Winner - декинг "премиум класса" по экономичной цене!
Главная страница / Статьи / Профили и инструменты

Профили и инструменты

Конструирование экструзионных профилей значительно отличается от конструирования профилей, получаемых из древесных материалов традиционным способом, например, строганием. Экструзией можно получить профили гораздо более сложных геометрических форм, при помощи которых можно решать по-новому и с большей эффективностью старые проблемы конструирования столярных и строительных изделий. Каждый теперь знает, например, насколько отличаются конструкции пластиковых окон или дверей от традиционных деревянных и т.д. Однако, в этой технологии есть и свои специфические особенности и ограничения.

Конструирование профилей из древесно-полимерных композитов, в главных чертах не отличается от конструирования профилей из традиционных пластмасс, например - поливинилхлорида. В нем применяются те же основные конструктивно-технологические подходы и приемы, обеспечивающие условия рационального облегчения массы конструкции и обеспечения заданного качества продукта.

Конструирование простых профилей ( стержней, цилиндрических или прямоугольных труб и т.п.) не сложно. Но если профиль имеет кромки, внутренние и наружные ребра, поднутрения и т.п., то его конструкция требует взвешенного продуманного подхода с учетом свойств материала, конструкции экструдера, фильеры и калибратора и т.д.

Прежде всего, для выбранногопрофиля необходимо уточнить те размеры, которые необходимо выдерживать с наибольшей точностью. Если стремиться получить профиль с большим количеством точных размеров, то это значительно увеличит его стоимость вследствие усложнения инструмента и снижения скорости экструзии. Поэтому, вначале конструирования необходимо определиться со следующими вопросами: где экструзионный профиль сопрягается с другими деталями, где другие детали вставляются в пазы и выборки на профиле, движется ли сопрягаемая деталь, как она движется и каковы ее размеры?

При конструировании профилей обычно используют следующие общие принципы :

  • желательно обеспечивать в конструкции профиля одинаковую толщину стенок, особенно наружных;
  • следует избегать резкого изменения толщины стенок профиля;
  • необходимо стремиться к симметричности профиля относительно центра тяжести сечения;
  • нежелательно в профиле сочетание больших пустот и массивных стержней;
  • внутренние и наружные углы изделия должны быть скруглены;
  • внутренние стенки профиля должны быть на 20-40% тоньше, чем наружные;
  • для точной фиксации сопрягаемой с профилем детали не рекомендуется выбирать в качестве баз внутренние поверхности и внутренние стенки профиля.

Одним из наиболее сложных факторов, учитываемых при конструировании фильеры является (заданная конструктивно) различная толщина стенок профиля. Расплавленная полимерная смесь подобна жидкости и поэтому узкие участки фильеры обладают большим гидродинамическим сопротивлением .

Гофрирование профиля, вызванное нарушением баланса скоростей потока расплава на выходе из фильеры.
Рис. 1. Гофрирование профиля, вызванное нарушением баланса скоростей потока расплава на выходе из фильеры.

Расплав стремится течь в них с меньшей скоростью, а через широкие участки - с большей. В результате экструдат, выходящий с большей скоростью, собирается в так называемый гофр (волну), а выходящий с меньшей скоростью, - чересчур сильно вытягивается и рвется см. пример на рис. 1

Если профиль изделия имеет разные толщины стенок, а фильера одинаковую длину канала, то это приведет к большой разнице скоростей движения экструдата, см.рис 2.




Поле скоростей экструдата при выходе фильеры

Рис. 2. Поле скоростей экструдата при выходе фильеры: а) несбалансированная фильера, б) фильера сбалансированной посредством длины параллельных зон, в) фильера с разделителем потока.

На рис.3, представлен график зависимости отношения скоростей Vl /V2 в зависимости от отношения толщин стенок Н1 /Н2 для типичного ( не древеснонаполненного ) компаунда на основе ПВХ

График зависимости отношения скоростей vl/v2 в зависимости от отноше­ния толщин стенок Н1 /Н2.
Рис.3. График зависимости отношения скоростей vl/v2 в зависимости от отноше­ния толщин стенок Н1 /Н2.

Из графика видно, что даже небольшая разница в толщине стенки в 20% приводит к двукратной разнице скоростей. В этом случае необходимо регулирование баланса потока, т.е. с помощью изменения гидравлического сопротивления разных участков фильеры добиваются одинаковой скорости движения экструдата. Чаще всего это осуществляют изменением длины канала L, - так называемой параллельной зоны фильеры (рис. 2.б)

При изготовлении фильеры сложно обеспечить отношение L1/L2 > 3..4. Как видно из графика зависимости Ll/L2 от Н1/Н2 ( рис.4 ) отношение толщин стенок не следует выбирать более, чем 1:2,5.

Зависимость отношения длин ручьев фильеры от отношения их толщин
Рис. 4. Зависимость отношения длин ручьев фильеры от отношения их толщин

Кроме того, при резко изменяющейся толщине стенок возникает эффект попереч­ного перетекания потока между участками с разной толщиной, что приводит к по­явлению дефекта «волны» на толстом участке возле границы участков. Для устранения этого дефекта между участками с большой разницей в толщине изготавливается тонкая перегородка, которая не позволяет распределяться давлению между участками профиля. Разделитель заканчивается за несколько миллиметров до окончания фильеры, что позволяет потокам сплавиться, см. рис.2.в.

Однако, эта технология имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что на месте сплавления потоков образуется линия пониженной прочности профиля.

На рис. 5. представлено несколько характерных методических примеров улучшения конструкции и технологичности профиля.

Варианты правильной и неправильной конструкции профилей

Рис. 5. Варианты правильной и неправильной конструкции профилей.

При охлаждении профиля толстые стенки остывают медленнее, материал усаживается сильнее и профиль изгибается в сторону более толстой стенки. Проблема неравномерного охлаждения возникает и при изготовлении несимметричного профиля, содержащего пустоты и массивные стержни, см. рис 6.

Поле температур (185°С - 20°С) несимметричного профиля при остывании в калибраторе (а-г) и дефект профиля (д).

Рис. 6. Поле температур (185°С - 20°С) несимметричного профиля при остывании в калибраторе (а-г) и дефект профиля (д).

Искривление профиля исправимо при использовании :

  • более точно на­страиваемого калибрующего инструмента
  • применения нагревателей, прогревающих профиль с одной стороны,

При этом увеличивается продолжительность выхода на стабильный технологический режим, и, в конечном счете, несколько повышается стоимостть изделия .

При проектировании профиля не следует стремиться делать внутренние и наружные углы острыми. В процессе экструзии при вытягивании профиля острые наружные углы становятся закругленными, причем минимально достижимый радиус равняется примерно 0,3 мм. Это значение радиуса вполне достаточно для большинства применений. Поэтому нет необходимости делать радиус в фильере меньше данного значения.

Проблемой острого наружного угла, выполненного в фильере, является наличие тонкой полоски на профиле (бугорка), которая образуется при вытягивании. При неточной настройке положения калибратора относительно фильеры данная полоска может находиться на одной из граней угла, что придает профилю неаккуратный вид.

Еще одной проблемой острых углов является застой материала в наружных углах профиля и нестабильность потока в острых внутренних углах, см. рис. 7. Особенно эта проблема проявляется при экструзии древесно-полимерных композитов. Это вызвано тем, что в наружных углах значение напряжения сдвига может быть меньше предела текучести .

Поле касательных напряжений расплава для профиля с острыми углами (а); для профиля со скругленными углами (б)

Рис. 7. Поле касательных напряжений расплава для профиля с острыми углами (а); для профиля со скругленными углами (б).

Острые внутренние углы вызывают локальный максимум касательных напряжений. Поток становится нестабильным. Кроме того, острые внутренние углы являются концентраторами напряжений, которые отрицательно влияют на прочность профиля.

Главным отличием профилей, изготавливаемых из ДПК является большая толщина стенок изделий ( по сравнению с профилями, формуемыми из обычных пластмасс ), что объясняется более высокой вязкостью смеси ( меньшей текучестью). Но, во многих случаях это является функционально оправданным, так как изделия изготавливаемые из обыкновенных экструзионных пластмасс часто являются недостаточно жесткими. Например, обычный виниловый сайдинг прогибается даже при легком нажатии пальцем. В этом смысле, увеличенные сечения ДПК обеспечивают органолептику и другие конструктивные свойства гораздо более близкие к натуральной древесине.

Например, фирма «Grane Plastics Company» рекомендует для композиции «TimberTech» толщины стенок профилей в ряду от 6 до 9 мм, фирма «Fasalex» рекомендует для своих композиций толщины стенок профилей в пределах от 1,5 до 4 мм. Конкретные сечения стенок профилей для каждого изделия выбираются отдельно исходя из назначения профиля, применяемой композиции, схемы монтажа и др. условий.

ДПКТ, по сравнению с обычными пластмассами, имеют меньшую теплоемкость. Они быстрее остывают, приобретают окончательную форму и в меньше степени склонны к температурной усадке. Поэтому в конструкциях профилей из ДПКТ допустимо выполнение массивных элементов. В частности, в США уже производятся профили из ДПКТ массой 27 кг на 1 пог.м (сечение 101х305 мм).

ДПКТ

Эти же свойства материала упрощают изготовление профилей с не вполне симметричными сечениями.

В настоящее время для проектирования профилей и фильер для их экструзии широко используются методы математического моделирования, см рис. 8.

Компьютерная система проектирования фильер

Рис.8. Компьютерная система проектирования фильер

Более подробно ознакомиться с большим количеством конкретных профилей из ДПКТ можно в специальной библиотеке фотографий , см. директории на диске ( WPC2/pict/pict-profiles, WPC2/pict/Pict-primenenia, WPC2/pict/pict-chertezi ). Эти профили можно использовать в качестве аналогов при конструировании собственных изделий.

Для правильного конструирования профилей в большой степени имеет значение не только научный подход, но и практический опыт и интуиция специалистов. Поэтому при разработке чертежей профилей желательно консультироваться с поставщиком фильеры.

При подготовке данной главы были заимствованы материалы статьи "Конструирование конструкционных профилей из пластмасс" Квятинский А.Г., Racoon Plastic (www.extrusion.by)

Автор статьи: Абушенко Александр Викторович