挤出中空吹塑的成型模具与技术创新（一）

邱建成 邱睿

0.前言

挤出中空吹塑成型是中空塑料件制品的主要成型方法之一。在吹塑成型工艺中需满足以下几点：

（1）加工温度和螺杆转速

在既能挤出光滑而均匀的塑料型坯，又不会使螺杆系统超负荷的前提下，尽可能采用较低的加工温度和较快的螺杆转速，提高效率。

（2）成型空气压力

挤出中空吹塑成型一般在 0.2MPa～1.5MPa范围内，主要根据塑料熔融粘度的高低来确定其大小。粘度低的，如尼龙、聚乙烯，易于流动吹胀，成型空气压力可小些；粘度高的，如聚甲醛、聚碳酸酯，流动及吹胀性较差，那必需要较高的压力。

成型压力还与制品的大小、厚度有关。一般壁厚大容器需要成型压力大些，壁薄小容器成型压力小些。具体情况还需要实践操作后，一步步调整，以每递增0.1MPa或每递减0.1MPa的方法，直至试出制品。

（3）吹胀比

制品尺寸和型坯尺寸之比，称为吹胀比。型坯尺寸和质量一定时，制品尺寸越大，型坯吹胀比越大。增大吹胀比可以节约材料，但制品壁厚会变薄，成型困难，制品强度和刚度降低；吹胀比过小，制品有效容积减少，飞边增多；壁厚，冷却时间延长，成本增加。

一般吹胀比为2～4倍，用于1:2较为适宜，此时壁厚较为均匀。

对于一些特殊吹塑成型制品，吹胀比会较小，吹胀比的确定需要根据吹塑制品来进行，当吹塑制品比较复杂时，吹胀比的确定可能需要多次试验才能得出较好的效果。

（4）模温和冷却时间

挤出吹塑的塑料型坯在成型时温度较高，需要在模具内有一定的保压定型、冷却周期。模具温度过低，塑料冷却就过早，制品成型困难且表面不光泽；模具温度过高时，冷却时间较长，生产周期长；如果型坯冷却程度不够，则会出现制品脱模变形，收缩率大等不利情况。

因此，模具的结构，模具的排气，冷却与温度控制等参数的确定在挤出中空吹塑成型是非常重要的因素，会直接影响吹塑制品质量的优劣。

1.吹塑模具的结构

挤出吹塑模具主要由两半阴模或半边阳模，半边阴模组成。吹塑模具赋予制品形状与尺寸。

挤出吹塑模具的设计、制造对制品的生产效率及性能具有很大的影响，如果设计、制造不合理，会使制品成型不良，出现大批量的废品或是次品，有可能造成模具的直接报废。

影响吹塑模具设计的因素有：制品的形状和尺寸、注入压缩空气的形式及塑料的性能。根据制品的形状和尺寸需考虑模具的分型面；注入压缩空气的形式需考虑注入压缩空气的位置及其进气量够不够，能否瞬间吹胀；塑料的性能需考虑选用模具材料及加工工艺。

1.1 模具分型面

在模具型腔设计时，模具分型面的选择是制品成型好坏的第一要素，它是制品顺利成型和顺利脱模的重要条件。

一般对于对称的吹塑容器可以用制品的中心线（等分线）为分型面；对于一些均匀等厚的异形制品也可以用等分线为分型面；但是对于不等厚且异形的制品时，型腔分型面需要仔细考虑，它的分型面往往不在等分线上，如：图1；对于一些特殊制品，还需设置多个分型面，如：图2。

图1 不等厚异形制品示意图

图2 多个分型面制品示意图

还有些带有把手的容器，把手一般沿分型面设置，但是有些产品需要预埋把手来成型。一般把手采用嵌块来成型。

1.2 型腔表面

吹塑模具型腔表面粗糙度一般根据制品本身的表面要求以及制品的材料而确定的。对于一些吹塑制品表面要求不高的，表面可以做的比较粗糙。例如：水面上的浮体，物流中使用的托盘等一些比较大型的制品，表面做的粗糙些，利于整体的排气性。

然而对于一些表面要高透明或高光泽性的容器，表面就需要高度抛光的处理。（PC纯净水桶，ABS汽车扰流板以及 PET、PVC、PP等吹塑容器）。

在吹塑制品中PE的产品最为广泛，用PE的吹塑模具，型腔表面需要粗糙些，能提高排气效率，不然塑料型坯与模具间会夹留有气泡，使制品出现“橘皮纹”的表面缺陷。

因为 PE吹塑模具温度较低，型坯吹胀压力较小，吹胀的型坯不会楔入至粗糙面的波谷，而是位于并跨过谷峰，所以在使用 PE吹塑模具时表面粗糙些不会影响产品表面质量，反而有利于排气提高成型质量。

PE吹塑模具型腔表面采用喷砂处理可以获得比较均匀的表面粗糙度。一般可以使用金刚砂、石英砂或硬砂砾来喷砂处理。喷砂的粒度选择要合适，根据制品的体积和原料的型号来选择合适的粒度。

通常，对于较小的PE瓶模，可以采用60＃～120＃粒度；对于较大的制品模具，可以采用30＃～40＃粒度；对于 LDPE材料的吹塑模具，可采用较细的粒度；对于HDPE材料的常规吹塑模具，可采用较粗的粒度。

蚀刻型腔（又名皮纹处理）也可使其表面粗糙，它是在模具型腔表面上通过化学方法或其他方法，使制品表面形成一定深度的花纹。蚀刻深度与制品的材料及模具的材料有关。皮纹蚀刻深度见表1。

表1 皮纹蚀刻深度的选择

每 0.025 mm的花纹深度取 1.5°的脱模锥度。经蚀刻的模腔对制品的黏附性较大，可采用脱模剂。

吹塑表面质量要求相当高的制品时，模具型腔表面需对其进行抛光。根据制品的要求，抛光后有些可以进行亚光处理或用 360＃的细沙擦拭模腔。

对于工程塑料的吹塑模腔，型腔一般不能喷砂，其表面可进行高度抛光处理，模具排气蚀刻花纹处理。

1.3 型腔及嵌块

（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缩率来决定的。

收缩率一般是指室温（20～22℃）的状态下模腔尺寸与成型24 h后制品尺寸之间的比值。多数塑料制品的收缩是在制品成型 24 h以内发生的，有一些壁厚较厚的吹塑制品的收缩可以延迟几天。

影响吹塑制品收缩率的因素有许多：比如使用的材料不同；制品体积大小不同；制品壁厚的不同；模具内成型周期；制品几何形状的不同；室温的不同等等。

此外，吹塑制品的3个成型方向的收缩率也不同，通常情况下纵向的收缩率要比横向的稍大些。常用塑料吹塑制品的收缩率见表2。

表2 常用塑料吹塑制品的收缩率

收缩率在每种吹塑制品中，它不是一个恒定的数字，往往与制品的壁厚，重量，吹塑工艺，冷却定型时间，制品的形状等有较多的关联，收缩率的大小数值在制品的长度、宽度、厚度方向均有不同；因此，在一些工程吹塑件设计时需要预先进行相关收缩率数值仔细测定。

对于一些安装精度要求较高的吹塑制品时，需要针对吹塑设备，材料以及成型工艺等具体条件测定实际的收缩率，从而获得正确的收缩率，再根据实际情况制定是否需要吹塑成型后的制品定型架，吹塑制品定型架有时候对制品的尺寸稳定性起着至关重要的作用。

（2）模具嵌块

吹塑制品一般成批量投产（少则上千，多则上万，甚至更多），生产中模具在高负荷的运作时，模具的模口及切口等部位既要确保制品成型又要保证能切断型坯的余料，所以这些部位相接触的面积较小且较为锋利，这些部位容易磨损及损坏。为了保证其能够经久耐用，方便更改，通常都将这些部位制成嵌块，镶嵌在模具的所需部位，如各类塑料桶的桶口部位、塑料品的瓶口及瓶底部位以及各种吹塑容器的下吹部位。

模具嵌块的设计需要根据吹塑制品的具体形状来确定，镶嵌块的材料常用淬火工具合金钢、铜铍合金等材料制作。

吹塑模具底部一般如图3设置单独的嵌块，以挤压、封接型坯的一端，并切去尾料。

图3 吹塑模具的结构图

在设计模具底部嵌块时需要考虑夹坯刃口与尾料槽，他们对吹塑制品的成型和性能有重要的影响。因此，对于它们需要注意以下几个方面。

A、要有足够的强度、耐磨性和刚性，能承受反复合模过程中对挤压型坯融体产生的压力。

B、模具嵌块常采用铜铍合金或淬火工具钢，铜铍合金嵌块的导热性能比较好，而钢制嵌块使用寿命更长。对于软质塑料（如LDPE），嵌块一般可用铝制成，并可与模体做成一体。

C、处于接合缝处嵌块，需要了解到接合缝是吹塑容器最薄弱的位置，此处的嵌块要做双重夹坯口尾料槽，以适当增加其厚度和强度（如图4）且能切断尾料，形成整齐的切口。

图4 容器底部接合缝

D、应能切断尾料，形成整齐的切口。

成型容器颈部的嵌块主要有模颈圈与剪切块，见图3的4与13。

剪切块位于模颈圈之上，有助于切去颈部余料，减少模颈圈的磨损。剪切块开口可以锥形的，夹角一般取60°，见图5（a）、（b），也可为杯形的，见图5（c）。

图5 容器颈部的定径成型法

模颈圈与剪切块由工具钢制成，并硬化至HRC56～58。

以下两种为常用的颈部嵌块：（1）颈部定径成型法，（2）拱顶嵌块容器成型法。

定径进气杆插入型坯内时，可把型坯挤入模颈圈螺纹槽内，形成实心的螺纹，进气杆端部则可成型容器颈部的内表面。剪切块口刃与进气杆上的剪切套配合，切断颈部余料。这种成型容器颈部的方法叫定径成型法或压塑法。

颈部定径成型法有两种方式：一种为进气杆上移式，见图6；另一种是下移式，见图7。

图6 进气杆上移式结构图

图7 进气杆下移式结构图

如6图所示，进气杆拉起操作时，进气杆的上升时剪切了材料，使其颈部达到良好的成型效果。

如图7所示，模具合模后，带有剪断环进气杆可下行一定距离，以达到剪断飞边材料的目的，其剪切效果较好。

当容器颈部偏心布置时，颈部的定径成型过程如图8所示。在合模后、进气杆下移之前，模具要如图8（a）横向移动或如图8（b）转移一定角度，其中后者适于容器颈部中心线与容器中心线成一角度的情况。

图8 容器颈部偏心布置时的定径成型过程示意图

当设置有拱顶嵌块时，具有以下三种方法如图9，具体采用哪种方法与容器的种类及修整类型有关。

图9（a）需采用进气杆，用于带把手与扁椭圆形容器的吹塑。成型后，修整装置从容器上切去拱顶，并用平面铣刀加工颈部内径。图9（b）的方法用于广口容器的吹塑，不需采用进气杆，通过模具与机头的紧贴来封闭型坯。当用飞刀切削颈部内径时，可切去拱顶。图9（c）的方法适用于各种容器的吹塑，也不需要进气杆，可在颈部成型形似滑轮的拱顶。

图9 设置拱顶嵌块时容器颈部的成型示意图

修整时，把三角皮带放入拱顶凹槽内，以使容器在固定刀刃上旋转，刀刃会切入拱顶底部的尖槽内。

1.4 排气系统与噪声控制

在设计制造模具时，除了要考虑模具对后续产品加工生产时的性能及效率影响，还要考虑产品制造工艺对模具的要求,尤其对成形大型制品、精密制品及易分解产生气体的树脂尤为重要。

1.4.1 吹塑成型时模具本身的排气

尤其是高表面质量吹塑模具型腔的排气设计显得更是特别重要（比如汽车扰流板、汽车保险杠、大型座椅、纯净水桶、高档包装瓶、包装桶等）。如果其吹塑模具型腔的排气设计不好，可能会直接影响吹塑制品的成型和塑料件的产品质量，吹胀成型产品时如果模具不能尽快的排除型腔中的空气，塑料型坯就不能尽快的被吹胀，吹胀后也不能很好的与模具型腔良好的接触，这样就会使产品出现壁厚不均，表面出现条纹，凹痕等缺陷，表面的文字，图案，装饰等会不清晰，影响产品的外观质量。这需要在吹塑模具的设计与制作中加以充分的重视。

模具合模与型坯吹胀瞬间要将模具型腔中的气体迅速排出，如排气效果不好，残留在模具型腔的气体会使得制品表面出现条纹、凹痕、字体不清晰、不平整，甚至出现变形等缺陷，排气系统可以排出模具型腔内的空气和物料中排除的气体。在成型时，进料系统中物料夹带的气体，树脂干燥不充分，挤料温度过高易分解，树脂添加剂挥发等都会产生气体。

吹塑模具型腔的排气部位的选择，一般情况下，吹塑模具的排气部位可选择在吹塑成型时空气最容易存留的部位，即吹塑制品最后吹胀成型的部位，如吹塑制品的角部，以及空气不易排出的部位等，需针对具体的吹塑产品来确定。

因此，这需要在模具设计与制造中加以充分考虑，可采取如下几个常用的措施。

（1）制品表面设计

对制品表面进行设计时，可在模具中设计必要的文字、图案或凹槽，以利于模具的排气；但也要避免出现大面积的光面，或在光面上刻制较浅的花纹，这样有利于模具的排气。

（2）模具型腔的处理

并不是所有模具型腔表面越光滑越好，稍带有粗糙的型腔表面不仅有利于模具的排气，还能提高制品表面效果。型腔表面处理常用的方法有型腔表面喷砂、表面蚀刻花纹、型腔抛光等方法。但对一些表面要求非常高的制品，例如聚苯乙烯制成的高级化妆品容器，就不适用。

（3）排气孔或排气槽

解决模具排气问题最有效的方法，是在模具型腔中及分型面上开设排气槽或排气孔，几种常用的排气方式如下。

① 排气孔结构方式

当需要在模具的某个部位开设排气孔时，可以采用图10所示的几种方式。

图10 排气孔结构

当采用图10a）所示的这种排气孔结构方式时，由于靠近模具型腔的小孔容易被粉尘，物料以及锈蚀后的杂质堵塞，导致后期的排气效果会很快的降低，在使用过程中需注意对模具的排气部位进行经常性的维护和保养。同时在模具制作时可采用不容易生锈的材料来制作排气小孔，如采用肌肉注射用的不锈钢针头，可较好的解决0.1～0.3的小孔不好加工的问题，还可较长时间的使排气小孔保持通畅。

对采用图10b）所示的铜或是不锈钢的粉末冶金方法制成的多孔性金属材料来排气时，必要时可以对其金属表面进行机械加工或是做成图案、文字、花纹等，在其背面钻出若干个小孔，有利于空气从小孔中排出。在平时的模具保养中，需要保持多孔性金属的空气通畅，尽量不要使其受到润滑油的污染，当其排气不畅时，可以采用压缩空气从模具型腔的背面进行吹气。

采用图10c）的圆柱堵塞的排气方式时，可以在模具需要排气的部位钻出 6～12 mm 的圆形通孔，在通孔靠型腔的一边嵌入两边或是多边磨去0.1～0.2 mm圆柱堵塞，利用其缝隙进行排气。圆柱堵塞可以采用铜质材料或是不锈钢材料制成，以使其能够较长时间的保持模具较好的排气性能。

镶嵌结构排气方式，对于一些大面积的排气时，可以采用图11所示的镶嵌结构形式。

图11 镶嵌排气结构

如图11所示，镶嵌结构的排气方式它可以利用镶嵌件之间预先设定的间隙实现大面积上比较顺畅的排气，它既可以采用薄片叠片式的结构，也可以采用同心圆式的圆环镶嵌件的结构方式，在一些高质量表面的吹塑模具中，采用这种结构形式时，如果技术上处理不当，有可能会在排气部位留下痕迹，可在这些部位进行其它的技术性处理，比如对制品表面的该部位进行装饰或是制作标记等。

同时，镶嵌结构的排气装置应该利于散热以加快吹塑制品的成型，可以采用导热性能较好的铍铜合金或是铝合金的材料来制作。图12，常用镶崁排气塞外观图。

图12 常用镶崁排气塞的外观图

② 在模具分型面上开设排气槽

在分型面上开设排气槽可尽可能快速地排出空气，一般排气槽设计在分型面的肩部与底部，有特别需要的可在特殊位置开设。排气槽的宽度一般在5～25 mm；排气槽的深度需根据制品生产工艺、容器容积与壁厚来进行实际的选择，一般在0.01～0.2 mm之间选取，容积越大槽深也越深。

③ 在模具型腔内开设排气孔

当需要在模具型腔内开设排气孔时，一般将靠近模具型腔的排气孔直径设计成0.1～0.3 mm，直径过大易在制品的表面留下凸点影响制品表面，直径过小又会出现凹坑，且设计模具型腔内排气孔位置时还需考虑到不干扰水冷却系统的布置。对于大容积的制品，排气孔直径可以大一些，并安装特定的排气塞进行排气。此外，还可在模具型腔内的嵌件处，设置排气槽。

（4）抽真空负压排气

在模具制造时，将模具的型腔内钻出一些小孔，使他们与真空负压系统相连，可以快速抽走模具型腔内存留的空气，使吹塑型坯与模腔紧密贴合。此外这种方法也有利于一些需要拉深、吹塑制品内部不能充气、表面质量要求高、夹层中空等比较特殊的一些吹塑制品。抽真空排气系统的控制需要与中空成型机的电气控制系统进行联控，才能有效地保障控制的准确性和可靠性。

如图13所示，这种方式与真空吸塑成型方法类似，模具制作时，在模具的型腔内壁钻出一些小孔，或是制成一些镶嵌式的缝隙，使它们与负压系统的管道相连接，在需要成型吹塑制品时，启动负压系统，抽走模具型腔中的空气，使吹塑模具的型腔很快形成负压状态，可以使吹塑制品很好的与模具型腔相贴合，形成装饰花纹清晰的产品。

图13 负压排气结构

同时，采用这样的负压排气系统，能减少吹塑制品的成型时间，可降低合模机构的合模力和吹胀气压，可减少吹塑制品的收缩与变形。此外，这种方法也有利于成型一些需要深拉伸、吹塑制品内部不能充气、表面质量要求高、夹层中空制品等比较特殊的一些吹塑制品。

采用负压排气方式的模具时，目前有两种负压排气方式可供选择，一种是采用压缩空气为气源，安装真空发生器的方式，一种是采用真空泵抽空的方式，采用真空发生器的方式比较经济简便。负压排气系统的控制需要与中空成型机的电气控制系统进行联控，才能有效的保障控制的准确性和可靠性。

整体式高表面质量吹塑模具的排气设计与制作：

在一些高质量表面的吹塑件中，为了使吹塑制品的外观和内在质量能够达到较高的水平，一般在设计和制作模具时都将其做成整体式的模具，为了保障产品吹胀时能够快速成型，吹塑模具的排气设计和制作需要认真对待。尽管通过调整吹塑成型工艺参数也能改善制品的外观质量，但相对会影响制品的合格率和加大工艺调整的难度。

考虑到吹塑制品的外观表面需要的质量要求比较高，一般都将排气方式设计成为排气孔方式。模具型腔一侧的微小气孔直径约0.1～0.2 mm，深度约为1～4 mm左右；其小孔可采用不锈钢注射针头制作，模具外侧的通气孔直径 3～10 mm 左右，需要进行负压排气时，可将通气孔与负压管道相连，可以实现吹塑模具的快速排气。排气孔的间距在40～120 mm之间选择，其具体尺寸的选择主要是根据吹塑产品的结构形式和表面质量要求来进行，结构复杂和表面质量要求高的产品时选择排气孔的间距小些，反之则可以选择稍大些。在同一副模具上，排气孔的直径和之间的间距应基本一致。

目前模具的微孔加工已经广泛采用激光加工的方法来进行，其孔的精度较容易得到保障。

1.4.2吹胀成型压缩空气的排气处理与噪声控制

目前吹塑机组吹胀气体的排放通常采用直接排放的方法进行，但是对于洁净厂房来说，对厂房内的噪声与洁净度都有严格的要求，因此，对吹胀气体的排放必须采用相关的技术措施，目前主要采用的方法有两种。

（1）安装管道直通厂房外进行直排，可通过安装地下管道的方法来解决。

（2）安装消声器或是消声阀的方式解决噪声问题。

消声器外观图见图14几种小型消声器外观图。

图14 几种小型消声器外观图

消声阀外观图见图15几种消声阀外观图。

图15 几种消声阀外观图

具体消声器与消声阀大小规格的选择应该按照排放气体的容量来选择，一般来说选择容量在实际需要容量的2～3倍较好，这样利于控制排气的噪声。

2.模具尾料槽设计与制品局部增厚技术

模具的尾料槽及产品合缝处的增厚技术，在模具夹坯口（切口）的外边增设尾料槽，其功能可使制品的合缝处局部增厚。

许多工业件的吹塑制品与普通的吹塑制品的使用要求相差较大，工业件的吹塑制品有使用寿命长，强度高，耐冲击，耐环境应力开裂等许多特殊的要求，相对来说，其产品合缝处的要求就更高，近年来的产品合缝处增厚技术就是在多种尾料槽结构上发展起来的。

如图16，吹塑模具切口及尾料槽结构图。

图16 吹塑模具切口及尾料槽结构

如图16所示，其中有四种不同的尾料槽结构，在多家工厂多种模具的实际生产中，图中（4）和（5）结构的尾料槽对制品合缝处的增厚作用较为明显，其中前夹角为30°，后夹角为90°。

其他尺寸需要根据制品的不同选择，制品壁厚较大时，尺寸可以选择大一些。对于一些大型、超大型吹塑制品来说，建议采用（5）对锥式改进型的尾料槽方式，这种形式的尾料槽有明显增强合缝处壁厚的效果，一般增强效果可以达到2倍以上。

吹塑模具夹坯口（切口）推荐尺寸见表3。

表3 夹坯口（切口）尺寸推荐表

对于HDPE吹塑容器，其体积小于200L时，可以近似确定b：

式中b的单位是mm，V（容器容积）的单位是L；对于小瓶（小于100 ml），b可以取0.1～0.3 mm。

3.模具冷却结构与创新

对于几乎所有的挤出成型、注塑成型、中空吹塑成型等方法，生产率很大程度上取决于塑料的加热及冷却的效率。冷却过程中，通过模具带走融熔塑料的热量，使制品冷却定形；在吹塑成型中制品冷却时间占成型周期的 60%～80%，对大型及厚壁制品高达90%。

冷却时间太短会导致产品翘曲及明显的收缩。为了实现吹塑成型高速化，提升吹塑制品的冷却效率是最好的措施，它可缩短成型周期，降低能耗。

然而，冷却系统的作用不仅仅在于提高生产率，好的冷却水系统能提高制品表面质量且使制品饱满。

总而言之，冷却系统的好坏是衡量吹塑模具的重要指标之一。

3.1 冷却结构与创新

吹塑制品的冷却方法可分外冷却、内冷却与后冷却三种。吹塑模具主要冷却系统由外冷却及后冷却组成。

3.1.1 外冷却法

外冷却是指在模具壁内开设冷却系统，通过外壁传热来冷却吹塑制品。在常见的模具壁内开设冷却系统方式是在模壁内纵、横方向钻出冷却孔道，见图17。

图17 钻孔式冷却水通道

这种方式的冷却系统水路可以用机械加工制造，制造简单，方便，成本低。

在孔道内设置的螺旋铜片或是不锈钢螺旋片可使冷却水分为两股螺旋状的冷却水流，增加流体的湍流程度，使冷却水流沿着冷却水孔的外壁进行螺旋线的运动，这样可加快冷却速率，还可减少冷却水道水垢的形成。钻孔式冷却通道易于清理，便于修改。

当有些模具内腔凸台比较高时，热量比较集中，而模具不能做纵、横方向冷却孔道时，可使用冷却棒来使模具冷却。如图18。

图18 冷却棒工作原理图

其中图中：D为冷却棒直径，冷却孔尺寸D1=D+0.1～0.2 mm（方便冷却棒装拆且不易脱落），冷却穴尺寸 D2=D×2（保证热量传导的快速性和稳定性）。

模具冷却棒具有很好的热传递性能，可以将一端的热量迅速传递到另一端，安装冷却棒后，在合适位置上接通冷却水，就实现了一个热转换过程。

在放入冷却棒时，棒上必须涂上专用导热润滑剂，其主要作用：1）耐温使热导性好；2）防锈、润滑，后期装拆方便。冷却棒底部用活动盲栓做堵头，能给以后的维修装拆带来很大的方便。模具冷却棒的产品已经实现专业化生产。模具冷却棒见图19。

图19 模具冷却棒外观图

3.1.2 内冷却法

吹塑制品在冷却中，外壁因与低温模腔接触而被较快冷却，内壁与吹胀空气接触，其传热量很少，故冷却较慢。内、外壁冷却速率的差异可能使制品出现翘曲现象。一种解决方案是在模具内保压时间长一点，让制品完全定型后再取出，这样做整个周期就延长了，影响生产效率。

为此，研究并开发了各种内冷却方法，即把水雾、液态氮气或二氧化碳、制冷空气、循环空气或混合介质注入已吹胀的型坯内部，以快速冷却制品内壁。在内冷却中，最常用的是液态氮气与二氧化碳，因为他们干净，不起化学作用，适用于多种吹塑制品。如图20。

图20 吹塑制品液氮内冷却法示意图

采用内冷却方法来成型吹塑制品，生产效率较高；但是需要控制好内冷却介质的温度，温度太低会在其塑料内部产生应变、内表面出现斑点等缺陷，影响某些尺寸（例如容器颈部尺寸）与容器体积的收缩率。

采用液氮进行吹塑内冷却的方法在挤出吹塑工艺中效果非常明显，它既可以当冷却剂又可以作为吹胀气体使用，可缩短生产周期达50%。缩短周期的时间长短主要取决于吹塑制品的性能，主要与制品的材料，重量，壁厚与形状等有关。

吹塑制品定型保压时间大于20 s时采用液氮吹塑工艺具有较好的经济效益；在一些批量大的吹塑产品及液氮供应方便的地方的吹塑制品生产厂家不妨进行尝试。

采用内冷却方法时，一些特殊制品需要与压缩空气吹塑组合进行，这样可保障制品的良好成型和提高生产效率。

3.1.3 后冷却法

内、外冷却方法均针对处于吹塑模具内的型坯而言的。若在较高温度下，尽快从模具内取出制品，置于后工位进行冷却，可明显缩短吹塑的成型周期，这种工序称为后冷却法。

在脱模时，温度也不能过高，一般可在经过正常冷却时间的一半后开模，以保持制品的形状。图21为大型桶的切边与后冷却过程。

图21 大型吹塑桶的后冷却示意图

该塑料桶冷却系统具有自动取出制品的机构，其在模板开启之前夹持大桶顶部余料，并送至第一工位，在上、下端用被冷却的夹紧套夹持，切去上、下的余料。之后由夹紧套把大桶送至第二工位，这里，中央冷却室及上、下冷却板贴近并包紧大桶，使之冷却。

大桶的桶口朝下，可注入压缩空气（压力最高为 0.3Mpa），并可排出，这样，在大桶内产生了对流传热效应。大桶外壁与冷却室的内壁紧密接触而得到冷却，大桶被冷却后送至输送带。

这种后冷却方法，可减少吹塑制品在模具内定型的时间，能有效地降低生产周期时间，提高生产效率。这种后冷却系统常用于大型塑料桶的生产过程中，一般常用于 100～200L塑料桶的吹塑生产中。

4.防止形成水垢的冷却水设计

制品的好坏绝大数取决于模具是否合理的设计与加工，其中模具冷却系统的优良是一个重要的因素，它的好坏直接影响到模具的寿命、制品的质量及生产效率等等，所以在设计模具时冷却系统务必要考虑周到。

吹塑模具冷却主要是三个方面因素所决定：①冷却水的循环速度，②冷却水的温度，③整个冷却水循环系统的热传导效率。

水具有很好的传热性，是吹塑模具常规采用的主要冷却流体。硬水在引入模具冷却通道前要经软化处理。硬水是指含有较多可溶性、钙镁化合物的水。模具使用一段时间后，硬水在模具管道内受热蒸发后会沉积下硬水垢，这样局部水道可能会堵塞，会降低传热性能。冷却水的软化处理可采用磁化水处理方法。

通常在吹塑模具内部冷却水道中流动的冷却水会使模具温度降低4～20℃左右，如果生产车间内环境温度较高，低温的冷却水会使空气中的湿气在模具表面凝结成为水珠，直接影响吹塑制品表面质量。水汽凝结现象可通过提高冷却水的温度来消除，也可以采用在吹塑机周边环境设置空调的办法来解决，还可以采用热风直接对准模具型腔表面进行吹风的办法解决，具体采用哪种方法解决，需要根据制品厂家的具体情况来考虑。

4.1 常见的模具冷却水道目前主要有三种方式：

（1）模具型腔背面用机械铣切加工冷却水道或型腔背面的壁内铸造出冷却通道，在冷却水槽两端安装进出水的接头，并用密封盖板将冷却水槽密封。

这种形式内部冷却水冷量较大，冷却效率高。密封盖板打开后既可清理冷却水道。在铸造水道时，铝、铜铍合金这类材料具有多孔性，因此在铸造水道时一般要用环氧树脂或硅酸酯浸渍，以防止冷却流体渗入型腔内，这会影响传热性能。图22盖板式冷却水道。

图22 盖板式冷却水道

图23 钻孔式冷却通道

（2）机械钻孔加工冷却水道，如图3-23钻孔式冷却通道。这种方式是在吹塑模具侧壁内钻纵横方向冷却水孔，当大型吹塑模具的冷却水道深度较长时，可采用两头对钻的形式。钻孔时一般钻通，设有进出口若干，其余用止水塞堵住。在孔道内一般设置有螺旋片（铜或不锈钢）可使冷却水形成两股螺旋水流，加强与孔壁的接触，增强湍流现象，提高模具的传热效率。这种方式的冷却水路，冷却效果好，安装拆卸方便（堵头为模具标准件）。当水路内部堵塞后可卸掉堵头，用工具清理内部残留物。

（3）铸造嵌入式冷却水管，如图24铸造嵌入式冷却水道。这种方式是在采用铝合金、锌合金或铸铝材料铸造模具时，将预先制作好的冷却弯管放入模具坯模中，冷却弯道可以设置在离型腔壁比较近的地方，以确保不影响模具后面的机械加工。这种方式冷却液体不会泄漏，但管道不易清理。冷却弯管可以采用铜管，无缝钢管，不锈钢管弯曲成型，从实际使用多年的情况看，以采用厚壁不锈钢管较好。

图24 铸造嵌入式冷却水道

4.2 模温对吹塑工艺的影响

过高的模温会使冷却速率降低及热交换时间变长，不利于熔融料分子结晶，形成晶球且不断成长，会产生大小不一的晶体，使塑件冲击强度降低，导致使用寿命比较短。

过低的模温，当模温低于 4℃时，因受室温及空气湿度影响，模具表面极容易产生热气冷附现象，附着大量水珠，水珠的存在会影响塑件表面的光洁度，且容易使模具生锈腐蚀等现象，（在较为潮湿的南方地区更加明显）所以吹塑模具模温一般控制在10℃左右，可防止产生明显的热气冷附现象。

冷却系统水路有无布置完善，也会导致冷却不均匀使得制品的各部位收缩率有差异，引起制品的翘曲、变形的问题。所以良好的冷却系统对于吹塑成型至关重要，它可使吹塑周期缩短，得到尺寸稳定、收缩变形小的制品，也能延长制品及模具的使用寿命。

4.3 冷却系统几何参数确定

型坯被吹胀与吹塑模具型腔接触后的冷却由三个连续过程组成，制品壁内的传热、模具壁内的导热、冷却流体内的对流传热。这几个因素研究起来比较复杂，在这里我们介绍一下对模具冷却水路设计及几何参数的确定（简易的计算公式）。

所谓模具冷却是指高温料坯由压缩空气吹胀贴合至模具内壁，使料坯温度传至模具内壁，再由模具内的冷却水带走热量。先计算料坯成型前后的所放出的热量Q（kJ/h）：

式中：G——被冷却制品的质量（kg/h）；

Cp——制品原材料比定压热容（kJ/（kg·K）；

Ti——型坯吹胀后与模腔接触时间的起始温度（℃）；

Td——制品取出时的温度（℃）；

λ——结晶塑料的熔融潜热（kJ/kg）。

根据公式算出要带走制品的热量Q，根据要带走的热量可确定冷却流体的流量qv（m3/min）：

式中，T0——冷却流体入口温度（℃）；

T1——冷却流体出口温度（T1≈TM）（℃）；

TM——模具温度（℃）。

由 Q还可以确定冷却系统的传热面积 A（m2）：

式中，h——冷却管道孔壁与冷却水之间的传热膜系数[kJ/（kg·℃）]。

而根据水的流量qv、传热面积A以及参考模具长度，可算得孔直径D（mm）和长度L（mm）：

式中，V——水的流速（m/s）；

n——模具应开设孔数。

表4 常用吹塑料的比定压热容（Cp）与熔融潜热（λ）

4.4 冷却系统设计原则

调节模具温度最常用的方法是冷却水，那么冷却水的效果对吹塑成型加工起决定性的作用。冷却效果通常是指制品冷却成型硬化过程中，在限定的时间内，冷却系统带出热量的多少和模具温度的均匀程度，它主要受以下几点因素影响：

a.冷却通道与型腔区域的距离；

b.冷却通道的直径；

c.冷却水道的长度和设计布局；

d.冷却介质的流动状态及用量；

e.从入口到出口冷却介质的温差，一般入口到出口的冷却介质的温差，以不超过5℃为宜。

f.模具材料的传热性能。

为提高冷却系统的效率和使型腔表面温度分布均匀，在冷却系统设计中应遵循如下原则：

（1）冷却系统的布置应先于排气系统以及脱模机构。

如若设计中，冷却系统未能引起设计者的重视，往往先设计脱模机构与排气系统，再设计冷却系统，然而这样会使得没有足够的空间来布局较为良好的冷却系统，使得冷却未能取得良好的冷却效果。

冷却回路设计应与排气系统、脱模机构相互协调，以获得良好的冷却效果。

（2）合理地确定冷却管道的直径中心距以及与型腔壁的距离。

冷却管道的直径与间距直接影响模具温度的分布。如图25所示，图a所布置的冷却管道间距合理，保证型腔表面温度分布均匀；而图b设计的冷却管道直径太小，间距太大，所以型腔表面温度变化很大。冷却管道与型腔壁的距离太大，会使冷却效果下降；而距离太小，也会造成冷却不均。

图25 型腔表面温度变化

通常，冷却孔道的直径一般要取10～15 mm，对大型模具可达30 mm。孔径较大时要求冷却流体有较高的流率，即要求配置大功率的泵送装置，两相邻孔道之间的中心距为孔径的3～5倍，孔壁与模腔之间的距离为孔径的1～2倍，以均匀、充分地冷却制品。

（3）降低进出水的温度差。

冷却水两端进、出水温度较小，则有利于型腔表面温度分布。通常可通过改变冷却管道的排列形式来降低进、出水的温差，同时可以减短冷却回路的长度。如图3-26所示的大型模具，采用图a的排列形式比采用图b所示的排列形式好。一般表面质量较高的模具进出水温差应在 2℃以内，普通模具不应超过5℃。

图26 冷却管道排列

（4）冷却管道应便于加工及清理。

为便于加工和操作，进出水管接头应尽量设在模具同一侧，在通水时要遵循低进高出的原则，同时冷却水管接头处应密封，以免漏水。

5.模具的精确控温技术

质量优良的塑料制品应满足六个方面要求：收缩率小、变形小、尺寸稳定、冲击强度高、耐应力开裂性好和表面光洁。

吹塑模具的温度对以上要求有着较大影响。一般来说，模具温度分布应该均匀，使制品在成型过程中得到均匀冷却。模具温度过高，延长冷却时间，降低生产效率，而且在冷却过程中，制品会发生较大的成型收缩，影响制品的尺寸精度和形状；模具温度太低，会使型坯在夹坯口处的料坯温度下降过快，会使合缝线处粘合不结实，且会阻碍型坯的吹胀成型，还会导致制品表面出现斑纹、表面粗糙度升高、光亮度变差；还可能出现应力集中现象。

通常情况下，吹塑模具的冷却温度都会低些，一般在10～30℃之间。但是在吹塑一些表面质量要求较高的制品时，为了提高表面粗糙度，可以对模具冷却水温度实行精确控制的办法来达到相关的质量要求。

对模具进行控温，可以在模具进出水的主要管道上设置电磁阀、温度传感器，并设置独立的温度控制仪。模具的温度一般设置较高，具体参数需要根据制品和塑料类型而定。采用循环水作为模具的温度控制介质时，温度控制范围在40～90℃之间。目前已有模温机采用水来进行控温。对工程塑料吹塑模具，采用传热油等流体或电加热来提供所要求的较高温度。

比如，PC纯净水桶的成型模具，通常采用模温机控制循环高温油的办法来控制模具成型时的温度，模具温度一般控制在60～85℃。

吹塑模具的温度设定要保证：

a.根据塑料于产品的特征，确定温度调节系统是采用加热方法还是冷却方法；

b.尽量使模温均匀，制品各部位同时冷却，以保证制品的性能和尺寸稳定性，提高制品质量和生产率；

c.温度调节系统要尽量做到结构简单、加工容易、成本低廉；

d.一般采用低模温，大流量、快速通水冷却的效果比较好。

图27 两种模温机外观图

总而言之，温度调节（冷却或加热）即关系到制品的质量（包括制品的力学性能、尺寸精度和表面质量等），有关系到生产率。因此必须根据要求使模具温度控制在一个合理的范围内，以得到高品质的制品和高速的生产率。

两种模温机的外观图见27。

6.模具材料的选用与热处理

吹塑模具可使用的材料主要有：铸铁、钢、不锈钢、铝、铍铜合金、锌、高分子材料等多种材料。在实际使用中，高分子材料一般是作为试验用吹塑模具，铸铁模具一般用于手动铰链式模具以及小批量的产品，大批量生产时通常不采用。

6.1 吹塑模具材料的选用

（1）铝合金材料

铝材制作的吹塑模具有重量轻、传热快、铝合金材料的导热性能高，机械加工性能好，比重小，密度低，制作的模具重量较轻；但是，硬度较低，容易磨损，损坏后焊接性能不好，材料价格较高，此外采用铝合金直接成型冷却水道时对冷却水的质量要求较高，螺纹的联接强度也相对较弱。

大型吹塑模具采用铝合金或铸铝制作时，一般都是采用铸造的方法来制造的，模具的冷却水道采用无缝钢管或是不锈钢管制作成盘管安置在模具的内部，然后将铝合金材料或是铸铝材料融化后与冷却水管一起浇铸成模具坯模，经过机械加工后即成型为所需要的模具。在模具的夹坯口（切口）部位、导向套、螺纹等部件的材料多数采用钢材制成，以确保模具的耐用和维修的方便。

铝合金材料在吹塑模具中得到了比较普遍的采用，国内多数 200L系列塑料桶的模具几乎都是采用铝合金材料制作的。

（2）结构钢材料

通常情况下，如果吹塑制品的批量较大，生产的时间较长，以及考虑到模具切口需要较高的强度和硬度，模具材料选用结构钢效果较好。尽管其传热性能不如铝合金、锌合金材料以及铍铜合金，但如果采用较好的冷却水道的结构设计可以有效的改善传热状况。

① 低碳钢

在吹塑模具的制作中，采用低碳钢材料来制作模具的也较多。尤其是采用低碳钢制作模具的型腔部分和冷却水道部分，对于加工模具的设备能力较差的情况来说，具有其独特的优势。低碳钢的焊接性能较好，利于进行焊接加工。

通常情况下，由于一些大型、超大型吹塑模具的体积较大，需要进行加工的冷却水道比较深长，采用钻孔加工的方法比较难以成型，可以采用低碳钢板进行叠层焊接的方式来成型冷却水道，甚至成型型腔；对于要求模具精度不是太高的产品来说是可以达到相关技术要求的。同时，由于计算机设计与制造技术的快速发展，近年来在模具叠层加工技术方面，国内外均有较快的技术进步，目前也是吹塑模具加工技术的发展方向之一。

采用低碳钢加工的吹塑模具，也可以在渗碳（渗氮）技术上对模具的表面进行处理，对经过使用了一段时间的低碳钢模具，也可以进行渗碳（渗氮）处理可延长模具的使用寿命。

② 中碳钢或中碳合金钢

中碳钢在各类吹塑模具当中也使用较多，通常直接用来成型模具型腔，模具底板等模具部件，对于可以直接采用机械加工方法成型冷却水道的吹塑模具，适合采用中碳钢或是中碳合金钢来直接制作。近年来大型吹塑模具采用数控加工的方法更加普遍，因此，采用中碳钢和中碳合金钢制作模具也就更多了。

③ 高碳钢或高碳合金钢

高碳钢或高碳合金钢通常用来制作吹塑模具的导向套及导向柱，以及一些特殊耐磨零部件等。

（3）不锈钢材料

不锈钢材料在一些表面质量要求较高，批量较大的中小型吹塑制品的模具上有较多的采用，由于不锈钢材料制作的模具型腔尺寸稳定性好，表面光洁度高，耐腐蚀性能好，对于成型表面质量高，批量大的产品有其独特的优势。

（4）铍铜合金材料

铍铜合金材料具有优良的综合性能，特别适合于制作中小型吹塑制品而批量大的产品的吹塑模具。目前在铝合金吹塑模具中多采用它制作切坯口崁件，具有较好的效果。

铍铜合金一般含有2.75%的铍和0.5%的钴，其余成分主要是铜。改变合金中铍含量的不同，可以使其具有不同的强度、硬度、导热性、耐腐蚀和耐磨性。

铍铜合金可制作一些工程塑料、PVC塑料的吹塑模具，这种材料制作的模具冷却水道不容易结垢，可以有效改善模具长期使用后的冷却性能。

铍铜合金可以采用机械加工、浇铸、热挤压等方法成型，含铍 1.7%的铍铜合金适宜进行浇铸，嵌件可以选用含铍2.0%的铍铜合金。

铍铜合金浇铸模经过机械加工以后，一般需要进行溶液退火，以便进一步抛光，抛光后可以在较低的温度下进行硬化，可达到40HRC；并具有长期的耐磨性。

铍铜合金浇铸时也可以嵌入冷却水管道，但是目前铍铜合金的材料价格相对最高。

（未完待续，下转本刊2021年第四期）