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

Как отмечалось, наряду с однослойными получают все большее распространение многослойные пленки, позволяющие сочетать в одном изделии такие свойства, которые в комплексе не присущи ни одному из материалов: например, большую прочность с практически полной (или избирательной) газонепроницаемостью, допустимость контакта с пищевыми продуктами со светонепроницаемостью и др. Кольцевая головка для рукавной пленки в этом случае работает с несколькими экструдерами, подающими в нее расплавы различных термопластов (в настоящее время - до пяти).

Конструкции головок такого типа исключительно сложны, непре­ рывно и интенсивно совершенствуются, однако во многом еще не­ удовлетворительны. При их конструировании возникает много проб­ лем. Ключевая проблема - сложность или даже практическая невоз­ можность локального регулирования толщины каждого слоя по периметру кольцевой щели. Попытки решить ее приводят к возникно­ вению новых сложностей в конструировании.

Прежде всего, в этих головках используют систему каналов, пока­ занную на рис. 4.31. Из приведенного выше анализа ее (см. текст, набранный мелким шрифтом) ясно, что однородность экструзии интенсивно возрастает с увеличением длины коллектора <рк, т.е. с ростом степени перекрытия потоков при их наложении. И если при Фк * 250* и числе каналов i = 5 (пример - на рис. 4.31) достигается полное перекрытие трех потоков, чему соответствует значение пара­ метра однородности экструзии, равное 0,97 - 0,98, то в многослойных головках принимают значения <рк, соответствующие пятикратному перекрытию потоков (см. рис. 4.34, б). Тем не менее полностью изба­ виться от разнотолщинности не удается; она частично остается, однако уже не по причине несовершенства принципа коллекторной системы, а вследствие какой-либо (даже исключительно малой) неконцентрич­ ности поверхностей, образующих кольцевые каналы.

Отмеченная остаточная разнотолщинность приводит к следующему нежелательному явлению. Утолщение, расположенное вдоль по какой-либо образующей рукава, при сложении и последующей намот­ ке рукава накладывается само на себя с каждым новым оборотом вращающегося рулона. В этом месте рулона возникает локальное прогрессирующее увеличение его диаметра. Окружная скорость поверхности рулона в этом месте становится большей, чем в\других местах. Здесь возникает локальная необратимая вытяжка рукава, в •*

'и с. 4.34. Схема головки для экструзии пятислойной рукавной пленки:

о— узел подвода расплава от экструдеров (материал в каналах условно не показан); б — узел коллекторов и формующего канала (материал в каналах показан черным цветом и перекрестной штриховкой); в — кольцевой элемент; г — место уплотнения; 1 — переходник; 2а, б, в, г — втулки; 3 — основание узла коллектора; 4 — стакан; 5 — подшипник; 6 — обойма; 7 — венец зубчатого колеса; S —

Шестерня; 9 — фланец узла подвода расплава; 10 — электродвигатель; 11 — кольцевые зазоры между в'улками 2; 12 — кольцевой элемент; 13 — уплотнитель-подшипник; 14 — радиальный канал прием-

"ого блока 15; 16 — электрообогрев; 17 — корпусы коллекторов; 18 — внутренняя поверхность уплот­ нителя 13; 19 — уплотняющий ус уплотнителя 13

результате чего пленка теряет плоскостность: при последующей ее размотке на ней обнаруживаются в этом месте продольные волны гофры.

Это явление устраняется, если продольное утолщение пленки равномерно распределяется по всей ширине рулона,что возможно, когда утолщение ориентировано не по образующей рукава, а по вин­ товой линии на его поверхности. При производстве однослойных пленок повышенного качества этого добиваются, выполняя экструдер вместе с головкой вращающимся относительно приемно-намоточного устройства. При экструзии многослойных пленок вращать систему экструдеров нерационально; в этом случае вращающимся выполняют только узел-коллекторов и формующего канала головки, как, напри­ мер, это показано на рис. '4.34.

4.6.4. Кабельные головки

Кабельные головки, подобно трубным и пленочным, относятся j категории кольцевых, однако внутренняя поверхность формующего канала (рис. 4.35) образуется не дорном, а изолируемым проводом 4, который протягивается через головку со скоростью, доходящей до 2000 м/мин. На таких головках могут изолироваться как отдельные жилы, так и кабели, состоящие из множества отдельных проводов общим наружным диаметром до 150 мм. Наконечник 7, мундштук 3 и гайка 12 являются сменными; на одной головке можно производить изоляцию проводов различного диаметра, однако в пределах опреде­ ленного диапазона. Во избежание интенсивного износа вследствие трения изолируемого провода направляющий элемент гайки 12 и наконечник 7 выполняются из закаленной стали или твердых сплавов. Методы выравнивания потока подобны рассмотренным.

Гидравлический расчет и выбор размеров формующего канала кабельных головок имеют одну особенность, обусловленную протяж­ кой провода через формующий канал. На рис. 4.36 показана схема канала головки (рис. 4.36, а) и, более детально, часть его в окрестности формующего канала (рис. 4.36, б). Если, например, давление в канале головки р (в том числе и рф на входе в формующий канал 1) будет равно нулю, то расход расплава через формующий канал, несмотря на это, не будет равным нулю, так как протягиваемый через канал со скоростью V провод будет уносить из канала прилипающий к нему расплав. В канале установится распределение скоростей расплава, представленное эпюрой /. Эту составляющую расхода назовем вынуж­ денной. Величину ее QB можно определить следующим образом:

QB=0,5V(R-r)2iRcp; ^.p=(R+r)/2. (4.9$)

Если же скорость протяжки провода V будет равна нулю, а на входе в формующий канал будет некоторое давление рф, то будет иметь место расход через канал Qp. Эпюра скоростей расплава, соответству­ ющая этой составляющей расхода, имеет вид II. Выражение для Qp, т.е. для расхода через кольцевой цилиндрический канал, известно. В

272

рис. 4.35. Конструкция кабельной

головки:

1 — вход в головку; 2 — корпус головки; 3 — мундштук; 4 — изолируемый провод (кабель); S — формующий канал; 6 — местное расширение подводящего канала; 7 — наконечник; 8 — нак­ лонный коллектор; 9 — пиноль; 10 — направляю­ щая втулка пиноли; 11 — комплект отжимных и стягивающих болтов, регулирующих положение пиноли по высоте; 12 — гайка, направляющая провод в пиноль

Рис. 4.36. Схема канала кабельной головки:

а — общий разрез канала; б — разрез форму­ ющего канала; 1 — формующий канал; 2 — зазор между дорном (пинолью) 3 и проводом 4

5FT7

* 3

упрощенном виде его можно получить из уравнения для плоской щели (4.33):

Полный расход в канале Q равен сумме этих составляющих:

Очевидно, что расход в канале Q равен расходу Q, расплава, пода­ ваемого из экструдера в головку, причем величина Q3, как правило, принимается максимально возможной для данного экструдера по условию максимальности производительности кабельного агрегата в целом. Обратив теперь внимание на уравнение (4.101), в котором левая часть Q = Q, = const, видим, что первое слагаемое (4.99) зависит от скорости протяжки V, а второе (4.100) не зависит от нее. Это значит, что при увеличении V и, следовательно, первого слагаемого Q, второе слагаемое Qp неизбежно должно уменьшаться, причем уменьшаться оно может только по причине уменьшения рф. Наконец, с ростом V

273

значение Рф может стать равным нулю или даже отрицательным (т.е. в канале возникает разрежение). Это недопустимо, так как вдздух, проникающий при этом через зазор 2 между дорном 3 и проводом 4 в канал, ухудшает сцепление провода и изоляции.

Таким образом, очевидно, что на величину V должно быть наложено ограничение V < VI 1Р= о-Однако величина Уне может приниматься произвольно даже при учете этого ограничения. Она однозначно связана с производительностью экструдера Q3 условием получения изоляции требуемой толщины h. Эту связь между Q3 и V получили, записав уравнение расхода по полимеру для сечения Ш-Ш (см. рис. 4.36,6):

где h и г - толщина изоляции и радиус провода - параметры, не варьируемые для данного изделия. При заданной величине Q3 пара­ метр V также оказывается неварьируемым. Для удовлетворения условия

остаются возможными лишь вариации параметров геометрии канала R и L. Для того, чтобы получить аналитическое выражение для их опре­ деления с учетом (4.103), введем в левую часть уравнения (4.101) формулу (4.102), а в правую часть - формулы (4.99) и (4.100):

Прежде всего обнаруживаем, что вариации параметра L оказываются неэффективными для обеспечения условия (4.103). Так, если второе слагаемое оказывается большим, чем первое, то третье должно быть отрицательным, причем оно может быть отрицательным только за счет отрицательного значения рф, так как другие сомножители отрицатель­ ными быть не могут физически. Таким образом, единственный путь удовлетворения условия (4.103) - это вариация радиуса мундштука R. Действительно, обнаруживаем, что с уменьшением R уменьшается второе слагаемое, уменьшаются также первый и второй сомножители, следовательно, для соблюдения равенства (4.104) величина рф неиз­ бежно при этом должна возрастать.

Таким образом, воспользовавшись уравнением (4.104), можно определить такое значение радиуса мундштука R, при котором обес­ печивается гарантированное отсутствие разрежения на входе в фор­ мующий канал.

По уравнению (4.104) можно определить такое максимально допустимое значение Rt, при котором Рф становится равным нулю. Приравнивая третье слагаемое в (4.104) нулю и разрешая его относительно R, получаем:

274

Предлагается также дать ответ на вопрос: может ли служить для такой регулировки возможность осевого смещения пиноли 9 на рис. 4.35 посредством нажимных и отжимных винтов 12. Если ответ на этот вопрос будет положительным, то следует объяснить, по какой конкретно причине осевое смещение пиноли вызывает изменение давления на входе в формующий канал.

4.7. Головки для изделий сложного профиля

Головки данного типа отличаются от рассмотренных тем, что конфигу­ рация поперечных сечений экструдируемых профилей бесконечно разнообразна. Поэтому, если в предыдущих случаях при конструиро­ вании новой головки можно воспользоваться уже имеющимися кон­ структивными решениями, незначительно трансформировав их, то каждая новая головка для фасонного профиля представляет собой в известном смысле уникальную конструкцию. Тем не менее можно определить ряд общих положений, указывающих на пути правильного конструктивного оформления этих головок.

Этапом, предшествующим непосредственно конструированию головки, является анализ конфигурации сечения изделия с точки зрения его технологичности, т.е. соответствия тем требованиям, которые, определяясь конкретными особенностями технологии его формования, обеспечивают требуемое качество изделия, максималь­ ность производительности экструзионного агрегата, удобство обслу­ живания формующего инструмента (головки и калибрующие устрой­ ства) и т.д. Так же, как и при проектировании прессовых и литьевых форм, этот этап, как правило, выполняет конструктор головки и калибрующего устройства, согласуя изменения, вносимые в конфигу­ рацию сечения, с заказчиком изделия.

Основное технологическое требование к изделию - минимально возможная толщина его стенки: производительность агрегатов при производстве толстостенных изделий очень низка из-за малой скорос­ ти охлаждения; велика материалоемкость этих изделий, на их поверх­ ности неизбежно возникновение усадочных вмятин и утяжек. Конфи­ гурацию сечения этих изделий необходимо изменять, делая его полым (рис. 4.38, а).

Второе технологическое требование к изделию - это равнотолщинность его. Для равнотолщинных профилей намного проще выбор геометрии каналов, обеспечивающей равенство скоростей экструзии в различных точках выходного сечения формующего канала. Скорость охлаждения профиля в калибрующем устройстве и охлаждающей ванне также одинакова в различных местах сечения, вследствие чего в материале профиля практически отсутствуют внутренние напряже­ ния, изделие поэтому не коробится. Примеры предпочтительного изменения конфигурации сечения в соответствии с этим требованием показаны на рис. 4.38, б, в.

Следует избегать профилей с замкнутыми полостями, если они не требуются по условиям эксплуатации изделия (см. рис. 4.38, а), так как крепление дорна, формующего замкнутую полость, более сложно:

276

Рис. 4.3 9. К выполнению острых углов каналов. Пояснения в тексте

требуется дорнодержатель с ребрами, а также сообщение этой полости с атмосферой через систему отверстий в дорне, ребрах дорнодержателя и корпусе головки.

Профили с замкнутыми полостями и внутренними перегородками и ребрами охлаждаются только по наружной поверхности, в связи с чем охлаждение наружных стенок гораздо более интенсивно, чем перего­ родок. Для обеспечения равенства скоростей их охлаждения (необхо­ димость этого уже отмечалась) толщина перегородок должна выби­ раться на 2030% меньшей, чем стенок.

Изделие по возможности не должно иметь острых углов, причем это р гораздо большей степени относится к наружным (1), чем внутренним {2) углам (рис. 4.39, а). Дело в том, что в некоторой области А (рис. 4.39, б) соответствующего внутреннего угла мундштука возника­ ет занижение скорости экструзии по сравнению с другими местами канала, удаленными от внутренних углов, вследствие чего на изделии возникает искажение конфигурации угла 1, показанное на рис. 4.39, е. Практикой установлены минимально Допустимые значения радиусов скругления внутренних и наружных углов изделия, зависящие как от толщины стенки профиля, так и от типа материала; ориентировочные их значения - 0,2 - 0,3 и 0,3( - 0,4 мм соответственно. Если же возни­ кает необходимость в острых углах на изделии по условиям его эксплуатации, то приходится прибегать к корректировке геометрии формующего канала в выходной его части по типу показанной на рис. 4.39, г, д, что, конечно, усложняет изготовление мундштука.

Прежде чем перейти к рассмотрению особенностей и правил конст­ руктивного оформления непосредственно самих головок, разберем пример одной из конструкций, приведенный на рис. 4.39, что позволит более конкретно уяснить эти особенности. Здесь показана конструк­ ция головки для изготовления полого профиля со сложным контуром поперечного сечения. Фигурный дорн 1 с поперечным сечением на выходе, соответствующим конфигурации изделия, и круглым сечени­ ем у дорнодержателя 2 крепится к последнему обычным способом. Мундштук 3 имеет возможность смещаться относительно дорна в радиальных направлениях винтами 4; вращение мундштука относи­ тельно дорна осуществляется винтами 5. Эти возможные перемещения необходимы для точного согласования положений мундштука и дорна с целью выравнивания (корректировочного) скоростей расплава в различных точках поперечного сечения формующего канала на выходе из него.

277

Как отмечалось, дорн и дорнодержатель имеют отверстия 6 и 8 соответственно, которые сообщают полость экструдируемого изделия с атмосферой. Необходимо это лишь при пуске установки, так как при обычном режиме ее работы данная полость сообщается с атмосферой через открытый конец профиля. При пуске же, чтобы протянуть на­ чавший выходить из головки экструдат по всему его тракту (т.е. через калибрующее устройство и ванну) к приемно-тянущему устройству, которое затем подхватит профиль, вышедший конец экструдата аппаратчик сминает, заформовывая в него конец проволоки, уже размещенной в этом тракте. Вытягивая из тракта проволоку, заправ­ ляют в него таким образом экструдируемый профиль. Однако, как видно, полость в конце профиля при этом оказывается пережатой4и, если бы не было отверстий в дорне и дорнодержателе, в увеличиваю­ щийся ее объем воздух поступать бы не смог, вследствие чего полость „схлопнулась" бы и противоположные стенки полости слиплись.

Таким образом, очевидно, что конструкция головок для полых профилей на участке от входа до дорнодержателя (включая послед­ ний) практически не отличается от конструкции трубных головок. Особую трудность здесь представляет конструирование и изготовле­ ние переходного канала, осуществляющего плавную трансформацию кольцевого сечения на входе в сечение, соответствующее конфигура­ ции детали. Следует при этом отметить, что основные правила конст­ руирования мундштуков для полых и монолитных профилей практи­ чески одинаковы.

Производство таких головок, как правило, индивидуально (одна головка обычно полностью удовлетворяет потребность в данном изделии), поэтому изготовление деталей, оформляющих переходный канал, литьем неэкономично и осуществляется на металлорежущих станках. Если при этом учитывать минимальность последующей ручной доводки конфигурации, то отсюда вытекают определенные ограничения в выборе оформляющих подводящий и переходный каналы поверхностей и их сопряжений. Конфигурация переходного канала в теле мундштука (или корпуса головки) в ряде случаев столь сложна (например, как на рис. 4.40), что оказывается часто более технологичным изготовить его из двух или более деталей.

Обобщая изложенное ранее, можно определить следующие условия, которым должна удовлетворять конструкция переходного и формую­ щего каналов:

1)обеспечение плавного перехода от канала у дорнодержателя (или канала переходника, если изделие не полое) к оформляющему каналу сложного профиля;

2)технологичность поверхности переходного канала и конструкции мундштука в целом;

3)отсутствие зон застоя;

4)наличие таких углов сходящихся поверхностей суживающегося или расширяющегося переходного канала, которые удовлетворяли бы условию f < VK (4.8);

278

Рис. 4 . 4 0 . Конструкция головки для изготовления сложного полого профиля:

1 — дорн; 2 — дорнодержатель; 3, За — мундштук; 4, 5 — регулировочные винты положения мундштука относительно дорна; 6, в — отверстия в дорне и дорнодержателе соответственно; 7 — Корпус головки

5) удобство изготовления и чистки состоящего из нескольких деталей мундштука при минимальном числе разъемов; \

6)расположение плоскостей разъема отдельных деталей мундштука таким образом, чтобы стык их не попадал на лицевые поверхности изделия (это необходимо потому, что по линии стыка на изделиях остаются следы в виде иногда очень заметных рисок); оптимальное расположение стыков - на углах изделия;

7)правильная ориентация конфигурации сечения переходного и формующего каналов относительно вертикали; в общем случае пред­ почтительна такая ориентация, при которой выходящий из головки

279