如何避免型材翘曲

作者:文/本刊编译(原文来自Novatec公司) 文章来源:PT《现代塑料》2014年3月刊 发布时间:2014-03-28
塑料型材会通过弯曲,翘曲,扭曲来表明它没有被均匀地冷却.可见,均匀地冷却对消除型材翘曲至关重要.本文对3种常见的型材挤出冷却方法进行了探讨,指出采用喷淋冷却和浸没水冷却(特别是前者)避免型材翘曲要明显优于空气冷却.

塑料型材会通过弯曲、翘曲、扭曲来表明它没有被均匀地冷却。可见,均匀地冷却对消除型材翘曲至关重要。本文对3种常见的型材挤出冷却方法进行了探讨,指出采用喷淋冷却和浸没水冷却(特别是前者)避免型材翘曲要明显优于空气冷却。

更快一些!每个公司都希望可以在相同的生产线上用相同的劳动量生产出更多的产品。塑料型材挤出企业也不例外。虽然加快挤出机来推送更多的物料,甚至买一台挤出量更大的挤出机来获得更多的产出很容易。但是,当挤出塑料型材时,挤出量则通常是由型材的冷却和型材在冷却中保持正确形状的能力来控制的。较快地冷却简单形状的型材(如圆形管和管件)已很有难度,当型材形状的复杂性增加时,难度会更大。门窗型材及其他形状复杂的型材很难均匀地冷却,而型材如果没有均匀地冷却,结果就会形成翘曲和弓形。

像大多数的材料一样,塑料会随着温度的降低而收缩,且收缩率大于其他材料。当处于固体(冻结)状态时,塑料以一定的速度收缩,但当它处于熔融状态时,它的收缩速度会更快。型材挤出机面临的挑战是:在冷却离开挤出机并一直降至室温的热塑料时,需要控制它的收缩率。以简单的一块平片材为例,它一面的冷却速度要比另一面更快。当两面仍然柔软时,它们以相同的速度收缩。即使一面冷却得更快并收缩得更快,但另一面仍然具有柔韧性,足以跟随收缩面的收缩速度。然而,一旦一个面的冷却超过了结晶温度或它的玻璃化转变温度时,材料就会变硬,不再具有足够的柔韧性跟随对方,收缩率显著下降。因此,当柔韧面继续收缩时,它就会拉动变硬面,并造成朝向最后冷却面方向的弓形。在这个例子以及其他形状简单的型材中,型材将向最后冷却的材料面方向弯曲。而在形状更复杂的型材中,型材可能会以各种形式扭转、扭曲或翘曲,这取决于型材最后冷却的是哪些部分。

除了这个挑战之外,事实上塑料是良好的热绝缘体,这就意味着要把所有的热量均匀地从型材中传递出来难度很大。

空气冷却

基于型材冷却存在的这些问题,过去型材挤出机通常采用空气冷却的方法来冷却型材。

空气支架是带有板/导规和夹具的简单台子或框架,它们在型材被慢慢地拉过台子时保持型材形状。当添加压缩空气射流到要求特定附加冷却的部位时,通常使用风扇来提高整体的冷却效果。当型材的冷却速度非常慢时,附带在台子上的金属指状件、线和带有夹子或虎钳夹口的夹具将被用来帮助型材成型。

空气的效率较低,这就意味着冷却速度慢。但在这种情况下慢是好事,因为较慢的速度能够让操作人员及时做出调整,从而使型材恰到好处,不会出现翘曲或其他变形。形状复杂的型材或者在不同部位有不同壁厚的型材可能需要订制化的冷却。操作人员可以用压缩空气喷嘴把更多的冷却空气引导到需要它的部位,或者通过保温一部分来防止过快的冷却,从而延缓在其他区域的冷却。由于较厚的部分比薄的部分冷却得更慢,因此必须采用特殊的措施来避免翘曲。操作人员需要把更多的冷却空气引导到较厚的部分,让它和同一型材中较薄的部分在相同的时间下冷却至相同的温度。同样,一个U型通道内部或单单是一个内角就会比外角冷却得更慢,需要更多的冷却空气。采用空气冷却时,由于它的冷却速度较慢,挤出机的出料速率被限制为45~113kg/h。

即使是现在,在遇到下面几种情况时,有些型材加工商可能仍然会选用空气冷却方法:

1.形状非常复杂的型材;

2.使用的材料具有不同的热导率;

3.生产运行的规模并不能说明采用更昂贵的工艺装备是合理的。

浸没水冷却

当要求更高的出料速率时,就要采用水冷却方法。操作型材通过冷却水有许多方法,主要取决于众多的变量:

1.浸没槽

对于形状非常简单的型材,其可以在一个长水槽的顶部上方挤出,并通过辊或定型板向下压至水下。但这种方法只适用于底部可以先于顶部被冷却的型材。

2.真空槽

直接把形状较大或较复杂的型材挤出进入水槽中的想法很好,但是会碰到一个简单的问题,即重力会使水槽中的水通过型材进入水槽的孔中流出。甚至型材侧面和入口板侧面之间的小间隙也会漏水。对此,通常采用对整个槽的内部抽真空来控制住水的解决方案。当然,这要求槽要具有足够大的强度,以至于不会因为其内外部存在的压力差力而坍塌。

3.其他选择

另一种选择是围绕水流入口做一个小的真空套管,用以吸出任何试图流过型材和流入板之间间隙的水分。实际生产中,型材挤出商还通过在水槽前面放置一个干燥真空定型套来达到同样的效果。这种真空定型套可以短至0.08m,用于不太重要的型材;或者长达3m,用于在进入水槽中进行进一步冷却之前必须被固化至非常精确尺寸的型材。虽然干式真空定型的效率低于水冷却,但是当对尺寸的要求更加严格时,效率就变成了必须付出的代价。

4.水温的选择

很明显真空槽是完全封闭的。即使可能采用开放式水槽,并在水槽中放置指形件和夹具,但是使型材像在空气支架上那样成型也是非常困难的。直接冷却水或使该型材的一些部分与冷却隔离也很困难。但是,可以通过降低冷却效率,即加热水来模仿采用空气支架的更均匀的冷却。这种方法经常被用于处理具有强烈翘曲倾向的型材,特别是温度较高的工程材料。在这种情况下,需要采用温度控制装置来控制水的设定温度。水温越高,冷却速度就越慢,因此越容易实现均匀的冷却。经常在最初的槽中采用27~54℃之间的控制水温,直到更冷的水可被用于完成冷却。当然,基于对速度的渴望,水越冷,冷却速度就越快,所以大多数的型材挤出机在情况允许下,都会使用温度为10~13℃的冷冻水。

5.水流的特性

尽管在水中浸没整个型材可提供更快、更有效的冷却,但它不是最佳的冷却方法。因为,就像空气受热会上升一样,加热的水也不例外。这对于浸没在冷却水中的型材的垂直表面近旁的水而言非常有利——水被型材加热,加热的水将沿着型材上升,并把冷水甩到后面,用连续更新的冷水就可对型材的垂直表面进行进一步的冷却。然而,对于型材底面的加热水而言,因受到型材的阻挡而不易上升,其向上的速度会比较缓慢,从而导致冷却速率相较于垂直面的要低。型材顶端的冷却效率会更低,因为即使加热的水没有被阻挡向上移动和离开型材,但被拉入以代替它的仅仅是型材垂直面向上移动的被加热的水。由于顶部没有相同的冷却速度,所以就会导致型材向上弯曲。虽然水槽中的定型板有助于打破这种水的流动,但只允许冷水在经过定型板后立即流到型材的顶部。而水槽中的湍流水循环则能显著地帮助解决这个问题。

喷淋冷却

优于浸没冷却的喷淋冷却,是应对型材挤出机冷却挑战的另一种方法。喷射嘴被均匀地分布在型材周围和水槽下,以确保设定温度的水持续补充到型材表面。通过把水均等地喷入U型通道和内角中,与外角和直壁相比,这种喷淋保证了更均匀的冷却。具有一个简单横截面的型材可以用冷却水喷淋,并以高的生产率运转。而壁厚不均匀的型材则需单独处理。如果单独喷淋冷水不足以实现避免翘曲所需要的均匀冷却时,可以对水温进行控制,以减慢冷却速度,从而减少或消除翘曲。同时,水量应当充足,且水槽中必须具有湍流水循环,用以打破水温隔离层。

喷淋冷却因具有蒸发冷却的效果而明显优于浸没冷却——喷到热型材上的水迅速变成蒸汽,蒸发带走比浸没时明显更多的热量。虽然这种效果非常好,但它仅在塑料表面上的温度高于约121℃时才成立。从而导致该效果只会在型材进入冷却槽的第一秒或十分之一秒之内发生——因为水冷却的效率很高且塑料表面的导热性非常低,所以表面温度会迅速降低到121℃以下并停留于此,以致没有更多的蒸发冷却发生。喷淋冷却使冷却水更均匀、更持续地补充到型材表面,这对水冷却效率的提高有很大的帮助,并具有不需要真空使水保持在水槽内的附加好处。此外,喷淋冷却使用的水流速相对更低。

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