6. 膨化机模头机构
膨化机模头机构是在物料经过加工后，物料离开膨化机的一个关键的机械结构。4.3节中已经介绍，模头机构的主要功能是对物流流动建立阻力或者说是建立一个合理的压差，从而改变加工深度，另外一个功能是对产品成型，根据产品的质量要求生产不同形状的产品，如圆柱状颗粒，星形的宠物食品等等。图25给出了膨化机停机后螺杆上物料的状态，如图中箭头所示，物料在计量区中熔融且充满螺纹间的空隙，此时物料已经被深度加工，其颜色已经发生变化。模头机构利用专门设计的模板和模板前的物流导流结构限定物流的流动，从而对膨化机螺杆输送来的物流形成了流动阻力，这个阻力的大小决定了计量区物料充满螺纹的长度，也决定了物料在模板上的模孔挤出时的压力降。
图25显示，在计量区前，螺杆配置是一段输送螺纹，螺纹间中未充满物料，物料输送到计量区后，物料被一组剪切和压缩功能的螺纹加工，这组螺纹与模头机械结构一起作用后为物料增压。若模头阻力大一些，则计量区物料的压力也会大一些，同时，计量区中充满物料的螺纹长度也要长一些，对应的结果是螺杆加工物料深度或强度大一些。在图中也可见，物料在计量区的初级加工阶段的颜色与左侧物料一致，物料的加工深度还不高。
经过螺杆加工后，物料进入模头机构中，在模头机构中没有旋转或其他动作的机械部件，因此没有任何的外加机械能到物料中，物料靠在计量区形成的背压挤出模头机构。这个挤出过程是一个非牛顿流体的流动过程，物料的流动可以被近似看为物流流经一段管路。但是，此段管路不是通常的圆形中空管道，而是有一些内部机械结构或部件将物流均匀分配到挤出模板表面，挤出模板表面有圆形或其他形状的模孔，模孔的数量根据特定的规则计算得到。根据模头机构内的机械结构不同，模头也可以分为不同的形式，如扩容模头（图26A），导流板模头（图27），文丘里模头（图28）等等。
图26中黄色表示为加工的物流，物料离开最后一个螺旋螺纹后进入模头前的扩容区，此时，物料在模头前的体积流量比较大，在体积流量比较大的模式下，可以有较多的物料输送到模板前，模板上可以开较多的，较大的孔。膨化机内物料的质量流量和物理产能不会因为这种模头结构设计发生改变，物流在此种设计模式下有较大的流动空间，从而使其在模头前的流动阻力较小，承受的剪切力也较低。
图27中的导流板设计往往是为了将物料分流后来控制物流的流动方向，最终使物料在离开膨化机时形成一种环形或其他形状的产品形式，此时模板上的模孔不是一个简单的圆孔，但是可以是其他的物理形状。
图28中的文丘里模头设计结构是在物料从最后一段螺杆上离开后，物料流经一个非常狭窄的阻力瓶颈，然后进入到一个较大容积的扩容装置，最后在模孔挤出。这个文丘里结构设计是为使模头产生的阻力独立于最终模孔的开孔面积。它的工艺目标是降低最终模孔前的压力，但是仍够能够维持一定的加工度。
模板和模孔结构
模头机械结构中的模板和模孔是决定挤出产品颗粒几何形状，如外形，大小，和物料挤出膨化机时阻力的部件。模板上模孔的几何外形也决定了挤出产品的几何形状，模孔的数量确定了物流在模板前的流动阻力。模板形成的阻力越大，模头前计量区螺杆充满物料的长度约长，物料的加工深度也较高。模头整体的阻力与模板设计需要一套独立的加工过程参数。常见的圆孔模板如下面图29所示。此种模板可称为钻孔型模板，模板上可以开有一定数量和大小相同的模孔，如果需要生产不同形状和大小的产品时，可更换整块模板。这种模板适用于生产小颗粒的产品，它的优势是可以在一块模板上钻许多个开孔，可以充分利用模板上的表面积来开较多的孔。
另外一种开孔方式是可以拆卸的填充式，此种模孔具有较高的灵活性，可以根据产品大小的要求更换不同大小或形状的模孔。但是，这种可拆卸的填充式模孔的开孔数量是被这些可以拆卸的模孔部件的表面积而限定，总的开孔数量会少于钻孔型模板。钻孔型模板的模孔磨损后需要更换整个模板，而不能仅更换几个模孔。
模头阻力与产品特征的关系
模头机构的两个主要功能包括确定挤出颗粒的几何形状和建立物流的流动阻力。挤出颗粒的几何形状由模孔的几何形状就可以确定。熔融后的物流在模板处的流动阻力则与多个变化的因素有关，其中包括物流的压力，粘度，模头内部和模孔几何特征等。影响这三个变化因素的外部环境条件又包括膨化机在计量区的流量，螺杆配置，即计量区螺纹的选择，水含量，蒸汽量，螺杆转速，螺杆填充水平，螺杆螺纹与模孔之间的物流流动特征及死体积，模头内部设计，模板处温度，每个模孔的物流量，切刀转速，物料的配方等等。
在模头机构中，熔融物料挤出模板时，物料流Q受到模板的阻力约束，若没有模板阻力，物料Q则完全排出膨化机，当物料在模板处受到阻力约束后，则只有部分物料排出膨化机，部分物料向计量区回流，向物料流动相反方向回流的物流为QL，则排出（或称挤出）膨化机的净物流Qn为：
此处的净物流Qn为
这里，Q和Qn是物料的体积流率，ΔP是物流流经模板后的压力差值，μ是物流的粘度，K是此模板的特征参数。公式中Qn是膨化机的产能(Forte and Gordon, 2021; Rauwendaal, 2014)。
根据这个公式可以得到，，膨化机的产能与模板的特征参数，模板建立的压差和物流的粘度相关。模板的压差是与模板模板上的开孔面积直接有关，物流的粘度是由模头处的温度和物料配方，水含量相关。
在实际应用中，一个膨化机往往用于加工各种颗粒大小不同的饲料产品。因此，在应用公式（6.2）时，需要针对具体饲料配方，膨化机模板结构特征和膨化机运行参数才可以得出公式中的模板特征参数K。此模板特征参数是与模板上模孔的开孔面积，模孔形状，模孔长度，物流在模孔内粘度，物流在模孔内的摩擦系数等相关。
理论上利用公式（6.2）分析可知，模板的阻力越大，物流在模板的压差越高，净流量似乎也会越高，但是，阻力升高后物料向物流相反方向的泄漏也会更多。此时，物料在计量区中充满物料的螺纹区会更长一些。物料在膨化机内的停留时间会长一些，加工深度会高一些。在工业实践中，通过堵塞一些模板上的模孔可以达到增加模板阻力，提升加工深度，从而可能改善挤出颗粒的膨化度。但是，应该注意到，堵塞部分模孔后，物流的阻力升高，物流的流量是会降低的。试想一下，如果堵塞全部模孔后，物流的流量会消失。此时，公式（6.2）中的K值会降低。影响公式（6.2）中的K值的因素包括，模孔开孔面积，模孔长度或深度，模孔的形状。
如果模头阻力不够或者是模头开孔面积过大，这时，产品颗粒的膨化度较低，产品颗粒就像一种压制的颗粒。同时，产品的加工度比较低，产品的容重比较高，模头处物料的流动将会不均一。因为此时的开孔面积过大，在有些模孔中物料流动较快，另外一些模孔中物料流动会较慢。此时膨化机主机的负载也会比较低，机筒内的压力也会较低。
通过增加或减少模板上模孔的数量可以改变模板对物流的阻力，从而调整膨化机对物料的加工深度。但是，通过堵塞和开通模孔的方式增加或减少模板阻力的方式需要在膨化机停机的状态下完成。膨化机在运行时，在物料与模孔的摩擦作用下，模孔会发生一些磨损，此时，模板的阻力也会发生改变。
一种被称为“容重控制器”的机械阀结构也可以物流阻力来调整变物料的加工深度，从而达到调整产品颗粒容重的目的，该装置的基本功能就像一个安装到膨化机内部的可以旋转开关机械阀门，通过调整阀门的开度看改变物流通过阀门的阻力，从而调整了物料的加工深度。利用剪切力变化的概念可以对这个装置做理论分析。这个装置在螺杆上的安装位置可以在膨化机模头前或膨化机中部。
模板前的切刀
图31给出常用的几种切刀示例。图 31 A 是一种较狭窄的刀片，常常应用于宠物粮的切割。图 31 B 的刀片较大，其寿命较长。图 31C是一类便于更换的刀片，有些类似剃须刀片，常用于非常小的孔或非常粘的产品。图31 D 也是可以灵活更换的刀片，适于粘性高的产品切割。
在选择刀片时可以考虑下面几个因素：第1个是颗粒大小，切割比较小的颗粒时，选择便于更换且灵活性比较高的刀片。第2是颗粒形状是简单还是复杂，第3是切刀旋转的速度是快还是慢，如果切刀旋转比较慢的话，就需要选择比较窄的刀片，这是因为在切刀切割挤出的颗粒时，如果切刀太宽的话，切刀的刀背就可以撞到挤出颗粒。第四点，如果挤出的产品比较黏或是比较软时，需要使用非常薄的刀片。在实际应用当中我们希望使用最灵活的切刀设计，从而保障切刀能够使用最长的时间。
在决定刀片的数量时，要考虑的因素包括产品的长度，挤出物流的流速和产品的柔软度。
引起比较差的切割的场景常常包括：首先考虑的是刀片迟钝了，其次观察刀片与模板表面之间是否紧挨。在使用嵌入性的模孔时，也可能是模孔与模板表面没有紧密的贴合，也可能是模孔磨损，切割时产品发生滚动。再一个原因是模板表面与切刀不平行。
刀片的锋利程度也会影响切割效果。在刀片制造中的磨制环节，如果对刀片的磨制不当，磨刀机在刀具上磨掉太多的金属，也会导致刀片边缘锋利度下降。恰当调整切刀和模板表面之间的间距也非常重要，间距过大会导致切割不完全，间距太小会致使切刀和模板表面很快被磨损。
在模孔形状是非圆形时，比如宠物粮的鱼形状，切刀开始切割的方向会对产品的形状产生影响。如果切刀切割的时候是从鱼嘴向鱼尾方向切割，这时产品的颗粒会变短，变胖。如果切刀切割的时候是从鱼肚子向鱼背方向时候，这时候就得到另外一种形状的产品。