Свободная экструзия (выдача) и раздув заготовки

При расчете технологических параметров процесса раздува и геометрических размеров формующего инструмента исходят из размеров изделия. С учетом оформления донышка длина заготовки Lq должна в среднем на 15% превышать общую высоту полого изделия L.

Наружный диаметр заготовки (Z)₀) может быть определен исходя из значения коэффициента раздува Ер, под которым понимают отношение D₀ к наружному диаметру изделия D_t :

Толщина стенки заготовки So может быть рассчитана по формуле.

где 6i — толщина стенки изделия.

Скорость выхода трубчатой заготовки v₀ зависит от плотности и вязкости расплава и длины заготовки. Для ее оценки используют следующее эмпирическое соотношение:

где (г, — эффективная вязкость расплава на выходе из головки, Па-с; Ц — длина заготовки, м; р — плотность расплава при температуре экструзии, кг/м³.

Из формулы (2.198) видно, что длинные заготовки необходимо выдавливать с максимальной скоростью. Повышенные скорости выхода обеспечивают агрегаты с копильником. Для улучшения качества заготовок копильники устанавливают не только на крупных агрегатах, но и на современных агрегатах небольших размеров.

Необходимый объемный расход Q получается умножением линейной скорости выхода заготовки на площадь ее поперечного сечения:

Время выхода (выдачи) заготовки т определяется отношением X = Lq/Vo;

Геометрические параметры основных элементов головки должны определяться с учетом эффекта разбухания расплава:

где р — коэффициент разбухания; Д, и 0_Л — диаметры соответственно мундштука и дорна головки.

Результаты теоретического и экспериментального изучения эффекта постэкструзионного разбухания полиолефинов рассмотрены для каналов круглого и сложных сечений. Что касается течения полиолефинов в кольцевых головках, применяемых для экструзионно-выдувного формования полых изделий, то общие закономерности влияния различных параметров на коэффициент р здесь остаются теми же, что и при течении в других каналах, а именно: разбухание увеличивается с возрастанием молекулярной массы (снижением индекса текучести) полимера, скорости и напряжения сдвига (скорости экструзии) и понижается с повышением температуры формования. Начиная с некоторых значений скорости сдвига и напряжения сдвига величина р «насыщается», так что для каждого полимера существуют предельные значения у и х, выше которых коэффициент разбухания остается практически неизменным.

На величину коэффициента разбухания помимо молекулярных характеристик полимера (молекулярная масса и молекулярно-массовое распределение) и технологических параметров экструзии (температура, скорость и напряжение сдвига) сильное влияние оказывают такие геометрические параметры формующего инструмента, как длина профилирующего канала, угол наклона образующей дорна, размеры и конфигурация сечения головки и др.

Часто различают два вида разбухания — «массовое» и «геометрическое». Первое представляет собой разность между фактическим и теоретическим отношением массы к длине заготовки, а второе — разность между фактическим диаметром заготовки и диаметром формующего инструмента. Иногда отмечается, что к изменению перечисленных выше параметров более чувствительно «массовое» разбухание, в то время как «геометрическое» разбухание относительно слабо зависит от размеров головки. Такое утверждение вряд ли можно считать справедливым, так как оба параметра связаны между собой. Важно, что изменение внутреннего и наружного диаметров заготовки при разбухании в пределах ошибки экспериментов одинаково, и за величину р может практически приниматься отношение Dq/D_m.

Для всех полиолефинов независимо от температуры и скоростей экструзии характерно уменьшение значения р с увеличением длины кольцевого канала формующего инструмента. При этом начиная с некоторого максимального значения относительной длины канала LJ5 (где L_M — длина мундштука, б — толщина зазора) разбухание, достигнув минимума, остается практически постоянным. Для полиэтиленов такая длина формующего инструмента составляет около 20 толщин кольцевого зазора, а для полипропиленов предельное значение L^/Ь достигает 25—30. При этом изменения внутреннего и наружного диаметров заготовок при разбухании практически одинаковы и возрастают с ростом скорости сдвига. С уменьшением отношения внутреннего диаметра заготовки к наружному (или отношения наружного размера дорна к внутреннему размеру мундштука) наблюдается увеличение разбухания, которое достигает максимума для экструдата в виде сплошного прутка (стержня). Максимальные значения коэффициента р для полиолефинов могут достигать 1,7—2,3.

Зависимость между разбуханием трубчатой заготовки и соотношением ее геометрических размеров для случая «установившегося» разбухания полиолефинов хорошо описывается эмпирическим уравнением.

где р и Ро — коэффициенты разбухания соответственно для трубчатой заготовки и круглого сплошного прутка (Ро = dJd_K здесь </<sub>э и d_K — диаметры соответственно экструдата и круглого канала, или капилляра).

Если заготовка при изготовлении полого изделия не пережимается в горловине, то диаметр мундштука определяется по формуле.

где 4 — диаметр горловины в форме; Р — коэффициент разбухания, равный DJD_M ^п ~ 4/(5оА)) — так называемый коэффициент оформления горловины; 5q — толщина заготовки.

Коэффициент разбухания может быть выражен через удельный объем материала v, массу заготовки или массу изделия (7₀, сечение кольцевого зазора S и высоту изделия Я:

Размеры мундштука можно рассчитывать также исходя из длины сварного шва L_s на дне изделия. Отношение диаметра дна изделия Dк длине шва должно быть не менее 1,2: 1, т. е. шов должен занимать примерно 80% диаметра дна. На практике для полиолефинов отношение DfyL$ выбирают в пределах 1,1—1,6. С учетом разбухания.

При «пережиме» заготовки диаметр мундштука рассчитывают по формуле.

где D— диаметр изделия; П2 = Di (0,5rtDo) — так называемый коэффициент пережима заготовки.

Диаметр дорна равен /)_д = D_M — 26, а толщина кольцевого зазора головки 6 определяется из соотношения.

где р — плотность полимера.

Массу изделия G определяют по чертежу изделия с учетом поверхности пережима и облоя. Для полых изделий из полиолефина типа бутылей и флаконов отходы, как правило, составляют 15—.

25%, так что коэффициент к= G/G₀ может быть принят равным 0,8. Для расчета массы изделия рекомендована формула.

где П — периметр кольцевого зазора головки; к = 0,8; Р — коэффициент разбухания, определенный при 190 *С и градиенте скорости сдвига у=5с^_|.

Другой метод расчета, обеспечивающий вычисление массы полых изделий с ошибкой не более ±5%, основан на следующих формулах:

где Ьп — ширина «пережима»; d_T — наименьший наружный диаметр горловины изделия.

Необходимо обратить внимание еще на один момент. Независимо от способа подачи сжатого воздуха на раздув заготовки его рабочее давление оказывается выше заданного вследствие нагрева и расширения. Рабочее давление определяется уравнением.

где р и ро — давление газа соответственно при повышенной температуре Т и температуре 7₀.

Увеличение давления нагретого воздуха вызывает повышение давления на внутренние стенки формуемого изделия и снижение объема воздуха, расходуемого в каждом рабочем цикле. Учитывая изложенные соображения, время раздува изделия т_р можно рассчитать по формуле.

где И—объем выдувного изделия; с —скорость потока сжатого воздуха, определяемая давлением раздува и диаметром сопла; (р — ро)/р — величина, учитывающая уменьшение продолжительности подачи сжатого воздуха в форму вследствие повышения давления при нагревании.

Важным фактором при экструзионно-раздувном формовании является вытяжка заготовки под действием собственного веса, которая усиливается при повышении температуры и снижении молекулярной массы полимера. Длину трубчатой заготовки, при достижении которой происходит ее резкое вытягивание, принято называть критической (L^K₀). Значение L^K₀ для полиэтилена высокого давления с индексом текучести ИТ = 2,0 г/10 мин составляет, например, 25 см, а для полимера с ИТ = 0,2 г/10 мин оно увеличивается до 70 см. Повышение скорости экструзии способствует возрастанию L^K₀: при линейных скоростях экструзии 1; 2 и 3 м/с значение составляет для полиэтилена 20, 30 и 40 см соответственно.

Вытягивание заготовки под действием собственного веса является основной причиной получения изделий с большой разнотолщинностью стенок в продольном направлении (по высоте). Для изделий цилиндрической формы разнотолщинность по высоте служит важнейшим критерием разнотолщинности продукта, так как неравномерность толщины стенок по периметру (по поперечному сечению) для таких изделий при удовлетворительной центровке дорна относительно мундштука головки обычно незначительна и ее часто не учитывают.

При изготовлении изделий овального или прямоугольного поперечного сечения наряду с продольной возможно появление поперечной разнотолщинности. Неравномерность толщины стенки по сечению может достигать 50%. Это вызвано тем, что при соприкосновении заготовки с ближайшими поверхностями оформляющей полости формы полимер охлаждается, и раздув в этой части (соответствующей, например, малым полуосям эллипса сечения) прекращается. Как правило, толщина стенок по длинным сторонам некруглого сечения изделия больше, чем по коротким сторонам.

Для устранения этого вида разнотолщинности необходимо перераспределение материала по сечению заготовки, что проще всего достигается применением эллиптического мундштука при круглом дорне. Необходимую эллиптичность обеспечивают постепенным сжатием обычного круглого мундштука. Исследования, проведенные с полиэтиленом высокого давления, показали, что сжатие мундштука приводит к выравниванию толщины стенок изделия по поперечному сечению. Однако при определенной степени сжатия мундштука (в пределах 1,02—1,08 в зависимости от размеров изделия и толщины стенки заготовки) ббльшие стороны изделия становятся тоньше (особенно в средней части), а меньшие стороны утолщаются, т. е. разнотолщинность вновь начинает возрастать.

Формула для расчета зависимости оптимальной степени сжатия мундштука (под которой понимают соотношение сторон формующего инструмента a/b) от толщины стенки заготовки 6₃ имеет вид:

где А, В, С—постоянные коэффициенты, учитывающие соотношение сторон изделия в форме параллелепипеда.

Для изделий из полиэтилена высокого давления значения коэффициентов в уравнении (2.211) составляют:

Сечение изделия, мм Л ВС

• 60×48…0,004 0,009 1,015
• 60×36…0,008 0,018 1,050
• 50×24…0,016 0,036 1,085
• 60×12…0,032 0,072 1,120

При сжатии цилиндрическое сечение мундштука превращается в эллиптическое, но «живое» сечение формующего зазора должно при этом оставаться постоянным. Исходя из этого несложно подсчитать произведение полуосей ab оптимального эллипса в сечении сжатого мундштука:

где а и Ь — соответственно большая и малая полуоси эллипса; и — площади эллипса и эквивалентного круга; Ef —наружный диаметр заготовки.

Таким образом, используя формулу (2.211), с учетом коэффициента разбухания р можно определить деформацию круглого мундштука, необходимую для получения некруглых полых изделий со стенками равной толщины в поперечном сечении.