擠出中空吹塑的成型模具與技術創新（一）

邱建成 邱睿

0.前言

擠出中空吹塑成型是中空塑料件制品的主要成型方法之一。在吹塑成型工藝中需滿足以下幾點：

（1）加工溫度和螺桿轉速

在既能擠出光滑而均勻的塑料型坯，又不會使螺桿系統超負荷的前提下，盡可能采用較低的加工溫度和較快的螺桿轉速，提高效率。

（2）成型空氣壓力

擠出中空吹塑成型一般在 0.2MPa～1.5MPa范圍內，主要根據塑料熔融粘度的高低來確定其大小。粘度低的，如尼龍、聚乙烯，易于流動吹脹，成型空氣壓力可小些；粘度高的，如聚甲醛、聚碳酸酯，流動及吹脹性較差，那必需要較高的壓力。

成型壓力還與制品的大小、厚度有關。一般壁厚大容器需要成型壓力大些，壁薄小容器成型壓力小些。具體情況還需要實踐操作后，一步步調整，以每遞增0.1MPa或每遞減0.1MPa的方法，直至試出制品。

（3）吹脹比

制品尺寸和型坯尺寸之比，稱為吹脹比。型坯尺寸和質量一定時，制品尺寸越大，型坯吹脹比越大。增大吹脹比可以節約材料，但制品壁厚會變薄，成型困難，制品強度和剛度降低；吹脹比過小，制品有效容積減少，飛邊增多；壁厚，冷卻時間延長，成本增加。

一般吹脹比為2～4倍，用于1:2較為適宜，此時壁厚較為均勻。

對于一些特殊吹塑成型制品，吹脹比會較小，吹脹比的確定需要根據吹塑制品來進行，當吹塑制品比較復雜時，吹脹比的確定可能需要多次試驗才能得出較好的效果。

（4）模溫和冷卻時間

擠出吹塑的塑料型坯在成型時溫度較高，需要在模具內有一定的保壓定型、冷卻周期。模具溫度過低，塑料冷卻就過早，制品成型困難且表面不光澤；模具溫度過高時，冷卻時間較長，生產周期長；如果型坯冷卻程度不夠，則會出現制品脫模變形，收縮率大等不利情況。

因此，模具的結構，模具的排氣，冷卻與溫度控制等參數的確定在擠出中空吹塑成型是非常重要的因素，會直接影響吹塑制品質量的優劣。

1.吹塑模具的結構

擠出吹塑模具主要由兩半陰模或半邊陽模，半邊陰模組成。吹塑模具賦予制品形狀與尺寸。

擠出吹塑模具的設計、制造對制品的生產效率及性能具有很大的影響，如果設計、制造不合理，會使制品成型不良，出現大批量的廢品或是次品，有可能造成模具的直接報廢。

影響吹塑模具設計的因素有：制品的形狀和尺寸、注入壓縮空氣的形式及塑料的性能。根據制品的形狀和尺寸需考慮模具的分型面；注入壓縮空氣的形式需考慮注入壓縮空氣的位置及其進氣量夠不夠，能否瞬間吹脹；塑料的性能需考慮選用模具材料及加工工藝。

1.1 模具分型面

在模具型腔設計時，模具分型面的選擇是制品成型好壞的第一要素，它是制品順利成型和順利脫模的重要條件。

一般對于對稱的吹塑容器可以用制品的中心線（等分線）為分型面；對于一些均勻等厚的異形制品也可以用等分線為分型面；但是對于不等厚且異形的制品時，型腔分型面需要仔細考慮，它的分型面往往不在等分線上，如：圖1；對于一些特殊制品，還需設置多個分型面，如：圖2。

圖1 不等厚異形制品示意圖

圖2 多個分型面制品示意圖

還有些帶有把手的容器，把手一般沿分型面設置，但是有些產品需要預埋把手來成型。一般把手采用嵌塊來成型。

1.2 型腔表面

吹塑模具型腔表面粗糙度一般根據制品本身的表面要求以及制品的材料而確定的。對于一些吹塑制品表面要求不高的，表面可以做的比較粗糙。例如：水面上的浮體，物流中使用的托盤等一些比較大型的制品，表面做的粗糙些，利于整體的排氣性。

然而對于一些表面要高透明或高光澤性的容器，表面就需要高度拋光的處理。（PC純凈水桶，ABS汽車擾流板以及 PET、PVC、PP等吹塑容器）。

在吹塑制品中PE的產品最為廣泛，用PE的吹塑模具，型腔表面需要粗糙些，能提高排氣效率，不然塑料型坯與模具間會夾留有氣泡，使制品出現“橘皮紋”的表面缺陷。

因為 PE吹塑模具溫度較低，型坯吹脹壓力較小，吹脹的型坯不會楔入至粗糙面的波谷，而是位于并跨過谷峰，所以在使用 PE吹塑模具時表面粗糙些不會影響產品表面質量，反而有利于排氣提高成型質量。

PE吹塑模具型腔表面采用噴砂處理可以獲得比較均勻的表面粗糙度。一般可以使用金剛砂、石英砂或硬砂礫來噴砂處理。噴砂的粒度選擇要合適，根據制品的體積和原料的型號來選擇合適的粒度。

通常，對于較小的PE瓶模，可以采用60＃～120＃粒度；對于較大的制品模具，可以采用30＃～40＃粒度；對于 LDPE材料的吹塑模具，可采用較細的粒度；對于HDPE材料的常規吹塑模具，可采用較粗的粒度。

蝕刻型腔（又名皮紋處理）也可使其表面粗糙，它是在模具型腔表面上通過化學方法或其他方法，使制品表面形成一定深度的花紋。蝕刻深度與制品的材料及模具的材料有關。皮紋蝕刻深度見表1。

表1 皮紋蝕刻深度的選擇

每 0.025 mm的花紋深度取 1.5°的脫模錐度。經蝕刻的模腔對制品的黏附性較大，可采用脫模劑。

吹塑表面質量要求相當高的制品時，模具型腔表面需對其進行拋光。根據制品的要求，拋光后有些可以進行亞光處理或用 360＃的細沙擦拭模腔。

對于工程塑料的吹塑模腔，型腔一般不能噴砂，其表面可進行高度拋光處理，模具排氣蝕刻花紋處理。

1.3 型腔及嵌塊

（1）型腔尺寸

模具型腔尺寸主要由制品的外形尺寸以及材料的收縮率來決定的。

收縮率一般是指室溫（20～22℃）的狀態下模腔尺寸與成型24 h后制品尺寸之間的比值。多數塑料制品的收縮是在制品成型 24 h以內發生的，有一些壁厚較厚的吹塑制品的收縮可以延遲幾天。

影響吹塑制品收縮率的因素有許多：比如使用的材料不同；制品體積大小不同；制品壁厚的不同；模具內成型周期；制品幾何形狀的不同；室溫的不同等等。

此外，吹塑制品的3個成型方向的收縮率也不同，通常情況下縱向的收縮率要比橫向的稍大些。常用塑料吹塑制品的收縮率見表2。

表2 常用塑料吹塑制品的收縮率

收縮率在每種吹塑制品中，它不是一個恒定的數字，往往與制品的壁厚，重量，吹塑工藝，冷卻定型時間，制品的形狀等有較多的關聯，收縮率的大小數值在制品的長度、寬度、厚度方向均有不同；因此，在一些工程吹塑件設計時需要預先進行相關收縮率數值仔細測定。

對于一些安裝精度要求較高的吹塑制品時，需要針對吹塑設備，材料以及成型工藝等具體條件測定實際的收縮率，從而獲得正確的收縮率，再根據實際情況制定是否需要吹塑成型后的制品定型架，吹塑制品定型架有時候對制品的尺寸穩定性起著至關重要的作用。

（2）模具嵌塊

吹塑制品一般成批量投產（少則上千，多則上萬，甚至更多），生產中模具在高負荷的運作時，模具的模口及切口等部位既要確保制品成型又要保證能切斷型坯的余料，所以這些部位相接觸的面積較小且較為鋒利，這些部位容易磨損及損壞。為了保證其能夠經久耐用，方便更改，通常都將這些部位制成嵌塊，鑲嵌在模具的所需部位，如各類塑料桶的桶口部位、塑料品的瓶口及瓶底部位以及各種吹塑容器的下吹部位。

模具嵌塊的設計需要根據吹塑制品的具體形狀來確定，鑲嵌塊的材料常用淬火工具合金鋼、銅鈹合金等材料制作。

吹塑模具底部一般如圖3設置單獨的嵌塊，以擠壓、封接型坯的一端，并切去尾料。

圖3 吹塑模具的結構圖

在設計模具底部嵌塊時需要考慮夾坯刃口與尾料槽，他們對吹塑制品的成型和性能有重要的影響。因此，對于它們需要注意以下幾個方面。

A、要有足夠的強度、耐磨性和剛性，能承受反復合模過程中對擠壓型坯融體產生的壓力。

B、模具嵌塊常采用銅鈹合金或淬火工具鋼，銅鈹合金嵌塊的導熱性能比較好，而鋼制嵌塊使用壽命更長。對于軟質塑料（如LDPE），嵌塊一般可用鋁制成，并可與模體做成一體。

C、處于接合縫處嵌塊，需要了解到接合縫是吹塑容器最薄弱的位置，此處的嵌塊要做雙重夾坯口尾料槽，以適當增加其厚度和強度（如圖4）且能切斷尾料，形成整齊的切口。

圖4 容器底部接合縫

D、應能切斷尾料，形成整齊的切口。

成型容器頸部的嵌塊主要有模頸圈與剪切塊，見圖3的4與13。

剪切塊位于模頸圈之上，有助于切去頸部余料，減少模頸圈的磨損。剪切塊開口可以錐形的，夾角一般取60°，見圖5（a）、（b），也可為杯形的，見圖5（c）。

圖5 容器頸部的定徑成型法

模頸圈與剪切塊由工具鋼制成，并硬化至HRC56～58。

以下兩種為常用的頸部嵌塊：（1）頸部定徑成型法，（2）拱頂嵌塊容器成型法。

定徑進氣桿插入型坯內時，可把型坯擠入模頸圈螺紋槽內，形成實心的螺紋，進氣桿端部則可成型容器頸部的內表面。剪切塊口刃與進氣桿上的剪切套配合，切斷頸部余料。這種成型容器頸部的方法叫定徑成型法或壓塑法。

頸部定徑成型法有兩種方式：一種為進氣桿上移式，見圖6；另一種是下移式，見圖7。

圖6 進氣桿上移式結構圖

圖7 進氣桿下移式結構圖

如6圖所示，進氣桿拉起操作時，進氣桿的上升時剪切了材料，使其頸部達到良好的成型效果。

如圖7所示，模具合模后，帶有剪斷環進氣桿可下行一定距離，以達到剪斷飛邊材料的目的，其剪切效果較好。

當容器頸部偏心布置時，頸部的定徑成型過程如圖8所示。在合模后、進氣桿下移之前，模具要如圖8（a）橫向移動或如圖8（b）轉移一定角度，其中后者適于容器頸部中心線與容器中心線成一角度的情況。

圖8 容器頸部偏心布置時的定徑成型過程示意圖

當設置有拱頂嵌塊時，具有以下三種方法如圖9，具體采用哪種方法與容器的種類及修整類型有關。

圖9（a）需采用進氣桿，用于帶把手與扁橢圓形容器的吹塑。成型后，修整裝置從容器上切去拱頂，并用平面銑刀加工頸部內徑。圖9（b）的方法用于廣口容器的吹塑，不需采用進氣桿，通過模具與機頭的緊貼來封閉型坯。當用飛刀切削頸部內徑時，可切去拱頂。圖9（c）的方法適用于各種容器的吹塑，也不需要進氣桿，可在頸部成型形似滑輪的拱頂。

圖9 設置拱頂嵌塊時容器頸部的成型示意圖

修整時，把三角皮帶放入拱頂凹槽內，以使容器在固定刀刃上旋轉，刀刃會切入拱頂底部的尖槽內。

1.4 排氣系統與噪聲控制

在設計制造模具時，除了要考慮模具對后續產品加工生產時的性能及效率影響，還要考慮產品制造工藝對模具的要求,尤其對成形大型制品、精密制品及易分解產生氣體的樹脂尤為重要。

1.4.1 吹塑成型時模具本身的排氣

尤其是高表面質量吹塑模具型腔的排氣設計顯得更是特別重要（比如汽車擾流板、汽車保險杠、大型座椅、純凈水桶、高檔包裝瓶、包裝桶等）。如果其吹塑模具型腔的排氣設計不好，可能會直接影響吹塑制品的成型和塑料件的產品質量，吹脹成型產品時如果模具不能盡快的排除型腔中的空氣，塑料型坯就不能盡快的被吹脹，吹脹后也不能很好的與模具型腔良好的接觸，這樣就會使產品出現壁厚不均，表面出現條紋，凹痕等缺陷，表面的文字，圖案，裝飾等會不清晰，影響產品的外觀質量。這需要在吹塑模具的設計與制作中加以充分的重視。

模具合模與型坯吹脹瞬間要將模具型腔中的氣體迅速排出，如排氣效果不好，殘留在模具型腔的氣體會使得制品表面出現條紋、凹痕、字體不清晰、不平整，甚至出現變形等缺陷，排氣系統可以排出模具型腔內的空氣和物料中排除的氣體。在成型時，進料系統中物料夾帶的氣體，樹脂干燥不充分，擠料溫度過高易分解，樹脂添加劑揮發等都會產生氣體。

吹塑模具型腔的排氣部位的選擇，一般情況下，吹塑模具的排氣部位可選擇在吹塑成型時空氣最容易存留的部位，即吹塑制品最后吹脹成型的部位，如吹塑制品的角部，以及空氣不易排出的部位等，需針對具體的吹塑產品來確定。

因此，這需要在模具設計與制造中加以充分考慮，可采取如下幾個常用的措施。

（1）制品表面設計

對制品表面進行設計時，可在模具中設計必要的文字、圖案或凹槽，以利于模具的排氣；但也要避免出現大面積的光面，或在光面上刻制較淺的花紋，這樣有利于模具的排氣。

（2）模具型腔的處理

并不是所有模具型腔表面越光滑越好，稍帶有粗糙的型腔表面不僅有利于模具的排氣，還能提高制品表面效果。型腔表面處理常用的方法有型腔表面噴砂、表面蝕刻花紋、型腔拋光等方法。但對一些表面要求非常高的制品，例如聚苯乙烯制成的高級化妝品容器，就不適用。

（3）排氣孔或排氣槽

解決模具排氣問題最有效的方法，是在模具型腔中及分型面上開設排氣槽或排氣孔，幾種常用的排氣方式如下。

① 排氣孔結構方式

當需要在模具的某個部位開設排氣孔時，可以采用圖10所示的幾種方式。

圖10 排氣孔結構

當采用圖10a）所示的這種排氣孔結構方式時，由于靠近模具型腔的小孔容易被粉塵，物料以及銹蝕后的雜質堵塞，導致后期的排氣效果會很快的降低，在使用過程中需注意對模具的排氣部位進行經常性的維護和保養。同時在模具制作時可采用不容易生銹的材料來制作排氣小孔，如采用肌肉注射用的不銹鋼針頭，可較好的解決0.1～0.3的小孔不好加工的問題，還可較長時間的使排氣小孔保持通暢。

對采用圖10b）所示的銅或是不銹鋼的粉末冶金方法制成的多孔性金屬材料來排氣時，必要時可以對其金屬表面進行機械加工或是做成圖案、文字、花紋等，在其背面鉆出若干個小孔，有利于空氣從小孔中排出。在平時的模具保養中，需要保持多孔性金屬的空氣通暢，盡量不要使其受到潤滑油的污染，當其排氣不暢時，可以采用壓縮空氣從模具型腔的背面進行吹氣。

采用圖10c）的圓柱堵塞的排氣方式時，可以在模具需要排氣的部位鉆出 6～12 mm 的圓形通孔，在通孔靠型腔的一邊嵌入兩邊或是多邊磨去0.1～0.2 mm圓柱堵塞，利用其縫隙進行排氣。圓柱堵塞可以采用銅質材料或是不銹鋼材料制成，以使其能夠較長時間的保持模具較好的排氣性能。

鑲嵌結構排氣方式，對于一些大面積的排氣時，可以采用圖11所示的鑲嵌結構形式。

圖11 鑲嵌排氣結構

如圖11所示，鑲嵌結構的排氣方式它可以利用鑲嵌件之間預先設定的間隙實現大面積上比較順暢的排氣，它既可以采用薄片疊片式的結構，也可以采用同心圓式的圓環鑲嵌件的結構方式，在一些高質量表面的吹塑模具中，采用這種結構形式時，如果技術上處理不當，有可能會在排氣部位留下痕跡，可在這些部位進行其它的技術性處理，比如對制品表面的該部位進行裝飾或是制作標記等。

同時，鑲嵌結構的排氣裝置應該利于散熱以加快吹塑制品的成型，可以采用導熱性能較好的鈹銅合金或是鋁合金的材料來制作。圖12，常用鑲崁排氣塞外觀圖。

圖12 常用鑲崁排氣塞的外觀圖

② 在模具分型面上開設排氣槽

在分型面上開設排氣槽可盡可能快速地排出空氣，一般排氣槽設計在分型面的肩部與底部，有特別需要的可在特殊位置開設。排氣槽的寬度一般在5～25 mm；排氣槽的深度需根據制品生產工藝、容器容積與壁厚來進行實際的選擇，一般在0.01～0.2 mm之間選取，容積越大槽深也越深。

③ 在模具型腔內開設排氣孔

當需要在模具型腔內開設排氣孔時，一般將靠近模具型腔的排氣孔直徑設計成0.1～0.3 mm，直徑過大易在制品的表面留下凸點影響制品表面，直徑過小又會出現凹坑，且設計模具型腔內排氣孔位置時還需考慮到不干擾水冷卻系統的布置。對于大容積的制品，排氣孔直徑可以大一些，并安裝特定的排氣塞進行排氣。此外，還可在模具型腔內的嵌件處，設置排氣槽。

（4）抽真空負壓排氣

在模具制造時，將模具的型腔內鉆出一些小孔，使他們與真空負壓系統相連，可以快速抽走模具型腔內存留的空氣，使吹塑型坯與模腔緊密貼合。此外這種方法也有利于一些需要拉深、吹塑制品內部不能充氣、表面質量要求高、夾層中空等比較特殊的一些吹塑制品。抽真空排氣系統的控制需要與中空成型機的電氣控制系統進行聯控，才能有效地保障控制的準確性和可靠性。

如圖13所示，這種方式與真空吸塑成型方法類似，模具制作時，在模具的型腔內壁鉆出一些小孔，或是制成一些鑲嵌式的縫隙，使它們與負壓系統的管道相連接，在需要成型吹塑制品時，啟動負壓系統，抽走模具型腔中的空氣，使吹塑模具的型腔很快形成負壓狀態，可以使吹塑制品很好的與模具型腔相貼合，形成裝飾花紋清晰的產品。

圖13 負壓排氣結構

同時，采用這樣的負壓排氣系統，能減少吹塑制品的成型時間，可降低合模機構的合模力和吹脹氣壓，可減少吹塑制品的收縮與變形。此外，這種方法也有利于成型一些需要深拉伸、吹塑制品內部不能充氣、表面質量要求高、夾層中空制品等比較特殊的一些吹塑制品。

采用負壓排氣方式的模具時，目前有兩種負壓排氣方式可供選擇，一種是采用壓縮空氣為氣源，安裝真空發生器的方式，一種是采用真空泵抽空的方式，采用真空發生器的方式比較經濟簡便。負壓排氣系統的控制需要與中空成型機的電氣控制系統進行聯控，才能有效的保障控制的準確性和可靠性。

整體式高表面質量吹塑模具的排氣設計與制作：

在一些高質量表面的吹塑件中，為了使吹塑制品的外觀和內在質量能夠達到較高的水平，一般在設計和制作模具時都將其做成整體式的模具，為了保障產品吹脹時能夠快速成型，吹塑模具的排氣設計和制作需要認真對待。盡管通過調整吹塑成型工藝參數也能改善制品的外觀質量，但相對會影響制品的合格率和加大工藝調整的難度。

考慮到吹塑制品的外觀表面需要的質量要求比較高，一般都將排氣方式設計成為排氣孔方式。模具型腔一側的微小氣孔直徑約0.1～0.2 mm，深度約為1～4 mm左右；其小孔可采用不銹鋼注射針頭制作，模具外側的通氣孔直徑 3～10 mm 左右，需要進行負壓排氣時，可將通氣孔與負壓管道相連，可以實現吹塑模具的快速排氣。排氣孔的間距在40～120 mm之間選擇，其具體尺寸的選擇主要是根據吹塑產品的結構形式和表面質量要求來進行，結構復雜和表面質量要求高的產品時選擇排氣孔的間距小些，反之則可以選擇稍大些。在同一副模具上，排氣孔的直徑和之間的間距應基本一致。

目前模具的微孔加工已經廣泛采用激光加工的方法來進行，其孔的精度較容易得到保障。

1.4.2吹脹成型壓縮空氣的排氣處理與噪聲控制

目前吹塑機組吹脹氣體的排放通常采用直接排放的方法進行，但是對于潔凈廠房來說，對廠房內的噪聲與潔凈度都有嚴格的要求，因此，對吹脹氣體的排放必須采用相關的技術措施，目前主要采用的方法有兩種。

（1）安裝管道直通廠房外進行直排，可通過安裝地下管道的方法來解決。

（2）安裝消聲器或是消聲閥的方式解決噪聲問題。

消聲器外觀圖見圖14幾種小型消聲器外觀圖。

圖14 幾種小型消聲器外觀圖

消聲閥外觀圖見圖15幾種消聲閥外觀圖。

圖15 幾種消聲閥外觀圖

具體消聲器與消聲閥大小規格的選擇應該按照排放氣體的容量來選擇，一般來說選擇容量在實際需要容量的2～3倍較好，這樣利于控制排氣的噪聲。

2.模具尾料槽設計與制品局部增厚技術

模具的尾料槽及產品合縫處的增厚技術，在模具夾坯口（切口）的外邊增設尾料槽，其功能可使制品的合縫處局部增厚。

許多工業件的吹塑制品與普通的吹塑制品的使用要求相差較大，工業件的吹塑制品有使用壽命長，強度高，耐沖擊，耐環境應力開裂等許多特殊的要求，相對來說，其產品合縫處的要求就更高，近年來的產品合縫處增厚技術就是在多種尾料槽結構上發展起來的。

如圖16，吹塑模具切口及尾料槽結構圖。

圖16 吹塑模具切口及尾料槽結構

如圖16所示，其中有四種不同的尾料槽結構，在多家工廠多種模具的實際生產中，圖中（4）和（5）結構的尾料槽對制品合縫處的增厚作用較為明顯，其中前夾角為30°，后夾角為90°。

其他尺寸需要根據制品的不同選擇，制品壁厚較大時，尺寸可以選擇大一些。對于一些大型、超大型吹塑制品來說，建議采用（5）對錐式改進型的尾料槽方式，這種形式的尾料槽有明顯增強合縫處壁厚的效果，一般增強效果可以達到2倍以上。

吹塑模具夾坯口（切口）推薦尺寸見表3。

表3 夾坯口（切口）尺寸推薦表

對于HDPE吹塑容器，其體積小于200L時，可以近似確定b：

式中b的單位是mm，V（容器容積）的單位是L；對于小瓶（小于100 ml），b可以取0.1～0.3 mm。

3.模具冷卻結構與創新

對于幾乎所有的擠出成型、注塑成型、中空吹塑成型等方法，生產率很大程度上取決于塑料的加熱及冷卻的效率。冷卻過程中，通過模具帶走融熔塑料的熱量，使制品冷卻定形；在吹塑成型中制品冷卻時間占成型周期的 60%～80%，對大型及厚壁制品高達90%。

冷卻時間太短會導致產品翹曲及明顯的收縮。為了實現吹塑成型高速化，提升吹塑制品的冷卻效率是最好的措施，它可縮短成型周期，降低能耗。

然而，冷卻系統的作用不僅僅在于提高生產率，好的冷卻水系統能提高制品表面質量且使制品飽滿。

總而言之，冷卻系統的好壞是衡量吹塑模具的重要指標之一。

3.1 冷卻結構與創新

吹塑制品的冷卻方法可分外冷卻、內冷卻與后冷卻三種。吹塑模具主要冷卻系統由外冷卻及后冷卻組成。

3.1.1 外冷卻法

外冷卻是指在模具壁內開設冷卻系統，通過外壁傳熱來冷卻吹塑制品。在常見的模具壁內開設冷卻系統方式是在模壁內縱、橫方向鉆出冷卻孔道，見圖17。

圖17 鉆孔式冷卻水通道

這種方式的冷卻系統水路可以用機械加工制造，制造簡單，方便，成本低。

在孔道內設置的螺旋銅片或是不銹鋼螺旋片可使冷卻水分為兩股螺旋狀的冷卻水流，增加流體的湍流程度，使冷卻水流沿著冷卻水孔的外壁進行螺旋線的運動，這樣可加快冷卻速率，還可減少冷卻水道水垢的形成。鉆孔式冷卻通道易于清理，便于修改。

當有些模具內腔凸臺比較高時，熱量比較集中，而模具不能做縱、橫方向冷卻孔道時，可使用冷卻棒來使模具冷卻。如圖18。

圖18 冷卻棒工作原理圖

其中圖中：D為冷卻棒直徑，冷卻孔尺寸D1=D+0.1～0.2 mm（方便冷卻棒裝拆且不易脫落），冷卻穴尺寸 D2=D×2（保證熱量傳導的快速性和穩定性）。

模具冷卻棒具有很好的熱傳遞性能，可以將一端的熱量迅速傳遞到另一端，安裝冷卻棒后，在合適位置上接通冷卻水，就實現了一個熱轉換過程。

在放入冷卻棒時，棒上必須涂上專用導熱潤滑劑，其主要作用：1）耐溫使熱導性好；2）防銹、潤滑，后期裝拆方便。冷卻棒底部用活動盲栓做堵頭，能給以后的維修裝拆帶來很大的方便。模具冷卻棒的產品已經實現專業化生產。模具冷卻棒見圖19。

圖19 模具冷卻棒外觀圖

3.1.2 內冷卻法

吹塑制品在冷卻中，外壁因與低溫模腔接觸而被較快冷卻，內壁與吹脹空氣接觸，其傳熱量很少，故冷卻較慢。內、外壁冷卻速率的差異可能使制品出現翹曲現象。一種解決方案是在模具內保壓時間長一點，讓制品完全定型后再取出，這樣做整個周期就延長了，影響生產效率。

為此，研究并開發了各種內冷卻方法，即把水霧、液態氮氣或二氧化碳、制冷空氣、循環空氣或混合介質注入已吹脹的型坯內部，以快速冷卻制品內壁。在內冷卻中，最常用的是液態氮氣與二氧化碳，因為他們干凈，不起化學作用，適用于多種吹塑制品。如圖20。

圖20 吹塑制品液氮內冷卻法示意圖

采用內冷卻方法來成型吹塑制品，生產效率較高；但是需要控制好內冷卻介質的溫度，溫度太低會在其塑料內部產生應變、內表面出現斑點等缺陷，影響某些尺寸（例如容器頸部尺寸）與容器體積的收縮率。

采用液氮進行吹塑內冷卻的方法在擠出吹塑工藝中效果非常明顯，它既可以當冷卻劑又可以作為吹脹氣體使用，可縮短生產周期達50%。縮短周期的時間長短主要取決于吹塑制品的性能，主要與制品的材料，重量，壁厚與形狀等有關。

吹塑制品定型保壓時間大于20 s時采用液氮吹塑工藝具有較好的經濟效益；在一些批量大的吹塑產品及液氮供應方便的地方的吹塑制品生產廠家不妨進行嘗試。

采用內冷卻方法時，一些特殊制品需要與壓縮空氣吹塑組合進行，這樣可保障制品的良好成型和提高生產效率。

3.1.3 后冷卻法

內、外冷卻方法均針對處于吹塑模具內的型坯而言的。若在較高溫度下，盡快從模具內取出制品，置于后工位進行冷卻，可明顯縮短吹塑的成型周期，這種工序稱為后冷卻法。

在脫模時，溫度也不能過高，一般可在經過正常冷卻時間的一半后開模，以保持制品的形狀。圖21為大型桶的切邊與后冷卻過程。

圖21 大型吹塑桶的后冷卻示意圖

該塑料桶冷卻系統具有自動取出制品的機構，其在模板開啟之前夾持大桶頂部余料，并送至第一工位，在上、下端用被冷卻的夾緊套夾持，切去上、下的余料。之后由夾緊套把大桶送至第二工位，這里，中央冷卻室及上、下冷卻板貼近并包緊大桶，使之冷卻。

大桶的桶口朝下，可注入壓縮空氣（壓力最高為 0.3Mpa），并可排出，這樣，在大桶內產生了對流傳熱效應。大桶外壁與冷卻室的內壁緊密接觸而得到冷卻，大桶被冷卻后送至輸送帶。

這種后冷卻方法，可減少吹塑制品在模具內定型的時間，能有效地降低生產周期時間，提高生產效率。這種后冷卻系統常用于大型塑料桶的生產過程中，一般常用于 100～200L塑料桶的吹塑生產中。

4.防止形成水垢的冷卻水設計

制品的好壞絕大數取決于模具是否合理的設計與加工，其中模具冷卻系統的優良是一個重要的因素，它的好壞直接影響到模具的壽命、制品的質量及生產效率等等，所以在設計模具時冷卻系統務必要考慮周到。

吹塑模具冷卻主要是三個方面因素所決定：①冷卻水的循環速度，②冷卻水的溫度，③整個冷卻水循環系統的熱傳導效率。

水具有很好的傳熱性，是吹塑模具常規采用的主要冷卻流體。硬水在引入模具冷卻通道前要經軟化處理。硬水是指含有較多可溶性、鈣鎂化合物的水。模具使用一段時間后，硬水在模具管道內受熱蒸發后會沉積下硬水垢，這樣局部水道可能會堵塞，會降低傳熱性能。冷卻水的軟化處理可采用磁化水處理方法。

通常在吹塑模具內部冷卻水道中流動的冷卻水會使模具溫度降低4～20℃左右，如果生產車間內環境溫度較高，低溫的冷卻水會使空氣中的濕氣在模具表面凝結成為水珠，直接影響吹塑制品表面質量。水汽凝結現象可通過提高冷卻水的溫度來消除，也可以采用在吹塑機周邊環境設置空調的辦法來解決，還可以采用熱風直接對準模具型腔表面進行吹風的辦法解決，具體采用哪種方法解決，需要根據制品廠家的具體情況來考慮。

4.1 常見的模具冷卻水道目前主要有三種方式：

（1）模具型腔背面用機械銑切加工冷卻水道或型腔背面的壁內鑄造出冷卻通道，在冷卻水槽兩端安裝進出水的接頭，并用密封蓋板將冷卻水槽密封。

這種形式內部冷卻水冷量較大，冷卻效率高。密封蓋板打開后既可清理冷卻水道。在鑄造水道時，鋁、銅鈹合金這類材料具有多孔性，因此在鑄造水道時一般要用環氧樹脂或硅酸酯浸漬，以防止冷卻流體滲入型腔內，這會影響傳熱性能。圖22蓋板式冷卻水道。

圖22 蓋板式冷卻水道

圖23 鉆孔式冷卻通道

（2）機械鉆孔加工冷卻水道，如圖3-23鉆孔式冷卻通道。這種方式是在吹塑模具側壁內鉆縱橫方向冷卻水孔，當大型吹塑模具的冷卻水道深度較長時，可采用兩頭對鉆的形式。鉆孔時一般鉆通，設有進出口若干，其余用止水塞堵住。在孔道內一般設置有螺旋片（銅或不銹鋼）可使冷卻水形成兩股螺旋水流，加強與孔壁的接觸，增強湍流現象，提高模具的傳熱效率。這種方式的冷卻水路，冷卻效果好，安裝拆卸方便（堵頭為模具標準件）。當水路內部堵塞后可卸掉堵頭，用工具清理內部殘留物。

（3）鑄造嵌入式冷卻水管，如圖24鑄造嵌入式冷卻水道。這種方式是在采用鋁合金、鋅合金或鑄鋁材料鑄造模具時，將預先制作好的冷卻彎管放入模具坯模中，冷卻彎道可以設置在離型腔壁比較近的地方，以確保不影響模具后面的機械加工。這種方式冷卻液體不會泄漏，但管道不易清理。冷卻彎管可以采用銅管，無縫鋼管，不銹鋼管彎曲成型，從實際使用多年的情況看，以采用厚壁不銹鋼管較好。

圖24 鑄造嵌入式冷卻水道

4.2 模溫對吹塑工藝的影響

過高的模溫會使冷卻速率降低及熱交換時間變長，不利于熔融料分子結晶，形成晶球且不斷成長，會產生大小不一的晶體，使塑件沖擊強度降低，導致使用壽命比較短。

過低的模溫，當模溫低于 4℃時，因受室溫及空氣濕度影響，模具表面極容易產生熱氣冷附現象，附著大量水珠，水珠的存在會影響塑件表面的光潔度，且容易使模具生銹腐蝕等現象，（在較為潮濕的南方地區更加明顯）所以吹塑模具模溫一般控制在10℃左右，可防止產生明顯的熱氣冷附現象。

冷卻系統水路有無布置完善，也會導致冷卻不均勻使得制品的各部位收縮率有差異，引起制品的翹曲、變形的問題。所以良好的冷卻系統對于吹塑成型至關重要，它可使吹塑周期縮短，得到尺寸穩定、收縮變形小的制品，也能延長制品及模具的使用壽命。

4.3 冷卻系統幾何參數確定

型坯被吹脹與吹塑模具型腔接觸后的冷卻由三個連續過程組成，制品壁內的傳熱、模具壁內的導熱、冷卻流體內的對流傳熱。這幾個因素研究起來比較復雜，在這里我們介紹一下對模具冷卻水路設計及幾何參數的確定（簡易的計算公式）。

所謂模具冷卻是指高溫料坯由壓縮空氣吹脹貼合至模具內壁，使料坯溫度傳至模具內壁，再由模具內的冷卻水帶走熱量。先計算料坯成型前后的所放出的熱量Q（kJ/h）：

式中：G——被冷卻制品的質量（kg/h）；

Cp——制品原材料比定壓熱容（kJ/（kg·K）；

Ti——型坯吹脹后與模腔接觸時間的起始溫度（℃）；

Td——制品取出時的溫度（℃）；

λ——結晶塑料的熔融潛熱（kJ/kg）。

根據公式算出要帶走制品的熱量Q，根據要帶走的熱量可確定冷卻流體的流量qv（m3/min）：

式中，T0——冷卻流體入口溫度（℃）；

T1——冷卻流體出口溫度（T1≈TM）（℃）；

TM——模具溫度（℃）。

由 Q還可以確定冷卻系統的傳熱面積 A（m2）：

式中，h——冷卻管道孔壁與冷卻水之間的傳熱膜系數[kJ/（kg·℃）]。

而根據水的流量qv、傳熱面積A以及參考模具長度，可算得孔直徑D（mm）和長度L（mm）：

式中，V——水的流速（m/s）；

n——模具應開設孔數。

表4 常用吹塑料的比定壓熱容（Cp）與熔融潛熱（λ）

4.4 冷卻系統設計原則

調節模具溫度最常用的方法是冷卻水，那么冷卻水的效果對吹塑成型加工起決定性的作用。冷卻效果通常是指制品冷卻成型硬化過程中，在限定的時間內，冷卻系統帶出熱量的多少和模具溫度的均勻程度，它主要受以下幾點因素影響：

a.冷卻通道與型腔區域的距離；

b.冷卻通道的直徑；

c.冷卻水道的長度和設計布局；

d.冷卻介質的流動狀態及用量；

e.從入口到出口冷卻介質的溫差，一般入口到出口的冷卻介質的溫差，以不超過5℃為宜。

f.模具材料的傳熱性能。

為提高冷卻系統的效率和使型腔表面溫度分布均勻，在冷卻系統設計中應遵循如下原則：

（1）冷卻系統的布置應先于排氣系統以及脫模機構。

如若設計中，冷卻系統未能引起設計者的重視，往往先設計脫模機構與排氣系統，再設計冷卻系統，然而這樣會使得沒有足夠的空間來布局較為良好的冷卻系統，使得冷卻未能取得良好的冷卻效果。

冷卻回路設計應與排氣系統、脫模機構相互協調，以獲得良好的冷卻效果。

（2）合理地確定冷卻管道的直徑中心距以及與型腔壁的距離。

冷卻管道的直徑與間距直接影響模具溫度的分布。如圖25所示，圖a所布置的冷卻管道間距合理，保證型腔表面溫度分布均勻；而圖b設計的冷卻管道直徑太小，間距太大，所以型腔表面溫度變化很大。冷卻管道與型腔壁的距離太大，會使冷卻效果下降；而距離太小，也會造成冷卻不均。

圖25 型腔表面溫度變化

通常，冷卻孔道的直徑一般要取10～15 mm，對大型模具可達30 mm。孔徑較大時要求冷卻流體有較高的流率，即要求配置大功率的泵送裝置，兩相鄰孔道之間的中心距為孔徑的3～5倍，孔壁與模腔之間的距離為孔徑的1～2倍，以均勻、充分地冷卻制品。

（3）降低進出水的溫度差。

冷卻水兩端進、出水溫度較小，則有利于型腔表面溫度分布。通常可通過改變冷卻管道的排列形式來降低進、出水的溫差，同時可以減短冷卻回路的長度。如圖3-26所示的大型模具，采用圖a的排列形式比采用圖b所示的排列形式好。一般表面質量較高的模具進出水溫差應在 2℃以內，普通模具不應超過5℃。

圖26 冷卻管道排列

（4）冷卻管道應便于加工及清理。

為便于加工和操作，進出水管接頭應盡量設在模具同一側，在通水時要遵循低進高出的原則，同時冷卻水管接頭處應密封，以免漏水。

5.模具的精確控溫技術

質量優良的塑料制品應滿足六個方面要求：收縮率小、變形小、尺寸穩定、沖擊強度高、耐應力開裂性好和表面光潔。

吹塑模具的溫度對以上要求有著較大影響。一般來說，模具溫度分布應該均勻，使制品在成型過程中得到均勻冷卻。模具溫度過高，延長冷卻時間，降低生產效率，而且在冷卻過程中，制品會發生較大的成型收縮，影響制品的尺寸精度和形狀；模具溫度太低，會使型坯在夾坯口處的料坯溫度下降過快，會使合縫線處粘合不結實，且會阻礙型坯的吹脹成型，還會導致制品表面出現斑紋、表面粗糙度升高、光亮度變差；還可能出現應力集中現象。

通常情況下，吹塑模具的冷卻溫度都會低些，一般在10～30℃之間。但是在吹塑一些表面質量要求較高的制品時，為了提高表面粗糙度，可以對模具冷卻水溫度實行精確控制的辦法來達到相關的質量要求。

對模具進行控溫，可以在模具進出水的主要管道上設置電磁閥、溫度傳感器，并設置獨立的溫度控制儀。模具的溫度一般設置較高，具體參數需要根據制品和塑料類型而定。采用循環水作為模具的溫度控制介質時，溫度控制范圍在40～90℃之間。目前已有模溫機采用水來進行控溫。對工程塑料吹塑模具，采用傳熱油等流體或電加熱來提供所要求的較高溫度。

比如，PC純凈水桶的成型模具，通常采用模溫機控制循環高溫油的辦法來控制模具成型時的溫度，模具溫度一般控制在60～85℃。

吹塑模具的溫度設定要保證：

a.根據塑料于產品的特征，確定溫度調節系統是采用加熱方法還是冷卻方法；

b.盡量使模溫均勻，制品各部位同時冷卻，以保證制品的性能和尺寸穩定性，提高制品質量和生產率；

c.溫度調節系統要盡量做到結構簡單、加工容易、成本低廉；

d.一般采用低模溫，大流量、快速通水冷卻的效果比較好。

圖27 兩種模溫機外觀圖

總而言之，溫度調節（冷卻或加熱）即關系到制品的質量（包括制品的力學性能、尺寸精度和表面質量等），有關系到生產率。因此必須根據要求使模具溫度控制在一個合理的范圍內，以得到高品質的制品和高速的生產率。

兩種模溫機的外觀圖見27。

6.模具材料的選用與熱處理

吹塑模具可使用的材料主要有：鑄鐵、鋼、不銹鋼、鋁、鈹銅合金、鋅、高分子材料等多種材料。在實際使用中，高分子材料一般是作為試驗用吹塑模具，鑄鐵模具一般用于手動鉸鏈式模具以及小批量的產品，大批量生產時通常不采用。

6.1 吹塑模具材料的選用

（1）鋁合金材料

鋁材制作的吹塑模具有重量輕、傳熱快、鋁合金材料的導熱性能高，機械加工性能好，比重小，密度低，制作的模具重量較輕；但是，硬度較低，容易磨損，損壞后焊接性能不好，材料價格較高，此外采用鋁合金直接成型冷卻水道時對冷卻水的質量要求較高，螺紋的聯接強度也相對較弱。

大型吹塑模具采用鋁合金或鑄鋁制作時，一般都是采用鑄造的方法來制造的，模具的冷卻水道采用無縫鋼管或是不銹鋼管制作成盤管安置在模具的內部，然后將鋁合金材料或是鑄鋁材料融化后與冷卻水管一起澆鑄成模具坯模，經過機械加工后即成型為所需要的模具。在模具的夾坯口（切口）部位、導向套、螺紋等部件的材料多數采用鋼材制成，以確保模具的耐用和維修的方便。

鋁合金材料在吹塑模具中得到了比較普遍的采用，國內多數 200L系列塑料桶的模具幾乎都是采用鋁合金材料制作的。

（2）結構鋼材料

通常情況下，如果吹塑制品的批量較大，生產的時間較長，以及考慮到模具切口需要較高的強度和硬度，模具材料選用結構鋼效果較好。盡管其傳熱性能不如鋁合金、鋅合金材料以及鈹銅合金，但如果采用較好的冷卻水道的結構設計可以有效的改善傳熱狀況。

① 低碳鋼

在吹塑模具的制作中，采用低碳鋼材料來制作模具的也較多。尤其是采用低碳鋼制作模具的型腔部分和冷卻水道部分，對于加工模具的設備能力較差的情況來說，具有其獨特的優勢。低碳鋼的焊接性能較好，利于進行焊接加工。

通常情況下，由于一些大型、超大型吹塑模具的體積較大，需要進行加工的冷卻水道比較深長，采用鉆孔加工的方法比較難以成型，可以采用低碳鋼板進行疊層焊接的方式來成型冷卻水道，甚至成型型腔；對于要求模具精度不是太高的產品來說是可以達到相關技術要求的。同時，由于計算機設計與制造技術的快速發展，近年來在模具疊層加工技術方面，國內外均有較快的技術進步，目前也是吹塑模具加工技術的發展方向之一。

采用低碳鋼加工的吹塑模具，也可以在滲碳（滲氮）技術上對模具的表面進行處理，對經過使用了一段時間的低碳鋼模具，也可以進行滲碳（滲氮）處理可延長模具的使用壽命。

② 中碳鋼或中碳合金鋼

中碳鋼在各類吹塑模具當中也使用較多，通常直接用來成型模具型腔，模具底板等模具部件，對于可以直接采用機械加工方法成型冷卻水道的吹塑模具，適合采用中碳鋼或是中碳合金鋼來直接制作。近年來大型吹塑模具采用數控加工的方法更加普遍，因此，采用中碳鋼和中碳合金鋼制作模具也就更多了。

③ 高碳鋼或高碳合金鋼

高碳鋼或高碳合金鋼通常用來制作吹塑模具的導向套及導向柱，以及一些特殊耐磨零部件等。

（3）不銹鋼材料

不銹鋼材料在一些表面質量要求較高，批量較大的中小型吹塑制品的模具上有較多的采用，由于不銹鋼材料制作的模具型腔尺寸穩定性好，表面光潔度高，耐腐蝕性能好，對于成型表面質量高，批量大的產品有其獨特的優勢。

（4）鈹銅合金材料

鈹銅合金材料具有優良的綜合性能，特別適合于制作中小型吹塑制品而批量大的產品的吹塑模具。目前在鋁合金吹塑模具中多采用它制作切坯口崁件，具有較好的效果。

鈹銅合金一般含有2.75%的鈹和0.5%的鈷，其余成分主要是銅。改變合金中鈹含量的不同，可以使其具有不同的強度、硬度、導熱性、耐腐蝕和耐磨性。

鈹銅合金可制作一些工程塑料、PVC塑料的吹塑模具，這種材料制作的模具冷卻水道不容易結垢，可以有效改善模具長期使用后的冷卻性能。

鈹銅合金可以采用機械加工、澆鑄、熱擠壓等方法成型，含鈹 1.7%的鈹銅合金適宜進行澆鑄，嵌件可以選用含鈹2.0%的鈹銅合金。

鈹銅合金澆鑄模經過機械加工以后，一般需要進行溶液退火，以便進一步拋光，拋光后可以在較低的溫度下進行硬化，可達到40HRC；并具有長期的耐磨性。

鈹銅合金澆鑄時也可以嵌入冷卻水管道，但是目前鈹銅合金的材料價格相對最高。

（未完待續，下轉本刊2021年第四期）