BUDOWA G OWIC WYT ACZARSKICH DO RUR

Janusz W. SIKORA Katedra Procesów Polimerowych, Politechnika Lubelska ul. Nadbystrzycka 38d, 20-618 Lublin e-mail: janusz.sikora@pollub.pl, 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 ko³owym 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 tworzywa 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-shaped 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 poprzecznego nazywana jest równie g³owic¹ ko³ow¹ i stosowana jest w procesie wyt³aczania do otrzymywania rur oraz prêtów ko³owych. G³owicê wyt³aczarsk¹ do prêtów stosuje siê stosunkowo rzadko, a jej budowa jest w zasadzie najprostsza z mo liwych i z tego powodu przybli- ona zostanie tylko budowa g³owic do rur. G³owice wyt³aczarskie do rur dzieli siê na g³owice wzd³u ne, poprzeczne oraz œrubowe. Najbardziej rozpowszechnione s¹ g³owice wzd³u ne. G³owice wzd³u ne do kszta³towników o ko- ³owym kszta³cie pola przekroju poprzecznego stosowane do wyt³aczania rur, ró ni¹ siê miêdzy sob¹ przede wszystkim sposobem mocowania rdzenia do jej korpusu, znajduj¹cego siê wewn¹trz g³owicy. Przyjê³o siê mianowicie, e g³owice ko³owe u ywane do wyt³aczania rur z PVC, charakteryzuj¹ siê mocowaniem rdzenia do korpusu g³owicy za pomoc¹ eber wspornikowych symetrycznie rozmieszczonych 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 wyt³aczarki tworzywo uplastycznione dostarczane jest do g³owicy kana³em przep³ywowym wlotowym, najczêœciej o ko³owym kszta³cie przekroju poprzecznego, wspó³osiowym z uk³adem uplastyczniaj¹cym. Strumieñ tworzywa przep³ywa przez filtr tworzywa i po napotkaniu rozdzielacza rdzenia g³owicy wp³ywa do kana³u rozprowadzaj¹cego, 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

Rys. 1. G³owica wzd³u na do wyt³aczania rur a) przekrój wzd³u ny: 1 kana³ wlotowy, 2 kana³ rozprowadzaj¹cy, 3 dysza g³owicy, 4 kana³ uzupe³niaj¹cy, 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 Maschinenfabrik GmbH, Niemcy) kilka strumieni sk³adowych i przep³ywa równolegle do osi g³owicy. Z kolei strumienie sk³adowe wp³ywaj¹ do kana³u rozprowadzaj¹cego, pierœcieniowego sto kowego zbie nego liniowego, 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 poprzecznym. Tworzywo wyp³ywa z niej strumieniem pierœcieniowym o wymiarach przekroju poprzecznego zbli onych do wymiarów przekroju poprzecznego otrzymywanej rury. W wyniku rozdzielenia przep³ywaj¹cego strumienia tworzywa w kana³ach rozdzielaj¹cych i nastêpnie ³¹czenia strumieni sk³adowych w kanale rozprowadzaj¹cym zbie nym, w miejscu ³¹czenia, którym jest promieniowy odcinek prosty na ca³ej d³ugoœci wytworu, powstaj¹ z³¹cza, nie zawsze widoczne, ale na ogó³ pogarszaj¹ce w³aœciwoœci wytrzyma³oœciowe otrzymywanych rur. W miejscu ³¹czenia strumieni sk³adowych powstaj¹ zmiany w strukturze tworzywa spowodowane znaczn¹ orientacj¹ tworzywa uplastycznionego w otoczeniu eber wspornikowych. Orientacja ta powstaje z powodu du ego gradientu prêdkoœci, wystêpuj¹cego w strefie przyœciennej strumienia tworzywa uplastycznionego, wywo³anego efektem przyœciennym [5, 6] oraz w wyniku rozci¹gania makrocz¹steczek tworzywa, znajduj¹cych siê w pobli u eber. Inn¹ przyczyn¹ ró nic strukturalnych wystêpuj¹cych w miejscach ³¹czenia siê strumieni sk³adowych i utrudniaj¹c¹ ponowne wymieszanie siê tworzywa, mo e byæ mniejsza gêstoœæ tworzywa, powsta³a w wyniku ró nicy temperatury miêdzy przep³ywaj¹cym tworzywem a ebrami wspornikowymi. W osi kana³u temperatura tworzywa jest najwy sza, a promieniowe rozdzielenie strumienia tworzywa na strumienie sk³adowe za pomoc¹ eber wspornikowych sprawia, e warstwy tworzywa o wy - szej temperaturze stykaj¹ siê z ch³odniejsz¹ powierzchni¹ eber. W strefie przyœciennej wystêpuje wiêc zmniejszenie gêstoœci tworzywa, co utrudnia ponowne wymieszanie siê makrocz¹steczek podczas ³¹czenia strumieni sk³adowych. Na rysunku 2 zosta³y pokazane rozwi¹zania konstrukcyjne eber wspornikowych stosowanych najczêœciej do mocowania rdzenia z korpusem g³ównym g³owicy. Pomiêdzy jednym ebrem wspornikowym i nastêpnym tworzy siê kana³ przep³ywowy rozdzielaj¹cy. Jednym z rozpowszechnionych rozwi¹zañ konstrukcyjnych eber wspornikowych s¹ 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 siê z tym wi¹ e tak e mniejsz¹ orientacjê tworzy- 2 (marzec kwiecieñ) 2009 5

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 wspornikowe [2, 7] wa, jest wymagane stosunkowo du e pole powierzchni przekroju poprzecznego tego kana³u. Z tego powodu przyjmuje siê, e wysokoœæ ebra promieniowego prostego zazwyczaj nie mo 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 przep³yw tworzywa. Zaleca siê wiêc [6], aby ich kszta³t by³ jak najbardziej op³ywowy, a ich liczba wynosi³a od trzech, czterech dla g³owicy ma³ej do kilkunastu przy g³owicy wiêkszej. Wa ne jest równie dobranie najwiêkszej œrednicy rdzenia g³owicy oraz œrednicy rdzenia przy wyjœciu z g³owicy. Stosunek tych dwóch wielkoœci w przypadku g³owicy wzd³u nej do wyt³aczania rur z PVC zawiera siê w granicach od 1,4 do 1,6, natomiast przy g³owicy do rur z poliolefin oko³o 2. Przy g³owicy wzd³u nej o du- ych rozmiarach dopuszcza siê nieco mniejsze wartoœci stosunku œrednic, odpowiednio wynosz¹ce 1,25 do g³owicy do rur z PVC oraz 1,4 do g³owicy do rur z poliolefin [7, 8]. Kolejnym rozwi¹zaniem eber wspornikowych stosowanych w g³owicach wzd³u nych s¹ ebra promieniowe œrubowe (rys. 2b). Takie ukszta³towanie eber wspornikowych powoduje zmianê powierzchni ³¹czenia strumieni sk³adowych z przebiegaj¹cej wzd³u promieniowego odcinka prostego w powierzchniê przebiegaj¹c¹ wzd³u odcinka œrubowego o wiêkszej d³ugoœci. Uzyskuje siê w ten sposób mniejszy spadek w³aœciwoœci wytrzyma³oœciowych rury, wywo³any wystêpowaniem z³¹cza. Jednak ebra promieniowe œrubowe, z uwagi na bardziej skomplikowane wykonanie, s¹ stosowane stosunkowo rzadko. Czasami do mocowania rdzenia w g³owicy u ywa siê eber kszta³towych (rys. 2c), wykonanych w pierœcieniu noœnym w taki sposób, aby utworzy³y w nim wycinki kana³u pierœcieniowego rozdzielaj¹cego. U ycie tych eber powoduje stosunkowo ma³y spadek w³aœciwoœci wytrzyma³oœciowych rury, gdy powierzchnia ³¹czenia strumieni sk³adowych nie przebiega wzd³u ca³ego promienia, tylko jego odcinkami przesuniêtymi dodatkowo wzglêdem siebie. Podczas nadawania odpowiednich kszta³tów, kana³om rozdzielaj¹cym utworzonym przez ebra kszta³towe, nale y zwróciæ uwagê na to, aby opory przep³ywu tworzywa przez wszystkie wycinki kana³ów by³y jednakowe, co zapewni tak¹ sam¹ prêdkoœæ przep³ywu tworzywa uplastycznionego w kana³ach rozdzielaj¹cych utworzonych przez ebra wspornikowe. Znacznie czêœciej do mocowania rdzenia jest stosowany pierœcieñ rozdzielaj¹cy po³¹czony z rozdzielaczem tworzywa, pokazany na rysunku 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 tworzywa [9]. Zastosowanie pierœcienia rozdzielaj¹cego powoduje zast¹pienie kilku powierzchni ³¹czeñ, wystêpuj¹cych w przypadku eber wspornikowych, wieloma powierzchniami ³¹czeñ strumieni sk³adowych rozmieszczonymi stosunkowo równomiernie w ca³ym przekroju wzd³u nym rury wyt³aczanej. Nastêpuje wiêc z³agodzenie niekorzystnego dzia³ania kilku po- 6 Przetwórstwo Tworzyw

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 wierzchni ³¹czeñ strumieni sk³adowych tworzywa. Wyt³aczaj¹c na przyk³ad kszta³townik charakteryzuj¹cy siê przekrojem poprzecznym zamkniêtym, na przyk³ad rurê, jest wskazane, aby wykonaæ w g³owicy wytaczarskiej kana³ uzupe³niaj¹cy, przez który w czasie wyt³aczania jest dostarczane powietrze pod ma³ym ciœnieniem. Zapobiega to wytworzeniu siê wewn¹trz kszta³townika obszaru, w którym ciœnienie jest obni one i w zwi¹zku z tym zapadaniu siê jego œcianek. Stosunkowo ³atwo jest taki kana³ wykonaæ w ebrach promieniowych prostych. W celu zmniejszenia niekorzystnego oddzia- ³ywania powierzchni ³¹czeñ strumieni sk³adowych tworzywa wystêpuj¹cych w miejscach ich ³¹czenia siê, stosuje siê wiele modyfikacji konstrukcji g³owic wyt³aczarskich wzd³u nych, g³ównie polegaj¹cych na [7, 10]: u yciu elementów obrotowych rdzenia g³owicy, co wymaga jednak korzystania z dodatkowego napêdu i zabezpieczenia g³owicy przed niepo ¹danymi wyciekami tworzywa, powlekaniu eber wspornikowych materia- ³ami przeciwprzyczepnymi, na przyk³ad PTFE, ale pow³oki te, w warunkach panuj¹cych w g³owicy wytaczarskiej, ulegaj¹ szybkiemu zu yciu, wyd³u aniu drogi przep³ywu tworzywa w g³owicy po przebyciu przez kana³y rozdzielaj¹ce, poprzez wykonanie kana³ów przep³ywowych zmieniaj¹cych kierunek ich przep³ywu, co znacznie utrudnia i podra a wykonanie g³owicy, a tak e mo e spowodowaæ zbyt du y spadek ciœnienia tworzywa w kana³ach przep³ywowych, ogrzewaniu eber wspornikowych, którego zastosowanie ze wzglêdu na ich ma³e wymiary wymaga doœæ skomplikowanych rozwi¹zañ konstrukcyjnych. Budowa rdzenia g³owicy wyt³aczarskiej powinna byæ taka, aby zmniejsza³ siê niekorzystny wp³yw powierzchni ³¹czenia strumieni sk³adowych tworzywa na w³aœciwoœci wytrzyma³oœciowe otrzymywanej rury. Na przyk³ad, podczas zmniejszania œrednicy kana³u rozprowadzaj¹cego pierœcieniowego, nastêpuje jednoczesne zmniejszanie wysokoœci tego kana³u. Zaleca siê wiêc, aby k¹t pochylenia powierzchni zewnêtrznej kana³u by³ wiêkszy od k¹ta pochylenia powierzchni wewnêtrznej kana³u, przy czym k¹t pochylenia powierzchni wewnêtrznej kana³u powinien zawieraæ siê w granicach od 10 do 15 deg. Bardzo czêsto zamiast rdzenia 2 (marzec kwiecieñ) 2009 7

o powierzchni jednolitej geometrycznie stosuje siê rdzeñ z wykonanymi na jego powierzchni, kilkoma lub kilkunastoma zwojami o ma³ym skoku. Aby zapobiec niedu emu ruchowi obrotowemu rury wyt³aczanej, wykonuje siê na wewnêtrznej powierzchni korpusu g³owicy wyt³aczarskiej podobne zwoje, ale o przeciwnym kierunku skrêcenia. Stanowi¹ one specyficzne elementy mieszaj¹ce umiejscowione w g³owicy, które maj¹ za zadanie dok³adnie wymieszaæ tworzywo za ebrami wspornikowymi i spowodowaæ, e mikrostruktura otrzymanej rury w przekroju poprzecznym bêdzie w jak najwiêkszym stopniu jednolita. Niekiedy powierzchnia zewnêtrzna rdzenia g³owicy jest pokryta celowo makronierównoœciami w postaci makrowg³êbieñ i makrowzniesieñ wzd³u nych co powoduje, e na powierzchni wewnêtrznej rury wyt³aczanej odwzorowuj¹ siê wzd³u nie makronierównoœci rdzenia. Rury z powierzchni¹ wewnêtrzn¹ niejednolit¹ geometrycznie odznaczaj¹ siê mniejszym tarciem w kontakcie z na przyk³ad kablem optotelekomunikacyjnym, co w przypadku jego instalowania 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 g³owicy uzyskaæ okreœlony zakres œrednicy rury wytwarzanej, przy zmiennej gruboœci œcianki rury. Zmiana ta wymaga jednak zatrzymania procesu wyt³aczania, demonta u rdzenia i korpusu dyszy, wymiany tych elementów oraz ponownego rozruchu linii technologicznej wyt³aczania. Znane s¹ jednak rozwi¹zania konstrukcyjne g³owic, które umo liwiaj¹ zmianê gruboœci œcianki i œrednicy rury wyt³aczanej bez zatrzymywania procesu wyt³aczania. W pierwszym rozwi¹zaniu zmianê gruboœci œcianki osi¹ga siê poprzez zastosowanie odkszta³calnej tulei w dyszy, której œrednicê mo na zmieniaæ za pomoc¹ kilkudziesiêciu œrub regulacyjnych rozmieszczonych na obwodzie korpusu dyszy [14]. Natomiast w innym rozwi¹zaniu zmianê gruboœci œcianki i œrednicy rury wyt³aczanej otrzymuje siê przez zastosowanie w g³owicy ruchomego, przesuwnego osiowo rdzenia sto - kowego, tworz¹cego wraz z powierzchni¹ sto - kow¹ korpusu dyszy, kana³ przep³ywowy o regulowanej wysokoœci [15]. G³owica natomiast, wspó³dzia³a z oryginalnym urz¹dzeniem kalibruj¹cym sk³adaj¹cym siê z kilkuset elementów kszta³towych maj¹cych mo liwoœæ ruchu promieniowego (rys. 4). Elementy przylegaj¹ do siebie nawzajem powierzchniami bocznymi i razem stanowi¹ cylinder, którego œrednicê mo na zmieniaæ w zale noœci od potrzeby. Rozwi¹zanie 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 zatrzymywania procesu wyt³aczania (Krauss-Maffei, Niemcy) 8 Przetwórstwo Tworzyw

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 zakresach, na przyk³ad od 32 do 70 mm lub od 160 do 250 mm, ciœnienie tworzywa w g³owicy nie mo e przekroczyæ 60 MPa [15]. Decyduj¹ce znaczenie dla w³aœciwoœci rury wytwarzanej ma d³ugoœæ dyszy, któr¹ okreœla siê stosunkiem d³ugoœci kana³u przep³ywowego dyszy do wysokoœci tego kana³u lub gruboœci œcianki rury. Zalecana wartoœæ tego stosunku wynosi na od 10 do 30, jednak dla g³owic wzd³u nych do rur z PVC przyjmuje siê najczêœciej 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 informacje [7] zalecaj¹ce jeszcze wiêksze wartoœci stosunku d³ugoœci kana³u przep³ywowego dyszy g³owicy wyt³aczarskiej do wysokoœci tego kana³u, na przyk³ad 50. W literaturze brak jest jednoznacznego pogl¹du, co do wysokoœci dyszy g³owicy wyt³aczarskiej, ogólnie mo na przyj¹æ, e wysokoœæ ta powinna byæ o 5 do 10% mniejsza od gruboœci œcianki rury wyt³aczanej [7]. W celu uzyskania rury o równomiernej gruboœci œcianki nale y zapewniæ mo liwoœæ zmiany po³o enia osi dyszy wzglêdem osi rdzenia g³owicy. Przeprowadza siê to z regu³y poprzez zmianê po³o enia dyszy za pomoc¹ œrub centruj¹cych mocowanych w korpusie g³owicy lub w specjalnym pierœcieniu centruj¹cym. Zmiana po³o enia dyszy g³owicy wytaczarskiej odbywa siê w czasie trwania procesu wyt³aczania. Cech¹ charakterystyczn¹ rozwi¹zania [16] g³owicy wzd³u nej przeznaczonej do wyt³aczania rur, przede wszystkim rur z poliolefin, jest mocowanie jej rdzenia do korpusu g³ównego za pomoc¹ tulei rozdzielaj¹cej [3, 4]. Tuleja rozdzielaj¹ca ma postaæ odcinka rury z wykonanymi przelotowo, wzd³u gruboœci œcianki tulei, otworami przelotowymi. Schemat tej g³owicy pokazany zosta³ na rysunku 5. Tworzywo wp³ywaj¹c do g³owicy kana³em wlotowym, natrafia na rozdzielacz rdzenia, który zmienia kierunek przep³ywu tworzywa o 90 deg, w ten sposób kieruj¹c je promieniowo na zewn¹trz. Podczas tego przep³ywu strumieñ tworzywa mo e byæ rozdzielany na wiele strumieni sk³adowych za pomoc¹ krótkich, walcowych, równoleg³ych wzglêdem siebie, kana³ów rozdzielaj¹cych o œrednicy na ogó³ od 1 do 2,5 mm, wykonanych w tulei rozdzielaj¹cej, prostopadle do osi g³owicy wyt³aczarskiej. Po przep³yniêciu kana³ów rozdzielaj¹cych, utworzonych przez otwory przelotowe tulei, strumienie sk³adowe tworzywa dostaj¹ siê do kana³u rozprowadzaj¹cego pierœcieniowego i napotykaj¹ sto kow¹ powierzchniê wewnêtrznej œcianki korpusu g³owicy. Powoduje to ponown¹ zmianê kierunku przep³ywu tworzywa o 90 deg, przy jednoczesnym doœæ intensywnym mieszaniu strumieni sk³adowych, spowodowanym ³¹czeniem strumieni sk³adowych i gwa³town¹ zmian¹ kierunku ich przep³ywu. Dalszy przep³yw tworzywa w kanale rozprowadzaj¹cym zachodzi podobnie, jak w g³owicy prostej rdzeniowej. Przez zastosowanie do mocowania rdzenia w g³owicy wzd³u nej, tulei rozdzielaj¹cej (rys. 6) uzyskuje siê du ¹ powierzchniê przep³ywu, natomiast gwa³towne zmiany kierunku przep³ywu tworzywa powoduj¹ dobre ujednorodnienie w³aœciwoœci i struktury tworzywa, a tak- e prawie ca³kowity brak powierzchni ³¹czeñ w wytworze. 2 (marzec kwiecieñ) 2009 9

Rys. 6. Fragment g³owicy wzd³u nej do wyt³aczania rur z tulej¹ rozdzielaj¹c¹: 1 tuleja rozdzielaj¹ca, 2 kana³y rozdzielaj¹ce, 3 element mocuj¹cy rozdzielacz rdzenia (American Maplan Corporation, USA) Przep³yw tworzywa w tych g³owicach odbywa siê w ni szej temperaturze ni w g³owicach wzd³u nych z ebrami wspornikowymi i w zwi¹zku z tym wystêpuje mniejsze niebezpieczeñstwo degradacji cieplnej tworzywa. Dodatkowo 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 konstrukcj¹ g³owicy z tulej¹ rozdzielaj¹c¹, w której stosunek najwiêkszej œrednicy rdzenia do œrednicy rdzenia przy wyjœciu z g³owicy mo e wynieœæ 1,4, a wiêc jest mniejszy ni w g³owicach wzd³u nych z ebrami wspornikowymi [16]. G³owica wzd³u na maj¹ca tulejê rozdzielaj¹c¹ charakteryzuje siê znacznie mniejsz¹ wartoœci¹ ca³kowitego spadku ciœnienia tworzywa wynosz¹c¹ od 7 do 12 MPa, a najwiêksza wartoœæ 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 ma³ej œrednicy, na przyk³ad 10 mm. S¹ one tak e efektywne przy otrzymywaniu rur o œredniej œrednicy na przyk³ad 450 mm z masowym natê eniem przep³ywu 800 kg/h, ciê ar takiej g³owicy wynosi 1900 kg. Maj¹ tak e zastosowanie przy wyt³aczaniu rur o du ej œrednicy wynosz¹cej 1400 mm. W tym ostatnim przypadku g³owica Rys. 7. Przekrój wzd³u ny g³owicy wzd³u nej o zmiennej d³ugoœci: 1 korpus g³ówny sk³adany, 2 korpus dyszy, 3 nakrêtka regulacyjna, 4 przeciwnakrêtka regulacyjna, 5 kana³ wlotowy, 6 kana³y rozprowadzaj¹ce, 7 dysza g³owicy, A czêœæ sta³a g³owicy, B czêœæ ruchoma g³owicy [2] mo e mieæ ciê ar 25000 kg a przep³ywa przez ni¹ nawet 1200 kg tworzywa w ci¹gu godziny [16]. W celu kontrolowania zjawisk zachodz¹cych podczas przep³ywu tworzywa przez kana³ rozprowadzaj¹cy i dyszê g³owicy wyt³aczarskiej wzd³u nej stosuje siê niekiedy rozwi¹zania konstrukcyjne umo liwiaj¹ce zmianê d³ugoœci g³owicy (rys. 7). Powoduje to zmianê 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 regulacyjna, 8 kana³ obwodowy 10 Przetwórstwo Tworzyw

Rys. 9. Wygl¹d g³owicy poprzecznej: 1 ³¹cznik g³owicy, 2 pierœcieñ regulacyjny, 3 œruba regulacyjna, 4 rdzeñ g³owicy, 5 grzejnik elektryczny (Guill Tool & Engineering Co. Inc., USA) przede wszystkim d³ugoœci drogi przep³ywu tworzywa i zwi¹zanych z tym warunków przep³ywu tworzywa w kana³ach rozprowadzaj¹cych i dyszy g³owicy wyt³aczarskiej. D³ugoœæ mo na te dostosowaæ do potrzeb przetwórczych wynikaj¹cych z wyt³aczania ró nych tworzyw. Kolejnym rodzajem g³owicy wyt³aczarskiej przeznaczonej do otrzymywania rur jest g³owica poprzeczna, której schemat ogólny przedstawiono przyk³adowo na rysunku 8, a wygl¹d na rysunku 9. G³owice poprzeczne s¹ stosowane do otrzymywania rur o mniejszych œrednicach, do kilkudziesiêciu milimetrów [7]. W g³owicy poprzecznej strumieñ tworzywa uplastycznionego przep³ywa, z uk³adu uplastyczniaj¹cego, kana³em wlotowym usytuowanym prostopadle do dyszy g³owicy wyt³aczarskiej. Ko³owy lub sto kowy zbie ny kana³ wlotowy ³¹czy siê z kana³em obwodowym wykonanym w rdzeniu kana³owym walcowym lub sto kowym tak, e tworzywo jest doprowadzane pod pewnym k¹tem do osi g³owicy. Kana³ w rdzeniu przechodzi nastêpnie w kana³ rozprowadzaj¹cy pierœcieniowy, sto kowy zbie - ny liniowy i dalej w dyszê [17]. Podczas konstruowania g³owic poprzecznych na ogó³ nie ma wiêkszego problemu z kana³em uzupe³niaj¹cym doprowadzaj¹cym powietrze do wnêtrza rury, gdy wykonuje siê go w osi rdzenia. Podstawow¹ jednak trudnoœci¹ jest prawid³owe okreœlenie cech geometrycznych rdzenia kana³owego (rys. 10), w szczególnoœci kana³u wykonanego na jego obwodzie. Trzeba go tak skonstruowaæ, aby uzyskaæ niemal jednakow¹ prêdkoœæ przep³ywu tworzywa na ca³ym obwodzie rdzenia, a w efekcie równomiern¹ prêdkoœæ wyt³aczania rury. Dlatego kana³ obwodowy w rdzeniu w miejscu po³¹czenia z kana³em wlotowym ma du e pole powierzchni przekroju poprzecznego, które nastêpnie w sposób ci¹g³y zmniejsza siê, wskutek zmiany g³êbokoœci i szerokoœci kana³u. Uzyskuje siê w ten sposób pewien obszar magazynuj¹cy tworzywo, które dopiero po ca³kowitym jego wype³nieniu, wskutek ma³ego oporu przep³ywu, mo e byæ doprowadzone dalej kana³em rozprowadzaj¹cym o du ym oporze przep³ywu w kierunku dyszy g³owicy. Wad¹ tego rozwi¹zania jest jednak, trudny do okreœlenia, czas przebywania tworzywa w kanale obwodowym, co mo e prowadziæ do jego degradacji cieplnej. G³owice œrubowe, podobnie jak g³owice wzd³u 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 tworzywa uplastycznionego jest rozdzielany na co najmniej 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 kana³y 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- 2 (marzec kwiecieñ) 2009 11

Rys. 10. Przyk³ad wykonania rdzeni kana³owych walcowych z widocznym kana³em obwodowym (Guill Tool & Engineering Co. Inc., USA) Rys. 11. Wygl¹d rdzenia kana³owego gwiaÿdzistoœrubowego g³owicy œrubowej do rozprowadzenia tworzywa po jego obwodzie wraz z pogl¹dowym czêœciowym przekrojem wzd³u nym: 1 kana³ rozprowadzaj¹cy walcowy, 2 kana³ rozprowadzaj¹cy œrubowy, 3 rozdzielacz rdzenia (Cincinnati, Austria) Rys. 12. Rdzeñ kana³owy ramienno-œrubowy z rozprowadzeniem tworzywa po obwodzie: 1 kana³ rozprowadzaj¹cy walcowy, 2 kana³ rozprowadzaj¹cy œrubowy, 3 kana³ relaksacyjny [20] wadzaj¹ce kana³y walcowe rozchodz¹ce siê prostopadle wzglêdem kana³u wlotowego i przechodz¹ce prostopadle w kolejne rozprowadzaj¹ce kana³y walcowe wykonane na powierzchni 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 œrubowej stosuje siê na rdzeniu od kilku do kilkunastu, czasami kilkudziesiêciu, zwojów kana³ów œrubowych [21]. G³êbokoœæ kana³ów œrubowych w rdzeniu gwiaÿdzisto-œrubowym najczêœciej zmniejsza siê a do zaniku w kierunku dyszy, zaœ wysokoœæ szczeliny pomiêdzy górn¹ powierzchni¹ zwoju a wewnêtrzn¹ powierzchni¹ korpusu g³owicy wzrasta ci¹gle. W ten sposób tworzywo w miejscu najwiêkszej g³êbokoœci kana³ów przep³ywa wy³¹cznie kana³em œrubowym, ale w miarê zbli anie siê do dyszy, 12 Przetwórstwo Tworzyw

Rys. 13. Rdzeñ gwiaÿdzisto-œrubowy z rozprowadzeniem tworzywa po obwodzie: 1 kana³ rozprowadzaj¹cy walcowy, 2 kana³ rozprowadzaj¹cy œrubowy, 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) a wiêc zmniejszania g³êbokoœci kana³ów, coraz wiêcej tworzywa zaczyna przep³ywaæ równie szczelin¹ pomiêdzy zwojem kana³u a powierzchni¹ korpusu g³owicy. Znane s¹ tak e rozwi¹zania konstrukcyjne g³owic œrubowych, których rdzeñ gwiaÿdzistoœrubowy, ma du ¹ liczbê kana³ów œrubowych o niepe³nym skoku. G³êbokoœæ kana³ów jest sta³a i najwiêksza na ca³ej d³ugoœci kana³u, oprócz obszaru wlotowego i wylotowego, w którym g³êbokoœæ zmienia siê odpowiednio od najmniejszej do najwiêkszej i od najwiêkszej do najmniejszej (rys. 13). W rdzeniu kana³owym g³owicy œrubowej kana³ rozprowadzaj¹cy ma sta³¹ g³êbokoœæ wzd³u obwodu rdzenia, tworzywo dopiero po jego wype³nieniu przep³ywa do kana³ów rozprowadzaj¹cych œrubowych, których g³êbokoœæ jest najczêœciej tak e sta³a. Niekiedy zamiast rdzenia gwiaÿdzisto-œrubowego z uk³adem gwiaÿdzistym kana³ów rozprowadzaj¹cych, stosuje siê rdzeñ walcowoœrubowy, w którym tworzywo jest dostarczane do kana³ów œrubowych przez uk³ad pierœcieniowy kana³u rozprowadzaj¹cego [7]. Zastosowanie rdzeni kana³owych powoduje, e w dyszy g³owicy ostatecznie przep³ywa strumieñ tworzywa uplastycznionego powsta- ³y z wielokrotnego na³o enia siê strumieni obwodowych i strumieni wzd³u nych. Strumienie te powstaj¹ wskutek rozprowadzenia tworzywa 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 tworzywa przep³ywaj¹cych w ró nych kierunkach pozwala na dobre wymieszanie i ujednorodnienie w³aœciwoœci oraz uzyskanie w³aœciwego rozk³adu prêdkoœci oraz temperatury tworzywa wyt³aczanego. Zalet¹ g³owicy œrubowej jest tak e brak elementów mocuj¹cych rdzeñ i rozdzielaj¹cych tworzywo, co ca³kowicie eliminuje powierzchnie ³¹czeñ, jakie powstaj¹ podczas ponownego zespalania strumieni sk³adowych. Ze wzglêdów bezpieczeñstwa oraz zmniejszenia strat cieplnych, na g³owice mo na na³o yæ izolacjê ciepln¹, co pokazano przyk³adowo na rysunku 14. Znacz¹c¹ trudnoœci¹ przy konstruowaniu g³owic œrubowych jest odpowiednie dobranie cech konstrukcyjnych kana³ów przep³ywowych, zapewniaj¹cych w³aœciwy czas przebywania tworzywa w g³owicy, eliminuj¹cych strefy zastoju tworzywa oraz umo liwiaj¹cych samooczyszczanie jej kana³ów przep³ywowych. 2 (marzec kwiecieñ) 2009 13

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] Firma Battenfeld Extrusionstechnik GmbH proponuje inne rozwi¹zanie konstrukcyjne g³owicy do rur, stanowi¹ce po³¹czenie rozwi¹zañ stosowanych w g³owicy wzd³u nej œrubowej z dodatkow¹ tulej¹ rozdzielaj¹c¹, tak jak pokazano to na rysunku 15. Zastosowanie elementu konstrukcyjnego rozdzielaj¹cego strumieñ tworzywa wyp³ywaj¹cego z wyt³aczarki jednoczeœnie do dwóch i wiêcej g³owic wyt³aczarskich [23], umo liwia zastosowanie g³owic podwójnych (bliÿniaczych) (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 poprowadzon¹ kana³em pomocniczym i zakoñczon¹ rozpylaczem pneumatycznym wystaj¹cym z dyszy g³owicy [24]. Rys. 16. Wygl¹d g³owic wyt³aczarskich wzd³u nych wraz z rozdzielaczem montowanym do uk³adu uplastyczniaj¹cego wyt³aczarki: a) podwójnych (bliÿniaczych) do rur (Krauss Maffei, Niemcy), b) poczwórnych do rur (Dietzel, Austria) 14 Przetwórstwo Tworzyw

Literatura 1. Sikora R.: Przetwórstwo tworzyw wielkocz¹steczkowych. Wydawnictwo Edukacyjne, Warszawa 1993. 2. Praca zbiorowa pod redakcj¹ Sikory R.: Przetwórstwo tworzyw polimerowych. Podstawy logiczne, formalne i terminologiczne. Wydawnictwo Politechniki Lubelskiej, Lublin 2006. 3. Sikora J.W.: Selected Problems of Polymer Extrusion. Wydawnictwo Naukowe WNGB, Lublin 2008. 4. Stasiek J.: Wyt³aczanie tworzyw polimerowych. Zagadnienia wybrane. Wydawnictwa Uczelniane Uniwersytetu Technologiczno-przyrodniczego w Bydgoszczy, Bydgoszcz 2007. 5. Ferguson J., Kemb³owski Z.: Reologia stosowana p³ynów. Wydawnictwo Marcus, ódÿ 1995. 6. Sikora R.: Podstawy przetwórstwa tworzyw wielkocz¹steczkowych. Wydawnictwo Politechniki Lubelskiej, Lublin 1992. 7. Michaeli W.: Extrusion Dies for Plastics and Rubber. 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 Postêp w przetwórstwie tworzyw termoplastycznych. Politechnika Czêstochowska, Czêstochowa 1995, 209. 11. Patent polski nr 182449. 12. Klepka T.: Konstrukcja osiowo-symetrycznych wytworów polimerowych o kszta³tach z³o onych. Polimery 2008, 53, 390. 13. Klepka T.: Badania cech konstrukcyjnych wytworów z tworzyw polimerowych metod¹ ultradÿwiêkow¹. Polska Akademia Nauk, Odzia³ w Lublinie. Teka Komisji Budowy i Eksploatacji Maszyn, Elektrotechniki, Budownictwa. Volume II. Lublin 2008, 69. 14. Gross H.: Flexible Werkzeugwände. Kunststoffe 2003, 93, 28. 15. Materia³y informacyjne firmy Krauss Maffei GmbH, Niemcy. 16. Materia³y informacyjne firmy American Maplan Corporation, USA. 17. Materia³y informacyjne firmy Guill Tool & Engineering, USA. 18. Materia³y informacyjne firmy Reifenhäuser Extrusion, Niemcy. 19. Materia³y informacyjne firmy Cincinnati, Austria. 20. Fisher P., Wortberg J.: New Spiral Mandrel Dies. Referat prezentowany podczas SKZ Conference on Innovations 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 Gloucester Engineering, USA. 23. Materia³y informacyjne firmy Guill Tool & Engineering Co. Inc., USA. 24. Polskie zg³oszenie patentowe P 360302 (2003). 2 (marzec kwiecieñ) 2009 15