔体的黏弹流变特性。压缩比用以稳定挤出所必须的机头压力并使挤出的塑料制品密实，机头压力的大小与塑料原料和制品截面形状密切相关并受挤出机类型和性能的制约。扩张角的作用是减压、降速，使熔体流速均匀，扩张角的大小与熔体黏弹性和黏度密切相关。压缩角决定了流体进入定型段前压力增大的快慢程度，合适的压缩角能实现制品的平稳挤出，压缩角太大将导致爬行挤出或制品表面波纹。分流角的大小对挤出的影响不像压缩角那么敏感，但角度的明显偏大或偏小都将导致挤出不稳。定型段要有足够的长度，以便消除熔体在前面流道流动过程中产生的记忆效应，并在此区间形成完全均匀一致向前流动的熔体。口模间隙与制品厚度并非一一对应关系，除考虑出模膨胀、拉伸收缩、冷却收缩外，还应考虑后续成型方式和产品特点。异形制品口模形状要与制品截面形状相适应，不能完全对应，要充分考虑到出模膨胀和拉伸变形。

目前国内外中空成型机的常规成型机头主要采用单一的心形流道技术或单一的螺旋流道技术。心形流道主要有单包络、双包络两种，即使采用双包络心形流道技术，流道内的塑料流体的流动仍然不均匀，尤其是加工高分子量的聚乙烯塑料时，塑料熔体在成型机头中容易出现密度不一致的情况，塑料型坯挤出时，则容易出现壁厚分布不均的现象，最终影响吹塑制品的综合性能。单一的螺旋流道技术虽然解决了塑料熔接痕的问题，但是螺旋流道的前端流道容易造成塑料熔体的滞留，使换色、换料周期延长，影响换色、换料工作的进行，加大了换色、换料的成本。

流道设计在中空机机头上极为重要，目前苏州同大机械有限公司采用了心形流道、螺旋流道复合叠加的技术，研制了一种新型复合流道（图2-32），该复合流道发挥两种流道的各自优势。将心形流道设计为上部流道，下部流道为螺旋流道，从心形流道流动的塑料熔体经过下部流道的重新分布，在流道内部形成多层熔体流动。另外，将原来流道中流动的单层熔体转变成为13～129层的塑料熔体流动，彻底消除了熔体熔接痕，解决了心形流道产生熔体熔接痕强度不足的问题，熔体经过重新分布后，各个部位的密度已经实现基本一致，壁厚分布均匀。

这种复合流道的结构如图2-33所示。

上部心形流道计算机工程模拟分析过程：对流道几何参数进行设计时，采用了先进的CAE技术与传统经验相结合的方式，对机头流道内聚合物成型加工的过程进行仿真模拟优化，使所设计的机头流道与聚合物的加工性能更符合，提高一次试模的成功率，缩短设计周期，节省了设计、制造成本。

图2-34、图2-35分别为计算机模拟仿真上部流道的压力分布和温度分布图。

从图中可以看出，上部流道设计是比较适合所加工的多种塑料原料的，从流道内部温度变化情况来看，其变化值较小，影响熔体的密度变化较少。上部流道熔体压力分布比较合理，在流向下部流道时，压力分布基本趋向一致，这样流向下部流道的熔体的密度、温度、压力基本一致，经过下部流道的进一步均衡，熔体的密度、温度、压力变化取向更为稳定，稳定的熔体流向储料缸以后，能够保证注塑型坯的均匀性有较大幅度的提高。型坯质量与均匀性的提高在多次生产实际中得到了证实，恰好验证了模拟仿真结果的合理性和实用性。

在研制成型机头的复合流道技术过程中，对复合流道的几何参数进行设计时，采用了计算机工程分析软件进行模拟试验，并且结合生产实际中多年积累的经验，对机头流道内聚合物成型加工的过程进行计算机仿真模拟优化，使所设计的机头流道与聚合物的加工性能更符合，提高一次试模的成功率，缩短设计周期，节省研制成本。

在这种复合流道的数控加工中，采用了高精密度的数控加工中心，较大幅度地提高了这些精密零部件的加工精度，见图2-36。经过精密加工以后，其流道的精度，表面光洁度得到了有效的保障，因此吹塑机设备的稳定性和耐用度得到提高。

复合流道外观图见图2-37。

近年来，很多吹塑机机头流道采用复合流道的形式，结构形式也各有千秋，针对不同塑料与分子量的变化，机头结构也不会一成不变。随着研究工作的深入，将可能有更多的高效、高质量的机头面世。

2.1.3　扁平储料机头的创新设计

扁平储料机头在中空吹塑机上的应用不多，目前只有苏州同大机械有限公司制造的TDB-2000L和TDB-1600L设备在使用，此类机头特别适合做像吹塑托盘这样扁平状的中空制品。

图2-38为扁平储料机头结构示意图。

此扁平储料机头设有两个储料缸，分别由两个射料油缸控制压料动作，其储料量达到100L以上，内部流道设计合理，分流准确，压料时型坯平整，壁厚均匀。机头中间为壁厚调节油缸，用来控制口模开口的大小，径向间隙调整螺钉用来调节口模座的对中度，可以保证料坯出料的均匀性。该设计获得多项发明专利权。

综上所述，储料式机头的设计与很多因素相关，吹塑制品不同，技术参数也会发生较大的变化，设计师需要根据制品的要求来进行设计。对于工业吹塑制品，根据产品的不同吹胀比会有较大的变化，变化范围一般在1.0～3.5之间。吹胀比的变化对确定口模的直径至关重要。

机头的流道设计会影响到制品的成型，壁厚的均匀性，换色、换料的周期，机头的生产效率以及挤出机的挤出效率等，当机头内的流道压力设置较高时，型坯壁厚的均匀性能够获得改善，熔体的熔接线强度能获得增强，换色、换料的速度可以提高，但是过高的流道压力可能导致挤出机压力提高，输送速度降低，挤出机中熔体温度提高，并且导致储料机头内储料速度降低，影响生产效率的提高。当机头内的流道压力设置过低时，型坯的壁厚可能出现不均匀的状况，熔体的熔接线强度可能较低，换色、换料的时间较长，但能提高熔体的输送速度。

机头流道内压力设置与流道的断面尺寸、形状、挤出量、塑料原料的力学及化学性能等主要参数密切相关，需要根据所使用的塑料原料以及设备所要求的产量、熔体型坯的力学性能，以及换色、换料的时间要求来仔细分析确定。随着计算机分析工程技术的应用，设计师能够较为方便地进行机头各类技术参数的分析与修改，从而设计出技术性能较为优良的机头流道。

机头的流道（包括口模、芯模）的表面需高度抛光，以防止熔体出现滞留和内外表面不光洁的现象。

有些中空成型机制造厂家在单层储料机头储料腔的上部设计了溢料孔，以便快速换色和换料，同时也可以保障储料机头的安全运行。生产中一旦伺服液压系统出现意外故障，可控芯模不能向下移动，电控系统的保护同时失灵，而挤出机仍在不断挤出时，溢料孔对储料机头可起到最后的保护作用。

储料机头的圆环状压料活塞与圆环状机筒的内壁和圆形芯棒外圆之间的间隙设计及加工至关重要。在设计上，应该充分考虑所选用钢材的热膨胀系数以及塑料原料的工艺性。余料的顺畅溢出是评价储料机头优劣的一个重要参数，过多的余料溢出对于原料节约是不利的，但要使储料机头完全不发生余料溢出几乎是不可能的，设备制造和使用厂家都应该对此有足够的重视。

此外，双色与多色机头也是近几年技术创新的热点，苏州同大机械有限公司工程技术研究中心根据客户的需要已经研制出多款双色与多色塑料机头，满足了不同国家客户的需要。几种多层机头示意图见图2-39。

随着国内中空成型机的一些设备制造厂家采用先进的计算机工程（CAE）模拟分析软件对机头流道、心形包络结构设计、复合流道技术的进一步优化以及机头流道采用五轴联控数控加工机床加工与流道表面耐磨处理等先进技术的推广应用，将可能较快地促进国内中空成型机成套设计、制造技术的进步与发展。

2.1.4　合模机定型装置的创新设计与节能

合模机构主要用于固定吹塑模具，使塑料型坯能在模具中快速成型为吹塑制品。合模机构主要包括：底座、液压缸、模板、下部吹胀装置、预夹装置、扩坯装置、安全门、模板同步合模装置以及合模机构移出装置等。对于一些小型的合模机构，则要简单得多。合模机构应能实现模具的快速开合模、慢速开合模、四开模的上下开合模、模具嵌件及抽芯动作、塑料型坯的扩坯、预夹与吹胀、高压锁模、制品低高压吹胀成型、安全门的开合以及模具的快速更换等。

合模机构的主要变化是进一步向节能和高效化发展。早期的合模机构大都采用四板液压直动式，能耗较大。后来发展了液压节能型合模机构，即现在使用较广泛的四拉杆三板联动式（或是两拉杆三板联动式）。过去十几年中，市场上多数中空机的合模机构，无论其外部形状如何，实质上几乎都可归入三板联动式。它的主要特点是：将快速移模缸与增压缸分开，用较小的油缸推动三块模板的联动快移，在较小油泵站的条件下获得更高的移模速度。早期的三板联动式合模装置的一个主要缺点是带有2～4根拉杆，使装模空间受到一定限制。

近年来，大中型中空成型机多数采用两板销锁式合模机构，一些小型合模机构则经常采用肘杆式。两板合模机的形式近几年发展很快，已经出现多种结构。各设备生产厂家采用的合模机构均有不同。图2-40为两种不同合模机构外观。

（1）直压式合模机构

直压式合模机构已经较为少见，但是这种结构形式具有独特的代表性，往往在一些大型中空成型机得到应用。

图2-41所示是超大型中空成型机两板直压式合模机构的结构简图，它主要由固定在机架6上的四个上、下直压液压缸2、两块大型模板4、钢板组焊成的、槽状的、可以升降和移动的机架、预夹装置7，以及可以升降的扩坯装置8等组成。大型模板底部的两侧各安装两个滚轮，滚轮在轨道上滚动。每块模板各有两个液压缸推动合模、开模。为了保障模板合模时对准中心，模板合模、开模时，同步齿轮、齿条3及链条、链轮组成同步机构5来起同步保障作用。

模板合模、开模的液压缸动力由主液压系统提供，其液压动作主要有快合模、慢合模，快开模、慢开模，高压锁模等。高压锁模时的锁模力为3000kN。

① 升降与移动　整个合模机构具有上下升降、前后移动的功能，正常生产时，整个合模机构固定在大型储料机头的正下方，以方便塑料型坯的成型。并且可以将合模机构升到一个比较合适的位置，以减少储料机头到模板的距离，从而减少塑料型坯的边料。此外，对不同吹塑制品的模具安装也可以作适当的调整。更换模具时，整个合模机构可以向操作方向移出一定的距离，以方便模具的吊装更换，模具更换好后，整个合模机构即往储料机头的正下方移动，并固定以方便正常生产。合模机构的移进、移出是由一个较长的液压缸来推动的，实现了移动平稳，速度适当的要求。

整个合模机构的升降是采用电机带动减速器及同步蜗轮、蜗杆装置来实现的，具有升降速度平稳，可控制精度较高的特点（升降机构在图2-41中未画出）。

② 扩坯装置的动作　

扩坯装置安装在模板中心的正下方位置，有两个扩张杆，具有前后扩张、收缩，上下升降，吹气等功能。扩张、收缩动作由气缸驱动，上下升降动作由液压缸驱动。整个扩坯装置也可以升降一定的行程，它的升降由电动机带动减速器及同步装置来实现。升降过程采用控制按钮点动的方式进行，升降动作平稳，可以较快地实现上下对位动作。类似扩坯装置外观如图2-42所示。

③ 模板的对位　在两块模板的下部位置各安装两个螺杆，可以较好地调节模具的对位距离，从而实现模具的平稳合模，确保吹塑制品的正常成型。

④ 预夹装置的动作　型坯的预夹装置安装在型坯扩张装置的两侧，它的动作由气缸驱动，两边夹紧板的同步由同步链轮、链条来保障，预夹装置具有夹紧、放松两个主要动作，其动作迅速、夹紧力量较大，能较好地完成吹塑成型。

⑤ 合模机构的其他结构　合模机构上安装有安全门，以保证正常生产时操作人员的安全防护。安全门上还安装有磁场感应装置、液压保护开关等多种安全保护装置，以防止意外的发生。

合模机构上还附设有口模、芯模拆装装置，可以安全地实现对口模、芯模的拆卸和安装。该装置由手动液压泵实现拆装装置的升降动作，手工进行圆周方向的对位工作，对位精度可以达到±2mm左右；可以非常方便、安全地实现对大型口模、芯模的拆装。

合模机构还附设有大量的液压管道、气动管道、水冷却管道、电气控制线路等，它们能保障合模机构各项功能的实现和动作的完成。

（2）三板四拉杆合模机构

三板四拉杆合模机构是目前在用的大中型吹塑设备中使用最多的一种合模机构，多数200L全塑桶吹塑设备的合模机构采用这种结构形式，此外，有一种三板两拉杆合模装置是它的变形，在安装模具方面比三板四拉杆的合模装置更方便一些，在高压锁模的装置上，不同厂家采用了不同的结构形式，有采用增压液压缸的、有采用销锁液压缸的，还有采用直压油缸的。秦川塑料机械有限公司和苏州同大机械有限公司等公司生产的大中型中空成型机基本上都是采用了三板四拉杆合模机或者与其类似的三板两拉杆结构形式。三板四拉杆合模装置的结构简图如图2-43所示。

三板四拉杆合模机构的运动形式是：固定在左模板中间位置的小型合模液压缸10在油液的作用下推动中模板5向右模板4方向运动，同时，左模板在该液压缸的推动下则向外侧运动，右模板4在一端固定在左模板穿过中模板而另一端固定右模板的四根拉杆的拉动下，在同步齿条装置2的联动作用下向中模板移动，形成中模板与右模板的合模；反之，则为开模。高压锁模时，小型液压缸将模板推到合模位置，安装在左模板上的锁模挡板液压缸8下移，带动锁模挡板7也下移，安装在中模板上的两个大型锁模液压缸6在油液的推动下，活塞杆向锁模挡板方向推出，实现高压锁模。锁模到位后，即发出电信号，进行保压，吹塑制品即可吹胀成型。

这种合模机构多数还安装有型坯扩张装置与吹胀装置，有的还安装有预夹装置等，以实现产品的正常生产。目前多数设备厂家在中空成型机出厂前已经在合模机构上安装有自动加油装置，可以实现定时定量加注润滑油，确保合模机构在良好的润滑状态下工作。这种合模机构的特点是在它的有效行程内调整方便，开合模平稳可靠。

三板四拉杆结构的变种有三板两拉杆结构，其基本工作原理类似，只是在拉杆和模板的结构上进行了较多的改进，使吹塑制品成型时更加容易被取出。

（3）两板销锁式合模机构

两板销锁式机构的移模运动由液压缸或伺服电机驱动滚珠丝杠来实现，运动副采用了滚珠直线导轨，具有刚性高、运动精度高、运动轻快等特点，这种两板式合模装置的合模力由两对或三对位置可调的销锁液压缸来实现。为了方便模具安装，这些销锁油缸可以方便地从模板上取下来，并通过沿轴向的调整来适应不同的模具厚度的要求。销锁液压装置具有多种专利产品在使用。目前常见的两板销锁式合模机构如图2-44所示。

一些两板销锁式合模机构采用互相对称的两套液压缸驱动机构同步分别驱动各自的模板，由于模板中心受驱动液压缸的作用力，所以能降低模板的重量，减小锁紧变形量，装卸模具更容易、容模量更大、更适合机械手的操作，性能上比其他结构的合模机构更具有优越性，近年来这类合模机发展较快。

此外，两板合模机构的驱动装置采用伺服电动机驱动滚珠丝杠来进行开合模在技术上已经非常成熟，尤其是在中小型中空成型机合模机构上应用较多，在开合模速度调节与节能方面，这种驱动方式能够取得较好的效果。

图2-45为一种超大型两板合模机的外形。

该两板合模机由小型液压缸推动，采用6组销锁扣套式液压缸锁模，具有刚性好、运行平稳、节能、快速、锁模力矩大等特点。其模板宽度达到1800mm，高度达到2400mm，合模力达到3000kN。

近年来关于合模机的全电动伺服驱动研制速度加快，一些中小型吹塑机的两板式合模机装置开始批量采用全电动伺服驱动装置，节能效果明显。苏州同大机械有限公司已经研制出30L系列的全电动伺服合模机装置，可达到快速、可靠、运行平稳、节能效果明显的目的。

（4）两板肘杆式合模机构

两板肘杆式合模机构具体结构见图2-46。

这种合模机构目前多用于30L以下吹塑机的合模机中，这类合模机构具有多种变形结构，一些设计将液压缸改进为电动直线推杆，也有的改进为伺服电动机驱动，其具体结构基本类似。

下面介绍几种新型的锁模装置。

① 旋转式锁模装置　旋转式锁模装置如图2-47所示，主要包括：液压缸座1、液压缸组件2、偏转器支撑杆3、偏转器组件4、偏转杆5、拉杆组件6、右支座7。其中偏转器由气缸、齿轮箱、带有内花键的齿轮、齿条、花键轴及偏转杆5组成。偏转杆设于油缸活塞杆内部，通过螺栓、螺母得到可靠连接。合模过程中，油缸活塞杆位于顶出位置，偏转杆与拉杆组件对中能够套合，模具闭合后偏转杆已在拉杆组件内部，通过偏转器组件带动偏转杆旋转并使油缸活塞杆后退，让偏转杆与拉杆组件顶死，使模具可靠闭合。开模时，偏转器反方向旋转，到达与拉杆组件套合指定位置后，模板向两侧移动，当移动到一定位置时，油缸活塞杆回到初始位置，开模结束。

旋转式锁模装置具有安全、卫生、锁模效果高、生产效率高、易于零件更换、能耗低等优点，目前主要应用于大型、超大型两板合模机装置。

② 卡套式锁模装置　卡套式定型装置见图2-48。主要包括：销锁液压缸1、销锁液压缸座1、销锁卡套外筒、卡套、移动套、销锁液压缸座2、销锁液压缸2。合模过程中，销锁液压缸1中活塞杆顶出到合适位置后，模板开始相互靠拢到相应位置，销锁液压缸2中的活塞杆向前运动，推动销锁卡套内的移动套，由于移动套的挤压卡套按照卡套滑板的导向相互合拢，销锁液压缸1中活塞杆后退直到卡套扣住活塞杆，从而使模具可靠合模。开模时，销锁液压缸1内的活塞杆向前顶，销锁液压缸2内活塞杆向后退，由于卡套内设有弹簧和高强磁铁，当移动套松开时，卡套向外扩张，当活塞杆回到初始位置时，模板开始分开，回到初始位置，活塞杆同时也回到初始位置，开模结束。

卡套式锁模装置具有结构简单、使用安全可靠、锁模效果好、生产效率高、零部件制造成本低、易于更换零件、低能耗、应用广泛等优点。卡套式锁模装置能适应大中小型两板合模机的锁模机构。

③ 液压-机械式锁模装置　液压-机械式锁模装置如图2-49所示，该装置由销锁杆油缸、销锁杆油缸座、销锁杆、销锁卡套油缸、销锁卡套、销锁卡套外筒组件等组成。

合模过程中，销锁杆油缸顶出至适合位置，模板靠拢直到模具闭合完毕，锁模卡套油缸活塞杆顶出至销锁卡套与销锁杆完全卡死，通过销锁杆油缸拉力完成模具锁模，使制品在模具内定型。开模过程中，销锁杆油缸卸油，锁模卡套油缸活塞杆回到初始位置，从而使销锁卡套与销锁杆分开，模板开始分开回到初始位置，销锁杆油缸活塞杆也回到初始位置，开模结束。

液压-机械式锁模装置优点：不需要消耗电能；能保障锁模的可靠性；结构简单而有利于缩小中空塑料成型机的整机体积。液压-机械式定型装置主要用于大型、超大型两板式合模机。

2.1.5　超大型合模机模板力学性能的计算机工程分析

合模机模板通常是经铸造或钢板组焊的一种高效且尽可能通过少量切削加工工艺方法制作而来，而吹塑机生产线的合模机的设计主要还是以经验为主，可能存在设计研发周期较长，稳定性上存在一定差异等问题，因此，采用较为先进的设计方法来缩短合模机的设计研发周期，确保合模机在运行中的可靠性、稳定性很有必要。本例采用有限元技术对TDB-1600F大型吹塑机合模机模板进行了分析，主要包括以下几点。

① 建立模板模型，为了提高仿真效果，将合模机模板简化，利用专业有限元网格划分软件建立网格模型，导入高级仿真模块中进行有限元力学分析。

② 按照计算公式中条件确定分析边界和力的分布情况，将求得的体载荷加载到结构中进行动力学分析。

③ 依据计算结果，对模板进行拓扑优化，依据拓扑优化后的密度云图，对密度集中度过高的位置进行重新设计以及结构改造，再重新分析变形及应力情况。

具体操作如下。

① 根据设计图纸，利用三维造型软件Unigraphics NX建立合模机模板的三维实体模型，并设置好相关的参数，模型如图2-50所示。

② 将三维图导成X_T文件备份，保存文件，进入软件高级仿真模块中，进行动力学仿真分析，在仿真导航器中选择新建FEM和仿真，如图2-51所示。

③ 赋予零部件相关材料属性，在软件窗口栏中选择文件-ansys_fem1.fem，材料属性选择Steel，对三维实体进行材料指派，如图2-52所示。

④ 对模板进行有限元处理，进入3D四面体网格界面，选中实体，在不影响计算结果的情况下，删除一些实体小细节特征，比如圆角、倒角、小孔等，有利于网格的划分。

有限元网格的质量好坏，很大程度上影响分析计算的结果，当网格具有理想的形状时，计算结果最好。然而实际划分的网格往往不可能都达到理想的形状，会有网格变形，当网格变形超出一定限制时，计算精度会随变形的增加而显著下降。在划分网格过程中，网格变形程度要在一定的范围内。对于比较简单的结构，使用自动或半自动功能划分网格即可，生成的网格可以不用进行网格质量检查，直接用于模拟分析；而对于比较复杂的结构，划分网格时，一般要先对几何模型进行处理，对网格质量不合格的地方重新划分，避免影响计算精度。单元的网格质量直接关系到有限元模型分析的精度和收敛性，因此网格质量检测是网格划分过程中必不可少的一步。

对实体模型划分网格后的效果见图2-53。

⑤ 建立好网格后，在软件窗口栏中选择文件-ansys_sim1.sim，进入载荷类型界面，在载荷类型中选择应力载荷，对模板合模驱动力进行理论计算：

锁模液压油缸压力　p＝16MPa。

油缸推杆面积　S＝（2002/4－1002/4）　π＝23562mm2。

模板总锁模力　F＝6Sp＝2261952N≈2260kN。

给定安全系数，将F设成3000kN进行强度分析，保留模板安全值。

⑥ 将约束应用于有限元对象，高级仿真中约束类型有很多，如图2-54所示。

⑦ 对有限元模型进行安全检查，无问题后方可进行求解，求解界面如图2-55所示。

⑧ 提交求解后，在后处理器中双击文件，在Solution中得到计算结果的变形云图及应力云图，分别见图2-56和图2-57。

通过位移变形云图可以得出，模板节点最大变形量和最小变形量，以及变形量极值分别所处的位置。同理，在强度应力云图中，可以观察出最大应力值和最小应力值，以及各自的分布位置区域。

然后，对合模机模板进行拓扑优化，对受力部位及支撑部位分别进行有增有减的钢板厚度试验以及结构改造，通过修改有限元建模模型，提交重新计算，分析结果是否符合要求，查找出问题，得到最佳设计效果。

根据尺寸要求及装配要求，将合模机模板分别进行背面筋板厚度增减模型计算，背部筋板加长、剪薄正面模板厚度后模型计算，背部加强筋条改造成米字布置或横向布置不同方式模型计算，通过性能提升对比与重量利用率对比，每10mm为一个单位进行一组数据分析，如表2-4所示。

通过试验分析，模板受力主要取决于模板背板加强筋长短，即受挤压方向筋条尺寸。在剪薄其他尺寸的同时，通过云图观察得出既能保证力学性能不降低又能减轻整体模板重量的方案。

2.1.6　吹气装置与型坯扩张装置的创新设计

吹气装置与型坯扩张装置主要为成型产品提供气体压力、气体流速（决定了吹气时间）、预制坯形等，它们主要通过控制吹塑制品的壁厚分布来控制制品的性能。

型坯预处理包括了对型坯进行包封、撑料等，使型坯在模具闭合前达到较为理想的形状。通过型坯预处理，可以提高产品物化性能和外观质量。

图2-58所示的管坯扩张及包封机构一般用于底部吹气的大型平板制品，如托盘、桌面板等。其工艺过程为型坯到达预定位置，扩坯机构向外动作带动型坯动作（经过拉伸的型坯变得扁平），包封装置的机械作用将料坯底部粘接在一起，型坯内部形成一个封闭的空间。这样才能满足大型制品低压预吹气条件。图2-59为通用型底吹装置，具有型坯扩张功能及吹气功能，制品成型后吹针和撑料杆可向下抽离。在200L全塑桶的生产设备上，下吹装置还可进行桶口螺纹的旋转脱模以及对桶口螺纹的局部挤实压紧动作（一般采用下吹气杆在模具合模后、进入高压锁模前向上挤压5mm），图2-60为苏州同大机械自主研发的200L双口桶下吹装置。图2-61为一种电液混合驱动的下吹装置设计图。

吹气装置除了底部吹气，还有上吹、侧吹等几种主要吹气方式。根据吹塑制品的成型特点，选择不同的吹气方式对制品的成型非常重要。对于小型吹塑制品而言，一般采用上部吹气装置，而多数上吹装置设置在机头的两侧、模具的上部。双工位的中空成型机则分别在机头两侧各安装一套上吹装置。图2-62所示为一种四头上部吹气装置。

型坯吹胀分为自由吹胀与约束吹胀两个阶段。从气体进入预制型坯开始到型坯与模具型腔接触时称为自由吹胀，这一过程中，型坯各个方向的形变都不受约束，因而型坯可在任意方向膨胀变形，型坯变形是比较均匀的。当型坯与模具型腔接触到与模具内壁完全贴合时称为约束吹胀，这一过程中，先与模具接触的型坯温度下降，黏度增大，变形能力变差，吹胀比小，壁厚较厚；没有接触模具型腔的型坯，温度相对较高，黏度相对较小（流动性好），变形能力较好，吹胀比大，壁厚较薄。温度、压力和时间是影响吹胀过程的主要工艺参数。吹胀压力使型坯变形紧密贴合模具，对产品进行保压。吹胀压力大小影响型坯形变速度，压力过小时，可能出现产品成型不饱满等缺陷；压力过大时，型坯在非拐角部位快速接触模具型腔，型坯过早进入约束吹胀过程，而拐角部位继续形变（大吹胀比），导致产品壁厚差异大。吹胀时间越长，产品的保压、冷却时间越长，才能保证产品具有良好的外观质量，防止出现严重的收缩变形。吹胀时间过长会提高产品生产周期，降低生产效率。吹气位置周围的型坯受力集中，变形快，从而使型坯变形不均匀。合理控制吹气位置，可提高制品质量和性能。闭合型坯的吹胀过程是拉伸流动，型坯的吹胀并不均匀，中心更趋于膨胀。

2.1.7　制品取出装置的创新设计

吹塑制品取出装置通常称为机械手，目前挤出吹塑机上用的机械手一般是气动控制的，也有电控以及液压控制的。气动控制的机械手其驱动系统由气缸、气阀、气罐、空压机组成（在整套设备中，不需要另外加气罐和空压机）。这类机械手电源方便、动作迅速、结构简单、造价较低、维修简单。但是，气动难以控制其行进速度，而且机械手抓举力有限。因此，在吹塑机设备中，机械手通常为专用机械手，其控制方便，结构较为单一。

图2-63所示为25L以上设备使用的机械手。机械手夹板中有冷却水循环冷却，防止料粘住，能较容易地放下制品。夹板内侧为锯齿形。

图2-64所示为18L以下塑料制品通用机械手。与25L以上塑料制品通用机械手相比较，最大的区别在于其机械手夹板没有通冷却水，这与设备的工艺有关。大型设备机械手取制品抓取废料部位，而小型设备机械手直接取制品，制品在取出前完成除溢（即去除飞边）。

机械手还有其他多种用途，如取料、放料、去除飞边、制品倒置等。这类机械手大多由气动控制。机械手控制方式有点位控制和轨迹控制两种。完成简单的工艺动作一般用点位控制，较为复杂的，在空间有连续动作时，采用多轨迹控制，实际就是采用6轴机器人与相关夹具配合取出吹塑制品的智能化装置，见图2-65。

挤出吹塑中空成型机不仅仅是生产出合格的制品，还要对制品做后处理（包括切割制品、打磨、焊接、灌装等），机械手要完成的不仅仅是简单的工艺动作，而是要替代人工完成流水线生产中的重复工作。所以，挤出吹塑中空机上的机械手将更加复杂化、智能化，机器人取件与全自动去飞边将会是挤出吹塑机智能化生产线上不可或缺的重要组成部分。

2.1.8　型坯转移装置的创新设计

随着多工位吹塑机生产线以及多层连续挤出塑料型坯的广泛应用，特别是大型、超大型双工位吹塑机生产线的应用，为了使节能效果更为明显，一些生产线配置了塑料型坯转移装置，见图2-66。

塑料型坯转移装置的作用是将塑料型坯从挤出机头的下方转移到合模机的模具中去，然后进行吹塑成型。一般将型坯转移装置设计为可活动的夹持块，其夹持块上制作有多个环形孔槽，内部设置有孔，采用管道与负压装置连通，当控制阀打开时，环形槽处形成负压，并且靠近塑料型坯，靠负压吸住塑料型坯，并做向下运动，使型坯离开机头口模处，然后机械手将型坯带往合模机的模具中，进行吹塑成型。这种型坯转移装置可以采用机器人进行型坯转移，也可以采用其他移动方法。采用型坯转移装置带来的直接效果就是节能效果较好，特别是对于双工位大型或超大型吹塑机组来说，节能效果更加明显。

2.1.9　轴向与径向型坯控制系统的创新设计

电液型坯壁厚控制系统主要由液压伺服系统、塑料机头的伺服液压缸、电气控制器、电液伺服阀、料位传感器（电子尺）以及连接的管道等组成，通过对机头芯模或口模开口量的控制，来控制塑料型坯的厚薄变化，使吹塑制品达到一个较为理想的壁厚水平。

中空成型机机头的型坯壁厚控制技术是中空吹塑成型的关键技术之一，其作用在大型工件或精密吹塑件的成型方面尤其显著。壁厚控制技术不只是应用于储料式机头，也可以用于直接挤出式机头。

电液型坯壁厚控制系统可分为轴向壁厚控制技术（AWDS）和径向壁厚控制技术（PWDS）两种形式。

（1）轴向壁厚控制技术

目前中空成型机的成型机头一般都具有轴向型坯控制功能，其控制点从64点到256点不等。轴向壁厚控制的作用是：使得挤出的塑料型坯根据制品不同的吹胀比沿轴向获得不同的厚度，从而保证最终制品有比较均匀的壁厚分布，它是通过使芯模或口模根据预设位置作轴向运动而改变芯模、口模的开口量来达到改变塑料型坯壁厚的目的。

近年来，国内多家中空成型机设备制造厂家已开发出性能可靠的轴向壁厚数字化液压伺服控制系统（AWDS），控制点在64点和100点这两种形式的居多。它们采用PLC的A/D和D/A转换模块控制液压伺服阀的专用放大器控制电路，放大器控制电路驱动伺服阀和位移传感器工作，对于型坯壁厚每一点数据的修改和设定以及基本壁厚的设定非常方便。一些厂家在中空成型机上按照客户的要求安装进口型坯壁厚控制系统，这些控制系统多数采用的是MOOG公司的产品，使用性能上也很可靠。

国内已经有专业公司正在研究开发具有国际先进水平的可以控制四路的壁厚精确控制器，每路控制点为100点，可以实现对四个伺服阀的单独控制与调节，从试验的情况看，其控制精度已经远远超过国外发达国家的同类产品，其操作、维护上更为方便，使用寿命更长，产品价格远远低于国外同类产品。

图2-67所示为电液型坯轴向壁厚控制系统控制原理。

苏州同大机械有限公司不但研制了系列化的电液轴向伺服控制系统装置，近年研制成功了多款适合大中型吹塑机应用的全电动伺服控制轴向型坯控制系统，目前已经实现了系列化的研发与应用。其全电动伺服控制拉力分别达到30t、120t、300t。全电动伺服型坯控制系统的对应曲线可扩展较多的点数，其控制精度明显高于电液控制系统，提高了塑料型坯的控制精度，有利于提高吹塑制品的控制精度以及运行的稳定性和可靠性，因此可较大地提高塑料型坯的控制精度，从而提高吹塑机的各项技术水平。

（2）电液径向（周向）壁厚控制技术

轴向壁厚控制虽然能改善吹塑制品高度方向的壁厚分布，但由于其压出的塑料型坯在水平截面内仍呈等壁厚圆形，对在某一对称方向有较大拉伸要求的制品则显得仍不是最佳，因此便产生了径向壁厚控制技术。径向控制技术可以使挤出的型坯在所要求的区段内呈非圆截面的变化。

轴向壁厚控制与径向壁厚控制联合作用，可获得更为理想的制品壁厚分布。

柔性环径向型坯控制包括柔性环芯模控制系统与柔性环口模控制系统，它是通过电液伺服控制薄壁柔性环在一个方向、两个对称方向上或多个方向的变形来改变挤出型坯的厚度。它的特点是无论吹制什么形状的制品，只要其口模直径不变，则径向控制都能发挥作用。

图2-68所示为柔性环径向壁厚控制系统（PWDS）。

图2-69为一种安装了柔性环径向壁厚控制系统的机头外形。

该机头为双机头设计，每个机头的柔性环口模分别安装了2组伺服液压缸，可实现两个塑料型坯的径向型坯壁厚的控制与调节。

苏州同大机械有限公司研制的柔性环径向型坯壁厚控制系统，口模、芯模柔性环的直径范围在150～850mm，具有独特的设计，在安装、使用、维护、价格方面有诸多优势，可安装在多种规格的中空成型机口模上，口模柔性环的控制点可达16点，柔性环芯模调整点可达到36点。

应用于TDB-250F吹塑机的柔性环径向壁厚控制装置见图2-70。

苏州同大机械有限公司研制的柔性环动态径向口模与静态柔性芯模的技术特点如下。

① 整体设计简单，调整方便快捷，耐用性能好。以TDB-250F柔性环控制系统为例，即使是柔性环常用的顶出点发生磨损或变形，只需要松开口模压环将柔性环变换一个位置就可以重新使用，对变形处进行稍微打磨抛光即可。

② 伺服液压缸的活塞杆内部设计有循环冷却水系统，可以有效减小模头环境热能对伺服液压缸的影响，并且其体积小，安装调试方便，易于保障伺服液压缸长期稳定运行。

③ 动态柔性环口模与静态芯模柔性环均采用国产优质合金钢精密加工而成，经过多次不同方式的材质处理，确保了其弹性足、回弹快捷、抗疲劳性能优良、经久耐用、性价比优良。

④ 可采用一组阀控制一组伺服液压缸，也可以采用一组阀控制多组伺服液压缸，有利于降低柔性环的制造成本，并且提高型坯的壁厚控制精度。

⑤ 可在圆周方向设置多组伺服液压缸，实现对不同控制点的控制，达到对复杂型坯实现多处、多点壁厚进行控制的目的。

⑥ 可实现对柔性环的定距离控制和伺服控制，有利于型坯壁厚的调整与控制。

柔性环径向控制系统可应用在模头圆周上任何位置，用来改变流道间隙，从而改变型坯壁厚的分布，为挤出吹塑开辟了全新的天地。它不仅是能制造更为复杂的部件，而且柔性环技术还将动态壁厚控制的应用延伸至几乎所有要求的模头形状，从而在未来不再会有径向壁厚控制应用上的限制，因为模头直径可以做得更小。同时，柔性环技术明显降低了生产成本，表现为通过改进吹塑件壁厚分布降低材料消耗，而且缩短了吹塑成型周期，当吹塑件中不必要的厚点被消除掉时，它会自然地缩短加工周期。这种柔性环动态控制系统不但适用于全新吹塑机的配套，同时也可以比较方便地实现现有吹塑机的技术升级和配套改进，有利于提高和发挥现有吹塑机设备的潜力，同时减少吹塑制品厂家的设备投资。几种形式的柔性环口模控制装置外形见图2-71。

柔性环口模径向壁厚控制技术对于提高大型中空制品的质量是一个有效的方法，还能减轻制品的重量。以200L塑料桶容器为例，至少可节省5%～10%的原料。但是目前加工一套大型的柔性环口模径向壁厚控制装置的附加费用较高。随着对柔性环径向壁厚控制技术的深入研究，尤其是对柔性环芯模、口模设计、制造技术的国产化和批量生产，该技术将在更多中空成型机上获得应用与推广。

2.1.10　常规吹塑制品的芯模、口模修整技术

对于圆形和近似圆形的吹塑制品，可以采用轴向和径向壁厚控制技术来改变型坯壁厚的均匀性，这样可以获得壁厚比较均匀的吹塑制品。但是，对于一些非圆形、非对称性的异形吹塑制品，即使采用轴向和径向型坯控制装置，也难以达到较为理想的型坯壁厚控制效果，因此，需要局部改变芯模、口模间的间隙宽度，以便局部改变型坯同一圆周内的壁厚（即型坯同一横截面的壁厚不一致），从而改善制品周向壁厚的均匀性。

局部改变口模、芯模之间的间隙宽度，可以通过将芯棒、芯模、口模的横截面设计为椭圆形或异形来实现。对于一些大批量的小型吹塑产品，采用这种异形化的机头设计，更能直接解决制品壁厚均匀化的问题。随着计算机辅助设计技术（CAD）和数控加工技术的进步与发展，特别是计算机吹塑分析软件的应用，这种异形化机头的机械加工技术也得到了较快发展。

（1）芯模的局部修整技术

芯模局部修整技术是在具有轴向壁厚控制功能的机头上，对其芯模的特定位置进行修形，从而在轴向控制的同时，近似在径向上获得壁厚的非圆变化量。

图2-72所示为芯模的局部修整示意图。图中1为修整区，S为最大修整量，修整量S需要在修整过程中进行试验后确定，先进行较小量的修整，试验效果好以后即确定下来，并且做好有关记录。图中的虚线区为修整区域，它是一个由浅入深的渐变过渡区域；其表面光洁度应尽量提高，以利于型坯的挤出和制品壁厚的均匀。

（2）口模的局部修整技术

口模局部修整技术是在口模的特定位置上，对其进行修形，类似于芯模局部修形一样。到目前为止，虽然国内许多技术人员进行了不少这方面的技术研究工作，但多数还是在经验的基础上进行修形。所以，通常初次进行此项工作的人员，在这类修整中适宜选用多次小量切除的方法，通过多次试验与修整使型坯达到最佳状态。口模修整的具体形式如图2-73所示。

如图2-73所示，口模的局部修整示意图中1指示的虚线区为口模修整区域，修整过程与芯模修整类似，需要采用逐步修整的方法来达到比较理想的效果。上图是口模的主视图，下图是口模的俯视图。

随着计算机辅助设计技术和数控加工技术的大量采用，以及计算机工程分析模拟试验技术的应用，这种芯模、口模修形技术的定量修整理论也正在进一步的深入研究之中。国内目前已有一些专业公司在开展这方面的专业技术服务，从其工作已经取得的效果来看，对改善塑料吹塑制品的壁厚分布具有较好的作用，同时也有利于降低制品的自重并提高质量。

在采用芯模、口模修整方法的时候，需要使型坯壁厚逐渐过渡，防止修整过量造成型坯壁厚严重不均匀、熔体流动速度差别太大的情况发生。

2.1.11　口模和芯模尺寸的近似计算

这里仅介绍采用HDPE吹塑成型时，可参考的一些方法。

塑料瓶径尺寸与吹塑制品最小直径是口模、芯模的控制因素，可用下面公式近似计算芯模、口模尺寸（连续挤出式机头）。

Dd＝0.5Nd　　（2-2）

Pd≈（－2Bdt＋2t2）1/2　　（2-3）

式中　Dd——口模直径

　　　Nd——最小瓶颈直径；

　　　Pd——芯模直径；

　　　Bd——瓶子直径；

　　   　t ——直径Bd处的瓶子壁厚。

该公式对于多数PE吹塑成型制品均适用，尤其适用于圆形塑料瓶和容器。

在公式中，数值0.5可根据采用塑料的熔体流动速率、模具温度、挤出速率、塑料瓶与容器的大小进行调整。

如果制品重量确定而壁厚待定时，可用下列公式近似计算。

Pd＝[－2（W/T2）Ld]1/2　　（2-4）

式中　W——制品重量，g；

　  　　L——制品长度，mm；

　  　　d——塑料原料的密度，g/cm3；

　  　　T——壁厚，mm。

该公式适用于大多数形状的吹塑制品，用于一些非规整的吹塑制品，效果会更明显一些。

对于采用型坯控制而不是自由流动的型坯来说，可以采用下面的公式进行计算：

Dd≈0.9Nd　　（2-5）

Pd≈（－3.6Bdt＋3.6t2）1/2　　（2-6）

Pd≈[－3.6（W/T2）Ld]1/2　　（2-7）

对于大多数自由流动型坯的HDPE吹塑制品来说，可用下面公式。

Dd≈0.5Nd　　（2-8）

Ad≈0.5Ab　　（2-9）

式中　Dd——口模直径；

　　　Nd——最小断面直径；

　　　Ad——口模横截面积；

　　　Ab——制品横截面积。

也会有：

Ab＝W/（Ld）　　（2-10）

式中　W——制品重量，g；

　　  　L——制品长度，mm；

　　  　d——塑料原料的密度，g/cm3。

对于一些特殊吹塑制品来说，需要进行相关生产试验以后，才能确定口模、芯模的具体尺寸。此外，不同塑料原料的口模、芯模尺寸也会不同，需要在生产实践中不断总结经验。

此外，对于扩张性口模、芯模而言，口模、芯模出口处的角度一般可按照实际生产需要进行设计。一般芯模角度为45°～60°较合适，芯模与口模之间的夹角一般为8°～15°。