Budowa głowic wytłaczarskich do rur

Janusz W. SIKORA
Katedra Procesów Polimerowych, Politechnika Lubelska
ul. Nadbystrzycka 38d, 20-618 Lublin
e-mail: [email protected], tel. 0-81-53-84-222
BUDOWA G£OWIC WYT£ACZARSKICH DO RUR
Artyku³ stanowi drug¹ pracê, z ca³ej serii prac, dotycz¹cych budowy g³owic wyt³aczarskich.
Niniejsze opracowanie dotyczy g³owic wyt³aczarskich do otrzymywania kszta³towników o ko³owym kszta³cie pola przekroju poprzecznego, w szczególnoœci g³owic do rur. Nazywane s¹ one
równie¿ g³owicami ko³owymi. Przeprowadzono podzia³ tych g³owic na g³owice wzd³u¿ne,
poprzeczne oraz œrubowe. W g³owicach wzd³u¿nych zwrócono uwagê na mocowanie rdzenia za
pomoc¹ ¿eber wspornikowych do jej korpusu. Wskazano sposoby zmniejszenia niekorzystnego
oddzia³ywania powierzchni ³¹czeñ strumieni sk³adowych powsta³ych podczas przep³ywu tworzywa przez ¿ebra wspornikowe. W g³owicach poprzecznych przedstawiono budowê rdzenia
kana³owego, natomiast w g³owicach œrubowych budowê rdzenia gwiaŸdzisto-œrubowego oraz
walcowo-œrubowego.
Design of extruder heads for pipes. The paper is the second one in the series of works on the
design of extruder heads. This work concerns the extruder heads for receiving profiles of the
circular cross-section, especially heads for pipes. They are also called circular heads. These heads
were divided into longitudinal heads, transverse and helical. In the longitudinal heads, the
attention was paid to fixing the mandrel to its body by means of spider legs. Methods of
decreasing the unfavourable influence of joint surfaces of component fluxes during the polymer
flow through the spider legs were presented. In the transverse heads, the design of the heart-shaped mandrel was described, while in the helical heads the design of the star-helical and arm-helical
mandrel was shown.
G³owica wyt³aczarska do kszta³towników
o ko³owym kszta³cie pola przekroju poprzecznego nazywana jest równie¿ g³owic¹ ko³ow¹
i stosowana jest w procesie wyt³aczania do
otrzymywania rur oraz prêtów ko³owych. G³owicê wyt³aczarsk¹ do prêtów stosuje siê stosunkowo rzadko, a jej budowa jest w zasadzie najprostsza z mo¿liwych i z tego powodu przybli¿ona zostanie tylko budowa g³owic do rur.
G³owice wyt³aczarskie do rur dzieli siê na
g³owice wzd³u¿ne, poprzeczne oraz œrubowe.
Najbardziej rozpowszechnione s¹ g³owice
wzd³u¿ne.
G³owice wzd³u¿ne do kszta³towników o ko³owym kszta³cie pola przekroju poprzecznego
stosowane do wyt³aczania rur, ró¿ni¹ siê miêdzy sob¹ przede wszystkim sposobem mocowania rdzenia do jej korpusu, znajduj¹cego siê
wewn¹trz g³owicy. Przyjê³o siê mianowicie, ¿e
g³owice ko³owe u¿ywane do wyt³aczania rur
4
z PVC, charakteryzuj¹ siê mocowaniem rdzenia do korpusu g³owicy za pomoc¹ ¿eber
wspornikowych symetrycznie rozmieszczonych na jego obwodzie [1, 2, 3, 4]. Schemat takiej
g³owicy zosta³ przedstawiony przyk³adowo na
rysunku 1a, natomiast jej przyk³adowy wygl¹d
na rysunku 1b.
Z uk³adu uplastyczniaj¹cego wyt³aczarki
tworzywo uplastycznione dostarczane jest do
g³owicy kana³em przep³ywowym wlotowym,
najczêœciej o ko³owym kszta³cie przekroju poprzecznego, wspó³osiowym z uk³adem uplastyczniaj¹cym. Strumieñ tworzywa przep³ywa
przez filtr tworzywa i po napotkaniu rozdzielacza rdzenia g³owicy wp³ywa do kana³u rozprowadzaj¹cego, pierœcieniowego sto¿kowego
rozbie¿nego liniowego. Nastêpnie tworzywo
jest wprowadzane do kana³ów przep³ywowych
rozdzielaj¹cych utworzonych przez ¿ebra
wspornikowe, w których jest rozdzielane na
Przetwórstwo Tworzyw
Rys. 1. G³owica wzd³u¿na do wyt³aczania rur a)
przekrój wzd³u¿ny: 1 – kana³ wlotowy, 2 – kana³
rozprowadzaj¹cy, 3 – dysza g³owicy, 4 – kana³ uzupe³niaj¹cy, doprowadzaj¹cy powietrze do wnêtrza
rury, 5 – korpus g³owicy, 6 – korpus dyszy, 7 –
rozdzielacz rdzenia g³owicy, 8 – rdzeñ g³owicy, 9 –
filtr tworzywa; b) wygl¹d ogólny (Hans Weber Maschinenfabrik GmbH, Niemcy)
kilka strumieni sk³adowych i przep³ywa równolegle do osi g³owicy. Z kolei strumienie sk³adowe wp³ywaj¹ do kana³u rozprowadzaj¹cego,
pierœcieniowego sto¿kowego zbie¿nego liniowego, w którym ³¹cz¹ siê. I wreszcie strumieñ
tworzywa jest wprowadzany do dyszy g³owicy
– kana³u pierœcieniowego liniowego, o du¿ym
stosunku d³ugoœci do wymiaru poprzecznego i
ma³o- lub czêœciej niezmiennym przekroju poprzecznym. Tworzywo wyp³ywa z niej strumieniem pierœcieniowym o wymiarach przekroju poprzecznego zbli¿onych do wymiarów
przekroju poprzecznego otrzymywanej rury.
W wyniku rozdzielenia przep³ywaj¹cego
strumienia tworzywa w kana³ach rozdzielaj¹cych i nastêpnie ³¹czenia strumieni sk³adowych
2 (marzec – kwiecieñ) 2009
w kanale rozprowadzaj¹cym zbie¿nym, w miejscu ³¹czenia, którym jest promieniowy odcinek
prosty na ca³ej d³ugoœci wytworu, powstaj¹
z³¹cza, nie zawsze widoczne, ale na ogó³ pogarszaj¹ce w³aœciwoœci wytrzyma³oœciowe otrzymywanych rur.
W miejscu ³¹czenia strumieni sk³adowych
powstaj¹ zmiany w strukturze tworzywa spowodowane znaczn¹ orientacj¹ tworzywa uplastycznionego w otoczeniu ¿eber wspornikowych. Orientacja ta powstaje z powodu du¿ego
gradientu prêdkoœci, wystêpuj¹cego w strefie
przyœciennej strumienia tworzywa uplastycznionego, wywo³anego efektem przyœciennym
[5, 6] oraz w wyniku rozci¹gania makrocz¹steczek tworzywa, znajduj¹cych siê w pobli¿u ¿eber. Inn¹ przyczyn¹ ró¿nic strukturalnych wystêpuj¹cych w miejscach ³¹czenia siê strumieni
sk³adowych i utrudniaj¹c¹ ponowne wymieszanie siê tworzywa, mo¿e byæ mniejsza gêstoœæ
tworzywa, powsta³a w wyniku ró¿nicy temperatury miêdzy przep³ywaj¹cym tworzywem
a ¿ebrami wspornikowymi. W osi kana³u temperatura tworzywa jest najwy¿sza, a promieniowe rozdzielenie strumienia tworzywa na
strumienie sk³adowe za pomoc¹ ¿eber wspornikowych sprawia, ¿e warstwy tworzywa o wy¿szej temperaturze stykaj¹ siê z ch³odniejsz¹ powierzchni¹ ¿eber. W strefie przyœciennej wystêpuje wiêc zmniejszenie gêstoœci tworzywa, co
utrudnia ponowne wymieszanie siê makrocz¹steczek podczas ³¹czenia strumieni sk³adowych.
Na rysunku 2 zosta³y pokazane rozwi¹zania
konstrukcyjne ¿eber wspornikowych stosowanych najczêœciej do mocowania rdzenia z korpusem g³ównym g³owicy. Pomiêdzy jednym
¿ebrem wspornikowym i nastêpnym tworzy siê
kana³ przep³ywowy rozdzielaj¹cy.
Jednym z rozpowszechnionych rozwi¹zañ
konstrukcyjnych ¿eber wspornikowych s¹ ¿ebra
promieniowe proste (rys. 2a), których d³ugoœæ
zawieraæ siê mo¿e na ogó³ w granicach od 30 do
80 mm, a szerokoœæ od 9 do 12 mm. Ze wzglêdu
na konieczn¹ mniejsz¹ prêdkoœæ przep³ywu
tworzywa w kanale rozdzielaj¹cym, a co siê
z tym wi¹¿e tak¿e mniejsz¹ orientacjê tworzy-
5
Rys. 2. Rozwi¹zania ¿eber wspornikowych: a) ¿ebra
promieniowe proste, b) ¿ebra promieniowe œrubowe,
c) ¿ebra kszta³towe, d) ¿ebra promieniowe ³ukowe;
1 – korpus g³ówny g³owicy, 2 – rozdzielacz rdzenia
g³owicy, 3 – kana³ rozdzielaj¹cy, 4 – ¿ebra wspornikowe [2, 7]
wa, jest wymagane stosunkowo du¿e pole powierzchni przekroju poprzecznego tego kana³u.
Z tego powodu przyjmuje siê, ¿e wysokoœæ ¿ebra promieniowego prostego zazwyczaj nie mo¿e
byæ mniejsza od 10 mm i nie mo¿e przekraczaæ
25 mm. Ka¿de ¿ebro wspornikowe nale¿y tak
zaprojektowaæ, aby jak najmniej zak³óca³o przep³yw tworzywa. Zaleca siê wiêc [6], aby ich
kszta³t by³ jak najbardziej op³ywowy, a ich liczba wynosi³a od trzech, czterech dla g³owicy
ma³ej do kilkunastu przy g³owicy wiêkszej.
Wa¿ne jest równie¿ dobranie najwiêkszej œrednicy rdzenia g³owicy oraz œrednicy rdzenia przy
wyjœciu z g³owicy. Stosunek tych dwóch wielkoœci w przypadku g³owicy wzd³u¿nej do wyt³aczania rur z PVC zawiera siê w granicach od
1,4 do 1,6, natomiast przy g³owicy do rur z poliolefin oko³o 2. Przy g³owicy wzd³u¿nej o du¿ych rozmiarach dopuszcza siê nieco mniejsze
wartoœci stosunku œrednic, odpowiednio wynosz¹ce 1,25 do g³owicy do rur z PVC oraz 1,4 do
g³owicy do rur z poliolefin [7, 8].
Kolejnym rozwi¹zaniem ¿eber wspornikowych stosowanych w g³owicach wzd³u¿nych s¹
6
¿ebra promieniowe œrubowe (rys. 2b). Takie
ukszta³towanie ¿eber wspornikowych powoduje zmianê powierzchni ³¹czenia strumieni
sk³adowych z przebiegaj¹cej wzd³u¿ promieniowego odcinka prostego w powierzchniê
przebiegaj¹c¹ wzd³u¿ odcinka œrubowego
o wiêkszej d³ugoœci. Uzyskuje siê w ten sposób
mniejszy spadek w³aœciwoœci wytrzyma³oœciowych rury, wywo³any wystêpowaniem z³¹cza.
Jednak ¿ebra promieniowe œrubowe, z uwagi
na bardziej skomplikowane wykonanie, s¹ stosowane stosunkowo rzadko.
Czasami do mocowania rdzenia w g³owicy
u¿ywa siê ¿eber kszta³towych (rys. 2c), wykonanych w pierœcieniu noœnym w taki sposób,
aby utworzy³y w nim wycinki kana³u pierœcieniowego – rozdzielaj¹cego. U¿ycie tych ¿eber
powoduje stosunkowo ma³y spadek w³aœciwoœci wytrzyma³oœciowych rury, gdy¿ powierzchnia ³¹czenia strumieni sk³adowych nie
przebiega wzd³u¿ ca³ego promienia, tylko jego
odcinkami przesuniêtymi dodatkowo wzglêdem siebie. Podczas nadawania odpowiednich
kszta³tów, kana³om rozdzielaj¹cym utworzonym przez ¿ebra kszta³towe, nale¿y zwróciæ
uwagê na to, aby opory przep³ywu tworzywa
przez wszystkie wycinki kana³ów by³y jednakowe, co zapewni tak¹ sam¹ prêdkoœæ przep³ywu tworzywa uplastycznionego w kana³ach
rozdzielaj¹cych utworzonych przez ¿ebra
wspornikowe.
Znacznie czêœciej do mocowania rdzenia jest
stosowany pierœcieñ rozdzielaj¹cy po³¹czony
z rozdzielaczem tworzywa, pokazany na rysunku 3a. W pierœcieniu tym wykonuje siê mo¿liwie jak najwiêcej jednakowych, otworów
przelotowych o œrednicy na przyk³ad 1,2 mm,
otwory te stanowi¹ kana³y rozdzielaj¹ce,
a pierœcieñ spe³nia równie¿ zadania filtru tworzywa [9]. Zastosowanie pierœcienia rozdzielaj¹cego powoduje zast¹pienie kilku powierzchni
³¹czeñ, wystêpuj¹cych w przypadku ¿eber
wspornikowych, wieloma powierzchniami
³¹czeñ strumieni sk³adowych rozmieszczonymi
stosunkowo równomiernie w ca³ym przekroju
wzd³u¿nym rury wyt³aczanej. Nastêpuje wiêc
z³agodzenie niekorzystnego dzia³ania kilku po-
Przetwórstwo Tworzyw
Rys. 3. Wygl¹d pierœcienia rozdzielaj¹cego a) zintegrowanego z rozdzielaczem (BASF, Niemcy), b) z ¿ebrami
promieniowymi prostymi (Welex Inc., USA): 1 – rozdzielacz, 2 – pierœcieñ rozdzielaj¹cy, 3 – ¿ebra
wspornikowe
wierzchni ³¹czeñ strumieni sk³adowych tworzywa.
Wyt³aczaj¹c na przyk³ad kszta³townik charakteryzuj¹cy siê przekrojem poprzecznym
zamkniêtym, na przyk³ad rurê, jest wskazane,
aby wykonaæ w g³owicy wytaczarskiej kana³
uzupe³niaj¹cy, przez który w czasie wyt³aczania jest dostarczane powietrze pod ma³ym ciœnieniem. Zapobiega to wytworzeniu siê wewn¹trz kszta³townika obszaru, w którym ciœnienie jest obni¿one i w zwi¹zku z tym zapadaniu
siê jego œcianek. Stosunkowo ³atwo jest taki kana³ wykonaæ w ¿ebrach promieniowych prostych.
W celu zmniejszenia niekorzystnego oddzia³ywania powierzchni ³¹czeñ strumieni sk³adowych tworzywa wystêpuj¹cych w miejscach ich
³¹czenia siê, stosuje siê wiele modyfikacji konstrukcji g³owic wyt³aczarskich wzd³u¿nych,
g³ównie polegaj¹cych na [7, 10]:
— u¿yciu elementów obrotowych rdzenia g³owicy, co wymaga jednak korzystania z dodatkowego napêdu i zabezpieczenia g³owicy przed niepo¿¹danymi wyciekami tworzywa,
— powlekaniu ¿eber wspornikowych materia³ami przeciwprzyczepnymi, na przyk³ad
PTFE, ale pow³oki te, w warunkach panuj¹-
2 (marzec – kwiecieñ) 2009
cych w g³owicy wytaczarskiej, ulegaj¹ szybkiemu zu¿yciu,
— wyd³u¿aniu drogi przep³ywu tworzywa
w g³owicy po przebyciu przez kana³y rozdzielaj¹ce, poprzez wykonanie kana³ów
przep³ywowych zmieniaj¹cych kierunek ich
przep³ywu, co znacznie utrudnia i podra¿a
wykonanie g³owicy, a tak¿e mo¿e spowodowaæ zbyt du¿y spadek ciœnienia tworzywa
w kana³ach przep³ywowych,
— ogrzewaniu ¿eber wspornikowych, którego
zastosowanie ze wzglêdu na ich ma³e wymiary wymaga doœæ skomplikowanych rozwi¹zañ konstrukcyjnych.
Budowa rdzenia g³owicy wyt³aczarskiej powinna byæ taka, aby zmniejsza³ siê niekorzystny
wp³yw powierzchni ³¹czenia strumieni sk³adowych tworzywa na w³aœciwoœci wytrzyma³oœciowe otrzymywanej rury. Na przyk³ad, podczas zmniejszania œrednicy kana³u rozprowadzaj¹cego pierœcieniowego, nastêpuje jednoczesne zmniejszanie wysokoœci tego kana³u.
Zaleca siê wiêc, aby k¹t pochylenia powierzchni
zewnêtrznej kana³u by³ wiêkszy od k¹ta pochylenia powierzchni wewnêtrznej kana³u, przy
czym k¹t pochylenia powierzchni wewnêtrznej
kana³u powinien zawieraæ siê w granicach od
10 do 15 deg. Bardzo czêsto zamiast rdzenia
7
o powierzchni jednolitej geometrycznie stosuje
siê rdzeñ z wykonanymi na jego powierzchni,
kilkoma lub kilkunastoma zwojami o ma³ym
skoku. Aby zapobiec niedu¿emu ruchowi obrotowemu rury wyt³aczanej, wykonuje siê na
wewnêtrznej powierzchni korpusu g³owicy
wyt³aczarskiej podobne zwoje, ale o przeciwnym kierunku skrêcenia. Stanowi¹ one specyficzne elementy mieszaj¹ce umiejscowione
w g³owicy, które maj¹ za zadanie dok³adnie
wymieszaæ tworzywo za ¿ebrami wspornikowymi i spowodowaæ, ¿e mikrostruktura otrzymanej rury w przekroju poprzecznym bêdzie w
jak najwiêkszym stopniu jednolita.
Niekiedy powierzchnia zewnêtrzna rdzenia
g³owicy jest pokryta celowo makronierównoœciami w postaci makrowg³êbieñ i makrowzniesieñ wzd³u¿nych co powoduje, ¿e na powierzchni wewnêtrznej rury wyt³aczanej odwzorowuj¹ siê wzd³u¿nie makronierównoœci rdzenia.
Rury z powierzchni¹ wewnêtrzn¹ niejednolit¹
geometrycznie odznaczaj¹ siê mniejszym tarciem w kontakcie z na przyk³ad kablem optotelekomunikacyjnym, co w przypadku jego instalowania w rurze jest bardzo korzystne [11,
12, 13].
G³owice wzd³u¿ne do rur wykazuj¹ pewn¹
uniwersalnoœæ, mianowicie poprzez wymianê
rdzenia i korpusu dyszy mo¿na dla jednej g³owicy uzyskaæ okreœlony zakres œrednicy rury
wytwarzanej, przy zmiennej gruboœci œcianki
rury. Zmiana ta wymaga jednak zatrzymania
procesu wyt³aczania, demonta¿u rdzenia i korpusu dyszy, wymiany tych elementów oraz ponownego rozruchu linii technologicznej wyt³aczania. Znane s¹ jednak rozwi¹zania konstrukcyjne g³owic, które umo¿liwiaj¹ zmianê gruboœci œcianki i œrednicy rury wyt³aczanej bez zatrzymywania procesu wyt³aczania. W pierwszym rozwi¹zaniu zmianê gruboœci œcianki
osi¹ga siê poprzez zastosowanie odkszta³calnej
tulei w dyszy, której œrednicê mo¿na zmieniaæ
za pomoc¹ kilkudziesiêciu œrub regulacyjnych
rozmieszczonych na obwodzie korpusu dyszy
[14]. Natomiast w innym rozwi¹zaniu zmianê
gruboœci œcianki i œrednicy rury wyt³aczanej
otrzymuje siê przez zastosowanie w g³owicy
ruchomego, przesuwnego osiowo rdzenia sto¿kowego, tworz¹cego wraz z powierzchni¹ sto¿kow¹ korpusu dyszy, kana³ przep³ywowy o regulowanej wysokoœci [15]. G³owica natomiast,
wspó³dzia³a z oryginalnym urz¹dzeniem kalibruj¹cym sk³adaj¹cym siê z kilkuset elementów
kszta³towych maj¹cych mo¿liwoœæ ruchu promieniowego (rys. 4). Elementy przylegaj¹ do
siebie nawzajem powierzchniami bocznymi
i razem stanowi¹ cylinder, którego œrednicê
mo¿na zmieniaæ w zale¿noœci od potrzeby. Rozwi¹zanie jest stosowana do wyt³aczania rur
z PE oraz z PVC o œrednicy zewnêtrznej w kilku
Rys. 4. Wygl¹d g³owicy wyt³aczarskiej
umo¿liwiaj¹cej zmianê œrednicy rury
i gruboœci jej œcianki bez potrzeby zatrzymywania procesu wyt³aczania
(Krauss-Maffei, Niemcy)
8
Przetwórstwo Tworzyw
zakresach, na przyk³ad od 32 do 70 mm lub od
160 do 250 mm, ciœnienie tworzywa w g³owicy
nie mo¿e przekroczyæ 60 MPa [15].
Decyduj¹ce znaczenie dla w³aœciwoœci rury
wytwarzanej ma d³ugoœæ dyszy, któr¹ okreœla
siê stosunkiem d³ugoœci kana³u przep³ywowego dyszy do wysokoœci tego kana³u lub gruboœci œcianki rury. Zalecana wartoœæ tego stosunku
wynosi na od 10 do 30, jednak dla g³owic
wzd³u¿nych do rur z PVC przyjmuje siê najczêœciej wartoœci na ogó³ od 12 do 26, natomiast
dla g³owic do rur z polipropylenu od 15 do 30.
Jest to wielkoœæ umowna i mo¿na znaleŸæ informacje [7] zalecaj¹ce jeszcze wiêksze wartoœci
stosunku d³ugoœci kana³u przep³ywowego dyszy g³owicy wyt³aczarskiej do wysokoœci tego
kana³u, na przyk³ad 50.
W literaturze brak jest jednoznacznego pogl¹du, co do wysokoœci dyszy g³owicy wyt³aczarskiej, ogólnie mo¿na przyj¹æ, ¿e wysokoœæ
ta powinna byæ o 5 do 10% mniejsza od gruboœci
œcianki rury wyt³aczanej [7]. W celu uzyskania
rury o równomiernej gruboœci œcianki nale¿y
zapewniæ mo¿liwoœæ zmiany po³o¿enia osi dyszy wzglêdem osi rdzenia g³owicy. Przeprowadza siê to z regu³y poprzez zmianê po³o¿enia
dyszy za pomoc¹ œrub centruj¹cych mocowanych w korpusie g³owicy lub w specjalnym
pierœcieniu centruj¹cym. Zmiana po³o¿enia dyszy g³owicy wytaczarskiej odbywa siê w czasie
trwania procesu wyt³aczania.
Cech¹ charakterystyczn¹ rozwi¹zania [16]
g³owicy wzd³u¿nej przeznaczonej do wyt³aczania rur, przede wszystkim rur z poliolefin, jest
mocowanie jej rdzenia do korpusu g³ównego za
pomoc¹ tulei rozdzielaj¹cej [3, 4]. Tuleja rozdzielaj¹ca ma postaæ odcinka rury z wykonanymi przelotowo, wzd³u¿ gruboœci œcianki tulei,
otworami przelotowymi. Schemat tej g³owicy
pokazany zosta³ na rysunku 5.
Tworzywo wp³ywaj¹c do g³owicy kana³em
wlotowym, natrafia na rozdzielacz rdzenia,
który zmienia kierunek przep³ywu tworzywa
o 90 deg, w ten sposób kieruj¹c je promieniowo
na zewn¹trz. Podczas tego przep³ywu strumieñ
tworzywa mo¿e byæ rozdzielany na wiele strumieni sk³adowych za pomoc¹ krótkich, walco-
2 (marzec – kwiecieñ) 2009
Rys. 5. Schemat g³owicy wzd³u¿nej do wyt³aczania
rur: 1 – kana³ wlotowy, 2 – kana³y rozdzielaj¹ce
w tulei rozdzielaj¹cej, 3 – kana³ rozprowadzaj¹cy,
4 – dysza, 5 – kana³ uzupe³niaj¹cy, 6 – korpus dyszy,
7 – rozdzielacz rdzenia, 8 – rdzeñ, 9 – kierunek ruchu
tworzywa
wych, równoleg³ych wzglêdem siebie, kana³ów
rozdzielaj¹cych o œrednicy na ogó³ od 1 do 2,5
mm, wykonanych w tulei rozdzielaj¹cej, prostopadle do osi g³owicy wyt³aczarskiej. Po przep³yniêciu kana³ów rozdzielaj¹cych, utworzonych przez otwory przelotowe tulei, strumienie
sk³adowe tworzywa dostaj¹ siê do kana³u rozprowadzaj¹cego pierœcieniowego i napotykaj¹
sto¿kow¹ powierzchniê wewnêtrznej œcianki
korpusu g³owicy. Powoduje to ponown¹ zmianê kierunku przep³ywu tworzywa o 90 deg,
przy jednoczesnym doœæ intensywnym mieszaniu strumieni sk³adowych, spowodowanym
³¹czeniem strumieni sk³adowych i gwa³town¹
zmian¹ kierunku ich przep³ywu. Dalszy przep³yw tworzywa w kanale rozprowadzaj¹cym
zachodzi podobnie, jak w g³owicy prostej rdzeniowej.
Przez zastosowanie do mocowania rdzenia
w g³owicy wzd³u¿nej, tulei rozdzielaj¹cej (rys.
6) uzyskuje siê du¿¹ powierzchniê przep³ywu,
natomiast gwa³towne zmiany kierunku przep³ywu tworzywa powoduj¹ dobre ujednorodnienie w³aœciwoœci i struktury tworzywa, a tak¿e prawie ca³kowity brak powierzchni ³¹czeñ
w wytworze.
9
Rys. 6. Fragment g³owicy wzd³u¿nej do wyt³aczania
rur z tulej¹ rozdzielaj¹c¹: 1 – tuleja rozdzielaj¹ca,
2 – kana³y rozdzielaj¹ce, 3 – element mocuj¹cy rozdzielacz rdzenia (American Maplan Corporation,
USA)
Przep³yw tworzywa w tych g³owicach odbywa siê w ni¿szej temperaturze ni¿ w g³owicach wzd³u¿nych z ¿ebrami wspornikowymi
i w zwi¹zku z tym wystêpuje mniejsze niebezpieczeñstwo degradacji cieplnej tworzywa. Dodatkowo g³owice maj¹ce tulejê rozdzielaj¹c¹ s¹
bardziej zwarte w budowie w porównaniu
z g³owicami maj¹cymi ¿ebra wspornikowe,
a ich ciê¿ar mo¿e byæ nawet o po³owê mniejszy,
szczególnie przy mniejszych œrednicach rur
wytwarzanych. Spowodowane jest to konstrukcj¹ g³owicy z tulej¹ rozdzielaj¹c¹, w której
stosunek najwiêkszej œrednicy rdzenia do œrednicy rdzenia przy wyjœciu z g³owicy mo¿e wynieœæ 1,4, a wiêc jest mniejszy ni¿ w g³owicach
wzd³u¿nych z ¿ebrami wspornikowymi [16].
G³owica wzd³u¿na maj¹ca tulejê rozdzielaj¹c¹ charakteryzuje siê znacznie mniejsz¹ wartoœci¹ ca³kowitego spadku ciœnienia tworzywa
wynosz¹c¹ od 7 do 12 MPa, a najwiêksza wartoœæ ca³kowitego spadku ciœnienia, przy której
g³owice te mog¹ byæ stosowane wynosi 25 ÷ 30
MPa. G³owice wzd³u¿ne z tulej¹ rozdzielaj¹c¹
mog¹ byæ u¿ywane do wytwarzania rur o ma³ej
œrednicy, na przyk³ad 10 mm. S¹ one tak¿e efektywne przy otrzymywaniu rur o œredniej œrednicy na przyk³ad 450 mm z masowym natê¿eniem przep³ywu 800 kg/h, ciê¿ar takiej g³owicy
wynosi 1900 kg. Maj¹ tak¿e zastosowanie przy
wyt³aczaniu rur o du¿ej œrednicy wynosz¹cej
1400 mm. W tym ostatnim przypadku g³owica
10
Rys. 7. Przekrój wzd³u¿ny g³owicy wzd³u¿nej o
zmiennej d³ugoœci: 1 – korpus g³ówny sk³adany, 2 –
korpus dyszy, 3 – nakrêtka regulacyjna, 4 – przeciwnakrêtka regulacyjna, 5 – kana³ wlotowy, 6 – kana³y
rozprowadzaj¹ce, 7 – dysza g³owicy, A – czêœæ sta³a
g³owicy, B – czêœæ ruchoma g³owicy [2]
mo¿e mieæ ciê¿ar 25000 kg a przep³ywa przez
ni¹ nawet 1200 kg tworzywa w ci¹gu godziny
[16].
W celu kontrolowania zjawisk zachodz¹cych podczas przep³ywu tworzywa przez kana³
rozprowadzaj¹cy i dyszê g³owicy wyt³aczarskiej wzd³u¿nej stosuje siê niekiedy rozwi¹zania konstrukcyjne umo¿liwiaj¹ce zmianê d³ugoœci g³owicy (rys. 7). Powoduje to zmianê
Rys. 8. Schemat g³owicy poprzecznej; 1 – kana³
wlotowy, 2 – kana³ rozprowadzaj¹cy pierœcieniowy,
3 – dysza, 4 – korpus g³ówny g³owicy, 5 – korpus
dyszy, 6 – rdzeñ kana³owy walcowy, 7 – œruba regulacyjna, 8 – kana³ obwodowy
Przetwórstwo Tworzyw
Rys. 9. Wygl¹d g³owicy poprzecznej: 1 – ³¹cznik
g³owicy, 2 – pierœcieñ regulacyjny, 3 – œruba regulacyjna, 4 – rdzeñ g³owicy, 5 – grzejnik elektryczny
(Guill Tool & Engineering Co. Inc., USA)
przede wszystkim d³ugoœci drogi przep³ywu
tworzywa i zwi¹zanych z tym warunków przep³ywu tworzywa w kana³ach rozprowadzaj¹cych i dyszy g³owicy wyt³aczarskiej. D³ugoœæ
mo¿na te¿ dostosowaæ do potrzeb przetwórczych wynikaj¹cych z wyt³aczania ró¿nych
tworzyw.
Kolejnym rodzajem g³owicy wyt³aczarskiej
przeznaczonej do otrzymywania rur jest g³owica poprzeczna, której schemat ogólny przedstawiono przyk³adowo na rysunku 8, a wygl¹d na
rysunku 9. G³owice poprzeczne s¹ stosowane
do otrzymywania rur o mniejszych œrednicach,
do kilkudziesiêciu milimetrów [7].
W g³owicy poprzecznej strumieñ tworzywa
uplastycznionego przep³ywa, z uk³adu uplastyczniaj¹cego, kana³em wlotowym usytuowanym prostopadle do dyszy g³owicy wyt³aczarskiej. Ko³owy lub sto¿kowy zbie¿ny kana³ wlotowy ³¹czy siê z kana³em obwodowym wykonanym w rdzeniu kana³owym walcowym lub
sto¿kowym tak, ¿e tworzywo jest doprowadzane pod pewnym k¹tem do osi g³owicy. Kana³
w rdzeniu przechodzi nastêpnie w kana³ rozprowadzaj¹cy pierœcieniowy, sto¿kowy zbie¿ny liniowy i dalej w dyszê [17].
2 (marzec – kwiecieñ) 2009
Podczas konstruowania g³owic poprzecznych na ogó³ nie ma wiêkszego problemu z kana³em uzupe³niaj¹cym doprowadzaj¹cym powietrze do wnêtrza rury, gdy¿ wykonuje siê go
w osi rdzenia. Podstawow¹ jednak trudnoœci¹
jest prawid³owe okreœlenie cech geometrycznych rdzenia kana³owego (rys. 10), w szczególnoœci kana³u wykonanego na jego obwodzie.
Trzeba go tak skonstruowaæ, aby uzyskaæ niemal jednakow¹ prêdkoœæ przep³ywu tworzywa
na ca³ym obwodzie rdzenia, a w efekcie równomiern¹ prêdkoœæ wyt³aczania rury. Dlatego kana³ obwodowy w rdzeniu w miejscu po³¹czenia
z kana³em wlotowym ma du¿e pole powierzchni przekroju poprzecznego, które nastêpnie
w sposób ci¹g³y zmniejsza siê, wskutek zmiany
g³êbokoœci i szerokoœci kana³u. Uzyskuje siê
w ten sposób pewien obszar magazynuj¹cy
tworzywo, które dopiero po ca³kowitym jego
wype³nieniu, wskutek ma³ego oporu przep³ywu, mo¿e byæ doprowadzone dalej kana³em
rozprowadzaj¹cym o du¿ym oporze przep³ywu w kierunku dyszy g³owicy. Wad¹ tego rozwi¹zania jest jednak, trudny do okreœlenia, czas
przebywania tworzywa w kanale obwodowym, co mo¿e prowadziæ do jego degradacji
cieplnej.
G³owice œrubowe, podobnie jak g³owice
wzd³u¿ne do rur z ¿ebrami wspornikowymi lub
tulej¹ rozdzielaj¹c¹ oraz g³owice poprzeczne,
stosuje siê do wyt³aczania g³ównie PE, PP, ABS,
PS, PC oraz PA. Za pomoc¹ g³owic œrubowych
otrzymuje siê na ogó³ rury w zakresie œrednic od
kilku milimetrów do nawet 3000 mm [18].
W g³owicach œrubowych strumieñ tworzywa uplastycznionego jest rozdzielany na co najmniej kilka strumieni sk³adowych za pomoc¹
rdzenia kana³owego gwiaŸdzisto-œrubowego
lub ramienno-œrubowego [3, 4].
Rdzeñ kana³owy gwiaŸdzisto-œrubowy (rys.
11) ma na czole ko³owym rozprowadzaj¹ce kana³y walcowe rozchodz¹ce siê gwiaŸdziœcie
wzglêdem prostopad³ego kana³u wlotowego
i przechodz¹ce prostopadle w kana³y œrubowe
rozmieszczone na powierzchni walcowej [19].
Rdzeñ kana³owy ramienno-œrubowy (rys.
12) ma na czole ko³owym jeden lub dwa rozpro-
11
Rys. 10. Przyk³ad wykonania rdzeni kana³owych walcowych z widocznym kana³em obwodowym (Guill Tool &
Engineering Co. Inc.,
USA)
Rys. 11. Wygl¹d rdzenia kana³owego gwiaŸdzistoœrubowego g³owicy œrubowej do rozprowadzenia
tworzywa po jego obwodzie wraz z pogl¹dowym
czêœciowym przekrojem wzd³u¿nym: 1 – kana³ rozprowadzaj¹cy walcowy, 2 – kana³ rozprowadzaj¹cy
œrubowy, 3 – rozdzielacz rdzenia (Cincinnati, Austria)
wadzaj¹ce kana³y walcowe rozchodz¹ce siê
prostopadle wzglêdem kana³u wlotowego i
przechodz¹ce prostopadle w kolejne rozprowadzaj¹ce kana³y walcowe wykonane na powierzchni i wzd³u¿ obwodu rdzenia, przechodz¹ce
w kana³ relaksacyjny. W dalszej czêœci rdzenia
s¹ wykonane rozprowadzaj¹ce kana³y œrubowe
rozmieszczone na powierzchni walcowej.
W zale¿noœci od rozmiarów g³owicy œrubowej stosuje siê na rdzeniu od kilku do kilkunas-
12
Rys. 12. Rdzeñ kana³owy ramienno-œrubowy z rozprowadzeniem tworzywa po obwodzie: 1 – kana³
rozprowadzaj¹cy walcowy, 2 – kana³ rozprowadzaj¹cy œrubowy, 3 – kana³ relaksacyjny [20]
tu, czasami kilkudziesiêciu, zwojów kana³ów
œrubowych [21]. G³êbokoœæ kana³ów œrubowych w rdzeniu gwiaŸdzisto-œrubowym najczêœciej zmniejsza siê a¿ do zaniku w kierunku
dyszy, zaœ wysokoœæ szczeliny pomiêdzy górn¹
powierzchni¹ zwoju a wewnêtrzn¹ powierzchni¹ korpusu g³owicy wzrasta ci¹gle. W ten sposób tworzywo w miejscu najwiêkszej g³êbokoœci kana³ów przep³ywa wy³¹cznie kana³em œrubowym, ale w miarê zbli¿anie siê do dyszy,
Przetwórstwo Tworzyw
Rys. 13. Rdzeñ gwiaŸdzisto-œrubowy z rozprowadzeniem tworzywa po obwodzie: 1 – kana³ rozprowadzaj¹cy walcowy, 2 – kana³ rozprowadzaj¹cy œrubowy, 3 – kana³ relaksacyjny [20]
a wiêc zmniejszania g³êbokoœci kana³ów, coraz
wiêcej tworzywa zaczyna przep³ywaæ równie¿
szczelin¹ pomiêdzy zwojem kana³u a powierzchni¹ korpusu g³owicy.
Znane s¹ tak¿e rozwi¹zania konstrukcyjne
g³owic œrubowych, których rdzeñ gwiaŸdzistoœrubowy, ma du¿¹ liczbê kana³ów œrubowych o
niepe³nym skoku. G³êbokoœæ kana³ów jest sta³a
i najwiêksza na ca³ej d³ugoœci kana³u, oprócz
obszaru wlotowego i wylotowego, w którym
g³êbokoœæ zmienia siê odpowiednio od najmniejszej do najwiêkszej i od najwiêkszej do
najmniejszej (rys. 13). W rdzeniu kana³owym
g³owicy œrubowej kana³ rozprowadzaj¹cy ma
sta³¹ g³êbokoœæ wzd³u¿ obwodu rdzenia, tworzywo dopiero po jego wype³nieniu przep³ywa
do kana³ów rozprowadzaj¹cych œrubowych,
których g³êbokoœæ jest najczêœciej tak¿e sta³a.
Niekiedy zamiast rdzenia gwiaŸdzisto-œrubowego z uk³adem gwiaŸdzistym kana³ów rozprowadzaj¹cych, stosuje siê rdzeñ walcowoœrubowy, w którym tworzywo jest dostarczane
do kana³ów œrubowych przez uk³ad pierœcieniowy kana³u rozprowadzaj¹cego [7].
Zastosowanie rdzeni kana³owych powoduje, ¿e w dyszy g³owicy ostatecznie przep³ywa
strumieñ tworzywa uplastycznionego powsta³y z wielokrotnego na³o¿enia siê strumieni ob-
2 (marzec – kwiecieñ) 2009
Rys. 14. Wygl¹d g³owicy œrubowej z izolacj¹: 1 –
pierœcieñ regulacyjny, 2 – œruba regulacyjna, 3 –
rdzeñ g³owicy, 4 – izolacja cieplna, 5 – grzejniki
elektryczne (ETA Kunststofftechnologie GmbH,
Niemcy)
wodowych i strumieni wzd³u¿nych. Strumienie te powstaj¹ wskutek rozprowadzenia tworzywa po obwodzie rdzenia kana³owego przez
kana³y œrubowe o zmniejszaj¹cej siê g³êbokoœci,
wykonane na powierzchni walcowej rdzenia
oraz wskutek zwiêkszaj¹cej siê wysokoœci
szczeliny pomiêdzy górn¹ powierzchni¹ zwoju
a wewnêtrzn¹ powierzchni¹ korpusu g³owicy.
To nak³adanie siê strumieni sk³adowych tworzywa przep³ywaj¹cych w ró¿nych kierunkach
pozwala na dobre wymieszanie i ujednorodnienie w³aœciwoœci oraz uzyskanie w³aœciwego
rozk³adu prêdkoœci oraz temperatury tworzywa wyt³aczanego. Zalet¹ g³owicy œrubowej jest
tak¿e brak elementów mocuj¹cych rdzeñ i rozdzielaj¹cych tworzywo, co ca³kowicie eliminuje
powierzchnie ³¹czeñ, jakie powstaj¹ podczas
ponownego zespalania strumieni sk³adowych.
Ze wzglêdów bezpieczeñstwa oraz zmniejszenia strat cieplnych, na g³owice mo¿na na³o¿yæ
izolacjê ciepln¹, co pokazano przyk³adowo na
rysunku 14.
Znacz¹c¹ trudnoœci¹ przy konstruowaniu
g³owic œrubowych jest odpowiednie dobranie
cech konstrukcyjnych kana³ów przep³ywowych, zapewniaj¹cych w³aœciwy czas przebywania tworzywa w g³owicy, eliminuj¹cych strefy zastoju tworzywa oraz umo¿liwiaj¹cych samooczyszczanie jej kana³ów przep³ywowych.
13
Rys. 15. Pogl¹dowe przedstawienie budowy g³owicy
wyt³aczarskiej do rur ³¹cz¹cej cechy g³owicy wzd³u¿nej œrubowej z dodatkow¹ tulej¹ rozdzielaj¹c¹; a)
przekrój wzd³u¿ny, b) wygl¹d rdzenia kana³owego
z tulej¹ rozdzielaj¹c¹: 1 – rdzeñ kana³owy, 2 – tuleja
rozdzielaj¹ca, 3 – korpus g³owicy, 4 – dysza, 5 –
kana³ rozprowadzaj¹cy œrubowy [22]
Firma Battenfeld Extrusionstechnik GmbH
proponuje inne rozwi¹zanie konstrukcyjne g³owicy do rur, stanowi¹ce po³¹czenie rozwi¹zañ
stosowanych w g³owicy wzd³u¿nej œrubowej
z dodatkow¹ tulej¹ rozdzielaj¹c¹, tak jak pokazano to na rysunku 15.
Zastosowanie elementu konstrukcyjnego
rozdzielaj¹cego strumieñ tworzywa wyp³ywaj¹cego z wyt³aczarki jednoczeœnie do dwóch
i wiêcej g³owic wyt³aczarskich [23], umo¿liwia
zastosowanie g³owic podwójnych (bliŸniaczych) (rys. 16a), potrójnych i poczwórnych
(rys. 16b)
Znane jest te¿ rozwi¹zanie konstrukcyjne
g³owicy wyt³aczarskiej do rur umo¿liwiaj¹ce
nanoszenie na powierzchniê wewnêtrzn¹ rury
wyt³aczanej substancji w stanie ciek³ym o np.
dobrych w³aœciwoœciach œlizgowych, w czasie
procesu wyt³aczania. Substancja natryskiwana
jest przez instalacjê natryskow¹ poprowadzon¹
kana³em pomocniczym i zakoñczon¹ rozpylaczem pneumatycznym wystaj¹cym z dyszy g³owicy [24].
Rys. 16. Wygl¹d g³owic wyt³aczarskich wzd³u¿nych wraz z rozdzielaczem montowanym do uk³adu uplastyczniaj¹cego wyt³aczarki: a) podwójnych (bliŸniaczych) do rur (Krauss Maffei, Niemcy), b) poczwórnych
do rur (Dietzel, Austria)
14
Przetwórstwo Tworzyw
Literatura
1.
Sikora R.: Przetwórstwo tworzyw wielkocz¹steczkowych. Wydawnictwo Edukacyjne, Warszawa
1993.
2. Praca zbiorowa pod redakcj¹ Sikory R.: Przetwórstwo tworzyw polimerowych. Podstawy logiczne,
formalne i terminologiczne. Wydawnictwo Politechniki Lubelskiej, Lublin 2006.
3. Sikora J.W.: Selected Problems of Polymer Extrusion. Wydawnictwo Naukowe WNGB, Lublin
2008.
4. Stasiek J.: Wyt³aczanie tworzyw polimerowych.
Zagadnienia wybrane. Wydawnictwa Uczelniane
Uniwersytetu Technologiczno-przyrodniczego
w Bydgoszczy, Bydgoszcz 2007.
5. Ferguson J., Kemb³owski Z.: Reologia stosowana
p³ynów. Wydawnictwo Marcus, £ódŸ 1995.
6. Sikora R.: Podstawy przetwórstwa tworzyw wielkocz¹steczkowych. Wydawnictwo Politechniki
Lubelskiej, Lublin 1992.
7. Michaeli W.: Extrusion Dies for Plastics and Rubber. Hanser Publishers, Munich 1992.
8. Materia³y informacyjne firmy Hans Weber,
Niemcy.
9. Materia³y informacyjne firmy BASF, Niemcy.
10. Sikora J. W., Bieliñski M.: G³owice do wyt³aczania
poruj¹cego kszta³towników. Praca zbiorowa „Postêp w przetwórstwie tworzyw termoplastycznych”. Politechnika Czêstochowska, Czêstochowa
1995, 209.
11. Patent polski nr 182449.
2 (marzec – kwiecieñ) 2009
12. Klepka T.: Konstrukcja osiowo-symetrycznych
wytworów polimerowych o kszta³tach z³o¿onych.
Polimery 2008, 53, 390.
13. Klepka T.: Badania cech konstrukcyjnych wytworów z tworzyw polimerowych metod¹ ultradŸwiêkow¹. Polska Akademia Nauk, Odzia³ w Lublinie.
Teka Komisji Budowy i Eksploatacji Maszyn, Elektrotechniki, Budownictwa. Volume II. Lublin 2008,
69.
14. Gross H.: Flexible Werkzeugwände. Kunststoffe
2003, 93, 28.
15. Materia³y informacyjne firmy Krauss Maffei
GmbH, Niemcy.
16. Materia³y informacyjne firmy American Maplan
Corporation, USA.
17. Materia³y informacyjne firmy Guill Tool & Engineering, USA.
18. Materia³y informacyjne firmy Reifenhäuser Extrusion, Niemcy.
19. Materia³y informacyjne firmy Cincinnati, Austria.
20. Fisher P., Wortberg J.: New Spiral Mandrel Dies.
Referat prezentowany podczas SKZ Conference on
Innovations in Extrusion, Würzburg, Niemcy 1998.
21. Fischer P.: The future for pipe and tube die design:
helix or spiral. British Plastics and Rubber 2006,
5, 4.
22. Materia³y informacyjne firmy Battenfeld Gloucester Engineering, USA.
23. Materia³y informacyjne firmy Guill Tool & Engineering Co. Inc., USA.
24. Polskie zg³oszenie patentowe P–360302 (2003).
15