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

дата он должен планировать и учитывать ее при определении размеров формующего канала. Однако необходимо иметь в виду, что существу­ ют максимально достижимые значения кв, определяющиеся следующи­ ми факторами. Во-первых, развивающиеся в экструдате на участке вытяжки (на участке между головкой и калибрующим устройством) нормальные напряжения растяжения не должны превышать пределе прочности расплава. Во-вторых, развивающиеся в экструдате при вытяжке высокоэластические (обратимые) деформации фиксируются в формуемом профиле при быстром охлаждении его на калибрующем устройстве и далее в охлаждающей ванне. Эти деформации при последующей эксплуатации профиля, особенно при повышенных температурах, могут частично реализоваться, что приведет к сущест­ венному уменьшению продольного размера профиля (а если вытяжка была существенно неодинакова в различных местах сечения, то и к искривлению профиля). Наконец, в-третьих, при больших значениях кв существенно искажается конфигурация мелких элементов сечения профиля (канавки, перемычки, ребра и др.).

Исходя из первого и третьего факторов, как правило, недопустимы значения кв > 2. Исходя из второго фактора, практикой для отдельных материалов рекомендуются следующие коэффициенты вытяжки (в%), гарантирующие удовлетворительность качества изделия при условии применения упомянутых конструктивных методов выравнивания потока:

Соответствующие размеры поперечного сечения формующего канала при его конструировании должны приниматься больше тако­ вых у изделия в ^fcB раз. Однако в процессе вытяжки сечение экструдата уменьшается в разных направлениях неодинаково, причем точно предусмотреть характер этой неоднородности невозможно. Можно только отметить, что толщина стенок тонкостенных профилей имеет преимущественное уменьшение по сравнению с линейными размера­ ми, поэтому в первом приближении можно считать, что у тонкостен­ ных профилей изменяется только толщина вfcBраз, а у толстостенных или монолитных - как толщина, так и линейные размеры в -fkB раз,.

Свариваемость потоков. Свариваемости отдельных потоков распла­ ва, на которые разбивается общий поток перемычками решетки, ребрами дорнодержателя и другими преградами, - также одно из необходимых условий получения доброкачественного изделия. Для сваривания необходимо достаточное давление в расплаве и эффектив­ ная деформация поверхностей контакта сливающихся потоков. Гидрав­ лическое сопротивление формующего канала, как правило, оказыва­ ется достаточным для обеспечения необходимого давления, а требу-

210

емая деформация поверхностей контакта обеспечивается монотонным уменьшением площади поперечного сечения подводящего канала в трипять раз. В ряде случаев для усиления эффекта деформирования перед переходным каналом 18 (см. рис. 4.1) или непосредственно в нем предусматривают местные сужения или какие-либо другие конструк­ тивные элементы.

Огрубление поверхности. Огрубление поверхности экструдируемого изделия - одно из специфических нежелательных явлений, присущих расплавам полимеров. Учет этого явления совершенно необходим при конструировании головок, особенно в высокоскорост­ ных процессах наложения кабельной изоляции и производства пле­ нок. Явление выражается в том, что по достижении некоторой скорос­ ти выдавливания поверхность выходящего из головки изделия, будучи до этого совершенно гладкой, становится шероховатой, а при дальней­ шем повышении скорости возникают и прогрессируют нерегулярности самой формы экструдата, имеющие определенную периодичность: чаще всего (например, на прутке) - периодические кольцевые утол­ щения. Иногда эти утолщения имеют винтовую конфигурацию; при этом поверхность утолщений может быть шероховатой, "рваной" или, наоборот, глянцевой с плавными контурами.

Возникновение этого явления обусловлено следующими тремя факторами: проявление расплавом свойства упругости; наличие у расплава вполне определенной величины прочности при сдвиге; наличие адгезионной прочности, т.е. прочности связи расплава, теку­ щего в канале, с его стенками.

Прочность при сдвиге или адгезионная прочность могут быть оцене­ ны значениями предельных напряжений сдвига тс или та соответствен­ но. При течении расплава в его объеме возникает некоторое распреде­ ление напряжений сдвига. В этом объеме можно выделить поверх­ ности, характеризующиеся одинаковыми значениями напряжений сдвига. При этом существует поверхность, на которой напряжения сдвига максимальны; при течении в каналах это, как правило, поверх­ ность контакта расплава со стенкой канала.

По мере роста расхода в канале напряжения сдвига в расплаве возрастают, и если максимальные напряжения тт а х при этом превы­ шают значение тс, то возникает разобщение объемов потока по поверх­ ности действия тт а х . Если же напряжения в расплаве непосредственно у стенки канала превышают значение та, то возникает разобщение потока со стенкой канала: прилипание расплава к стенке сменяется скольжением по ней.

При учете отмеченного выше механизм процесса, приводящего к периодическим нерегулярностям конфигурации экструдируемого изделия, можно представить приближенно следующим образом. С ростом расхода в расплаве растут напряжения и вызванные ими упругие, обратимые деформации. При некотором расходе значение ттах превышает, например, та, связь потока со стенкой нарушается и накопленные в расплаве упругие деформации резко уменьшаются

211

(практически исчезают полностью), что приводит к проскальзыванию потока по стенке в направлении к выходу канала, приводящему к практически мгновенному увеличению расхода. Этому соответствует возникновение утолщения на выдавливаемой из канала струе распла­ ва. Исчезновению упругих деформаций соответствует уменьшение напряжений в потоке, в том числе и тт а х , которые становятся меньше та. Прилипание расплава к стенке восстанавливается, пооле чего вследствие продолжающегося течения в расплаве вновь начинается развитие упругих деформаций и рост тт а х , причем продолжается это до момента достижения тт а х > та и, следовательно, до повторного акта проскальзывания. Этот автоколебательный процесс периодичес­ кого проскальзывания, сменяющегося прилипанием, и есть причина периодических утолщений и утонений экструдируемой трубы, причем образование утолщений происходит в момент проскальзывания.

Если условие т т а х >т а возникает на стенке формующего канала вплоть до выходного сечения его, то и проскальзывание простирается вплоть до выходного сечения, и поверхность экструдата в местах утол­ щения получается шероховатой. Однако это условие может возникать не на всей длине формующего канала, а только на входе в него, или, чаще всего, в предшествующем ему переходном канале, так как общий уровень напряженного состояния расплава в этих местах более высокий. В этом случае и область проскальзывания не распространя­ ется до выхода из головки, однако наличие этого проскальзывания также приводит к пульсациям расхода и, следовательно, площади поперечного сечения струи, поверхность которой в этом случае полу­ чается гладкой.

Если же адгезия расплава к стенке канала достаточно велика, то чаще всего возникает не условие т т а х >т а , а условие тт а х >тс . Соп­ ровождающее его явление во всем подобно описанному с той разни­ цей, что разобщение (проскальзывание) происходит не непосредствен­ но на стенке канала, а по некоторой поверхности в объеме расплава, лежащей вблизи стенки. Экструдат, очевидно, и в этом случае имеет периодические утолщения, однако поверхность его гладкая.

Какого-либо строгого теоретического количественного описания этого явления, позволяющего прогнозировать условия его возникно­ вения, сейчас нет. Такой приблизительный прогноз возможен на основе изложенных ниже сведений, полученных экспериментальным путем. При обработке экспериментальных данных исходили из пред­ положения о том, что поскольку развивающиеся в расплаве напряже­ ния сдвига т однозначно связаны реологическим уравнением со скоростями сдвигового деформирования его у, то значениям та или тс можно однозначно поставить в соответствие значения уа или ус, т.е. такие скорости сдвига у стенки канала, при которых начинает разви­ ваться явление огрубления поверхности. Независимо от первопричи­ ны огрубления это значение скорости сдвига было названо критичес­ кой скоростью сдвига vK-

212

Экспериментами установлено, что критическая скорость сдвига практически не зависит от длины формующего канала при отношениях длины к максимальной высоте его, больших пяти-восьми, т.е. таких, которые имеют место в экструзионной практике. Однако она оказыва­ ется сильно зависимой от интенсивности уменьшения площади попе­ речного сечения переходного канала. Была установлена зависимость

где е = drT/dl — интенсивность уменьшения гидравлического радиуса гг поперечного сечения входной зоны по длине ее /; Т — температура расплава; гг = F/П; F — площадь поперечного сечения; П — его периметр.

где М(Т) и и(Г) - константы, присущие конкретному материалу и зависящие от темпе­ ратуры.

В этих каналах величина е однозначно определяется только одним геометрическим параметром: углом конической поверхности мунд­ штука, образующей переходный канал. В каналах с дорном (рис. 4.5) величина е определяется двумя параметрами - углами конических поверхностей мундштука и дорна, поэтому в формулу (4.4) для таких каналов введен дополнительный член, учитывающий характер умень­ шения гг:

где tgв = tg[(a + Р)/2] — тангенс угла наклона средней линии щели к оси головки (см. рис. 4.5); N, v — константы материала, зависящие от температуры (примеры значений их для двух материалов приведены в табл. 4.1).

Величину е для конических переходных каналов можно найти из

rr = л(02 - d2)/[4n(D + d)] = (D - <i)/4 = [й0 - r0 + /(tgp -

e = drr/d/ = (tgP-tga)/2.

Для поперечных сечений переходных и формующих каналов более сложного профиля значения е на всей длине / формующего канала могут быть определены построением графика гг (/) с последующим графическим дифференцированием его.

Таким образом, формулы (4.4), (4.5) накладывают ограничения на углы переходной зоны. Необходимо отметить, что диапазон допусти­ мых значений этих углов очень широк: от значений 45 + 60°, определя­ ющихся явлением, описанным в следующем разделе, до минимальных значений, составляющих 8 - 10°. Конкретное значение углов в преде­ лах этого диапазона зависит, очевидно, преимущественно от скорости экструзии расплава из данной головки v3 (или расхода через нее Q, что по существу одно и то же). Действительно, условие качества поверх­ ности экструдата с точки зрения рассматриваемого явления таково:

где V — фактическая скорость сдвига в данном канале; VK — критическая скорость сдвига для этого же канала, определяемая, например, по формулам (4.4) — (4.7).

Величина у, как известно, прямо пропорциональна расходу в этом канале [см., например, формулу (4.14) и сопутствующий текст], т.е., как правило, расходу Q через головку в целом. С точки зрения макси­ мальности производительности процесса целесообразно принимать по возможности максимально возможное значение Qmax, которое имеет

Таблица 4 . 1 . Значения констант М> u, N, У

214

Величина (?тахз в отличие от предшествующих двух ограничений оказывается существенно зависимой от геометрии изделия, точнее - от толщины его, так как время гохЛ интенсивно возрастает с ростом этой толщины.

Подход конструктора к учету этих ограничений при выборе Qmax различен в зависимости от того, в решении какой из двух наиболее распространенных производственных задач он принимает участие.

Первая задача: освоить производство профиля на имеющемся в наличии экструзионном агрегате, т.е. при конкретных типе экструдера и конструкции охлаждающей ванны. В этом случае все три ограниче­ ния действительны, каждое из соответствующих значений Qmax, должно быть спрогнозировано конструктором с той или иной степенью точности уже на первой стадии проектирования головки, и величина Qmax должна быть выбрана равной минимальному значению из этих

Утах1-

Вторая задача: спроектировать специализированный агрегат для изделия данного типа. В этом случае действительно только ограниче­ ние Gmax2 (при выбранном типе калибрующего устройства), так как тип экструдера и длина ванны могут быть подобраны такими, чтобы Qmax и (ЗтахЗ превышали значение (?тах2- Вместе с тем именно прогноз Qmax 2 в настоящее время наиболее сложен и в значительной степени основывается на опыте конструктора, так как обеспечивающие прием­ лемую точность теоретические методы расчета теплового и силового взаимодействия профиля с калибрующим устройством с учетом прочности профиля пока отсутствуют.

В заключение необходимо выделить категорию профильных изде­ лий, для которых второе ограничение отсутствует. Это профили, представляющие собой более или менее прочный сердечник (или продольную арматуру), на который при пропускании его через голов­ ку накладывается слой полимера: изделия "г-1" на рис. 4.3, продольно армированные шланги, изолируемые кабели и провода и др. У этих изделий тянущее усилие практически целиком воспринимается сердечником и проблема прочности отвердевшего в калибрующем устройстве слоя полимера оказывается не существенной. Максималь­ ная скорость экструзии здесь лимитируется уже возможностями устройств для протяжки сердечника (провода, кабеля), системой управления процессом в целом и реально исполнимой длиной ванны, которая может достигать 30 м и более. Эта,скорость может быть очень большой, достигая, например, при изоляции тонких проводов 7090 км/ч. Углы переходных каналов в этом случае имеют минималь­ ные значения, вследствие чего возрастают их длина и, следовательно, габариты головки и ее гидравлическое сопротивление, что часто крайне нежелательно. В данной ситуации проектируют переходные каналы со ступенчато или монотонно уменьшающимся углом по мере приближения к выходу из канала (см., например, рис. 4.5, е), руковод­ ствуясь следующими соображениями.

Вследствие интенсивного уменьшения площади поперечного сече-

216

ния переходного канала в направлении к выходу из него скорость сдвига V так же интенсивно возрастает в этом направлении, и, проек­ тируя канал с постоянным углом, необходимо^ вычислять его с учетом условия (4.9) по максимальному значению у на выходе из канала. При этом на всех предшествующих участках меньшие действующие значения у оказываются намного меньше величины ук, определенной по условиям на выходе (эта разница между у и ук тем больше, чем ближе участок канала ко входу в него), что и позволяет монотонно или ступенчато увеличивать угол в направлении ко входу в/канал, определяя его на каждом участке по условию (4.9) и формулам (4.4) - (4.7). Такой прием позволяет существенно уменьшить длину канала.

Отсутствие зон застоя ("мертвых зон"). В соответствии с формулами (4.4) и (4.5) при плоскорезанной входной зоне (а = 90°, е = °°) критичес­ кая скорость должна понизиться до нуля. Практически этого не проис­ ходит, и с ростом угла а до определенного ак критическая скорость сдвига, уменьшаясь, стремится к определенному пределу. Это объяс­ няется тем, что во входном конусе с углом а0 образуется зона не­ текущего полимера (зона застоя), ограниченная областью ак <ос<а0 которая автоматически поддерживает угол вхрда для текущей части полимера, равный оск. Застаивающийся в подобных зонах расплав вследствие длительного температурно-временного воздействия подвергается термодеструкции и, частично захватываясь текущим расплавом, приводит к порче изделия, поэтому углы наклона поверх­ ностей каналов по отношению к основному направлению течения расплава как в зонах сужения, так и в зонах расширения не должны превышать значения ак . Совершенно аналогично зоны застоя могут иметь место при набегании расплава на препятствия, например в виде рассекателя дорнодержателя и его ребер (см. рис. 4.1). Следовательно, как передние (рассекающие поток), так и задние (с которых поток сходит) углы поверхностей этих деталей по отношению к направлению потока не должны превышать ак, значение которого для большинства материалов установлено практикой в диапазоне 45 - 60°.

В ряде конструкций головок конфигурация каналов столь сложна (например, кольцевые головки для экструзии многослойных рукав­ ных пленок, угловые многоручьевые головки для формования изде­ лий методом экструзии с раздувом), что на стадии их проектирования бывает сложно сделать однозначное заключение о возможном наличии или отсутствии зон застоя в тех или иных местах канала, даже несмот­ ря на, казалось бы, гарантированное соблюдение указанного здесь ограничения на заходные и задние углы. В этом случае такое заключе­ ние должно быть сделано на стадии промежуточных испытаний выпол­ ненной в металле головки, и если зоны застоя будут обнаружены, то выполняется механическая доработка поверхности канала с целью их устранения. Конструктор же головки должен предвидеть на стадии ее проектирования возможность возникновения, этих опасных мест в канале и принимать такие конструктивные решения, которые позво­ ляли бы выполнять последующую доработку.

217

Сейчас используется лишь один экспериментальный метод выявле­ ния зон застоя при испытаниях головки: если цвет экструдата на поверхности или в срезе неоднороден (имеются полосы более темного тона вследствие деструкции полимера или менее интенсивного и измененного цвета вследствие деструкции красителя), то зоны застои есть. Однако таким изменениям цвета и тона экструдата соответствует значительная степень термодеструкции, часто намного превышающая допустимую. В этих случаях отсутствие таких изменений в экструдате не является гарантией отсутствия недопустимой степени термодест­ рукции и приходится использовать модификацию этого метода.

Существо ее в том, что к грануляту подаваемого в экструдер поли­ мера добавляют специальные термочувствительные красители. Каж­ дый из этих красителей имеет свой запас термостабильности: при определенном температурно-временном воздействии на него изменяет свой цвет. Подбирают такой краситель, запас термостабильности которого близок к таковому у полимера. Наличие в экструдате следов красителя с измененным цветом свидетельствует о том, что в какой-то из областей канала расплав пребывает недопустимо долго. Разработка головки и анализ цвета полимера, оставшегося в ее каналах, позволя­ ет выявить эти области.

Как видно, изложенная здесь процедура доводки каналов головки чрезвычайно трудоемка. Разработанные в последнее время методы вычислительной математики, в частности, метод конечных элементов, позволили решать задачу о выявлении возможных зон застоя еще на стадии проектирования каналов головки. Так, при достаточном развитии метода конечных элементов появилась возможность прово­ дить при выполнении гидравлического расчета определение поля скоростей расплава в каналах сколь угодно сложной геометрии. Вычисление как модуля, так и направления вектора скорости расп­ лава в любой точке канала позволяет выявить места его с практически нулевым значением модуля скорости или места с замкнутым циркуля­ ционным потоком (именно они являются зонами застоя). Изменяя конфигурацию канала и рассчитывая каждый раз на ЭВМ поле скорос­ тей, добиваются исчезновения этих областей. Однако и здесь следует иметь в виду, что выполнение этой процедуры также очень трудоемко и требует очень высокой квалификации инженеров-математиков и программистов. Не случайно поэтому в настоящее время известны лишь отдельные случаи реализации этого подхода.

Разбухание экструдата. Увеличение (разбухание) толщины стенок и размеров поперечного сечения выходящего из головки изделия - также одно из важных в экструзионной технике явлений, во многом определяющееся вязкоупругой природой расплавов полимеров. Обусловлено оно реализацией на выходе из головки имеющейся в расплаве упругой деформации.

В зоне переходного канала с интенсивно изменяющимся попереч­ ным сечением в связи с непрерывной перестройкой скоростного профиля потока в нем развиваются значительные сдвиговые напряже-

218

ния, приводящие к соответствующей запасенной расплавом упругой деформации. В зоне формующего канала с постоянным поперечным сечением скоростной профиль стабилизируется, и доля запасенной упругой деформации, инициированная входовым эффектом, постепен­ но реализуется, так что полная упругая деформация стремится к значению, соответствующему напряжению в стационарном потоке (последнее зависит только от скорости экструзии).

Степень реализации этой доли деформации к моменту выхода расплава из головки определяется соотношением характерного време­ ни релаксации и времени пребывания полимера в канале постоянного сечения (время пребывания уменьшается с ростом скорости и умень­ шением длины формующего канала). Как показывает практика, при соотношениях длины формующего зазора I к его высоте Я, больших 15-20, и практически при любых "скоростях экструзии имеет место почти полная реализация этой доли деформации. Сохранившаяся в расплаве упругая деформация реализуется на выходе из формующего канала и приводит к увеличению сечения экструдата, определяя величину коэффициента разбухания р (отношения какого-либо разме­ ра поперечного сечения экструдата к соответствующему размеру сечения канала).

Из рассмотренного очевидно, что при увеличении длины формую­ щего канала до указанных соотношений коэффициент разбухания уменьшается до некоего минимального значения Р м . Последнее зависит только от величины напряжений в стационарном потоке (и, следовательно, от скорости сдвига и температуры расплава). Экспери­ ментально установлено, что с ростом скорости сдвига интенсивность увеличения (Зм падает, и последний становится максимальным и практически не зависящим от скорости сдвига при ее значениях, больших 20-15 с- 1 . Таким образом, в указанном диапазоне скоростей сдвига, который чаще всего (за исключением экструзии весьма толс­ тостенных изделий) имеет место на практике, и с учетом того, что диапазон оптимальных температур экструзии обычно невелик, Рм можно считать с достаточной для инженерной практики точностью постоянным и зависящим только от материала.

В большинстве экструзионных процессов явление разбухания компенсируется соответствующей вытяжкой и нивелируется калиб­ ровкой. Однако в таких процессах, как, например, экструзия трубча­ тых заготовок для производства полых раздувных изделий, заготовка не подвергается калибровке и принудительной вытяжке. Между тем размеры заготовки должны быть строго согласованы с соответствую­ щими размерами раздувной формы. Отсюда очевидна необходимость учета коэффициента разбухания, при назначении диаметров дорна и мундштука раздувной головки, и поэтому на разбухании трубчатых экструдатов следует остановиться подробнее.

Опытным путем установлено, что коэффициенты разбухания наруж­ ного DH и внутреннего DB диаметров трубы при к = DB/DH > 1/3 можно считать с достаточной степенью точности равными. Далее, с уменьше-

219