Технологическая оснастка в производстве профильных изделий

В. П. Володин

Технологическая оснастка 

в производстве 

профильных изделий

Санкт-Петербург

2021

©ЭБС «Химия», 2022 © ЦОП «Профессия», 2009–2022. Все права защищены. www.epcprof.ru 

В68

УДК  678.01.53
ББК 35.710
          В68

В. П. Володин 

Технологическая оснастка в производстве профильных изделий. — СПб. : 

ЦОП «Профессия», 2021. — 520 с.

ISBN 978-5-91884-124-2

Рассмотрены основные типы экструзионных головок и их конструкции с учетом особенностей 
заданной геометрии профиля, используемого материала и технологии. Приведены 
расчеты для конструирования головок на основе их назначения и реологических 
принципов конструирования.  Проанализированы современные методы проектирования 
технологической оснастки по системе CAD-CAE-CAM, включая компьютерные и численные 
методы.

Описаны методы охлаждения и калибрования пластмассовых изделий, типовые конструкции 
калибраторов, их установка и размещение, моделирование процессов калибрования. 
Даны практические рекомендации по решению технологических проблем при 
охлаждении и калибровании, влияющих на качество готовых изделий. Многочисленные 
примеры, карта разработки технологического процесса, полезные расчеты и данные помогут 
использовать обширный материал книги в практике современных производств.

Книга предназначена для специалистов по экструзии профильных изделий и ее технологической 
оснастки, технологов, инженеров, конструкторов, поставщиков специальных 
программных продуктов, студентов и преподавателей профильных вузов.

УДК 678.01.53 

ББК 35.710 

Все права защищены. Никакая часть данной книги не может быть воспроизведена 

в какой бы то ни было форме без письменного разрешения владельцев  

авторских прав.

Информация, содержащаяся в данной книге, получена из источников, 

рассматриваемых издательством как надежные. Тем не менее, имея в виду 
возможные человеческие или технические ошибки, издательство не может 

гарантировать абсолютную точность и полноту приводимых сведений и не несет 

ответственности за возможные ошибки, связанные с использованием книги.

ISBN 978-5-91884-124-2 
 
© В. П. Володин, 2021

 
 
 
 
 
© ЦОП «Професссия», 2021 

 
 
 
 
 
© Оформление: ЦОП «Професссия», 2021

©ЭБС «Химия», 2022 © ЦОП «Профессия», 2009–2022. Все права защищены. www.epcprof.ru 

Оглавление

Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
6

Глава 1. Экструзионные головки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
9

1.1. Особенности формования погонажных изделий из металлов, керамики, 
пищевых продуктов и пластмасс . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
9

Введение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
9

1.1.1. Формование изделий из твердых материалов прессованием 
(экструзией). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
9

1.1.2. Формование изделий из вязкопластичных материалов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
15

1.1.3. Формование профилей из реактопластов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
21

1.1.4. Формование профильных изделий из термопластов в вязкотекучем 
состоянии. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
22

1.2. Типы экструзионных головок для производства профильных изделий. . . . . . . . . . . .  
23

1.2.1.1. Классификация и назначение экструзионных головок . . . . . . . . . . . . . . . .  
23

1.2.1.2. Характеристика работы экструдера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
29

1.2.2. Прямоточные головки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
32

1.2.3. Угловые и офсетные головки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
35

1.2.3.1. Головки для изготовления многослойных изделий соэкструзией . . . . . . .  
35

1.2.3.2. Головки для нанесения покрытий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
38

1.2.3.3. Головки для изготовления армированных профилей . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
43

1.2.4. Головки для изготовления изделий из вспенивающихся и наполненных  
материалов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
43

1.2.5. Головки для формования массивных профилей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
53

1.2.6. Головки для экструзии материалов с очень высокой вязкостью . . . . . . . . . . . . .  
53

1.3. Конструкции головок и компоновка деталей. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
56

1.3.1. Крепление головок к цилиндру экструдера. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
56

1.3.1.1. Разъемные хомуты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
58

1.3.1.2. Фланцевое соединение с откидными болтами. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
60

1.3.2. Основные детали ЭГ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
62

1.3.2.1. Адаптеры, переходные втулки и решетки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
62

1.3.2.2. Корпус и переходные детали. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
65

1.3.2.3. Дорнодержатели (для полых и камерных изделий). . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
68

1.3.2.4. Формующий инструмент. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
70

1.3.3. Нагревательные элементы и датчики температуры и давления расплава  . . . . .  
74

1.3.3.1. Типы, расположение и крепление нагревателей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
75

1.3.3.2. Конструкции датчиков и их установка в головке . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
77

1.4. Расчет и конструирование экструзионных головок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
79

1.4.1. Общие реологические принципы конструирования экструзионных головок . . .  
80

1.4.1.1. Задачи и проблемы конструирования  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
81

1.4.1.2. Течение расплава в каналах экструзионных головок . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
85

1.4.1.3. Типы каналов головок и их рациональная геометрия. . . . . . . . . . . . . . . . . .  
92

1.4.1.4. Размеры формующих каналов для некалибруемых профилей . . . . . . . . . . .  
105

©ЭБС «Химия», 2022 © ЦОП «Профессия», 2009–2022. Все права защищены. www.epcprof.ru 

Оглавление

1.4.1.5. Размеры формующих каналов при экструзии с калиброванием . . . . . . .  
106

1.4.2.1. Обеспечение сбалансированного течения на выходе из формующего 
канала. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
107

1.4.2.2. Упрощенные способы достижения сбалансирования течения  . . . . . . . . .  
112

1.4.2.3. Падение давления в экструзионной головке . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
133

1.4.3. Конструирование экструзионных головок разных типов . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
141

1.4.3.1. Прямоточные головки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
141

1.4.3.2. Головки для соэкструзии полимерных материалов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
157

1.4.3.3. Головки для изготовления профилей из наполненных полимеров 
и вспенивающихся материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
159

1.4.3.4. Угловые головки для изготовления дублированных и армированных 
профилей  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
161

1.4.3.5. Головки для производства массивных профилей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
161

1.5. Современные методы разработки технологической оснастки . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
162

1.5.1. Общие принципы компьютерной динамики течения (CFD). . . . . . . . . . . . . . . .  
162

1.5.2. Программы компьютерного моделирования экструзионных головок . . . . . . . .  
165

1.5.2.1. Общие сведения о системах CAD-CAE-CAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
166

1.5.2.2. Принципы компьютерного моделирования экструзионных головок . . . .  
168

1.5.2.3. «Сквозное проектирование» (Системы CAD-CAE-CAM). . . . . . . . . . . . . .  
190

1.5.3. Упрощенные методы численного моделирования ЭГ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
202

1.5.3.1. Расчет размеров формующего канала экструзионных головок. . . . . . . . . .  
204

1.5.3.2. Примеры расчета и конструирования ЭГ и калибраторов. . . . . . . . . . . . . .  
210

Литература к главе 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
257

Глава 2. Калибрование и охлаждение профильных изделий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
268

2.1. Основные методы охлаждения и калибрования пластмассовых профилей . . . . . . . .  
268

Введение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
268

2.1.1. Свободная неизотермическая вытяжка (охлаждение на воздухе) . . . . . . . . . . . .  
269

2.1.1.1. Свободная и принудительная конвекция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
270

2.1.1.2. Экспериментальные методы измерения температуры движущегося 
экструдата . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
274

2.1.1.3. Высокоэластическая деформация при свободной неизотермической 
вытяжке экструдата . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
276

2.1.2. Охлаждение водой . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
281

2.1.2.1. Охлаждение профилей погружением в водяную ванну . . . . . . . . . . . . . . . .  
281

2.1.2.2. Охлаждение профилей разбрызгиванием воды из форсунок . . . . . . . . . . .  
282

2.1.3. Контактное охлаждение с охлаждаемой поверхностью. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
285

2.1.3.1. Вакуумные калибраторы и охлаждаемые валки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
285

2.2. Современные конструкции калибрующих устройств  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
289

2.2.1. Типовые конструкции калибрующих устройств  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
289

2.2.1.1. Калибрующие втулки и пластины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
293

2.2.1.2. Длинномерные вакуумные калибраторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
297

2.2.1.3. Калибровочные ролики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
302

2.2.2. Размещение, установка, крепление калибраторов. Подключение вакуум-
насосов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
303

2.2.2.1. Вакуумные зоны калибратора и регулирование вакуума . . . . . . . . . . . . . . .  
304

©ЭБС «Химия», 2022 © ЦОП «Профессия», 2009–2022. Все права защищены. www.epcprof.ru 

Оглавление

2.2.2.2. Принцип работы водокольцевых вакуумных насосов . . . . . . . . . . . . . . . . .  
308

2.2.3. Изготовление деталей калибраторов, их сборка и испытание . . . . . . . . . . . . . . .  
310

2.3. Взаимосвязь размеров изделия, калибратора и фильеры при формовании . . . . . . . .  
314

2.3.1. Свободная неизотермическая вытяжка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
314

2.3.1.1. Охлаждение экструдата на воздухе  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
316

2.3.1.2. Охлаждение в воде . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
333

2.3.1.3. Контактное калибрование и охлаждение экструдата . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
335

2.3.2.2. Калибрование и охлаждение профилей и труб . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
345

2.3.2.3. Калибрование и охлаждение толстостенных и массивных профилей  . . .  
380

2.4. Время охлаждения профиля и технологические размеры калибраторов  . . . . . . . . . .  
431

2.4.1. Термическая усадка и технологические размеры калибратора  . . . . . . . . . . . . . .  
431

2.4.2. Время пребывания расплава в калибраторе и формирования несущего слоя . .  
443

2.4.3. Инженерное моделирование процессов контактного калибрования 
и охлаждения  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
447

2.4.4. Инженерное моделирование процессов контактного калибрования 
и охлаждения  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
455

2.5. Технологические проблемы калибрования и охлаждения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
468

2.5.1. Влияние калибрования на качество изделия. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
468

2.5.1.1. Внешний вид и размерная точность профилей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
468

2.5.2. Влияние степени вытяжки на физико-механические свойства экструдируемых 
изделий  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
476

2.5.3. Калибрование и охлаждение кабель-каналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
479

Литература к главе 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
484

Приложения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
490

П1. Порядок разработки технологического процесса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
490

П2. Стандартные заготовки и детали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
505

П3. Реологические свойства некоторых зарубежных термопластов . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
506

П4.1. Методы испытаний полимерных материалов  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
515

П4.2. Методы испытаний пластмаcc (Группа Л29) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
516

П5. Единицы измерений основных технических величин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
518

П6. Сокращения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
519

©ЭБС «Химия», 2022 © ЦОП «Профессия», 2009–2022. Все права защищены. www.epcprof.ru 

предислОвие

В настоящей книге основное внимание уделяется формообразующей оснастке, с помощью 

которой производятся изделия сложной формы (профильные изделия), широких диапазонов 
размеров со свойствами, определяемыми условиями эксплуатации профилей. 

При непрерывной экструзии формования полимерных изделий из расплава к технологи-

ческой оснастке относят экструзионные головки с формующим инструментом (фильеры) и 
охлаждающе-калибрующий инструмент с устройствами для охлаждения пластичных заготовок 
и дополнительных устройств для получения профилей с необходимыми свойствами (нанесение 
текстуры, пробивка отверстий для крепления, дублирование с некоторыми материалами и пр.). 

Книга состоит из двух глав (первая — «Экструзионные головки», вторая — «Охлаждение и 

калибрование профильных изделий») и приложений, в которых приводятся некоторые полезные 
сведения по полимерным материалам, используемые для расчета и конструирования формую-
щего и калибрующе-охлаждающих устройств на выбранном экструзионном оборудовании при 
планируемой производительности.

Конструкции экструзионных головок и их деталей, особенности и некоторые методы расчета 

приводятся в книге В. Микаэли «Экструзионные головки для пластмасс и резины», 3-е изда-
ние которой переведено на русский язык и опубликовано в 2007 г. в издательстве «Профессия» 
(Санкт-Петербург). 

В настоящей книге автор использовал техническую литературу по многим разделам, кото-

рые недостаточно описаны в приведенной выше книге или подход к конструированию головок 
отличается от позиции автора. Описание конструкций головок и их деталей приводится в срав-
нении с формующими головками для формования профилей из металлов и других пластичных 
материалов (например, керамики, теста и др.). 

Конструирование технологической оснастки определяется назначением и условиями работы 

пластмассового профиля в составе некоторого технологического узла или самостоятельно. Это 
требует решения ряда проблем. К ним относятся размеры формующего канала на выходе (при 
которых можно получить необходимые размеры конечного профиля); равномерность выдав-
ливания расплава по поперечному сечению фильеры (обеспечивают минимальное искажение 
экструдата на выходе). Для нетермостабильных материалов рекомендуется поддерживать ми-
нимальное время пребывания расплава в головке, небольшие углы образующих поверхностей 
каналов переменного сечения, соблюдать отсутствие застойных зон. Однако малые углы на-
клона образующих каналов (не выше 30°) предполагает увеличение их длины, что способствует 
продолжительности пребывания расплава в головке. На практике головки для изготовления 
профилей из нетермостабильных композиций НПВХ имеют сравнительно небольшую длину. 
Это достигается выбором типоразмера экструдера и повышенным соотношением площадей на 
выходе из дорнодержателя и выхода из формующего канала. В головках для получения полых 
изделий (например, напорных труб) большое соотношение площадей (до 40) предполагает 
улучшение качества расплава путем надежного сваривания разделенных потоков в спицах дор-
нодержателей. Однако при этом развиваются повышенные обратимые деформации, которые 
вызывают дополнительные искажения экструдата на выходе из головки. Поэтому конструкцию 
головки приходится оптимизировать в зависимости от требований к изделию и условиям его 
эксплуатации.

Первая глава содержит 5 основных разделов и перечень использованной литературы. Она 

касается конструирования экструзионных головок как основного формообразователя загото-
вок для последующей вытяжки, калибрования с последующим охлаждением при получении 

©ЭБС «Химия», 2022 © ЦОП «Профессия», 2009–2022. Все права защищены. www.epcprof.ru 

еилвие

конечной продукции. Рассмотрены реологические принципы конструирования и основные 
типы экструзионных головок, детали головки и их компоновка в зависимости от используемой 
технологической схемы изготовления профильного изделия. Приводятся расчеты размеров 
формующего канала с учетом разбухания, последующей вытяжки и калибрования экструдата. 
Предлагаемая методика расчета размеров формующего канала головки основана на практических 
исследованиях трехмерного деформирования экструдатов разной формы и размеров за пределами 
головки, в результате которых установлены характеристики эластических свойств ряда полимер-
ных материалов и взаимосвязь главных деформаций. По сравнению с эмпирическими данными, 
используемыми до настоящего времени за рубежом и в отечественной практике, предлагаемая 
методика позволяет более точно определить необходимые геометрические и реологические 
параметры процесса формования изделия и оценить их влияние на показатели качества. 

Повышенное внимание уделяется коммерческим программам компьютерного модели-

рования течения расплава в каналах экструзионных головок, позволяющим сократить время 
проектирования и доводки технологической оснастки по сравнению с традиционными мето-
дами. В этой части рассмотрены основные принципы динамики компьютерного моделирова-
ния (CFD), его достоинства и недостатки. Отмечается, что для экструзии профилей сложной 
геометрии еще не всегда можно использовать сложные математические модели. Рассмотрены 
альтернативные упрощенные методы расчета и профилирования каналов для некоторых типов 
профильных изделий, разработанных автором, а также вопросы «сквозного» проектирования 
оснастки, включающей системы CAD-CAE-CAM, позволяющего ускорить изготовление деталей 
с помощью станков с числовым программным управлением.

Во второй главе анализируются методы охлаждения и механического воздействия на расплав 
при непрерывном получении конкретных изделий. Проводится анализ изменения текущих 
размеров экструдата при различных схемах деформации и изменения теплофизических свойств 
полимерных материалов в зависимости от температуры. Рассмотрены основные типы и конструкции 
калибраторов, способы их установки и регулирования положения относительно фильеры 
экструзионной головки. Анализируются основные варианты деформирования экструдата на 
входе в калибратор и охлаждения в основном канале калибрующего устройства, приводится расчет 
текущих размеров экструдата, влияющий на определение длины калибратора при различных 
схемах формования и скоростях экструзии и положение калибратора по отношению к головке.

Деформационные и теплофизические процессы формования изделия в калибраторе рассматриваются 
при переменных размерах экструдата в зоне входа в калибратор и приблизительно 
постоянных в самом калибрующем устройстве. Исследования в этой области практически 
отсутствуют. Конструкция зоны входа в калибратор и ее протяженность определяют интенсивность 
деформирования расплава и качество формуемого изделия. Анализируются источники 
возникновения дефектов экструзии и влияние технологических параметров процесса калибрования 
на качество конечного изделия.

Основная проблема равномерного выдавливания расплава из формующей щели головки 

при экструзии профилей сложной геометрии описана на основе имеющихся публикаций. Несмотря 
на обилие публикаций по этой проблеме всеобъемлющего инженерного решения еще 
не предложено, кроме сложной сеточной методики течения (использование принципов CFD), 
с некоторыми упрощающими положениями.

Приводятся примеры расчета и конструирования технологической оснастки для некоторых 

типов профильных изделий, в которых использованы результаты исследования автора.       

Володин Валентин Петрович, 

канд. техн. наук

©ЭБС «Химия», 2022 © ЦОП «Профессия», 2009–2022. Все права защищены. www.epcprof.ru 

Автор выражает искреннюю и глубокую благодарность всем, кто при-

вил ему любовь к творческим исследованиям в области технологии пере-
работки пластмасс. Особая благодарность Розенфельду Владимиру Ильичу. 
Он первый привлек меня к научным исследованиям; Блюменталю Мирону 
Григорьевичу, с которым автор сотрудничал несколько лет при производстве 
листовых материалов; Глухову Евгению Емельяновичу — научному консуль-
танту моей диссертационной работы; Коновалову Владиславу Сергеевичу, 
который со своими сотрудниками оказал мне большую помощь в изго-
товлении экспериментальной оснастки для проведения исследований; 
моему другу Грузнову Александру Георгиевичу и его отцу Георгию Федоровичу, 
оказавшими большую помощь в подготовке и оформлении диссертаци-
онной работы; Акутину Модесту Сергеевичу, оказавшему помощь при 
подготовке работы к защите; сотрудникам отдела, в котором автор работал 
до и после защиты диссертации (Шапиро Григорию Израильичу, Даниленко 
Лидии Федоровне, Гвоздеву Игорю Васильевичу, Быхову Виктору Наумовичу 
и другим), моей супруге Володиной Ирине Александровне при подготовке и 
оформлении материалов к защите диссертации.

Неоценимую помощь в подготовке этой книги оказал Барвинский Игорь 

Анатольевич, который помог мне в поиске зарубежной и отечественной 
литературы.

Автор благодарен руководству издательства ЦОП «Профессия» (Огаю 

Александру Иннокентьевичу) за терпение и такт в задержке сроков сдачи 
рукописи. 

Автор просит извинить его, если кого-либо забыл упомянуть среди тех, 

кто оказывал ему посильную помощь при подготовке настоящих книг.

 

©ЭБС «Химия», 2022 © ЦОП «Профессия», 2009–2022. Все права защищены. www.epcprof.ru 

Глава 1. Экструзионные Головки

1.1. ОсОбеннОсти фОрмОвания  
пОгОнажных изделий из металлОв, керамики,
пищевых прОдуктОв и пластмасс

Введение

Экструзионные головки как часть экструзионного оборудования для фор-

мования полимерных изделий из расплава уже рассматривались в книге [236, 
глава 1], а в книге [237, глава 1] были изложены принципы формования изделий 
из расплава. Однако профильные изделия производят не только из термопластов, 
но и из других материалов: металлов, керамики, пищевых масс, реакто- и термо-
пластов, стеклопластиков, находящихся в твердом состоянии. Производство 
профилей из материалов указанных типов имеет свои особенности, но также и 
общие черты с формованием термопластов из расплава. Для того чтобы лучше 
понимать принципы конструирования экструзионных головок, с помощью кото-
рых осуществляется производство различных погонажных изделий из расплавов 
термопластичных материалов, целесообразно сравнить особенности изготовления 
профилей из различных материалов, понять общие и отличительные черты тех-
нологических процессов.

1.1.1. Формование изделий из твердых материалов прессованием 
(экструзией)

В основе формования изделий из твердых материалов (металлов, твердых 

пластмасс) лежат деформационные процессы, которые изучает реология — наука 
о деформациях и течении сплошных сред, проявляющих упругие, пластические и 
вязкие свойства в различных сочетаниях. Упругие деформации возникают в теле 
при приложении нагрузки и исчезают, если нагрузки снять. Пластические (необра-
тимые) деформации развиваются только в том случае, когда вызванные нагрузкой 
напряжения превышают критическое значение (предел текучести); после снятия 
нагрузки они сохраняются. 

©ЭБС «Химия», 2022 © ЦОП «Профессия», 2009–2022. Все права защищены. www.epcprof.ru 

лаваиннеглви

Формование длинномерных (погонажных) изделий из этих материалов про-

изводится прессованием (экструзией). Деформационные процессы при обработ-
ке металлов в пластическом состоянии рассматриваются в разделе «Обработка 
металлов давлением» (ОМД). В нем также рассматриваются и другие способы 
формования, при которых происходит формоизменение материалов: прокатка, 
волочение, штамповка.

Подобный раздел, относящийся к твердым пластмассам, называется «Фор-

мованием в твердой фазе» (ФТФ). Следует оговориться, что этот термин чаще 
используется в отечественной технической литературе, тогда как в зарубежной 
литературе специального разделения для обработки давлением твердых металлов 
и пластмасс нет, а существует общий термин extrusion. 

Формование погонажных изделий из металлов и твердых пластмасс осущест-

вляется с помощью формующих (экструзионных) головок, через которые под 
давлением продавливаются упомянутые материалы. По механике процесса произ-
водство изделий из твердых материалов во многом сходно, но имеются и различия. 

Экструзию изделий из твердых материалов производят из заготовок определен-

ного поперечного сечения и длины. Поэтому такой процесс формования в общем 
случае периодический. Существуют различные технические решения, позволяю-
щие создать квазинепрерывный процесс. Например, для формования профилей 
из сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ), имеющего очень высокую 
вязкость и не перерабатывающегося переводом материала в расплав, в некоторых 
случаях прессование осуществляют на двухплунжерной машине. Непрерывность 
формования достигается периодическим подключением второго плунжера после 
завершения формования на первой машине. При этом в каждом цилиндре остается 
пресс-остаток, который удаляется во время паузы и заменяется новой заготовкой.

В ОМД прессованием называют процесс придания обрабатываемому твердо-

му материалу (металлу) заданной формы путем выдавливания его из замкнутого 
объема через канал, образуемый прессовым инструментом [1]. Основным видом 
напряженного состояния деформируемого материала в пластической зоне явля-
ется всестороннее неравномерное сжатие. Некоторые участки обрабатываемого 
объема материала, примыкающего к открытому выходу, имеют вид напряженного 
состояния с растягивающими главными нормальными напряжениями. Тем не 
менее, при прессовании создаются наиболее благоприятные условия нагружения 
материалов, чем при других видах ОМД. То есть при таких условиях пластичность 
материала проявляется в наибольшей мере по сравнению, например, с волочением 
или прокаткой металлов.

При прессовании деформированное состояние твердого материала (в частности, 

металла) в пластической зоне определяется двумя деформациями укорочения и од-
ной деформацией удлинения. Удлинение в большей части пластической зоны, где 
наблюдается всестороннее сжатие, пассивно, так как происходит без приложения 
растягивающих сил в направлении удлинения.

Силовое воздействие на прессуемую заготовку осуществляется через прессовый 

инструмент (плунжер), который перемещает и деформирует заготовку благодаря 
наличию ограниченного выхода из пластической зоны. Этот метод называют механическим 
прессованием. Возможно также воздействие на заготовку жидкости 

©ЭБС «Химия», 2022 © ЦОП «Профессия», 2009–2022. Все права защищены. www.epcprof.ru 

Оенниванигнаниелииеаллвеаиииеввпод высоким давлением. Такой метод прессования материала называется гидро-
прессованием [1, 2].

Прессование металлов (и многих других твердых пластичных материалов) осуществляется 
при повышенных температурах, позволяющих уменьшить их сопротивление 
деформации. Под этим термином понимают сокращенное название основной 
прочностной характеристики материала в пластически деформированном 
состоянии (максимальное касательное напряжение). Металлы характеризуются 
также вязкостью (или пластичностью), которая представляет свойство металла 
необратимо деформироваться без разрушения при одноосном растяжении, зависящее 
только от физического состояния тела. При высокой температуре можно 
заставить течь любой материал. То есть материалы характеризуются также свой-
ством пластичности. В таком случае мерой вязкости (или пластичности) является 
максимальное удлинение (или сужение поперечных размеров) деформируемого 
объема материала. Наиболее распространено горячее прессование металлов. 
При низких температурах (при температурах ниже температуры кристаллизации) 
прессуют материалы с невысоким сопротивлением деформации. В связи с раз-
работкой в 1970-х годах высокопрочных инструментальных сплавов и созданием 
специального прессового оборудования возросла роль прессования некоторых 
материалов и сплавов без нагрева заготовки. Процесс прессования металлов имеет 
много разновидностей, основные характеристики которых приведены в книге [1].

В кристаллических твердых телах основной вид деформирования — скольжение. 

При достаточно высоких напряжениях возникает пластическое течение, появля-
ющееся под действием касательных напряжений, превосходящих определенное 
критическое значение (предел текучести), и прекращается, когда напряжения 
опять становятся меньше предела текучести. 

Прессование может осуществляться без смазки или с внешней смазкой. На 

рис. 1.1 показан пример искажения первоначальной сетки, нанесенной на ме-
таллическую заготовку, в процессе ее прессования через пресс-матрицу (фильеру) 
без смазки.

рис. 1.1. Поле скоростей при течении вязкопластичного твердого материала  

через пресс-матрицу без смазки [3] 

Выход материала

Головка

Течение материала от 
действий 
внешней силы

©ЭБС «Химия», 2022 © ЦОП «Профессия», 2009–2022. Все права защищены. www.epcprof.ru 

лаваиннеглви

Сильное трение по поверхности контакта материала с пресс-инструментом 

и возможность его прилипания к стенкам вызывает значительную неравномер-
ность деформации периферийных слоев и искажение сетки.

Прессование со смазкой (рис. 1.2) позволяет обеспечить достаточно равномер-

ную деформацию металла по сечению за счет ускорения течения периферийных 
слоев по сравнению со слоями, находящимися ближе к оси экструзии.

Основные закономерности теории прессования основываются на взаимо-

связи между перемещениями и деформированным и напряженным состояниями 
прессуемого металла по всему его объему. Для изучения деформаций применяют 
различные экспериментальные и в простейших случаях аналитические методы 
исследования. Нанесение сетки на заготовку — один из таких методов. Теоретические 
основы прессования металлов приводятся в книгах [1, 3, 4].

Основные общие черты и различия в процессах экструзии металлов и некоторых 

других твердых материалов и пластмасс формованием из расплава рассматриваются 
в следующих разделах главы 1 настоящей книги при описании конструкций 
экструзионных головок, их расчете и эксплуатации.

Основные преимущества и недостатки прессования в твердом состоянии
Преимущества и недостатки процесса формования материалов в твердом состоянии 
могут быть установлены путем сравнения с конкурирующими процессами 
формования: прокаткой, волочением, формованием полимеров в твердой фазе 
(ФТФ) и др.

Пластичность материала
При прокатке и волочении металлов на многих участках пластической зоны 

возникают большие растягивающие напряжения, понижающие пластичность обрабатываемого 
материала. Это касается и полимерных материалов, которые при 

рис. 1.2. Геометрия конической деформационной зоны головки  

при прямой холодной экструзии металла со смазкой [3]

De

Da

a
S

2/3 L0

L0

P

x = x0

©ЭБС «Химия», 2022 © ЦОП «Профессия», 2009–2022. Все права защищены. www.epcprof.ru 

Оенниванигнаниелииеаллвеаиииевврастяжении сильно ориентируются и упрочняются, что приводит к повышению 
жесткости материала и снижению его пластичности. Процесс прессования не имеет 
таких недостатков. Прессованием могут обрабатываться любые металлы. Степени 
вытяжки (изменение площади поперечного сечения заготовки от входа в деформационную 
зону до выхода из нее) при прессовании большинства металлов достигают 
50 и более, а при прессовании чистого алюминия и свинца — до 1000 и более [1]. 
Подобные степени вытяжки (степени продольной деформации) допускают многие 
полимерные материалы в вязкотекучем состоянии с высокой прочностью расплава. 
Однако применение подобных значений степеней вытяжки для пластмасс не 
характерно, поскольку одноосная ориентация полимерных макромолекул, кроме 
некоторых достоинств, имеет и много недостатков. При формовании профилей 
из расплава подобные степени вытяжки не применяются вообще.

Форма поперечного сечения изделия
Прессованием металлов можно получить профили любой формы, в том числе 

и переменного сечения. Прокаткой и волочением возможно получение изделий 
сравнительно простой формы: круглой, прямоугольной, простой кольцевой и др. 
Пластмассы в твердом состоянии обычно не перерабатывают прокаткой или волочением 
из-за развития больших высокоэластических (обратимых) деформаций и их 
неспособности полностью сохранять форму, придаваемую им формующим инструментом. 
При формовании пластмасс в высокоэластическом (переходном) состоянии 
изделию можно придать определенную форму, но она частично обратима, поскольку 
одновременно с необратимыми пластическими деформациями развиваются обратимые 
высокоэластические деформации. Форма изделия сохраняется при нормальной 
температуре за счет охлаждения формуемого изделия. С повышением температуры 
до фазового перехода (температуры стеклования, температуры текучести) возрастает 
подвижность полимерных макромолекул и проявляется их «память» на начальное 
состояние, предшествующее деформированию. Характерным примером реакции 
пластмассовых изделий на нагрев являются изделия, получаемые в высокоэластиче-
ском состоянии методом пневмовакумного формования. При нагреве изделия выше 
температуры фазового перехода происходит резкое изменение его формы и размеров 
и потеря функциональных характеристик. Степень устойчивости такого изделия к 
влиянию температуры (теплостойкость) зависит от соотношения в нем пластических 
и высокоэластических деформаций и температуры эксплуатации. Вот почему, напри-
мер, в полистирольные или из ПЭТ стаканчики нельзя наливать кипяток.

Технологические отходы
Технологические отходы при прессовании твердых материалов — пресс-остатки 

и передние концы пресс-изделий, которые, как правило, мало деформированы. 
Технологические отходы при прессовании составляют 10–15 % и более от массы 
заготовки. При прокатке дефектными являются концы прокатанных профилей 
и труб; их количество не превышает 3 % от массы заготовки. Аналогичные от-
ходы могут возникать и при прессовании твердых пластмасс. Вследствие редкого 
применения прокатки для формования изделий из пластмасс эта проблема не 
особенно актуальна.

©ЭБС «Химия», 2022 © ЦОП «Профессия», 2009–2022. Все права защищены. www.epcprof.ru