Sikora Janusz W. - Budowa głowic wytłaczarskich do rur

Janusz W. SIKORA

Katedra Procesów Polimerowych, Politechnika Lubelskaul. Nadbystrzycka 38d, 20-618 Lubline-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 ko³o-

wym 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 two-

rzywa 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-sha-

ped 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 poprzecz-

nego nazywana jest równie¿ g³owic¹ ko³ow¹

i stosowana jest w procesie wyt³aczania do

otrzymywania rur oraz prêtów ko³owych. G³o-

wicê wyt³aczarsk¹ do prêtów stosuje siê stosun-

kowo rzadko, a jej budowa jest w zasadzie naj-

prostsza z mo¿liwych i z tego powodu przybli-¿ona zostanie tylko budowa g³owic do rur.

G³owice wyt³aczarskie do rur dzieli siê nag³owice wzd³u¿ne, poprzeczne oraz œrubowe.

Najbardziej rozpowszechnione s¹ g³owicewzd³u¿ne.

G³owice wzd³u¿ne do kszta³towników o ko-

³owym kszta³cie pola przekroju poprzecznegostosowane do wyt³aczania rur, ró¿ni¹ siê miê-

dzy sob¹ przede wszystkim sposobem moco-wania rdzenia do jej korpusu, znajduj¹cego siê

wewn¹trz g³owicy. Przyjê³o siê mianowicie, ¿e

g³owice ko³owe u¿ywane do wyt³aczania rur

z PVC, charakteryzuj¹ siê mocowaniem rdze-

nia do korpusu g³owicy za pomoc¹ ¿eber

wspornikowych symetrycznie rozmieszczo-

nych 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 wyt³aczarkitworzywo uplastycznione dostarczane jest do

g³owicy kana³em przep³ywowym wlotowym,najczêœciej o ko³owym kszta³cie przekroju po-

przecznego, wspó³osiowym z uk³adem uplas-tyczniaj¹cym. Strumieñ tworzywa przep³ywa

przez filtr tworzywa i po napotkaniu rozdziela-

cza rdzenia g³owicy wp³ywa do kana³u rozpro-

wadzaj¹cego, pierœcieniowego sto¿kowego

rozbie¿nego liniowego. Nastêpnie tworzywo

jest wprowadzane do kana³ów przep³ywowych

rozdzielaj¹cych utworzonych przez ¿ebra

wspornikowe, w których jest rozdzielane na

4 Przetwórstwo Tworzyw

kilka strumieni sk³adowych i przep³ywa rów-

nolegle do osi g³owicy. Z kolei strumienie sk³a-dowe wp³ywaj¹ do kana³u rozprowadzaj¹cego,

pierœcieniowego sto¿kowego zbie¿nego linio-wego, 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 po-

przecznym. Tworzywo wyp³ywa z niej stru-

mieniem pierœcieniowym o wymiarach prze-

kroju poprzecznego zbli¿onych do wymiarów

przekroju poprzecznego otrzymywanej rury.

W wyniku rozdzielenia przep³ywaj¹cegostrumienia tworzywa w kana³ach rozdzielaj¹-

cych i nastêpnie ³¹czenia strumieni sk³adowych

w kanale rozprowadzaj¹cym zbie¿nym, w miej-

scu ³¹czenia, którym jest promieniowy odcinekprosty na ca³ej d³ugoœci wytworu, powstaj¹

z³¹cza, nie zawsze widoczne, ale na ogó³ pogar-szaj¹ce w³aœciwoœci wytrzyma³oœciowe otrzy-

mywanych rur.

W miejscu ³¹czenia strumieni sk³adowych

powstaj¹ zmiany w strukturze tworzywa spo-

wodowane znaczn¹ orientacj¹ tworzywa uplas-

tycznionego w otoczeniu ¿eber wsporniko-

wych. Orientacja ta powstaje z powodu du¿ego

gradientu prêdkoœci, wystêpuj¹cego w strefieprzyœciennej strumienia tworzywa uplastycz-

nionego, wywo³anego efektem przyœciennym[5, 6] oraz w wyniku rozci¹gania makrocz¹ste-

czek tworzywa, znajduj¹cych siê w pobli¿u ¿e-ber. Inn¹ przyczyn¹ ró¿nic strukturalnych wys-

têpuj¹cych w miejscach ³¹czenia siê strumieni

sk³adowych i utrudniaj¹c¹ ponowne wymie-

szanie siê tworzywa, mo¿e byæ mniejsza gêstoœæ

tworzywa, powsta³a w wyniku ró¿nicy tempe-

ratury miêdzy przep³ywaj¹cym tworzywem

a ¿ebrami wspornikowymi. W osi kana³u tem-

peratura tworzywa jest najwy¿sza, a promie-niowe rozdzielenie strumienia tworzywa na

strumienie sk³adowe za pomoc¹ ¿eber wsporni-kowych sprawia, ¿e warstwy tworzywa o wy¿-

szej temperaturze stykaj¹ siê z ch³odniejsz¹ po-wierzchni¹ ¿eber. W strefie przyœciennej wystê-

puje wiêc zmniejszenie gêstoœci tworzywa, co

utrudnia ponowne wymieszanie siê makro-

cz¹steczek podczas ³¹czenia strumieni sk³ado-

wych.

Na rysunku 2 zosta³y pokazane rozwi¹zania

konstrukcyjne ¿eber wspornikowych stosowa-

nych najczêœciej do mocowania rdzenia z kor-

pusem g³ównym g³owicy. Pomiêdzy jednym

¿ebrem wspornikowym i nastêpnym tworzy siê

kana³ przep³ywowy rozdzielaj¹cy.

Jednym z rozpowszechnionych rozwi¹zañ

konstrukcyjnych ¿eber wspornikowychs¹¿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 siêz tym wi¹¿e tak¿e mniejsz¹ orientacjê tworzy-

Rys. 1. G³owica wzd³u¿na do wyt³aczania rur a)

przekrój wzd³u¿ny: 1 – kana³ wlotowy, 2 – kana³

rozprowadzaj¹cy, 3 – dysza g³owicy, 4 – kana³ uzu-

pe³niaj¹cy, 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 Ma-

schinenfabrik GmbH, Niemcy)

2 (marzec – kwiecieñ) 2009 5

wa, jest wymagane stosunkowo du¿e pole po-

wierzchni przekroju poprzecznego tego kana³u.

Z tego powodu przyjmuje siê, ¿e wysokoœæ ¿eb-

ra promieniowego prostego zazwyczaj niemo¿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 prze-

p³yw tworzywa. Zaleca siê wiêc [6], aby ichkszta³t by³ jak najbardziej op³ywowy, a ich licz-

ba wynosi³a od trzech, czterech dla g³owicyma³ej do kilkunastu przy g³owicy wiêkszej.

Wa¿ne jest równie¿ dobranie najwiêkszej œred-nicy rdzenia g³owicy oraz œrednicy rdzenia przy

wyjœciu z g³owicy. Stosunek tych dwóch wiel-

koœci w przypadku g³owicy wzd³u¿nej do wy-

t³aczania rur z PVC zawiera siê w granicach od

1,4 do 1,6, natomiast przy g³owicy do rur z poli-

olefin oko³o 2. Przy g³owicy wzd³u¿nej o du-

¿ych rozmiarach dopuszcza siê nieco mniejsze

wartoœci stosunku œrednic, odpowiednio wyno-sz¹ce 1,25 do g³owicy do rur z PVC oraz 1,4 do

g³owicy do rur z poliolefin [7, 8].Kolejnym rozwi¹zaniem ¿eber wsporniko-

wych stosowanych w g³owicach wzd³u¿nych s¹

¿ebra promieniowe œrubowe (rys. 2b). Takie

ukszta³towanie ¿eber wspornikowych powo-duje zmianê powierzchni ³¹czenia strumieni

sk³adowych z przebiegaj¹cej wzd³u¿ promie-niowego odcinka prostego w powierzchniê

przebiegaj¹c¹ wzd³u¿ odcinka œrubowego

o wiêkszej d³ugoœci. Uzyskuje siê w ten sposób

mniejszy spadek w³aœciwoœci wytrzyma³oœcio-

wych rury, wywo³any wystêpowaniem z³¹cza.

Jednak ¿ebra promieniowe œrubowe, z uwagi

na bardziej skomplikowane wykonanie, s¹ sto-

sowane stosunkowo rzadko.Czasami do mocowania rdzenia w g³owicy

u¿ywa siê ¿eber kszta³towych (rys. 2c), wyko-nanych w pierœcieniu noœnym w taki sposób,

aby utworzy³y w nim wycinki kana³u pierœcie-niowego – rozdzielaj¹cego. U¿ycie tych ¿eber

powoduje stosunkowo ma³y spadek w³aœci-

woœci wytrzyma³oœciowych rury, gdy¿ po-

wierzchnia ³¹czenia strumieni sk³adowych nie

przebiega wzd³u¿ ca³ego promienia, tylko jego

odcinkami przesuniêtymi dodatkowo wzglê-

dem siebie. Podczas nadawania odpowiednich

kszta³tów, kana³om rozdzielaj¹cym utworzo-nym przez ¿ebra kszta³towe, nale¿y zwróciæ

uwagê na to, aby opory przep³ywu tworzywaprzez wszystkie wycinki kana³ów by³y jedna-

kowe, co zapewni tak¹ sam¹ prêdkoœæ przep³y-wu tworzywa uplastycznionego w kana³ach

rozdzielaj¹cych utworzonych przez ¿ebra

wspornikowe.

Znacznie czêœciej do mocowania rdzenia jest

stosowany pierœcieñ rozdzielaj¹cy po³¹czonyz rozdzielaczem tworzywa, pokazany na ry-

sunku 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 two-

rzywa [9]. Zastosowanie pierœcienia rozdziela-

j¹cego powoduje zast¹pienie kilku powierzchni³¹czeñ, wystêpuj¹cych w przypadku ¿eber

wspornikowych, wieloma powierzchniami³¹czeñ strumieni sk³adowych rozmieszczonymi

stosunkowo równomiernie w ca³ym przekrojuwzd³u¿nym rury wyt³aczanej. Nastêpuje wiêc

z³agodzenie niekorzystnego dzia³ania kilku po-

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 wsporni-

kowe [2, 7]


wierzchni ³¹czeñ strumieni sk³adowych two-

rzywa.

Wyt³aczaj¹c na przyk³ad kszta³townik cha-

rakteryzuj¹cy siê przekrojem poprzecznym

zamkniêtym, na przyk³ad rurê, jest wskazane,

aby wykonaæ w g³owicy wytaczarskiej kana³

uzupe³niaj¹cy, przez który w czasie wyt³acza-

nia jest dostarczane powietrze pod ma³ym ciœ-nieniem. Zapobiega to wytworzeniu siê wew-

n¹trz kszta³townika obszaru, w którym ciœnie-nie jest obni¿one i w zwi¹zku z tym zapadaniu

siê jego œcianek. Stosunkowo ³atwo jest taki ka-na³ wykonaæ w ¿ebrach promieniowych pros-

tych.

W celu zmniejszenia niekorzystnego oddzia-³ywania powierzchni ³¹czeñ strumieni sk³ado-

wych tworzywa wystêpuj¹cych w miejscach ich³¹czenia siê, stosuje siê wiele modyfikacji kons-

trukcji g³owic wyt³aczarskich wzd³u¿nych,

g³ównie polegaj¹cych na [7, 10]:

— u¿yciu elementów obrotowych rdzenia g³o-

wicy, co wymaga jednak korzystania z do-datkowego napêdu i zabezpieczenia g³owi-

cy przed niepo¿¹danymi wyciekami two-

rzywa,

— powlekaniu ¿eber wspornikowych materia-

³ami przeciwprzyczepnymi, na przyk³adPTFE, ale pow³oki te, w warunkach panuj¹-

cych w g³owicy wytaczarskiej, ulegaj¹ szyb-

kiemu zu¿yciu,

— wyd³u¿aniu drogi przep³ywu tworzywa

w g³owicy po przebyciu przez kana³y roz-

dzielaj¹ce, poprzez wykonanie kana³ów

przep³ywowych zmieniaj¹cych kierunek ich

przep³ywu, co znacznie utrudnia i podra¿a

wykonanie g³owicy, a tak¿e mo¿e spowodo-waæ zbyt du¿y spadek ciœnienia tworzywa

w kana³ach przep³ywowych,

— ogrzewaniu ¿eber wspornikowych, którego

zastosowanie ze wzglêdu na ich ma³e wy-

miary wymaga doœæ skomplikowanych roz-wi¹zañ konstrukcyjnych.

Budowa rdzenia g³owicy wyt³aczarskiej po-

winna byæ taka, aby zmniejsza³ siê niekorzystny

wp³yw powierzchni ³¹czenia strumieni sk³ado-

wych tworzywa na w³aœciwoœci wytrzyma³oœ-ciowe otrzymywanej rury. Na przyk³ad, pod-

czas zmniejszania œrednicy kana³u rozprowa-dzaj¹cego pierœcieniowego, nastêpuje jedno-

czesne zmniejszanie wysokoœci tego kana³u.Zaleca siê wiêc, aby k¹t pochylenia powierzchni

zewnêtrznej kana³u by³ wiêkszy od k¹ta pochy-

lenia powierzchni wewnêtrznej kana³u, przy

czym k¹t pochylenia powierzchni wewnêtrznej

kana³u powinien zawieraæ siê w granicach od

10 do 15 deg. Bardzo czêsto zamiast rdzenia

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


o powierzchni jednolitej geometrycznie stosuje

siê rdzeñ z wykonanymi na jego powierzchni,kilkoma lub kilkunastoma zwojami o ma³ym

skoku. Aby zapobiec niedu¿emu ruchowi obro-towemu rury wyt³aczanej, wykonuje siê na

wewnêtrznej powierzchni korpusu g³owicy

wyt³aczarskiej podobne zwoje, ale o przeciw-

nym kierunku skrêcenia. Stanowi¹ one specy-

ficzne elementy mieszaj¹ce umiejscowione

w g³owicy, które maj¹ za zadanie dok³adnie

wymieszaæ tworzywo za ¿ebrami wsporniko-

wymi i spowodowaæ, ¿e mikrostruktura otrzy-manej rury w przekroju poprzecznym bêdzie w

jak najwiêkszym stopniu jednolita.Niekiedy powierzchnia zewnêtrzna rdzenia

g³owicy jest pokryta celowo makronierównoœ-ciami w postaci makrowg³êbieñ i makrowznie-

sieñ wzd³u¿nych co powoduje, ¿e na powierz-

chni wewnêtrznej rury wyt³aczanej odwzoro-

wuj¹ siê wzd³u¿nie makronierównoœci rdzenia.

Rury z powierzchni¹ wewnêtrzn¹ niejednolit¹

geometrycznie odznaczaj¹ siê mniejszym tar-

ciem w kontakcie z na przyk³ad kablem opto-

telekomunikacyjnym, co w przypadku jego in-stalowania 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 g³o-wicy uzyskaæ okreœlony zakres œrednicy rury

wytwarzanej, przy zmiennej gruboœci œcianki

rury. Zmiana ta wymaga jednak zatrzymaniaprocesu wyt³aczania, demonta¿u rdzenia i kor-

pusu dyszy, wymiany tych elementów oraz po-nownego rozruchu linii technologicznej wyt³a-

czania. Znane s¹ jednak rozwi¹zania konstruk-

cyjne g³owic, które umo¿liwiaj¹ zmianê gruboœ-

ci œcianki i œrednicy rury wyt³aczanej bez za-

trzymywania procesu wyt³aczania. W pierw-

szym rozwi¹zaniu zmianê gruboœci œcianki

osi¹ga siê poprzez zastosowanie odkszta³calnej

tulei w dyszy, której œrednicê mo¿na zmieniaæza pomoc¹ kilkudziesiêciu œrub regulacyjnych

rozmieszczonych na obwodzie korpusu dyszy[14]. Natomiast w innym rozwi¹zaniu zmianê

gruboœci œcianki i œrednicy rury wyt³aczanejotrzymuje siê przez zastosowanie w g³owicy

ruchomego, przesuwnego osiowo rdzenia sto¿-

kowego, tworz¹cego wraz z powierzchni¹ sto¿-

kow¹ korpusu dyszy, kana³ przep³ywowy o re-

gulowanej wysokoœci [15]. G³owica natomiast,

wspó³dzia³a z oryginalnym urz¹dzeniem kali-

bruj¹cym sk³adaj¹cym siê z kilkuset elementów

kszta³towych maj¹cych mo¿liwoœæ ruchu pro-mieniowego (rys. 4). Elementy przylegaj¹ do

siebie nawzajem powierzchniami bocznymii razem stanowi¹ cylinder, którego œrednicê

mo¿na zmieniaæ w zale¿noœci od potrzeby. Roz-wi¹zanie 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 za-

trzymywania procesu wyt³aczania

(Krauss-Maffei, Niemcy)


zakresach, na przyk³ad od 32 do 70 mm lub od

160 do 250 mm, ciœnienie tworzywa w g³owicynie mo¿e przekroczyæ 60 MPa [15].

Decyduj¹ce znaczenie dla w³aœciwoœci rurywytwarzanej ma d³ugoœæ dyszy, któr¹ okreœla

siê stosunkiem d³ugoœci kana³u przep³ywowe-

go dyszy do wysokoœci tego kana³u lub gruboœ-

ci œcianki rury. Zalecana wartoœæ tego stosunku

wynosi na od 10 do 30, jednak dla g³owic

wzd³u¿nych do rur z PVC przyjmuje siê naj-

czêœciej 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 infor-

macje [7] zalecaj¹ce jeszcze wiêksze wartoœcistosunku d³ugoœci kana³u przep³ywowego dy-

szy g³owicy wyt³aczarskiej do wysokoœci tegokana³u, na przyk³ad 50.

W literaturze brak jest jednoznacznego po-

gl¹du, co do wysokoœci dyszy g³owicy wyt³a-czarskiej, ogólnie mo¿na przyj¹æ, ¿e wysokoœæ

ta powinna byæ o 5 do 10% mniejsza od gruboœciœcianki rury wyt³aczanej [7]. W celu uzyskania

rury o równomiernej gruboœci œcianki nale¿y

zapewniæ mo¿liwoœæ zmiany po³o¿enia osi dy-

szy wzglêdem osi rdzenia g³owicy. Przeprowa-

dza siê to z regu³y poprzez zmianê po³o¿enia

dyszy za pomoc¹ œrub centruj¹cych mocowa-

nych w korpusie g³owicy lub w specjalnym

pierœcieniu centruj¹cym. Zmiana po³o¿enia dy-szy g³owicy wytaczarskiej odbywa siê w czasie

trwania procesu wyt³aczania.

Cech¹ charakterystyczn¹ rozwi¹zania [16]

g³owicy wzd³u¿nej przeznaczonej do wyt³acza-

nia rur, przede wszystkim rur z poliolefin, jestmocowanie jej rdzenia do korpusu g³ównego za

pomoc¹ tulei rozdzielaj¹cej [3, 4]. Tuleja roz-dzielaj¹ca ma postaæ odcinka rury z wykonany-

mi przelotowo, wzd³u¿ gruboœci œcianki tulei,otworami przelotowymi. Schemat tej g³owicy

pokazany zosta³ na rysunku 5.

Tworzywo wp³ywaj¹c do g³owicy kana³emwlotowym, natrafia na rozdzielacz rdzenia,

który zmienia kierunek przep³ywu tworzywao 90 deg, w ten sposób kieruj¹c je promieniowo

na zewn¹trz. Podczas tego przep³ywu strumieñ

tworzywa mo¿e byæ rozdzielany na wiele stru-

mieni sk³adowych za pomoc¹ krótkich, walco-

wych, równoleg³ych wzglêdem siebie, kana³ów

rozdzielaj¹cych o œrednicy na ogó³ od 1 do 2,5

mm, wykonanych w tulei rozdzielaj¹cej, pros-

topadle do osi g³owicy wyt³aczarskiej. Po prze-

p³yniêciu kana³ów rozdzielaj¹cych, utworzo-

nych przez otwory przelotowe tulei, strumienie

sk³adowe tworzywa dostaj¹ siê do kana³u roz-

prowadzaj¹cego pierœcieniowego i napotykaj¹sto¿kow¹ powierzchniê wewnêtrznej œcianki

korpusu g³owicy. Powoduje to ponown¹ zmia-nê kierunku przep³ywu tworzywa o 90 deg,

przy jednoczesnym doœæ intensywnym miesza-niu strumieni sk³adowych, spowodowanym

³¹czeniem strumieni sk³adowych i gwa³town¹

zmian¹ kierunku ich przep³ywu. Dalszy prze-

p³yw tworzywa w kanale rozprowadzaj¹cym

zachodzi podobnie, jak w g³owicy prostej rdze-

niowej.

Przez zastosowanie do mocowania rdzenia

w g³owicy wzd³u¿nej, tulei rozdzielaj¹cej (rys.6) uzyskuje siê du¿¹ powierzchniê przep³ywu,

natomiast gwa³towne zmiany kierunku prze-p³ywu tworzywa powoduj¹ dobre ujednorod-

nienie w³aœciwoœci i struktury tworzywa, a tak-¿e prawie ca³kowity brak powierzchni ³¹czeñ

w wytworze.

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


Przep³yw tworzywa w tych g³owicach od-

bywa siê w ni¿szej temperaturze ni¿ w g³owi-cach wzd³u¿nych z ¿ebrami wspornikowymi

i w zwi¹zku z tym wystêpuje mniejsze niebez-pieczeñstwo degradacji cieplnej tworzywa. Do-

datkowo 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 kons-

trukcj¹ g³owicy z tulej¹ rozdzielaj¹c¹, w którejstosunek najwiêkszej œrednicy rdzenia do œred-

nicy rdzenia przy wyjœciu z g³owicy mo¿e wy-nieœæ 1,4, a wiêc jest mniejszy ni¿ w g³owicach

wzd³u¿nych z ¿ebrami wspornikowymi [16].G³owica wzd³u¿na maj¹ca tulejê rozdziela-

j¹c¹ charakteryzuje siê znacznie mniejsz¹ war-

toœci¹ ca³kowitego spadku ciœnienia tworzywa

wynosz¹c¹ od 7 do 12 MPa, a najwiêksza war-

toœæ 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 ma³ejœrednicy, na przyk³ad 10 mm. S¹ one tak¿e efek-

tywne przy otrzymywaniu rur o œredniej œred-nicy na przyk³ad 450 mm z masowym natê¿e-

niem przep³ywu 800 kg/h, ciê¿ar takiej g³owicywynosi 1900 kg. Maj¹ tak¿e zastosowanie przy

wyt³aczaniu rur o du¿ej œrednicy wynosz¹cej

1400 mm. W tym ostatnim przypadku g³owica

mo¿e mieæ ciê¿ar 25000 kg a przep³ywa przez

ni¹ nawet 1200 kg tworzywa w ci¹gu godziny[16].

W celu kontrolowania zjawisk zachodz¹-cych podczas przep³ywu tworzywa przez kana³

rozprowadzaj¹cy i dyszê g³owicy wyt³aczar-

skiej wzd³u¿nej stosuje siê niekiedy rozwi¹za-

nia konstrukcyjne umo¿liwiaj¹ce zmianê d³u-

goœci g³owicy (rys. 7). Powoduje to zmianê

Rys. 6. Fragment g³owicy wzd³u¿nej do wyt³aczania

rur z tulej¹ rozdzielaj¹c¹: 1 – tuleja rozdzielaj¹ca,

2 – kana³y rozdzielaj¹ce, 3 – element mocuj¹cy roz-

dzielacz rdzenia (American Maplan Corporation,

USA)

Rys. 7. Przekrój wzd³u¿ny g³owicy wzd³u¿nej o

zmiennej d³ugoœci: 1 – korpus g³ówny sk³adany, 2 –

korpus dyszy, 3 – nakrêtka regulacyjna, 4 – przeciw-

nakrêtka regulacyjna, 5 – kana³ wlotowy, 6 – kana³y

rozprowadzaj¹ce, 7 – dysza g³owicy, A – czêœæ sta³a

g³owicy, B – czêœæ ruchoma g³owicy [2]

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 regu-

lacyjna, 8 – kana³ obwodowy


przede wszystkim d³ugoœci drogi przep³ywu

tworzywa i zwi¹zanych z tym warunków prze-

p³ywu tworzywa w kana³ach rozprowadzaj¹-

cych i dyszy g³owicy wyt³aczarskiej. D³ugoœæ

mo¿na te¿ dostosowaæ do potrzeb przetwór-

czych wynikaj¹cych z wyt³aczania ró¿nych

tworzyw.

Kolejnym rodzajem g³owicy wyt³aczarskiejprzeznaczonej do otrzymywania rur jest g³owi-

ca poprzeczna, której schemat ogólny przedsta-wiono przyk³adowo na rysunku 8, a wygl¹d na

rysunku 9. G³owice poprzeczne s¹ stosowanedo otrzymywania rur o mniejszych œrednicach,

do kilkudziesiêciu milimetrów [7].

W g³owicy poprzecznej strumieñ tworzywauplastycznionego przep³ywa, z uk³adu uplas-

tyczniaj¹cego, kana³em wlotowym usytuowa-nym prostopadle do dyszy g³owicy wyt³aczar-

skiej. Ko³owy lub sto¿kowy zbie¿ny kana³ wlo-

towy ³¹czy siê z kana³em obwodowym wyko-

nanym w rdzeniu kana³owym walcowym lub

sto¿kowym tak, ¿e tworzywo jest doprowadza-

ne pod pewnym k¹tem do osi g³owicy. Kana³

w rdzeniu przechodzi nastêpnie w kana³ roz-

prowadzaj¹cy pierœcieniowy, sto¿kowy zbie¿-ny liniowy i dalej w dyszê [17].

Podczas konstruowania g³owic poprzecz-

nych na ogó³ nie ma wiêkszego problemu z ka-na³em uzupe³niaj¹cym doprowadzaj¹cym po-

wietrze do wnêtrza rury, gdy¿ wykonuje siê gow osi rdzenia. Podstawow¹ jednak trudnoœci¹

jest prawid³owe okreœlenie cech geometrycz-

nych rdzenia kana³owego (rys. 10), w szczegól-

noœci kana³u wykonanego na jego obwodzie.

Trzeba go tak skonstruowaæ, aby uzyskaæ nie-

mal jednakow¹ prêdkoœæ przep³ywu tworzywa

na ca³ym obwodzie rdzenia, a w efekcie równo-

miern¹ prêdkoœæ wyt³aczania rury. Dlatego ka-na³ obwodowy w rdzeniu w miejscu po³¹czenia

z kana³em wlotowym ma du¿e pole powierzch-ni przekroju poprzecznego, które nastêpnie

w sposób ci¹g³y zmniejsza siê, wskutek zmianyg³êbokoœci i szerokoœci kana³u. Uzyskuje siê

w ten sposób pewien obszar magazynuj¹cy

tworzywo, które dopiero po ca³kowitym jego

wype³nieniu, wskutek ma³ego oporu przep³y-

wu, mo¿e byæ doprowadzone dalej kana³em

rozprowadzaj¹cym o du¿ym oporze przep³y-

wu w kierunku dyszy g³owicy. Wad¹ tego roz-

wi¹zania jest jednak, trudny do okreœlenia, czasprzebywania tworzywa w kanale obwodo-

wym, co mo¿e prowadziæ do jego degradacjicieplnej.

G³owice œrubowe, podobnie jak g³owicewzd³u¿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 tworzy-

wa uplastycznionego jest rozdzielany na co naj-

mniej 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 ka-

na³y 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-

Rys. 9. Wygl¹d g³owicy poprzecznej: 1 – ³¹cznik

g³owicy, 2 – pierœcieñ regulacyjny, 3 – œruba regu-

lacyjna, 4 – rdzeñ g³owicy, 5 – grzejnik elektryczny

(Guill Tool & Engineering Co. Inc., USA)


wadzaj¹ce kana³y walcowe rozchodz¹ce siê

prostopadle wzglêdem kana³u wlotowego i

przechodz¹ce prostopadle w kolejne rozprowa-

dzaj¹ce kana³y walcowe wykonane na powierz-

chni 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 œrubo-

wej stosuje siê na rdzeniu od kilku do kilkunas-

tu, czasami kilkudziesiêciu, zwojów kana³ów

œrubowych [21]. G³êbokoœæ kana³ów œrubo-

wych w rdzeniu gwiaŸdzisto-œrubowym na-

jczêœciej zmniejsza siê a¿ do zaniku w kierunku

dyszy, zaœ wysokoœæ szczeliny pomiêdzy górn¹

powierzchni¹ zwoju a wewnêtrzn¹ powierzch-

ni¹ korpusu g³owicy wzrasta ci¹gle. W ten spo-

sób tworzywo w miejscu najwiêkszej g³êbokoœ-ci kana³ów przep³ywa wy³¹cznie kana³em œru-

bowym, ale w miarê zbli¿anie siê do dyszy,

Rys. 10. Przyk³ad wyko-

nania rdzeni kana³o-

wych walcowych z wi-

docznym kana³em obwo-

dowym (Guill Tool &

Engineering Co. Inc.,

USA)

Rys. 11. Wygl¹d rdzenia kana³owego gwiaŸdzisto-

œrubowego g³owicy œrubowej do rozprowadzenia

tworzywa po jego obwodzie wraz z pogl¹dowym

czêœciowym przekrojem wzd³u¿nym: 1 – kana³ roz-

prowadzaj¹cy walcowy, 2 – kana³ rozprowadzaj¹cy

œrubowy, 3 – rozdzielacz rdzenia (Cincinnati, Aus-

tria)

Rys. 12. Rdzeñ kana³owy ramienno-œrubowy z roz-

prowadzeniem tworzywa po obwodzie: 1 – kana³

rozprowadzaj¹cy walcowy, 2 – kana³ rozprowadza-

j¹cy œrubowy, 3 – kana³ relaksacyjny [20]


a wiêc zmniejszania g³êbokoœci kana³ów, coraz

wiêcej tworzywa zaczyna przep³ywaæ równie¿

szczelin¹ pomiêdzy zwojem kana³u a powierz-

chni¹ korpusu g³owicy.

Znane s¹ tak¿e rozwi¹zania konstrukcyjne

g³owic œrubowych, których rdzeñ gwiaŸdzisto-

œrubowy, ma du¿¹ liczbê kana³ów œrubowych o

niepe³nym skoku. G³êbokoœæ kana³ów jest sta³ai najwiêksza na ca³ej d³ugoœci kana³u, oprócz

obszaru wlotowego i wylotowego, w którymg³êbokoœæ zmienia siê odpowiednio od naj-

mniejszej do najwiêkszej i od najwiêkszej donajmniejszej (rys. 13). W rdzeniu kana³owym

g³owicy œrubowej kana³ rozprowadzaj¹cy ma

sta³¹ g³êbokoœæ wzd³u¿ obwodu rdzenia, two-

rzywo dopiero po jego wype³nieniu przep³ywa

do kana³ów rozprowadzaj¹cych œrubowych,

których g³êbokoœæ jest najczêœciej tak¿e sta³a.

Niekiedy zamiast rdzenia gwiaŸdzisto-œru-

bowego z uk³adem gwiaŸdzistym kana³ów roz-

prowadzaj¹cych, stosuje siê rdzeñ walcowo-

œrubowy, w którym tworzywo jest dostarczane

do kana³ów œrubowych przez uk³ad pierœcie-

niowy kana³u rozprowadzaj¹cego [7].

Zastosowanie rdzeni kana³owych powodu-

je, ¿e w dyszy g³owicy ostatecznie przep³ywa

strumieñ tworzywa uplastycznionego powsta-

³y z wielokrotnego na³o¿enia siê strumieni ob-

wodowych i strumieni wzd³u¿nych. Strumie-

nie te powstaj¹ wskutek rozprowadzenia two-rzywa 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 two-

rzywa przep³ywaj¹cych w ró¿nych kierunkach

pozwala na dobre wymieszanie i ujednorodnie-

nie w³aœciwoœci oraz uzyskanie w³aœciwegorozk³adu prêdkoœci oraz temperatury tworzy-

wa wyt³aczanego. Zalet¹ g³owicy œrubowej jesttak¿e brak elementów mocuj¹cych rdzeñ i roz-

dzielaj¹cych tworzywo, co ca³kowicie eliminujepowierzchnie ³¹czeñ, jakie powstaj¹ podczas

ponownego zespalania strumieni sk³adowych.

Ze wzglêdów bezpieczeñstwa oraz zmniejsze-

nia strat cieplnych, na g³owice mo¿na na³o¿yæ

izolacjê ciepln¹, co pokazano przyk³adowo na

rysunku 14.

Znacz¹c¹ trudnoœci¹ przy konstruowaniu

g³owic œrubowych jest odpowiednie dobraniecech konstrukcyjnych kana³ów przep³ywo-

wych, zapewniaj¹cych w³aœciwy czas przeby-wania tworzywa w g³owicy, eliminuj¹cych stre-

fy zastoju tworzywa oraz umo¿liwiaj¹cych sa-mooczyszczanie jej kana³ów przep³ywowych.

Rys. 13. Rdzeñ gwiaŸdzisto-œrubowy z rozprowa-

dzeniem tworzywa po obwodzie: 1 – kana³ rozprowa-

dzaj¹cy walcowy, 2 – kana³ rozprowadzaj¹cy œrubo-

wy, 3 – kana³ relaksacyjny [20]

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)


Firma Battenfeld Extrusionstechnik GmbH

proponuje inne rozwi¹zanie konstrukcyjne g³o-

wicy do rur, stanowi¹ce po³¹czenie rozwi¹zañ

stosowanych w g³owicy wzd³u¿nej œrubowejz dodatkow¹ tulej¹ rozdzielaj¹c¹, tak jak poka-

zano to na rysunku 15.Zastosowanie elementu konstrukcyjnego

rozdzielaj¹cego strumieñ tworzywa wyp³ywa-j¹cego z wyt³aczarki jednoczeœnie do dwóch

i wiêcej g³owic wyt³aczarskich [23], umo¿liwia

zastosowanie g³owic podwójnych (bliŸnia-

czych) (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 poprowadzon¹kana³em pomocniczym i zakoñczon¹ rozpyla-

czem pneumatycznym wystaj¹cym z dyszy g³o-

wicy [24].

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]

Rys. 16. Wygl¹d g³owic wyt³aczarskich wzd³u¿nych wraz z rozdzielaczem montowanym do uk³adu uplas-

tyczniaj¹cego wyt³aczarki: a) podwójnych (bliŸniaczych) do rur (Krauss Maffei, Niemcy), b) poczwórnych

do rur (Dietzel, Austria)


Literatura

1. Sikora R.: Przetwórstwo tworzyw wielkocz¹stecz-kowych. Wydawnictwo Edukacyjne, Warszawa1993.

2. Praca zbiorowa pod redakcj¹ Sikory R.: Przetwór-stwo tworzyw polimerowych. Podstawy logiczne,formalne i terminologiczne. Wydawnictwo Poli-techniki Lubelskiej, Lublin 2006.

3. Sikora J.W.: Selected Problems of Polymer Extru-sion. Wydawnictwo Naukowe WNGB, Lublin2008.

4. Stasiek J.: Wyt³aczanie tworzyw polimerowych.Zagadnienia wybrane. Wydawnictwa UczelnianeUniwersytetu Technologiczno-przyrodniczegow Bydgoszczy, Bydgoszcz 2007.

5. Ferguson J., Kemb³owski Z.: Reologia stosowanap³ynów. Wydawnictwo Marcus, £ódŸ 1995.

6. Sikora R.: Podstawy przetwórstwa tworzyw wiel-kocz¹steczkowych. Wydawnictwo PolitechnikiLubelskiej, Lublin 1992.

7. Michaeli W.: Extrusion Dies for Plastics and Rub-ber. 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 „Pos-têp w przetwórstwie tworzyw termoplastycz-nych”. Politechnika Czêstochowska, Czêstochowa1995, 209.

11. Patent polski nr 182449.

12. Klepka T.: Konstrukcja osiowo-symetrycznychwytworów polimerowych o kszta³tach z³o¿onych.Polimery 2008, 53, 390.

13. Klepka T.: Badania cech konstrukcyjnych wytwo-rów z tworzyw polimerowych metod¹ ultradŸwiê-kow¹. Polska Akademia Nauk, Odzia³ w Lublinie.Teka Komisji Budowy i Eksploatacji Maszyn, Elek-trotechniki, Budownictwa. Volume II. Lublin 2008,69.

14. Gross H.: Flexible Werkzeugwände. Kunststoffe2003, 93, 28.

15. Materia³y informacyjne firmy Krauss MaffeiGmbH, Niemcy.

16. Materia³y informacyjne firmy American MaplanCorporation, USA.

17. Materia³y informacyjne firmy Guill Tool & Engi-neering, USA.

18. Materia³y informacyjne firmy Reifenhäuser Extru-sion, Niemcy.

19. Materia³y informacyjne firmy Cincinnati, Austria.20. Fisher P., Wortberg J.: New Spiral Mandrel Dies.

Referat prezentowany podczas SKZ Conference onInnovations 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 Glouces-ter Engineering, USA.

23. Materia³y informacyjne firmy Guill Tool & Engi-neering Co. Inc., USA.

24. Polskie zg³oszenie patentowe P–360302 (2003).


Sikora Janusz W. - Budowa głowic wytłaczarskich do rur

Documents

Transcript of Sikora Janusz W. - Budowa głowic wytłaczarskich do rur