Экструзионные головки для пластмасс и резины

Walter Michaeli





                Extrusion Dies for Plastics and Rubber




Design and Engineering Computations


3rd revised Edition






With Contributions by
Ulrich Dombrowski, Ulrich Hiisgen, Matthias Kalwa, Stefan Kaul, Matthias
Meier, Boris Rotter, Claus Schwenzer


HANSER
Hanser Publishers, Munich
Hanser/Gardner Publications, Inc., Cincinnati

Вальтер Микаэли





                ЭКСТРУЗИОННЫЕ ГОЛОВКИ ДЛЯ ПЛАСТМАСС И РЕЗИНЫ: Конструкции и технические расчеты




 При участии
    Ульриха Домбровски, Ульриха Хюзгена, Маттиаса Кальва, Стефана Кауля, Микаэля Майера, Бориса Роттера, Клауса Ш вен цера

Перевод с английского языка 3-го переработанного издания под редакцией канд техн. наук В П Володина





Санкт-Петербург

2010

УДК 676.06
ББК35.710Англ
М59

    М59   Микаэли В. Экструзионные го ловки дляпластмасс и резины: Конструкциии

       технические расчеты/Пер. сангл.яз.; Под ред В.П. Володина. — СПб.: Профессия, 2010. — 472 стр., ил.

       ISEN 5-93913-100-5
       ISEN3-446-22501-3 (англ.)


          Книга представляет собой попытку дать широкое описание современного состояния технологий конструирования экструзионных гол об ок Она задумана и ка кучебное п особие, котор ое м ожет исп ол ьз об ать ся студентами, и ка к справочник, который инженеры-практики могли бы использовать в повсед-нев нойр а боте. В из да нии р а осмотр ены р аз личны е тип ы экструз ионных гол о-вок, обсуждаются их отличительные черты, а также приведены указания и советы по их конструированию. Кроме того, описаны инженерные методы, пр именяемы е для числ енно го модел ир ов а ния экструз ионных гол ов ок
          Приведена обзорная информация о термических и механических параметрах экструзионных головок и рекомендации по выбору материалов для их изготовления. Рассмотрена практика эксплуатации экструз ионных головок и измер ител ь них у стр ойств для экструдир ов а н них труб и пр о фил ь них изделий, их очистки и технического обслуживания.

                                                        УДК 676.06
                                                        ББК35.710Англ



                          Л/? rexrv&l. G&l Hanse?' Mzoatfi/FRG.
                                  /гозп гйе <mgzna£ Encash. lan&tage ехйгбот pzt&Hsfied
Cari Hanse?' Afaforii/FRG

Все прлвл защищены.
                    Никакая часть данной книги не могжет быть воспроизведенА
         в какой бы то ин было форме без письменного рАзранення влАД&тьцев Авторских прав.



ISBN 5-93913-108-5
ISEN3-446-22561-7 (англ.)

                © CarlHanser terlag, Munich, 2003 © Изд-во 4Профессия», 2010.

                Содержание




   Предисловие к третьему изданию........................................... 9
   Предисловие к русскому изданию ......................................... 11
   1. Введение............................................................. 13
     Используемые обозначения ..............................................20
   2. Свойства полимерных расплавов........................................ 21
     2.1. Реологические характеристики......................................21
         2.1.1. Вязкостные свойства расплавов...............................22
               2.1.1.1. Вязкость и ф ункции течения.........................22
               2.1.1.2. Математическое описание псевдопластичного поведения расплавов.................................................24
               2.1.1.3. Влияние температуры и давления на поведение потока .30
         2.1.2. Определение поведения вязкости потока.......................37
         2.1.3. Вязкоупругие свойства расплавов.............................43
     2.2. Термодинамические свойства........................................49
         2.2.1. Плотность...................................................50
         2.2.2. Теплопроводность............................................50
         2.2.3. Удельная теплоемкость.......................................52
         2.2.4. Температуропроводность .....................................53
         2.2.5. Удельная энтальпия..........................................54
   3. Основные уравнения для простых течений............................... 59
     3.1. Течение в трубе круглого сечения..................................61
     3.2. Течение через щелевой канал.......................................65
     3.3. Течение через кольцевой зазор.....................................68
     3.4. Справочная информация для расчета экструзионных головок...........71
         с каналами различной геометрической формы
     3.5. Явление проскальзывания на стенках................................81
         3.5.1. Модель, учитывающая явление проскальзывания на стенках......82
         3.5.2. Нестабильность течения — разрушение потока расплава.........85
   4. Расчет распределений скоростей и температур в экструзионных головках. . . 91
     4.1. Уравнения законов сохранения......................................91
         4.1.1. Уравнение неразрывности.....................................92
         4.1.2. Уравнения импульса......................................... 93

ЭКСТРУЗИОННЫЕ ГОЛОВКИ ДЛЯ ПЛАСТМАСС И РЕЗИНЫ

          4.1.3. Уравнение энергии.......................................... 94
      4.2. Допущения и граничные условия.....................................97
      4.3. Аналитические решения уравнений законов сохранения...............100
      4.4. Численное решение уравнений законов сохранения...................106
          4.4.1. Метод конечных разностей...................................106
          4.4.2. Метод конечных элементов...................................110
          4.4.3. Сравнение методов конечных разностей н конечных элементов .114
          4.4.4. Примеры расчетов методом конечных разностей................118
          4.4.5. Примеры расчетов методом конечных элементов ...............125
      4.5. Вязкоупругое поведение расплава..................................130
      4.6. Расчет разбухания экструдата.....................................133
      4.7. Методы конструирования и оптимизации экструзионных головок.......141
          4.7.1. Практика промышленного конструирования экструзионных головок ... 141
          4.7.2. Параметры оптимизации......................................145
               4.7.2.1. Практические цели оптимизации.......................145
               4.7.2.2. Практические граничные условия н ограничения при конструировании каналов..................................147
               4.7.2.3. Независимые параметры оптимизации экструзионных головок. 147
               4.7.2.4. Зависимые параметры оптимизации и их моделирование ... 147
          4.7.3. Методы оптимизации.........................................150
               4.7.3.1. Безградиентные методы оптимизации...................153
               4.7.3.2. Градиентные методы оптимизации..................... 155
               4.7.3.3. Стохастические методы оптимизации.................. 155
               4.7.3.4. Эволюционные методы................................ 156
               4.7.3.5. Обработка граничных условий........................ 158
          4.7.4. Практические применения стратегий оптимизации при конструировании экструзионных головок....................... 160
               4.7.4.1. Оптимизация экструзионной головки с сужающимся каналом .....................................................160
               4.7.4.2. Оптимизация профильных головок......................151
   5.  Моиозкструэиоииыа головки для термопластов...........................172
      5.1. Экструзионные головки с круглым поперечным сечением..............172
          5.1.1. Конструкции и области применения...........................172
          5.1.2. Конструирование ...........................................179
      5.2. Щелевые экструзионные головки................................... 185
          5.2.1. Конструкции и применения...................................185
          5.2.2. Конструирование ...........................................193
               5.2.2.1. Коллектор типа «рыбий хвост»........................195
               5.2.2.2. Коллектор типа «вешалка»............................196
               5.2.2.3. Численные методы расчета ...........................207
               5.2.3.4. Учет изменения размеров внутренней полости головки..209
               5.2.2.5. Нестандартные коллекторы............................210
               5.2.2.6. Эксплуатация широкощелевых экструзионных головок....213
      5.3. Экструзионные головки с кольцевым выходным поперечным сечением .... 216
          5.3.1. Типы кольцевых головок.....................................217
               5.3.1.1. Прямоточные головки с дорнодержателем...............217
               5.3.1.2. Экструзионные головки с ситчатой корзиной...........221
               5.3.1.3. Экструзионные головки с боковой подачей расплава....222
               5.3.1.4. Головки со спиральным распределителем...............223
          5.3.2. Области применения.........................................225

СОДЕРЖАНИЕ

7

               5.3.2.1. Экструзионные головки для производства труб........225
               5.3.2.2. Головки для производства рукавной пленки...........227
               5.3.2.3. Головки для изготовления заготовок при экструзии с раздувом .................................................229
               5.3.2.4. Экструзионные головки для нанесения покрытий на сердечники...............................................236
          5.3.3. Конструирование ..........................................239
               5.3.3.1. Прямоточные головки с дорном и головки с ситчатой корзиной....................................................240
               5.3.3.2. Экструзионные головки с дорном н боковой подачей расплава ... 243
               5.3.3.3. Головки со спиральным распределителем на дорне ....247
               5.3.3.4. Головки для нанесения покрытий.....................251
      5.4. Формулы для расчета перепада давления в каналах, имеющих форму поперечного сечения, отличную от круглой или кольцевой................254
      5.5. Головки с произвольной формой сечения (профильные головки)......259
          5.5.1. Конструкции и области применения..........................259
          5.5.2. Конструирование ..........................................268
      5.6. Головки для экструзии вспененных полуфабрикатов ................277
          5.6.1. Экструзионные головки для производства вспененных пленок...278
          5.6.2. Головки для вспененных профилей...........................279
      5.7. Специализированные экструзионные головки........................282
          5.7.1. Экструзионные головки для нанесения покрытий на профили с произвольной формой поперечного сечения........................282
          5.7.2. Экструзионные головки для производства армированных профилей.... 283
          5.7.3. Экструзионные головки для производства сеток..............284
          5.7.4. Щелевая головка с распределительным шнеком для изготовления плит ............................................................284
   6. Головки для с озкструэии термопластов................................294
      6.1. Конструкции.....................................................295
          6.1.1. С соке трузионные головки с внешним комбинированием.......295
          6.1.2. Головки с адаптером (блоком подачи расплавов).............296
          6.1.3. Многоколлекторные головки ................................298
      6.2. Области применения..............................................300
          6.2.1. Головки для экструзии листов и плоской пленки.............300
          6.2.2. Головки для изготовления рукавной пленки..................300
          6.2.3. Головки для получения многослойных заготовок при экструзии с раздувом.......................................................301
      6.3. Расчет многослойных    течений и конструирование головок........302
          6.3.1. Расчет простого многослойного течения при условии постоянства вязкости.........................................................305
          6.3.2. Расчет ссэкструзионного течения с помощью явной разностной схемы ...........................................................310
          6.3.3. Расчет полей скорости и температуры методом конечных разностей ... 313
          6.3.4. Расчет полей скорости в ссэкструзионных течениях методом конечных элементов...............................................316
      6.4. Нестабильности при многослойном течении.........................318
   7, Экструзионные головки для эластомеров................................327
      7.1. Конструкция головок для экструзии эластомеров ..................327
      7.2. Основы конструирования экструзионных головок для эластомеров ...329
          7.2.1. Термодинамические свойства материалов ....................329

ЭКСТРУЗИОННЫЕ ГОЛОВКИ ДЛЯ ПЛАСТМАСС И РЕЗИНЫ

          7.2.2. Реологические свойства материалов .........................330
          7.2.3. Расчет потерь давления за счет вязкости ...................333
               7.2.3.1. Формулы для расчета изотермических течений..........334
               7.2.3.2. Подходах к расчету неизотермических течений.........336
          7.2.4. Оценка пиковых температур..................................337
          7.2.5. Учет упругих свойств материала.............................338
      7.3. Конструирование распределительных головок для эластомеров........339
      7.4. Конструирование бленд экструзионных головок для эластомеров......340
          7.4.1. Расчет потерь давления ....................................340
          7.4.2. Разбухание экструдата......................................344
          7.4.3. Упрощенные оценки при конструировании прорезного диска ....348
   8. Нагрев экструзионных головок..........................................358
      8.1. Типы головок и области их применения.............................359
          8.1.1. .Жидкостной нагрев экструзионных головок...................359
          8.1.2. Экструзионные головки с электрическим нагревом.............360
          8.1.3. Регулирование температуры экструзионных головок............362
      8.2. Конструирование систем нагрева...................................363
          8.2.1. Критерии н возможности при конструировании систем нагрева..364
          8.2.2. Тепловой баланс в экструзионной головке....................366
          8.2.3. Ограничения и допущения при разработке тепловой модели.....371
          8.2.4. Методы моделирования процессов теплообмена ................372
   9. Механические расчеты экструзионных головок............................383
      9.1. Механический расчет решетки [1]..................................384
      9.2. Механические расчеты экструзионных головок с осесимметричными каналами..............................................................389
      9.3. Механические расчеты щелевой экструзионной головки...............399
      9.4. Общие принципы конструирования...................................402
      9.5. Выбор материалов для изготовления   экструзионных головок........404
   10. Содержание, чистка и эксплуатация экструзионных головок..............412
   11. Калибрование труб и профилей.........................................417
      11.1. Типы калибрования и их применение...............................420
          11.1.1. Калибрование трением......................................420
          11.1.2. Наружное калибрование с помощью сжатого воздуха ..........421
          11.1.3. Наружное калибрование с помощью вакуума...................422
          11.1.4. Внутреннее калибрование...................................427
          11.1.5. Высокоточнее калибрование протяжкой (процесс Технсформ)...428
          11.1.6. Специальные методы калибрования с подвижными калибраторами.....................................................429
      11.2. Тепловые расчеты калибраторов...................................430
          11.2.1. Аналитическая расчетная модель............................431
          11.2.2. Численная модель .........................................434
          11.2.3. Аналоговая модель........................................ 440
          11.2.4. Граничные условия по температуре и характеристики материалов .. 443
      11.3. Влияние охлаждения на качество экструдата.......................444
      11.4. Механические расчеты калибрующих устройств......................445
      11.5. Охлаждаемые головки, процесс производства сплошных стержней.....446
   Алфавиты о-предметный указатель..........................................450

                Предисловие к третьему изданию





    Во время моего последнего визита в Медельин (Колумбия) по поводу 10-летнего юбилея ICIPC, успешно развивающегося научно-исследовательского института по исследованию технологий переработки пластмасс и резины, я встретил большую группу студентов-энтузиастов, которые учились по моей книге, посвященной конструированию экструзионных головок. Эта встреча доставила мне огромнее удовольствие, во-первых, потому что показала, что моя книга получила широкое признание не только в мсем родном городе, но и далеко за его пределами. Во-вторых, было чрезвычайно приятно почувствовать, что все эти молодые люди с удовольствием учились по мсей книге и нашли ее полезной для повышения своего профессионального уровня. Однако моя книга была задумана не просто как. учебное пособие, но и как. практический справочник, предназначенный для повседневного использования в практической работе как. в промышленности, так. и в научной деятельности. С момента выхода второго издания книги прошло двенадцать лет, и за этот срок в области конструирования экструзионных головок произошли серьезные изменения, появилось множество технологических нововведений. Например, головки со спиральным распределителем существуют уже более тридцати лет, однако с момента выхода второго издания книги некоторые из их функций претерпели изменения. В настоящее время спиральный распределитель размещают на плоской поверхности, а подача расплава в него осуществляется сбоку. Если такие системы устанавливать одна на другую, то получается так. называемая головка с копильником, предоставляющая ряд преимуществ по сравнению с классическими_головками с кольцевой щелью для ссэкструзии. Эти новшества рассмотрены в главе 5.
    Компьютерная обработка всех данных, включая параметры материала, параметры технологического процесса, а также геометрическую конфигурацию конечного изделия, — это мечта каждого разработчика экструзионных головок. Такой подход позволил бы получить окончательную версию конструкции канала экструзионной головки, обеспечивающего оптимальное распределение параметров полимерного расплава. Данная книга показывает, что хотя анализ с использованием метода конечных элементов является ключом к достижению

ЭКСТРУЗИОННЫЕ ГОЛОВКИ ДЛЯ ПЛАСТМАСС И РЕЗИНЫ

этой цели, получение точного описания вязкоупругих свойств экструдируемого материала все еще представляет ссбой чрезвычайно сложную реологическую и инженерную задачу. Тем не менее существенный прогресс был достигнут н в этом направлении. Например, для течений вязкой жидкости заявленная цель почти достигнута. В связи с этим в третье издание книги была включена новая глава, посвященная численным методам оптимизации экструзионных головок.
    Я счастлив выразить огромную благодарность моим коллегам из Института по переработке пластмасс в Аахене — дипломированным инженерам Борису Роттеру, возглавляющему отдел экструзии, и Стефану Каулу, инженеру-исследователю этого отдала, за их поддержку и активную помощь в процессе переработки и редактирования данной книги. Многие результаты, представленные в книге, были получены студентами Института в хода работы над дипломными проектами.
    Кроме того, я от всего одр/пта благодарю членов консультативных комитетов по экструзии, раздувному формованию и технологии переработки резин Института по переработке пластмасс в Аахене за множество ценных замечаний, которые помогли улучшить данную книгу. В основу книги положены результаты, достигнутые в хода осуществления множества исследовательских проектов, реализованных в Институте. Осуществление этих проектов стало возможным за счет сотрудничества между Институтом и рядом промышленных предприятий, а также за счет поддержки и финансирования, полученных от ряда правительственных организаций: объединенного союза промышленников (Кельн), Немецкого союза промышленников (Бонн-БадТодасберг), Федерального министерства образования, науки и технологии (Берлин), а также Еврокомнсснн (Брюссель). Наконец, выражаю особую благодарность Доктору Вольфгангу Гленцу из издательства Hanser (Мюнхен) за многолетнее плодотворнее сотрудничество, интуицию и понимание. Такое понимание особо ценится техническими писателями вроде меня, которые помимо написания книг занимаются и работой по своей основной профессии. Только благодаря помощи и поддержке всех перечисленных выше коллег написание этой книги и стало возможным.

Вальтер М&каэаи