Производство профилей : Технологические схемы, выбор оборудования

Технологические схемы

Выбор технологической схемы производства профильного изделия и состава оборудования линии определяется его формой, размерами, свойствами материала и назначением изделия.

Вместе с тем одно и то же изделие может быть получено по различным технологическим схемам в зависимости от наличия оборудования, технологической оснастки и технического решения, принятого при разработке технологического процесса. Например, прямоугольный полый профиль может быть получен с использованием формующего инструмента подобной формы, либо из цилиндрической заготовки с использованием головки для производства труб, либо из широкой полосы, выдавливаемой из щелевой головки с последующим пластическим деформированием экструдата в калибраторе и соединением кромок с помощью, например, сварки или каким-либо другим способом. Выбор технического решения определяется многими объективными и субъективными факторами, наиболее важными из которых являются состав имеющегося экструзионного оборудования, эксплуатационные характеристики изделия и экономические аспекты производства.

При выборе технологической схемы следует учитывать требования к внешнему виду изделия, допуски на размеры и форму, эксплуатационные характеристики оборудования и экструдируемого профиля, а также специфические требования к изделию. Большинство профильных изделий из жестких или полужестких материалов получают путем калибрования и предварительного охлаждения экструзионной заготовки (экструдата), выходящей из экструзионной головки, в калибрующих устройствах различных типов. В калибраторе заготовка пластически деформируется, приобретая форму, близкую к периметру рабочего канала калибратора, и предварительно охлаждается. Степень охлаждения зависит от времени пребывания в калибраторе и конструкции устройства. Калиброванный профиль непрерывно отводится тянущим устройством, режется на отрезки требуемой длины и складывается в накопитель приемного устройства.

Получение некоторых типов профильных изделий из высоковязких и формоустойчивых мягких полимеров типа ПВХ-пластиката, термопластичного полиуретана, некоторых видов термоэластопластов и других резиноподобных полимеров возможно без контактного калибрования только за счет вытяжки и охлаждения экструдата с использованием различного рода направляющих и поддерживающих планок.

Трубообразные профили

На рисунке 1 показана схема получения трубообразных профилей (тип 1), калибруемых с помощью набора калибрующих пластин, установленных в закрытой вакуумной ванне, в которой разрежение создается с помощью водокольцевого вакуум-насоса. На входе в ванну устанавливается короткая калибрующая втулка с отверстиями для вакуума и с индивидуальным водяным охлаждением.

По компоновке комплектующего оборудования технологическая линия аналогична установкам для изготовления обычных труб. Отличительной особенностью схемы является возможность формования профиля из кольцевой цилиндрической заготовки. Такой способ позволяет на одном и том же формующем инструменте получать целый ряд трубообразных изделий (прямоугольных, квадратных, треугольных и многоугольных), имеющих близкие значения периметра.

В качестве калибрующего устройства может использоваться также блок «сухих» вакуумных калибраторов. При высоких скоростях экструзии или при недостаточном охлаждении профиля в «сухих» калибраторах может производиться дополнительное охлаждение в открытой или вакуумной ванне с набором калибрующих пластин, установленной за блоком калибраторов. В некоторых случаях использование «сухих» калибраторов более предпочтительно, так как при высокой скорости отвода профиля и при недостаточном количестве калибрующих пластин в вакуумной ванне профиль стремится к форме с наименьшим периметром — цилиндрической, в результате нарушается строгая форма изделия, увеличиваются радиусы скругления в углах, нарушается прямолинейность граней. Это особенно заметно для эластичных материалов, медленно затвердевающих даже при непосредственном контакте с водой, например, для ПЭНП.

схема производства трубообразных профилей


Рис 1. Схема производства трубообразных профилей с использованием вакуумной ванны: 1 – экструдер; 2 – экструзионная головка; 3 – калибрующая втулка; 4 – вакуумная ванна; 5 – тянущее устройство; 6 – пила; 7 – приемное устройство

Полые и камерные профили

Полые и камерные профили (типы 2 и 3) обычно калибруют с помощью длинномерного вакуумного калибрующего устройства. Формующий инструмент головки по форме поперечного сечения канала аналогичен или близок к форме профиля. Длина калибратора или блока калибраторов и интенсивность охлаждения экструдата при калибровании должны обеспечивать за время калибрования необходимую жесткость и прочность профиля, предотвращающих его пластическую деформацию в последующих за калибратором устройствах. Окончательное охлаждение изделия производится воздухом либо водой в расположенном за калибратором охлаждающем устройстве. Технологическая схема производства таких профилей показана на рис. 2, а. Схема длинномерного «сухого» вакуумного калибратора и вакуумной втулки, устанавливаемой на входе в охлаждающую ванну, показаны соответственно на рис. 2, б, в. По этой же схеме возможно получение и трубообразных профилей, однако в этом случае профили будут классифицироваться как полые, а не трубообразные. Это лишний раз показывает условность классификации профильных изделий и ее зависимость от способа производства.

схема производства полых, камерных и сплошных профилей


Рис.2 Схема производства полых, камерных и сплошных профилей (а): 1 – экструдер, 2 – экструзионная головка, 3 – вакуумный калибратор, 4 – калибровочный стол, 5 – тянущее устройство, 6 – пила, 7 – приемное устройство

длинномерный вакуумный калибратор (б): 1 – экструзионная головка, 2 – вакуумный «сухой» калибратор, 3 – желоб для охлаждения профиля воздухом

вакуумная втулка на входе охлаждающую ванну (в): 1 – экструзионная головка, 2 – вакуумная калибрующая втулка, 3 – открытая охлаждающая ванна

Сплошные профили

Сплошные профили (тип 4) производят по такой же схеме, как полые и камерные (рис. 2) с использованием типов калибраторов, указанных на рис. 2 б, в. Формующий инструмент по форме аналогичен профилю или близок к нему. Калибрование осуществляется с помощью короткого вакуумного калибрующего устройства, установленного на входе в открытую водяную охлаждающую ванну (рис. 2 в). При повышенной толщине стенок профиля или высокой скорости экструзии применяют блок «сухих» длинномерных калибраторов и дополнительно устанавливают охлаждающую ванну с набором калибрующих пластин («ванна стабилизации»). Увеличение поверхности контакта расплава с металлом приводит к возрастанию сил трения, что требует применения более мощных тянущих устройств, более сильного прижатия профиля к тракам тянущего устройства или использования методов снижения сил трения при калибровании. Сплошные профили невозможно прижать вакуумом к стенкам калибратора сразу по всему контуру, поэтому при необходимости получения четкого контура профиля прибегают к протяжке экструдата через канал закрытого калибратора по типу волочения металлов. Однако при таком методе калибрования необходимо очень точно подбирать соотношение размеров фильеры и калибратора, при которых возможно равномерное обжатие экструдата в зоне входа в калибрующее устройство, расплав равномерно заполняет все сечение канала и процесс деформирования стабилен во времени. На практике же часто возникает нестабильность процесса из-за колебания расхода расплава, подаваемого экструдером, скорости отвода профиля тянущим устройством, а также изменения температуры и сил трения в зоне входа в калибратор. Все это и ряд других причин может вызывать колебание размеров экструдата на входе в калибрующее устройство и накопление или, наоборот, уменьшение массы расплава на входе, в результате чего возникает колебательный процесс. В простейших случаях, например, при протяжке цилиндрического прутка, можно использовать автоматическое регулирование скорости подачи расплава от экструдера или скорость отвода прутка тянущим устройством по сигналу датчика, настроенного на определенное положение экструдата перед калибратором. Контактные датчики не очень подходят для такой цели, поскольку требуют охлаждения и сами не должны влиять на форму и свободный проход экструдата, а применение бесконтактных датчиков требует точного фиксирования передающей и приемной ячеек датчика относительно экструдата, что далеко не всегда возможно. Поэтому калибрование по контуру даже для простых сплошных профилей (например, прямоугольной полосы) невозможно без ручного регулирования размеров экструдата на входе в калибратор и регулирования скорости экструзии. Поскольку регулирование осуществляется в узких пределах, то чаще изменяют частоту вращения шнека экструдера, нежели скорость отвода тянущего устройства, так как регулирование по каналу шнека обычно более точное, чем по каналу отвода изделия. Это связано, видимо, с особенностями схем регулирования скорости в экструдере и на тянущем устройстве промышленных установок, хотя принципиальных различий в том и другом случае быть не должно.

Таким образом, использование калибрования по контуру по типу волочения возможно только в редких случаях. Обычно калибрование экструдата проводят по наиболее ответственным размерам профиля. Например, при изготовлении полосы прямоугольного сечения таким размером является толщина стенки и качество поверхности широкой стороны. Производя обжатие экструдата по толщине при ограниченном или свободном уширении по широкой стороне, можно добиться получения ровной гладкой поверхности профиля с небольшим скруглением в углах. При таком калибровании целесообразно подавать на профиль смазку, например, водяную. Смазку подают в разрыве между блоками калибратора или через вакуумные отверстия в самом калибраторе, если это не нарушает процесс калибрования и не ухудшает качества поверхности профиля. Чем более развита поверхность сплошного профиля, тем сложнее его калибровать даже при наличии мощных тянущих устройств.

Комбинированные профили

Комбинированные профили (тип 5), состоящие из двух совместимых материалов, которые могут быть любой формы, получают обычно с помощью двух или более экструдеров, подающих расплавы полимеров в общую головку. Этот процесс называется соэкструзией (или коэкструзией). При этом материалы могут различаться типом полимера, цветом, составом композиции. Калибрование комбинированных профилей осуществляется по стандартным схемам. Для профилей, не требующих калибрования, например, для изделий из ПВХ-пластиката, охлаждение экструдата производят на ленточном транспортере с помощью водяного или воздушного душа или в водяной ванне. При производстве жестких комбинированных профилей состав комплектующего оборудования соответствует одной из указанных выше схем. Схема производства профилей методом соэкструзии показана на рисунке 3.

схема производства мягких комбинированных профилей методом соэкструзии

Профили с сердечником

Профили с сердечником (тип 6) получают по схеме, показанной на рисунке 4. В качестве сердечника может использоваться любой (в том числе и полимерный) жесткий или мягкий материал: металлическая труба или профиль, проволока или армируюшая полимерная сетка. Предварительно подготовленный сердечник (обезжиренный, подогретый, в некоторых случаях предварительно сформованный в виде какого-либо профиля, покрытый адгезивом для лучшего сцепления с оболочкой) подается в угловую или офсетную головку экструдера, где покрывается слоем полимерного материала. В ряде случаев для лучшего сцепления с материалом сердечника наложение оболочки на сердечник производят под вакуумом. Калибрование и охлаждение профиля производят по одной из рассмотренных выше схем.

Изготовление профилей с сердечником аналогично производству кабельной продукции. Отличия состоят в некоторых деталях, характеризующих особенность процесса. Например, при нанесении полимерного покрытия на отрезки металлической трубы или профиля важно обеспечить непрерывную прямолинейную подачу отрезков сердечника в экструзионную головку. Обычно это обеспечивается установкой перед головкой «толкающего» устройства и синхронизацией работы с основным тянущим устройством, а также бесперебойной работой системы подачи профиля к «толкающему» устройству. Рассмотренные базовые технологические схемы могут изменяться в зависимости от формы и размеров профиля, материала изделия, его назначения, конструкции технологической оснастки.

схема производства профилей с сердечником

Узел формования профиля (б): 1 – толкающее устройство, 2 – сердечник, 3 – угловая экструзионная головка, 4 – калибратор, 5 – охлаждающее устройство

Выбор экструзионной линии для производства профилей

При наличии парка экструдеров различных размеров можно выбрать оптимальную машину для производства конкретного изделия. Исходными данными для этого является размеры, форма, масса 1 м профиля, максимальная производительность процесса, а также укомплектованность линии всеми необходимыми агрегатами, их состоянием, загруженностью и т. д. Последние факторы являются субъективными организационными факторами, но они также влияют на выбор оптимального оборудования для конкретной задачи.

Из одношнековых экструдеров для производства следует использовать машины с диаметром шнека не менее 45 мм. Такой экструдер позволяет получать профили с толщиной стенки 0,2-5 мм и площадью поперечного сечения 50-600 мм2. В таблице 1 приведены обобщенные фирменные рекомендации по выбору экструдера в зависимости от размеров профиля из ПВХ и производительности процесса.