ЭКСТРУЗИОННЫЕ головки ДЛЯ ПЛАСТМАСС И РЕЗИНЫ

ЭКСТРУЗИОННЫЕ головки ДЛЯ ПЛАСТМАСС И РЕЗИНЫ: Конструкции и технические расчеты

Микаэли В.

Во время моего последнего визита в Медельин (Колумбия) по поводу 10-летнего юбилея ICIPC, успешно развивающегося научно-исследовательского института по исследованию технологий переработки пластмасс и резины, я встретил большую группу студентов-энтузи - астов, которые учились по моей книге, посвященной конструированию экструзионных голо­вок. Эта встреча доставила мне огромное удовольствие, во-первых, потому что показала, что моя книга получила широкое признание не только в моем родном городе, но и далеко за его пределами. Во-вторых, было чрезвычайно приятно почувствовать, что все эти молодые люди с удовольствием учились по моей книге и нашли ее полезной для повышения своего профес­сионального уровня. Однако моя книга была задумана не просто как учебное пособие, но и как практический справочник, предназначенный для повседневного использования в прак­тической работе как в промышленности, так и в научной деятельности. С момента выхода второго издания книги прошло двенадцать лет, и за этот срок в области конструирования экструзионных головок произошли серьезные изменения, появилось множество технологи­ческих нововведений. Например, головки со спиральным распределителем существуют уже более тридцати лет, однако с момента выхода второго издания книги некоторые из их функ­ций претерпели изменения. В настоящее время спиральный распределитель размещают на плоской поверхности, а подача расплава в него осуществляется сбоку. Если такие системы устанавливать одна на другую, то получается так называемая головка с копильником, пре­доставляющая ряд преимуществ по сравнению с классическими. головками с кольцевой ще­лью для соэкструзии. Эти новшества рассмотрены в главе 5.

Компьютерная обработка всех данных, включая параметры материала, параметры тех­нологического процесса, а также геометрическую конфигурацию конечного изделия, — это мечта каждого разработчика экструзионных головок. Такой подход позволил бы получить окончательную версию конструкции канала экструзионной головки, обеспечивающего оп­тимальное распределение параметров полимерного расплава. Данная книга показывает, что хотя анализ с использованием метода конечных элементов является ключом к достижению этой цели, получение точного описания вязкоупругих свойств экструдируемого материала все еще представляет собой чрезвычайно сложную реологическую и инженерную задачу. Тем не менее существенный прогресс был достигнут и в этом направлении. Например, для тече­ний вязкой жидкости заявленная цель почти достигнута. В связи с этим в третье издание книги была включена новая глава, посвященная численным методам оптимизации экстру­зионных головок.

Я счастлив выразить огромную благодарность моим коллегам из Института по перера­ботке пластмасс в Аахене — дипломированным инженерам Борису Роттеру, возглавляюще­му отдел экструзии, и Стефану Каулу, инженеру-исследователю этого отдела, за их поддерж­ку и активную помощь в процессе переработки и редактирования данной книги. Многие результаты, представленные в книге, были получены студентами Института в ходе работы над дипломными проектами.

Кроме того, я от всего сердца благодарю членов консультативных комитетов по экстру­зии, раздувному формованию и технологии переработки резин Института по переработке пластмасс в Аахене за множество ценных замечаний, которые помогли улучшить данную книгу. В основу книги положены результаты, достигнутые в ходе осуществления множества исследовательских проектов, реализованных в Институте. Осуществление этих проектов стало возможным за счет сотрудничества между Институтом и рядом промышленных пред­приятий, а также за счет поддержки и финансирования, полученных от ряда правитель­ственных организаций: объединенного союза промышленников (Кельн), Немецкого союза промышленников (Бонн-Бад-Годесберг), Федерального министерства образования, науки и технологии (Берлин), а также Еврокомиссии (Брюссель). Наконец, выражаю особую бла­годарность Доктору Вольфгангу Гленцу из издательства Ilanser (Мюнхен) за многолетнее плодотворное сотрудничество, интуицию и понимание. Такое понимание особо ценится тех­ническими писателями вроде меня, которые помимо написания книг занимаются и работой по своей основной профессии. Только благодаря помощи и поддержке всех перечисленных выше коллег написание этой книги и стало возможным.

В предисловии к третьему изданию автор отмечает, что его книга получила широкое признание во всем мире. Она полезна не только для студентов при изучении технологии переработки пластмасс и основ конструирования технологической оснастки для производства экструзионных изделий из пластмасс и эластомерных материалов, но и является справочником для практической работы в промышленности и в научной деятельности. И это действительно так. За весь период развития технологии переработки пластмасс эта книга является первой и единственной, где в полной мере представлен весь цикл разработки экструзионных головок для производства самых разных видов погонажных изделий из полимеров, начиная от научных аспектов течения вязких жидкостей как сплошной среды, и заканчивая вопросами изготовления, испытания и эксплуатации головок.

Экструзионная оснастка, включающая экструзионную головку и устройства для калибрования и охлаждения изделий, представляет собой важнейшую часть экструзионной линии. Ее значение можно было бы признать доминирующим, но для непрерывного процесса нельзя умалять значение всех составляющих линии и инфраструктуры, в которой осуществляется производство изделий. О предприятии автор говорит только в аспекте монтажа-демонтажа головок и их обслуживании, а вопросы подготовки материалов к переработке, их транспортировки, смешения, окраски и прочие важные вопросы организации производства остаются в стороне, поскольку они непосредственно не касаются основной темы. Однако приводимые здесь рекомендации показывают, насколько бережно следует относиться к таким сложным и дорогим устройствам, как экструзионные головки, особенно большого размера.

Очень полезными представляются главы, касающиеся нагрева экструзионных головок, выбора материалов для изготовления деталей головок и калибраторов, механические расчеты головок. В отечественно литературе подобные работы немногочисленны и были опубликованы в 1960-70 годы. Поэтому достаточно полное изложение материала по упомянутым аспектам может оказаться весьма полезным для разработчиков оснастки и технологов. При выборе сталей для изготовления оснаст­ки, являющихся отечественными аналогами приводимых в главе 9 марок, может оказаться весьма полезной книга (перевод с немецкого) «Ключ к сталям», опубликованная издательством «Профес­сия» в 2006 г.

Слабее других написана глава, посвященная оснастке для производства профильных изделий. Здесь, в основном, приводятся ссылки на достаточно старые работы и на конструкции головок и калибраторов, которые за последние годы претерпели значительные изменения. Нет ссылок на известных современных производителей экструзионной оснастки для производства профильных изделий в Германии, Австрии, Италии, США и др. Здесь просматриваются предпочтения автора к выбору цитируемых ссылок.

Книга В. Микаэли знакома русскому читателю по английскому переводу 2-го издания, однако распространенность английского перевода была ограниченной. Потребность в подобной книге дос­таточно высока, особенно сейчас, когда стали появляться небольшие предприятия по переработке пластмасс, компетентность работников которых не всегда удовлетворяет современным требовани­ям производства. Перевод 3-го издания книги поможет восполнить этот пробел.

Периоды между изданиями были достаточно продолжительными (1983-1991 -2003 гг.). За это время в быстро развивающейся области переработки пластмасс произошли довольно значительные изменения. Особенно это касается 1990-х гг. — периода бурного развития информационных технологий и повсеместного использования персональных компьютеров в практической работе. И автор не мог не откликнуться на веление времени. В книгу включена новая глава, посвященная численным мето­дам анализа процессов, протекающих в каналах экструзионных головок и при калибровании-ох­лаждении профильных изделий, и оптимизации конструкций головок. Подробно разобраны мето­ды оптимизации, подходы к их выбору и использованию. К сожалению, в книге встречаются фразы, которые для нашего времени можно признать анахронизмом. Например, попадаются ссылки на использование программируемого калькулятора при проведении достаточно простых расчетов. Верит ли сам автор в целесообразность такой рекомендации, когда персональный или карманный компьютер стал для инженера таким же распространенным и обычным инструментом, как логариф­мическая линейка в предшествующие годы. Разумеется, это нельзя отнести к позиции автора книга, а объяснить можно лишь недостаточно внимательным отношением к ее содержанию при подготовке нового издания.

Еще хотелось бы обратить внимание на практически полное отсутствие ссылок на русскоязыч­ных авторов. Имеющиеся немногочисленные ссылки на отечественные работы относятся к публи­кациям в международных англоязычных журналах или к работам, которые автор использовал при подготовке первого издания книги. Вклад советских и российских исследователей в развитие тех­нологии переработки пластмасс, в исследования процессов формования изделий из расплава и в конструирование технологической оснастки довольно значителен, но он почти не находит отраже­ния в книге.

В связи с этим в конце книге приводится дополнительный перечень литературы (естественно, далеко не полный), включающий переводы на русский язык известных зарубежных авторов и рабо­ты советских и русских исследователей. Такой перечень может оказаться полезным для молодых специалистов и зрелых практиков для расширения их кругозора и составления общей картины о развитии направления за последние 50 лет. В список включены также работы, относящиеся к свой­ствам полимерных материалов и к научным основам технологии экструзии пластмасс, без знания которых немыслимо грамотное и целенаправленное конструирование экструзионной оснастки. Включены также некоторые работы по обработке металлов под давлением, из которых можно по­черпнуть много полезных сведений для расчета и конструирования экструзионных головок и ка­либрующих устройств. Хотелось бы также обратить внимание читателя, что эти публикации могут оказаться полезными при рассмотрении многих вопросов течения и деформирования жестких пласт­масс, с учетом специфики свойств полимерных материалов.

В последней главе рассматриваются вопросы калибрования и охлаждения экструдируемых из­делий. В значительной мере здесь использованы ссылки на достаточно старые работы 1970-80 гг., и лишь некоторые датированы 1990-ми гг. Обращает внимание, что здесь расчеты касаются лишь распределения температур в толще стенок калибруемого и охлаждаемого изделия. И ни в коей мере не оцениваются количественно деформационные процессы, протекающие перед калибратором и в са­мом калибрующем устройстве, не дается оценка усадочных явлений (кроме некоторых практических рекомендаций) и нет ссылок на немногочисленные работы в этой области. Эти вопросы весьма сложны для расчетов, так как представляют нестационарные процессы с фазовыми переходами, о чем автор упоминает, но исследований в этой области немного. И касаются они больше возникно­вения и расчета внутренних напряжений, возникающих при неравномерном охлаждении экструдата.

Несмотря на некоторые пробелы, естественные для книги в такой относительно молодой и еще недостаточно изученной области как конструирование головок и калибраторов для производства изделий из пластмасс и резины, в книге много полезных рекомендаций и уравнений, которые могут быть с успехом использованы технологами и конструкторами при разработке новых технологичес­ких процессов и освоении производства разнообразных изделий.

Валентин Володин

При изготовлении полуфабрикатов из термопластов экструзией центральное ме­сто занимают два узла — экструзионная головка (extrusion die, extruder head), осуще­ствляющая формование заготовки из расплава (экструдат), и калибратор (former). Калибратор обычно устанавливается за экструзионной головкой и выполняет функ­ции направляющего устройства, осуществляющего пластическое деформирование экструдата, обеспечивающего требуемые размеры и производящего охлаждение до заданной температуры (рис. 1.1 и 1.2).

Рис. 1.1. Схема производственной линии для производства профилей методом экструзии: 1 — приемное устройство (накопитель), 2 — режущее устройство, 3 — тянущее уст­ройство, 4 — зона охлаждения, 5 — зона калибрования экструдата, 6 — экструзион­ная головка, 7 — экструдер

При экструзии эластомерных материалов, в отличие от экструзии термопластов, размеры конечного продукта существенно зависят от геометрии экструзионной голов­ки[1]. Некоторые изменения формы и размеров конечного продукта происходят тогда,

Экструзионная головка

Экструзионная головка для производства профиля

когда после выдавливания расплава из головки осуществляется вулканизация экстру­дата. В основном эти изменения происходят вследствие образования поперечных свя­зей в материале, особенно если допускается свободная усадка экструдата. Предполага- егся, что производительность потока расплава на выходе из экструдера является достаточной. При этом сам поток непульсирующий, воспроизводимый, а также ме­ханически и термически однородный. С другой стороны, экструзионная головка и ка­либратор определяют размеры получаемых полуфабрикатов. В связи с этим необходи­мо учитывать, что решающее влияние на качество экструдируемых изделий (например, состояние поверхности и механические свойства) оказывают следующие факторы:

• реологические и термодинамические процессы, протекающие в экструзионной головке и калибраторе;

• процессы вытягивания, которые могут иметь место на участке между экструзи­онной головкой и калибратором, а также на участках входа в формующую часть фильеры и в калибратор.

При разработке технологичных конструкций экструзионных головок и калибра­торов необходимо рассматривать связь между расходом, деформацией и температу­рой на обоих участках производственной линии. При выборе аналитического подхо­да к описанию физических процессов доля опытной стадии при конструировании
экструзионной головки и калибратора может быть уменьшена, поскольку все конст­руктивные изменения, например, в геометрии каналов экструзионной головки, могут быть оценены непосредственно. Эта оценка производится в зависимости от рабочего режима, реологических и термодинамических свойств перерабатываемого полиме­ра, с учетом процессов формования и охлаждения экструдата. Таким образом, анали­тический подход дает возможность создавать более совершенные конструкции экст­рузионных головок и калибраторов.

I (елью данной книги является подробное описание инженерных методов, иС1 юльзуе - мых при конструировании экструзионных головок и калибраторов, причем основное внимание уделяется экструзионным головкам. Приводятся основные правила конструи­рования головок и дается описание простых математических методов, соответствующих практическим требованиям. Кроме того, приводятся многочисленные ссылки на отдель­ные экструзионные головки и калибраторы специфической конструкции. Особо подчер­киваются различия между конструкциями экструзионных головок, предназначенных для переработки эластомерных и термопластичных материалов.

В процессе разработки и конструирования экструзионных головок и калибрато­ров возникает необходимость рассматривать проблему с точки зрения реологии, тер­модинамики, производства и эксплуатации [ 1 ].

Эксплуатационные аспекты включают, например, обеспечение механической жесткости экструзионной головки, достаточной для поддержания на минимальном уровне изменения выходного поперечного сечения формующего инструмента вслед­ствие воздействия давления расплава; простые способы установки и демонтажа го­ловки и калибратора, а также возможность удобной очистки экструзионной головки. Кроме того, большое значение имеют уменьшение количества стыковых поверхно­стей в экструзионных головках, их герметизация, а также конструкция герметичного и легко демонтируемого соединения между экструдером и головкой (адаптера) [ 1].

Производственные аспекты должны приниматься во внимание при конструиро­вании отдельных деталей экструзионных головок и калибраторов в целях макси­мально возможного снижения затрат на изготовление технологической оснастки. Уменьшение затрат может быть достигнуто, например, за счет использования матери­алов, хорошо поддающихся механической обработке, полировке и термообработке, а также за счет применения отработанных технологий машиностроительного произ­водства.

При рассмотрении реологических аспектов требуется ответить наследующий во­прос [1]: какими должны быть размеры поперечного сечения канала экструзионной головки на выходе, чтобы обеспечить выполнение следующих требований:

• достижение требуемой производительности при заданном давлении экструзии (возможно также рассмотрение обратной задачи);

• обеспечение одинаковой средней скорости течения расплава по всему попереч­ному сечению канала на выходе;

• обеспечение требуемой геометрии экструдата для неосесимметричных загото­вок (которая может искажаться за счет вязкоупругих эффектов);

• обеспечение гладкой поверхности экструдата и/или поверхностей раздела меж­ду различными слоями расплава даже при высокой производительности, так как при больших скоростях сдвига может произойти разрушение экструзион­ного потока[2];

• устранение застойных зон и исключение деполимеризации или разложения расплава, которые частично связаны с наличием застойных зон в потоке (со­блюдение этого требования зависит от времени пребывания материала в канале экструзионной головки и от температур, существующих в нем).

С точки зрения термодинамических аспектов проблемы, тесно связанных с рео­логическими аспектами, необходимо получить информацию о максимальных тем­пературах, которые могут наблюдаться в потоке расплава в канале экструзионной головки на основе существующих представлений о теплопередаче и диссипации энер­гии, особенно при рассмотрении термочувствительных полимерных материалов. Здесь же рассматриваются способы регулирования температуры расплава и обеспе­чения ее равномерного распределения по поперечному сечению каналов экструзион­ной головки и калибратора.

Как правило, не все перечисленные выше требования могут быть обеспечены од­новременно и одинаково успешно. Это относится как к экструзионной головке, так и к калибратору. По этой причине необходимо установить и распределить приорите­ты. Например, при конструировании гранулирующей экструзионной головки (гра­нуляция на перфорированной решетке), следует стремиться к достижению макси­мально возможной пропускной способности, тогда как при производстве кабельной изоляции главное — это качество поверхности [1].

При рассмотрении этих требований, однако, необходимо принимать во внима­ние, что экструдер и экструзионная головка тесно взаимодействуют при работе. Это особенно справедливо при применении традиционного одношнекового экструдера с гладким материальным цилиндром и трехзонным шнеком. На рис. 1.3 видно, что увеличение сопротивления экструзионной головки при постоянной скорости враще­ния шнека может привести к заметному снижению объемного расхода. Поэтому пере­пад давления в экструзионной головке важен с точки зрения механической прочности корпуса головки и крепежных болтов, ее стягивающих, а также достигаемой пропуск­ной способности. (Примечание: во многих случаях производительность экструзион­ной линии ограничивается не столько выбранной конструкцией экструзионной головки или экструдера, сколько интенсивностью и степенью охлаждения, достигаемой в калибраторе и зоне охлаждения. Например, толстостенные или сплошные стержни изготавливают с помощью экструдеров, имеющих небольшой диаметр шнека)[3]. Бо­лее того, в условиях адиабатического процесса температура расплава в экструзионной

головке повышается вследствие внутреннего трения расплава и диссипации выделя­емого тепла. Соотношение между изменением температуры и перепадом давления в данном случае выражается хорошо известным уравнением:

Ар АТ = — , Рц

При выборе конструкции экструзионной головки перепад давления в ней имеет первостепенное значение.

Приводимая ниже блок-схема процесса конструирования демонстрирует, каким образом перечисленные выше факторы должны учитываться в ходе разработки кон­струкции экструзионной головки (рис. 1.4). Исходные данные, необходимые для на­чала проектирования экструзионной головки (рис. 1.4, этап I), перечислены ниже:

• геометрия экструдируемого изделия (например, труба, плоская пленка, про­филь произвольной формы), а также соответствие требований к изделию свой­ствам перерабатываемого полимера;

• способ подачи расплава в экструзионную головку, определяющий ее тип (пря­моточная, угловая или офсетная), а также возможность одновременного про­изводства нескольких изделий (многоручьевые головки) (рис. 1.5);

• свойства перерабатываемого материала или комбинации материалов (для со - экструзии);

• рабочий режим (или диапазон рабочих режимов) экструзионной головки. Под рабочим режимом понимается комбинация таких параметров, как пропускная способность экструзионной головки и температура расплава в ее канале.

Исходные данные

□__ С

Геометрия профиля I I

Какая геометрия выбрана[4]?

X

Соответствует ли выбранная геомет­рия требованиям к материалу?

Тип экструзион­ной головки X

X

Как осуществляется запитка головки - горизонтально, под углом или со сдвигом[5]?

Материал или комбинация материалов для изготовления профиля

Реологические и термодинами­ческие свойства материала

Работа

экструдера

Рабочий режим или диапазон рабочих режи­мов для экструзи­онной головки (К 9. Артах)

Габаритные размеры головки и возмож­ность ее размещения в месте предполагае­мой установки

Типы и прочность крепежных болтов и винтов

Выбор материала

Эскизная прорисовка экструзионной головки по заданным размерам

xz:

Размещение и расчет крепежных и монтажных болтов

XX

Расчет корпуса головки на

к4

прочность* Х7

Основные размеры

ЗХ

Конструирование, расчет и разме-

щение^системы нагрева

Аспекты производ­ства

Технический проект и установка уточненных размеров (при необхо­димости проводятся контрольные расчеты)

Рис. 1.4. Блок-схема процесса разработки конструкции экструзионной головки от эскизного проекта до утверждения окончательного варианта

На втором этапе проектирования выполняются такие операции, как выбор гео­метрии канала экструзионной головки и расчет перепада давления на основании ин­формации, собранной на этапе I. В дополнении к этому, на данном этапе можно задать расположение нагревателей по отношению к каналу экструзионной головки с учетом минимальной неравномерности нагрева частей головки (см. раздел 7.1.2).

На этапе III задаются основные размеры экструзионной головки. Однако после­довательность рассматриваемых шагов можно изменить.

На этапе VI выполняется детальная проработка конструкции. При необходимо­сти, для отдельных деталей конструкции могут выполняться проверочные расчеты.

После изготовления (этап V) следует этап испытаний головки (этап VI) с исполь­зованием материала или комбинации материалов, выбранных для изделия с учетом условий его последующей эксплуатации (см. этап I). По результатам испытаний мо­жет быть принято решение о внесении ряда изменений в конструкцию экструзион­ной головки. Если полученный результат признается удовлетворительным, то конст­рукция экструзионной головки проходит окончательное утверждение, и головка рекомендуется для эксплуатации в производстве (этап VII).

Используемые обозначения