УралТехноСтрой
E-mail: 007@utse.ru

Этапы проектирования и обязательные расчеты при определении размеров формующей оснастки для экструзии профильных изделий из термопластов

Володин Валентин Петрович,
канд. техн. наук ОАО "МИПП - НПО "Пластик", Москва

Экструзионная технологическая оснастка (ЭТО) – формообразующая головка, калибрующее устройство (калибратор), система последующего охлаждения, работающие взаимосвязано и взаимозависимо – для достижения требуемой производительности экструзионной линии и качества изделия. Проектирование и расчеты каждой из перечисленных составляющих ЭТО также должны производиться согласованно и взаимосвязанно. Однако, во многих, из известных сейчас, программах компьютерного моделирования (CFD) не "выстраивается" четкая взаимосвязь между работой калибратора и экструзионной головки; но даже самая лучшая программа компьютерного моделирования не обеспечивает получение профиля с заданными размерами, если в ней не учитываются процессы деформирования экструдата на выходе из головки (разбухание, вытяжка), на основе которых рассчитываются размеры «формующего» отверстия фильеры. Большинство компьютерных программ течение расплава в экструзионной головке и калибрование экструдата рассматривают отдельно, причем основное внимание, в последнем случае, уделяя тепловым, а не реологическим процессам.

Конструирование экструзионной технологической оснастки (ЭТО), особенно для производства профильных изделий сложной формы, в настоящее время практически немыслимо без проведения предварительных расчетов, при которых определяют размеры каналов головки и калибрующего устройства в соответствии со свойствами перерабатываемого материала, условиями работы изделия при его эксплуатации, техническими характеристиками экструзионной линии.

Однако, прежде чем приступить к технологическим расчетам, необходимо выполнить ряд предварительных оценочных процедур, касающихся самого профиля изделия (его формы и размеров, технологичности конструкции, условий эксплуатации изделия); основного и вспомогательного оборудования, которое будет использоваться для испытания оснастки и отработки технологического процесса; методов и приборов оценки качественных показателей будущего изделия.
Приведенная ниже блок-схема этапов проектирования и изготовления технологической оснастки (экструзионной головки, калибрующего устройства и системы последующего охлаждения), основана на опыте автора, дает представление об объеме и содержании необходимых работ.

Профиль

Материал (материалы для комбинированных изделий)

Конструкция профиля, размеры, допуски, технологичность

Схема сопряжения профиля с деталями конструкции, в которой он будет работать

Климатические условия эксплуатации

Выбор технологической схемы и оборудования

Технологическая схема процесса

Способ калибрования профиля, схема

Система окончательного охлаждения профиля

Периферийное оборудование (3aгрузчики, дозаторы, сушилки, вакуум-насосы, дробилки и пр.)

Расчет пути калибрования и охлаждения профиля

Теплофизические характеристики материала

Расчет длины калибратора

Технологические параметры процесса калибрования

Расчет полного пути охлаждения

Расчет размеров каналов экструзионной головки

Степень вытяжки расплава, характеристики упругих свойств расплава при вытяжке экструдера

Расчет размеров формующего канала на выходе из головки

Вязкостные и упругие свойства расплава при заданных технологических параметрах процесса течения в головке

Расчет и конструирование каналов головки, обеспечивающих сбалансированное течение на выходе (для конкретных изделий)

Изготовление и испытание технологической оснастки

Изготовление деталей головки и калибрующего устройства

Проверка работоспособности всех узлов технологической линии

Испытания оснастки на заданной марке материала и рабочих режимах переработки, отбор и анализ полученных образцов

Корректировка формы и размеров каналов головки в зависимости от результатов испытания. Повторные испытания до получения приемлемых результатов

Приемочные испытания оснастки

Подготовка программы приемочных испытаний

Приемочные испытания оснастки. Корректировка техдокументации

Испытания продукции (профильных изделий) на соответствие техническим требованиям

Составление акта приемки оснастки в эксплуатацию

После уточнения формы и размеров профиля, условий эксплуатации изделия, выбора технологической схемы и оборудования, следует подготовить необходимые для расчета реологические и теплофизические характеристики перерабатываемой марки материала, без которых трудно правильно сконструировать экструзионную головку, калибратор, последующие за калибратором устройства охлаждения. Ниже приводится перечень таких характеристик, используемых на соответствующих этапах конструирования [1,2,3].

Калибрующее устройство.

Задаются: Форма и размеры профиля, масса 1 п.м., условия эксплуатации изделия; максимальная массовая производительность экструзионной линии; начальная длина калибратора, его первоначальная конструкция; температура расплава на выходе из головки; температура охлаждающей воды, подаваемой в калибратор.

Справочные данные: плотность расплава в зависимости от температуры, ρ(Т); теплопроводность λ(Т); удельная теплоемкость, Сp(Т); коэффициент трения (по стали), μ(Т); коэффициент линейного температурного расширения, al(T); модуль упругости при растяжении, Е(Т).

Расчет: Линейная скорость экструзии; профили охлаждения стенок профиля при максимальной производительности (на основе уравнения нестационарной теплопроводности, адаптированного для численного расчета по методу конечных разностей (МКР); определение несущей способности охлажденного контура профиля на выходе из калибратора при допустимой продольной деформации профиля.

В зависимости от результатов расчета производится корректировка условий охлаждения профиля в калибраторе, изменение его длины или целиком всей схемы калибрования (например, переход на многоручьевую экструзию, на ступенчатoe калибрование с промежуточным охлаждением или термостатированием и т.д.).

Экструзионная головка. Фильера
Задаются: Расчетная схема участков фильеры (поперечные размеры и длины); вязкостные характеристики расплава, например, для степенного уравнения течения, К(Т), n(T, γ) ; степень втяжки расплава, λ;

характеристики упругости расплава, включающие: начальное значение коэффициента разбухания, ?s ; показатель неравномерности поперечной деформации при вытяжке, νb; показатель неравномерности поперечной деформации при разбухании экструдата, аsb; предельное значение коэффициента разбухания ?s1 при γ=1 ; показатель интенсивности релаксационного процесса в формующей зоне, А(Т)

Расчет:
1. Поперечные размеры участков (ширина, высота формующего зазора, наружный диаметр и пр.) на выходе из фильеры.
2. Обеспечение примерно одинаковой скорости выхода расплава по поперечному сечению фильеры, включающее: формирование расчетной схемы головки с подводящими каналами; ввод в электронную таблицу размеров параллельных и последовательных участков по длине головки; расчет параметров течения и определение перепадов давления по параллельным участкам по длине головки. Корректировка размеров участков - по ходу расчета - для обеспечения равенства гидравлических сопротивлений параллельных участков.
3. Расчет коэффициента разбухания экструдата сложного сечения и сравнение его с первоначально принятым значением. При существенном расхождении принимается новое значение коэффициента разбухания, и расчет размеров повторяется до приемлемого схождения (в пределах ±5%).


Расчет удобно проводить в электронных таблицах (например, программы Excel); расчетные схемы можно формировать в любом векторном графическом редакторе (например, в программе «Компас 3D») с последующим сохранением схемы в растровом формате (например, в jpg), которую затем легко вставить в нужный лист электронной таблицы.

Точность расчета зависит как от правильного выбора расчетной схемы, так и достоверных значений теплофизических и реологических характеристик материала. Поэтому определению нужных характеристик следует придавать особое значение.

На рис.1 приведен пример расчета фильеры с призматическим каналом переменной высоты на выходе. При расчете первоначальный канал (рис.1 ,а) разбивается на ряд призматических участков постоянной ширины и состоящих из ирех последовательных участков по длине: участка входа постоянной высоты, переходного переменной высоты, и формующего постоянной высоты. Высота и длина участков для каждого последовательного участка определялась по средней линии. Обычно количество параллельных участков определяется геометрией профиля. За участок принимается форма канала (круглая, прямоугольная, кольцевая и пр.) с постоянными размерами поперечного сечения. Расчет для простоты выполнен для пластифицированного ПВХ, не требующего применения калибрования экструдата, при температуре экструзии 170oС; и массовом расходе 30 кг/ч. Peoлогические свойства расплава описываются степенным уравнением с показателями течения: n=0,25, К=0,21n кгс/см2 . Первоначально заданные размеры участков канала в ходе расчета были скорректированы. Откорректированные размеры участков канала по ширине фильеры показаны на рис. 1,б.

Схема призматического канала с переменной  высотой
Рис.1. Схема призматического канала с переменной высотой:
а - первоначальные размеры канала,
б - после выравнивания гидравлических сопротивлений

Полученные результаты расчета относительного отклонения суммарных перепадов давления по отношению к среднему значению не превышает ±2%, что вполне приемлемо дня практических цепей.

Более полный и подробный расчет оснастки необходим при экструзии жестких полимерных материалов, требующих при формовании изделия применения калибрования.

Метод расчета в электронных таблицах, конечно, менее точен, чем с применением метода конечных элементов (МКЭ) - в силу усреднения расчетов для участков фильеры, а не отдельных конечных элементов гораздо меньших размеров. В принципе, точность этого расчета можно повысить, уменьшая ширину отдельных участков, но объем вычислений значительно возрастает.

Такой расчет в электронных таблицах доступен любому пользователю персонального компьютера, понимающего принципы расчета и имеющего необходимые характеристики перерабатываемого материала, не требует обращения к использованию дорогостоящих специализированных программ - он позволяет оценивать различные варианты форм и размеров каналов также как и в программах компьютерного моделирования, а в сочетании с графическим представлением получаемых результатов этот метод может в ряде случаев программы заменить.

Литература.
1. Микаэли Вальтер. Экструзионные головки для пластмасс и резины: конструкции и технические расчеты. Пер. с англ. 3-го переработанного изд. Под ред. В.П.Володина. Изд.«Профессия», Санкт-Петербург, 2007, 472 с.
2. Теплофизические и реологические характеристики полимеров. Справочник. Под общ. ред. академика АН УССР Ю.С.Липатова. Изд. «Наукова думка». Киев. 1977.244 с.
3. Володин В.П. Экструзия профильных изделий из термопластов. Изд. «Профессия», Санкт-Петербург. 2005. 480 с.


Здесь Вы можете получить подробные технические рекомендации по выбору товара