谈熔融纺丝整板式纺丝模头设计(1)

设备与工厂　Equipment &Factory

收稿日期:2008202220

作者简介:王维新(1961-),女,1984年毕业于沈阳建筑工程学院机械制造工艺与设备专业,现主要从事非织造布设备的研制工作,高级工程师。

谈熔融纺丝整板式纺丝模头设计

王维新

(辽宁天维纺织研究建筑设计有限公司,辽宁沈阳110016)

摘要:概述了纺丝模头的作用,介绍了熔融纺丝生产线上纺丝模头的设计、材料选择、加工及维护保养等。

关键词:非织造布;纺粘法:纺丝模头;设计

中图分类号:TS173.8　文献标识码:A 文章编号:100522054(2008)0320044204 在熔融纺丝技术中,纺丝模头是纺丝设备中比较关键的部件,它与喷丝板组合直接影响产品的质量,控制着生产线的产量。因此要提高熔融纺丝技术水平,首先要设计制造出高品质的纺丝模头。纺丝成型是一个很复杂的过程,涉及到高分子材料学、流体力学、热力学、摩擦学、机械学等多种学科。加之受不同原料生产工艺和产品要求的制约,纺丝模头的设计相对于其它成型模具的设计更为困难。

1　设计及应用

为了确保喷丝板喷出的丝径均匀连续,就必须保证纺丝模头沿整个长度和宽度上获得均匀的熔流,并且使各喷丝孔喷出的丝束流量相同、压力损失相等和剪切速率相同。设计中应采用优化的流道设计,各流道的几何中心在设计中应考虑对称,为了避免熔体的渗漏,注意尽量减少模头内型腔面积。流道根据产品要求设计成各种形状,分为大、小衣架式模头、T 型模头和鱼尾型模头几种。目前在单泵纺丝箱中应用最广的是带衣架形熔体分配器的衣架式模头,而多泵箱体采用的是多个小衣架式模头,设计合理,可实现满意的熔体分配,且最大限度地不受工作条件的影响。

判断纺丝模头设计是否合理、熔体分配质量的

好坏很大程度上取决于模头流道的形状,设计中应选用压力降最小、聚合物均匀挤出且停滞时间最短的流道结构。对于衣架式模头,特定的材料和特定纵横比的截面,存在一个过渡区长度和扩散角的最佳组合。

挤出机挤出的熔体经预过滤器、熔体分配管路输送到纺丝泵,进入纺丝模头,整板式纺丝模头的作用就是使来自挤出机的熔体按要求的方式均匀地分配,因此,纺丝模头是纺丝箱体除纺丝泵、纺丝组件外的的核心部件,并且是主要承重件。

2　纺丝模头的机械设计

模头的机械设计是指模头工作过程中产生的变形和受力的计算、所用材料和热处理工艺的选择。设计中要保证模头工作中不被破坏,保证使熔流均匀分配并符合流变学要求的几何形状。

(1)内压下与组件密封表面的设计;

(2)内压下模头壁产生的变形在允许的范围内

的设计。

纺丝模头的机械设计与流变设计有着密切的联系,设计时,首先用流变学设计将流道几何尺寸限定下来,再通过流动计算估计压力分布。流动计算在工作范围内按最大粘度、最低温度和最大挤出量进行,从而确定模头中压力和壁上的剪切应力。校验模头弯曲变形和剪切变形中的作用力可根据应力和流道壁的面积进行计算,设计中还必须要考虑模头重量的影响。

第16卷第3期2008年6月 非织造布Nonwovens

Vol 116,No 13

J un 1,2008

另外,纺丝模头作为纺丝箱体的主要支承件,受到来至本身重量、熔体的压力及纺丝组件的重量作用的影响而产生拉伸变形、温差变形。模头受拉时,变形量与截面积大小有关,而与截面积的形状无关,因此,结构设计时必需选择合理的截面尺寸,保证具有足够的刚度,使其变形量最小。

211　设计总则

(1)模头部件应尽可能少,以缩短组装时间,同时必须注意模头与各部件的对中性和部件间的配合;

(2)尽量减少流道中各部件间连接环节,以避免熔体出现渗漏的可能,连接环节的位置应便于清洗;

(3)密封面应尽量小而平,并使内压在整个密封表面均匀分布,同时要校核该处的表面压力;

(4)模头的组装应使用耐热且寿命长(大直径)的高强螺钉紧固(不用许多小螺栓),安装组件的螺钉应易于装配而不需要拆掉加热板;

(5)模头尺寸必须足以保证弯曲(受压)变形在所要求的范围内,同时要考虑安装组件螺栓孔、加热板安装孔、外罩螺栓联结孔和压力、温度传感器安装孔对模头强度的削弱;

(6)因组件始装时与模头温度不同,设计时要考虑热膨胀问题。

212　设计流道时需注意的问题

设计流道时应注意以下问题:

(1)熔体尽可能从流道的中心进入;

(2)流道中不能存在死角,尽量避免截面大小和流动方向的突变,而且各处半径必须>3mm;

(3)截面大的区域,熔体流速低,滞留时间长,易引起聚合物的降解,因而应尽量缩小型腔的体积;

(4)流痕的存在会影响挤出物的质量,因此流道设计时应尽量避免形成流痕或尽量减少流痕的数量;

(5)流道表面应经过硬化和抛光处理,表面粗糙度应<018μm,以减轻熔体的壁上粘附,缩短熔体在模头中的停留时间,并使模头易于清洗。

213　纺丝模头材料

在纺丝模头的设计与制造过程中,合理地选用和使用金属材料是十分重要的工作。我们不仅要考虑材料的性能能够适应模头的工作条件,使模头经久耐用,而且要求材料具有较好的加工工艺性能和经济性,以便在保证模头的质量和达到使用要求的前提下降低成本。

纺丝模头的材料必须满足下列要求:

(1)易加工;

(2)耐压、耐热(抗氧化起皮)、耐磨;

(3)优良的耐腐蚀性和导热性;

(4)具有足够的强度和硬度、表面硬度及易于抛光;

(5)热处理变形小;

(6)能够进行表面处理(镀铬等);

(7)无内应力。

纺丝模头的材料要根据聚合物的种类、型腔的结构形状、材料的机械强度、加工工艺、热处理方法来选择。常用纺丝模头可选如下钢材:表面硬化处理的钢材、氮化处理的钢材、安全硬化处理的钢材、淬火回火钢材、不锈钢等。如Cr12、3Cr2MoS、40Cr、4Cr13、0Cr17Ni4Cu4Nb(SUS630)等。

表面镀铬可以提高材料的耐腐蚀性、耐磨性和表面光洁度,从而使熔体附着程度降低,表面易于清理。但镀层厚度不均匀或有棱角会引起镀层内应力,导致镀层破裂或脱落。多数情况下镀层需定期更新。

对于型腔表面精度要求较高的模头,可采用真空炉中深炼的钢,其纯度好、无缺陷,尽管价格较高,但目前大型模头均采用此种钢材。

21311　钢坯锻造

锻造的首要目的是使钢材达到模头坯料的尺寸及规格,为后继加工做好准备。第二是改善钢材的组织和性能,使大块碳化物破碎,获得均匀分布状态;改善金属纤维的方向性,使流线合理分布;消除或减轻冶金缺陷,提高钢的致密度。

模头使用钢材的含碳量及合金元素均较高,导热性差,特别是高碳高合金钢锻造温度范围较窄,如操作不当极易锻裂。因此,要有严格合理的锻造工艺。首先,加热速度不能太快,加热要均匀,注意钢料在炉中的位置要适当,并适时翻转,以使其受热均匀;加热温度不能过高,要防止过热和过烧。锻打时轻重要掌握适度,打击力过大,变形量太大,易产生裂纹。停锻后的冷却速度也很重要,冷却过快也易开裂。因此,如果锻造工艺不合理,不仅达不到改善

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2008年(总第67期)王维新:谈熔融纺丝整板式纺丝模头设计

模头钢材质量和提高其性能的目的,甚至会造成锻造缺陷而恶化钢材质量。

(1)锻造使用的钢锭(钢坯)应有熔炼单位的合格证明书;

(2)锻造用钢的化学成分应符合图纸和耐热钢的化学成分的规定,并提供材质报告单;

(3)锻造前须将钢坯的表面缺陷全部消除掉(铲或磨),不得将带有缺陷的钢坯进行锻造;

(4)锻件应有适当的锻造比,锻造比不小于3;

(5)在锻造过程中,为了不使锻件开裂,避免δ铁素体的形成,锻件毛坯的加热、冷却、始锻和终锻温度应按加热及热处理规范进行;

(6)锻件应做机械性能试验(σb、σs、δ5、αk、HB)和非金属夹杂物的检查;

(7)锻件的超声波探伤应在长度方向全端面进行;

(8)锻件锻后缓冷,及时进行等温退火;

(9)锻件交货时,应附有出厂合格证。

21312　超生波探伤

模头锻件多为单件生产,生产过程复杂、周期长、成本高。而在锻造加工过程中,比较容易产生折叠、裂纹等取向分布为平行于端面的锻造缺陷。因此,模头锻件出厂前,不仅要求做机械性能和晶粒度检验,而且要求做超声波探伤检查。超声波是一种频率高于20000Hz的振动波,它对大多数材料具有穿透、反射和折射能力,但在不同材质的界面上难以穿透而产生反射。超声波检测是无损检测方法之一,无损探伤检测即指对材料或工件在不损害或不影响其未来使用性能或用途的基础上,用各种方法探测其内部表面所存在的缺陷的一种方法,通常这些缺陷往往都是采用直观检查法所不能发现或确认的。

当超声波进入物体遇到缺陷时,一部分声波会产生反射,接收器可对接收到的反射波进行分析,就能异常精确地测出缺陷来,并且能显示内部缺陷的大小和位置。

21313　热处理要求及工艺

热处理的目的不仅是为了改善材料的机械性能,同时对工件的质量起决定性的作用。采用合理的热处理工艺,妥善安排工艺路线,使模头材料获得稳定的组织结构和理想的使用性能,就可避免因组织转变而引起的变形。

模头应有适中的硬度和良好的韧性,不同类型的模头要求不同的硬度。由于模头是在长期受热、受压下工作,因而要求在热处理后,具有足够的抗延性断裂的能力。

粗加工后的模头在热处理过程中应特别注意保护型腔表面,防止表面氧化、侵蚀、脱碳或增碳。如果表面碳量过高,则会使残杀奥氏体增多,难以或根本无法抛光。

淬火冷却时,应采用较缓和的冷却介质,以免变形和淬裂。可采用延迟冷却淬火、热浴淬火或空冷。在粗加工和精加工之间及在高精加工之前应进行去应力处理,清除因加工残余应力导致的变形。

热处理的关键是加热温度的选择(保证碳化物充分浴解或合金元素充分固溶),冷即速度或等温温度的选择(保证所析出的碳化物均匀分布,能获得合适的切削硬度),如正火、高温回火、球化退火、调质处理等,也包括最终热处理,如淬火、回火、表面强化处理等。

3　机械加工

311　部件特点

纺丝模头类似大型模具部件,具有如下特点:

(1)由于有些型腔是组合的并且型腔的表面粗糙度要求较高,与组件装配的数10个螺钉位置要求精确,因此要有较高的加工精度;

(2)型腔面复杂,有些曲面必须用数学计算方法进行处理;

(3)批量小,很多情况下往往是单件生产;

(4)工序多,加工量大。模头加工中要用到铣、镗、钻、铰、攻螺纹和抛光等多种工序;

(5)模头材料优异,硬度高,多采用不锈钢和优质合金钢制造。这类钢材从毛坯锻造、加工到热处理均有严格要求,因此加工工艺的编制就更加不容忽视,热处理变形也是加工中需认真对待的问题。

根据上述特点,在选用机床上要尽可能满足加工要求,机床精度要高,刚性要好,热稳定性要强,并具有仿形功能等。

312　设备选择

模头的加工质量是保证箱体质量和使用寿命的基础。零件的加工质量包括加工精度(尺寸精度、形状精度和位置精度)和表面质量两个方面。大型模头

64 非织造布第16卷第3期

的加工,不但加工工作量较大,还有空间三维坐标的转换问题,而且加工轨迹的计算非常复杂和难以确定。普通机床难以实现或无法实现轨迹为三次以上的曲线或曲面的运动,而数控加工中心则可实现几乎是任意轨迹的运动和加工任何形状的空间曲面,适应于复杂异形零件的加工。实际制造时,应根据零件形状尺寸及其技术要求,分析确定零件的加工工艺,选定合适的机床、刀具与夹具,并确定合理的零件加工工艺路线、工序以及切削用量等工艺参数。

为使模头达到较高的加工质量,简化设备,消除设备自身潜在及转序的误差,现多采用数控加工中心来制造。数控机床具有其它机床不可替代的优势,在机械加工中得到日益广泛的应用。其有以下几方面的优点:

(1)适应性强;(2)精度高,质量稳定;(3)生产效率高;(4)能实现复杂的运动;(5)良好的经济效益;

(6)有利于生产管理的现代化。

4　纺丝模头的操作、清理与保养

件,除要小心操作外,还需要大量的维护,防止模头的损伤,从而保证生产的顺利进行。

人为的失误,特别是维护、清理过程中的粗心或误操作,是模头损坏的主要原因,因此必须对所有接触模头的人员进行严格的培训。

(1)操作者必须了解模头的功能,知道温度变

化对模头和产品质量的影响;

(2)注意只能使用软材料(铜、软铝)制作的刮

板或借助溶剂清除模头内的熔体,避免划伤,不能使用钢制工具;

(3)拆卸组件只能在加热状态下进行,而且速

度要快,以免熔体过早冷却;

(4)组件组装前应将型腔内表面及密封面认真

处理,并仔细检查;

(5)组装时,所有螺钉的螺纹部分应涂高温油

脂,以确保组件与模头间的顺利拆卸;

(6)为保护模头上的螺纹,旋紧力的大小可参

照使用说明书。

5　结语

在熔融纺丝过程中,因纺丝模头分配腔的几何形状复杂,装配精度及其它技术要求和制造成本较高,所以在实际应用中经常采用折中的办法。另外,聚合物熔体沿模头纵横向与中间的流动差异总是存在的,为了获得均匀的熔体分配,减小这种差异,现采用适当调整纺丝组件的分配板(可考虑多级)、过滤砂(玻璃珠)、滤网、喷丝板的型腔来实现。以进一步减少非织造布在整个幅宽上面密度偏差和其它物理机械性能上的差异,使其具有较好的纤网均匀度,从而满足实际应用的需要。参考文献:

[1]迈切里「德」,李吉,王淑香,译.塑料橡胶挤出模头设计[M ].北

京:中国轻工业出版社,2000.

Discuss about the Design of Single Spinnerete Spinning

Die Used Melt 2spinning

WANG Wei 2xin

(Liaoning Tian w ei T extile R esearch &Architectural Design Co.,LT D)

Abstract :The use of spinning Die is described in the paper.Design ,materials choice ,machining and maintenance for spinning Die are introduced.

K eyw ords :Nonwovens ;Spunbonded ;Spinning Die

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42008年(总第67期)王维新:谈熔融纺丝整板式纺丝模头设计