5. Giới thiệu chung về đề tài thiết kế
2.2 Đầu đùn của sản phẩm định hình
Quá trình tạo ra sản phẩm đòi hỏi tính toán chính xác, hình dạng chính xác và một giá thành rẻ, là điều rất khó khăn nhất trong kĩ thuật đùn. Đối với những giá trị không giới
hạn bên ngoài của profile với các hình dạng và kích cỡ khác nhau và phức tạp, thiết kế đầu đùn đòi hỏi sử dụng mối quan hệ tính toán lí thuyết và nghiên cứu. Thiết kế đầu đùn của nhiều profile vẫn phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm và đòi hỏi một số lượng lớn thí nghiệm ở mỗi phần của người thiết kế đầu đùn.
2.2.1. Những thiết kế và áp dụng
Có thể chia số lượng lớn hình dạng profile thành hai loại: profile đặc, và rỗng. Với profie rỗng cũng có hai loại: rỗng kín và rỗng mở
Trong thiết kế kênh dẫn dòng chảy và của mặt cắt ngang, của miệng đầu đùn, sự phồng lên (lấy lại dự trữ biến dạng trong vật liệu) và sự co ngót (sự giảm thể tích của vật liệu trong quá trình làm lạnh sau), sự sắp xếp của profile vận tốc trong miệng đầu đùn tới profile dạng khối bên ngoài và sự kéo phải được đưa vào xem xét.
Thông thường, đầu đùn profile có thể được chia ra làm ba nhóm - Đầu đùn dạng đĩa
- Đầu đùn dạng bậc
- Đầu đùn profile với sự thay đổi dần dần trong mặt cắt ngang Đầu đùn dạng đĩa
Đầu đùn dạng đĩa (hình 1.15) bao gồm một khuôn cơ sở với một đĩa khuôn, có thể thay đổi dễ dàng và nhanh chóng. Những đầu đùn này hầu hết được sử dụng cho profile nhỏ. Có những thay đổi đột ngột trong mô hình kênh dẫn dòng chảy trong loại đầu đùn này. Điều này dẫn tới sự tạo dấu vết là có thể - đặc biệt trong gia công PVC cứng (PVC-U)- kết quả của sự giảm phẩm chất của polyme.
Hình 1.15. Đầu đùn đĩa
Hơn nữa, không thể đạt tới tốc độ đùn cao hoặc đạt được độ chính xác kích thước cao bởi vì co hẹp thẳng đứng của mặt cắt ngang. Bởi vì, mặc dù vậy chúng dễ dàng sản xuất ở chi phí thấp, những đầu đùn này hiếm khi sử dụng trong gia công chất dẻo. chúng được sử dụng chủ yếu cho đùn nhựa PVC (PVC-P) hoặc profile đơn giản nhất từ PVC cứng khi chỉ cần những đường dẫn ngắn được đòi hỏi. Tuy nhiên, đầu đùn này vẫn sử dụng rộng rãi khi gia công cao su.
Từ sự hiểu tổng quan về dòng chảy, đầu đùn được thiết kế hoàn toàn theo kinh nghiệm, điều quan trọng là tạo ra chiều dày đĩa đủ (gần khoảng 5-10 mm) vì thế cho phép điều chỉnh dòng chảy cục bộ bởi sự thay đổi chiều dài đầu đùn.
Để hủy bỏ biến dạng bởi áp suất của dòng nóng chảy, thỉnh thoảng đĩa đầu đùn được cải thiện bằng kĩ thuật bắc cầu (Hình 1.16).
Bởi vì những hiểu biểt về dòng chảy trong đầu đùn đĩa ít được xem xét nên phải chú ý kĩ đến điều khiển chính xác nhiệt độ trên đầu đùn.
Những thiết bị gài vào đầu đùn, như miêu tả trong hình 1.17, là những thiết bị có thể thay đổi được, để điều chỉnh dòng chảy .
Hình1.16. Các thiết bị gia tăng trong đầu đùn đĩa.
Hình1.17. Các mô đun được gài vào đầu đùn định hình.
Đầu đùn bậc (hình 1.18) chỉ ra một sự thay đổi bậc thang trong kênh dẫn dòng chảy. Chúng được tạo ra bởi sự gắn một số đĩa khuôn. Mỗi phần làm việc với cường độ cao, chỉ có ở đầu vào của mỗi đĩa là những góc xiên nhọn.
Hình 1.18. Đầu đùn đa cân bằng
Những sự chuyển đổi này cũng là sự tới hạn trong gia công PVC cứng (PVC-U), vì vậy, những chỉ dẫn chế tạo đầu đùn đĩa này thích hợp với trạng thái gia công và cũng như sử dụng nhiều đĩa. Bởi vậy, những đầu đùn này được sử dụng cho profile đơn giản.
Đầu đùn với sự thay đổi dần dần của mặt cắt ngang
Hình 1.19. Đầu đùn với sự thay đổi liên tục của mặt cắt ngang kênh dẫn dòng chảy
Các đầu đùn luôn đòi hỏi sự chính xác kích thước cao của profile ở tốc độ đùn lớn (hình 1.19). Bởi vậy dưới đây đưa sự xem xét sự xác định của mô hình kênh dẫn dòng chảy:
- Kênh dẫn dòng chảy phải không có những điểm chết (vùng ứ đọng)
- Thời gian từ lúc nhập vào đầu đùn tới khi đi ra đầu đùn, dòng nóng chảy phải được tăng tốc đều trong mức có thể đến khi nó đạt được vận tốc đầu ra đòi hỏi trong đầu tạo hình (die land), nghĩa là trước khi khi kết thúc. Sự giảm tốc độ, nghĩa là sự tăng lên của mặt cắt ngang nên được loại trừ nếu có thể, trừ khi nguyên nhân bởi sự hỗ trợ lõi.
- Thiết kế đầu đùn nên giữ đơn giản và nên có thể tháo rời từng phần dễ dàng cho sự làm sạch hoặc thay đổi kênh dẫn dòng chảy (so sánh hình 1.20)
Hình 1.20. Đầu đùn định hình. a. đĩa cấp nhiệt, b. đai gia nhiệt, c. đầu định hình, d. phần chuyển tiếp (đĩa giá đỡ), e. phần nhập vào.
Hình 1.21. Đầu đùn định hình cho một profile cuối.
Dưới đây chỉ ra đầu đùn profile với kênh dẫn thay đổi dần dần mặt cắt ngang bao gồm ba phần chủ yếu:
- Phần nhập liệu (phần tiếp xúc)
- Phần chuyển đổi (mỗi phần chia như một bản giá đỡ) - Phần đầu đùn song song (đầu tạo hình).
Những phần này có thể nhìn thấy ở hình 1.21 và 1.22. Tuy nhiên, sự phân chia này không luôn luôn rõ ràng và các phần riêng lẻ hợp nhất vào những phần khác (hình 9 và 10). Đường bao của đầu tạo hình gần gần tương đương với profile.
Hình 6 và 9 cũng như 11 chỉ ra tỉ mỉ các đầu đùn định hình với lõi hình ngư lôi phức tạp, với sự rằng buộc với ống đầu đùn, được tiếp xúc cứng với vòng đầu đùn bên ngoài. Bởi vậy, tâm của đầu đùn định hình không thể bị điều chỉnh. Vì lí do này của mô hình, các cạnh bên của lưới trong mỗi đầu đùn trong một vài trường hợp được thiết kế yếu dẫn tới sự nổi lõi trong dòng nóng chảy ở tâm của chính nó. Tuy nhiên, điều này chỉ đạt được nếu thiết kế kênh dẫn dòng chảy đúng. Trong sự rằng buộc tới hệ thống của bệ đỡ lõi và đỉnh bệ đỡ lõi trong ống đùn lõi trong đùn định hình thường được tạo ra từ một bộ phận cùng với tấm giá đỡ trên cái mà nó định vị! Có thể rất khó khăn để lắp rắp từng đoạn lõi riêng lẻ sau khi hiệu chỉnh cần thiết đã tạo ra trong sự khởi động đầu đùn. Trong trường hợp trung tâm đầu đùn nhập liệu, các cạnh bên của lưới được tạo dáng thuôn nên chúng không gây trở ngại với dòng chảy và tất cả góc nhọn giữa cạnh bên lưới lọc và phần dữ trữ hoặc lõi được lượn tròn để loại trừ vùng ứ đọng.
Hình 1.23. Các phần chuyển đổi trong đầu đùn định hình.
Hình 1.23 chỉ ra sự giảm dạng thuyền ở đằng sau của cạnh bên giá đỡ theo hướng dòng chảy. Những sự giảm thiểu này có mục đich mang lại sự thúc đẩy của dòng nóng chảy và đảm bảo rằng các cạnh bên vật liệu của sản phẩm đùn profile có để được tạo dạng với lượng đủ vật liệu nóng chảy.
Thêm vào đó, hình 1.24 chỉ ra rằng khí được cung cấp cho các buồng rỗng của để ngăn ngừa sự oằn xuống của profle tại miệng đùn. Đây là điều đặc biệt quan trọng khi khởi động đường đùn profile. Khí nên cung cấp luôn luôn cho profile rỗng.
Như đã nói ở trên, các phần đặc nên bị loại trừ trong profile. Tuy nhiên, nếu hai dòng nóng chảy khác nhau phải chảy kế tiếp nhau trong khuôn, chúng có thể được tách ra riêng rẽ bởi một cạnh bên chia mỏng (hình 1.24). Hai dòng nóng chảy sau đó tiếp xúc với nhau, tuy nhiên, cạnh bên không xuyên qua tất cả chiều ngang, vì vậy một đường hàn liên tục được giảm trừ trong sản phẩm đùn. Cạnh bên chia nên kết thúc trước khi đầu đùn kết thúc cách một khoảng ngắn (trong khoảng 3mm), tại điểm này hai dòng nóng chảy riêng rẽ có thể kết hợp thành một hoàn toàn.
Hình 1.25. Đầu đùn định hình với một cạnh bên chia.
Vùng chứa dòng chảy ở chiều dài khác nhau trong chiều rộng và vùng co thắt của các kênh dẫn được được chỉ rõ ràng ở hình 1.25. Vùng chứa dòng nóng chảy ngắn hơn thành cạnh bên có thể được xem xét trong sự phân phối dòng chảy.
Nhiệt độ của ngư lôi của đầu đùn profile thông thường không điều khiển. Bên cạnh hệ thống cung cấp nhiệt cho đầu đùn, có một hệ thống cung cấp nhiệt thêm cho đầu tạo hình.
2.2.2 Thiết kế
Có năm hệ số cơ bản ảnh hưởng đến chất lượng của sản phẩm đùn profile: - Sự chính xác kích thước
- Hình dạng chính xác trong mặt cắt ngang cũng như dọc chiều dài - Sự chính xác trong vận hành
- Sự ló ra của bề mặt - Các đặc trưng đặc biệt
Để đạt được những yêu cầu này, thiết kế phải được bắt đầu chỉ khi đã rõ ràng profile đã được xác định rõ vật liệu và điều kiện gia công. Khi làm điều này, các quy tắc nên được tuân theo:
- Mặt cắt ngang profile nên giữ đơn giản nhất có thể. Thành bên trong nên được loại bỏ vì chúng không thể được làm lạnh trực tiếp và bởi vậy có thể gây ra vết co trong profile (Hình 1.26).
- Chiều dày thành của thành bên trong nên nhỏ hơn 20-30% thành bên ngoài. Góc nhọn nên được lượn tròn (bán kính của chúng nên trong khoảng 0.25 đến 0.50 lần chiều dày thành).
- Profile nên được thiết kế theo cách chúng giữ được hình dạng của mình trong một thời gian ngắn sau khi ra khỏi đầu đùn nhưng vẫn còn mềm.
- Các phần đặc và thay đổi đột ngột trong chiều dày thành phải bị loại bỏ vì chúng gây ra khó khăn trong phân bố dòng nóng chảy trên đầu đùn, trong bài toán làm lạnh (vết lõm gây bởi sự co ngót khác nhau), và sự méo mó của sản phẩm.
- Những buồng rỗng không nên quá nhỏ, nói cách khác những ngư lôi (lõi) có thể trở nên rất nhỏ và sẽ không hoạt động tốt.
- Các dải ngăn trên profile nên làm ngắn tới mức có thể bởi vì chúng được làm lạnh nhanh hơn (đôi khi trên cả hai kích thước), gây ra một sự méo mó của profile.
- Một profile đối xứng hoặc một profile với một đối xứng quay gây nên sự vặn vẹo nhỏ nhất bởi vì ứng suất trong quá trình làm lạnh sẽ cân bằng chính bản thân chúng.
- Trục của profile, cái mà được xác định từ tâm của trọng lực, nên trùng khớp với trục của trục vít để giảm thiểu sự khác nhau trong các phần của dòng chảy.
Sau khi mặt cắt ngang của profile được thiết lập, bố trí của kênh dẫn dòng chảy. Kết quả của sự bố trí kênh dẫn dòng chảy là một vận tốc dòng chảy trung bình đồng đều tại kết thúc đầu đùn. Ngoài ra, sự phồng của sản phẩm đùn và độ co ngót (trong lúc làm lạnh) phải được đưa vào để profile có đường bao thích hợp sau khi nó dời khỏi đầu đùn. Ngoài ra, khi thiết kế kênh dẫn dòng chảy chú ý đến sự bù cho sự làm sạch của vùng ứ đọng và giả thiết rằng phổ của thời gian lưu trú trong đầu đùn khá là hẹp. Khi khai báo kích thước của mặt cắt ngang đầu ra của đầu đùn profile, những hệ số sau phải được xem xét: quá trình tiến hành từ mặt cắt sản phẩm đùn, sự bù (tăng hoặc giảm) phải được tạo ra cho sự phồng lên của sản phẩm sau khi đi ra khỏi đầu đùn, và cho co ngót khi làm lạnh và kéo sản phẩm, nghĩa là sự khác nhau giữa vận tốc trung bình khi ra khỏi đầu đùn và tốc độ kéo sản phẩm.
Sự phồng lên
Sự phồng lên của vật liệu tại đầu ra khỏi đầu đùn gây ra trên bởi thứ nhất là sự sắp xếp lại profile vận tốc tại đầu tạo hình từ một hình dạng parabol trong kênh dẫn, gây ra do sự bám thành, tới một dòng chảy đầu vòi. Kết quả này trong sự mở rộng vị trí và sự nén trong sản phẩm khi đi ra, bởi vậy, dẫn đến sự méo mó của mặt cắt ngang. Thứ hai là sự trả lại dự trữ biến dạng trong vật liệu sẽ được giải phóng (Hình 14). Những biến dạng được dự trữ gây nên bởi sự kéo căng trong phần chuyển tiếp trong mặt cắt ngang kênh dẫn cũng như những hoạt động cắt.
(47)
đặc tính thời gian phục hồi của chất nóng chảy. Hình 1.27. Sự phồng của sản phẩm đùn và nguyên nhân của nó.
Hình 1.28. Tính toán tỉ số phồng a) tỉ số phồng như một hàm của chiều dài đầu định hình, b) tỉ số phồng như một hàm của tốc độ trượt biểu kiến.
Một nghiên cứu của ảnh hưởng của mô hình và điều kiện gia công đối với trạng thái phồng của một sản phẩm đùn cho mặt cắt ngang chữ nhật có thể không thu được một vài quy tắc có giá trị thông thường cho sự dự báo trước của sự phồng trong tính toán,
nhưng vẫn là một giá trị của những phép tương quan tìm thấy. Sự nghiên cứu trên một hợp chất của PVC và loại trừ sự tương quan giữa vùng giãn ra, góc đầu vào và tốc độ trượt biểu kiến và cơ sở của sự phồng lên trên bề mặt và sự phồng lên ở chiều cao và chiều rộng của một profile chữ nhật. Nghiên cứu này đã nhận thấy rằng sự phồng tăng lên khi vùng giãn bị làm ngắn lại và tốc độ trượt tăng lên (hình 15). từ điều này một phương trình được lấy ra có dạng
(48)
Phương trình này tương ứng với mối quan hệ của khả năng phồng lên dựa trên sự cắt và sắp xếp lại vận tốc của profile (a) với những biến dạng xảy ra trong vùng đầu vào (b) tỉ số của thời gian ổn định trong vùng giãn tới đặc tính thời gian phục hồi của dòng nóng chảy . Giá trị của sự phồng được vẽ sơ đồ tỉ số cho chiều dài của vùng giãn và tỉ số trượt biểu kiến (tỉ lệ với thời gian phục hồi) trong hình 16. Hệ số phồng gây ra bởi sự trượt và sự sắp xếp lại của profile vận tốc là a=1,5. Đối với thời gian phục hồi ngắn hơn đường cong cho vùng giãn khác nhau sẽ bị lệch từ mỗi điểm. Lí do cho điều này là sự biến dạng được đặt tại vùng đầu vào có thể giảm ở cửa vào. Kết quả của điều này là hệ số b (giai đoạn của sự biến dạng của dòng nóng chảy tại cửa vào vùng giãn) phụ thuộc vào điều kiện gia công. Điểm quan trọng khác là sự khác nhau giữa sự phồng lên trên chiều dày và chiều rộng. Hiểu biết về sự phồng quan trọng nhất theo hướng của gradient vận tốc lớn nhất, nghĩa là, theo kích thước nhỏ nhất (hình 1.30). Một mối quan hệ trực tiếp giữa tỉ số của chiều cao, chiều rộng và phân bố sự phồng không thể được đưa ra bởi vì hướng và giá trị biến dạng đặt vào ở đầu vào cũng là hệ số quan trọng.
Hình 1.29. Mối quan hệ giữa tỉ số phồng và thời gian phục hồi trong đầu tạo hình.
Hình 1.30. Kết quả tính toán hệ số phồng a) tỉ số phồng theo chiều cao như một hàm của tốc độ trượt biểu kiến, b) tỉ số phồng theo chiều rộng như một hàm của tốc độ trượt
biểu kiến
Một dự báo của sự phồng được tính toán sử dụng phần tử hữu hạn là điều có thể, với nhiều giả thiết giới hạn. Đối với kết quả này trạng thái dòng chảy của dòng nóng chảy có thể được biểu diễn bởi một định luật vật liệu mà cân nhắc “sự nhớ” của chính nó.
Dữ liệu về vật liệu đòi hỏi cho các định luật về vật liệu của loại này chỉ tồn tại ở một số trường hợp. Tính toán 3 chiều của dòng chảy đòi hỏi thời gian tính toán dài.
Sự khó khăn trong tính toán sự phồng hướng tới sự tình thế rằng trong thực tế các giá trị lấy kết quả từ thí nghiệm được sử dụng để hiệu chỉnh mặt cắt ngang của đầu tạo hình. Tất nhiên, những giá trị này phụ thuộc vào vật liệu, mô hình và điều kiện gia