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薄型片材擠出生產(chǎn)中的問(wèn)題及解決方案

2016-3-14 17:17:49??????點(diǎn)擊:
薄型片材的擠出生產(chǎn)中,原材料、輥的構造及工藝條件等眾多因素都會(huì )對最終的片材質(zhì)量造成影響。如何成功地避免生產(chǎn)過(guò)程中的不利因素,以生產(chǎn)出高品質(zhì)的薄型片材,是薄型片材擠出生產(chǎn)領(lǐng)域共同面對的挑戰。本文詳細分析了薄型片材擠出過(guò)程中的10大影響因素,并提出了相應的解決方案。 

薄型片材和厚型片材的料片有明確的劃分標準。通常,雙拋光薄型片材與厚型流延薄膜的劃分域值為200μm。為了確保在所需厚度上可以實(shí)現良好的拋光效果,域值需要根據加工樹(shù)脂的熱物理性能和力學(xué)性能而定。 

目前,在薄型片材的擠出生產(chǎn)中,擠塑操作人員面臨著(zhù)一些獨特的困難和挑戰,通常包括以下10個(gè)方面。 

原材料 

一個(gè)配置正確的擠出系統可以提供穩定的操作條件,并且能夠確保將均勻的熔體輸送到片材擠出模頭中。在以純料和再生料為混合物制備原材料的過(guò)程中,原材料的多變性為穩定工藝條件和避免不必要的波動(dòng)(機頭壓力急劇上升)帶來(lái)了挑戰。 

首先,波動(dòng)的機頭壓力會(huì )對熔體料壟(melt bank,在兩個(gè)主鍍鉻夾緊輥之間形成)的均勻性造成不利的影響。通常,壓力波動(dòng)范圍在±0.3MPa以?xún)仁强梢越邮艿?,但是如果壓力波?dòng)超過(guò)這個(gè)范圍,就會(huì )阻礙生產(chǎn)的順利進(jìn)行。 

其次,在后擠塑過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生各種需要回收的邊角料或回用料。如何合理地處理和回收回用料,也是保證高質(zhì)量生產(chǎn)的關(guān)鍵。因此,根據片材擠出工藝所產(chǎn)生和回收回用料的數量,擠出生產(chǎn)系統需要具備既能夠在特定場(chǎng)合中處理大量的回用料,也能在工藝工程中處理較少的回用料的能力,這一點(diǎn)非常重要。 

第三,在體積密度方面,與以純原料和高濃度的厚型回用料為主的混合物相比,由于薄型產(chǎn)品具有很高的回用料含量,因此體積密度的測量變化很可能高達2:1或以上。 

為了減少上述因素造成的影響,擠出系統需要擁有一個(gè)整體設計良好的進(jìn)料螺桿,同時(shí)還要能夠保持穩定的壓力與溫度,并且在進(jìn)入片材模頭前能夠使熔融的流體熱均質(zhì)化。位于齒輪泵進(jìn)口上游的背壓閥可以逐漸增加機頭壓力,從而確保在加工更高含量的回用料時(shí),進(jìn)料螺桿的計量螺紋能夠被有效地填充。而當低體積密度回用料的數量減少時(shí),也可以對該閥進(jìn)行相應調節??傮w而言,關(guān)鍵是要使片材擠出模頭獲得均一的熔體壓力和熔體均勻性,從而能夠精確控制并最大程度地減少位于夾緊輥之間的熔體料壟。 

工藝條件/設定值 

擠出薄型片材的工藝操作窗口低于厚型片材的工藝操作窗口。當熔體進(jìn)入輥架時(shí),通過(guò)分析熔體料壟是如何存在于夾緊區域的,就可以很容易地對此做出解釋。熔體料壟往往冷固較快,使其在主夾緊區域中的體積不斷縮小。這種快速冷固會(huì )阻礙夾緊區域的流動(dòng),進(jìn)而影響片材的拋光效果。另外,夾緊區域流動(dòng)性的降低還會(huì )導致在主夾緊區域的間隙中形成高的輥載荷。而熔體料壟的快速冷固還會(huì )降低其均勻性,并在片材表面形成無(wú)光澤的局部區域。導致這種現象的原因是,片材在輥的表面寬度范圍內沒(méi)有得到適當拋光。為了解決上述工藝給生產(chǎn)帶來(lái)的難題,更高的控制水平就顯得至關(guān)重要,這也會(huì )影響整個(gè)生產(chǎn)工作周或工作月的重復性。 

除了具備更嚴格的整體控制水平(從擠出機機筒到模頭)外,薄型片材擠出系統還要保證鍍鉻輥的溫度設定足夠高,以防止熔體料壟在中間輥上快速冷固。幾種常見(jiàn)聚合物的典型熔融溫度見(jiàn)表1。

模唇出口到輥距的距離 

通常情況下,將盡可能地減小模唇出口到主夾緊輥間隙的距離視為理想的操作條件。通過(guò)最大限度地縮短這個(gè)距離,能夠盡量減小由于熔融聚合物預結皮(快速冷固)和熔體“簾流(curtain)”過(guò)度縮頸帶來(lái)的不利影響。同時(shí),這也有助于提高擠出系統的控制水平和熔體料壟的均勻性。但是,一些條件的存在限制了這種物理距離的減小。片材擠出模頭的鈍橫截面就是其中之一,其他的限制條件還包括外部凸出的模頭調幅桿和附件、鍍鉻輥的物理尺寸(直徑)等。 

對以上幾個(gè)影響因素,有其相應的解決方法:首先,在片材擠出模頭上使用一種具有柔軟波狀的裝置(contoured body),使其可以與相配的鍍鉻輥緊密配合;其次,內部和“緊壓”墊片調幅桿可用于控制進(jìn)入夾緊區域的簾流寬度,同時(shí)還可以避免模頭表面突起,確保間距不至于太寬;最后,可以通過(guò)減小引入輥的直徑,來(lái)達到使間隙最小化的目的。 

根據經(jīng)驗及所使用零部件尺寸的不同,從模唇出口到輥距間隙的距離一般在100~200mm范圍內。 

片材寬度和模頭調幅桿 

目前,有幾種被認可的做法可用來(lái)限制熔融聚合物簾流(從片材擠出模頭退出并在夾緊輥之間形成滾動(dòng)的熔體料壟)的整體寬度。除了上面提到的內部和緊壓墊片調幅桿外,外部調幅桿也是常用的一種調幅方法。但是,它們突出于片材擠出模頭的外表面,往往會(huì )增加模頭出口到輥距間隙的距離。雖然如此,外部調幅桿可提高輥架的整體線(xiàn)速度,并在“牽伸”現象的作用下降低熔融簾流的寬度。 

對于薄型片材的加工而言,通過(guò)牽伸來(lái)降低片材寬度的方法并不十分理想,因為這會(huì )增加熔體簾流和邊緣條的厚度,產(chǎn)生更多有待解決的問(wèn)題。這些問(wèn)題包括:過(guò)度的片材取向和尺寸的穩定性問(wèn)題。另外,厚邊緣條的暴筋使其難以保持熔體料壟的均勻性,最終導致難以在片材的整個(gè)寬度范圍內進(jìn)行適當拋光。 

輥的構造及質(zhì)量 

想要適應具有更高輥載荷的運行條件,適當的輥設計和構造是必需的。薄型片材的生產(chǎn)需要高品質(zhì)的輥和一個(gè)能夠在高輥載荷下精確運行的系統,尤其重要的是輥軸頸和軸承。C1球形圓錐滾柱軸承能夠提供非常高的操作精度,產(chǎn)生12.7μm或更小的總指示偏轉(TIR)。輥軸和軸承軸頸必須設計合理,同時(shí)輥殼的整體構造和式樣也必須能夠在極端載荷下進(jìn)行精確旋轉,因為在薄型片材的加工中,輥載荷高達175000N/m的生產(chǎn)條件是非常常見(jiàn)的。除此之外,輥的表面處理也是一個(gè)重要因素,粗糙的輥表面處理會(huì )導致在生產(chǎn)過(guò)程中出現問(wèn)題,而高質(zhì)量的輥表面處理有助于減少這些問(wèn)題的產(chǎn)生。通常情況下,推薦進(jìn)行高度拋光(0.5Ra)的鍍鉻超級表面處理。 

輥的閉合力及夾緊載荷 

表2中推薦使用的輥載荷可確保生產(chǎn)出質(zhì)量一致的薄型片材。另外,推薦在生產(chǎn)中采用一種增強的氣動(dòng)或液壓輥驅動(dòng)方法來(lái)獲得合適的輥載荷,使輥保持閉合。如果載荷生成不足,會(huì )阻礙輥保持所需要的間距,進(jìn)而導致不良后果。

降低輥的撓曲變形 

鋼鉻輥的整體設計和質(zhì)量決定了它在特定載荷下被放置時(shí)所產(chǎn)生的撓曲變形量(載荷越高,產(chǎn)生的撓曲變形量也越大)。在薄型片材的生產(chǎn)中,與預期的目標厚度相比,撓曲變形的程度有時(shí)顯得更加重要,因為它可能導致無(wú)法進(jìn)行高品質(zhì)片材的生產(chǎn)。一個(gè)撓曲變形的輥會(huì )在片材中心形成相對較高并與撓曲變形形狀相一致的暴筋。例如,如果片材的目標厚度是0.254mm,而輥的撓曲變形量為0.0762mm,那么凈偏差達到了目標厚度的30%以上,如此大的差異是不能被接受的。對于厚度更薄的片材來(lái)說(shuō),合理的厚度性能標準要求凈偏差在目標厚度的±3%范圍內。 

有3種較為基本的方法,可以用來(lái)抵消輥的撓曲變形帶來(lái)的不利影響。第一種方法是使用帶有預磨曲面的中高輥。雖然這項技術(shù)非常有效,但由于曲面的形狀是固定的,并且限制了撓曲變形(等同于減少了一個(gè)加工窗口),所以此種方法適用的生產(chǎn)范圍相對較窄。 

第二種方法是使用抗彎曲輥。在抗彎曲輥的設計中,含有使輥向載荷相反方向彎曲的設計,使它能夠最大程度地減少撓曲變形帶來(lái)的影響。但是這種技術(shù)在較寬的工作范圍內限制了整體的有效性,并且由于彈簧系數和該類(lèi)輥的設計操作窗口的機械限制,要求輥的載荷低于140000N/m。 

最后一種方法是采用輥交叉技術(shù)。輥交叉采用了一個(gè)十字軸定位裝置,該裝置限定了輥的撓曲變形量,確保主夾緊輥能夠在一個(gè)較寬的操作范圍內形成均勻的間隙。 

盡量減小片材凹陷和下垂 

由于重力的作用,熔融簾流會(huì )退出片材擠出模頭,而擠出模頭相對于疊輥機的位置將會(huì )對熔融簾流退出模頭的方向造成影響。下面介紹幾種不同的輥架配置,每種都有其優(yōu)點(diǎn)和局限性。 

首先是垂直輥架,其應用廣泛,并且擁有寬泛的多功能性加工操作窗口。但是,當要生產(chǎn)更薄的片材時(shí),它并不是十分理想的配置。這是因為重力對片材的影響非常顯著(zhù),不僅會(huì )導致凹陷和下垂的現象,還會(huì )造成中間輥上熔體料壟的快速冷固和預結皮。 

第二種輥架配置是J疊層排列輥架,它能夠使模頭形成接近45°的空間位置。這種排列方法不僅可以降低重力的影響,還可以在料片路徑(web path)的作用下,形成一個(gè)更大的中心輥抱輥(center-roll wrap)。然而,在這個(gè)向上疊層的排列中,料片路徑向上橫穿過(guò)整個(gè)輥架,而熔體簾流仍然有下垂到下輥的趨勢。 

第三種輥架配置是水平輥架。雖然該種配置的輥架被推薦用于生產(chǎn)超薄型片材,但在加工較厚的片材產(chǎn)品時(shí),由于幾何形狀的原因,使其在操作方面仍然存在一定的局限性。水平輥架的優(yōu)點(diǎn)是,消除了凹陷和下垂帶來(lái)的不利影響,并使熔體料壟能夠被準確、直接地引入主輥的夾緊位置。不僅如此,水平輥架還能夠給操作人員提供更大的操作空間,解決了薄型片材生產(chǎn)過(guò)程中,特別是在加工難處理的材料時(shí)所遇到的難題。 

控制熔體料壟的位置 

無(wú)論使用哪種輥架配置,要想避免熔體料壟快速冷固和預結皮帶來(lái)的不利影響,控制熔體料壟的位置是非常重要的。經(jīng)驗豐富的操作人員會(huì )根據模唇出口的位置來(lái)調整輥架的高度,使熔體料壟能夠緊靠著(zhù)中間輥運行,這樣既能夠減少快速冷固與預結皮帶來(lái)的不利影響,同時(shí)也能夠避免片材出現凹陷與下垂。 

精確的速度控制 

精確的速度控制對于生產(chǎn)所有樹(shù)脂類(lèi)型的高品質(zhì)薄型片材來(lái)說(shuō)都是必需的,這需要使用良好的數字驅動(dòng)控制平臺,將輥與輥之間的速度協(xié)調值控制在設定值的±0.01%。 

輥與輥之間輥速的協(xié)調一致是確保輥之間最小取向的關(guān)鍵因素。不僅如此,這還有助于平衡輥架的引出速度,減少模頭出口處由于牽伸現象帶來(lái)的不利影響。 

在主鍍鉻輥和拉輥裝置之間進(jìn)行適當的張力控制,可以最大程度地減少片材中不必要的橫向方向線(xiàn)(以淡的振痕形式),并可避免在拉伸片材時(shí)引入取向。在片材的整個(gè)寬度范圍內,應該將這種張力值控制在350~700N/m。
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