CN102292205A - 带有调节背压的制动装置的挤压设备 - Google Patents

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M·哈特曼
R·格林
A·魏因曼
S·科特曼
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Abstract

本发明涉及一种用于制造由塑料制成的柱形的半成品的挤压设备，其带有：用于提供加载有压力的塑料的熔体的挤压机(1)；至少一个布置在挤压机(1)处的挤压模具(7)，熔体通过挤压模具(7)作为基本上柱形的塑料坯料(8)从挤压机(1)中离开；置于挤压模具(7)之后的由刚刚挤压出的塑料坯料(8)穿过的校正部件(2)，校正部件(2)冷却塑料坯料(8)并且给定塑料坯料(8)的外直径(d)；置于校正部件(2)之后的制动装置(3)，借助于制动装置(3)将与塑料坯料(8)的进给相反地指向的轴向力(A)可变地引入塑料坯料(8)中；以及力接收器(9)，其测量由制动装置(3)引入塑料坯料(8)中的轴向力(A)。本发明的目的为如此改进这种类型的挤压设备，即，其实现更好的调节质量并且适合用于加工高耐热的塑料。该目的通过以下实现，即，制动装置(3)包括至少一个以可径向地相对于塑料坯料(8)运动的方式被引导的设有摩擦面(19)的制动块(16)，其中，当摩擦面(19)贴靠在所述塑料坯料(8)的周缘处时可对该可径向运动地被引导的制动块(16)加载径向力(R)以用于将轴向力(A)引入塑料坯料(8)中，并且其中，摩擦面(19)具有柱形周面的沟槽形的截段的形状。

Description

带有调节背压的制动装置的挤压设备
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的用于制造由塑料制成的柱形的半成品的挤压设备(Extrusionsanlage)。
背景技术
从文件WO 1998/09709 A1中已知这种类型的挤压设备。
在航空和宇宙航行的、在机床(Werkzeugmaschine)和纺织机中、以及同样在汽车制造中的轻型结构应用中，越来越多地通过由高性能塑料(Hochleistungskunststoff)制成的构件代替金属的构件。在此，可尤其地提及耐热的且可承受高负载的热塑性塑料，例如聚醚醚酮(PEEK)。
从用户的角度来说，制造由聚醚醚酮制成的构件与传统的金属加工差不多相似：将标准化的半成品(如管、异型件或棒)在尺寸方面切削加工成期望的外形(Gestalt)。在PEEK中，借助于注塑机直接制造供使用的构件(如在PP或PE构件中)是罕见的。相应于传统的塑料加工，单独地制造半成品：因此，如在制造由PP或PE制成的相应的半成品中通常的那样，原则上同样在挤压设备上挤出异形件、管或实心棒(Vollstab)。
在文件WO 1998/09709 A1中描述了一种挤压设备，其适合用于制造由热塑性的、基于聚烯烃的大量塑料(Massenkunststoff)制成的柱形的半成品。该挤压设备包括已知的、加热的螺旋挤压机，其熔化以颗粒的形式填充的塑料。熔体通过挤压模具(Extrusionswerkzeug)流出并且产生的无端部坯料(Endlosstrang)获得其粗略的横截面。在置于之后的校正区段中冷却塑料坯料，并且塑料坯料获得期望的外形尺寸。制动装置置于校正部件之后，制动装置包括两个由聚氨酯制成的在刚刚(frisch)校正的坯料上滚动的滚子。由受到弹性负载的杠杆系统使该滚子压靠坯料，以用于允许干净的(sauber)滚动。可旋转地支承在杠杆中的滚子设有未详细描述的气动的制动部。该制动部使以下成为可能，即，使滚子在其相应旋转轴上制动，并且由此将与塑料坯料的进给相反地指向的轴向力引导到塑料坯料中。该轴向力提高在挤压模具和制动装置之间的坯料区段中的背压(Staudruck)并且以这种方式保证在压出型材中的尤其高的材料密度。通过力接收器测量该轴向力并且将其引导到调节装置中。调节装置取决于测得的轴向力产生在制动装置中的制动力。以这种方式调节轴向力。
在这种挤压设备中不利的首先为轴向力的迟钝的且不准确的调节：因此通过承载弯曲的元件测量轴向力，从而必须从弯曲元件的弯曲中计算出轴向力。另一方面，从旋转地起作用的滚子制动部直到坯料中的制动力传递路径形成长的死区间(Totstrecke)，其不利地影响调节速度和调节精度。
已知的挤压设备的另一缺点为，其不适合用于加工具有高的熔点的塑料：约在200℃时挤出聚烯烃(如PP和PE)，在通过起冷却作用的校正部件之后塑料坯料的温度还为约32至60℃(90至140F)。在该较低的温度时制动装置的PU滚轮尚无粘附地在坯料上运转(ablaufen)。然而，PEEK为高耐热的热塑性塑料，其熔体以约400℃的温度从挤压模具中离开。在校正部件之后，PEEK的温度还远高于100℃，从而在已知的设备中需要担心的是，其制动装置的PU滚轮不能经受热的和机械的负载，并且损害塑料坯料。
发明内容
因此考虑到现有技术本发明的目的为，如此改进开头提及的类型的挤压设备，即，其达到更好的调节质量，并且适合加工高耐热的塑料。
该目的通过根据权利要求1的挤压设备实现。
因此，本发明的对象为用于制造由塑料制成的柱形的半成品的挤压设备，该挤压设备带有：用于提供加载有压力的塑料的熔体的挤压机；至少一个布置在挤压机处的挤压模具，熔体通过该挤压模具作为基本上柱形的塑料坯料从挤压机中离开；置于挤压模具之后的由刚刚挤压出的塑料坯料穿过的校正部件，其冷却塑料坯料并且给定
Figure BPA00001407668600031
塑料坯料的外直径；置于校正部件之后的制动装置，借助于制动装置将与塑料坯料的进给相反地指向的轴向力可变地引入塑料坯料中；以及力接收器，其测量由制动装置引入塑料坯料中的轴向力，其中，制动装置包括至少一个以可径向地相对于塑料坯料运动的方式被引导的设有摩擦面的制动块，其中，当摩擦面贴靠在塑料坯料的周缘处时可对可径向运动地被引导的制动块加载径向力以用于引入轴向力，并且其中，摩擦面具有柱形周面(Zylindermantel)的沟槽形的
Figure BPA00001407668600032
截段(Ausschnitt)的形状。
根据本发明设计的带有其沟槽形的摩擦面的可径向地运动的制动块满足双重功能：其直接通过短的刚性的路径将径向力转换成相应于摩擦力的轴向力，从而通过在摩擦面和坯料之间的摩擦系数产生在施加的径向力和待调节的轴向力之间的简单的成比例的关系。这允许快速且准确的调节。第二，由于摩擦面的柱形周面形的几何形状产生与坯料的面接触。该面接触降低了在摩擦面和坯料之间的压力，从而避免挤出型材的周围的机械的损坏。此外，面接触允许热从坯料中流到制动块中，制动块-相应地尺寸方面设计成庞大的
Figure BPA00001407668600033
-用作散热器
Figure BPA00001407668600034
因此，排除了摩擦面的过热，因此即使在更高的温度下摩擦面也可工作。
由此，相对于现有技术，根据本发明的制动装置的实施形式实现了两个技术上非常不同的目的。
本发明的一种优选的改进方案在于，除了第一可运动的制动块之外，制动装置还包括第二径向地固定的设有配对摩擦面的制动块，其中，配对摩擦面具有柱形周面的沟槽形的截段的形状。该改进方案的基本想法为，使可运动的制动块朝向不可运动的制动块行进。相对于两个相对于彼此运动的制动块，该实施形式具有的优点为，可更准确地通过制动块的位置确定径向力，因为不必考虑可运动的配对制动块的当前位置。这对于调节质量是有利的。
优选地，如此设计制动装置，即，在可径向地运动地引导的制动块的终点位置中，摩擦面和配对摩擦面补充成包围塑料坯料的柱形周面。以这种方式通过尤其小的面压力将径向力引入坯料中，从而坯料的已校正的形状保持不变。
原则上，本发明不限制在圆柱形的设计方案上：因此，也可挤压出带有椭圆的或多边形的横截面的半成品，在数学的意义上，其具有通用的柱形形状。相应地，根据本发明的摩擦面的外形也可为相应的椭圆形或多边形。但是，所有提及的柱形优选的为圆柱形。
在圆柱形的形状中有利的是，摩擦面和/或配对摩擦面的半径小于由校正部件给定的塑料坯料的外直径的一半。通过最小化的尺寸不足(Untermaβ)，将轴向力尤其均匀地且保护表面地导引到坯料中。
优选地，由含铜的材料(例如黄铜、红铜或青铜)制成摩擦面。非铁的材料提供良好的散热，从而可以高的加工温度在设备上挤压出塑料，如优选地聚醚醚酮。
优选地，根据本发明的挤压设备配备有气动机构，借助于该气动机构可在塑料坯料的方向上对可径向地运动地被引导的制动块进行加载。气动机构允许高的调节动态性(Regeldynamik)，因为气动的气缸可以快速升高或降低的压力对可径向地运动地引导的制动块进行加载或卸载。
有利地，制动装置布置在平行于塑料坯料延伸的线性引导部(Linearführung)的滑块上，由此可轴向移位地支承在滑块上，并且在滑块和挤压设备的不可运动的机架之间布置有力接收器。该设计方案用于，始终平行于轴向力使力接收器受载，并且由于在线性引导部之内的小的摩擦损失，在力接收器中测得的力尽可能相应于轴向力。由此，得到良好的测量值，其为用于高的调节质量的前提条件。
优选地，使用承受压力的测力计作为力接收器，其在塑料坯料的进给方向上以面对位于挤压设备的机架处的止动部的方式端侧地(stirnseitig)布置在滑块处。在挤压设备的运行和在其它挤压模具上改装挤压设备时该设计方案已证实为尤其实用的。
优选地，通过调节回路恒定地保持在塑料坯料中的背压，在调节回路中轴向力为调节量
Figure BPA00001407668600051
径向力为操纵量即，由于制动装置可明显更加动态地调节径向力，从而与在已知的调节方案(Regelkonzept)(即，在其中使用螺杆(Schnecke)的转速或排出设备(Abzugsanlage)的速度作为操纵量以用于恒定地保持背压)中的情况相比制动装置允许明显更好的调节。
优选地，调节回路具有带有组合的比例的、微分的和积分的调节特征(Regelcharakteristik)的调节器(PID)。试验显示，PID调节器最好地实现该调节目的。
根据本发明的挤压设备以出色的方式适合用于制造由耐热的塑料制成的柱形的半成品，并且尤其地适合用于制造由聚醚醚酮制成的圆柱形的实心棒。因此，该应用方案同样为根据本发明的对象。
附图说明
现在应借助于附图根据实施例进一步解释本发明。其中：
图1以侧视图显示了挤压设备的示意性图示；
图2显示了在制动装置的区域中的图1的放大图；
图3显示了制动装置的端侧视图(Stirnansicht)；
图4显示了配对摩擦面的透视图示。
具体实施方式
对于图1：根据本发明的挤压设备此外包括挤压机1、校正部件2以及制动装置3。这些部件沿着直线的挤压方向E布置成同轴的。挤压机1为螺旋挤压机，在热塑性塑料的加工中已知的机械。挤压机在漏斗4中容纳以颗粒的形式的热塑性的原材料。在挤压机1中布置有由加热部围绕的螺杆5，其在挤压方向E上在热作用下输送颗粒并为颗粒施加压力。在螺杆5下游存在积聚腔(Staukammer)6，在其中塑料以承受压力的熔体而存在。在此，在挤压高耐热的热塑性聚醚醚酮时的温度约为400℃，在挤压PEEK实心棒时优化的背压约为5bar。
在下游，由已知的挤压模具7限制积聚腔6。挤压模具7具有圆形的孔，熔体作为圆柱形的无端部的塑料坯料8从该孔中离开。在设备上也可加工其它模具形状，例如椭圆形的或多边形的横截面。在数学的意义上，这种类型的挤压形状同样为柱形。因此，本发明不局限在圆柱形的形状上。根据本发明的设备也可包括带有多个孔的挤压模具，从而在该处流出(entspringen)多个平行的挤压坯料。那么，以下描述的设备部件也可相应地以多倍的方式存在并且布置成彼此平行。出于简单性原因，描述带有唯一的塑料坯料8的挤压设备，在挤压方向E上挤出该塑料坯料8。
通过挤压模具7的孔预成型的刚刚挤压出的塑料坯料8首先进入校正部件2中。简单来说，已知的校正部件为带有限定的内直径的柱形的冷却的管。管的内直径给定塑料坯料8的外直径d。在此，冷却塑料坯料8，以便熔体凝固(verfestigen)。在离开校正部件2时，PEEK塑料坯料的温度约为100℃。
制动装置3下游地置于校正部件2之后。制动装置3的功能在于，将与挤压方向E或塑料坯料8的进给相反的轴向力A以在其大小方面可变化的方式导引到塑料坯料8中。该轴向力A可提高在塑料坯料8从挤压模具7的离开和制动装置3之间的塑料坯料8之内的压力，即，尤其地在起冷却作用的校正部件的区域中。在塑料坯料8的该区段之内的压力对压出型材的尺寸稳定性有重要的影响：因为热塑性的塑料在冷却时收缩，所以必须的是，预设足够的材料以用于平衡收缩度。因此，通过在校正部件2的区域中的正确的背压，高的尺寸稳定性和材料密度是确定的，根据本发明通过由制动装置3产生的轴向力A调整该背压。稍后将解释制动装置3的工作原理。
借助于以承受压力的测力计的形式的力接收器9测量由制动装置3引入塑料坯料8中的轴向力A。为了该目的，制动装置3布置在平行于挤压方向E或塑料坯料8延伸的线性引导部11的滑块10上，从而制动装置3可轴向地自由移位。在挤压方向E上通过止动部12限制滑块10的运动性，止动部12为挤压设备的不可运动的机架13的一部分。测力计9端侧地布置在滑块10处，在负载下滑块10利用测力计9贴靠止动部12。一旦制动装置3将轴向力A导引到在挤压方向E上前进的坯料8中，则滑块10被带动，直至其通过测力计9贴靠在止动部处。由于线性引导部11相对于挤压方向E平行地取向，楔入
Figure BPA00001407668600071
止动部12和滑块10之间的测力计9中测得的力平行于轴向力A取向。因为在线性引导部11之内的摩擦非常小，因此在测力计9中测得的力几乎相应于轴向力A。由此，力接收器9提供测量值，该测量值很大程度上相应于待测量的轴向力A的值。
对于挤压设备的整体结构还需提及的是，校正部件2同样借助于在线性引导部11上的第二滑块14以相对于坯料8可轴向移位的方式被引导，并且线性引导部11在挤压机侧直接支承在挤压模具7中。以这种方式实现挤压模具7、校正部件2以及制动装置3的高的同轴度，由此可以小的形状公差加工塑料坯料8。已知的与塑料坯料8的进给同步的滚子排出部(Rollenabzug)15置于制动装置3之后。其它设备部件(如冷却和/或真空区段或定尺切割器械)可置于滚子排出部15之后。由于在挤压设备处的这种类型的装置通常是已知的，因此在此不需进一步解释。
现在根据图2和3解释制动装置3的结构和工作原理：由塑料坯料8穿过的制动装置3包括两个制动块16，17。以可相对于塑料坯料8径向地运动的方式引导第一制动块16，第二制动块17不可径向地运动。通过径向引导部18保证制动块16相对于固定的制动块17的径向的运动性，该径向引导部18固定在不可径向地运动的制动块17中，并且可径向地运动的制动块16在该径向引导部18上滑动。通过未绘出的气动机构调整可运动的制动块16相对于固定的制动块17的位置，气动机构包括促动器，可借助于该促动器推动可运动的制动块16。可相对于塑料坯料8整体地轴向地推动两个制动块16，17的联合(Verband)，因为径向地固定的制动块17直接地位于线性引导部11的滑块10上。
两个制动块16，17在其面对塑料坯料8的侧边处具有摩擦面19和配对摩擦面20。分别由黄铜嵌件形成在制动块16，17中的摩擦面19，20，该黄铜嵌件具有柱形周面的沟槽形的截段的形状。当在纵向方向上平分柱形的薄壁的管时，得到该形状。图4显示了黄铜嵌件的透视的图示，黄铜嵌件的内壁形成圆柱形周面形的配对摩擦面20。两个摩擦面19，20的半径r为相同的并且稍微小于塑料坯料8的外直径的一半直径d，由校正部件2给定塑料坯料8的该外直径。可运动的制动块16可朝向不可运动的制动块17行进到终点位置中，在该终点位置中，两个摩擦面19，20补充为包围塑料坯料8的柱形周面。由于摩擦面19，20的少许的尺寸不足，在制动块16，17和塑料坯料8之间发生面接触，从而表面压力很小。因此，避免了将不适宜的(ungebührlich)应力引入压出型材中。坯料的轻微的损坏是无害的，因为总归还要对半成品进行切削的再加工。
通过轴向力A调整在冷却的压出型材之内的约5bar的优化的背压，制动装置3将轴向力A引入塑料坯料8中。为此，气动机构的促动器以面向(wenden)固定的制动块17的方向的径向力R加载运动的制动块16。在此，在摩擦面19和配对摩擦面20之间按压坯料8，从而在摩擦面19，20处产生与径向力R成比例的摩擦力，该摩擦力引起与塑料坯料8的进给相反地指向的轴向力A。通过在气动的促动器中的空气压力控制径向力R，从而轴向力A借助于制动装置3在其大小上可变化。如已经描述的那样，通过测力计9非常准确地测量轴向力A。
未绘出的调节回路使轴向力A以及由此在塑料坯料8中的背压保持恒定。为此，调节回路接收由力接收器9测得的轴向力实际值，持续地将该轴向力实际值与预设的轴向力理论值相比较，并且相应地通过气动机构调整轴向力R以使得轴向力实际值与轴向力理论值相匹配(angleichen)。如果轴向力过小，则通过更强地牵拉可动的制动块16提高径向力R；如果在压出型材中的背压过大，则降低在促动器中的空气压力。因此，在调节回路内轴向力A代表调节量X，同时，径向力R作为操纵量Y起作用。通过PID调节器实现该调节。与调整螺杆转速或改变已形成的排出速度(Abzugsgeschwindigkeit)(这两者为现有技术中通用的调节方式)相比，调整径向力R明显更加动态。尽管如此，根据本发明的通过径向力R的调节可与通过螺杆转速和排出速度作为操纵量的传统的调节相结合。
参考标号列表
1 挤压机
2 校正部件
3 制动装置
4 漏斗
5 螺杆
6 积聚腔
7 挤压模具
8 塑料坯料
9 作为力接收器的测力计
10 滑块
11 线性引导部
12 止动部
13 机架
14 校正部件的滑块
15 滚子排出部
16 制动块，可径向运动
17 制动块，径向固定
18 径向引导部
19 摩擦面
20 配对摩擦面
E 挤压方向
A 轴向力
R 径向力
r 摩擦面的半径
d 塑料坯料的直径

Claims (15)

1.一种用于制造由塑料制成的柱形的半成品的挤压设备，所述挤压设备带有：
a)用于提供加载有压力的塑料的熔体的挤压机(1)，
b)至少一个布置在所述挤压机(1)处的挤压模具(7)，所述熔体通过所述挤压模具(7)作为基本上柱形的塑料坯料(8)从所述挤压机(1)中离开，
c)置于所述挤压模具(7)之后的由刚刚挤压出的塑料坯料(8)穿过的校正部件(2)，所述校正部件(2)冷却所述塑料坯料(8)并且给定所述塑料坯料(8)的外直径(d)，
d)置于所述校正部件(2)之后的制动装置(3)，借助于所述制动装置(3)将与所述塑料坯料(8)的进给相反地指向的轴向力(A)可变地引入所述塑料坯料(8)中，
e)以及力接收器(9)，其测量由所述制动装置(3)引入所述塑料坯料(8)中的轴向力(A)，
其特征在于，
f)所述制动装置(3)包括至少一个以可径向地相对于所述塑料坯料(8)运动的方式被引导的设有摩擦面(19)的制动块(16)，
g)其中，当摩擦面(19)贴靠在所述塑料坯料(8)的周缘处时可对所述可径向运动地被引导的制动块(16)加载径向力(R)以用于将所述轴向力(A)引入所述塑料坯料(8)中，
h)并且其中，所述摩擦面(19)具有柱形周面的沟槽形的截段的形状。
2.根据权利要求1所述的挤压设备，其特征在于，所述制动装置(3)包括径向地固定的设有配对摩擦面(20)的制动块(17)，其中，所述配对摩擦面(20)具有柱形周面的沟槽形的截段的形状。
3.根据权利要求2所述的挤压设备，其特征在于，在可径向运动地被引导的制动块(16)的终点位置中，所述摩擦面(19)和所述配对摩擦面(20)补充成包围所述塑料坯料(8)的柱形周面。
4.根据权利要求1，2或3所述的挤压设备，其特征在于，所述柱形为圆柱形。
5.根据权利要求4所述的挤压设备，其特征在于，所述摩擦面(19)和/或所述配对摩擦面(20)的半径(r)小于由所述校正部件(2)使所述塑料坯料(8)形成的外直径(d)的一半。
6.根据权利要求1至5中至少任一项所述的挤压设备，其特征在于，所述摩擦面(19)和/或所述配对摩擦面(20)包含铜。
7.根据权利要求6所述的挤压设备，其特征在于，由黄铜制成所述摩擦面(19)和/或所述配对摩擦面(20)。
8.根据权利要求1至7中至少任一项所述的挤压设备，其特征在于，所述塑料为聚醚醚酮(PEEK)。
9.根据权利要求1至8中至少任一项所述的挤压设备，其特征在于气动机构，借助于所述气动机构可在所述塑料坯料(8)的方向上对所述可径向运动地被引导的制动块(16)进行加载。
10.根据权利要求1至9中至少任一项所述的挤压设备，其特征在于，所述制动装置(3)布置在平行于所述塑料坯料(8)延伸的线性引导部(11)的滑块(10)上，并且由此可轴向移位地支承在所述滑块(19)上，并且所述力接收器(9)布置在所述滑块(10)和挤压设备的不可运动的机架(13)之间。
11.根据权利要求10所述的挤压设备，其特征在于，所述力接收器为承受压力的测力计(9)，所述测力计(9)在所述塑料坯料(8)的进给方向上以面对位于挤压设备的机架(13)处的止动部(12)的方式端侧地布置在所述滑块(10)处。
12.根据权利要求1至11中至少任一项所述的挤压设备，其特征在于调节回路，在所述调节回路中所述轴向力(A)为调节量(X)，而所述径向力(R)为操纵量(Y)。
13.根据权利要求12所述的挤压设备，其特征在于，所述调节回路具有带有PID特征的调节器。
14.一种根据权利要求1至13中至少任一项所述的用于制造由耐热的塑料制成的柱形的半成品的挤压设备的用途。
15.根据权利要求14所述的用途，用于制造由聚醚醚酮制成的圆柱形的实心棒。
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