Басов - Расчет и конструирование формующего инструмента

Рис. 4.21. Быстроразъемное крепление мунд­ штука:

i — дорн; 2 — мундштук; 3 — бурт винта 5 с квад­ ратной головкой; 4 —С-образный паз фиксатора 6; 7 — деталь корпуса головки; 8 — участок локального сужения переходного канала

Рис. 4.22. Конструкция головки для экстру­ зии труб большого диаметра:

1 — вход расплава из экструдера; 2 — ось шарнир­ ного крепления головки к лафету; 3 — корпус; 4 — вход воды; 5 — оправка дорна, поддерживающая трубу при транспортировке ее к охлаждающему уст­ ройству; 6 — водяная рубашка калибрпощего коль­ ца; 7 — выход воды; 8 — мундштук; 9 — дорн; 10 —от- верстиеподрым-болт;.П —ребро дорнодержателя;^ — дорнодержатель

9 V-10

соосности ее с цилиндром экструдера при креплении к нему. Крепле­ ние головки к лафету шарнирное; оно обеспечивает возможность поворота головки на 90° вокруг горизонтальной оси, перпендикуляр­ ной оси головки. Перевод головки в вертикальное положение при этом повороте (формующим каналом вверх, а местом присоединения к экструдеру вниз) необходим для использования имеющихся в цехе подъемных приспособлений при ее разборке.

Конструкция головки с калибрующим устройством для труб боль­ шого диаметра показана на рис. 4.22. Головка состоит из ряда деталей, конструкция и взаимное крепление которых таковы, что при отмечек-

250

ном выше вертикальном положении ее разборка может быть осущест­ влена последовательным поднятием каждой детали вверх. Особое внимание при конструировании таких головок уделяется максималь­ но возможному уменьшение их веса. Именно поэтому здесь дорн выполнен полым. Полые дорны должны иметь внутренний электрообо­ грев (на рис. 4.22 нагреватели не показаны).

Увеличение диаметра канала в месте а (см. рис. 4.22) с последующим уменьшением до диаметра формующего канала, казалось бы, нерацио­ нально, так как приводит к значительному увеличению габаритов и веса головки. Однако оно здесь оказывается необходимым для реше­ ния проблемы свариваемости отдельных потоков, на которые разбива­ ется расплав ребрами 11 дорнодержателя 12. Как отмечалось в разд. 4.3, интенсивная деформация поверхностей стыковки потоков дости­ жима при интенсивном уменьшений диаметра канала и его высоты. Для головки на рис. 4.22 этого уменьшения диаметра невозможно достичь без предварительного его увеличения в месте а.

Проблема сварки потоков в равной степени относится к головкам всех типоразмеров, однако степень значимости ее неодинакова для различных материалов. Так, полиэтилен низкой плотности, ударопроч­ ный полистирол имеют хорошую свариваемость и не требуется специ­ альных приемов при конструировании головок для ее улучшения. Такова, например, головка на рис. 4.1. Высокомолекулярный полиэти­ лен высокой плотности, непластифицированный поливинлхлорид имеют плохую свариваемость. В конструкции на рис. 4.21 сварива-

и с. 4 . 2 3 . Головка для труб большого диаметра:

I — детали корпуса головки; 2 — дорнодержатель; 3 — ребра дорнодержателя; 4 — решетка; 5 — Дорн; 6 — формующий канал; 7 — электронагреватели дорна

емость улучшается введением в канал за рёбрами дорнодержателя участка локального сужения его 8. Эффективным оказывается также введение решетки непосредственно 4а ребрами (например, на рис. 4.1 - в место £ между двумя соседними деталями). Решетка представ­ ляет собой плоский диск с множеством мелких отверстий диаметром 1,5 - 2,5 мм в области кольцевого канала.

Рассмотренный здесь прием установки за дорнодержателем решетки

ввиде плоского диска оказывается неприемлемым для больших головок из-за ограниченности площади размещения ее отверстий в узком кольцевом сечении канала: гидравлическое сопротивление головки в этом случае оказывается очень большим. Развить гораздо большую площадь рабочей поверхности решетки можно, выпопнив ее

ввиде стакана, как это показано на рис. 4.23. Как видно, необходимая рабочая площадь решетки 4 может быть достигнута за счет выбора соответствующей длины без увеличения ее диаметра. В связи с этим ее диаметр может быть даже меньшим, чем диаметр формующего канала 6, что позволяет намного уменьшить диаметр и массу головки по сравнению, например, с конструкцией, показанной на рис. 4.22.

Все прочие головки кольцевого типа, как правило, угловые, т.е. обеспечивают поворот потока расплава на определенный угол по отношению к оси шнека (вниз, вверх, вбок).

4.6.2. Раздувные головки

Раздувные головки осуществляют поворот потока вниз на 90е. При этом возможны две принципиально отличные конструкции (рис. 4.24): головка с трубчатым коленом и дорнодержателем (рис. 4.24,а) и головка со сквозной пинолью, на которой крепится дорн (рис. 4.24, б). Во всех типах угловых головок вследствие поворота потока расплава неизбежно неравенство длин отдельных линий тока. Так, в головке с трубчатым коленом на рис. 4.24, а линия тока, соответствующая левой его образующей, меньше, чем у правой образующей. Этот тип головки, очень схожий конструктивно с прямоточными головками, имеет намного меньшую максимальную разность длин, чем тип головок с пинолью, причем чем меньше диаметр поперечного сечения колена и чем больше радиус колена, тем меньше разность длин линий тока. Поэтому в данном типе регулировка зазора посредством смещения мундштука, как и в прямоточном, имеет корректирующее значение. Основной недостаток этих головок - тот же, что и прямоточных: следы на заготовке (и готовом изделии) от ребер дорнодержателя.

Этого недостатка лишены головки с пинолью (рис. 4.24,6), в кото­ рых расплав из переходника 2 попадает сразу в кольцевой подводя­ щий канал, монотонно переходящий в переходный и формующий каналы, не имеющие препятствий, дробящих поток. Однако очевидно, что длины различных линий тока в головках с пинолью существенно различны. Так, на рис. 4.24, б линия тока (считая от выхода из переход ника) вдоль левой образующей канала короче таковой вдоль правой

252

Р и с . 4 . 2 4 . Конструкции р&здувных головок:

«.• 1 — прижимная крышка; 2 — пробка; 3 — дорнодержатель; 4 — канал для подвода воздуха; 5 — корпус головки; 6 — регулирующие болты мундштука; 7 — крепежный фланец мундштука; 8 — дорн; ' — мундштук; 6:1 — решетка; 2 — переходник; 3 — шток подвижного дорна; 4 — контргайки; 5 — пиноль; ([ — корпус головки; 7 — регулирующие болты мундштука; 8 — крепление мундштука; 9 — мундштук; 10 — дорн; в: 1 — крепление головки; 2, 4 — варианты переходника; 3 — решетка; 5 — корпус головки; 6 — регуляторы положения мундштука; 7 — прижимная гайка мундштука; 8 — штанга, регулирующая положение дорна; 10 — гайка крепления пиноли; г, д: 1 — выдавливающий поршень; 2 — аккумулирующая полость; 3 — вход в головку; 4 — гидроили пневмоцилиндр привода выдавливающего поршня; 5 — дорн с дорнодержателем; 6 — Пиноль; 7 — собственно дорн; 8 — дорн, перемещающийся относительно пиноли в осевом направлении; 9 — штанга привода выдавливающего

поршня; J0 — шток, перемешивающий дорн в осевом направлении

0 _

образующей на длину отрезка, равного приблизительно половине длины окружности поперечного сечения пиноли у выхода из переход­ ника. По этой причине локальный расход q в месте "б" на выходе из формующего канала может быть значительно большим, чем в месте "в". Радиальное смещение мундштука 9 вправо винтами 7 <г целью выравнивания q приводит к существенной эксцентричности мундшту­ ка относительно дорна 10, в связи с чем при достижении равенства q величина зазора формующего канала в месте "в" становится большей (а скорость экструзии, соответственно, меньшей), чем в месте "б".

Так как, в отличие от экструзии листов и пленок, раздувная заго­ товка не подвергается принудительной вытяжке с заданной устанав­ ливаемой оператором скоростью, то вследствие отмеченной, разности высот формующего зазора и скоростей экструзии заготовка получается разнотолщинной (более толстой в месте "в") и искривленной (с уво­ дом вправо). Таким образом, в головках с пинолью радиальное смеще­ ние мундштука не может быть самостоятельным, единственным приемом гидравлической балансировки. Оно может использоваться лишь как дополнительная, корректировочная мера, при реализации которой смещения мундштука очень незначительны, а возникающая при этом разность скоростей выхода из формующего канала столь невелика, что может быть нивелирована естественной вытяжкой заготовки под действием собственного веса.

Приемы гидравлической балансировки каналов угловых кольцевых головок принципиально такие же, как и уже рассмотренные для

Рис. 4.2 5. Схемы каналов угловых раздувных головок. Пояснения в тексте 254

плоскощелевых головок. В связи с этим они излагаются ниже в такой же последовательности. На рис. 4.25 показаны варианты конфигурации каналов при том или ином варианте балансировки.

Если в варианте "а" подводящий канал А, Б мысленно разрезать по образующей, расположенной диаметрально противоположно по отно­ шению к входу в него, и выполнить развертку канала (показана справа), то можно видеть, что она практически подобна каналу плос­ кощелевой треугольной головки (см. рис. 4.11): участки А и Б соответ­ ствуют переходному (А) и формующему (Б) каналам треугольной головки при условии равенства их высот Н = Н\. Значения размеров /0 и!у раздувной головки могут вычисляться по формулам (4.31) и (4.37), если задаться допустимой величиной параметра однородности экстру­ зии [U]. Входящие в эти формулы геометрические параметры W, Н и #i (ширина и высота канала) имеют очевидную связь с соответствующими параметрами раздувной головки R и г (см. рис. 4.25,а):

Н = Щ = Я- г; JV = 2nK Rcp = 0,5(R + r).	(4.71)
ср'

При вычислении размеров Г/и /0 по этим формулам наличием участ ков Б и Г переходного и формующего каналов можно пренебрегать что в итоге повышает запас надежности расчета. Действительно, пс отношению к условиям течения в участке А наличие участков В и I можно рассматривать как некоторое гидравлическое сопротивление, дополнительное к тому, которое создает участок Б. Иными словами, наличие участков В и Г эквивалентно существованию только участка Б с несколько большей длиной L. Вместе с тем из рассмотрения плоско­ щелевых головок ясно [см., например, формулу (4.37)], что увеличение длины L формующего канала (а

применительно к данному слу­ чаю - длины участка Б) увеличи­ вает значение параметра однород­ ности экструзии U.

Величина [U] здесь должна приниматься достаточно близ­

кой	к	единице (0,92			-	0,95),
так	как			последующее	оконча­
тельное			выравнивание			потока
путем		радиального			смещения
мундштука				(т.е.	способом
Рис. 4.26.			Конструкции узлов			для гид­
равлической			балансировки канала			головки

(а) и регулирования высоты формующего канала в процессе выдачи заготовки ((f):

1 — кольцо для предварительной гидравли­ ческой балансировки; 2 — регулировочные вин­ ты; 3 — мундштук

255

изменения высоты формующего канала), как уже отмечалось, у раздувных головок возможно только при относительно небольшой неоднородности потока. В связи с этим рассчитанные по (4.31), (4.37) значения / и I оказываются достаточно большими, что приводит к увеличению габаритов головки и ее массы. Этого можно избежать, если кроме окончательного выравнивания смещением мундштука предусмотреть промежуточное выравнивание способом изменения высоты (локально на каком-либо участке) подводящего канала, например на выходе из него, как это покачано на рис. 4.26,а. Здесь промежуточное выравнивание осуществляется смещением кольца 1 винтами 2, а окончательное - смещением мундштука 4 винтами 3-

Введение в головку кольца 1 с винтами 2 усложняет ее конструк­ цию. Возможно, однако, производить предварительную гидравличес­ кую балансировку способом изменения высоты подводящего канала на всей длине его, воспользовавшись иным конструктивным приемом, а именно (см. рис. 4.25,а): отверстие в корпусе пиноли 2 под установку дорна 1 выполнять эксцентрично по отношению к наружной поверх­ ности корпуса. Высота подводящего канала HQ в месте „о" окажется меньше высоты # а в месте "а" на величину, равную удвоенному значению эксцентриситета е:

Щ -R - (г + е); На =Д - (г - е).

(4.72)

Величину эксцентриситета е нужно выбирать такой, чтобы обеспе­ чивалось равенство удельных потоков q в местах „о" и "а ". В соответ­ ствии с этим условием величину е можно вычислить по формуле (4.40), если: ввести в нее вместо Н10 выражение для н0 по (4.72); принять в ней ЯЛф) = Я(ф) и ввести вместо H(ip) выражение для На по (4.72), приняв в (4.72) при этом ш = а; наконец, разрешить преобразованную таким образом формулу (4.40) относительно е; вычислить входящую в (4.40) величину /0 по (4.31); вычислить входящую в (4.40) величину L приблизительно по (4.37), приняв в ней [U] = 0,7- 0,8 и Hi = Я.

При реализованной по одному из этих вариантов предварительной балансировке величина угла а (см. рис. 4.25,а) может приниматься максимально возможной (по условию отсутствия зон застоя); при этом длина /Q, определенная из (4.31), и габариты головки оказываются минимальными.

Приведенный на рис. 4.25, а вариант канала является полным анало­ гом треугольной плоскощелевой головки, а на рис. 4.25,6 - аналогом коллекторной головки (конструкция головки, в которой выполнен этот тип канала, показана на рис. 4.24, б). Действительно, развертка этого канала имеет такой же вид, что и на рис. 4.16,а, за исключением того, что нижняя линия у развертки - не ломаная кривая, а горизон­ тальная прямая. Как отмечалось при рассмотрении плоскощелевых головок (см. с. 000), для канала такого типа возможно лишь достиже­ ние условия и = [U] при правильном выборе размеров коллектора RK и подводящего канала I. Эти размеры могут вычисляться по изложен­ ной там же методике, причем алгоритм расчета на рис. 4.15 полностью

256

применим и в данном случае, однако входящий в выражение для а (4.44), (4.46), (4.50) параметр Н представлен здесь формулой (4.71). Значение [и], так же как и для варианта на рис. 4.25,в, можно прини­ мать равным 0,7-=-0,8 при обязательном использовании дополнитель­ ной гидравлической балансировки подпорным кольцом /(рис. 4.26,о) перед входом в переходный канал. Если же это кольцо отсутствует, как, например, на рис. 4.24,6, то значение [U] должно быть не менее 0,92 - 0,95, чтобы окончательная балансировка смещением мундштука была минимально возможной по отмеченным выше причинам; при таких значениях [ U] длина головки оказывается гораздо большей.

Возможна также в аналогах коллекторных плоскощелевых головок реализация подхода [£/]*1, если использовать способ изменения высоты подводящего канала или способ изменения длины его (необхо­ димость в подпорном кольце в этом случае отпадает). Например, способ изменения высоты канала можно реализовать, если изготовить дорновую часть пиноли 2 (рис. 4.25, б) эксцентрично относительно ее корпуса /. Величину требуемого эксцентриситета е можно рассчитать по формулам (4.66), (4.67).

Предлагается самостоятельно продумать и написать процедуру расчета е, приняв, например, условие q 1 = Ч2(СМ- Рис- 4.25,5) и считая значения КK , I , Q,R, г, тип извест­ ными. Возможно также введение дополнительного ограничения е < (0,15 •*• 0,2) (R — г), на основе которого минимально допустимое значение L должно определяться расчетом.

На рис. 4.25, виг показаны варианты аналогов коллекторной голов­ ки, в которых реализован способ балансировки изменением длины подводящего канала. Развертки их, как видно из рисунка, полностью аналогичны таковым на рис. 4.16,6 и в соответственно. Размеры L{z) или Lw и Lg при условии q = const или QI = q2 соответственно могут быть рассчитаны по формулам (4.66) и (4.67). Конструкция головки с каналом такого типа показана на рис. 4.24, в.

Предлагается самостоятельно продумать и написать процедуры расчета L(z) или IQ и L w по формулам (4.66) и (4.67), введя в них коррективы применительно к конкретной геометрии каналов на рис. 4.25, в или г.

На рис. 4.25, д представлен еще один вариант подводящего канала. Входящий в головку расплав растекается по двум коленообразным каналам J, выполненным в теле пиноли и как бы охватывающим ее. Затем расплав из каждого из этих каналов попадает в расширяющуюся А и потом в монотонную Б секции канала. В развертке эти секции полностью аналогичны секциям А и Б канала плоскощелевой треуголь­ ной головки на рис. 4.11. Таким образом, в совокупности весь канал на рис. 4.25, д представляет собой как бы установленные параллельно и состыкованные боковыми сторонами в зоне Б два канала типа пока­ занных на рис. 4.25,а.

Проанализировать преимущества и недостатки типа "д" перед типом "а" предлагается самостоятельно. Критериями оценки при сопоставительном анализе могут быть габариты канала при одинаковой степени выравненное™ потока, наличие (отсутствие) зон застоя и мест стыковки потоков и возможности их устранения, степень сложности изготовления, Удобства разборки и чистки и др. Продумать, зависит ли в итоге предпочтительный выбор того или иного типа от габаритов (диаметра и длины экструдируемой заготовки). „__

Гидравлический расчет угловых раздувных головок должен выпол­ няться в соответствии с разд. 4.4, однако следует обратить внимание на одну специфическую особенность его. Как уже отмечалось, раздувная заготовка при экструзии не подвергается ни калибровке, ни принудительной вытяжке. На нее действует только сила собственного веса, которая, однако, приводит к весьма нежелательной естественной вытяжке, неодинаковой по высоте заготовки. Действительно, степень

Рис. 4.27. Схема вытяжки экструдируемой заготовки под действием собственного веса:

i — дорн; 2 — мундштук

утонения заготовки в каком-либо сечении по высоте ее х пропорцио­ нальна весу части заготовки ниже этого сечения и времени воздейст­ вия этого веса (рис. 4.27), В верхней части заготовки вес максимален, но время воздействия равно нулю, в нижней части - наоборот. Макси­ мальная степень утонения (т.е. минимальная толщина ymin), таким образом, имеет место в средней ее части. Очевидно, чем больше время воздействия веса (меньше линейная скорость выхода заготовки У), чем больше сам вес (т.е. длина заготовки I и плотность расплава р) и меньше вязкость расплава ц, тем больше нежелательная продольная разнотолщинность заготовки z, которую в соответствии с рис. 4.27 количественно можно оценивать как

г-Утщ/О-

(4.73)

Эта взаимосвязь между параметрами экструзии и разнотолщинностью заготовки, представленная в функциональном виде как

V«V(p,|i,I,*),

(4.74)

может быть использована для определения минимально допустимого значения скорости экструзии [V], при котором разнотолщинность заготовки достигает предельно возможного значения [z] (возможный диапазон значений z, как видно из формулы (4.73), [z] < z < 1).

Значение фактической скорости экструзии V, очевидно, должно удовлетворять следующему условию:

V>[V],rj»[V]-V\gmM. (4.75)

258

При гидравлическом расчете поэтому производительность Q не может задаваться произвольно, но должна выбираться в соответствии с условием (4.75), ограничивающим ее минимальное значение: (?min = = [ V]s, где s - площадь поперечного сечения формующего канала на выходе из него.

Вывод конкретного вида функции (4.74) приведен ниже.

Реологическое уравнение расплава термопласта при одноосном растяжении	имеет
следующий вид:
° * * - 1 » р ё « .	(4-76)

где охх — нормальное напряжение, действующее в направлении х (см. рис. 4.27) в попереч­
ном сечении	заготовки с координатой х; ехх	— скорость относительной деформации
растяжения txx	в направлении х в окрестности этого же сечения:

Параметр ц — это вязкость расплава при растяжении. Величина ц . имеет однозначную связь с величиной вязкости ц при сдвиговом деформировании (подобно известной взаи­ мосвязи между модулями упругости при растяжении Е и сдвиге G). Опытом установлено, что в ньютоновской области кривой течения (т.е. при малых скоростях деформирования, где и практически не зависит от этих скоростей, см. рис. 4.6) соотношение между ц . и \х н таково:

Цр = 3 ц н ,

(4.78)

где д - наибольшая, ньютоновская вязкость расплава при сдвиге. Именно такие, малые скорости деформирования и имеют место чаще всего при вытяжке заготовки под действи­ ем собственного веса.

Из условия несжимаемости расплава'При вытяжке относительная объемная деформа­ ция его е у равна нулю:

е У = ^ х + еу у + е(рф = 0,

(4.79)

где еv v и е , . - относительные деформации в радиальном у и окружном ф направлениях соответственно (см. рис. 4.27). В направлениях ср и у нормальные напряжения отсутствуют; отсюда видно, что

е у у = е ф Г	(4-80)
Вводя (4.80) в (4.79), получаем:
« « — 2 « > у	<4-81>

причемэтосоотношение справедливо также и для дифференциально малых приращений de ийбууИ, следовательно, для скоростей деформаций:

dtxx = -2dEyy'>	dtxxldt^-2dtyyldt.	(4.82)
Вводя в (4.76) выражение для ёхх,	которое определено формулами (4.77) и (4.82), а

также соотношение (4.78), получаем:

Далее, в соответствии с мерой деформации растяжения — сжатия по Генки, относитель­ ная деформация deyy за некоторый отрезок времени dt равна отношению соответствую­ щей абсолютной деформации йу (т.е. уменьшения толщины стенки в некотором сечении заготовки с координатой х) к текущему значению размера элемента в направлении его Деформации у (т.е. к текущему значению толщины заготовки у при координатех ) , так что

dtyyldt

= (dy/yHUdt) = (1/у) (dy/dt).

(4.84)

259