Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет» Ю. В. Перухин, Т. Р. Дебердеев, С. Н. Русанова РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПЛАСТМАСС И ФОРМУЮЩЕЙ ОСНАСТКИ ЭКСТРУЗИОННЫЙ ФОРМУЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ Учебное пособие Казань Издательство КНИТУ 2017 1 УДК 678.5.06.001.24(075) ББК 35.71.я7 П27 Печатается по решению редакционно-издательского совета Казанского национального исследовательского технологического университета Рецензенты: зав. каф. химической технологии пластмасс РХТУ им. Д. И. Менделеева д-р хим. наук, проф. В. В Киреев зав. каф. химии и технологии переработки пластмасс и полимерных композитов МГТУТХТ им. М. В. Ломоносова д-р техн. наук, проф. И. Д. Симонов-Емельянов П27 Перухин Ю. В. Расчет и конструирование изделий из пластмасс и формующей оснастки. Экструзионный формующий инструмент : учебное пособие / Ю. В. Перухин, Т. Р. Дебердеев, С. Н. Русанова; Минобрнауки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2017. – 96 с. ISBN 978-5-7882-2172-4 Содержит рекомендации по выбору конструкции и расчету основных узлов экструзионного формующего инструмента. Предназначено для студентов, обучающихся по направлениям подготовки 18.03.01 «Химическая технология» (бакалавриат) и 18.04.01 «Химическая технология» (магистратура), изучающих дисциплины «Расчет и конструирование изделий из полимеров и оснастки», «Разработка конструкции и расчет технологической оснастки». Подготовлено на кафедре технологии переработки полимеров и композиционных материалов. УДК 678.5.06.001.24(075) ББК 35.71.я7 ISBN 978-5-7882-2172-4 © Перухин Ю. В., Дебердеев Т. Р., Русанова С. Н., 2017 © Казанский национальный исследовательский технологический университет,2017 2 ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ ........................................................................................... 5 1 1.1 1.2 1.3 ЭКСТРУЗИЯ .............................................................................. Общая информация о процессе ................................................ Материалы, перерабатываемые экструзией ............................ Конструкция одношнекового экструдера ............................... Вопросы для самопроверки ...................................................... 6 6 6 9 13 2 2.1 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4 2.3 ЭКСТРУЗИОННЫЕ ГОЛОВКИ .............................................. Классификация экструзионных головок ................................ Формующие головки с кольцевым выходным профилем ..... Прямоточные головки с дорнодержателем ............................ Экструзионные головки с ситчатой корзиной ........................ Экструзионные головки с боковой подачей расплава ........... Экструзионные головки со спиральным распределителем ... Особенности конструкции формующих головок для изготовления заготовок ...................................................... Головки с радиальным обтеканием ......................................... Головки с осевым обтеканием ................................................. Накопительные (аккумуляторные) головки............................ Щелевые экструзионные головки ............................................ Профильные головки (конструкции и особенности проектирования) ........................................................................ Экструзионные головки со сменной фильерой ...................... Ступенчатые головки ................................................................ Экструзионные головки с постепенным изменением поперечного сечения ................................................................. Головки для соэкструзии термопластов .................................. Соэкструзионные головки с внешним комбинированием..... Головки с блоком подачи расплава (адаптером) .................... Многоколлекторные головки ................................................... Типовые конструкции головок для соэкструзии .................... Головки для многослойных заготовок полых изделий, получаемых последующим раздувом ...................................... Вопросы для самопроверки ...................................................... 14 15 16 18 21 22 24 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.4 2.5 2.5.1 2.5.2 2.5.3 2.6 2.6.1 2.6.2 2.6.3 2.6.4 2.6.5 3 26 28 29 30 31 37 38 39 40 40 42 43 47 48 50 51 РАСЧЕТЫ ЭКСТРУЗИОННЫХ ГОЛОВОК .......................... Гидравлический расчет (метод эффективной вязкости) ........ Механический расчет решетки ................................................ Расчет решетки на прочность ................................................... Определение прогиба пакета сеток.......................................... Механический расчет крепежных винтов и спиц дорнодержателя ......................................................................... 52 52 60 61 63 4 4.1 4.2 НАГРЕВ ЭКСТРУЗИОННЫХ ГОЛОВОК ............................. Варианты обогрева и области их применения........................ Тепловой расчет экструзионных головок ............................... Вопросы для самопроверки ...................................................... 69 69 70 74 5 5.1 КАЛИБРУЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ ........................................ Классификация методов калибрования и калибрующих устройств .................................................................................... Типы калибрования и их применение ..................................... Наружное калибрование с помощью сжатого воздуха .......... Наружное калибрование с помощью вакуума ........................ Внутреннее калибрование ........................................................ Специальные методы калибрования........................................ Расчеты калибраторов............................................................... Вопросы для самопроверки ...................................................... 75 6 БАЗОВЫЕ ПРИНЦИПЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ ................. 88 7 МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭКСТРУЗИОННЫХ ГОЛОВОК .............................................. Требования к материалам ......................................................... Типы сталей для изготовления деталей .................................. 89 89 89 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ .................................................................... 92 ПРИЛОЖЕНИЕ .................................................................................... 93 3 3.1 3.2 3.2.1 3.2.2 3.3 5.2 5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.2.4 5.3 7.1 7.2 4 65 75 77 77 78 81 82 83 87 ВВЕДЕНИЕ В индустрии пластмасс одной из важнейших технологий является экструзионная обработка, охватывающая более половины выпускаемых в мире термопластичных материалов. В последние годы возрастает жесткость требований, предъявляемых технологии экструдирования, в частности, такими факторами, как резкий рост объемов продукции для тароупаковочной отрасли, резкий рост цен на сырье, повышение расходов в области энергозатрат и все более жесткие функциональные требования. В результате при разработке технологий экструдирования стандартными функциями стали повышение уровня точности, эффективности и энергосбережения. Разнообразие экструзионных изделий – трубы, профили, пленки, листы, выдувные изделия и т.д. – обусловливает значительные различия в конструкции формующего инструмента, однако существуют общие закономерности, определяющие конструктивные особенности экструзионных головок и калибров. Цель настоящего учебного пособия – помочь обучающимся в самостоятельном изучении разновидностей формующего экструзионного инструмента, составляющих элементов и узлов, их обоснованного выбора и освоения методик расчетов. В ходе изучения студентами настоящего пособия решаются следующие задачи обучения: − приобретение навыка анализа конструкции и работы формующего инструмента; − выявление основных классификационных признаков экструзионных головок и калибрующих устройств; − освоение методик проверочных расчетов элементов экструзионных головок и калибрующих устройств. Данное пособие может быть использовано как для теоретической подготовки по курсу «Расчет и конструирование изделий из пластмасс и формующей оснастки», так и для выполнения различных квалификационных работ. 5 1 ЭКСТРУЗИЯ 1.1 Общая информация о процессе Экструзия – это изготовление из гранулированного, порошкообразного или зернистого полимера бесконечного формованного профилированного изделия. В экструзионной установке наиболее значимым узлом является сам экструдер. Принцип работы экструдера состоит в том, что в нагреваемом материальном цилиндре вращается шнек, который захватывает из бункера материал, перемещает его, уплотняет, расплавляет и гомогенизирует, а затем выдавливает сквозь выходное (формующее) отверстие головки. Сам по себе экструдер не является машиной для переработки полимеров, а представляет собой лишь пластицирующее устройство. Экструдер, укомплектованный формующей головкой, устройствами калибровки, охлаждения, отвода и намотки – это технологическая установка для переработки полимеров (рис. 1.1). Рис. 1.1. Схема экструзионной линии: 1 – источник энергии; 2 – полимерное сырье; 3 – экструдер; 4 – экструзионная головка; 5 – калибрующее устройство; 6 – охлаждающее устройство; 7 – тянущее устройство; 8 – намотка; 9 – сепаратор; 10 – приемное устройство; 11 – экструдат (готовая продукция) 1.2 Материалы, перерабатываемые экструзией Экструзии поддаются все термопласты. Единственное ограничивающее условие – в состоянии плавления полимеры должны обладать высокой степенью вязкости. Это необходимо для того, чтобы выходящий из формующей полости головки расплав не растекался и со6 хранял на короткое время приданную ему форму. Высокая вязкость расплава достигается либо высокой степенью полимеризации, либо введением в полимер специальных добавок. Из всего обилия термопластов экструзией чаще других перерабатывается поливинилхлорид (ПВХ), за ним следуют полиэтилен (ПЭ) и полипропилен (ПП). В табл. 1.1 приведены основные термопласты, перерабатываемые экструзией, и некоторые изделия, которые могут быть получены по этой технологии. Таблица 1.1 Термопласты, перерабатываемые экструзией Полимер 1 Ацетат целлюлозы Полистирол Температура Примеры изделий Условное на их основе обозначение переработки, °С 2 3 АЦ 160–200 ПС 170–210 Пленки, в том числе вспененные 170–220 Листы, трубы, щетина Сополимер стирол с бутадиеном Сополимер акрилонитрилбутадиена со стиролом Полиэтилен высокого давления Полиэтилен низкого давления АБС 170–220 ПЭВД ПЭНД 7 4 Профильные планки, плоские пленки, трубы Листы, трубы, профили 130–200 Трубы, листы, пленка, вытянутая пленка, изоляция проволоки, мононити 140–220 Трубы, листы, пленка, изоляция, мононити, ленты 1 Полипропилен Непластифицированный поливинилхлорид (винипласт) 2 3 ПП 180–260 Окончание табл. 1.1 4 Трубы, плоские пленки, листы, мононити, ленты, двухосноориентированные пленки Трубы, листы профили, профили, 180–210 Трубы, листы ПВХПЛ 150–190 Шланги, профили, изоляция проволоки и кабеля, пленка Полиметилметакрилат ПММА 160–190 Плиты, трубы Поликарбонат ПК 300–340 Плиты, профили ПВХ 180–200 Сополимеры поливинилхлорида Пластифицированный поливинилхлорид (пластикат) Полиамид Полиформальдегид ПА 260–300 ПФ 170–200 профили, Шланги, изоляция и покрытия прволоки, мононити, трубы Трубы, профили В последнее время к монолитным экструдируемым смесям добавились экструдаты со вспененной текстурой, а также различные многослойные и комбинированные материалы для тароупаковки как из полимеров на основе нефтехимического сырья, так и биоразлагаемых полимеров. 8 1.3 Конструкция одношнекового экструдера Одношнековый экструдер состоит из материального цилиндра с размещенным в нем шнеком, электродвигателя, загрузочного бункера и редуктора (рис. 1.2). На цилиндре устанавливаются несколько хомутовых нагревателей (от 4 до 6), каждый из которых регулируется индивидуально. В каждой зоне нагрева смонтировано охлаждающее устройство для повышения точности регулировки температуры. Для предотвращения преждевременного оплавления полимера зона цилиндра вблизи загрузочного отверстия в процессе работы постоянно охлаждается. Рис. 1.2. Схематическое изображение экструдера: 1 – шнек; 2 – материальный цилиндр; 3 – нагреватель; 4 – загрузочный бункер; 5 – редуктор; 6 – двигатель В вопросе выбора конструктивного варианта экструдера особое внимание следует уделять наиболее важной детали, которой является шнек. Более других зарекомендовали себя с положительной стороны трехзонный шнек и шнек с уменьшающимся шагом и постоянной глубиной нарезки. Внешне любой шнек состоит из сердечника, который как бы обвивается относительно узким пояском с закругленными боковыми поверхностями. Углубление называются витками шнека. 9 Важными параметрами, характеризующими работу шнека, являются следующие (рис. 1.3): − длина (L) и диаметр (D), а также отношение длины к диаметру (L/D); − глубина нарезки в начале и конце шнека (h1 и h2); − длины отрезков с различной глубиной нарезки (L1, L2, L3,); − ширина гребня (e); − шаг витка (t); − угол винтовой нарезки (φ). Рис. 1.3. Геометрия шнека Данные о диаметре и соотношении длины и диаметра (L/D) – величины, по которым может быть дана оценка производительности экструдера. Крутящий момент шнека и его диаметр являются параметрами, характеризующими конструкцию экструдера. Таким образом, экструдеры классифицируются по производительности и изготавливаются только со шнеками определенного диаметра. Общепринятые размерные параметры шнеков: – диаметр (D) – длина (L) — — – глубины нарезки (h1 и h2) — 45, 60, 90, 120, 150, 200, 250; от 20 до 30 D (в некоторых современных конструкциях длина шнека достигает 36 D); при условии постоянного шага нарезки определяют коэффициент сжатия шнека; они необходимы для уплотнения полимерной массы при переходе в состояние плавления. 10 Воздух, который всегда попадает в цилиндр вместе с загружаемым материалом вытесняется через штуцер. Соотношение ( h1 h2 ) наиболее распространенных шнеков составляет от 1 : 2 до 1 : 3. Размерные параметры шага витка (t) и ширины гребня (e) согласуются с размерами шнека и, как правило, составляют t = D , a e = 0,1D . Шнек и цилиндр образуют узел пластикации. Цилиндры могут быть цельными или собранными из двух частей. При переработке пластикатов ПВХ и при использовании шнеков с дегазацией для ПС, УПС, АБС, ПММА предпочтение отдают цельным цилиндрам. Для переработки полиолефинов используют сборные цилиндры, которые состоят из короткой захватывающей втулки (до 3D) и гладкой трубы цилиндра. Для выполнения специальных задач используются различные геометрии шнеков (табл. 1.2). Геометрия специальных шнеков Таблица 1.2 1 В зоне загрузки однозаходный, а в зоне плавления и дозирования двухзаходный 2 Однозаходный шнек с уменьшающимся шагом нарезки и постоянной глубиной канала 3 Однозаходный шнек со скоростным сжатием (ускоренным плавлением). Применяется в работе с полимерами с узкой областью плавления. 11 Окончание табл. 1.2 2 Однозаходный шнек с системой дегазации. В области декомпрессии из полимерного расплава выводятся летучие компоненты. 1 4 Барьерный шнек в зоне дозирования двухзаходный. Способен обеспечить высокую производительность. 5 Втулка со стороны загрузочной воронки имеет несколько продольных пазов (длина приблизительно 3D, глубина которых постепенно уменьшается до нуля. Сечение пазов может быть круглым или чаще предпочтение отдают прямоугольным (рис. 1.4). Втулка отдельно от цилиндра интенсивно охлаждается. Экструдеры с захватывающей втулкой позволяют добиться более быстрого уплотнения гранул полимера. Рис. 1.4. Область загрузки одношнекового экструдера, оформленная во втулке: 1 – охлаждающий канал; 2 – прямоугольный паз 12 Между шнеком и цилиндром имеется зазор в несколько десятых миллиметра. В процессе работы экструдера шнек «плавает» в расплаве полимера. При изготовлении шнека и цилиндра используют высокопрочные азотированные сорта сталей. Вопросы для самопроверки ? 1. В чем заключается процесс производства изделий методом экструзии? 2. Каков принцип работы экструдера? 3. Из каких основных узлов состоит экструзионная линия? 4. Какие термопласты перерабатывают экструзией? 5. Назовите основные узлы экструдера. 6. Какие зоны имеет шнек? 7. Какие бывают конструкции цилиндров? 8. Какие геометрии шнеков вы знаете? 13 2 ЭКСТРУЗИОННЫЕ ГОЛОВКИ Головка – это формообразующий инструмент. Она устанавливается на конце материального цилиндра и сконструирована таким образом, чтобы расплав полимера принимал желаемую форму сечения. При этом необходимо следить за тем, чтобы проточный канал по возможности плавно переходил к форме сечения изготавливаемого изделия. Это позволяет расплаву выходить из головки с одинаковой скоростью, а не оставаться в застойных участках. При переходе расплава полимера из материального цилиндра в головку он проходит через узкий участок, обеспечивающий рост давления в цилиндре. Дополнительную возможность дросселирования дает решетка. Кроме того, она используется для установки проволочного сита – фильтра (рис. 2.1). Для дросселирования применяют и другие способы или устройства (регулировка зазора между концом шнека и конической стенкой или дроссельный винт). Рис. 2.1. Решетка между цилиндром экструдера и головкой: 1 – решетка; 2 – пакет сеток Головка разделена на три участка: входная зона, переходной участок или участок распределения расплава, прямолинейная направляющая зона. В первой зоне расплав переходит от круглого сечения цилиндра к сечению канала, который приблизительно повторяет внешние контуры профиля. На переходном участке расплаву придается форма профиля. Прямолинейная направляющая зона служит только для выравнивания профильного потока расплава. 14 2.1 Классификация экструзионных головок Экструзионные головки отличаются большим разнообразием типов и конструкций, которые могут быть классифицированы по основным признакам, представленным в табл. 2.1. Классификация экструзионных головок Признаки Разновидности 1 2 1. По направлению Прямоточные выхода изделия Угловые 2. По конфигурации Плоскощелевые формующей щели С кольцевым поперечным сечением Профильные для профилей (типы профилей см. разд. 2.5) 15 Таблица 2.1 Применение (примечание) 3 Трубы, шланги, стержни, профили (выход изделия вдоль оси шнека) Покрытия проводов, кабелей, рукавная пленка, экструзия с раздувом (расплав в головке делает поворот относительно оси шнека на определенный угол) Пленка, листы (Круглое сечение канала головки на входе преобразуется в плоский щелевой канал с высотой 1 мм и шириной иногда более 1000 мм на выходе. При этом возникает проблема равномерного распределения потока по всей ширине щели, которая решается специфическими для этого типа головок приемами) Трубы, шланги, покрытия проводов, экструзия с раздувом (Необходимо наличие такой детали как дорн, оформляющей внутреннюю полость). Общей особенностью головок этого типа является большая сложность конфигурации поперечного сечения формуемого изделия, а следовательно и геометрии рабочей поверхности переходного канала головки Окончание табл. 2.1 1 2 3 3. По типу системы С рубашками для термостатирования обогрева (охлакорпуса головки ждения) жидкостями С электрическим обогревом 4. По общей кон- Литые Тот или иной вариант выбирается струкции корпуса преимущественно и зависимости от габаритов головки, программы головки Сварно-литые производства и конкретных технологических возможностей. ПреваРазъемные лируют разъемные головки. 5 .По способу креп- Фланцевым Выбор варианта определяется габаления к цилиндру соединением ритами и частотой съема головки. экструдера Байонетным соединением Стягиваемыми накидными полукольцами 6. По максимально- Низкого давле- Стержни диаметром более 5 мм, му давлению в го- ния (до 6 МПа) толстые трубы и листы, толстоловке, обеспечивастенные профили. ющему рабочую Среднего давле- Стержни диаметром 3–5 мм, труб, производительность ния (6–20 МПа) профилей с толщиной стенки около 1 мм. Высокого давле- Пленки, нити. ния (св. 20 МПа) 2.2 Формующие головки с кольцевым выходным профилем Экструзионные головки, имеющие выходное сечение кольцевой формы, предназначены для изготовления труб, шлангов, рукавной пленки, трубчатых заготовок выдувных изделий, а также для нанесения покрытий на провода, кабели и трубы. Экструзия труб и шлангов осуществляется в основном с помощью прямоточных головок. При 16 экструзии рукавной пленки, армированных рукавов, трубчатых заготовок, нанесения изоляции экструдер располагается под углом к направлению выхода экструдата. Чаще этот угол составляет 90°. Для производства перечисленных видов продукции в основном используются экструзионные головки, показанные на рис. 2.2: − с дорнодержателем со спицами (типа «паук») или с перфорированной опорной решеткой; − с боковым фильтрующим пакетом; − с боковым входом расплава; − со спиральным распределителем. Рис. 2.2. Схемы экструзионных головок с кольцевым выходным поперечным сечением Все эти головки имеют одно общее отличие – наличие формующей зоны постоянных размеров на конце головки (внешнее кольцо или мундштук). Благодаря ее наличию происходит частичная релаксация макромолекул расплава и снижение обратимой деформации. Этой 17 зоны нет в головках для экструзии с раздувом, имеющих регулируемую высоту формующего канала. За счет индивидуального температурного регулирования выходной зоны можно эффективно управлять качеством поверхности изделия. Положением внешнего кольца можно управлять течением по периметру и ликвидировать разнотолщинность. 2.2.1 Прямоточные головки с дорнодержателем Течение расплава, поступающего из экструдера в канал круглого сечения, с помощью прямоточных головок с дорнодержателем трансформируется в кольцевое течение. В опорном кольце дорнодержателя расплав разделяется его спицами на несколько потоков. За сходящимся соединительным участком дорна, на котором кольцевой канал сужается под углом 10 – 15° и где образовавшиеся потоки снова сливаются, находится кольцо с параллельными стенками (формующий участок). Соотношение между длиной формующего участка и высотой выходного зазора головок для экструзии труб варьируется от 10 : 1 до 30 : 1. Отношение диаметра опорного кольца дорнодержателя к диаметру дорна на выходе в головках для экструзии труб обычно составляет 1,4 – 1,6 для ПВХ и 2,0 – для ПЭ. Однако эти значения зависят и от наружного диаметра корпуса головки. Наконечник дорна и формующее кольцо (мундштук) обычно являются сменными, что придает таким головкам универсальность при использовании для экструдатов различных геометрических размеров. На рис. 2.3 к сменным деталям относится деталь 5 и наконечник дорна до плоскости разъема. Кольцо 5 можно смещать радиально с помощью центрирующих винтов по периметру. В таких конструкциях для крепления мундштука используют фланец, который опирается на предварительно затянутые тарельчатые пружины, обеспечивающие высокое контактное давление и хорошее уплотнение стыка между сопрягаемыми деталями. Все типы экструзионных головок, показанные на рис. 2.2, обладают недостатком, состоящим в том, что спицы дорнодержателя вызывают появление следов течения (линий стыка). Часто они незаметны, но структурно они присутствуют всегда и вызывают появление в трубе механически ослабленных участков. 18 Рис. 2.3. Принципиальная схема головки с дорнодержателем: 1 – рассекатель дорна; 2 – дорнодержатель; 3 – спица дорнодержателя; 4 – центрирующий винт; 5 – формующее кольцо (мундштук); 6 – зона релаксации (формующий участок) Одной из причин появления линий стыка является высокая степень ориентации расплава вблизи спиц дорнодержателя, которая возникает в силу существования в этих зонах высоких градиентов скорости при прилипании расплава к стенкам канала, и особенно из-за высокой вытяжки частиц расплава у схода со спиц дорнодержателя. Существует три основных способа борьбы с этим дефектом, возникновение которого практически неизбежно для прямоточных головок: − повышение температуры расплава (нагревание спиц дорнодержателя) или времени пребывания его в головке (рис. 2.4); − равномерное распределение расплава по периметру с использованием принудительного перемешивания (на поверхности дорна и на соответствующей охватывающей детали фрезеруются многозаходные спиральные канавки, направление наклона витков которых противоположно); − обеспечение равномерной структуры по всему периметру за счет продольной ориентации молекул, в том числе и при течении между спицами дорнодержателя. 19 Рис. 2.4. Методы ограничения эффекта «линий стыка» в прямоточных головках На рис. 2.5 показаны некоторые системы дорнодержателей, предназначенные для нейтрализации линий стыка. Здесь следует отметить, что перфорированную плиту (в и б) не рекомендуется использовать в качестве опорной системы дорнодержателя из-за ее недостаточной прочности. Значительно лучше себя зарекомендовал вариант а, особенно при применении их в головках для изготовления заготовок для экструзии с раздувом. Спицы дорнодержателя должны конструироваться с учетом характера течения расплава, Их длина не должна превышать 30–80 мм, а ширина (толщина) быть не более 9–12 мм, на входе и на выходе спицы дожны иметь симметричную клиновую форму с углом клина примерно 8°. Высота зазора щели в дорнодержателе на практике составляет от 10 до 25 мм, а количество спиц возрастает примерно пропорционально квадрату диаметра дорна. В прямоточных головках с дорнодержателем могут развиваться давления до 60 МПа, поэтому прочность спиц на срез должна быть достаточна для сопротивления возникающим напряжениям. По соображениям механической прочности внешние диаметры прямоточных головок с дорнодержателем не должны превышать 700 мм. 20 а б в г Рис. 2.5. Опорные системы дорнодержателей: а – стандартные спицы дорнодержателя типа «паук»; б – тангенциальные спицы; в – решетка; г – радиальные спицы 2.2.2 Экструзионные головки с ситчатой корзиной Головки этого типа используются для экструзии труб большого диаметра, изготавливаемых из полиолефинов. При поступлении в головку расплав натекает на конический рассекатель дорнодержателя, который разворачивает поток в радиальном направлении (рис. 2.6). Далее расплав проходит через трубообразную перфорированную деталь с большим количеством отверстий диаметром 1–2,5 мм, называемую ситчатой корзиной. Дорн примыкает непосредственно к этой кор21 зине. Затем поток снова разворачивается в осевом направлении и движется к формующему участку с регулируемым мундштуком или кольцом головки. Детали головки, расположенные за корзиной являются сменными, что позволяет настраивать головку для выпуска экструдата разных размеров. Рис. 2.6. Экструзионная головка с ситчатой корзиной для экструзии труб Головки такой конструкции характеризуются низкими потерями давления (7–12 МПа) вследствие большой проходной площади корзины. Эта способность сказывается на качестве экструдата, они более экономичны с точки зрения энергопотребления. Преимущество головок по сравнению с прямоточными с дорнодержателем заключается в более компактной конструкции. 2.2.3 Экструзионные головки с боковой подачей расплава В головках с боковой запиткой расплав подается к дорну под углом 90° (рис. 2.7). Такая небходимость возникает, если через дорн необходимо подавать, например, воздух (при получении рукавной пленки), раздува трубчатой заготовки (при производстве полых изделий), для охлаждения экструдата или сердечника, на которое должно наноситься покрытие. 22 Рис. 2.7. Головка с боковой подачей расплава При использовании такой конструкции головок возникает проблема слияния потоков и возникновения линий стыка, для устранения которых применяют те же методы, что и в прямоточных головках с дорнодержателем. Поступающий расплав обтекает дорн с двух сторон по коллектору или системы коллекторов, которые могут размещаться на поверхности дорна или на внутренней стороне корпуса головки, т.е. течение расплава постепенно трансформируется от радиального направления в осевое. Конструкция такого дорна показана на рис. 2.8. Характерным отличием конструкции б от а является то, что в данном случае формируется две линии стыка и расплав обтекает рассекатель, а не перетекает через него. Сердцевидная форма коллектора используется в проектировании головок довольно часто, особенно, когда хотят добиться, чтобы все токи расплава имели одинаковую длину. 23 а б Рис. 2.8. Дорн экструзионной головки с боковой подачей расплава, снабженный коллектором: а – коллектор в форме вешалки; б – коллектор сердцевидной формы (кривая типа кардиоиды) 2.2.4 Экструзионные головки со спиральным распределителем В классической конструкции головок со спиральным распределителем на дорне материал на входе в распределитель разделяется на несколько потоков (рис. 2.9). Для этого применяются звездообразные или кольцевидные распределительные системы. Из этих первичных распределителей расплав попадает в многозаходные спиральные каналы на поверхности дорна. В современных конструкциях распределительные системы в форме вешалки тянутся по всему периметру и переходят в спиральные каналы, глубина которых к выходу сводится на нет. Из-за этого первичная распределительная система отличается компактностью. На спиральном участке глубина канала постепенно уменьшается, а зазор между дорном и внешней частью головки обычно постепенно увеличивается в направлении экструзии. Благодаря этому расплав, текущий через один спиральный канал разделяется на два потока: первый движется в осевом направлении через внешнюю сторону участка между двумя спиралями, второй поток продолжает двигаться по спирали. В результате течение расплава в каждой точке выходного кольцевого зазора складывается из тангенциальных потоков из всех каналов спиральной распределительной системы. Этим достигается хорошая термическая гомогенность; линии стыка и следы течения не образуются. 24 а б Рис. 2.9. Головки со спиральным распределителем для экструзии рукавной пленки: а – головка со спиральным распределителем на дорне (звездообразный распределитель; радиальные отверстия; спиральные каналы); б – кольцевой спиральный распределитель (центральное отверстие для подачи воздуха в рукав; кольцевой распределитель расплава; осевые отверстия) В радиальных спиральных распределителях (рис. 2.10,а) каналы не обвиваются вокруг дорна в осевом направлении, а лежат в одной плоскости, как дорожка на грампластинке (рис. 2.10,б). При этом возможна боковая подача расплава вместо центральной снизу. Глубина каналов по направлению к центру постепенно уменьшается и расплав начинает течь поверх спиральных каналов и далее полностью перенаправляется к выходному отверстию экструзионной головки. Преимуществами радиального распределения по сравнению с осевым являются: − гибкость; − модульность; − хорошая термоизоляция отдельных модулей; − конструкция позволяет уменьшить разницу во временах пребывания слоев расплава при многослойной экструзии. Вместе с тем радиальные распределители более чувствительны к деформации деталей головки, давления расплава, имеют большое количество сопрягаемых деталей, требующих уплотнений. 25 а б Рис. 2.10. Радиальный спиральный распределительный модуль (а) и плоский спиральный распределитель (б) Выходной участок, имеющий формующую зону, обычно делают сменным, может центрироваться и независимо термостатируется. 2.3 Особенности конструкции формующих головок для изготовления заготовок Конструкция головок для выдавливания трубчатых заготовок для полых изделий в принципе схожа с конструкцией для изготовления пленки методом экструзии рукава с раздувом. Но в данном случае движение расплава направлено вертикально вниз. Кольцевой формующий зазор имеет не цилиндрическую, а коническую форму. 26 Регулирование толщины стенок осуществляется с помощью устройства в головке, которое в процессе выдавливания участка рукава увеличивает или уменьшает толщину его стенок на определенных участках. Это позволяет добиться различных коэффициентов вытяжки заготовки и приблизительного сохранения толщины стенок изделия. 1 2 3 а б Рис. 2.11. Устройство регулирования толщины стенок заготовки (а) и очертания емкости с различной степенью раздува (б): 1 – с постоянным зазором; 2 – с постоянно увеличиваемым зазором; 3 – с переменным зазором При осевом (продольном) регулировании толщины стенок (рис. 2.11,а) дорн перемещается вниз или же мундштук – вверх. За счет этого из головки вытекает большее количество расплава, что увеличивает толщину стенки на данном участке. И, наоборот, при перемещении дорна вверх или мундштука вниз толщина стенки уменьшается. Этот метод используется, когда в конструкции изделия имеются участки с различным диаметром раздува (рис. 2.11, б). Частичное регулирование толщины стенок при изготовлении полых изделий, не относящихся к вращательно-симметричным (канистр, баков и прочих изделий неправильной формы) тем не менее позволяет добиться утолщения материала на определенных участках заготовки. Для этого кольцевой формующий канал головки за счет гидравлического рычажного механизма изменяет свой исходный стандартный контур (рис. 2.12), превращаясь, например, в эллиптический. 27 Рис. 2.12. Поперечный разрез заготовки без частичного регулирования толщины стенок и с частичным регулированием Более простое решение – задание рукаву постоянного эксцентриситета. В этом случае кольцевой канал головки сдавливается с помощью регулировочных винтов. Для изготовления заготовок используют также головки с радиальным и осевым обтеканием, а также накопительные головки (для изделий большой емкости и высоты). 2.3.1 Головки с радиальным обтеканием Такие головки получили название пинолей (рис. 2.13). Их используют для переработки ПЭ, ПП. Подаваемый сбоку материал обтекает дорн в кольцевом или тангенциальном канале. Линия соединения потоков становится причиной образования стыков, методы, устранения которых подробно описаны в разделе 2.2.3. В головках данного типа можно осуществлять регулирование толщины стенок экструдата за счет вертикального перемещения дорна. 28 Рис. 2.13. Головка с боковой подачей расплава, используемая для получения полых изделий 2.3.2 Головки с осевым обтеканием Такая конструкция используется чаще для переработки термочувствительных материалов, например, ПВХ (рис. 2.14, а). Поступающий из экструдера поток попадает на вершину конуса дорна. Для крупногабаритных изделий головка пригодна для ПЭ. В целях исключения ослабленных участков стыковки расплава из-за разделения потока держателем дорна разработаны держатели со смещенными каналами (рис. 2.14, б). 29 а б Рис. 2.14. Угловая головка с осевым обтеканием для переработки ПВХ (а) и дорнодержатель со смещенными каналами (б) 2.3.3 Накопительные (аккумуляторные) головки Для изготовления полых изделий объемом свыше 5 л необходимо использование головок с накопителем расплава. Положительно зарекомендовали себя только головки с кольцевым накопителем. Преимущества накопителя заключается в том, что пока формуется полое изделие, экструдер непрерывно подает расплав в накопитель; его опорожнение осуществляется за короткое время с помощью гидравлического плунжера. Когда выходное отверстие головки закрывается за счет перемещения вверх конического дорна или опускания мундштука, то экструдер продавливает расплав внутрь накопителя. При использовании накопителя с кольцевым плунжером поступающий расплав перемещает его вверх до тех пор, пока не будет заполнено пространство накопителя, необходимое для изготовления выдувного изделия (рис. 2.15) для опорожнения накопителя открывается зазор мундштука, а кольцевой плунжер отжимается вниз. 30 Рис. 2.15. Накопительная головка для получения выдувных изделий большого объема: 1 – корпус экструзионной головки; 2 – пиноль; 3 – гильза, имеющая форму усеченного конуса; 4 – внешний тангенсоидный канал; 5 – внутренний кольцевой канал; 6 – участок соединения; 7 – вертикально перемещаемый кольцевой плунжер; 8 – коллектор расплава; 9 – стопорное кольцо мундштука; 10 – горизонтально перемещаемый мундштук; 11 – вертикально перемещаемый дорн; 12 – сквозное осевое отверстие 2.4 Щелевые экструзионные головки Экструзионные головки для производства листов и пленок преобразуют начальную круглую форму расплава в плоский прямоугольный лист или пленку. Различие между пленкой и листом установить очень сложно, поскольку при отнесении изделий к той или иной группе учитываются не только толщина, но и способность к намотке при 31 отсутствии деформаций или механических повреждений. Условная граница может быть проведена в районе значений толщины в пределах 0,5–0,7 мм. Широкощелевые головки различают в основном по геометрии коллектора (распределительного канала подачи расплава). Как показано на рис. 2.16 и 2.17, расплав поступает в головку через центральный канал, а затем симметрично растекается в обе стороны, в результате чего формируется плоский экструдат с одинаковой толщиной. При прохождении расплава через головку почти всегда возникают неоднородности течения. Существует ряд способов их регулирования. В головках для экструзии плоских пленок локальные неоднородности в скорости течения сглаживаются за счет изменения высоты зазора между формующими губками головки путем затягивания нажимных винтов, расположенных по всей ширине. Учитывая ограниченную способность стали к упругим деформациям максимальный прогиб губок не должен превышать 2 мм. Рис. 2.16. Плоскощелевая головка для плоской пленки: 1 – губка; 2 – место регулирования расхода; 3 – коллектор; 4 – вытесняющий островок; 5 – гибкая губка; 6 – коллектор; 7 – корпус головки; 8 – формующий участок;9 – регулирующая планка с индивидуальной настройкой; 10 – регулируемая губка 32 Рис. 2.17. Плоскощелевая головка для экструзии листов: 1 – губка; 2 – место регулирования расхода; 3 – коллектор; 4 – вытесняющий островок; 5 – регулирующая планка с индивидуальной настройкой; 6 – корпус головки Иногда в редких случаях головки содержат дополнительное устройство – регулирующую планку 9 (рис. 2.16). Планка представляет массивный локально деформируемый брусок для грубой настройки равномерности выхода расплава. В головках для толстых листов и плит регулирующая планка 5 (рис. 2.17) является стандартной обязательной деталью, но для тонкой настройки все же используют и гибкие губки 1 (рис. 2.17). Кроме этого, в особых случаях существует возможность управления распределением расплава с помощью регулирования профиля температуры по ширине головки. Головки для нанесения покрытий на плоские подложки строятся по тому же принципу, что и головки без регулирующих планок для экструзии пленок. В универсальных головках для пленок и пластин регулирующие губки настраиваются только при остановке всей линии. Длина формующих губок в продольном направлении составляет от 30 до 90 мм и более. При экструзии толстых листов расплав обычно выходит из экструзионной головки в горизонтальном направлении и поступает на валковое гладильное устройство. При экструзии пленок методом по33 лива или при нанесении покрытий на подложки расплав может выходить из головки под углом или вертикально вниз на охлаждающий валок. Зазоры на выходе из экструзионных головок для производства пленок и нанесения покрытий на подложки составляют 0,25 – 0,7 мм, ширина головки лежит в пределах от 1500 до 4000 мм. Листы и плиты можно получать толщиной до 40 мм и шириной до 4000 мм. Рис. 2.18. Формы коллекторов плоскощелевых экструзионных головок Проблема распределения скоростей по ширине выходного сечения решается использованием специальной системы каналов. Существует несколько таких систем (рис. 2.18). Они известны как Т-образный коллектор, V-образный коллектор, называемый также «рыбий хвост», и закругленный коллектор в виде «вешалки». Последний вариант используется наиболее часто, поскольку дает наиболее хорошие результаты распределения расплава не зависящие от рабочего режима. Недостаток – в сложности геометрической формы (рис. 2.19) и, как следствие, в высоких затратах на изготовление. Головки с коллектором Т-образной формы имеют довольно простую конструкцию, поэтому их изготовление обходится намного дешевле. Применяют на линиях для нанесения покрытий. Головки этого типа не рекомендуются для переработки термочувствительных материалов. Головки с коллектором типа «рыбий хвост» по качеству распределения расплава и затратам на изготовление занимают промежуточное положение между вышеописанными системами. Все эти конструкции имеют центральное осесимметричное распределение. 34 Рис. 2.19. Коллектор в виде «вешалки» Канал выполняется лишь в одной из частей головки, другая часть – остается плоской. Падение давления при течении расплава через плоскощелевые головки составляет до 20 МПа, а при переработке высоковязких расплавов – до 40 МПа. Для того, чтобы головка выдержала воздействие высоких давлений используют рычажные или гидравлические запирающие механизмы, а также используют моноблочные головки, состоящие из единственного механически стабильного и высокопрочного U-образного блока. В U-образную выемку таких головок вставляют готовые планки, содержащие распределительный канал и формующие губки. На рис. 2.20 показаны наиболее часто применяемые типы регулирующих планок. Головки с планкой, установленной под углом 45° к направлению течения обладают значительными преимуществами с точки распределения потока. Однако при использовании, как подобных планок, так и варианта (рис. 2.20, в) возможно возникновение застойных зон, в которых возможно термическое разложение материала, отложение добавок, наполнителей, пигментов. Именно поэтому для переработки ПВХ головки проектируют без применения регулирующих планок. В варианте (рис. 2.20, б) в нижней части экструзионной головки за счет уменьшения толщины стенки области примыкающей к воздушной полости в корпусе, по всей ширине образуется мембрана. При регулировании толкающих винтов она незначительно деформируется, 35 что позволяет обеспечить дополнительные возможности по изменению локальных расходов течения. Канавка за мембраной дополнительно выравнивает давление потока по всей ширине. а б в Рис. 2.20. Плоскощелевые экструзионные головки: а – головка для производства пленок и тонких листов; б – головка для производства пленок; в – головка для производства толстых листов и плит; 1 – гибкая губка; 2 – поперечный канал для выравнивания потока; 3 – локально деформируемая стенка канала; 4 – регулирующая планка; 5 – патронный нагреватель 36 2.5 Профильные головки (конструкции и особенности проектирования) Производство относительно дешевых профилей, обладающих жесткими допусками на размеры представляет одну из наиболее сложных задач технологии экструзии. Типы профилей, имеющих поперечное сечение, отличное от кольцевого или прямоугольного приведены в табл. 2.2. Профильные головки можно разделить на три основные группы: − эструзионные головки со сменной фильерой; − со ступенчатым изменением геометрии канала; − головки с постепенным изменением поперечного сечения. Типы профильных изделий Наименование 1 Трубообразный Форма 2 Таблица 2.2 Характеристика 3 Трубообразные профили с одинаковой толщиной стенки и скругленными углами Полый Наружная стенка образует полую камеру, а стенки камеры могут иметь различную толщину, создавать острые углы и ребра Камерный Профили, содержащие полые камеры и внешние выступы; толщина стенок может быть различной 37 1 Сплошной Окончание табл. 2.2 3 Сплошные профили разнообразной формы, в которых отдельные части выполнены из одного и того же материала, но различного цвета или с разными свойствами (твердость), или же из разных материалов Сочетание вариантов полых, камерных, сплош-ных профилей 2 Комбинированный С сердечником Полые профили, в которых сердечник выполнен из другого материала (сталь, дерево и др.) 2.5.1 Экструзионные головки со сменной фильерой В основном такие головки используют для изготовления небольших профилей. Геометрическая форма каналов в головках меняется очень резко, что может приводить к образованию застойных зон, разложению полимера. Скорости экструзии через такие головки и размерная точность изделий низки. Головка со сменными вкладышами-фильерами показана на рис. 2.21. 38 Рис. 2.21. Профильная головка со сменной фильерой 2.5.2 Ступенчатые головки Ступенчатые головки имеют каналы с фасками в местах последовательного соединения коротких плит головки, называемых блендами (рис 2.22). Рис. 2.22. Многоступенчатая экструзионная головка 39 В каждой бленде выполняется определенный контур поперечного сечения, на входе в который с краев снимаются фаски для совпадения контуров соприкасающихся деталей. Такие переходы приводят к образованию застойных зон, из-за чего головки непригодны для переработки жесткого ПВХ и применяют их для изготовления простых профилей. 2.5.3 Экструзионные головки с постепенным изменением поперечного сечения Экструзионные головки с постепенным изменением поперечного сечения применяют для изготовления высокоточных профилей при высокой скорости экструзии. Поэтому при конструировании каналов необходимо принимать во внимание следующее: − в каналах головки не должно быть застойных зон; − расплав должен по возможности плавно ускоряться, пока не достигнет необходимой скорости перед выходом из канала; − желательно, чтобы конструкция головки была простой и был предусмотрен быстрый демонтаж для чистки или изменения геометрии канала при доводке. Профильные головки данной конструкции имеют три основных участка: − адаптер для соединения с экструдером; − переходной участок (здесь часто расположены детали дорнодержателя); − формующий участок с постоянными размерами (фильера). Вариант такой головки представлен на рис. 2.23. 2.6 Головки для соэкструзии термопластов Современные требования, предъявляемые промышленностью, требуют создания таких эксплуатационных характеристик изделий, которые невозможно достичь применив индивидуальные материалы. 40 41 Рис. 2.23. Экструзионная головка с постепенным изменением профиля формующего зазора Многие проблемы решаются при использовании многослойных конструкций. Это многослойные пленки для упаковки, листы для формования корпусных деталей, многослойные емкости, кабели, профили и т.д. Это можно достичь последовательным нанесением экструзией и/или напылением на несущую подложку одного или нескольких дополнительных слоев. Однако наиболее экономичным и технологически эффективным является вариант соэкструзии через общую головку одним из трех способов: полностью раздельно; сначала раздельно, а затем совместно; совместно. Конструкции таких экструзионных головок весьма разнообразны. 2.6.1 Соэкструзионные головки с внешним комбинированием на Такие головки имеют две выходные щели. Как показано рис. 2.24,а, в головке для получения плоского листа, а б Рис. 2.24. Соэкструзионная головка с двойной щелью: а – плоскощелевая; б – для производства рукавной пленки; 1 – теплоизоляция; 2 – прижимной валок 42 два потока расплавов протекают через изолированные каналы, а затем сливаются на выходе. Соединение слоев расплава может происходить с помощью прижимного валка (рис. 2.24, а). Такие устройства позволяют работать при высоких скоростях экструзии и добавлять третий слой. Конструкция не застрахована от появления дефектов адгезии на границе слоев (пузыри, несваривание расплавов) вследствие наличия воздуха между слоями. В головке для получения многослойной рукавной пленки (рис. 2.24, б) для улучшения адгезии между слоями в пространство между потоками на выходе из головки можно вдувать газ для активации соединяемых поверхностей. В этом случае регулирование течения возможно только для внешнего слоя путем перемещения упругого кольца головки. Теплоизоляции каналов друг от друга в таких головках не представляет проблемы, например, за счет воздушного зазора. Конструкция позволяет экструдировать расплавы с различными вязкостями и температурами. К недостаткам относятся сложность настройки формующих отверстий для обеспечения минимальной разности скоростей потоков расплавов. 2.6.2 Головки с блоком подачи расплава (адаптером) Многослойный экструдат может формоваться с помощью традиционных головок, соединенных с адаптером для подачи в головку различных потоков от нескольких экструдеров. В головке эти потоки сливаются. Такая конструкция позволяет комбинировать произвольное количество слоев, но при условии, что их скорость и температура должны быть близки. Различают три типа систем адаптеров: − фиксированный; − золотниковый; − флюгерный. В системах с фиксированным адаптером, как показано на рис. 2.25, толщина отдельных слоев определяется размерами поперечных сечений питающих каналов и массовыми расходами. Важно, чтобы слияние потоков происходило при примерно одинаковых скоростях. 43 Рис. 2.25. Питающий блок для соединения потоков расплава перед входом в плоскощелевую головку: 1 – гибкая губка; 2 – нажимной болт; 3 – внешний слой материала; 4 – канал с ограничителем течения расплава; 5 – адаптер; 6 – базовый слой материала (подложки); 7 – материал основного слоя В золотниковом адаптере (рис. 2.26) перемещаемый ползун служит для обеспечения слияния потоков расплава при одинаковой скорости и выравнивает поток по ширине. Конструкция – кассетного типа, что обеспечивает замену ползунов золотника без демонтажа соединения между экструдером и головкой. Рис. 2.26. Золотниковый адаптер 44 Флюгерный адаптер (рис. 2.27) отличается от золотникового отличается тем, что элементы управляющие потоками и их слиянием выполнены в виде поворачивающихся лопастей. Поворот может осуществляться во время работы экструдера. Кроме того, лопасти могут иметь различные профили. Рис. 2.27. Плоскощелевая экструзионная головка с флюгерным адаптером: 1 – гибкая губка; 2 – винт нажимной; 3 – материал внешнего покрытия; 4 – вход для других материалов (адгезив, барьерный материал); 5 – материал основного слоя; 6 – флюгерный адаптер; 7 – материал подложки; 8 – флюгерный адаптер для подложки и покрытия; 9 – зона ограничения течения Адаптеры классифицируют так же, как внутренние и внешние устройства, комбинируемые для получения заданной конфигурации слоев. В адаптере внутреннего слоя один из расплавов экструдируется внутри другого (рис. 2.28, а). Этот способ хорош, когда тонкий слой заключен между двумя толстыми или если надо ограничить контакт между стенками канала и внутренним слоем. Адаптеры внешнего слоя, как правило, используют для нанесения еще одного внешнего слоя на все предшествующие (рис. 2.28, б). 45 а б Рис. 2.28. Головки с адаптерами для внутренних и внешних слоев: а – плоскощелевая головка (3 слоя); 1 – адаптер внешнего слоя; б – головка с дорнодержателем для двухслойной рукавной пленки; 2 – адаптер внутреннего слоя 46 Рис. 2.29. Поворотный адаптер для изменения последовательности слоев Для быстрой смены порядка слоев применяют поворотные адаптеры (рис. 2.29). 2.6.3 Многоколлекторные головки В головках этого типа каждый поток расплава сначала подается отдельно, а затем потоки преобразуются в нужную форму и комбинируются на выходе из головки (рис. 2.30). Таким образом возникает возможность экструзии и сочетания материалов, отличающихся реологическими характеристиками и температурами переработки. Конструкция головки усложняется из-за проблем с термоизоляцией отдельных каналов. Стоимость изготовления головок для комбинирования более четырех потоков сильно возрастает. 47 а б Рис. 2.30. Многослойные головки для соэкструзии: а – плоскощелевая (3 слоя); б – головка со спиральным распределителем для двухслойной рукавной пленки 2.6.4 Типовые конструкции головок для соэкструзии В соэкструзионном процессе отдельные потоки расплавов могут полностью охватывать другие потоки, располагаться послойно или течь рядом. Наиболее часто применяют полное охватывание (многослойная кабельная изоляция, рукавная пленка) или послойное расположение материалов. 48 Для производства листов и плоской пленки используются адаптерные головки. Для переработки материалов с существенно различающимися характеристиками течения применяют многоколлекторные головки. В головках обоих типов расплавы обычно располагаются слоями, один на другом; однако бывают случаи, когда один из слоев полностью заключен внутри другого (рукавные упаковочные пленки). На рис. 2.31 показана головка такого типа для производства трехслойной пленки. Рис. 2.31. Соэкструзионная головка для формования трехслойной рукавной пленки Головка снабжена механизмом вращения и системой охлаждения рукава. Наиболее общий способ соединения потоков показан на левой части рисунка, а правая часть характерна для случая, когда центральный слой является тонким или барьерным слоем. 49 2.6.5 Головки для многослойных заготовок полых изделий, получаемых последующим раздувом Для различных видов упаковочных форм, в том числе с избирательной проницаемостью, используются многослойные материалы, число слоев в которых может достигать семи. Для распределения потока расплава по периметру используются концентрически расположенные и полые дорны с коллекторами в форме кардиоиды или вешалки (рис. 2.32). Рис. 2.32. Соэкструзионная головка для заготовок, насчитывающих от 1 до 6 слоев 50 Вопросы для самопроверки ? Для чего применяют дросселирующие решетки? Назначение экструзионных головок. Назовите основные участки экструзионной головки. Какие бывают головки по направлению выхода расплава? Какие существуют головки по конфигурации формующей щели? 6. Как разделяют головки по давлению расплава? 7. Назовите основные признаки классификации экструзионных головок. 8. Варианты кольцевых головок. 9. Перечислите способы борьбы с линиями спаев в кольцевых головках. 10. Какие бывают опорные системы дорнодержателей? 11. Области использования головок с ситчатой корзиной. 12. В каких случаях применяют конструкции головок со спиральным распределителем? 13. Каковы преимущества использования радиального распределителя расплава в экструзионных головках? 14. Как регулируют толщину стенок трубчатых заготовок для объемных изделий? 15. В каких случаях применяют аккумуляторные головки? 16. Области применения и варианты конструкций щелевых головок. 17. Назовите разновидности конструкции профильных головок. 18. Профильные головки с постепенным изменением сечения. Требования к конструкции. 19. Какие участки имеют головки с постепенным изменением сечения? 1. 2. 3. 4. 5. 51 51 3 РАСЧЕТЫ ЭКСТРУЗИОННЫХ ГОЛОВОК 3.1 Гидравлический расчет (метод эффективной вязкости) Целью гидравлического расчета экструзионных головок является определение скорости движения расплава полимера на участках головки, перепада давления, определение константы сопротивления головки, что позволит определить рабочую точку пары «экструдер – головка». Производительность Q с учетом распределения скоростей различных потоков составляет: Q = Qα + Qβ + Qγ , (3.1) где Qα, Qβ, Qγ – производительности экструдера от прямого потока, противотока и утечек расплава соответственно. В свою очередь, Qα, Qβ и Qγ зависят от параметров технологии и экструдера: Q = αn − (β + γ )P µ , (3.2) где n – частота вращения шнека; P – давление на выходе из шнека; μ – средняя вязкость расплава; α, β, γ – постоянные коэффициенты, зависящие от геометрических параметров шнек: α= β= g = π 2 D 2 h sin ϕ 2 πD 3 h 3 sin ϕ 12 L π 2 D 2δ 3tgϕ 10 Le где D – диаметр шнека; L – длина шнека; h – глубина нарезки; φ – угол подъема винтовой нарезки шнека; δ – зазор между гребнем и поверхностью цилиндра; e – ширина гребня шнека. 52 Графическое изображение аналитической зависимости (3.2) представлено на рис. 3.1,а прямыми линиями. Точка пересечения с осью ординат дает производительность Qmax при отсутствии противодавления в экструзионной головке ( P = 0 ), а угол наклона зависит Q Qmax Q Qmax h1 h1>h2>h3 h2 h3 γs l3 Pmax б Q Qmax n1>n2>n3 охлажденный шнек T1>T2>T3 n1>n2>n3 n2 γs P неохлажденный шнек n1 l2 l1>l2>l3 P а Q Qmax l1 n1 n2 n3 Т3 Т2 n3 Pmax Т1 γs Pmax P г в Q рабочие т очки 1 2 3 4 P д Рис. 3.1. Зависимость производительности от давления расплава на выходе из экструдера: 1, 2 – характеристики головки; 3, 4 – характеристики шнека 53 P от глубины винтового канала и длины зоны дозирования шнека. Для шнеков с одинаковой глубиной нарезки, но с различной длиной зоны дозирования ( l1 > l2 > l3 ) угол наклона к оси абсцисс кривых, которые пересекают ось ординат в одной и той же точке, по мере увеличения l будет уменьшаться (рис. 3.1, б). Охлаждение шнека оказывает на его характеристику такое же влияние, как и уменьшение глубины нарезки (рис. 3.1,в, кривые I – без охлаждения шнека, II – с охлаждением). Повышение температура расплава в зоне дозирования оказывает на работу экструдера такое же влияние, как и уменьшение длины зоны дозирования (рис. 3.1,г). При увеличении частоты вращения шнека n его характеристика перемещается в сторону увеличения производительности (рис. 3.1, в). В тех же координатах (Q – P) рабочая характеристика экструзионной головки представляет собой кривую, проходящую через начало координат (рис. 3.1, д). Кривизна кривой зависит от гидравлического сопротивления головки (1 – для малого сопротивления, 2 – для большого; 3 – шнек с малой глубиной нарезки h, 4 – шнек с глубоким каналом). При повышении температуры расплава в головке наклон графика возрастает. Пересечение рабочих характеристик шнека и формующего инструмента представляет собой рабочую точку, которая показывает значение производительности и развиваемого при этом давления на входе в экструзионную головку для конкретного шнека и экструзионной головки при заданной скорости вращения шнека. Максимальную производительность Qmax и максимальное давление Pmax можно определить по уравнениям: Qmax = π 2 D 2 hn ⋅ sin a ⋅ cos a ; (3.3) Pµαx = 6πµLDn . h 2tgα (3.4) 2 Величина Qmax определяемая уравнением (3.3) составляет, как правило, 50% той максимальной производительности шнека, которая могла бы иметь место, если бы давление материала происходило аналогично перемещению ходовой гайки по вращающемуся винту. Такая производительность рассчитывается для шнека с мелкой нарезкой ( h < 0,1πD ⋅ tgα ) по уравнению 54 Qгайка винт = π 2 D 2 hn ⋅ tgα . (3.5) Отсюда отношение Qmαx Qгайка винт 1 = cos 2 α . 2 (3.6) Это уравнение можно рассматривать как объемный коэффициент полезного действия. Для наиболее используемых шнеков с шагом Qmax имеет величину 0,465, т.е. КПД таких t = D (α = 17°40') Qгайка винт шнеков 46,5%. Уравнение (3.4) позволяет рассчитать максимальное давление, которое может возникать при работе с формующим инструментом, имеющим большое сопротивление. Таким образом получают важные исходные данные для прочностного расчета размеров формующего инструмента (например дорнодержателя) и крепежных деталей (откидных болтов, байонентных затворов, фланцев и т.п.). Уравнение показывает пропорциональную зависимость максимального давления от эффективной вязкости расплава µэф, величин D и L шнека, числа оборотов n и обратно пропорциональную зависимость от h2, tgα. Угол наклона линии характеристики шнека (рис. 3.1, а): tgg s = Qµax πDh3 sin 2 a . = Pµax 12 µ a L (3.7) Производительность формующего инструмента равна Q = Kw ∆P η , (3.8) где Q – объемный расход, см3/с; Kw – коэффициент геометрической формы (сопротивление) формующего инструмента, см3; ΔP – перепад давления в формующем инструменте; η – эффективная вязкость полимера в формующем инструменте. Аналогично, из уравнения (3.8) при ∆P = P2 − P1 = P определяется наклон линии характеристики формующего инструмента: Q Kw . = P µa (3.9) 55 Из соотношения (3.9) следует, что чем больше коэффициент геометрической формы головки Kw (меньше сопротивление головки W = 1 K w ) и меньше вязкость расплава µа, тем круче характеристика формующей экструзионной головки. Следовательно, вязкость расплава полимера оказывает одинаковое влияние на характеристику как шнека, так и экструзионной головки. Небольшое колебании ΔР, которое может возникнуть при работе, сказывается на величине колебания ΔQ1 и ΔQ2 . Чем больше ΔQ, тем больше пульсация расплава, т.е. больше неравномерность во времени скорости выхода расплава. Это сказывается на разнотолщинности получаемых изделий. Из уравнения (3.2) следует, что при прочих равных условиях у экструдеров с большим L/D колебания ΔQ, пульсация меньше, чем с меньшим L/D. Метод «эффективной вязкости» гидравлического расчета базируется на допущении: расплав является ньютоновской жидкостью, вязкость которой равна эффективной вязкости расплава определенной из реальной кривой течения при скорости сдвига у стенки канала; это позволяет использовать формулы для расчета расхода или перепада давления и скорости сдвига у стенки канала, полученные для ньютоновской жидкости, которые известны для большего набора каналов, чем степенной жидкости (при этом ошибка при расчетах может составить 10–15%). На первом этапе расчета каналы головки разбиваются на участки с постоянным или монотонно изменяющимся поперечным сечением (рис. 3.2). Рис. 3.2. Схема участков канала экструзионной прямоточной кольцевой головки: 1 – решетка с цилиндрическими каналами; 2 – конический канал; 3, 4, 6, 7 – кольцевые конические каналы; 5, 8 – кольцевые цилиндрические каналы 56 Второй этап – определение для каждой из зон уравнений расхода, полученных для ньютоновской жидкости. В общем виде эти уравнения представлены как Q= K нi ∆Pi µ эi , (3.10) где Кнi – коэффициент гидравлического сопротивления, i–й зоны, зависящей от ее геометрии; Q – объемная производительность экструдера; ΔPi – перепад давлений на полной длине зоны; μэi – эффективная вязкость расплава в i-й зоне головки. Формулы для расчета Кнi представлены в табл. 3.1. Таблица 3.1 Формулы для расчета коэффициента гидравлического сопротивления Тип канала 1 Кнi 2 γст 3 Lπd 4 128 L 32Q πd 3 3πd 3 D 3 128 L D 2 + Dd + d 2 256Q Круглый цилиндрический Круглый конический ( Конический кольцевой с конической щелью* π (R1δ 2 − R2δ 1 ) 6 Lω 57 ) π (D + d )3 6Q π (R1 + R2 )(δ 1 + δ 2 )2 1 2 Окончание табл. 3.1 3 Щелевой клиновидный bh12 h22 6 L(h1 + h2 ) b(h1 + h2 ) π (R1 + R2 )(R2 − R1 )3 12 L 22,3Q 2 4π (R1 + R2 )(R2 − R1 ) bh3 12 L 6Q bh 2 F3 2LП 3 2QП F2 11,2Q 2 Кольцевой Плоский щелевой Цилиндрический с произвольным поперечным сечением** Примечания * R1, R2 – средние радиусы окружностей кольцевого канала на входе и выходе; δ1, δ2 – высота щели на входе и выходе материала в кольцевую щель. ** F – площадь поперечного сечения канала; П – периметр сечения канала. 58 Третий этап – вычисление эффективной вязкости μэi для каждой зоны канала. Для этого находят значение γст.i скорости сдвига у стенки канала для каждой зоны по формулам, которые приведены в табл. 3.1. Так как фактическая производительность экструдера Q при работе с данной головкой пока неизвестна, то величину Q в первом приближении следует принимать как Qmax по известной рабочей характеристике экструдера. Затем по кривой течения при вычисленной таким образом γст.i находят соответствующее ей значение τi и затем μэi как их отношение: µ эi = τ i γ ст . (3.11) Четвертый этап – определение уравнения расхода через головку, которое имеет следующий вид: k k µ эi i =1 i =1 K нi ∆p = ∑ ∆pi = Q ∑ . (3.12) Пятый этап – совместное решение уравнения (3.12) и с рабочей характеристикой экструдера (3.2) или графически (рис. 3.10 как точка пересечения прямых 1 или 2 с прямой 3. Точки а и б пересечения называются рабочими точками. Упрощенный аналитический расчет Q машины с одним шнеком, уменьшающейся глубиной нарезки канала шнека, с учетом сеток и головки можно производить по формуле Q= αKn , K + β +γ (3.13) где Q – производительность, см3/мин; α, β, γ – постоянные прямого и обратного потоков и потока утечек, см3; К – постоянная головки, сеток, решетки, см3. Реальные зависимости Q – Р (рис. 3.1) не являются прямолинейными. Зоны экструдера, формующей оснастки имеют внешний обогрев, характеризующийся колебанием температуры. Кроме того, в зависимости от интенсивности вращения шнека в расплаве выделяется разное количество тепла. Поэтому такие важные характеристики, как вязкость и плотность расплава, зависящие от температуры, не являют59 ся строго постоянными, что ведет к отклонению зависимостей (3.2) и (3.3) от прямолинейности. Экструзия большинства расплавов термопластов происходит в следующих интервалах скоростей сдвига и напряжений сдвига: -1 lg g = 2...3 (c ); lg g = 4,5...5,5 (Па). 3.2 Механический расчет решетки При механическом расчете необходимо учитывать потери давления и деформации от давления не только в пакете сеток (рис. 3.3, б) но и в самой решетке, на которой установлен пакет сетки (рис. 3.3, а). Рис. 3.3. Симметрично нагруженная круглая перфорированная плита: а – прогиб решетки (fL); б – прогиб фильтрующей сетки (fS); 1а, б – пакет фильтрующих сеток; 2а, б – решетка Прогиб сеток fS возникает в результате падения давления в фильтрующем пакете сеток; он не должен превышать заданного допустимого значения. Для расчета прогиба решетки необходимо учитывать потери давления как в пакете сеток, так и в самой решетке. 60 3.2.1 Расчет решетки на прочность Решетка рассматривается как круглая плита, подверженная изгибу. В соответствии с теорией Кирхгофа для пластин максимальный прогиб круглой пластины с отверстиями, жестко закрепленной по контуру, вследствие падения давления определяется по формуле Fmax = ∆pR 4 . 64 N (3.14) Жесткость пластины (N) характеризуется выражением N= Eh3α p ( 12 1 − ν 2 ) , (3.15) В вышеприведенных формулах Δp – перепад давления в решетке и в пакете фильтрующих сеток; Е – модуль упругости; ν – коэффициент Пуассона; αр – коэффициент ослабления, характеризующий соотношение жесткостей перфорированной и сплошной пластин N N 0 ; он описывается следующим выражением 1 − 2 RL , (3.16) t где RL = DL 2 – радиус отверстия. Шаг между отверстиями t для конфигураций с различным порядком расположения отверстий определяется одинаково. Когда расстояния между отверстиями неодинаковы, при расчетах на прочность допускается использовать среднее значение напряжения. Минимальное встречающееся на практике значение коэффициента αр составляет 0,12; принимать более низкие значения не имеет смысла. Область применимости уравнения (3.16) ограничивается диапазоном 0,7 ≤ h t ≤ 3 . Для расчета толщины пластины необходимо учитывать соответствующие условия ее крепления. С учетом, что максимальное напряжение упругого изгиба имеет место в центре пластины, толщину пластины можно вычислить с помощью формулы αp = h = Bp D DpS . α pσ p 61 (3.17) В этом выражении расчетный коэффициент Bp позволяет учитывать различные условия крепления пластины по контуру. Значения коэффициента могут изменяться от 0,454 для свободной опоры пластины до 0,321 при жесткой заделке. Толщина решеток, состоящих из нескольких деталей, может вычисляться аналогично, но с поправочным коэффициентом 1,1. На рис. 3.4 показаны варианты крепления решеток и соответствующие значения коэффициента Bp. Уравнение (3.17) содержит также коэффициент ослабления и диаметр пластины, который при расчетах принимается равным среднему диаметру поверхности контакта (2R). Коэффициент запаса прочности S лежит в пределах от 1,5 до 1,8. Величина σp – это максимально допустимое напряжение изгиба. Рис. 3.4. Коэффициент Bp для круглых пластин с различными вариантами крепления При механических расчетах решеток необходимо учитывать два типа пиков давления, которые могут возникнуть непосредственно перед решеткой: − пики давления Δpр , которые кратковременно возникают в процессе запуска экструдера и которые могут превышать установившиеся значения падения давления в 2 – 3 раза, из-за чего коэффициент запаса прочности принимают равным ( 2 ≤ S p ≤ 3 ); 62 − повышение давления перед решеткой в результате засорения сеток; в этом случае к обычному падению давления в пакете сеток Δps необходимо добавлять еще ∆psa = 5 МПа, т. к. на такую величину может изменяться давление в сетках при работе (для безопасности это значение перед проведением расчетов рекомендуется умножить на коэффициент 1,2 – 2).Давление Δp, которое следует использовать в уравнении (3.17), представляет собой максимальное значение, получаемое сложением всех падений давления в решетке и пакете сеток ∆p = S p + ∆p p + ∆psa + ∆ps (3.18) 3.2.2 Определение прогиба пакета сеток Пакеты сеток противостоят избыточному давлению, опираясь на перемычки между отверстиями решетки и подвержены изгибу. Максимальный прогиб зависит от наибольшего допустимого напряжения на растяжение проволоки, из которой изготовлена сетка. Геометрические параметры сеток для расчета показаны на рис. 3.5. Рис. 3.5. Обозначение плетений металлической сетки Для расчета локального прогиба сетки можно использовать методику, что и для решетки (см. разд. 3.2.1). В отличие от решетки контур сетки над отверстиями решетки принимают подвижным. Макси63 мальный прогиб участка сетки под действием избыточного давления Δps представляет собой выражение Fmax = ∆ps RL4 5 + υ , ⋅ 64 N s 1 + υ (3.19) в котором наиболее важным параметром является радиус отверстия в решетке RL. При наличии у отверстия фаски или профилированного контура входа следует использовать его максимальный радиус RLmax и жесткость сетки NS, вычисляемой по формуле Ns = Ehs3α s , 12 1 − υ 2 ( ) (3.20) где αS – коэффициент ослабления для сеток; hS – толщина сетки. Толщина сетки вычисляется с учетом извитости проволочек, составляющих плетеную сетку: d hs = d s 1 + s . ω (3.21) Коэффициент ослабления характеризует соотношение N N 0 S для обычной плоской пластины толщиной hS и стальной сетки и зависит от нормализованной площади проволочек, составляющих сетку: As = ds (2ω − d s ) , A = 1 . A (3.22) В уравнении (3.22) диаметр проволоки dS и ширина ячейки сетки ω соответствуют обозначениям, приведенным на рис. 3.5. При использовании сеток более сложной конфигурации и с более сложной связью между геометрией и материалом сетки для оценки αS можно применить выражение (3.23): αs = 10 −2 , As0, 75 (3.23) Одинарные сетки-фильтры на практике устанавливают редко. Обычно используют пакет из 3 – 5 сеток с различными размерами яче64 ек. Для расчета прогиба этих пакетов в уравнение (3.19) подставляют суммарную жесткость и полный перепад давления Δpsn. Жесткость сеточного пакета вычисляется следующим образом: n N s = ∑ N Si = i =1 E 12 1 − υ 2 ( n )∑ h α i =1 3 Si Si , (3.24) где n – число сеток. Чтобы сетка не разрушилась в отверстии решетки, следует проверить величину допускаемого напряжения. Растягивающее напряжение проволочной сетки можно вычислить с помощью формулы (3.25) и сравнить его с допустимым напряжением. σi f = 0,5 max SS E RL 2 . (3.25) В качестве дополнительной меры предосторожности, позволяющей избежать разрушения проволочек сетки, можно увеличить коэффициент запаса прочности SS , таким образом, чтобы он удовлетворял неравенству 1,2 ≤ S S ≤ 1,5 . 3.3 Механический расчет крепежных винтов и спиц дорнодержателя Для расчета определяют давления, действующие в отдельных сечениях канала головки. Давление на рассчитываемом на прочность сечении головки определяют суммированием перепадов давлений на участках каналов головки, начиная от выхода из нее и до рассчитываемого сечения: i Pсеч = ∑ ∆P(i −1)−i , (3.26) i =1 где i – порядковый номер рассчитываемого участка, начиная от выхода из головки. На прочность проверяют винты/болты, крепящие фланец головки к фланцу цилиндра экструдера; винты, крепящие мундштук и стягивающие два полукорпуса головки, спицы дорнодержателя. 65 Расчет крепежных элементов на прочность производят по отрывному усилию Т, действующему в расчетном сечении площадью Fk (м2): (3.27) T = pсеч Fk , Расчетное усилие, действующее на крепежные элементы в расчитываемом сечении Тболта определяется по формуле Tболта = T [K1 K 2 (1 − X ) + X ] , (3.28) где K1 = 1,3 − 1,8 – коэффициент запаса на нераскрытие стыка; K 2 = 1,3 – коэффициент, учитывающий крутящий момент затяжки; X = 0,2 − 0,3 – коэффициент, зависящий от соотношения податливости крепежного элемента и элемента стыка. Расчетное усилие равно: Tболта = 1 Tболта , nболтов (3.29) где nболтов – количество крепежных болтов. Проверка прочности крепежа производится по соблюдению условия: Tболта σ 1 (3.30) σ рб = ≤ T , Fболта k зап 1 где Fболта 1 – площадь поперечного сечения крепежного элемента, м2; σрб – напряжение растяжения, возникающее в крепежном элементе, МПа; kзап – коэффициент запаса прочности; σT – предел текучести при растяжении материала крепежного элемента, МПа. При несоблюдении условия прочности необходимо увеличить диаметр крепежных элементов или их количество, или выбрать материал для их изготовления с большим значением σТ . Расчет на прочность спиц дорнодержателя производят по усилию, вызывающему в них напряжения среза. Усилие определяется как алгебраическая сумма усилий, возникающих от воздействий давления в канале на конические поверхности соответствующего участка дорна, переходника дорна или торпеды. 66 Для экструзионной головки, представленной на рис. 3.6, усилие на спицы дорнодержателя Тспицы определяется по формуле Tспицы = (T1 + T2 + T3 ) − (T4 + T5 + T6 ) , (3.31) где Т1, Т2, Т3, Т4, Т5, Т6 – усилия, действующие на отдельные участки дорна; π∆ 2 9 (3.32) T1 = ∑ ∆Pi , 4 i =1 T2 = T3 = 9 8 i =1 i =1 ∑ DPi + ∑ DPi ⋅ 2 7 6 i =1 i =1 ∑ DPi + ∑ DPi 2 6 π (D22 − D12 ) , (3.33) π (D32 − D22 ) , (3.34) ⋅ 2 2 5 T4 ∑ DP + ∑ DP π (D = ⋅ T5 ∑ DP + ∑ DP π (D = ⋅ i =1 i ) (3.35) ) (3.36) π (D22 − D12 ) . (3.37) i i =1 − D42 , 2 2 3 2 5 4 i =1 i i i =1 2 2 T6 = ∑ DP + DP i =1 0−1 i 2 ⋅ − D52 , 2 2 4 2 Усилие, действующее на одну спицу: Tсп = 1 Tсп , nспиц (3.38) здесь nспиц – количество спиц. 67 Рис. 3.6. Схема экструзионной головки для расчета прочности спиц дорнодержателя Напряжение среза τср, возникающее в каждой из спиц дорнодержателя, равно Tсп 1 , (3.39) τ сп = Fспицы где Fспицы – площадь поперечного сечения спицы. Условие прочности на срез спиц дорнодержателя проверяется следующим образом: τ ср ≤ (0,5 ÷ 0,7 )σ T . n (3.40) При невыполнении условия прочности (3.40) необходимо увеличить количество или толщину спиц, или изготовить дорнодержатель из более прочного материала. 68 4 НАГРЕВ ЭКСТРУЗИОННЫХ ГОЛОВОК Распределение температур в экструзионной головке оказывает весьма значительное влияние на вязкие и упругие свойства расплава, на общую картину течения, на перепад давления внутри головки, а также на упругие свойства, от которых зависит разбухание экструдата на выходе. Время пребывания расплава в головке слишком мало для выравнивания температур. Это вызывает неравномерное распределение температур по поперечному сечению выходящего из головки экструдата, даже если температуры стенок канала головки одинаковы. Таким образом, основной целью регулирования температуры экструзионной головки является обеспечение наиболее равномерного распределения температур по поперечному сечению экструдата на выходе из головки. 4.1 Варианты обогрева и области их применения Экструзионные головки, как правило, могут иметь два основных типа нагрева: косвенный жидкостный или непосредственный электронагрев. Головки с косвенным жидкостным нагревом предпочтительны при переработке эластомеров, иногда при переработке термопластов, в частности, когда между экструдером и головкой на больших экструзионных установках используются длинные соединительные детали или для поддержания необходимых температур в относительно небольших головках (когда возникает необходимость в целенаправленного локального подогрева или охлаждения для обеспечения необходимого качества поверхности экструдата). Серьезным недостатком жидкостного нагрева является его техническая сложность и высокая стоимость, особенно при наличии нескольких тепловых зон, для которых требуется поддержание различных температур, например в больших экструзионных головках для производства пленок и листов. Экструзионные головки для термопластов обычно нагреваются с помощью электронагревателей сопротивления, реже встречаются электроиндуктивные нагревательные элементы. В зависимости от их конструкции и формы, перечисленные нагреватели подразделяются на бандажные (плоские) со слюдяной, миканитовой или керамической 69 изоляцией, и кассетные (трубчатые) нагреватели. Бандажные нагреватели охватывают корпус головки по периметру снаружи или покрывают его плоскими нагревательными пластинами. Основным условием равномерного нагрева является хороший физический контакт между нагревателем и поверхностью головки. Поэтому нагреватели заключают в алюминиевые оболочки, которые точно подгоняются по форме к корпусу головки. Достаточно равномерный нагрев достигается при плотности тока для нагревателей с миканитовой изоляцией в пределах 2,0-3,5 Вт/см2, а для нагревателей с керамической изоляцией или заключенных в алюминиевую оболочку – 5-8 Вт/см2. Основные преимущества поверхностного нагрева головок: − обеспечение равномерного нагрева; − нагревательные элементы легко снимаются при демонтаже головки. Большое расстояние между источником тепла и поверхностью часто оказывается главным недостатком, особенно при регулировании зон больших головок. Дополнительным недостатком поверхностного нагрева является его относительно низкая энергетическая эффективность из-за значительного рассеяния тепла в окружающую среду, благодаря более высокой температуре поверхности по сравнению с остальными частями головки. Нагрев в пусковом периоде происходит довольно медленно, поэтому для широкощелевых головок часто используют кассетные нагревательные элементы (трубчатые электронагреватели ТЭНы). Эффективность такого нагрева выше, чем поверхностного. 4.2 Тепловой расчет экструзионных головок Оценку необходимого количества тепловой энергии на нагрев экструзионной головки проводят на основе теплового баланса в головке. Температуру экструзионной головки устанавливают примерно равной или несколько выше температуры последней зоны экструдера. Количество тепла, сохраняющееся в системе, определяется количеством тепла поступающего в систему и отводимого из нее, а так же количества тепла, которое вырабатываемого непосредственно в системе. 70 Общий вид теплового баланса представляет уравнение: Тепловая энерТепловые Тепловые гия, вырабатыпотоки, потоки, выхо+ ваемая в системе = – поступающие дящие из в единицу врев систему системы мени Тепловая энергия, сохраняемая в системе в единицу времени (4.1) Рис. 4.1. Тепловой баланс в экструзионной головке Общий вид теплового баланса для головки (рис. 4.1) представляет уравнение (QME + QH ) − (QMA + QCA + QRAD ) + QDiss = ∂ (md c pd Td ) , ∂t (4.2) где (в уравнении и на рис. 4.1) QME – тепловой поток, поступающий в головку с расплавом; QМА – тепловой поток, выходящий из головки с расплавом; QCA, ССМ – тепловой поток, отводимый от головки за счет конвекции (индекс А соответствует воздушной конвекции, индекс М – конвекции через расплав); QRAD – тепловой поток, отводимый от головки за счет теплового излучения; QDiss – энергия диссипации в головке в единицу времени; QН – тепловой поток, поступающий в го71 ловку от системы нагрева; md – масса экструзионной головки; cpd – удельная теплоемкость материала, из которого изготовлена головка; Td – температура экструзионнойголовки; Tda – температура внешней поверхности головки (температура поверхности, через которую происходит теплообмен с окружающей средой); Tdi – температура внутренней поверхности головки (температура поверхности, через которую происходит теплообмен с расплавом); TS – температура окружающей среды; TM – температура расплава; PE и PA – давление соответственно на входе и на выходе; V – объемный расход расплава; αCA – коэффициент теплоотдачи; εCA – коэффициент излучения. Энергия диссипации, генерируемая при течении расплава через канал экструзионной головки, выражается следующим уравнением QDiss = PE − PA . (4.3) Предположив, что благодаря энергии диссипации происходит повышение температуры расплава, справедливо следующее выражение (4.4) QDiss = QMA − QME . Повышение температуры расплава можно вычислить по следующей формуле: Q − QME , (4.5) ∆TM = MA mc p где m – массовый расход; cp – удельная теплоемкость расплава. Из уравнения (4.3) следует: ∆TM = PE − PA PE − PA , = V ρc p cp m (4.6) где ρ – плотность расплава. Повышение температуры расплава зависит только от перепада давления в экструзионной головке и свойств материала. Для типичных материалов, например: ρc p = 2 ⋅ 106 Дж/м2К, повышение температуры составит 0,05 К на 0,1 МПа повышения давления. Для исключения застойных зон, которые особенно возникают при низких температурах стенок канала головки, температура корпуса должна быть на ΔTM вы72 ше, чем температура поступающей массы ТЕ. Комбинируя уравнения (4.2) и (4.4) и решая полученное уравнение относительно QH , получаем следующее условие термостабильного состояния, при котором предполагается постоянство температуры: QH = QCA − QRAD . (4.7) Оно эквивалентно состоянию, при котором мощность нагрева должна быть равна сумме потерь на конвекцию и излучение в окружающую среду. Конвективные потери в окружающую среду составляют: (4.8) QCA = Adaa CL (Tda − TS ) , где Аda – поверхность головки, через которую происходит теплообмен с окружающей средой; Tda – температура поверхности головки; TS – температура окружающей среды; αCL – коэффициент теплоотдачи при естественной конвекции, величина которого принимается приблизительно равной 8 Вт/м2К. Тепловой поток за счет излучения в окружающую среду определяется следующим уравнением: T 4 T 4 QRAD = AdaεC R da − S . 100 100 (4.9) Здесь ε – коэффициент излучения, который для гладких стальных поверхностей составляет ε = 0,25, а для оксидированных стальных поверхностей ε =0,75; СR – постоянная излучения абсолютно черного тела, значение которой составляет СR = 5,75 Вт/м2· К4. При высоких значениях потерь давления в головке, для расплавов с низкими значениями ρ·cp часто требуется отводить тепло от каналов головки. В этом случае при конструировании следует стремиться к обеспечению изотермичности стенок канала. Тепловой поток между расплавом и стенкой канала описывается уравнением, аналогичным уравнению (4.8): QCM = Adiα CM (Tdi − TM ) , (4.10) где Аdi – площадь внутренней поверхности экструзионной головки с температурой Tdi , TM – температура расплава. 73 Необходимый тепловой поток, который надо подвести к головке от нагревательных элементов QН определяется по уравнению QH = QCL + QRAD − QM . (4.11) Мощность нагрева, определяемая по уравнению (4.11), является минимально возможной и может колебаться на величину тепловой энергии QМ, отводимой от расплава в зависимости от того, какой является разность температур (TM − Tdi ) – положительной или отрицательной. Фактическая номинальная нагрузка нагревателей должна быть вдвое больше, чтобы обеспечить резерв для работы терморегулятора в благоприятном диапазоне рабочих параметров. Это означает, что регулятор работает с нагрузкой 50%. Современные терморегуляторы обладают возможностью настройки регулирования мощности в широких пределах. Так, если фактическая мощность превышает расчетную в 4 раза, то рабочий режим составляет 25% от возможного диапазона регулирования, и в этих пределах работа терморегулятора может быть симметричной. На этапе подготовки экструзионной линии к запуску это оказывается весьма полезным, так как время разогрева головки значительно сокращается. Время разогрева можно вычислить по следующей формуле: m c ∆T (4.12) t H = d pd d , ΨQH max где md – масса экструзионной головки; cpd – удельная теплоемкость материала, из которого изготовлена головка; ΔTd – приращение температуры при разогреве; Ψ – отношение изменения электрического напряжения к изменению температуры; QНmax – установленная номинальная мощность нагрева (с увеличением – время разогрева головки сокращается). Вопросы для самопроверки ? 1. 2. 3. 4. Какие существуют типы нагрева экструзионных головок? Общий вид теплового баланса. Назовите составляющие. Когда применяют косвенный нагрев? В чем отличие бандажных и трубчатых нагревателей? 74 5 КАЛИБРУЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ В состав экструзионной линии, предназначенной для производства труб, профилей входят устройства для калибрования и охлаждения, располагаемые за головкой последовательно. Калибрующие устройства выполняют следующие основные функции: − фиксация приобретенной в формующем канале конфигурации изделия путем его частичного охлаждения; − трансформация исходной конфигурации экструдируемой заготовки до требуемой; − обеспечение требуемой точности размеров изделия. Выполнение первой функции является обязательным для всех типов калибраторов; вторая функция необходима, когда форма экструдата отличается от формы готового изделия и нужна принудительная доводка. Если к линейным размерам изделий предъявляются жесткие требования по точности (ниже 15 квалитета) возникает необходимость в третьей функции, реализуемой за счет принудительного прижима изделия к калибрующей поверхности. В настоящее время жесткие пластмассовые профили при экструзии почти всегда калибруются. Только самые простые профили и профили из пластиката ПВХ и резиноподобных материалов не калибруют, а помещают на непрерывно движущийся ленточный транспортер и охлаждают, например, методом орошения или сжатым воздухом. Калибрование предполагает протяжку экструдата через один или несколько блоков, называемых калибраторами, изготовленных из металла (латунь, сталь, алюминий) и имеющих поверхность соответствующую форме изделия. 5.1 Классификация методов калибрования и калибрующих устройств Существует несколько методов калибрования погонажных изделий, получаемых экструзией, классификация которых представлена в табл. 5.1. 75 Классификация методов калибрования и калибрующих устройств Признак Разновидности классификации По типу поверхно- Внутренняя сти, подвергаемой калиброванию Наружная Таблица 5.1 Примечание Только профили полые Полые и монолитные профили По способу прижи- Естественный Под действием ма изделия к пособственного веса верхности калибраПринудительный притора жим с помощью: - сжатого воздуха; - вакуума. Комбинированный За счет тепловой усадки По способу охла- Контакт с холодной ждения изделия поверхностью калибратора в калибраторе Непосредственный контакт с охлаждающей жидкостью Комбинированный способ По конструктивно- Монотонный канал му типу калибрую- Монотонный стержень щего элемента Набор пластин с отверстиями Профильные ролики 76 При калибровании внутренней поверхности 5.2 Типы калибрования и их применение 5.2.1 Наружное калибрование с помощью сжатого воздуха Наружное калибрование с помощью сжатого воздуха используется только при производстве труб из ПВХ диаметром не менее 355 мм и полиолефиновых труб диаметром более 90–110 мм. Контакт между калибрующей втулкой и полым экструдатом обеспечивается за счет избыточного давления воздуха (0,02–0,1 МПа). Для этого (рис. 5.1) сжатый воздух подается в трубчатую заготовку через дорн экструзионной головки. Рис. 5.1. Наружное калибрование сжатым воздухом: 1 – подача сжатого воздуха; 2 – дорн; 3, 4 – впуск воды; 5 – выпуск воды; 6 – плавающая пробка; 7 – цепь; 8 – пластмассовая труба; 9 – выход воды; 10 – охлаждающая вода; 11 – калибрующая втулка; 12 – теплоизоляция; 13 – мундштук При изготовлении труб небольшого диаметра для создания избыточного давления конец трубы герметизируется пробками или сминанием. Трубы большого диаметра уплотняются плавающими пробками, которые крепятся к дорну тросом. Охлаждение калибрующей втулки производится водой, а самой трубы – погружением в водяную ванну, капельным орошением или факельным разбрызгиванием воды (рис. 5.1). Последний метод чаще применяется при экструзии труб большого диаметра. 77 5.2.2 Наружное калибрование с помощью вакуума При использовании наружного калибрования с помощью вакуума профиль прижимается к охлаждаемой поверхности калибратора по контуру, при этом вакуум создается путем откачки воздуха через небольшие отверстия или щели в стенках калибратора (рис. 5.2). Рис. 5.2. Вакуумное калибрование наружной поверхности профиля с последующим воздушным охлаждением: 1 – желоб для воздушного охлаждения; 2, 9 – выход воды, 3, 8 – вакуум; 4 – длинномерный вакуумный калибратор; 5 – вход воды; 6 – профильная головка; 7 – вход воды; 10 – воздух для охлаждения На рис. 5.3 показан вариант закрытого наружного калибрования по контуру с помощью пластин, между которыми создан вакуум. Основное преимущество способа состоит в отсутствии необходимости герметизации внутренней полости плавающей пробкой. Надо только поддерживать внутри профиля атмосферное давление. С этой целью в дорне или сердечниках экструзионной головки предусмотрены отверстия для сообщения с атмосферой. Такой вариант используется при производстве полых профилей и труб небольшого диаметра. Для калибрования профилей обычно используют несколько блоков калибраторов, между которыми располагаются участки охлаждения. 78 Рис. 5.3. Наружное калибрование пластинами, установленными в вакуумной ванне: 1 – вход воды; 2 – к вакуум-насосу; 3 – вакуум; 4 – выход воды Для калибрования оконных профилей используют три калибрующих блока, подобных рис. 5.2, длиной 400–450 мм каждое. Размеры соответствующих блоков калибрования принимаются в соответствии с термической усадкой охлаждаемого профиля (рис. 5.4). Рис. 5.4. Оконный профиль (а) и устройства, применяющиеся для его калибрования, устанавливаемые последовательно в виде трех последовательных блоков (б) 79 За счет пластической деформации охлаждаемого расплава, которая может составлять 5–30% экструдат прижимается к стенкам калибратора и формируется требуемый контур профиля, соответствующий поперечному сечению калибратора. На рис. 5.5 показана сложная сеть каналов охлаждения и вакуумирования в секции калибратора оконного профиля. Это необходимо для создания равномерного прижатия по всей длине профиля, облегчения прохождения наружных выступов профилей для предотвращения разрыва. Рис. 5.5. Калибратор для оконных профилей: 1 – место присоединения к вакуум-насосу; 2 – вакуумные каналы; 3 – место присоединения к вакуум-насосу; 4 – каналы охлаждения; 5 – вакуумные щели На рис. 5.6 показан короткий вакуумный калибратор для простых профилей, устанавливаемый на входе в охлаждающую ванну. Последующее охлаждение профиля осуществляется в водяной ванне путем погружения, водяным орошением из форсунок или струей сжатого воздуха от воздуходувки. 80 Рис. 5.6. Короткий вакуумный калибратор, установленный на входе в охлаждающую ванну: 1, 2 – выход, вход воды; 3 – короткий блок калибратора; 4 – водяная ванна; 5 – вакуум; 6 – профильная экструзионная головка Скорость калибрования, а следовательно, и линейная скорость отвода профиля зависит от формы калибруемого профиля, толщины его стенок и свойств материала. Обычно для наружного калибрования скорость экструзии составляет примерно 4–5 м/мин и более. 5.2.3 Внутреннее калибрование Этот процесс редко применяется при экструзии труб, поскольку в качестве основы для классификации и стандартизации труб используют наружный диаметр. Исключение составляют трубы для пневмоконтейнеров, имеющие жесткие допуски на внутренний диаметр. При этом способе калибрования дорн головки соединяется с охлаждаемым калибрующим дорном. По нему протягивается охлаждаясь пластичная трубчатая заготовка. Охлаждение может осуществляться и снаружи путем обдува воздухом или в водяной ванне. Для внутреннего калибро81 вания большей частью используют угловые или офсетные экструзионные головки, в которых расплав меняет направление течения на 90°, что позволяет обеспечить надежность крепления калибрующего дорна и системы охлаждения. Профилированием калибрующего дорна (рис. 5.7) можно преобразовать простую круглую трубчатую заготовку в трубообразный профиль. Рис. 5.7. Внутреннее калибрование При охлаждении заготовки на калибрующем дорне в результате термической радиальной усадки материала возникают высокие силы трения требующие значительных усилий для отвода профиля. Для снижения усилия отвода иногда используют роликовые дорны, которые закрепляют с внутренней стороны профиля в местах приложения тягового усилия. 5.2.4 Специальные методы калибрования Если калибраторы непрерывно перемещаются вместе с экструдатом, то это позволяет производить профили переменного в направлении экструзии сечения. Этод метод применяется при изготовлении гофрированных труб (рис. 5.8). 82 Рис. 5.8. Производство гофрированных труб: 1 – плавающая пробка; 2 – выход воздуха для раздува заготовки; 3 – дорн; 4 – мундштук; 5 – цепь с гофрированной полуформой Для этого применяют приемные гусеничные устройства (гофраторы) со специальными металлическими полуформами, в которых гладкая пластическая трубчатая заготовка по действием сжатого воздуха или вакуума преобразуется в гофрированную трубу. 5.3 Расчеты калибраторов Достигаемая производительность оборудования является одним из основных факторов, оказывающих решающее влияние на экономический успех производства. Однако очень важно знать, что при экструзии профилей производительность линии определяется не только характеристиками экструдера и головки, но и эффективностью калибрующего устройства, системы охлаждения. Калибрующее и охлаждающее устройства не должны превышать определенную длину. Следствием этого является недопустимость высоких сил трения между профилем и калибратором. При формовании, например, труб диаметр калибрующей поверхности, время калибрования величина силового калибрующего фактора (давление калибрования) являются параметрами, непосредственно определяющими наружный диаметр трубы. Так как его точность достаточно строго регламентирована, для полного расчета ка83 либра математическую модель тепловых процессов необходимо дополнить решением размерной задачи по установлению зависимости диаметра трубы от геометрических параметров калибрующего устройства и конкретных условий процесса калибрования. Соотношение между диаметром калибра DК и готовой трубы D характеризуется величиной D = (D − DK ) D , которую только условно можно назвать «усадкой». На термическую усадку полимера, связанную с изменением плотности, накладывается деформация заготовки под действием калибрующего давления. «Усадка» является функцией следующих параметров: D = f (τ K ,τ p , PK , S , D ) , (5.1) где τ K = LK V ; τ p = L p V – соответственно время калибрования и время действия силового калибрующего фактора; при этом LK и LР – длины калибра и вакуумных ванн. Скорость отвода V определяется производительностью Q и геометрическими параметрами трубы: V= Q , πDSρ (5.2) где S – толщина стенки трубы; ρ – плотность материала трубы. Удовлетворительная работа калибрующего устройства зависит от того, насколько верно определены его основные размеры – длина и конфигурация поперечного сечения. При расчете длины рекомендуется начинать с допущения, что будет охлажден до температуры ниже температуры затвердевания только относительно тонкий наружный слой профиля, прочности которого достаточно для сохранения профилем формы и размеров. В общем случае на профиль могут действовать следующие силы: давление калибрования, собственный вес профиля, выталкивающая сила при охлаждении профиля в водяной ванне, тяговое усилие от тянущего устройства, силы трения по поверхности калибрования, силы сжатия от гидростатического давления охлаждающей среды. Наибольшее влияние оказывают на откалиброванный профиль давление воздуха и тянущее усилие, причем настолько, что в сравнении с ними прочими факторами можно пренебречь. При этом условия прочности отвержденного слоя имеют следующий вид: 84 − под действием внутреннего давления: pD 2 S отв.слоя − ≤ [σ ]; (5.3) под действием тянущего усилия: N ПS отв.слоя =≤ [σ ] , (5.4) где p – давление воздуха; D – наружный диаметр трубы; N – тянущее усилие; П – периметр поперечного сечения изделия, контактирующий с калибрующим устройством; Sотв.слоя – требуемая толщина отвержденного слоя. Исходные параметры для расчета длины калибратора приведены на рис. 5.9. Рис. 5.9. Схема калибрующего устройства с применением внутреннего избыточного давления для калибрования по наружному диаметру: 1 – трубная головка; 2 – термоизоляция; 3 – трубная заготовка; 4 – калибратор; 5 – водяная рубашка калибратора; 6 – трос; 7 – скользящая пробка; 8 – калиброванная труба; здесь Т0 и Тi – температуры на входе в калибратор и на внутренней поверхности трубы; Тm – средняя температура трубы на выходе из калибратора; Т1 и Т2 – температуры внутренней поверхности калибратора в начале и в конце контакта с трубой Объем охлаждаемого участка трубы площадью поперечного сечения fтрубы равен Vтрубы = f трубы LK 85 (5.5) Объемная производительность экструдера из уравнения (5.2) определяется как Q = Vf трубы (5.6) Примем следующие допущения: − температуры участков Т1=Т2=Та (рис. 5.9) при условии хорошего контакта между наружной поверхностью трубы и насадкой (калибратором); − благодаря плохой теплопроводности пластмассы можно допустить, что температура на внутренней поверхности трубы Тi во время калибрования меняется незначительно, т.е. Тi = Т0; − изменение температуры по толщине трубы происходит по линейному закону, т.е. Tm = T0 − Ta T −T = T0 − 0 a . 2 2 (5.7) Приняв эти допущения, можно рассчитать потери тепла G в зоне контакта с холодной поверхностью калибрующего устройства: 1 G = Qρc(T0 − Tm )τ k , 2 (5.8) где ρ – плотность расплава; с – удельная теплоемкость полимера; τk – время калибрования. Определим потери тепла трубой при стационарном тепловом режиме, т.е. при условии Ti − Ta ≈ T0 − Ta : G1 = 2πLl (T0 − Tm )τ k ln[DH (DH − 2 S )] (5.9) где λ – коэффициент теплопроводности. В действительности потери тепла с учетом нестационарности охлаждения трубы и температуры ее по толщине изменяются не по линейному закону. В этом случае G= G1 2 (5.10) 86 DH S = 2(DH + S ) 2 DH − S DH (5.8), (5.9) и (5.10), получим принимая ln G= πλLDH2 2(DH + S ) S и решив совместно уравнения (T0 − Ta )τ . (5.11) Из уравнений (5.8) и (5.11) находится L: L=ρ c (DH + S )S . Q λ πDH2 (5.12) Для труб с соотношением S ≤0,1Dн последнее уравнение упростится: 1 c S (5.13) L= ρ Q. π λ DH Преобразуя уравнение (5.7), приведем его к виду: Tm = T − ε 2 (T0 − Ta ) , (5.14) где ɛ – безразмерная константа, определяемая опытным путем (для ПЭ ɛ = 0,1, для ПВХ ɛ = 0,4). Окончательное уравнение примет вид: c L = ε ρ S 2V . λ (5.15) Вопросы для самопроверки ? 1. Назовите функции калибрующих систем. 2. Признаки классификации калибрующих систем. 3. Какова сущность методов наружного калибрования с помощью сжатого воздуха и вакуума? 4. Где используют внутреннее калибрование? 5. Специальные методы калибрования, области применения. 87 6 БАЗОВЫЕ ПРИНЦИПЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ В обобщенном виде при конструировании экструзионного формующего инструмента следует принимать во внимание нижеприведенные основные положения. 6.1 Конструкция головки должна состоять из минимального количества деталей для сокращения времени на сборку – разборку с точной центровкой сопряжений, исключающих утечки расплава, образование застойных зон. 6.2 Детали головки должны скрепляться небольшим количеством термостойких болтов увеличенного сечения (а не большим количеством болтов малого сечения). 6.3 Крепление экструзионных головок к экструдеру лучше осуществлять с помощью откидного фланца или другим способом с быстрой герметизацией места стыка. Большие головки монтируют на регулируемых передвижных тележках. 6.4 Следует избегать образования видимых линий тока расплава. В зависимости от типа экструдируемого изделия и свойств материала, необходимо предусматривать в головке формующий участок с постоянными размерами, на длине которого происходит затухание обратимых деформаций расплава до равновесного уровня, на этом участке необходимо обеспечить независимое регулирование температуры. 6.5 Зоны головки с большой площадью поперечного сечения характеризуются значительным временем пребывания расплава, что особенно опасно для термочувствительных материалов. Поэтому для таких материалов необходимо соблюдать принцип минимизации объема каналов. 6.6 Поверхность канала головки должна быть отполирована или даже обработана хонингованием. При необходимости эту поверхность хромируют для снижения тенденции к налипанию расплава и упрощения очистки головки или применяют коррозионно-стойкие стали. 6.7 Шероховатость поверхности канала экструзионной головки должна быть не более 0,2 мкм. 88 7 МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭКСТРУЗИОННЫХ ГОЛОВОК 7.1 Требования к материалам для изготовления экструзионных головок Требования к материалам: − легкость механической обработки; − устойчивость к воздействию высоких давлений и температур, износостойкость; − достаточная прочность, твердость и жесткость; − легкость поверхностной обработки при получении поверхности без пористости; − предсказуемая реакция на закалку, отжиг, отпуск и др. термическую обработку; − минимальная склонность материала к искажению формы при термообработке; − коррозионная стойкость к химическим агрессивным средам; − возможность при необходимости хромирования, азотирования; − хорошая теплопроводность. При выборе материала следует учитывать: − тип перерабатываемого материала, его температурные характеристики, абразивные характеристики, химические свойства; − природу и уровень механических напряжений; − способ обработки металла (механическая обработка возможна для материалов, у которых механическая прочность достигает примерно 1500 Н/мм2; лучше обрабатывать металлы с прочностью в диапазоне 600 – 800 Н/мм2); − какой вид термообработки необходим для деталей головки. 7.2 Типы сталей для изготовления деталей экструзионной головки Наряду с немногочисленными случаями применения цветных металлов для изготовления экструзионных головок в основном используют различные стали (табл. 7.1). 89 Таблица 7.1 Стали для изготовления деталей экструзионной головки Марки сталей Прокаливаемые стали Примечание 2 1.2162 (21MnCr5); 1.274 (X19NiCrMo4); 1.2341 (X6 CrMo 4) 3 В наибольшей мере удовлетворяют всем предъявляемым требованиям. Легко поддаются механической обработке. Имеют низкое содержание углерода (менее 0,2%). За счет науглероживания содержание углерода может быть повышено до 0,8% при глубине слоя 0,6–2,0 мм. 1.2852 (33 AlCrMo 4) 1.2307 (29 CrMoV 9) 1.2851 (34 CrAl 16) Это стали, в которых легирующие добавки образуют твердые нитриды, образование которых приводит к высокой твердости поверхности при пластичной сердцевине. При азотировании закалки после упрочнения не происходит, поэтому искажения формы детали отсутствует. Максимальная твердость достигается при азотировании на глубину 0,03–0,08 мм. При этом обрабатываемая деталь должна иметь припуск на обработку. При использовании ионного азотирования процессу упрочнения могут быть подвергнуты уже обработанные детали. Эти стали не являются полностью коррозионно-стойкими. 1.2344 (X40CrMoV 51) 1.2367 (X32CrMoV53) 1.2080 (X210Cr12) 1.2379 (X155CrVMo12.1) 1.2767 (X45 NiCrMo4) 1.2842 (90 MnCrV8) Отличаются высокой твердостью и повышенной износостойкостью. Ударная вязкость невелика в сравнении с цементируемыми сталями. Чувствительны к трещинообразованию. Используют редко, для небольших экструзионных головок. Азотируемые стали Цементируемые углеродистые стали Наименование 1 90 Окончание табл. 7.1 Коррозионностойкие стали Закаленные и отпущенные в состоянии поставки стали 1 2 3 1.2312 (40CrMnMoS86) Применяют в случаях, когда есть 1.2347 (XCrMoVS51) вероятность особенно при изго1.2711 (54 NiMoV6) товлении больших головок, что при термообработке произойдет искажение формы и изменение размеров деталей. Подвергают при необходимости азотированию или хромированию. К этому типу относятся стали, в составе которых содержится более 12% хрома. Применяют для переработки пластмасс, выделяющих химически агрессивные вещества, а хромирование или никелирование поверхности канала по техническим причинам невозможно. 1.2083 (X40 Cr13) 1.2316 (X36 CrMo17) Для повышения износостойкости и коррозионной стойкости экструзионных головок вместе с азотированием применяют следующие меры: − нанесение защитного слоя хрома (прочное хромирование) электролитическим способом (толщина 0,015–0,03 мм); − никелевые покрытия (толщина до 1 мм) и никелевые сплавы (с содержанием никеля до 95%) используют в головках, предназначенных для экструзии ПВХ; − покрытия из карбида титана (толщиной 6–9 мкм), отличающиеся высокой износо- и коррозионной стойкостью. 91 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Техника переработки пластмасс / под ред. Н.И. Басова и В. Броя. – М.: Химия, 1985. – 528 с. 2. Басов, Н.И. Расчет и конструирование формующего инструмента для изготовления изделий из полимерных материалов: учебник для вузов /Н.И. Басов, В.А. Брагинский, Ю.В. Казанков. – М.: Химия, 1991. – 352 с. 3. Шварц, О. Переработка пластмасс / О. Шварц, Ф.В. Эбелинг, Б. Фурт. – СПб.: Профессия, 2005. – 320 с. 4. Микаэли, В. Экструзионные головки для пластмасс и резины: конструкции и технические расчеты / В. Микаэли. – СПб.: Профессия, 2007. – 472 с. 5. Лебедева, Т.М. Экструзия полимерных пленок и листов / Т.М. Лебедева. – СПб.: Профессия, 2009. – 216 с. 6. Володин, В.П. Экструзия профильных изделий из термопластов / В.П. Володин. – СПб.: Профессия, 2005. – 480 с. 7. Раувендааль, К. Выявление и устранение проблем в экструзии / К. Раувендааль, М. дель П.Е. Норьега, Х. Харрис. – СПб.: Профессия, 2008. – 328 с. 92 92 ПРИЛОЖЕНИЕ ВНЕСИСТЕМНЫЕ ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ Название единицы Символ Связь с системой СИ дюйм дюйм; in 1 in =0,0254 м микрон (устаревшее) мк 1мк = 1мкм фут ft 1 ft = 0,3 м фунт lb 1 ld = 0,454 кг стоун st 1 st = 6,35 кг дина дин 1 дин = 0,00001 Н килограмм-сила кгс 1 кгс = 9,80665 Н фунт-сила lbf 1 lbf = 4,448 Н атмосфера(техническая) ат, at 1 ат = = 98066,5 Па атмосфера (стандартная) атм, atm 1 атм = 101325 Па бар Бар, bar 1 бар = 100000 Па торр торр; torr 1 торр = 133,3224 Па литр л 1 л = 0,001 м3 галлон жидкий gal 1 gal = 0,003785 м3 килограмм-сила-секунда на квадрат- кгс⋅с/см3 1 кгс⋅с/см3 =9,8 Па⋅с ный сантиметр пуаз П 1 П = 0,1 Па⋅с фунт-сила-секунда на квадратный фут lbf⋅s/ft2 1 lbf⋅s/ft2 = 0,2088 Па⋅с фунт-сила-секунда дюйм 1 lbf⋅s/in2 = 6894,757 Па⋅с на квадратный lbf⋅s/in2 ватт-секунда Вт·с 1 Вт·с = 1 Дж киловатт-час кВт⋅ч 1 кВт⋅ч = 3600000 Дж калория кал 1 кал = 4,19 Дж тонна-час охлаждения т·ч 1 т·ч =3516,85 Дж⋅с британская термическая единица BTU 1 BTU = 1055,0558 Дж 93 ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЕДИНИЦ ИЗМЕРЕНИЯ 1 м =1000 мм 1 м =100 см 1 м =1000000 мм Преобразование единиц длины 1 м = 39,37 in 1 in =0,0254 м 1 м = 3,28 ft Преобразование единиц массы / силы 1 кг = 1000 г 1 кгс = 9,807 Н 1 кг = 0,001 т 1 кгс =2,205 lbf 1 кг = 1000000 мг 1 дин = 1 г·см/с2 1 кг = 2,205 lb 1 дин = 0,00001 Н Преобразование единиц давления 1 МПа = 1000000 Па 1 МПа = 10000000 дин/ см2 1 МПа = 1000 кПа 1 МПа = 145,04 lbf/in2 1 МПа = 10 бар 1 ат = 1 кгс/см2 Преобразование единиц измерения скорости потока 1 м3/с = 1000000 см3/с 1 л/мин = 1дм3/мин 3 1 м /с = 60000 л/мин 1 in3/min = 16,387 см3/мин 1 м3/с = 15840 gal/min 1 gal/min = 3,785 л/мин 1 м3/с = 950400 gal/h 1 gal/h = 0,13368 ft3/h Преобразование единиц измерения вязкости 1 Па⋅с = 10 П 1 Па⋅с = 0,10197 кгс⋅с/м2 1 Па⋅с = 1000 сП 1 дин⋅с/см2 = 1 П 1 Па⋅с = 10 г/(см·с) 1 lbf·s/in² = 144 lbf·s/ft² Преобразование единиц энергии 1 Дж = 1 Вт·с 1 Дж = 0,000000079 т·ч 1 Дж = 0,000000278 кВт⋅ч 1Дж = 0,00094782 BTU 1 Дж = 0,00023885 ккал 1 т·ч = 3320 ккал/час 1 Дж = Н·м 1 Дж = 10,1972 кгс⋅см 94 УЧЕБНОЕ ИЗДАНИЕ Юрий Викторович Перухин Тимур Рустамович Дебердеев Светлана Николаевна Русанова РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПЛАСТМАСС И ФОРМУЮЩЕЙ ОСНАСТКИ ЭКСТРУЗИОННЫЙ ФОРМУЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ Ответственный за выпуск доц. Е. Н. Мочалова 95 Подписано в печать 30.05.2017 Бумага офсетная Печать ризографическая 6,0 уч.-изд. л. Тираж 100 экз. Формат 60×84 1/16 5,58 усл. печ. л. Заказ Издательство Казанского национального исследовательского технологического университета Отпечатано в офсетной лаборатории Казанского национального исследовательского технологического университета 420015, Казань, К. Маркса, 68 96
