Тема 3. 3. Общее Устройство экструзионных головок. Классификация 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.