DE1961060B2 - Uberdruck-Außenkalibriereinrichtung für Rohre aus thermoplastischem Kunststoff - Google Patents

Description

Bei der Extrusion von Hohlprofilen aus Thermoplasten muß das aus der Profildüse noch plastisch austretende Hohlprofil durch Kalibnervorrichtungen auf die vorgesehenen Maße und Toleranzen gebracht und gleichzeitig durch Wärmeaustausch soweit verfestigt werden, daß das Abziehen und die endgültige Abkühlung im Kühlbad ohne unerwünschte Deformation vonstatten geht. Je nach den gewünschten Eigenschaften des Hohlprofils wird eine Außen- oder eine Innenkalibrierung gewählt. Bei der Außenkalibrierung kann der Kontakt zwischen Profil und Kalibrierung durch inneren Überdruck (Überdruck-Kalibrierung) oder durch äußeren Unterdruck (Vakuumkalibrierung) erreicht werden.

Bei der Überdruck-Außenkalibrierung wird ein gasförmiges Druckmedium duich einen im Extruderkopf befindlichen Durchbruch in das einseitig verschlossene Hohlprofil eingeleitet, wodurch das Hohlprofil an die gekühlte Kalibrierung angepreßt und während des Durchgangs gleichzeitig kalibriert, geküUt und verfestigt wird.

Beim Überdruck-Außenkalibrieren sind mittels durchgeleiteier Kühlflüssigkeit temperierte Kalibrierbüchsen oder mehrere in einer Kühlwanne angeordnete, von der Kühlflüssigkeit umgebene Kalibrierblenden bekannt. Gekühlte Kalibrierbüchsen haben den Vorteil, daß das Extrudat beim Einzug in die Kalibrierung nicht unterzogen zu werden braucht; die Kalibrierbüchse kann im Gegensatz zu den Blenden direkt an die ExBei Außenkalibrierung mittels im Kühlbad angeordneter Kalibrierblenden muß zwischen Extruderdüse und Kühlwanne ein Abstand eingehalten werden, da

die Abdichtung im Einzugsbereich den Unterzug des Extrudats voraussetzt. Die Drucktoleranzen sind sehr gering da bei zu hohem Druck das Extrudat zwischen Düse und erster Blende deformiert bzw. aufgerissen und bei zu niederem Druck keine maßhaltigen Rohre

erhalten werden. Diese Überdruck-Außenkalibnerung mittels Kalibrierblenden würde zwar wegen der geringeren Reibung größere Abzugsgeschwindigkeiten ah die mittels einer gekühlten Kalibrierbüchse erlauben, da der Wärmeaustausch jedoch fast ausschließlich

durch Konvektion stattfindet, erfolgt er wesentlich langsamer als beim Austausch infolge Wärmeleitung durch Metall. Dadurch wird die Kalibrierstrecke sehr lang und die ganze Vorrichtung unhandlich. Die Abzugsgeschwindigkeit wird also hier durch die Kühllei-

stung begrenzt. Außerdem ist das Anfahren umständlich und ein Eingriff bei auftretenden Betriebsstörungen sehr schwierig. Da das Extrudat von der Extruderdüse nach kurzer Luftstrecke in die Kühlflüssigkeit eintreten muß besteht die Gefahr des Zurückströmens der Kühl-

flüssigkeit zum heißen Extruder. Dies führt leicht zu heftiger Dampfbildung und partieller Unterkühlung der Düse.

Es sind über diesen Stand der Technik hinaus auch schon Einrichtungen nach der Gattung des Hauptan-

spruchs bekannt, bei denen keine Anfahrgeschwindigkeiten und auch keine Eingriffsbehinderung bei Betriebsstörungen bestehen und relativ hohe Abzugsgeschwindigkeiten erreichbar sind, zumal sie sowohl eine konduktive kühlende Kalibrierbüchse als auch KaIi-

brierblenden aufweisen, denen jeweils Aufsprüheinrichtungen zugeordnet sind (vgl. SPE Journal Oktober 1964/1093-97, insbesondere 1094 und »Plastverarbeiter« 1968/635-40, insbesondere 35,36).

Eigenart dieser bekannten Einrichtungen ist es, daß

beim Anfahren und bei eventuell späteren Eingriffen die Kühlwanne nicht gefüllt zu sein braucht, so daß ein Zurückströmen der Kühlflüssigkeit zur Extruderdüse nicht möglich ist. Die mehrfache direkte Anströmung des Profils durch die Aufsprühvorrichtungen reicht

beim Anfahren aus, um das Profil genügend zu verfestigen. Erst wenn die Extrusion zur Zufriedenheit läuft, wird die Kühlwanne bis zum Überlauf gefüllt. Anschließend kann die Extrusionsgeschwindigkeit bis zur ge-

wünschten Abzugsgeschwindigkeit gesteigert werden. Da die Kalibrierbüchse in der Regel fest an der Extruderdüse anliegt und das Profil bsim Eintritt in die Kühlwanne bereits so weit verfestigt ist, daß es durch den Innendruck nicht mehr aufgebläht wird, tritt in der Kalibrierung keine wesentliche Formveränderung des Profils auf.

Es geht im vorliegenden Fall darum, daß die KaIibrierbü-'hse im Interesse der Erzielung hoher Extrudiergeschwindigkeiten weniger Reibung erzeugen soll, Sie soll damit so kurz wie möglich sein, d. h. nur so lang sein, daß durch das Abkühlen des Werkstücks in der Kalibrierbüchse auf dem Werkstück eine harte Oberflächenschicht entsteht, die vom Wasser der Aufbring- , einrichtung nicht mehr beschädigt werden kann. Was die Aufgabe angeht, so soll die Anordnung so getroffen werden, daß die durch eine derartige Verkürzung der Kalibrierbüchse im Bereich der Kalibrierbüchse eintretende Verminderung der Kühlung bei der Kühlung im Tank- bzw. Kalibrierblenden-System nachgeholt werden kann.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die kennzeichnende Lehre des Anspruchs 1 gelöst, durch die eine vermehrte Wärmeabfuhr von den im Tank angeordneten Kalibrierblenden übernommen werden kann.

Darüber hinaus bringt die Erfindung folgende Vorteile: Durch die Hereinnahme der Kühlflüssigiceits-Aufbringeinrichtung in die Kalibrierblenden werden die Blenden intensiv gekühlt, ferner wird gegenüber einer Vereinzelung von Aufbringeinrichtung und Blenden die Anzahl der Teile halbiert sowie die Manipulierung mit diesen Teilen erleichtert. Ferner entsteht ein zieherleichternder Schmiereffekt (vgl. »Kunststoffe« 1969/413 rechts unten), und es wird das Werkstück gegenüber dem Kühlmitteldruck der Aufbringeinrichtung besonders gut und (im Interesse einer Vermeidung anisotroper Effekte) momentenfrei abgestützt. Der enge Spalt zwischen Querschnittserweiterung und Rohroberfläche sorgt für hohe Wassergeschwindigkeit und damit — wie an sich bekannt — für ein Wegschwemmen an der Oberfläche anhaftender, oberflächenschädlicher Dampfblasen (vgl. US-PS 31 82 108).

Eine Weiterbildung des Gegenstands des Anspruchs ergibt sich aus Anspruch 2.

Die F i g. 1 bis 4 zeigen eine beispielhafte Ausführung der erfindungsgemäßen Kalibriervorrichtung.

F i g. 1 zeigt eine schematische Gesamtansicht einer Rohrextrusionsanlage;

F i g. 2a und 2b zeigen die Kalibrierbüchse im Schnitt und in der Draufsicht;

F i g. 3a, 3b und 3c zeigen die Kühlwanne von vorne, von der Seite und von oben, teils im Schnitt;

F i g. 4a, 4b und 4c zeigen eine Ausführungsform der Kalibrierblende teils im Schnitt von der Seite, und von vorne und den inneren Blendeneinsatz im Schnitt.

In F i g. 1 ist mit 1 das Düsenmundstück des Extruderkopfes, mit 2 die Kalibrierbüchse, mit 3 die Kühlwanne, mit 4 die Kalibrierblenden, mit 5 ein Auflageblock, mit 6 ein nachgeschaltetes Kühlbad, mit 7 der Abzug und mit 8 die Aufwickelvorrichtung bezeichnet.

Bei der in F i g. 2a und 2b gezeigten Kalibrierbüchse liegt zwischen der Innenwand 201 und der Außenwand 202 der Büchse die Kühlkammer 203. Diese wird über den Anschlußstutzen 204 und den Auslaßstutzen 205 mit Kühlflüssigkeit durchströmt. Ein Befestigungsflansch 206 mit Gewindebohrungen oder Durchbrüchen 207 dient zur Befestigung der Büchse an der Stirnseite der Kühlwanne 3. Die Abdichtung gegenüber dem Kühlwasser erfolgt durch Zwischenlegen nicht gezeigter Dichtringe. Zur verschiebungssicheren Befestigung am Düsenmundstück 1 hat die Kalibrierbüchse an der Stirnseite Zentriernocken 208, die am Düsenmundstück eingreifen.

In den F i g. 3a bis 3c_t die die Kühlwanne 3 zeigen, ist die Stirnwand der Wanne mit 301 bezeichnet. Gewindebohrungen oder Durchbrüche 302 dienen zur Befestigung des Flansches 206 der Kalibrierbüchse 2. Mit 303 ist ein unterer Ablaufstutzen, mit 304 die Überlaufstutzen und mit 305 der Kühlmittelzufluß bezeichnet. Auf den längs durch die Wanne geführten Rohren 306 sind die Kalibrierblenden 4 längsverschieblich und arretierbar angebracht. Durch diese Rohre 306, die endständig innen je zwei Führungsbuchsen 307 aufweisen, sind Holme 308 hindurchgeschoben, die am Düsenmundstück 1 des Extruders befestigt werden und auf denen die Kühlwanne in Längsrichtung verschoben werden kann. Durch geeignete Vorrichtungen 309 kann die Wanne auf den Holmen 308 arretiert werden. Hinter dei Kühlwanne liegen die Holme 308 auf dem Auflagebock 5 auf. Am hinteren Ende hat die Kühlwanne einen rohrförmigen Stutzen 310, durch den das Profil in das nachgeschaltete Kühlbad 6 geführt wird. Dieser Stutzen ist so lang, daß er auch nach Vorschieben der Kalibrierung an das Düsenmundstück bis in das Kühlbad 6 hineinreicht. Der innere Querschnitt des Stutzens ist etwas größer als das Profil, so daß Kühlflüssigkeit mit durchströmen kann und keine Reibung auftritt. Durch eine Dichtmanschette am Einlaß des Kühlbads 6 lassen sich Leckverluste von Kühlflüssigkeit vermeiden.

In den F i g. 4a bis 4c ist eine Ausführungsform einer Kalibrierblende dargestellt. Der Blendeneinsatz 401 hat einen umlaufenden Bund 402 und eine kreisförmige Blendenöffnung 403 mit einer einseitigen Querschnitterweiterung 404. Von der Querschnittserweiterung laufen radiale oder tangentiale Bohrungen 405 nach außen. Dieser Blendeneinsatz wird in ein teilbares Joch eingesetzt, bestehend aus einem Oberteil 410, einem Unterteil 411 und einer zentral in der Teilungsebene liegenden Bohrung 412 mit Ringnut 413. Das Oberteil 410 hat einen Anschlußstutzen 414 für die Kühlflüssigkeit und wird mittels Schrauben 415 mit dem Unterteil 411 zusammengebaut. Im Unterteil sind zwei geschlitzte Bohrungen 416 zur Führung der Kalibrierblenden auf den Rohren 306 und Klemmschrauben 417 zur Arretierung der Blenden. Beim Einbau des Blendeneinsalzes in das Joch entsteht zwischen dem umlaufenden Bund 402 des Einsatzes und der Ringnut 413 der Bohrung 412 ein Ringkanal 420, durch den die Kühlflüssigkeit vom Anschlußstutzen 414 zu den radialen oder tangenlialen Bohrungen 405 fließen kann.

Es hat ich als besonders vorteilhaft erwiesen, die mit der Kühlwanne fest verbundene Kalibrierbüchse an der Stirnseite mit mindestens drei Zentriernocken 208 in zentrierende Nuten des Düsenmundstücks eingreifen zu lassen, so daß die Büchse spalt- und versatzfrei an das Düsenmundstück anschließt, und die durch die Führungen für die Kalibrierblenden laufenden Holmen 308 am Düsenmundstück lösbar zu befestigen. Durch diese Maßnahme wird die ganze Kalibrierung längsverschiebbar fest mil der Düse verbunden. Die hinteren Enden der Holme 308 werden von einem Auflagebock 5 getragen, der höhen- und seitenverstellbar sein soll. Durch diesen zentrierten Zusammenbau folgt die Kalibriervorrichtung versatzfrei jeder Nachjustierung der Düse.

Durch Auswechseln der kalibrierenden Teile, Düse, Büchse und Blenden, können mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung Rohre verschiedenen Durchmessers oder Profile nichtrunden Querschnitts kalibriert werden.

Die Kalibrierbüchse wird zweckmäßig aus korrosionsbeständigem und verschleißfestem Metall mit möglichst hoher Wärmeleitfähigkeit, z. B. einer speziellen Kupfer-Beryllium-Legierung, hergestellt. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, das Kühlmittel so einzuleiten. daß durch Anströmen von Prallflächen Turbulenzen entstehen.

Um hohe Abzugsgeschwindigkeiten zu erreichen, hat es sich als zweckmäßig erwiesen, die Länge der Kalibrierbüchse kurz zu halten. Bei der Rohrextrusion wur- den beispielsweise mit einem Verhältnis Büchsenlänge : Rohrdurchmesser von 5 :1 bis 1 :1 sehr gute Ergebnisse erzieh. Die Kalibrierblenden können kürzer ausgeführt werden. Verhältnisse von Blendenlänge : Rohrdurchmesser zwischen 1 :4 und 1 ·. 1 haben sich bewährt Die Länge des erweiterten Blenden-Querschnitts macht in der Regel etwa die halbe Blendenlänge aus. Dieser Wert ist aber nicht kritisch. Nach Durchführen des Profils durch die Blende entsteht infolge der Querschnittserweiterung ringsum ein spalt- 2$ förmiger Kanal, der einen Kühlmitteldurchfluß zuläßt. Das Kühlmittel wird vorzugsweise auf die Profiloberfläche zugeleitet Es kann aber auch Kühlmittel aus der Wanne durch die Blenden abgesaugt werden. In beiden Fällen wird die Bildung von Bläschen auf der Profiloberfläche durch den schnellen Kühlmittelfluß vermieden. Die Zahl der benötigten Kalibrierblenden richtet sich nach der gewünschten Kühlintensität bzw. der Abzugsgeschwindigkeit Vorzugsweise werden die Blenden so gestaffelt, daß die Abstände mit zunehmender 3s Entfernung vom Extruder größer werden.

Außerdem soiken, entsprechend dem Schwundverhalten des verarbeiteten Thermoplasten, die lichten Durchmesser der Blenden mit zunehmendem Abstand vom Extruder (zunehmender Abkühlung des Rohres) bis auf den gewünschten Enddurchmesser verringert werden, um immer ein gutes Anliegen des Profils an den Kalibrierblenden zu gewährleisten.

Beim Zusammenbau der Anlage wird zunächst die Kühlwanne mittels der beiden Holme auf den Auflagebock aufgelegt und am Düsenmundstück befestigt. Dann wird die Kalibriervorrichtung auf den Holmen bis zum Anschlag vorgeschoben und in dieser Stellung arretiert. Beim Anfahren des Extruders wird das Hohlprofil in an sich bekannter Weise verschlossen, durch die Kalibriervorrichtung gezogen und von innen mit Überdruck beaufschlagt. Zunächst wird nur die Kühlung von Büchse und Blenden angestellt. Bis die Extrusion einwandfrei läuft, läßt man das durch die Kalibrierblenden einströmende Kühlmittel durch den unteren Abfluß der Kühlwanne abfließen, so daß die Extrusion gut beobachtet werden und keine Kühlflüssigkeit zum Extruder zurückfließen kann. Die Kühlung der Blenden reicht bei der beim Anfahren üblichen Extrusionsgeschwindigkeit völlig aus. um Deformationen des Profils zu vermeiden. In diesem Zustand können gegebenenfalls erforderliche Eingriffe, z. B. das Abquetschen des Profils, ohne Schwierigkeit durchgeführt werden. Ist eine Nachzentrierung der Düse erforderlich, so folgt die Kalibriervorrichtung mittels der Holme und der verstellbaren Auflagen dieser Verschiebung unmittelbar und versatzfrei. Erst wenn die Extrusion zur vollen Zufriedenheit läuft, wird die Kühlwanne bis zum oberen Abfluß gefüllt, so daß das Profil ganz in der Kühlflüssigkeit liegt, und die Extrusionsgeschwindigkeit bis zur gewünschten Ausstoßleistung erhöht. Die endgültige Abkühlung des Rohres erfolgt in dem nachgeschalteten Kühlbad, dessen Länge sich nach Extrusionsgeschwindigkeiten und Wanddicke des Profils richtet. Infolge der sehr intensiven Kühlung durch Kalibrierbüchse. Kühlwanne und der direkten Anströmung in den Blenden lassen sich sehr hohe Extrusionsgeschwindigkeiten erreichen. Es konnte z. B. ein Rohr aus Niederdruckpoiyäthylen mit einem Außendurchmesser von 25 mm und einer Wanddicke von 2,0 mm tiit einer Abzugsgeschwindigkeit von 20 m/Min, gefahren werden. Bei dieser Ausstoßgeschwindigkeit war die obere Grenzleistung des Extruders erreicht

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Überdruck-Außenkalibrieremrichtung for Hohlprofile aus thermoplastischem Kunststoff, die unmittelbar hinter einem Extruder angeordnet ist Und mit einer Abzieheinrichtung zusammenwirkt, mit einer Kühlwanne, einer an der Stirnwand derselben dicht und fest angeordneten sowie durch einen flüssigkehsdurchströmten Kühlmantel an ihrer Führungsfläche gekühlten Kalibrierbüchse, die aus einem gut wärmeleitenden Metall besteht, zur Wärmeabführung von dem die Extruderdüse verlassenden Hohlprofil, und mit in der Kühlwanne längsverschiebbar und feststellbar angeordneten Kalibrierblenden von entsprechend der Werkstückschrumpfung abnehmender Blendenöffnung, und mit einer jeweils in Verbindung mit jeder Kalibrierblende vorgesehenen Aufbringeinrichtung für eine Kühlflüssigkeit auf die Oberfläche des die Blenden durchlaufenden Hohlprofils mit einem Anschluß für die Kühlflüssigkeit mit Austrittsbohrungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Austriltsbohrungen (405) der Aufbringeinrichtung jeder Kalibrierblende (4) zugeordnet und radial oder tangentil in einer einseitigen Erweiterung (404) der Blendenöffnung (403) angeodnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß jede Kalibrierblende (4) aus einem Blendeneinsatz (401) und einem teilbaren joch (410, 411) mit Ringnut (413) zur Halterung des Blendeneinsatzes (401) besteht, wobei die Ringnut (413) so bemessen ist, daß bei eingesetzter Blende (401) ein Ringkanal entsteht, durch den die Kühlflüssigkeit den Austrittsbohrungen (405) zuströmt.

truderdüse angeschlossen werden. Nachteilig ist hingegen daß für etae intensive Kühlung relativ lange KaIibrierbüchsen benötigt werden.*, daß relativ hohe Reibungskräfte auftreten- Bei großen Abzugsgeschwind.g-

keton, die im Interesse der Wirtschaftlichkeit angestrebt werden, können diese Reibungskräfte die Zugfestigkeit der noch warmen Profilwand übersteigen, so daß das aus der Kalibriervorrichtung austretende Hohlprofil unterzogen oder sogar abgerissen wird. Zur Ver-

,o minderung der Wandreibung wurde schon vorgeschlagen in mindestens einem durchlässigen Abschnitt der Kalibrierstrecke Kühlflüssigkeit einzuleiten. Da die Temperatur des Extrudats die Siedetemperatur der Kühlflüssigkeit meist erheblich übersteigt, bildet sich

„dabei auf der Profiloberfläche eine Grenzschicht aus einem Wasser-Wasse/dampfgemisch, wodurch der Wärmeübergang vermindert wird. Wegen der großen Durchsatzleistung Extruder neuer Bauart wird die Leistung der gesamten Anlage in der Regel durch die

» Funktionstüchtigkeit der Kalibriervorr.chtung be-