管材挤出成型辅机优化设计

（1）管材冷却定径套。它的作用是使管坯冷却降温，同时固定管坯的外径尺寸，修整管外表面粗糙度，下面是六种定径方式。

1）内压定径套。定径套的内径尺寸应考虑膨胀效应、定型后的收缩因素及牵引力等对管材尺寸的影响，定径长度应根据管材壁厚、牵引速率而定，对管材直径小于35mm的定径套长度和内径可按表3-6选取。

图3-4 内压法定径装置

1—橡皮气塞 2—绳索 3—塑料管材 4—定径套 5—绝热垫圈 6—口模 7—芯模

内压法是指管内通入压缩空气，管外加冷却定型套，使管材外表面贴附在定径套内表面上而冷却定型的方法，其结构如图3-4所示。定径套固定在机头上，为减少加热的机头和用水冷却的定径套之间的热量传递损失，用绝热的聚四氟乙烯垫圈将口模与定径套端面隔离。压缩空气由芯棒中间孔流出，其压力控制在0.02～0.05MPa。为保持管内压力稳定，在离定径套一定位置的管内，用橡皮制的气塞阻住压缩空气，防止管内漏气。橡皮气塞用相应长度的细钢筋钩挂在机头的芯轴上。刚开机时，压缩空气还在预热，芯棒温度较低，这会使管材内壁不光滑。定径套的内径要比管材外径大一些，大多少要根据管料的收缩率而定，一般RPVC管材收缩率为0.7%～1%。定径套的长度应保证管材在套内停滞期间冷却到玻璃化温度以下，以确保圆度。挤出速度越快，定径套应越长。定径套太短，管材离开定径套后会变形或被拉断；定径套太长，会造成阻力过大，牵引功率消耗大，其值随管径的增大而减少。为使管径外径表面光滑，定径套内表面应镀硬铬并抛光。

对管材外径D大于40mm的管子定径套，其定径套长度应小于10D；而对于D＞100mm的管材，定径套长度为（3～5）D。当D＞40mm时，定径套的内孔直径应比管材外径大0.8%～1.2%。必须注意计算后的定径套内径不得小于机头口模内径。

2）真空定径套。图3-5所示的真空定径是指管外抽真空，使管材外表面吸附在定径套内壁而冷却定型外径尺寸的方法。RPVC管可用这种定型方法。由于定型装置中不用阻住管内的压缩空气，无需气塞，操作相对简单。尤其是在管径较小，放置气塞难度大，或管径过大，气塞及固定气塞所用的钢丝绳索较重，操作很不方便的情况下，更应选择真空定径方式。对熔体状态时黏度较低、冷却后比较坚硬的结晶型材料，如PE、PP、PA等，最适合采用真空定型，实际生产中绝大多数都用真空定型。

表3-6 管材外径（D）和定径套尺寸的关系

图3-5 真空定径示意图

真空定径套在实际应用时与口模有20～100mm距离，这段距离要根据聚合材料不同、管材壁厚不同以及挤出操作条件的不同进行调节。这段距离实际上在空气中冷却并被拉伸，然后进入定型装置。这时定径套内径的选取主要考虑塑料管材定型后的收缩率波动。定径套内径应按下式进行计算

D_z=C₁D+D

式中 D_z——真空定径套内径（mm）；

D——管材外径（mm）；

C₁——系数值，见表3-7。

真空套前面有一个压缩空气套，是对管材预冷却的。一般不用压缩空气套冷却，而是在过渡空间通过空气直接冷却。部分冷却慢的塑料和壁厚制品用压缩空气套进行预冷，以防管坯进入真空套后黏附在定径套壁上。因为真空定径套不直接连在机头上，所以，真空定径套的长度一般大于其他定径套。由于坯件出口到真空定径套的距离可控制，所以对膨胀效应也可以有效地控制，不会在定径套内出现管壁堆叠现象。对于D＞100mm以上的管材，采用长度为（4～6）D的固定套。

表3-7 系数C₁值

3）内径定径套。定径套外径应设计成锥形，其斜度为0.6%～1.0%，适用于直径大于30mm的管材。定径套长度依据管材壁厚和牵引速度而定，壁厚大的或挤出速度高的管材选用的定径套应长些，一般长度为80～300mm。冷却芯模做成锥形，其锥度一般为（0.8～1.0）∶100。定径套外径应比管材内径放大2%～4%，这样有利于内径尺寸公差的控制，可使挤出的管材内壁贴紧在定径套外壁上，而且可有效地降低表面粗糙度。管材定型后的收缩波动也在此范围内得到补偿。内径定型法如图3-6所示。

图3-6 内径定型法

1—定径套 2—芯轴 3—口模 4—管子

内径定型法特点如下。

①结构复杂，需直角机头。

②芯模受侧向压力，会产生偏心现象，使管材厚度不均匀，优点是熔合缝只有一条。

③管子内部应力分布均匀。

4）喷淋真空水箱定径套。以PP-R管为例，此定径套在喷淋真空水箱内抽吸真空定型，定径套前端的斜度和管坯入模的拉伸斜度相适应。前面的冷水套是预冷套，可使管材充分冷却且表面硬化后再进入抽真空部位，防止进入抽真空位黏附。壁薄的管进口套可旋紧，不让水进入管外圆；厚壁的管可调一点间隙，形成明水膜。定径套结构如图3-7所示，由于真空定径套较长，前段已预冷，表层已初步硬化；后段真空槽宽，可用宽槽大真空定型；进口处真空槽较窄，是因为热的管材对真空度要求小。

图3-7 PP-R管真空定径套结构（ϕ110mm×18.5mm）

真空槽的宽度根据管子壁厚而定，厚壁管真空槽宽些，真空槽的槽宽为0.3～1.2mm。薄管和小管取0.3～0.7mm，大管和厚壁管取0.8～1.2mm。一般真空度在0.02～0.08MPa，小直径管取0.02～0.04MPa，大直径管取0.05～0.08MPa。

定径套的作用是使管坯冷却降温，同时固定管坯的外径尺寸和整修管子的表面粗糙度。定径套的内径和长度可参考表3-8选取。定径套前端设计循环水道，这对壁厚管加速表面冷却非常必要。

表3-8 定径套内径和长度

5）软管真空定径冷却。TPU气管、饮料吸管、SPVC医用导管等都是半软半硬或软质管，它们要求圆度较好，不能像硬管那样贴壁真空定型。因为如贴壁软管摩擦力大，牵引困难甚至会被拉断。这类管需要的真空度小，真空泵功率也小，所以真空水槽也小。医用软管真空定径装置与机头结构如图3-8所示，真空套很短又不开抽真空槽，而且定径套的内径要比实际管子外径大1～2mm，管子通过定径套有0.5～1mm间隙，管子在真空箱通过时用一定量的真空把管子吸圆就可以了。

图3-8 医用软管真空定径装置与机头结构

a）真空定径装置 b）机头结构

6）软管吹气保持圆度。有些软管要求不是很高，可以不用真空定径，而从机头挤出后直接水冷却定型。但由于管子刚出模，管内温度高，会形成负压，为使软管保持一定的圆度，需保持与外面大气压平衡或稍高于外界气压。这时可采用向模内吹气，并用微调开关控制的方法。

（2）管材冷却水槽 管材冷却装置一般都采用2～4段冷却水槽，水槽长约3m，管材外径在120mm以下时采用浸泡式水槽冷却。水槽内通入冷却水，整个水槽装置可沿着管材运行方向前后移动，这样方便成型机头的安装拆卸和对管坯壁厚的调节，通过拉开或靠拢机头的距离，达到对壁厚调节。外径在120mm以上时，由于管材在冷却水槽中浮力较大，易发生弯曲变形，所以一般采用喷淋水槽，以便减少管材内应力，获得圆度和直度更理想的管材。

1）浸泡式水槽。如图3-9所示，水槽内设计若干个可调高低的压轮，把管坯压入水中浸没，一般适用于软管、软条类。

冷却水槽在使用过程中的注意事项

①水槽中循环水的进水管应设置在出水端，进水、出水在同一端，也就是在后端。管材坯从定型套出来进入水槽前端，水槽前端温度高，后端温度低，这样可防止管材温度突然急剧下降对产品产生较大应力，影响管材质量。

②注意调整水槽上的进出管中心线与机头模具中心线在同一条水平中心线上，以防止管材弯曲变形。

③停机生产时要把水槽的存水排干净，再开机生产时再重新放水。

图3-9 浸泡式水槽

1—进水管 2—排水管 3—轮子 4—隔板 5—槽体 6—支架 7—螺钉撑杆

2）喷淋式真空水槽。如图3-10所示，喷淋式真空水槽是全封闭的箱体，管子从中通过，管材四周有均匀排布的3～6根喷淋水管，孔中射出的水流直接向管材喷洒，靠近真空定径套一端的喷水较密。由于水直接喷射到四周的管壁上，克服了水槽冷却时黏附在管壁上的水层减少热交换的缺点。该法适用于大口径的管材生产和厚壁管材的冷却定型。用钢化玻璃制作的箱体上盖可以打开，便于开机中引导管子前进，以及开机生产过程中观察喷射水状态，对喷水管维修更为方便。水槽的长度可视具体情况按工艺需要设计，有3m、6m、9m、十几米甚至几十米。

图3-10 喷淋式水槽

a）喷淋式水槽结构 b）喷淋式水槽外观 1—喷水头 2—导轮 3—支架 4—轮子 5—导轮调整机构 6—手轮 7—箱体 8—箱盖

3）喷雾式真空水槽。为了进一步提高冷却效率，人们设计了喷雾式水槽。其结构是在喷淋式水槽的基础上，把出水口改成喷雾头，通过压缩空气把水从喷雾头喷出，形成飘浮在空气中的水微粒。这些水微粒接触管子表面而受热蒸发，并带走大量热量，因此冷却效率大幅提高。同样道理，还可采用在密闭的水槽中抽真空的方法，通过产生的喷雾在低压下的汽化，使冷却效率更高。

4）浸泡式真空水槽。这种水槽通常与真空法定型装置合为一起使用。为了保持对管材良好的吸附，定型管全部浸在水中。水槽前端是真空定径室，后端是水槽，用带有聚氨酯密封垫片的隔板隔开。水槽前端真空室为全封闭式，上盖用铰链连接，用钢化玻璃板制作。打开盖板可引导管坯通过定型套和真空室，且便于定径套装卸，在运行中还可通过透明玻璃板观察喷水冷却定型情况。浸泡式真空定型生产线如图3-11所示。可根据管材大小和厚度等工艺要求确定是单独制作一节还是把多节浸泡式真空箱串联起来。

图3-11 浸泡式真空定型生产线

上面几种水槽都是槽内通入冷却水，进水与排水用管子接通，整个水槽可沿管材运行中心线前后移动，方便成型机头的安装拆卸和对管子壁厚的操作调整。

水槽的功能主要是把由定型套挤出的成型管材浸入水中，进一步为管材降温冷却、固化定型。图3-11所示浸泡式水槽适用于ϕ120mm以下的管材应用。图3-10所示喷淋式水槽适用于ϕ120mm以上大管的生产应用。

5）一箱二室喷淋真空水箱。图3-12所示一箱二室喷淋真空水箱适用于ϕ120mm以上大管的生产。因管子大浸在水中浮力大，造成管材冷却不均匀、易弯曲，只有在管子圆周上同时喷冷却水，管子才能得到均匀冷却。

一箱二室的真空水箱，一般前面的真空室是定型用的高真空室，其长度较短，后面的是低真空室，其长度较长，且以喷水冷却为主。它们分别用真空泵控制。

（3）管材生产牵引装置 牵引装置的作用是均匀将塑料制品引出，并调节制品壁厚度。常用的有滚轮式、履带式、橡胶带式三种。牵引用无级调速，线速度一般为2～6m/min，最高可达20m/min以上。

1）滚轮式。滚轮式牵引一般由2～4对牵引滚轮组成，个别情况用一对滚轮组成。下面的轮子为主动轮，上面的轮子为从动轮，可上下调节，以适应不同直径的制品夹持。这种牵引装置结构比较简单，调节也方便，但由于是线接触，接触面积小，摩擦力小，形成的牵引力也小，不适合较大制品的牵引。滚轮式牵引装置如图3-13所示。

图3-12 一箱二室喷淋真空水箱

1—定径套 2—水温检测 3—真空表 4—手动放气阀 5—水位检测 6—喷淋管 7—给水泵 8—循环泵（热水） 9—水环真空泵 10—加热棒组

滚轮式牵引装置一般可牵引直径为ϕ30mm以下的管材。为了增大接触面积，可根据管材外径尺寸在牵引滚轮上下对应位置加工半圆凹槽。牵引速度要略大于挤出机机头的出胶速度，以达到平稳牵引管材。ϕ6mm以下软管可用一对轮牵引，管径较大时轮的对数也应增加，但最多用四对。

2）橡胶带式。橡胶带式牵引机配置PL型多楔带，带的外表面为芯层发泡平面带，内表面为多楔齿形，与多楔齿形传动轮咬合，不打滑，外表面松软压紧度好，如图3-14所示。

图3-13 滚轮式牵引装置

1—管材 2—主动轮 3—调节杆 4—手轮 5—从动轮

上下胶带的开度和牵引速度可任意调整，给机头挤出的坯件提供不同的牵引力和牵引速度，以均匀地引出坯件，并通过牵引速度调节制品的壁厚。一般情况下，牵引速度要略快于挤出速度。稍微有点拉伸，有利增大制品的纵向强度。如果牵引速度小于挤出速度，会使制品壁厚增大，甚至熔料在口模处堵塞堆积。牵引速度太快也不行，会造成制品壁减薄，并且由于纵向定向作用，反而使制品的强度大幅下降。

在胶带进口处有两根定位柱，宽度可调。它们对制品起导向作用，能把制品引向胶带中间。在胶带后面中间有升降丝杆，可调节两胶带的开合度。采用电动机无级变速，牵引速度可随时任意调节。

图3-14 橡胶带式牵引机

3）履带式牵引装置。履带式牵引装置一般由两条、三条或六条履带组成，如图3-15所示。图中右边为两条、三条、六条履带夹管子的示意图，在履带上嵌有一定数量的橡胶块，且在橡胶表面上制成V形凹槽，以增加对管材或制品施加径向压力的面积。为了适应不同管径和制品压紧操作方便，履带间的距离和夹紧力可调节。由于履带与管材或异形材接触面积大，故牵引力也大，制品不变形、不容易打滑，用三条或六条履带对于薄壁和大口径管材的牵引有利。牵引装置的任何不规则的波动，都有可能使制品表面出现皱纹或其他缺陷。若牵引速率过快，管壁就太薄；若牵引速率太慢，管壁会增厚，甚至熔料会在口模处堆积。管材的牵引速率一般为0.5～4.5m/min。牵引机的开合度和夹持力必须可调，以保持在运行中的夹紧力恒定，不出现打滑、波动。

图3-15 履带式牵引装置

1—履带 2—弹性软垫 3—管径调节 4—钢支承辊 5—带轮

4）错位式橡胶带牵引机。如图3-16所示，胶带短而宽，上、下胶带都是单独电动机驱动，都可任意转动角度，也可升、降对中心高和调节开合度（根据管材大小压紧）。由于可变换上、下胶带的错位角度，上、下牵引轮能把管子牵引前行，还能把管子搓转，经牵引搓转后的管子可变成螺旋形花纹管。

图3-16 错位式橡胶带牵引机

（4）切割装置 切割机的主要作用是将连续挤出的制品，根据需要自动或半自动切割成一定的长度。产品要求端口切割整齐、平直、无毛刺。切割方式有以下四种。

1）飞刀切割式。把一块小刀片装在小圆盘上或轴端上，定长旋转，飞刀式切断。它只适用于小制品切断。

2）刀片式（微电脑刀片式）切断机。刀片式切断机的切断方式是用一块稍大的刀片纵向平行切断，如图3-17所示。定长用电脑控制。一般切断小制品，如饮料吸管、医用软管等。还有一种是上、下冲切式，用气缸或机械偏心轮传动冲切，这种方式一般用于软管和小硬管。

3）圆锯片切断机。圆锯片切断机的切断方式是锯片从一侧切入，沿径向向前推进，直至完成锯切，如图3-18所示。由于受锯片直径的限制（管子或制品外形必须小于锯片半径），这种锯切方式只能用于ϕ150的管材或外形小于150的型材。通过气缸压紧或松开，锯片可自动升降，实现定长切断。切割机的刀具可用圆盘锯片或用圆形砂轮片，锯片或砂轮由电动机和V带直接传动并高速旋转。当挤出向前运行的管材达到要求长度时，切割机上的夹紧装置自动把管材夹紧，锯片或砂轮即起动并切割管材。此时整个夹紧和切割机构随着管材前移的挤出牵引推力，在切割机的轨道上一起同步向前滑动。当管材切断后，锯片或砂轮停止旋转，夹紧装置张开，切断与夹紧机构沿原前进轨道退回原位，准备下一次切断动作。此切断方式适用于ϕ150mm以下的管材切断。有时也用薄砂轮片代替圆锯片进行切割。

4）行星式自动切断机。如图3-19所示，行星式自动切断机适用于大口径管材的切割。切割时，可由一个或几个圆锯片同时自动锯切，圆锯片不仅自转，而且还可围绕管材旋转，使管子圆周上均匀受到切割，直至管壁完全切断为止。这种方式获得的断口一般比较平整，有利于管与管件的连接。对于大一些的管子和厚壁的管子都是用行星式自动切断机。

5）切割机使用过程的注意事项。

①生产前要检查、校正、调整切割夹紧装置的管材中心线，使它与牵引机上管材运行中心线在同一水平中心线上，夹紧切割装置的运行轨道与管材运行中心线应平行。

图3-17 微电脑刀片式切断机

图3-18 圆锯片切断机

②每次切割开车前要检查各工作零件装夹是否牢固，出现松动的螺栓、螺母要及时紧固。

③注意高速旋转的锯片不允许松动，应经常调整V带的中心距，防止皮带松动打滑。

（5）卷取或堆放装置

1）卷取装置。

又叫收卷机，一般软管都要配置收卷机，把挤出的合格产品成卷收存入库，中间不得有接头。可安装长度计量器，按长度切断成卷。为了换卷不停机，最好选用双轮收卷机，生产中可不停机变换收卷盘。每卷的长度为100m左右，中间不得有接头，硬管要整齐堆放。

图3-19 行星式自动切断机

图3-20所示为双轮收卷机，换卷轮可不停机。卷轮上方设有排线导轮，确保产品一圈圈一层层卷在轮子上不混乱。

2）堆放装置。堆放架是堆硬管的钢架，小管用锯片式切断，大管用行星式自动切割机切割。要根据硬管长度设计堆放架。堆放要求整齐排列，便于打捆。

图3-20 双轮收卷机

（6）扩口装置4～6m长的管子为便于连接，必须在每根管子的一端进行扩口。管的扩口在专用的扩口机上进行。对于小硬管一般用接头、三通、四通、弯通来连接。对于大的管都是采用端部扩口后连接，连接时插入扩口端，在结合处用粘合剂把两根管子固定粘牢。管端扩口形式分为两种：一种是平扩口，另一种是把管端扩出带有能装密封胶圈的扩口。管端进行扩口时，要先把管端用热风或电阻加热均匀，使其达到扩口工艺要求的软化程度。然后按要求的扩口形状配置扩口模具，扩口模具在气动或丝杆推动作用下向管端移动，进入管端进行扩口，最后通过风冷或水冷把管端冷却定型。扩口装置如图3-21所示。

（7）塑料挤出硬管的辅机技术参数（见表3-9）

（8）管材挤出生产线辅机的安装与调试

1）辅机的安装校正。辅机和挤出机的安装要同时进行，辅机中定径装置、冷却水槽、牵引机和切割机的中心线应与挤出机的螺杆中心线在一条直线上，且水槽支承架滚轮用轨道要与此中心线对称。在浇灌设备地脚螺栓孔时，要使各辅机的中心高与挤出机的中心高在同一水平线上，待水泥干固后再仔细校正一次。牵引机和切割机可在设备上夹一根管子来测量调节中心高，且与挤出机中心高一致，校准后垫好斜铁块，紧固好地脚螺栓。

2）辅机调试。

图3-21 扩口装置

1—气缸活塞杆 2—冷却水出口 3—塑料管 4—夹管定型模具 5—扩口芯模 6—冷却水入口

表3-9 塑料挤出硬管的辅机技术参数

①开机前要认真阅读挤出机与辅机的使用说明书，验正各个辅机的中心线是否与挤出机螺杆中心线一致，安装是否牢固。

②检查各电动机与减速箱中的润滑油量是否充足。

③检查各紧固螺母是否松动，安全防护罩是否牢固。

④用手扳动生产线各机的V带，查看传动件是否能灵活转动，有无卡紧现象。

⑤检查电动机是否有接地保护装置，接线是否牢固。其他安保设施是否能正常工作。

⑥牵引机轮带上、下调节是否灵活，对管材外圆的夹紧输送力是否均匀，切断机压轮（爪）是否灵活。

⑦开机试验。分别低速起动各电动机，观察挤出机螺杆、传动变速器、夹紧输送管装置的运行情况，听有无异常杂音，看电流、电压是否在额定范围内，各装置运行是否平稳。

⑧开车试运转正常后，进行调速试验，由低速调高再从高速调低，观察是否运行正常。

3）开机试模生产。

①在挤出机、机头加热升温并保持恒温相当一段时间，且达到工艺要求时，开始投料生产，牵引机、切断机、真空泵都合闸供电，并打开水开关向水槽和真空泵供水。

②机头出料时观察出料情况。料坯出口模是弯曲的要调整口模间隙，直至成直线挤出为止。这时把管坯引进真空定径套，再穿过水槽引向牵引机。

③管材进入牵引机后，管材被夹紧运行。微调变速装置，使管坯挤出速度与牵引速度匹配。一般牵引速度要略大于挤出速度，这样可把管材微微拉伸，达到表面光滑、强度好、无横向皱纹。

④检查管材产品质量。如果管材直径合格，表面光滑、发亮、无横向皱纹，则说明牵引速度和牵引对管材的夹持力都合适，可正常试产。

⑤当管材端面碰到限位开关时，切割机的夹紧装置就会夹住管材。此时切割锯片转动，管材切割开始。整个切割装置随管材的运行推力同时沿轨道向前移动，直至管材被切断后，切割装置自动返回原位，等待第二次切割工作的开始。

（9）管材生产线辅机设备完好要求

1）冷却水槽的上下水畅通，喷头无阻塞，阀门开闭完好。

2）真空系统完好，工作正常，真空度可调控。

3）牵引机上、下履带调节灵活、平稳，牵引速度及牵引力达到工作要求，橡胶块齐全。

4）计长装置准确可靠。

5）切割装置往返自如，气缸动作平稳，锯口平整。

6）变速箱无异常声响和振动，调速平稳，油量适中，油品质合格，油标醒目，无漏油现象。

7）气动系统不得漏气，气动组件灵敏、可靠。

8）安全防护罩齐全完好，工作可靠。

9）电器组件齐全、完好，仪表指示器准确。

10）电动机长期运行中温升不得超过电机铭牌规定值。

11）工作零部件无严重腐蚀、磨损、残缺。

12）设备外观整洁，附件齐全。