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

tnTi Я777,

Ш--ЯI1.

* °> <D

(до 1,0- 1,5 см2) давление воздуха оказывается достаточным и без установки пробки. В других случаях кроме использования пробки возможна герметизация посредством пережима полости в конце экструдируемого изделия.

Для тонкостенных изделий (до 2 мм) эффективный прижим может быть осуществлен давлением, не превышающим 0,1 МПа, поэтому для таких изделий возможно применение вакуумного способа прижима, показанного в трех модификациях (монотонный канал и расположен­ ные в охлаждающей ванне диафрагмы на рис. 4.50, б, а также монотон­ ный перфорированный канал в вакуумируемой охлаждающей ванне на рис. 4JS0, е).

В варианте калибровки, показанном в верхней части рис. 4.50, б, металлический блок с калибрующим отверстием имеет чередующиеся кольцевые полости, причем в одних" циркулирует охлаждающая вода, а другие сообщены с вакуумной линией и имеют множество отверстий' малого диаметра, передающих прижимающее воздействие вакуума на калибруемое изделие. Вакуумная калибровка обладает преимущест­ вами по сравнению с калибровкой давлением, заключающимися в том, что, во-первых, отсутствует необходимость пережима изделия или установки пробки и подачи воздуха через головку, во-вторых, воз­ можна калибровка изделий открытого типа, как это показано на рис. 4.50, в, в-третьих, в этом случае калибруется наружная поверх­ ность изделия, которая, как правило, является ответственной. Однако сообщенные с вакуумом отверстия, несмотря на их малый диаметр, могут оставлять риски на поверхности изделий из некоторых полиме­ ров.

С- целью снижения сил трения скольжения изделия о поверхности калибрующего устройства последнее можно выполнять в виде не­ скольких последовательно установленных групп вращающихся роликов (рис. 4.50, г)."

Часто калибрующие устройства могут представлять собой комбина­ цию элементов согласно рассмотренной ранее классификации, причем в ряде случаев могут калиброваться одновременно как внутренние, так и наружные поверхности. Так, на рис. 4.50, д показано устройство, трансформирующее кольцевое, замкнутое на выходе из головки поперечное сечение заготовки в U-образное открытое поперечное сечение готового изделия, причем внутренняя поверхность изделия калибруется монотонным стержнем, а наружная - набором диафрагм.

Рис. 4.50. Варианты конструкций калибрующих устройств:

о — наружная калибровка сжатым воздухом; б — наружная калибровка вакуумом изделия закрытого типа; в — внутренняя калибровка вакуумом изделия открытого типа; г — калибровка Роликами; д — комбинированный тип калибрующего устройства; е — наружная калибровка трубы в вакуумной герметичной ванне калибрующей перфорированной втулкой; 1 — дорн; 2 — мундштук; * — изделие; 4 — набор диафрагм; 5 — охлаждающая вода; 6 — пробка с кольцевым резиновым уплот­ нением; 7 — калибрующий элемент; S — воздух под избыточным давлением; 9 — вакуум; 10 — ропи- к и ; И — нож, разрезающий трубчатую заготовку

291

Каждый из представленных на рис. 4.50 вариантов может быть классифицирован по отмеченным выше четырем признакам. Например, вариант ке" — это наружная ка)Шбровка с вакуумным прижимом к калибрующему элементу в виде монотонного канала при комбинированном способе охлаждения. Предлагается самостоятельно выполнить такую классификацию всех этих вариантов.

Предлагается также оценить, какой из двух близких вариантов „6"" (верхний) и „е* характеризуется: а) более интенсивным охлаждением полого профиля; б) меньшей силой трения профиля о калибр; в) большей простотой в обслуживании при заправке профиля во время пуска агрегата; г) лучшим качеством наружной поверхности изделия.

Удовлетворительная работа калибрующего инструмента (достаточ­ ная степень охлаждения изделия, его размерное соответствие, устой­ чивость режима калибровки и т.п.) зависит от того, насколько верно определены основные его размеры - длина и конфигурация попереч­ ного сечения. Как уже отмечалось, в калибрующем инструменте имеет место неполное охлаждение изделия, необходимое лишь для образо­ вания слоя отвердевшего полимера, достаточно прочного, чтобы противостоять в процессе окончательного охлаждения (как правило, при прохождении изделия через ванну с проточной водой) воздейст­ вию следующих силовых факторов: внутренних напряжений в теле охлаждающегося изделия, силы собственного веса, избыточного давления воздуха внутри изделия при соответствующем методе калибровки, тянущего усилия, гидростатического давления воды в охлаждающей ванне.

Толщина отвердевшего слоя зависит от времени контакта профиля с калибрующим устройством и, следовательно, от длины последнего. Таким образом, задача нахождения требуемой длины калибрующего устройства должна состоять из следующих основных этапов: опреде­ ление необходимой толщины отвердевшего слоя из условия его прочности под воздействием указанных усилий и затем определение длины устройства, обеспечивающей указанную толщину слоя.

Наибольшее силовое воздействие на откалиброванный профиль оказывают давление воздуха и тянущее усилие, так что воздействием прочих факторов по сравнению с указанными можно пренебречь. При этом условия прочности отвердевшего слоя имеют следующий вид:

под воздействием внутреннего давления

где р — давление воздуха; D — наружный диаметр трубы; N — тянущее усилие; П — пери­ метр поперечного сечения изделия, контактирующий с калибрующим устройством; [о] — допускаемое напряжение; s* — необходимая толщина отвердевшего слоя.

Взаимосвязь между толщиной отвердевшего слоя на выходе из устройства и длиной последнего определяется из уравнения тепло­ проводности, которое для рассматриваемого случая (рис. 4.51) имеет следующий вид:

292

где Т — температура в какой-либо точке по толщине профиля на участке пребывания его в калибрующем устройстве; v — скорость протяжки профиля через калибрующее устройство; а — температуропроводность полимера; х и у — соответственно продольная и поперечная координаты (рис. 4.51).

Решаем это уравнение при следующих граничных условиях: Г1х=оТо;Г1у=,= Гс; (ЭГ/Эу)1у=о = 0,

где Го — температура расплава на входе в калибрующее устройство; Гс — температура стенки калибрующего устройства.

Решение, описывающее распределение температуры в массе охлаж­ даемого изделия (т.е. в области 0 < х < 1 и 0 < у < 5 ) , с достаточной степенью точности можно представить в следующей форме:

[Т(х, у) - ГС]/(Г0 - Гс) = (4/n)cos[(n/2)(y/s)]exp(-*x/v); g * 2,5a№. (4.110)

Как видно из рис. 4.51, в охлаждаемом изделии имеются области отвердевшего (Г < Tg) и не отвердевшего {Т > Tg) полимера с поверх­ ностью раздела между ними (Г = Tg), где Tg - температура стеклования (кристаллизации) полимера. Координата yg поверхности раздела монотонно уменьшается с ростом х, причем согласно условию проч­ ности отвердевшего слоя при х = L она должна быть равна (s - s*). Подставив эти значения в выражение (4.110), получим формулу для определения минимально необходимой длины калибрующего устрой­ ства:

L = (v/*)ln{(4/n)[(r,-Tc)/(Te- rc)]cos[(n/2)(s- **)/*]}• (4.111)

Формулы (4.107) и (4.108) получены при условии постоянства [о] по толщине отвердевшего слоя. При учете сильного падения [о] с ростом температуры и интенсивного изменения температуры по толщине отвердевшего слоя от Tg до Гс это, строго говоря, неверно. Однако принятие в данном случае в качестве [о] его значения для темпера­ турной области, близкой к 7^, обеспечивает достаточную надежность формул (4.107) и (4.108). Значения [о] при соответствующих Tg для некоторых материалов приведены ниже:

293

каждом конкретном случае на стадии его проектирования затруднено тем, что часто сложно бывает спрогнозировать значения ок и F3 для принятого к изготовлению профиля. Эти значения, как правило, принимаются равными значениям уже известным из практики успеш­ ной эксплуатации калибров при производстве профилей подобной конфигурации из близкого (или того же) типа материала. Однако даже если их достоверные значения и неизвестны, то эти расчеты целесооб­ разно выполнять как оценочные при определении принципиального конструктивного оформления калибра. Так, если расчет показывает, что общий интервал неравенств имеет место в ограниченной области (s*/s), например от 0,5 и выше, то следует ожидать неустойчивой, нена­ дежной работы калибра в виде монотонного канала. Вид формул (4.111) и (4.113) в этом случае подсказывает возможные пути расшире­ ния этой области. Один из путей, технологический, уже рассмотрен: снижение скорости протяжки. Он крайне нежелателен, так как снижа­ ется производительность агрегата.

Снижение величины F3 [см. (4.113)J возможно правильным выполне­ нием заходнои части канала: небольшим плавным расширением на входе и скругленными кромками.

Другой путь - интенсификация охлаждения в процессе калибровки. Так, если калибр выполнить в виде двух или трех разобщенных секций с охлаждением профиля на участках между ними водой непос­ редственно в охлаждающей ванне, то суммарная длина секций (и, следовательно, сила трения в них) окажется меньшей, чем эквивалент­ ная им" с точки зрения охлаждения длина монолитного калибра (см. пример на рис. 4.50, б).

Многосекционными калибры лучше выполнять еще и потому, что при этом можно обеспечить более надежный контакт поверхности охлаждающегося и уменьшающегося в размерах профиля с поверх­ ностью калибра, выполняя секции с последовательно уменьшающими­ ся размерами сечения калибрующего отверстия и взаимно сближая или разводя секции (при отладке режима) до возникновения контакта каждой из них с профилем. Сигналом возникновения контакта служит появление осевого усилия на секции (целесообразно оснащение секций устройствами для фиксации этого усилия).

В пределе многосекционные калибры должны состоять из множест­ ва секций в виде шайб толщиной 4-15 мм, установленных на двух или трех общих направляющих, по которым они могут взаимно смещаться. Так как каналы для вакуума и водяного охлаждения в этом случае в секциях уж? не выполнимы, то комплект шайб помещается непосред­ ственно в охлаждающую ванну (сразу после входа в нее). Если при этом профиль полый, то для прижима его к диафрагмам (шайбам) при­ меняют вакуумируемую ванну.

Из формулы (4.113) видно, как важно стремиться уменьшить коэф­ фициент трения / и напряжение ок прижатия профиля к калибру. Коэффициент трения о шайбы намного ниже, чем о монотонный канал, так как в место контакта может попадать вода, выступая здесь в роли

295

?к с. 4.53. Разъемное калибрующее устройство:

1— калибруемый профиль; 2 — нижняя половина калибра; 3 — канал охлаждения нижней поло­ вины калибра; 4 — верхняя половина калибра; 5 — канал охлаждения верхней половины калибра; б,

12, IS — контгайки; 7,11— гайки; 8 — пружина; 9 — паз плиты 14; 10 — пружина; 13 — откидной болт; 14 — крепежная плита; 16 — фиксирующий винт

смазки. По этой же причине сила трения в варианте „е" на рис. 4.50 меньше, чем, например, в варианте „а" сверху.

Так как величину ок часто достоверно предсказать на стадии проектирования калибра нельзя, то в его конструкции необходимо предусматривать возможность регулировки ок с тем, чтобы при отлад­ ке процесса добиваться такого минимально возможного его значения, при котором еще достигается надежный контакт профиля с калибром. На рис. 4.53 показано калибрующее устройство, позволяющее регули­ ровать усилие прижима профиля 1 к поверхностям двух разъемных половин калибра 2 и 4 и, следовательно, величину ок практически от нулевого их значения.

296

ff 5a Ш 55

Рис. 4.54. Фильтр кассетного типа:

1 — гидроцилиндр; 2 — толкатель гидроцилиндра; 3 — дренажное отверстие; 4 — кассета; 5а, 56 — фильтрующие элементы; 6, 7 — блоки корпуса фильтра; 8 — цилиндр экструдера; 9 — червяк; 10 — опорное кольцо; И — выточка на опорном кольце; 12 — кольцевая проточка на фильтрующем эле­ менте

снятие головки при замене неизбежны. Потери материала при после­ дующем пуске агрегата значительны. Использование этого типа целе­ сообразно при очень редких сменах. Например, при экструзии толсто­ стенных профилей мелкие включения поверхностных дефектов практически не вызывают, к тому же еще и при непрозрачных матери­ алах они по существу не влияют на качество изделия. В связи с этим используют крупноячеистые сетки, засорение которых происходит очень медленно.

Второй, кассетный тип показан на рис. 4.54 в виде сверху с горизон­ тальным разрезом по оси червяка 9 и цилиндра экструдера 8. Корпус фильтра состоит из двух блоков 6 и 7, между которыми зажата кассета 4. Фильтрующий элемент 5 представляет собой квадратную пластину с центральной круглой частью, диаметр которой равен диаметру отвер­ стия в цилиндре экструдера. Эта часть выполнена в виде решетки (множество близко расположенных малых цилиндрических. отвер­ стий), на которую опирается закладываемая в кольцевую проточку сетка (на рис. не показана). Фильтр имеет четыре позиции размещения элемента: позицию установки /, позицию удаления воздуха II, рабочую позицию Ш и позицию изъятия IV. При работе агрегата в кассете фильтра находятся два элемента 5а и 56 в позициях II и III соответст­ венно.

При смене элементов без остановки экструдера очередной элемент устанавливается вертикально в позицию / и толкателем 2 гидроци­ линдра 1 подается в позицию II, смещая отработавший элемент 56 в позицию изъятия, откуда он затем удаляется вручную, а элемент 5а - в рабочую позицию. Заключенный в отверстиях решетки элемента 5а воздух при этом расплавом из цилиндра выдавливался бы в выходной канал, попадая затем в канал головки и в изделие, у которого возни­ кал бы бракованный участок на некоторой длине. Во избежание этого смена элементов проводится в две стадии. На первой стадии элементы

298

смещаются на расстояние до совмещения выточки 11 кольца 10 с кольцевой проточкой 12 в элементе 5а. На этой стадии элемент 56 продолжает по-прежнему работать, однако расплав начинает затекать через указанные выточку и проточку в элемент 5а, заполняя отверс­ тия в сетке и решетке. Как только расплав показывается из дренажно­ го отверстия 3, что свидетельствует об окончании первой стадии (удаления воздуха), толкатель 2 продолжает движение, завершая смену элементов.

Гидравлическое сопротивление фильтрующего элемента можно уменьшать, увеличивая площадь фильтрации, однако в рассмотренных конструкциях фильтров площадь фильтрации ограничена площадью сечения отверстия цилиндра экструдера: значительное увеличение диаметра элемента по сравнению с диаметром цилиндра привело бы к прогрессивному возрастанию усилий от давления расплава, неприем­ лемому увеличению габаритов и металлоемкости конструкции фильт­ ра. В связи с этим фильтры данных конструкций эксплуатируются с относительно крупноячеистыми сетками, имеющими небольшое удельное гидравлическое сопротивление. Тонкая очистка расплава на этих фильтрах невозможна. Для тонкой же очистки используют фильт­ ры принципиально иной конструкции с развитой поверхностью фильт­ рации.

На рис. 4.55 показан пример конструкции фильтра для тонкой очистки. Фильтр имеет два элемента 1 а и 16, представляющих собой полые цилиндры из пористого материала с сообщающимися порами. Два поворотных крана 2а и 26 пробкового типа могут переключать поток расплава из цилиндра экструдера 3 с одного фильтрующего элемента на другой. Преимущества этой конструкции очевидны: большая поверхность фильтрации, достигаемая за счет достаточной длины элементов при относительно малом их диаметре, вследствие чего невелики распорные усилия, возникающие от давления расплава в местах соединений деталей корпуса фильтра. Клапаны кинемати­ чески связаны друг с другом, так что поворот их осуществляется одновременно от одного привоДа.

Последняя из рассмотренных конструкций фильтров имеет лишь один, четвертый недостаток. Медленное, монотонное снижение произ­ водительности экструдера вследствие постепенного засорения фильт­ рующего элемента в современных конструкциях экструзионных агрегатов, оснащаемых различного рода системами автоматического управления, может быть компенсировано тем или иным способом и при этом не влияет на качество продукции. Например, в пленочных агрегатах по сигналу от датчика толщины пленки, свидетельствующе­ му о ее уменьшении вследствие, снижения производительности экст­ рудера, система может вырабатывать компенсирующую команду на увеличение частоты вращения червяка или уменьшение скорости приема и намотки пленки. Однако очень кратковременная пульсация производительности во время смены фильтрующего элемента (время смены его в конструкциях типа показанных на рис. 4.54 и 4.55 равно

299