Технологическая оснастка в производстве профильных изделий
В настоящей книге основное внимание уделяется формообразующей оснастке, с помощью которой производятся изделия сложной формы (профильные изделия), широких диапазонов размеров со свойствами, определяемыми условиями эксплуатации профилей. При непрерывной экструзии формования полимерных изделий из расплава к технологической оснастке относят экструзионные головки с формующим инструментом (фильеры) и охлаждающе-калибрующий инструмент с устройствами для охлаждения пластичных заготовок и дополнительных устройств для получения профилей с необходимыми свойствами (нанесение текстуры, пробивка отверстий для крепления, дублирование с некоторыми материалами и пр.).
Книга состоит из двух глав (первая — «Экструзионные головки», вторая — «Охлаждение и калибрование профильных изделий») и приложений, в которых приводятся некоторые полезные
сведения по полимерным материалам, используемые для расчета и конструирования формую-
щего и калибрующе-охлаждающих устройств на выбранном экструзионном оборудовании при
планируемой производительности.
Конструкции экструзионных головок и их деталей, особенности и некоторые методы расчета приводятся в книге В. Микаэли «Экструзионные головки для пластмасс и резины», 3-е издание которой переведено на русский язык и опубликовано в 2007 г. в издательстве «Профессия»
(Санкт-Петербург).
В настоящей книге автор использовал техническую литературу по многим разделам, которые недостаточно описаны в приведенной выше книге или подход к конструированию головок отличается от позиции автора. Описание конструкций головок и их деталей приводится в сравнении с формующими головками для формования профилей из металлов и других пластичных
материалов (например, керамики, теста и др.).
Конструирование технологической оснастки определяется назначением и условиями работы пластмассового профиля в составе некоторого технологического узла или самостоятельно. Это требует решения ряда проблем. К ним относятся размеры формующего канала на выходе (при
которых можно получить необходимые размеры конечного профиля); равномерность выдавливания расплава по поперечному сечению фильеры (обеспечивают минимальное искажение экструдата на выходе). Для нетермостабильных материалов рекомендуется поддерживать минимальное время пребывания расплава в головке, небольшие углы образующих поверхностей каналов переменного сечения, соблюдать отсутствие застойных зон. Однако малые углы наклона образующих каналов (не выше 30 градусов) предполагает увеличение их длины, что способствует продолжительности пребывания расплава в головке. На практике головки для изготовления профилей из нетермостабильных композиций НПВХ имеют сравнительно небольшую длину. Это достигается выбором типоразмера экструдера и повышенным соотношением площадей на выходе из дорнодержателя и выхода из формующего канала. В головках для получения полых изделий (например, напорных труб) большое соотношение площадей (до 40) предполагает улучшение качества расплава путем надежного сваривания разделенных потоков в спицах дорнодержателей. Однако при этом развиваются повышенные обратимые деформации, которые вызывают дополнительные искажения экструдата на выходе из головки. Поэтому конструкцию головки приходится оптимизировать в зависимости от требований к изделию и условиям его эксплуатации.
Первая глава содержит 5 основных разделов и перечень использованной литературы. Она касается конструирования экструзионных головок как основного формообразователя заготовок для последующей вытяжки, калибрования с последующим охлаждением при получении конечной продукции. Рассмотрены реологические принципы конструирования и основные типы экструзионных головок, детали головки и их компоновка в зависимости от используемой технологической схемы изготовления профильного изделия. Приводятся расчеты размеров формующего канала с учетом разбухания, последующей вытяжки и калибрования экструдата. Предлагаемая методика расчета размеров формующего канала головки основана на практических исследованиях трехмерного деформирования экструдатов разной формы и размеров за пределами головки, в результате которых установлены характеристики эластических свойств ряда полимерных материалов и взаимосвязь главных деформаций. По сравнению с эмпирическими данными, используемыми до настоящего времени за рубежом и в отечественной практике, предлагаемая методика позволяет более точно определить необходимые геометрические и реологические параметры процесса формования изделия и оценить их влияние на показатели качества.
Повышенное внимание уделяется коммерческим программам компьютерного моделирования течения расплава в каналах экструзионных головок, позволяющим сократить время проектирования и доводки технологической оснастки по сравнению с традиционными методами. В этой части рассмотрены основные принципы динамики компьютерного моделирования (CFD), его достоинства и недостатки. Отмечается, что для экструзии профилей сложной геометрии еще не всегда можно использовать сложные математические модели. Рассмотрены альтернативные упрощенные методы расчета и профилирования каналов для некоторых типов профильных изделий, разработанных автором, а также вопросы «сквозного» проектирования оснастки, включающей системы CAD-CAE-CAM, позволяющего ускорить изготовление деталей с помощью станков с числовым программным управлением.
Во второй главе анализируются методы охлаждения и механического воздействия на расплав при непрерывном получении конкретных изделий. Проводится анализ изменения текущих размеров экструдата при различных схемах деформации и изменения теплофизических свойств полимерных материалов в зависимости от температуры. Рассмотрены основные типы и конструкции калибраторов, способы их установки и регулирования положения относительно фильеры экструзионной головки. Анализируются основные варианты деформирования экструдата на входе в калибратор и охлаждения в основном канале калибрующего устройства, приводится расчет текущих размеров экструдата, влияющий на определение длины калибратора при различных схемах формования и скоростях экструзии и положение калибратора по отношению к головке.
Деформационные и теплофизические процессы формования изделия в калибраторе рассматриваются при переменных размерах экструдата в зоне входа в калибратор и приблизительно постоянных в самом калибрующем устройстве. Исследования в этой области практически отсутствуют. Конструкция зоны входа в калибратор и ее протяженность определяют интенсивность деформирования расплава и качество формуемого изделия. Анализируются источники возникновения дефектов экструзии и влияние технологических параметров процесса калибрования на качество конечного изделия.
Основная проблема равномерного выдавливания расплава из формующей щели головки при экструзии профилей сложной геометрии описана на основе имеющихся публикаций. Несмотря на обилие публикаций по этой проблеме всеобъемлющего инженерного решения еще не предложено, кроме сложной сеточной методики течения (использование принципов CFD), с некоторыми упрощающими положениями.
Приводятся примеры расчета и конструирования технологической оснастки для некоторых типов профильных изделий, в которых использованы результаты исследования автора.
Володин Валентин Петрович,
канд. техн. наук
Заказать книгу https://www.epcprof.ru/catalog/109/1222/