CÔNG NGHỆ ĐÙN ÉP PHUN

CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ ĐÙN Ths.Lê Vũ Hải Sản phẩm đùn Ths.Lê Vũ Hải 2.1 ĐẶC ĐIỂM Đùn là phương pháp gia công chủ yếu dùng cho nhựa nhiệt dẻo và vật liệu đàn hồi như cao su, trong đó vật

CHƯƠNG 2:

CÔNG NGHỆ ĐÙN

Ths.Lê Vũ Hải

Sản phẩm đùn

Ths.Lê Vũ Hải

2.1 ĐẶC ĐIỂM Đùn là phương pháp gia công chủ yếu dùng cho nhựa nhiệt dẻo và vật liệu đàn hồi như cao su, trong đó vật liệu ở trạng thái chảy nhớt được đẩy liên tục qua một khe hở có tiết diện nhất định gọi

là đầu tạo hình

Phương pháp đùn liên tục chỉ áp dụng cho vật liệu đàn hồi và nhựa nhiệt dẻo, còn đối nhựa nhiệt rắn thì chỉ dùng phương pháp đùn gián đoạn trên máy đùn piston

Đặc điểm của phương pháp đùn liên tục

+ Sản phẩm chỉ định hình theo hai chiều

+ Năng suất máy rất cao

+ Sản phẩm: màng mỏng, tấm phẳng, sợ, ống, bọc

cáp, dây dẫn, các sản phẩm rỏng…

2.2 MÁY ĐÙN TRỤC VÍT

4.2.1 Phân loại

A- Phân loại theo số trục vít

Máy đùn 1 trục vít

Máy đùn 2 trục vít

Ths.Lê Vũ Hải

• Đối với máy nhiều trục, các trục có thề ăn khớp hoặc không ăn khớp, quay cùng chiều hay ngược chiều Do cấu tạo truyền động phức tạp, nên máy nhiều trục ít được sử dụng trong công nghiệp đùn tạo hình, mà thường dùng để trộn và nhựa hóa hỗn hợp

B- Phân loại theo công dùng:

SX ống cứng

SX màng

mỏng

Tráng phủ và

SX tấm

Đúc dưới áp suất

Cán tấm

SX sơ, sợi

Đùn chi

tiết dạng

profil

Đùn

SX ống mềm

SX profil Đùn phôi thổi khí

SX màng ống

SX màng phẳng

Bọc dây và cáp

SX màng phức hợp và tấm phẳng

SX màng ống

SX dây phẳng

SX màng phẳng

Ths.Lê Vũ Hải

2.2.2 Cấu tạo máy đùn trục vít

Do tính chất đơn giản, dễ vận hành trong công nghiệp polime, máy đùn 1 trục vít thường được sử dụng để gia công sản phẩm

Ths.Lê Vũ Hải

4.Xy lanh

3.Phiễ nạp liệu

1 Động

cơ

5.Bộ gia nhiệt

6.Trục vít 7.Đầu

khuôn

8 lưới lọc

2

Hộp giảm tốc

A Cửa cấp liệu:

- Cữa nạp liệu có thể có tiết diện tròn, chữ nhật, hay

vuông, thành đứng, xiêng, tiếp xúc hay võng sâu

xuống

- Cữa cấp liệu có hệ thống làm mát tránh hiện tượng

nóng chảy vật liệu, dính vào thành thiết bị

- Dùng phễu có hút chân không dùng cho nguyên

liệu dạng bột để loại trừ hiện tượng sản phẩm bị

bọt khí

- Với nguyên liệu dạng hạt dùng phễu thông

thường

- Các phễu cấp nguyên liệu có thể trang bị quạt hút để hút nguyên liệu từ bôn chứa vào

- Chiều dài của cửa nạp liệu không bé hơn một bước răng vít

Phiễu cấp liệu có trục vít tải

Ths.Lê Vũ Hải

- Thiết kế sao cho đảm bảo dòng vật liệu chảy ổn

định, có thể có các thiết bị hỗ trợ để giúp quá trình

nạp liệu ổn định

B- Trục vít

Nhiệm vụ:

- Tiếp nhận nguyên liệu tại cửa nạp

- Tải tới vùng nhựa hóa

- Tạo ma sát trượt để nhựa hóa và trộn

- Tác dụng như một máy bơm nhựa lỏng tạo áp suất để đẩy nhựa thoát khỏi đầu tạo hình

Ths.Lê Vũ Hải

Yêu cầu trục vít

- Vật liệu: thép không gỉ

- Độ cứng: cao

- Bề mặt răng vít phải bóng

- Chiều cao răng nhỏ hơn 0,007D nhưng không

vượt quá 0,1.W

- Khe hở giữa xy lanh và vít xoắn: Nhằm làm

giảm dòng nhựa chảy ngược và ma sát giữa vít

xoắn với xylanh Thường khe hở δ = 0.002 -:-

0,005D

Ths.Lê Vũ Hải

Chiều cao răng vít đùn

Chiều cao răng vít(mm)

4,0-:-4,5 4,5-:-5,3 5,6-:-6 5,5-:-6,5

Ths.Lê Vũ Hải

Trục vít chia thành 3 vùng

1 Vùng vận chuyển hạt rắn: trong đó nguyên

liệu thường ở dạng hạt rắn

2 Vùng nhựa hóa: nguyên liệu ở dạng bột

nhão gồm hỗn hợp lẫn lộn polymer nóng

chảy và các hạt rắn

3 Vùng phối liệu: ở đó nguyên liệu ở dạng chảy

nhớt

Trong qua trình di chuyển của nguyên liệu

từ cửa nạp đến đầu tạo hình, nguyên liệu thay đổi trạng thái từ rắn đến mềm cao, rồi chảy nhớt, nên khối lượng riêng thay đổi, và do đó trục vít phải có một hệ số nén nào đó, cho nên trục vít có một trong các dạng sau:

Xét về mặt cơ học, trục vít có chiều cao răng không đổi bền hơn Trái lại, xét về mặt thiết kế, chế tạo và tính năng kỹ thuật thì trục vít có bước không đổi ổn định hơn

Ths.Lê Vũ Hải Ths.Lê Vũ Hải

Sơ đồ dạng một số loại vít thông dụng

Dạng e với vùng phối liệu từ 5 đến 10D

thường sử dụng cho gia công các loại nhựa dễ

chảy, bền nhiệt như PE, PB, PA, PUB, PC Với

các loại nhựa có điểm nóng chảy rõ ràng và PS

thì dạng vít thường dùng là f Còn để gia công

các loại nhựa như ABS, CA, PVC, người ta dùng

vít a

Ths.Lê Vũ Hải

Một trong những kích thước có ảnh hưởng nhiều đến chất lượng sản phẩm là chiều dài trục vít, vì nó ảnh hưởng đến thời gian lưu lại của nguyên liệu trong máy

Tùy theo mục đích sử dụng, chiều dài của trục vít thay đổi trên một khoảng rộng

Gia công cao su, chiều dài vít so với đường kính L/D biến thiên từ 3 đến 4

Gia công nhựa nhiệt dẻo, L/D từ 15 -:- 20

Phần cấp liệu chiếm khoảng 50%, phần phối liệu khoảng 25%

Ths.Lê Vũ Hải

Chiều dài của các vùng phân chia trên trục

vít tuy có tính chất quy ước nhưng rất quan

trọng, nhất là chiều dài vùng phối liệu Những

máy có chiều dài vùng phối liệu ngắn các

thông số nhiệt độ, áp suất, năng suất rất biến

động Trái lại, máy có chiều dài vùng phối liệu

dài các thông số trên ổn định hơn đồng thời

áp suất cũng lớn hơn, và phải có hệ số ma sát

nhỏ giữa nguyên liệu gia công với bề mặt trục

vít, vì một trong những yếu tố đảm bảo năng

suất cao là hệ số ma sát của vật liệu polyme

trên bề mặt trục vít phải bé hơn hệ số ma sát

trên bề mặt xylanh Trong nhiều máy để đảm

bảo điều kiện trên, phải tiến hành làm nguội

xylanh

Ths.Lê Vũ Hải

C- Xylanh

Chế tạo thành 2 lớp: lớp ngoài chịu lực, lớp trong chịu ma sát và ăn mòn và thay thế dễ dàng

Tùy theo cách đốt nóng, lớp ngoài có 1 hay 2

vỏ

Những máy dùng để gia công cao su thường

có 2 vỏ để có thể gia nhiệt bằng hơi nước, hoặc tác nhân nhiệt khác, vì đòi hỏi nhiệt độ không cao, nhưng có yêu cầu kiểm soát nhiệt chặt chẽ

Ths.Lê Vũ Hải

Còn dùng gia công chất dẻo, vỏ ngoài

thường 1 lớp, được đốt nóng bằng điện trở vì

đòi hỏi nhiệt cao

Làm nguội bằng nước được bố trí ở vùng

cấp liệu , có van điều chỉnh lượng nước để làm

nguội xuống nhiệt độ mong muốn

Xy lanh là một ống thành được đặt cố

định trên giá đỡ Bộ phận đỡ xy lanh phải đảm

bảo xy lanh có thể giản nỡ được theo chiều dài

khi nung nóng và co lại khi làm nguội

Ths.Lê Vũ Hải

D- Đầu tạo hình

Bộ phận này giữ nhiệm vụ tạo hình sản phẩm, vì tính đa dạng của sản phẩm đùn nên đầu tạo hình cũng đa dạng: đầu tạo hình màng mỏng, đầu tạo hình ống, đầu tạo hình bọc dây dẫn, đầu tạo hình profile…

Ths.Lê Vũ Hải

Đầu tạo hình

Ths.Lê Vũ Hải

- Khi ra khỏi đầu khuôn , dòng nhựa có xu hướng

khôi phục lại trạng thái ban đầu, và được gọi là hiện

tượng trương phồng

Sơ đồ cấu tạo một số đầu tạo hình tiêu biểu

a/ Đầu tạo hình tấm phẳng kiểu đuôi cá b/ Đầu tạo hình tấm

phẳng kiểu ống góp

Ths.Lê Vũ Hải

Để sản suất ống và các sản phẩm hình rỗng người ta sử dụng

các đầu tạo hình bên trong có lõi Các chi tiết cố định lõi sẽ

tách dòng chảy gây ra sự bất đẵng hướng dòng chảy Để khắc

phục người ta thu hẹp mặt cắt ngang của dòng chảy sau các

chi tiết

Không khí được thổi vào giữa lỏi với áp lực cao để tạo

đường kính trong Áp suất khoảng 0.5 – 2 bar

Đầu tạo hình

sản xuất ống

và phôi ống

Thực chất là công nghệ tạo ống, sau đó được thổi bằng khí nén Tiếp theo lăn ép thành tấm phẳng để dể cuộn

Đầu tạo hình sản suất màng ống

Đầu tạo hình bọc dây dẫn

Ths.Lê Vũ Hải

Ngoài các bộ phận chính trên, máy đùn còn có các bộ phận khác như lưới lọc, bộ hướng dòng, …

Ths.Lê Vũ Hải

Tính toán đầu tạo hình

Thiết kế đầu tạo hình cần chú ý 2 vấn đề:

1 Xác định kích thước các bộ phận dẫn nhựa bên

trong đầu tạo hình thích hợp để có tổn thất áp

suất nhỏ nhất, đạt năng xuất cần thiết

2 Xác định hình dạng và kích thước của các bộ

phận biên dạng đầu tạo hình để với chi tiết này

sản phẩm tạo hình đạt được kích thước và

hình dạng cho trước

Với yêu cầu thứ 2, đầu tạo hình được chia

thành 2 loại

Ths.Lê Vũ Hải

1- Đầu tạo hình trong đó dòng nhựa chảy trong các bộ phận dẫn nhựa chỉ phát triễn theo một chiều, vd: đầu tạo hình thanh tròn, ống, … kích thước và hình dạng cho trước được bảo đảm một cách tương đối đơn giản bằng cách kiểm soát mức độ phục hồi cho phép khi nhựa ra khỏi đầu tạo hình hoặc bằng bộ phận tiếp nhận có tỉ

lệ kéo căng thay đổi được

Ths.Lê Vũ Hải

2- Đầu tạo hình khi dòng nhựa chảy trong bộ

phận tạo hình phát triển theo 2 hướng, vd: các

đầu tạo hình kiểu đuôi cá, với loại này dòng

nhựa chảy qua các bộ phận tạo hình sẽ xuất

hiện biến dạng profil tiết diện sản phẩm Nếu bộ

phận tạo hình giống nhau ở mọi điểm thì vận tốc

ở vùng có tiết diện lớn sẽ lớn hơn ở vùng có tiết

diện nhỏ và với thiết bị tiếp nhận và kéo căng

thông thường, mức độ kéo căng như nhau ở

mọi điểm sẽ dẫn đến những vùng có tiết diện

nhỏ, sản phẩm có chiều dày càng nhỏ hơn nữa

Ths.Lê Vũ Hải

F Lưới lọc và tấm đỡ lưới lọc

- là lưới thép không gỉ dùng lọc tạp chất khỏi khối nhựa nóng chảy, không cho vào đầu tạo hình

- Tấm đỡ lưới lọc là tấm kim loại tròn có khoan nhiều lỗ dùng tạo áp lực ngược để làm tăng hiệu quả trộn và nhựa hóa của vít

Ths.Lê Vũ Hải

Tấm chắn

Đặt ở cuối thân máy đùn, là một tấm kim loại dày, dạng đĩa,

có lổ Mục đích: đỡ các lưới lọc, ngăn cản chuyễn động xoáy

của dòng nhựa nóng khi ra khỏi trục vít Tấm chắn hướng

nhựa chảy theo một đường thẳng vào khuôn

2.2.3 Quá trình hoạt động của máy đùn

Qua cửa nạp, nguyên liệu rớt vào rãnh vít, trục vít quay nguyên liệu được tải dần về phía trước đến vùng nhựa hóa Trong quá trình vận chuyển do nhiệt cung cấp từ xylanh và do ma sát, nhiệt độ của nguyên liệu tăng lên và chuyển từ trạng thái rắn rời, sang mềm cao và cuối cùng là dạng chảy nhớt liên tục Ở vùng phối liệu nhờ ma sát mà nhựa lỏng được đẩy tới trước, tạo một áp suất ở đầu trục vít đẩy nhựa thoát khỏi đầu tạo hình Ra khỏi đầu tạo hình, hình dáng sản phẩm được hình thành, sản phẩm cần được làm nguội đến trạng thái thủy tinh

Ths.Lê Vũ Hải

Sản phẩm sau khi được định hình ở dạng

liên tục, tùy theo mục đích sử dụng và loại

sản phẩm, người ta có thể cắt thành từ đoạn

cần thiết

Việc làm nguội sản phẩm khi thoát ra khỏi

đầu tạo hình có thể bằng không khí hay nước

Ths.Lê Vũ Hải

2.2.4 Sự biến đổi trạng thái và chuyển động của nguyên liệu trong rãnh vít

1/ Vùng nạp liệu: ở vùng này vít giữ chức năng là tải vật liệu Chuyển động của nguyên liệu tuân theo qui luật ma sát khô và sự đảo lộn khối vật liệu chưa rõ ràng, sự chuyển động của vật liệu mang đặc điểm chuyển động khối, sự thay đổi khối lượng riêng là kết quả của việc vật liệu bị nén ép trong rãnh vít

Ths.Lê Vũ Hải

2/ Vùng nhựa hóa(làm chảy): vít đóng vai trò

nhựa hóa khối hỗn hợp Nguyên liệu ở vùng

này là hỗn hợp nhựa lỏng và nhựa bột, chuyển

động của nguyên liệu tuân theo qui luật ma

sát rắn có bôi trơn, hiện tượng đảo lộn xuất

hiện rõ nét hơn

3/ Vùng phối liệu hay nhựa lỏng: Trục vít đóng

vai trò như một máy bơm Nguyên liệu đã

hoàn toàn chuyển sang trạng thái chảy nhớt,

tuy chuyển động mang tính chất chuyển động

khối, nhưng khác với vùng nạp liệu, ở đây

chuyển động tuân theo các qui luật ma sát

nhớt với sự hình thành các lớp mỏng

Tính năng của máy đùn trục vít phụ thuộc vào nó thực hiện 3 nhiện vụ này như thế nào

Trên nguyên tắc tổng quát của máy đùn có thể xác định bằng sự phân tích tính năng của từng vùng sau đó kết hợp lại Tuy nhiên khi vùng phối liệu không bị quá tải, thì chúng ta có thể

sử dụng các kết quả phân tích vùng này để tính toán vận hành máy Ngoài ra từ kết quả phân tích này chúng ta có thể rút ra được một

số kết luận tổng quát về các đặc trưng như độ đồng nhất về nhiệt độ của sản phẩm, về tốc

độ đùn, … Cho nên trong các phần sau chúng

ta chỉ tiến hành

phân tích vùng phối liệu của máy trong đó coi

như một máy bơm loại vít

Ths.Lê Vũ Hải

2.3 Đặc điểm dòng chảy của nhựa trong

rãnh vít

4.3.1 Mô tả dòng chảy:

Nhựa lỏng di chuyển trong vít đùn là do chuyển động tương đối của vít so với xylanh

Để tính toán, thường chúng ta xem trục vít đứng yên, còn xylanh chuyển động quay với vận tốc V = 2.π.R.N

Khi xylanh quay, lớp nhựa lỏng tiếp xúc với thành xylanh sẽ có vận tốc thành xylanh, vận tốc này giảm dần theo bề sâu của rãnh vít và bằng 0 tại đáy trục vít

Ths.Lê Vũ Hải

Do răng vít hình xoắn ốc nên vận tốc V được

phân thành 2 thành phần

Vz: hướng dọc theo trục vít

Vx: vuông góc với đường trục

Ths.Lê Vũ Hải

Nếu đầu ra của trục vít để hở, chúng ta có 2 dòng chảy:

+ Dòng chảy dọc trục, Vz, quyết định lưu lượng của nhựa được đùn ra

+ Dòng chảy ngang, Vx, dòng chảy này không ảnh hưởng đến lưu lượng đùn của nhựa, nhưng có tác dụng đảo trộn chất lỏng trong rãnh vít, tạo sự động đều nguyên liệu

Dòng chảy khi đầu ra của vít để hở gọi là dòng chảy nhớt vì nó hình thành do sự chuyển động tương đối của xylanh, lưu lượng dòng chảy này là lưu lượng cực đại của máy đùn

Ths.Lê Vũ Hải

Khi đầu ra của vít bị cản( do lưới lọc, đầu

tạo hình), thì áp suất được hình thành tại đầu

trục vít Chúng ta xem như có một dòng chảy

ngược hay dòng chảy áp suất ( vì do sự sai biệt

áp suất) được hình thành Thực tế không có

dòng chảy này, mà dòng chảy dọc trục bị giảm

khi đầu ra cản trở, để dễ phân tích, với khái

niệm dòng chảy áp suất, chúng ta có thể xem

như dòng chảy dọc trục của vít là tổng dòng

chảy nhớt và dòng chảy áp suất, tức lưu lượng

của dòng chảy dọc trục bằng hiệu số lưu lượng

của dòng chảy nhớt và dòng chảy áp suất

Ths.Lê Vũ Hải

Khi đầu ra bị bịt kín hoàn toàn, lưu lượng dọc trục của nhựa bằng khg, nghĩa là hiệu ứng

2 dòng chảy thuận nghịch bằng nhau Khi đó

áp suất hình thành tại đầu trục vít là cựa đại

Ths.Lê Vũ Hải

Ngoài hai dòng chảy thuận và chảy nghịch

ảnh hưởng đến lưu lượng của vít đùn Chúng

ta còn có dòng chảy rò, chủ yếu là do sự sai

biệt áp suất của nhựa lỏng ở 2 bên răng vít

Dòng chảy này chảy qua khe hở giữa đỉnh răng

vít và thành xylanh Sự hiện của dòng chảy rò

làm giảm lưu lượng chung của vít đùn Tuy

nhiên khi khe hở bé và nhựa lỏng có độ nhớt

cao, thì tổn thất lưu lượng của dòng chảy rò

là không đáng kể, nên khi tính toán thường ít

chú ý đến dòng chảy này

Ths.Lê Vũ Hải

2.3.2 Các phương trình xác định đặc tuyến của vít a/ Dòng chảy dọc trục

Để tính toán về lưu lượng và áp suất và nhựa chảy trong rãnh vít, với mô hình mặt phẳng song song, dòng chảy trong rãnh tiết diện chữ nhật

Ths.Lê Vũ Hải

t

Năng suất của máy đùn

năng suất M = dòng dọc trục – dòng áp xuất –

dòng rò

QD = ½ (W.VZ.H )

W = π.D.sinϕ – e

Vz= π.D.n.cosϕ

D – đường kính trục vít mm

n- tốc độ quay của trục vít vòng/phút

H- độ sâu rãnh vít trong vùng bơm và định lượng mm

𝜑: góc nghiêng cánh vít

Ths.Lê Vũ Hải

Dòng áp suất Qp= 𝐻 3 𝑠𝑖𝑛𝜑𝑃 (π𝐷𝑠𝑖𝑛𝜑−𝑒)12.𝜇.𝑒 trong đó :

P – áp suất trước đỉnh vít

e - bước vít mm

𝜇 – độ nhớt của nhựa tại vùng bơm

Ths.Lê Vũ Hải