Basov N.I. i dr. Raschet i konstruirovanie formiruyushchego instrumenta dlya izgotovleniya izdelij (1991

назначений решетки и сеток - фильтровать расплав, другое - созда­ вать дополнительное гидравлическое сопротивление, обеспечивающее необходимое для удовлетворительной пластикации полимера давле­ ние перед червяком (в том случае, если собственное гидравлическое сопротивление каналов головки оказывается недостаточным для этого).

Часто внутрь полого изделия необходимо вводить в какой-либо агент (например, воздух под давлением для калибровки трубы, тальк для предотвращения слипания тонкостенного рукава из резиновой смеси до ее вулканизации и т.д.) или просто сообщать полость изделия с атмосферой. Это осуществляется через специальные отверстия 21 (в данной конструкции выполняются в ребрах дорнодержателя). В описываемой конструкции, например, эти отверстия используются для подачи и отвода охлаждающей воды в калибрующее устройство 13,

Р и с . 4 . 1 . Конструкция головки для изготовления полого профиля:

1 — центрирующий бурт фланца 23 головки; 2 — решетка; 3 — термопары; 4 — наружная кольцеоб­ разная часть дорнодержателя; 5 — ребра дорнодержателя; 6 — центральная часть дорнодержателя; 7 — корпус головки; 8 — трубка отвода жидкости, охлаждающей калибрующее устройство; 9 — каналы, сообщающие полость Г с полостью Д и атмосферой; 10 — электронагреватели; 11 — мундштук; 12 — формующийканал;)3—калибрующее устройство;^ — теплоизолирующие вставки и прокладки; 15 —

200

укрепленное на головке. Подводящая 20 и отводящая 8 воду трубки проходят через два диаметрально расположенных ребра дорнодержателя. Третье из четырех ребер используется для выполнения в нем отверстия (на рис. 4.1 не показано), сообщающего с атмосферой полость головки Д и через систему каналов 9 полость Г формуемой заготовки расплава (показана штриховыми линиями) на участке между головкой и калибрующим устройством. Сообщение с атмосферой предотвращает развитие в полости Г разрежения или избыточного давления, приво­ дящих к нежелательной деформации заготовки. Заполненные возду­ хом каналы 9 в совокупности с теплоизолирующими прокладками и вставками 14 существенно уменьшают нежелательный теплообмен между горячей головкой и деталями 8, 20, 17 и 16, осуществляющими подвод и отвод охлаждающей воды.

Головка, как правило, имеет обогрев (иногда охлаждение). Чаще

дорн; 16 — штанга калибрующего устройства и отвода от него охлаждающей жидкости; П — основа­ ние штанги 16; 18,22 — подводящий канал; 19 — болт для радиального смещения мундштука относи­ тельно дорна; 20 — трубка подвода жидкости, охлаждающей калибрующее устройство; 21 — радиаль­ ное отверстие в дорнодержателе; 23 — фланец головки; 24 — болты, крепящие головку к фланцу

Рис. 4.2. Конструкции затворов, соединяющих головку с цилиндром:

й— затвор байонетного типа; б — загвор в виде полукольцевых стяжных элементов

всего это электрообогрев хомутовыми нагревателями сопротивления 10, надеваемыми на тело головки, однако для крупногабаритных головок с прямоугольной внешней конфигурацией (или близкой к ней) в последнее время стали использовать патронные цилиндричес­ кие электронагреватели (принципиально такие же, как и в прессовых формах), вставляемые в отверстия в теле головки, как это показано, например, на рис. 4.18, а. Теплопотери в окружающую среду в послед­ нем случае значительно меньше (в 4-г 5 раз); наружная поверхность головки в этом варианте имеет лишь теплоизоляцию.

Корпус головки (а иногда и мундштук, как на рис. 4.1) должен иметь отверстия для установки в них приборов теплового контроля (термометров сопротивления или термопар 3) в соответствии с числом независимо регулируемых зон обогрева (охлаждения). Иногда в канал головки в области входа в нее или у входа в формующий канал вводят датчики давления и температуры расплава. Способы крепления головок к цилиндрам экструдеров показаны на рис. 4.2.

Принцип действия калибрующих устройств заключается в том, что их рабочие поверхности контактируют с одной или несколькими поверхностями скользящего по ним изделия, придают ему окончатель­ ные конфигурацию и размеры. Рабочие органы устройств (т.е. те детали их, которые имеют поверхности контакта с изделием) могут быть выполнены в виде массивных металлических охлаждаемых водой блоков, как это показано на рис. 4.1, набора диафрагм или вращающих­ ся профилирующих валков. Прижим их к изделию осуществляется за счет собственного веса или пружин, а также давлением сжатого воз­ духа. Например, на рис. 4.1 калибровка и охлаждение осуществляются при скольжении внутренней поверхности изделия (показано штрихо­ вой линией) по охлаждаемой наружной поверхности устройства 13.

4.2. Классификация экструзионного инструмента

Головки отличаются большим разнообразием типов и конструкций,

которые могут быть классифицированы следующим образом. По направлению выхода изделия:

202

1)прямоточные головки (например, на рис. 4.1) с направлением выхода изделия вдоль оси червяка (головки для труб, шлангов, стержней);

2)угловые головки, осуществляющие поворот потока расплава и соответственно изменяющие направление выдачи изделия на опреде­ ленный угол по отношению к оси червяка (головки для покрытия проводов, кабелей и каких-либо сердечников изоляцией или защит­ ной оболочкой, головки для рукавной пленки, головки для экструзии

сраздувом и др.).

Прямоточные головки просты по конструкции, условия течения расплава в их каналах, как это будет показано ниже, максимально благоприятны. В связи с этим при выборе конструкции им следует отдавать предпочтение, однако в приведенных в пункте 2 примерах их использование невозможно. Например, при наложении слоя полимера на сердечник из дерева направление ввода сердечника в головку должно совпадать с направлением выхода изделия из нее, так что ввод расплава в головку неизбежно должен быть осуществлен под некоторым углом к этому направлению. Трубчатая заготовка расплава для последующего ее формования в изделие методом раздува должна выдаваться из головки в вертикальном направлении вниз, чтобы сила собственного веса не приводила к существенному искажению конфи­ гурации заготовки за время ее выдачи, вместе с тем направление оси пластикационного цилиндра экструдера (а следовательно, ввода расплава в головку), как правило, горизонтальное.

По конфигурации формующей щели:

1)плоскощелевые;

2)головки с кольцевым поперечным сечением канала (головки для цилиндрических стержней, трубные головки, головки для экструзии с раздувом, головки для получения рукавной пленки);

3)профильные головки, имеющие сложный контур поперечного сечения формующего канала и различающиеся по конфигурации попе­ речного сечения изделия (рис. .4.3) на головки для изделий открытого типа, закрытого типа, смешанного типа, специальные головки и голов­ ки для изделий из вспененных материалов.

Особенностью плоскощелевых головок является необходимость очень существенного преобразования конфигурации поперечного сече­ ния потока расплава: круглое сечение канала головки на входе в нее преобразуется, например, в плоский щелевой канал с высотой 1 мм и шириной иногда более 1 м на выходе. При этом возникает проблема равномерного распределения потока по всей ширине щели, которая решается специфическими для этого типа головок приемами.

Для кольцевых головок, как и дчя головок, формующих изделия

типа приведенных на рис. 4.3, бив, обязательно наличие такой детали, как дорн, формующий одну или несколько полостей в изделии (см. рис. 4.1). Очевидно в данном случае, что дорн не должен касаться рабочих поверхностей переходного и формующего каналов, и в связи с этим возникает проблема его крепления в канале, конструктивное

203

решение которой просто только на первый взгляд (например, ребра дорнодержателя в конструкции на рис. 4.1) и может быть неоднознач­ ным в зависимости от типа полимера и формуемого изделия. Такой проблемы нет у головок для изделий открытого типа (см. рис. 4.3,а), так как элемент головки, формующий у изделия незамкнутую по­ лость, если он выполнен в виде самостоятельной детали, может и должен иметь контакт с рабочей поверхностью мундштука вплоть до выхода из него.

Общей особенностью головок третьего типа (по отношению к пер­ вым двум) в рамках данного классификационного признака является большая сложность конфигурации поперечного сечения формуемого изделия и, следовательно, геометрии рабочей поверхности переход­ ного канала. Правильный выбор этой геометрии является наиболее ответственным этапом работы конструктора при проектировании головки и должен осуществляться не только с точки зрения обеспече­ ния оптимальных условий течения расплава в переходном и формую­ щем каналах, но и с учетом конкретных возможностей изготовления подобных сложных поверхностей.

Представленная на рис. 4.3 классификация профильных изделий со сложной конфигурацией сечения выполнена таким образом, что каждой группе их (и в рамках группы - преимущественно каждой подгруппе) соответствует тип головки или калибрующего устройства, имеющий ту или иную конструктивную особенность. Особенности головок для изделий групп "а"и"б"уже рассмотрены выше. Головки для группы "в" сочетают в себе эти особенности.

Подгруппы изделий "а-l", "а-2" и "6-1 "составляют исключение из общего правила, заключающееся в том, что могут быть сформованы с использованием головки, конфигурация сечения формующего канала которой принципиально отлична от сечения изделия и, что важно, может быть гораздо более простой. Так, например, изделия группы "а-1", "6-1 и "а-2" могут быть сформованы на головках с сечением формующего канала в виде круга, кольца и плоской щели (или также кольца) соответственно. Придание окончательной, требуемой конфи­ гурации выходящей из головки заготовке расплава в этом случае осуществляется на калибрующем устройстве, конструкция которого должна обеспечивать выполнение этой операции. Пример рассматрива­ емого варианта приведен на рис. 4.1: выходящая из кольцевого форму­ ющего канала заготовка "надевается" на калибрующее устройство, конфигурация которого показана в разрезе А - А.

Конструкция головок для изделий типа "о-4" ничем принципиально не отличается от головок для типа "а-3", однако смыкание элементов профиля и надежный их взаимный прижим в месте контакта, как показано на рис. 4.3, должны обеспечиваться специальной конструк­ цией калибрующего устройства.

Группа изделий "г" характеризуется тем, что в рамках каждой ее подгруппы соответствующий тип головки должен иметь как бы допол­ нительные, специальные конструктивные элементы. Так, для подгруп-

205

пы "гЛ" головки должны иметь устройство для подачи (и протяжки через ее канал) сердечника или спиральной арматуры; то же относится и к группе "г-5". Изделия типа "г-2" и "г-3" формуются на головках, дорн и мундштук которых имеют вращательное или возвратно-посту­ пательное движение друг относительно друга и, следовательно, соответствующий привод этих элементов.

Изделия типа "г-4" могут формоваться на головках для обычных прутков или труб, но калибрующие устройства должны иметь подвиж­

1)с рубашками для обогрева (или охлаждения) жидкостями;

2)с электрическим обогревом нагревателями омического сопротив­ ления или индукционного типа.

Из экструдера в головку материал подается, как правило, при той температуре, при которой он должен выдавливаться из формующего канала, так что сколько-нибудь значительного нагрева или охлажде­ ния материала в головке происходить не должно. Общий тепловой баланс головки в этом случае определяется двумя составляющими: тепловыделениями в материале вследствие рассеивания работы его деформирования в каналах и теплоотдачей в окружающую среду. Если первая составляющая намного меньше второй (что, как правило, имеет место при экструзии термопластов, так как вязкость их расплавов относительно невелика, а температура головки должна быть намного больше температуры окружающей среды), то применяют второй тип термостатирования, более компактный и простой в обслуживании. Если же эти составляющие близки по значению или вторая превосходит первую (что характерно, например, для экструзии высоковязких резиновых смесей), то применяют первый тип термостатирования, который с равной эффективностью может осуществляться как подво­ дом, так и отводом тепла от тела головки.

По общей конструкции корпуса головки: 1) литые; 2)сварно-литые;

3)разъемные, изготовленные механической обработкой из поковок

ипроката.

Тот или иной тип в данном случае выбирается преимущественно в зависимости от габаритов головки, а также с учетом программы производства (единичный экземпляр, несколько штук, мелкая серия) и конкретных технологических возможностей. В настоящее время применяется преимущественно третий тип корпусов.

По способу крепления к цилиндру экструдера:

1)с фланцевым соединением (головки съемные или откидные на петлях);

2)с байонетным соединением;

3)со стягиваемыми накидными полукольцами.

Выбор того или иного типа крепления, а также типа привода кре-

206

Естественно, не все режимы работы экструдера, соответствующие его рабочей характеристике, являются удовлетворительными. Область малых давлений соответствует неудовлетворительной температурной однородности расплава и возможному появлению воздушных включе­ ний в нем из-за неудовлетворительного уплотнения плавящегося в канале червяка гранулята полимера, зона повышенных давлений - неконтролируемому перегреву расплава и возможным пульсациям производительности. Как правило, максимальные давления, соответ­ ствующие нижней точке удовлетворительной области рабочей характе­ ристики, не превышают 30 МПа.

Уравнение, определяющее рабочую характеристику головки, также в ньютоновском приближении имеет вид

где fcH — коэффициент, зависящий от геометрической формы каналов головки (константа головки).

Величина цэф, как известно, для расплавов полимеров является убывающей функцией скорости сдвига у, которая, в свою очередь, прямо пропорциональна величине Q. Таким образом, в соответствии с уравнением (4.2), рабочая характеристика головки представляется кривой, исходящей из начала координат (см. рис. 4.4). Решение уравне­ ний (4.1) и (4.2), графически представляемое точкой пересечения рабочих характеристик (рабочей точкой), дает значение производи­ тельности и развиваемого при этом давления на входе в головку для конкретного сочетания экструдера и головки.

При проектировании головки конструктор должен знать:

1)будет ли рабочая точка соответствовать предполагаемой произ­ водительности;

2)будет ли рабочая точка лежать в пределах удовлетворительной области рабочей характеристики конкретного экструдера, для которого проектируется головка (например, рабочая точка для головки 3 на рис. 4.4 лежит вне этой области, так что в данном случае следует ожидать при производстве изделия пульсаций производительности экструдера и как следствие - продольной разнотолщинности изде­ лия);

3)величину давления, развивающегося в элементах головки, для определения прочности этих элементов.

Первая и третья задачи могут решаться, например, в допущении ньютоновского поведения расплава полимера при рассчитанной константе головки Ки совместным решением уравнений (4.1) и (4.2). Следует, однако, иметь в виду, что уравнение (4.1) описывает рабочую характеристику только зоны дозирования, а не всего канала червяка, содержащего несколько функциональных зон, принципиально отлич­ ных друг от друга по состоянию материала в них. Получено оно к тому же при существенных допущениях, снижающих его точность (напри­ мер, допущения об изотермичности течения в канале червяка). По этой причине использовать его для определения производительности и

208

давления, соответствующих рабочей точке, можно лишь при грубых, прикидочных оценках. В этом случае предпочтительно использование конкретной, определенной экспериментально на данном полимере, удовлетворительной области рабочей характеристики экструдера.

Найденное таким образом положение рабочей точки на характерис­ тике шнека дает ответ одновременно и на второй вопрос. В случае несоответствия положения рабочей точки удовлетворительной облас­ ти рабочей характеристики экструдера должна быть изменена конфи­ гурация каналов проектируемой головки с целью изменения ее конс­ танты. Определение константы головки или создаваемого ею перепада давления входит в задачи гидравлического расчета, который будет рассмотрен далее.

Условие равенства скоростей расплава во всех точках выходного поперечного сечения формующего канала. Это одно из важных усло­ вий (а в некоторых случаях главное), определяющих размерное соответствие и качество получаемого изделия. Действительно, если в рассмотренной (рис. 4.1) конструкции головки по каким-либо причи­ нам скорость выхода расплава в верхней части формующего канала больше, чем в нижней, то за данный отрезок времени в верхней части будет экструдирован участок профиля большей длины, чем в нижней части. Это приведет, во-первых, к утолщению верхней части профиля, во-вторых, к образованию в этом месте гофров и складок. Второй недостаток может быть исправлен принудительным отбором экструдируемого профиля со скоростью, равной скорости выхода расплава в верхней части канала; неизбежная при этом вытяжка и утонение нижней части профиля приводят к дефекту поперечной разнотолщинности его, который может быть устранен только увеличением высоты формующего канала в этом месте (например, соответствующей допол­ нительной обработкой рабочей поверхности мундштука или, как видно из рис. 4.1, смещением мундштука 11 относительно дорна /5вниз посредством болтов 19). Методы и приемы выравнивания потока основываются на результатах гидродинамического анализа течения расплава в каналах головок, являются одной из задач гидравлическо­ го расчета и будут рассмотрены ниже.

При экструзии разнотолщинных и сложных профилей практически никогда не удается обеспечить полностью выравненного расхода по всему формующему сечению, и такие изделия всегда изготавливают при скорости принудительного отвода экструдата Ущ, несколько превышающей скорость выхода профиля из головки V3. Отношение этих скоростей fcB называется коэффициентом вытяжки, поскольку вследствие указанной разности скоростей происходит вытяжка профи­ ля с утонением его стенок и уменьшением линейных размеров попе­ речного сечения примерно в АДв раз.

Чем больше предполагаемая конструктором головки неоднородность скоростей выхода расплава из формующего канала (неоднородность экструзии), которую он уже не может устранить каким-либо приемом при проектировании головки, тем большую степень вытяжки экстру-

209