ЭКСТРУЗИОННЫЕ головки ДЛЯ ПЛАСТМАСС И РЕЗИНЫ

Головки для изготовления заготовок при экструзии с раздувом

При экструзии с раздувом трубчатая заготовка всегда выдавливается из головки вертикально вниз. Поскольку экструдер при этом процессе обычно расположен гори­зонтально, головки для формования заготовок часто называют угловыми (или попе­речными).

Существует два типа головок для экструзии с раздувом: в одном заготовка фор­муется непрерывно, в другом, называемым головками с копильником, экструдат бы­стро выдавливается после набора и пластикации в материальной камере достаточно­го для данного изделия объема материала.

В головках с центральной подачей расплава между экструдером и головкой обыч­но устанавливают угловые переходники, которые предназначены для изменения на­правления течения с горизонтального на вертикальное. При конструировании такой
детали важно выбрать правильное соотношение между внутренним радиусом изгиба колена и радиусом канала, чтобы обеспечить требуемые гидродинамические характе­ристики течения. В соответствии с результатами, полученными в работе [107], для исключения возникновения вторичных течений это отношение должно находиться в пределах от 6 до 8 (см. раздел 4.4.5). Кроме того, при конструировании геометрии канала в работах [ 107-109] рекомендуется задавать сужающимся каналам круглого поперечного сечения конусность не более 30°, и сходящимся кольцевым каналам — не более 25°. При этом различие между внутренним и внешним углами конусов не дол­жно превышать 15°. При экструзии заготовок для раздува в качестве систем распре­деления расплава используются прямоточные и угловые экструзионные головки. Для получения многослойных заготовок соэкструзией часто применяют также спираль­ные распределители [110].

При рассмотрении конструкций одноручьевых и многоручьевых экструзионных головок с боковой подачей расплава [73] становится ясно, что ранее использовавши­еся варианты с кольцеобразной канавкой большого диаметра по периметру, за кото­рой следовал канал с высоким гидродинамическим сопротивлением (принцип дам­бы), не удовлетворяют современным требованиям к качеству экструдата [73].

Иная ситуация наблюдается с угловыми головками, в которых имеется дорн с распределителем в форме кардиоиды. В этом случае расплав разделяется на два или четыре потока, которые обтекают контур распределителя, выполненный в форме эм­пирически определенной кривой, а затем частично перекрывают друг друга (офсет­ный распределитель в форме кардиоиды) [11, 90, 112]. За счет такого перекрытия следы течения, которые в этой системе образуются автоматически, не проникают на всю толщину стенки. Большего успеха для уменьшения этого недостатка можно до­биться, используя два коллектора, сдвинутых на 180° друг относительно друга. За счет этого толщина стенок получается асимметричной и имеющей наименьшую ве­личину как раз в точках формирования «швов» при слиянии и сварке потоков. Затем можно добиться такого перекрытия обоих потоков расплава, чтобы толщина стенки была одинаковой по всему периметру заготовки.

Современные экструзионные головки для изготовления трубчатых заготовок со­держат дорн с коллектором в форме вешалки и формующий участок (рис. 5.39). Это позволяет получать заготовки, для которых на выходе из головки толщина стенки и скорость течения расплава равномерны по всему периметру. Отрицательное влия­ние следов течения, образующихся в ходе этого процесса, может быть сглажено с по­мощью вышеописанного метода — за счет концентрической компоновки двух кол­лекторных систем [73].

На рис. 5.45 показан интересный вариант — головка для экструзии заготовок, имеющая два коллектора в форме вешалки, соединенных с дорном (рис. 5.46). Каж­дый коллектор охватывает сектор в 180°. Заготовка, полученная таким методом, име­ет две линии стыка, которые расположены в тангенциальном направлении, образуя на поверхности заготовки спиралевидно изогнутые «швы». Благодаря этому влияние линий постоянного ослабления по длине заготовки снижается [73].

Головки с дорнодержателем для экструзии с раздувом чаще всего содержат опор­ное кольцо и ряд спиц по периметру (рис. 5.47). Их наличие исключает появление дефектов в виде стыковых линий, распространяющихся на всю толщину стенки. Бла­годаря центральной подаче расплава в головку не возникает проблем с его равномер­ным распределением [91, 111]. При конструировании таких экструзионных головок необходимо особое внимание обращать на то, чтобы отдельные потоки сливались точно на одинаковых расстояниях от спиц, не допуская опережающего течения любого

Рис. 5.47. Экструзионная головка с опорным кольцом и дорнодержателем типа «паук» (фирма Battenfeld-Fisher, Гер­мания ): 1 — ограничитель хода, 2 — регулятор хода, 3 — подача воздуха для раздува заготовки, 4 узел со­единения с экструдером, 5 — плос­кость разъема головки, 6 — спица дорнодержателя, 7- дорнодержатель типа наук, 8 — место центрирова­ния мундштука, 9 — максимальный диаметр мундштука, 10 — минималь­ный диаметр мундштука

из них, что может привести к колебанию толщины стенок и появлению поверхност­ных дефектов 191 ].

Преимущества и недостатки головок с дорнодержателями типа «наук» обсужда­ются в работе [111]. К недостаткам относятся высокий перепад давления и относи­тельно высокие деформации сдвига. При переработке термочувствительных мате­риалов рекомендуется использовать экструзионную головку с дорнодержателем, имеющую две спицы-рассекателя дорнодержателя, конструкция которой показана на рис. 5.48 [ИЗ]. Такая конструкция в значительной мере способствует уменьшению застойных зон. К тому же спицы дорнодержателя можно расположить в плоскости разъема головки, находящейся ниже. За счет этого линии стыка станут практически незаметны [113].

Рис. 5.48. Экструзионная головка с дорно­держателем, имеющим две спицы (фирмы Battenfeld-Fisher): 1 — по­дача воздуха для раздува заготовки, 2 — узел крепления к экструдеру, 3 — спицы дорнодержателя, 4 — дорно - держатель, 5 — плоскость разъема головки, 6 — место центрирования мундштука, 7 — максимальный диаметр мундштука

Потери давления, возникающие в каналах дорнодержателей головок для экстру­зии с раздувом, рассматриваются в работе [114].

Головки для непрерывного формования заготовок

Для непрерывного формования заготовки широко применяются разнообразные варианты описанных выше конструкций экструзионных головок — с центральной и боковой подачей расплава. При изготовлении раздувом емкостей объемом до 5 л используются многоручьевые головки, с помощью которых можно одновременно получать от одного экструдера две, три или максимум четыре заготовки [115]. В этом случае основной проблемой является распределение расплава по головкам, для кото­рых локальные температуры материала и головки, а также гидравлические сопротив­ления течению часто оказываются различными [116], что приводит к неодинаковым скоростям выдавливания заготовок. В многоручьевых угловых головках в качестве распределителей расплава в большинстве случаев используют поперечные пробко­вые регуляторы расхода, которые благодаря их компактной конструкции позволяют уменьшить осевые расстояния между ручьями по сравнению с прямоточными голов­ками [73].

Экструзионные головки для периодического изготовления заготовок

Эти головки, известные также как аккумулирующие (головки с копильником), ис­пользуются в случаях, когда для изготовления заготовок больших размеров требуется значительный объем материала, а жесткость и прочность расплава настолько малы, что при использовании процесса непрерывной экарузии заготовка будет сильно вытяги­ваться и образовывать сужения у головки или даже отрываться от нее. Еще одним факто­ром риска является чрезмерное охлаждение заготовки в процессе ее формования.

Современные головки с копильником имеют объемы от 1 до 400 л [73]. Например, при переработке полиэтилена, головки с копильником используются на режимах, где в процессе каждого цикла выдавливается не менее 2,5 л расплава. Существует множе­ство различных систем и конструкций копильников [11, 107,112,117]. В настоящее время часто применяются плунжерные головки с копильником, работа с которыми является пока еще искусством. В их состав входит плунжер для быстрого выдавлива­ния расплава (рис. 5.49).

1

Рис. 5.49. Головка для экструзии с раздувом с кольцевым плунжерным копиль­ником: 1 — кольцевая канавка, 2 — цилиндрическая втулка, 3 — пода­ча расплава, 4 — трубообразный плунжер, 5 — копильник, 6 — регу­лируемый дорн

Кроме того, все современные конструкции базируются на принципе простой оче­редности — «первый пришел — первый ушел» (First In First Out, FIFO). Это означает, что порция расплава, поступившая в копильник первой, первой и покинет его. За счет этого время пребывания расплава в копильнике сводится к минимуму. В ходе опера­ции наполнения поршень эжектора перемещается вверх за счет давления расплава.

Различия между существующими конструкциями заключаются в способах пода­чи и распределения расплава в узле, расположенным над копильником.

На рис. 5.50, а показана экструзионная головка для изготовления заготовок с дорном, на который расплав подается с двух сторон, и цилиндрической втулкой, являющейся направляющей для плунжера [115]. На рис. 5.50, b показана коллекторная система в виде двух смещенных кардиоид, создающих перекрывающиеся потоки. Достоинством этой конструкции является постоянное омывание расплавом поверхности плунжера.

На рис. 5.51 показан коллектор в виде так называемой двухуровневой системы кардиоид [118]. Эта конструкция представляет собой усовершенствованный вариант конструкции дорна с креплением его к дорнодержателю центральным болтом [111]. В данной конструкции на двух отдельных уровнях подачи расплава с распределите­лями в виде кардиоиды и кольцевого канала формируются два «трубчатых» потока. Далее эти потоки соединяются в единый ноток. При этом «линии стыка» потоков, возникающие при распределении расплава в сердцевидном коллекторе, находятся друг против друга. На рис. 5.52 показаны сечения двухуровневой распределительной системы с сердцевидным внутренним обтекателем [118].

Рис. 5.51. Двухуровневая сердцевидная распределительная система (фирмы Battenfeld-Fisher)

Рис. 5.52. Схематическое изображение двухуровне­вой системы распределения расплава с сердцевидным коллектором в разрезе (фирмы Batten/eld-Fisher)

Геометрия канала всех типов экструзионных головок, предназначенных для изго­товления заготовок, может варьироваться в широких пределах. Например, каналы могут быть цилиндрическими, расширяющимися или сужающимися. В сужающихся и расширяющихся каналах высота зазора на выходе может изменяться за счет отно­сительного осевого перемещения дорна и корпуса головки при выдавливании заго­товки. В угловых головках перемещается последний участок дорна, а в прямоточ­ных — последний участок головки.

Как правило, регулирование положения плунжера осуществляется с помощью гидравлики, а для прогнозирования профилей толщины стенок заготовки использу­ются программные методы [ 119]. Для изготовления пустотелых заготовок сложной формы широко применяются так называемые системы локального контроля толщины стенок (Partial Wall Thickness Control, PWTC). Эти системы позволяют без ограниче­ний регулировать толщину стенок но всему периметру [120,121]. В случае невозмож­ности применения данного метода регулирования размеров, производится регули­рование положения внешних колец головок (то есть производится их настройка в радиальном направлении) [107,122].

Внешние кольца экструзионных головок могут центрироваться относительно дор­на, а управление температурой их нагрева производится независимо от регулирова­ния температур для остальных деталей головки. Как правило, дорны не подогревают­ся. Размеры формующих отверстий устанавливают с учетом возможного разбухания материала при переработке [116,123]. Соотношения, используемые для выбора фор­мы и расчета геометрических размеров формующего отверстия с учетом геометрии и размеров конечного продукта, обсуждаются в работах [107,124].