Общее устройство экструзионных головок
Назначение экструзионного формующего инструмента — оформление подготавливаемого экструдером расплава полимера в непрерывное изделие с постоянным (реже переменным) по длине поперечным сечением заданной формы.
Расплав сначала оформляется в виде непрерывного профиля, поперечное сечение которого весьма близко к окончательному; эту функцию выполняет первый, необходимый во всех случаях элемент экструзионного инструмента - головка. Придание конечной конфигурации изделию и охлаждение его, достаточное для сохранения приобретенной конфигурации в течение времени транспортировки до устройства, обеспечивающего окончательное охлаждение, выполняется вторым элементом - калибрующим устройством. Наличие этого элемента не всегда обязательно. При изготовлении, например, рукавных пленок методом раздува калибрующие устройства отсутствуют; при производстве листов функции калибрующих устройств выполняют валковые машины.
Основные конструктивные элементы головок рассмотрим на примере головки для производства изделия трубчатой формы с треугольным поперечным сечением (рис. 4.1). Любая головка имеет формующий канал 12, его поперечное сечение повторяет форму поперечного сечения изделия. Наружная поверхность формуемого в этом канале изделия оформляется одной или несколькими деталями, называемыми мундштуком 11 (матрица, фильера). Если поперечное сечение изделия полое, то внутренняя поверхность его оформляется дорном 15. Мундштук и дорн являются сменным инструментом головки, поскольку конфигурация их зависит от изготавливаемого в данный момент изделия. Дорн крепится к корпусу 7 головки посредством дорнодержателя 6. Изображение дорнодержателя сбоку показано на виде Б. Центральная его часть 6, к которой крепится дорн, соединена с его наружным кольцом 4 посредством двух или более ребер 5 дорнодержателя (в данном случае четырех).
Подавляющее большинство головок имеет устройства для регулирования зазора формующего канала. Как правило, это обеспечивается четырьмя (минимум тремя) болтами 19. Переходный канал 18 предназначен для плавного преобразования круглого (в данном случае кольцевого) на входе поперечного сечения в требуемое поперечное сечение формующего канала.
На входе в подводящий канал устанавливается решетка;решетка в ряде случаев служит опорным элементом для одной сетки или пакета устанавливаемых перед ней сеток. Одно из назначений решетки и сеток - фильтровать расплав, другое - создавать дополнительное гидравлическое сопротивление, обеспечивающее необходимое для удовлетворительной пластикации полимера давление перед червяком (в том случае, если собственное гидравлическое сопротивление каналов головки оказывается недостаточным для этого).
Рис. 89. Конструкция головки для изготовления полого профиля: 1 – центрирующий бурт фланца 23 головки; 2 – решетка; 3 – термопары; 4 – наружная кольцеобразная часть дорнодержателя; 5 – ребра дорнодержателя; 6 – центральная часть дорнодержателя; 7 – корпус головки; 8 – трубка отвода жидкости, охлаждающей калибрующее устройство; 9 – каналы, сообщающие полость Г с полостью Д и атмосферой; 10 – электронагреватели; 11 – мундштук; 12 – формующий канал; 13 – калибрующее устройство; 14 – теплоизолирующие вставки и прокладки; 15 – дорн; 16 – штанга калибрующего устройства и отвода от него охлаждающей жидкости; 17 – основание штанги 16; 18, 22 – подводящий канал; 19 – болт для радиального смещения мундштука относительно дорна; 20 – трубка подвода жидкости, охлаждающей калибрующее устройство; 21 – радиальное отверстие в дорнодержателе; 23 – фланец головки; 24 – болты, крепящие головку к фланцу цилиндра экструдера. | |
Часто внутрь полого изделия необходимо вводить какой-либо агент (например, воздух под давлением для калибровки трубы, тальк для предотвращения слипания тонкостенного рукава из резиновой смеси до ее вулканизации и т.д.) или просто сообщать полость изделия с атмосферой. Это осуществляется через специальные отверстия 21 (в данной конструкции выполняются в ребрах дорнодержателя). В описываемой конструкции, например, эти отверстия используются для подачи и отвода охлаждающей воды в калибрующее устройство 13, укрепленное на головке. Подводящая 20 и отводящая 8 воду трубки проходят через два диаметрально расположенных ребра дорнодержателя. Третье из четырех ребер используется для выполнения в нем отверстия (на рис. 4.1 не показано), сообщающего с атмосферой полость головки Д и через систему каналов 9 полость Г формуемой заготовки расплава (показана штриховыми линиями) на участке между головкой и калибрующим устройством. Сообщение с атмосферой предотвращает развитие в полости Г разрежения или избыточного давления, приводящих к нежелательной деформации заготовки. Заполненные воздухом каналы 9 в совокупности с теплоизолирующими прокладками и вставками 14 существенно уменьшают нежелательный теплообмен между горячей головкой и деталями 8, 20, 17 и 16, осуществляющими подвод и отвод охлаждающей воды. Головка, как правило, имеет обогрев (иногда охлаждение). Чаще всего это электрообогрев хомутовыми нагревателями сопротивления 10, надеваемыми на корпус головки, однако для крупногабаритных головок с прямоугольной внешней конфигурацией (или близкой к ней) в последнее время стали использовать патронные цилиндрические электронагреватели (принципиально такие же, как и в прессовых формах), вставляемые в отверстия в корпусе головки. Теплопотери в окружающую среду в последнем случае значительно меньше (в 4-5 раз); наружная поверхность головки в этом варианте имеет лишь теплоизоляцию.
Корпус головки (а иногда и мундштук, как на рис. 4.1) должен иметь отверстия для установки в них приборов теплового контроля (термометров сопротивления или термопар 3) в соответствии с числом независимо регулируемых зон обогрева (охлаждения). Иногда в канал головки в области входа в нее или у входа в формующий канал вводят датчики давления и температуры расплава. Способы крепления головок к цилиндрам экструдеров показаны на рис. 4.2.
Принцип действия калибрующих устройств заключается в том, что их рабочие поверхности контактируют с одной или несколькими поверхностями скользящего по ним изделия, придают ему окончательные конфигурацию и размеры. Рабочие органы устройств (т.е. те детали их, которые имеют поверхности контакта с изделием) могут быть выполнены в виде массивных металлических охлаждаемых водой блоков, как это показано на рис. 4.1, набора диафрагм или вращающихся профилирующих валков. Прижим их к изделию осуществляется за счет собственного веса или пружин, а также давлением сжатого воздуха. Например, на рис. 4.1. калибровка и охлаждение осуществляются при скольжении внутренней поверхности изделия (показано штриховой линией) по охлаждаемой наружной поверхности устройства 13.
Классификация головок
Головки отличаются большим разнообразием типов и конструкций, которые могут быть классифицированы следующим образом.
По направлению выхода изделия:
1) прямоточные головки (например, на рис. 89) с направлением выхода изделия вдоль оси червяка (головки для труб, шлангов, стержней);
2) угловые головки, осуществляющие поворот потока расплава и соответственно изменяющие направление выдачи изделия на определенный угол по отношению к оси червяка (головки для покрытия проводов, кабелей и каких-либо сердечников изоляцией или защитной оболочкой, головки для рукавной пленки, головки для экструзии с раздувом и др.).
Прямоточные головки просты по конструкции, условия течения расплава в их каналах максимально благоприятны.
По конфигурации формующей щели:
1) плоскощелевые;
2) головки с кольцевым поперечным сечением канала (головки для цилиндрических стержней, трубные головки, головки для экструзии с раздувом, головки для получения рукавной пленки);
3) профильные головки, имеющие сложный контур поперечного сечения формующего канала и различающиеся по конфигурации поперечного сечения изделия (рис. 4.3) на головки для изделий открытого типа, закрытого типа, смешанного типа, специальные головки и головки для изделий из вспененных материалов.
Особенностью плоскощелевых головок является необходимость очень существенного преобразования конфигурации поперечного сечения потока расплава: круглое сечение канала головки на входе в нее преобразуется, например, в плоский щелевой канал с высотой 1 мм и шириной иногда более 1 м на выходе. При этом возникает проблема равномерного распределения потока по всей ширине щели, которая решается специфическими для этого типа головок приемами.
Для кольцевых головок, как и для головок, формующих изделия открытого и смешанного типа, обязательно наличие дорна, формующего одну или несколько полостей в изделии.
Общей особенностью головок третьего типа является большая сложность конфигурации поперечного сечения формуемого изделия и, следовательно, геометрии рабочей поверхности переходного канала.
По типу термостатирования корпуса головки:
1) с рубашками для обогрева (или охлаждения) жидкостями;
2) с электрическим обогревом нагревателями омического сопротивления или индукционного типа.
Из экструдера в головку материал подается, как правило, при той температуре, при которой он должен выдавливаться из формующего канала, так что сколько-нибудь значительного нагрева или охлаждения материала в головке происходить не должно. Общий тепловой баланс головки в этом случае определяется двумя составляющими: тепловыделениями в материале вследствие рассеивания работы его деформирования в каналах и теплоотдачей в окружающую среду. Если первая составляющая намного меньше второй (что, как правило, имеет место при экструзии термопластов, так как вязкость их расплавов относительно невелика, а температура головки должна быть намного больше температуры окружающей среды), то применяют второй тип термостатирования, более компактный и простой в обслуживании. Если же эти составляющие близки по значению или вторая превосходит первую (что характерно, например, для экструзии высоковязких резиновых смесей), то применяют первый тип термостатирования, который с равной эффективностью может осуществляться как подводом, так и отводом тепла от тела головки.
По общей конструкции корпуса головки:
1) литые;
2) сварно-литые;
3) разъемные, изготовленные механической обработкой из поковок и проката.
Тот или иной тип в данном случае выбирается преимущественно в зависимости от габаритов головки, а также с учетом программы производства (единичный экземпляр, несколько штук, мелкая серия) и конкретных технологических возможностей. В настоящее время применяется преимущественно третий тип корпусов.
По способу крепления к цилиндру экструдера:
1) с фланцевым соединением (головки съемные или откидные на петлях);
2) с байонетным соединением;
3) со стягиваемыми накидными полукольцами.
Выбор того или иного типа крепления, а также типа привода крепежных устройств (механического или ручного) определяется, во-первых, габаритами головки, во-вторых, требуемой частотой съема соловки.
По максимальному давлению в головке, обеспечивающему рабочую производительность:
1) головки низкого давления (до 6 МПа) для стержней диаметром более 5 мм, толстых труб и листов и других толстостенных профилей;
2) головки среднего давления (6-20 МПа) для стержней диаметром 3-5 мм или труб и профилей с толщиной стенки около 1 мм;
3) головки высокого давления (свыше 20 МПа) для производства пленок, вытяжки нитей и т.д.