ЭКСТРУЗИОННЫЕ головки ДЛЯ ПЛАСТМАСС И РЕЗИНЫ

Головки с произвольной формой сечения (профильные головки)

«Профили» — это устоявшийся термин, используемый в промышленности по пе­реработке резины и пластмасс для обозначения полуфабрикатов, имеющих попереч­ное сечение неправильной (произвольной) формы, хотя этим термином в общем слу­чае называют и другие типы изделий, такие как трубы, плиты, сплошные стержни и т. д. В настоящей книге принято приведенное выше практическое определение профилей, которое будет использоваться для обозначения всех продуктов, экструдированных с помощью головок, имеющих поперечное сечение формы, отличной от кольцевой или прямоугольной.

Производство относительно дешевых профилей, обладающих точно заданными размерами и геометрической формой, представляет собой одну из наиболее сложных задач технологии экструзии [16,141,143,144]. Причина этого заключается в практи­чески неограниченном разнообразии форм и размеров профилей, а также в сложности (а зачастую и невозможности) разработать требуемые экструзионные головки на основе относительно простых и апробированных теоретических расчетов и эксперименталь­ных исследований. Следует отметить, что конструирование головок для производства многих профилей по-прежнему в значительной мере производится по известному ме­тоду «проб и ошибок» и требует от конструктора большого опыта в этой области.

Конструкции и области применения

Принимая во внимание большое разнообразие геометрических форм профилей, можно грубо разделить их на две большие основные группы: сплошные и полые профили.

Полые профили, как следует из их названия, содержат замкнутые полости. К их числу относятся, например, профили оконных рам. В отличие от полых профилей, например, U-образные профили являются сплошными и открытыми [16,141,142]. Дополнительная более детальная классификация профилей представлена на рис. 5.74 [145,146]. В соответствии с этой классификацией различают следующие типы про­фильных изделий:

• трубообразные профили с одинаковой толщиной стенок и скругленными углами;

• полые профили, в которых наружная стенка образует полую камеру, а стенки камеры могут иметь различную толщину, создавать острые углы и ребра;

• профили, содержащие полые камеры и внешние выступы; толщина стенок мо­жет быть различной;

• сплошные профили разнообразной формы, в которых отдельные части выпол­нены из одного и того же материала, но различного цвета или с разными свой­ствами (например, твердостью), или же из разных материалов;

• профили с сердечником — полые профили, в которых сердечник выполнен из другого материала (например, из стали или дерева).

Рис. 5.74. Типы профилей[20] [145,146]

В большинстве профильных головок расплав подается в осевом направлении[21] и выходит из головки в виде расплавленной заготовки с формой и размерами, пример­но соответствующих конечному изделию. При конструировании каналов по длине головки и определении размеров поперечного сечения фильеры на выходе необходимо учитывать разбухание экструдата (восстановление обратимых деформаций, накоп­ленных при течении по каналам головки), термическую усадку (уменьшение объема материала в процессе последующего охлаждения), перестройку профиля скоростей на выходе из головки из параболического в стержнеобразный, и вытяжку расплава тянущим устройством [140,141,147,148].

В общем случае профильные головки можно разделить на три группы[16,141, 142, 149]:

• экструзионные головки со сменной фильерой;

• экструзионные головки со ступенчатым изменением геометрии канала;

• профильные головки с постепенным изменением поперечного сечения.

Экструзионные головки со сменной фильерой

Экструзионные головки со сменной фильерой (рис. 5.75) состоят из корпуса го­ловки, в котором на выходе устанавливается сменная фильера, которую можно быстро и легко заменить. В основном такие головки используются для изготовления неболь­ших профилей. Геометрическая форма канала в таких головках меняется очень резко. Это может приводить к возникновению застойных зон, в которых может происхо­дить термическое разложение полимера, особенно при переработке жесткого ПВХ.

Более того, вследствие резкого сужения поперечного сечения в таких головках невозможно добиться высоких скоростей экструзии [16, 142] или достичь высокой

размерной точности изделий. Поэтому, несмотря на простоту изг отовления и низкую цену, такие экструзионные головки редко применяются для переработки пластмасс. Область их применения 01'раничивается в основном экструзией пластифицирован­ного ПВХ или изготовлением небольших партий простейших профилей из жесткого ПВХ (PVC-U) [ 16,142]. Однако они широко используются при производстве профи­лей из эластомеров.

С точки зрения характеристик течения расплава такие головки конструируют чисто эмпирически. При этом важно, чтобы сменная фильера имела достаточную толщину (в соответствии с [151] толщина фильеры должна быть в пределах 5-20 мм), что позволит выполнять локальную настройку течения путем изменения длин на формующем участке [16, 142].

Во избежание деформации фильеры давлением расплава ее иногда усиливают путем наваривания упрочняющих ребер жесткости (рис. 5.76) [151].

Поскольку с реологической точки зрения концепция головок со сменной филье­рой оставляет желать лучшего, особое внимание следует уделять регулированию тем­пературы в головке [ 151 ].

Головки со сменными вкладышами-фильерами, описанные в [151] и показанные на рис. 5.77, разработаны по аналогии с головками со сменными фильерами, показан­ными выше. Сменные вкладыши, используемые в таких головках, с реологической точки зрения имеют уже определенные преимущества по сравнению со сменными фильерами.

Рис. 5.77. Модульные головки со смен­ными вкладышами для экс­трузии профилей [150)

Ступенчатые головки

Ступенчатые головки (рис. 5.78) имеют каналы с фасками в местах последова­тельного соединения коротких плит головки, называемых блендами. В каждой блен­де выполняется определенный контур поперечного сечения, на входе в который с краев снимаются фаски для совпадения контуров соприкасающихся деталей.

Такие переходы, так же, как и в головках со сменными фильерами, оказывают негативное влияние при переработке жесткого П ВХ. То есть комментарии, сделанные для экструзионных головок со сменными фильерами, относятся и к многоступенча­тым головкам. Поэтому и эти головки также применяются только для изготовления простых профилей [16,142].

Экструзионные головки с постепенным изменением поперечного сечения

Такие головки обычно используются при изготовлении высокоточных профилей при высокой скорости экструзии (рис. 5.79). Поэтому при конструировании каналов подобных экструзионных головок необходимо принимать во внимание следующие факторы [141]:

• в каналах таких экструзионных головок не должно возникать застойных зон;

• с момента входа в такую головку расплав должен, по возможности, плавно ус­коряться, пока не достигнет необходимой скорости в формующем участке го­ловки, то есть, непосредственно перед выходом из канала. Следует избегать замедлений течения из-за увеличений площади поперечного сечения, кроме тех, которые вызваны дорнодержателем;

• по мере возможности конструкция головки должна быть простой. Необходимо предусмотреть возможность быстрого демонтажа головки для ее чистки или для изменения геометрии канала (рис. 5.80) при доводке.

С учетом этих требований профильные головки с постепенно изменяющейся формой поперечного сечения канала состоят из трех основных участков [16]:

• участок соединения с экструдером (адаптер);

• переходный участок (на котором иногда расположены детали дорнодержа теля);

• формующий участок на выходе с постоянными размерами (фильера).

Эти участки можно видеть на рис. 5.80 и 5.81. Однако такое четкое разграничение не всегда возможно, и часто отдельные участки переходят один в другой (рис. 5.82 и 5.83). Контур формующего участка головки с постоянными размерами часто при­мерно соответствует контуру профиля.

Па рис. 5.79,5.82 и 5.84 показаны усовершенствованные профильные головки со сложной конфигурацией рассекателей потока (сердечников, дорнов). В отличие от головок для экструзии труб или трубообразных профилей, в этих головках осталь­ные детали жестко связаны с фильерой (или плитой на выходе головки). Поэтому такие головки нельзя регулировать поперечным перемещением мундштука или дорна

Рис. 5.81. Профильная головка для получения профиля «конечный» [150]

А В С Сечение А~А

(центрированием). По конструктивным соображениям спицы дорнодержателя в та­ких головках иногда выполняют недостаточно механически жесткими, что позволяет дорну, обтекаемому расплавом, самоцентрироваться. Однако такая конструкция мо­жет считаться удачной только в случаях, когда геометрическая конфигурация канала разработана правильно. В отличие от головок с дорнодержателем, предназначенных для экструзии трубчатых заготовок (рис. 5.35), формообразующие сердечники (или дорны) в профильных экструзионных головках обычно изготавливают заодно с опор­ной плитой, на которой они держатся. Применение такой конструкции, несмотря на высокую сложность ее изготовления, полностью оправданно, так как сборка элемен­тов сердечника при необходимости их доработки чрезвычайно сложна [140, 141]. В экструзионных головках с осевой подачей расплава спицы дорнодержателя имеют обтекаемую форму, поэтому они не препятствуют течению, а все углы между спицами и корпусом или сердечником сглажены, что не способствует возни кновению застой­ных зон.

На рис. 5.84 показаны лодкообразные углубления за опорными ребрам и в направ­лении течения. Эти углубления предназначены для облегчения проникновения рас­плава в узкие щели и формирование перегородок в экструдированном профиле [ 140].

Кроме того, как показано на рис. 5.84, в полые камеры экструдируемого профиля подается воздух во избежание смятия заготовки на выходе из головки. Это особенно важно на начальных этапах при запуске линии по экструзии профилей [140]. При изготовлении полых профилей подача воздуха должна быть предусмотрена всегда.

Как уже отмечалось ранее, необходимо избегать утяжеления отдельных участков профиля. Если два потока расплава должны течь по смежным каналам головки не сливаясь, можно использовать разделительные перегородки между ними (рис. 5.85).

Поскольку перегородка устанавливается не на всей длине, два потока все же сливают­ся; это позволяет избежать появления постоянной линии стыка (и, следовательно, дефекта) в готовом изделии [140, 150].

Разделительная перегородка должна заканчиваться на небольшом расстоянии (по данным работы [152] это расстояние составляет примерно 3 мм) от выхода из голов­ки; предполагается, что этого расстояния достаточно, чтобы оба потока расплава сли­лись и сварились полностью.

На рис. 5.85 показаны необходимые зоны ограничения течения в широкой и уз­кой частях канала экструзионной головки. Зона сопротивления течению короче у бо­ковых стенок канала. Поэтому при расчете распределения потока расплава по ширине щели следует учитывать дополнительное влияние сил трения.

Температура рассекателей в профильных головках обычно не регулируется. По­мимо системы нагрева корпуса предусматривается дополнительная регулируемая зона нагрева для формующего участка.

Конструирование

Качество экструдированного профиля в значительной мере определяют следую­щие пять факторов [145]:

• точность размеров;

• точность геометрической формы по поперечному сечению и по длине;

• функциональность изделия;

• качество поверхности;

• особые характеристики.

Чтобы конструкция соответствовала заданным требованиям, процесс разработ­ки должен начинаться только когда становится абсолютно ясно, что профиль будет
соответствовать выбранному материалу и технологическому процессу переработки. При принятии этого решения необходимо соблюдать следующие правила конструи­рования изделия [16, 140-142, 150, 153]:

• поперечное сечение профиля должны быть, по возможности, простым. Следует избегать наличия внутренних стенок, так как их непосредственное охлаждение невозможно, что может привести к появлению утяжек на готовом профиле (рис. 5.86);

Коробление, искривление

сЕТ

Усадка (утяжки):

а) устранение сосредоточения материала

Рис. 5.86. Рекомендации по конструированию профилей [ 140,153]

• при наличии внутренних стенок их толщина должна быть примерно на 20-30 % меньше, чем толщина наружной стенки. Края профиля должны быть скруг­ленными, радиус скругления должен составлять 0,25-0,50 от толщины стен­ки [153];

• конструкция профиля должна способствовать сохранению его формы после выхода заготовки из головки, пока профиль еще мягкий;

• но возможности, следует избегать тяжелых участков и резких изменений толщи­ны стенок, так как это затрудняет правильное распределение расплава в головке,
вызывает проблемы с охлаждением (вследствие разности в усадке появляются утяжки); кроме того, это приводит к короблению и искривлению профиля;

• полые камеры не должны быть слишком малы, иначе армирующие сердечники придется выбирать малых размеров, которые не будут справляться с функция­ми армирования;

• плоские выступы на поверхности профиля, по возможности, должны быть как можно более короткими, так как они охлаждаются быстрее (иногда с обеих сторон), что приводит к короблению профиля;

• симметричные профили или профили с круговой симметрией меньше подвер­жены короблению, так как внутренние напряжения, возникающие в процессе охлаждения, взаимно уравновешиваются;

• ось профиля, проходящая через его центр тяжести, должна совпадать с про­дольной осью шнека, чтобы уменьшить разницу в длине линий тока.

После определения конфигурации поперечного сечения профиля можно присту­пать к конструированию каналов экструзионной головки.

Целью этой работы является достижение равномерного распределения скорости течения расплава на выходе из головки. Кроме того, необходимо учитывать разбуха­ние экструдата и его усадку при охлаждении, чтобы экструдируемая заготовка на выходе имела требуемый контур сечения. Также необходимо обращать соответству­ющее внимание на устранение застойных зон в канале головки, и следить за тем, чтобы разница во времени пребывания отдельных частиц расплава в канале головки была как можно меньшей. При определении размеров канала головки на выходе не­обходимо учитывать следующие факторы: отклонение от требуемой формы экструдата, увеличение или уменьшение размеров сечения в зависимости от величины предпо­лагаемого разбухания, усадку при охлаждении профиля и величину степени вы­тяжки расплава тянущим устройством.

Разбухание

Разбухание расплава на выходе из экструзионной головки происходит прежде всего из-за перестройки профиля скоростей с параболического (наблюдаемого при течении расплава в канале вследствие прилипания к стенкам) на стержнеобразный. Это приводит к локальным растяжениям и сжатиям экструдата и, следовательно, искажению его поперечного сечения. Кроме того, происходит релаксация обратимых деформаций, накопленных материалом при течении и связанных с проявлением вяз­коупругости (см. раздел 2.1.3) (рис. 5.87). Эти накопленные деформации вызваны растяжением расплава в переходных зонах головки и действием напряжений сдвига.

Изучение влияния геометрии канала и режимов переработки на разбухание экс­трудата прямоугольного поперечного сечения [154] не позволило вывести универсаль­ных правил, которые позволяли бы прогнозировать разбухание расчетными методами. Тем не менее было выведено несколько корреляций. Исследования проводились на композициях ПВХ и включали в себя определение связи между длиной зоны релакса­ции, углом входа в канал, кажущейся скоростью сдвига, и разбуханием экструдата

Рис. 5.87. Разбухание экструдата и его причины

по площади поперечного сечения, по ширине и высоте. Было установлено, что разбу­хание возрастает с уменьшением длины зоны релаксации и с увеличением скорости сдвига (рис. 5.88). Полученные результаты аппроксимированы функцией вида

S = а + b ■ е( Cv / с

Это выражение представляет собой зависимость между разбуханием, возникаю­щим в результате сдвигового течения и перестройки профиля скоростей (а), обрати­мыми деформациями, запасаемыми в зоне входа в канал (б) и соотношением между временем пребывания расплава в зоне релаксации и характерным временем его релак­сации (tv / trela^). На рис. 5.89 приведен график зависимости разбухания от произ­ведения относительной длины зоны релаксации на обратную величину кажущейся скорости сдвига (которая пропорциональна времени пребывания). Как следует из графика, значения разбухания для более длительного времени пребывания соответ­ствуют уравнению (5.117), при этом часть разбухания вследствие сдвигового тече­ния и перестройки профиля скоростей составляет а = 1,5. С уменьшением времени пребывания кривые для релаксационных зон различной относительной длины отклоня­ются друг от друга. Причиной этого, по мнению автора, является то, что деформации, возникшие в зоне входа в канал, могут уже частично релаксировать при прохождении
этой зоны. В результате этого коэффициент b (характеризующий деформированное состояние расплава на входе в релаксационную зону) начинает зависеть от рабочих условий. Эта зависимость уже не может быть представлена таким простым уравне­нием, как уравнение (5.117).

Еще один важный момент заключается в различии разбухания по ширине и по толщине. Хорошо известно, что разбухание в наибольшей степени проявляется в на­правлении наибольшего градиента скорости, то есть по наименьшему размеру (рис. 5.90). Непосредственную связь между отношением высоты к ширине и распределением раз­бухания по ширине и толщине получить не удается, так как важную роль играют направление и уровень деформаций, возникающих на входе в канал[22].

Возможно, хотя и с некоторыми ограничениями, прогнозирование разбухания с помощью расчетов с применением метода конечных элементов. Для этого поведе­ние течения расплава должно быть определено с помощью некоторого закона поведе­ния материала, учитывающего проявление памяти на предшествующее деформиро­вание. Данные о материале, необходимые для вывода подобных законов, существуют лишь в редких случаях. Расчеты трехмерных течений требуют длительного времени расчетов.

Трудности расчета коэффициента разбухания вынуждают на практике для кор­ректировки поперечного сечения формующего канала головки применять эмпири­ческие данные. Естественно, эти данные зависят от материала, геометрии поперечного сечения, и режима переработки, и могут использоваться только в качестве отправной точки (табл. 5.5).

Усадка

При охлаждении экструдированного профиля от температуры расплава до темпе­ратуры окружающей среды наблюдается уменьшение его объема, известное как тер­мическая усадка. Величину объемной усадки можно определить на основании PVT - диаграммы для конкретного полимера. Линейная усадка может быть рассчитана по объемной усадке в предположении изотропных свойств полимера[23].

Вытяжка

На выходе из головки экструдат вытягивается и попадает в калибратор, где быст­ро соприкасается с его холодными стенками и охлаждается. Для компенсации вы­тяжки поперечное сечение формующего канала головки должно быть увеличено. Зна­чения этого увеличения, полученные эмпирическим путем, приведены в табл. 5.3.

Определение размеров поперечного сечения формующего канала должно учиты­вать разбухание, линейную термическую усадку и вытяжку расплава. При отсутствии таких данных линейные размеры поперечного сечения канала можно уменьшить на 10-15 % по сравнению с номинальными размерами экструдируемого профиля. В даль­нейшем, при необходимости, может быть произведена корректировка размеров[24].

После определения размеров поперечного сечения формующего канала необхо­димо рассмотреть распределение потоков в каналах экструзионной головки. Равно­мерное распределение скоростей течения на выходе достигается путем выравнива­ния потерь давления в параллельных каналах головки. Для этого поперечное сечение формующего канала разделяют на участки простой формы, для которых результат может быть получен с помощью несложных вычислений.

Поскольку эти участки обычно имеют различные гидравлические сопротивле­ния, то для равномерного распределения скоростей течения длины формующих уча­стков должны быть скорректированы таким образом, чтобы для каждого параллель­ного участка перепад давления на всем пути течения был одинаков.

Эта методика кратко рассматривается на примере профиля, приведенного на рис. 5.91 (см. раздел 7.4.1). Отношение длин формующих участков LR / /.^зависит от формы и размеров поперечного сечения канала на выходе, свойств материала и усло­вий его переработки.

Здесь поперечное сечение канала на выходе разделяется на трубу и плоскую щель. При условии равенства средних скоростей течения выражения для объемных расхо­дов через трубу и щель имеют вид

VR = vnR2 (5.118)

Vs~v-R-H. (5.119)

Условие равенства потерь давления на каждом формующем участке приводит к следующему уравнению:

8rnVTiR2 12fj cvBH

br-—R(5.120)

И соотношение длин формующих участков примет вид

Lr 3 fj^

(5.121)

Ls 2 г|л

Свойства материалов и параметры рабочего режима входят в отношение вязкостей. Вязкости можно определить на основании характерных скоростей сдвига и основного

Рис. 5.91. Профильная головка с рассчи танными длинами формую щих участков

уравнения течения. Характерная скорость сдвига представляет собой функцию от средней скорости течения расплава и может быть определена с помощью уравнений (5.118) и (5.119):

-г _ 4у

Ук ~R~ec'' (5.122)

т _ 6v

b-~HeW’ (5.123)

Разумеется, эта методика расчета не свободна от внутренних ошибок, так как не были учтены следующие факторы:

• взаимное влияние составляющих потоков;

• перетекание расплава вследствие возможного поперечного градиента давления;

• тормозящее влияние боковых стенок[25].

Несмотря на отмеченные недостатки, во многих случаях расчет таким методом вполне приемлем, особенно если профили имеют постоянную толщину стенок, мень­шую, чем ширина участков (рис. 5.92).

Расчет течения с помощью метода конечных элементов может помочь при конст­руировании зон сопротивления течению для профилей сложной геометрической формы. Использование этого метода позволяет исключить вышеупомянутые недо­статки за счет разработки структуры конечных элементов и осуществления сложных и громоздких расчетов трехмерного течения [155].

Рис. 5.92. Профили, геометрическая форма поперечных сече­ний которых позволяет выполнить простые рас­четы

На рис. 5.93 показан результат расчета трехмерной конечноэлементной модели канала для профиля, для которого в нижней части рисунка показано поперечное сече­ние в зоне сердечника. Вследствие симметрии можно рассматривать только полови­ну профиля. Сетка конечных элементов воспроизводит область канала экструзион­ной головки, где расплав натекает на сердечник и где формируется профиль. На рисунке показаны отдельные линии тока.

При конструировании каналов экструзионных головок необходимо принимать во внимание следующие общие правила [141]:

• поперечное сечение канала постоянно уменьшаться в направлении течения, начиная с поступления из экструдера, и вплоть до выхода из экструзионной

Рис. 5.93. Линии тока в канале экструзи­онной головки (моделирование трехмерного течения выполня­лось при помощи метода конеч­ных элементов)

головки. Углы уменьшения сечения не должны превышать 12 градусов. Гидрав­лическое сопротивление формующих участков головки должно быть пример­но в 10-12 раз выше сопротивления подводящих участков. Максимальная дли­на формующего участка головки должна быть не более 90 мм. На основе этого ограничения и расчетных значений отношения гидравлических сопротивле­ний в параллельных каналах можно получить длины формующих участков го­ловки для каждого поперечного сечения. Значения относительных длин в даль­нейшем следует принимать в пределах от 20 до 50 [150,151].

• края спиц дорнодержателя следует скруглять (радиус скругления R = 0,2Н ), угол заострения спиц должен быть около 8 градусов.

После того как головка спроектирована и изготовлена, проводят ее испытание на материале, который планируется перерабатывать, и при заданной производительно­сти. Если распределение скоростей течения на выходе из канала не является однород­ным, то производится пошаговое укорачивание формующих участков головки.

Часто детали головки перед последней корректировкой закаливают, но так, чтобы их твердость не препятствовала внесению необходимых изменений при возможном короблении деталей при термообработке.

Стоимость предварительных испытаний и доводки профильной головки могут составлять от 10 до 50 % от общей суммы затрат на ее изготовление [16].