Что такое противодавление и как его настраивать? Удельное и гидравлическое

Когда мы опубликовали нашу таблицу технологических параметров переработки материалов, из цеха пришло предупреждение: «Значения противодавления даны как удельное давление? Если это параметры на экране, то они очень высокие». Предупреждение было справедливым, и с того дня мы уточнили сноски в таблице. Второе замечание, последовавшее за ним, оказалось еще поучительнее: производители сырья, производители машин и преподаватели всегда дают для этого значения широкий диапазон; читатель считает верхнюю границу «безопасной» и выставляет ее, тогда как на машине противодавление в зависимости от материала лежит в пределах 3–15 бар, и каждый шаг выше оплачивается сразу по нескольким статьям. Статья построена вокруг этих двух замечаний, и каждое ее утверждение проверено по паспортам производителей и отраслевой литературе: сначала понятие, затем два разных числа, описывающих одно и то же, затем почему диапазон вводит в заблуждение и, наконец, чем оборачивается избыток.

Что на самом деле делает противодавление?

На стадии дозирования в цикле литья шнек вращается, продвигает гранулы вперед, и перед наконечником шнека накапливается расплав. Накапливающийся расплав отталкивает шнек назад. Противодавление — это сопротивление, намеренно создаваемое этому обратному ходу шнека. На гидравлической машине оно создается дросселированием масла, сливающегося из цилиндра впрыска во время дозирования, с помощью клапана на сливе. На полностью электрической машине его обеспечивает ограничение момента сервопривода впрыска, удерживающего шнек в осевом направлении; тормозит не двигатель, вращающий шнек, а тот, что перемещает его вперед и назад.

С ростом сопротивления шнек отходит медленнее, а расплав дольше и под большим давлением сжимается. Это дает три конкретных эффекта:

• Плотность расплава и стабильность дозы. Это и есть главная задача противодавления: оно уплотняет расплав перед обратным клапаном и сохраняет его плотность одинаковой от цикла к циклу. Поскольку масса изделия — произведение плотности расплава на объем, подушку и массу изделия не стабилизировать, пока не стабилизирована плотность.
• Удаление воздуха. Воздух, захваченный между гранулами, вытесняется назад, к бункеру, и выходит; вероятность серебристых полос от воздуха снижается.
• Гомогенность. Разница температур и вязкости уменьшается; суперконцентрат и добавки распределяются в расплаве равномернее.

Порядок выбран намеренно. Противодавление — инструмент стабильности, а не инструмент устранения дефектов. Чаще всего в цеху дефект «маскируют» повышением противодавления; дефект исчезает, но его первопричина остается на месте, а расплачиваться приходится в другом месте.

Одно слово, два разных числа

Противодавление выражается в двух разных системах отсчета, и в этом источник путаницы.

Поскольку поршень впрыска шире шнека, 1 бар со стороны масла проявляется со стороны расплава, умноженный на коэффициент усиления давления машины. В паспортах сырья этот коэффициент принимают равным 10; в паспорте одного производителя обе системы отсчета даны в одном предложении: «удельное 100 ± 50 бар, гидравлическое чаще всего 5–15 бар». Коэффициент указан в документации машины; если вы его не знаете, найдите его, разделив максимальное удельное давление впрыска на максимальное гидравлическое давление. Этот множитель — отраслевая практика, а не бесспорная физика; поскольку при противодавлении направление силы обратное, точное значение дает собственная калибровка машины. Цеховое предупреждение «3–15 бар» описывает значение на экране; столбец же на нашей странице технологических параметров переработки материалов дан в удельных значениях. Поставить два числа рядом и записать одно вместо другого — именно та ошибка, от которой эта статья пытается уберечь.

В какой системе отсчета работает экран, зависит от машины. Манометр всегда показывает давление масла. На традиционных системах управления гидравлических машин экран тоже в основном показывает гидравлическое значение; но некоторые гидравлические машины и системы управления, выполняющие пересчет по коэффициенту, позволяют задавать и отображать противодавление сразу в удельных барах. На полностью электрических машинах гидроцилиндра нет, поэтому значение всегда соответствует давлению расплава; усилие измеряется тензодатчиком за шнеком или по моменту сервопривода. Оператор, перешедший с гидравлической машины на полностью электрическую и выставивший по привычке те же «10 бар», задаст значение в десять раз ниже нужного. Практический способ различить: если верхний предел поля противодавления около 20–30 бар, вы в гидравлической шкале, если выше 300 бар — в удельной. Пока нет уверенности, не переносите значение со старой машины на новую.

Почему широкий диапазон вводит в заблуждение?

Производители сырья, производители машин и преподаватели дают для одного и того же материала разные и широкие диапазоны — что-то вроде «20–60». Причина есть: правильное значение зависит от геометрии шнека, формы гранул, доли дробленки, нагрузки по красителю и целевого времени дозирования, и одно число не подходит ни к чему из этого. Но в самом диапазоне кроется ловушка. Диапазон не говорит, в какой системе отсчета он дан; не говорит, что считать отправной точкой — нижнюю или верхнюю границу; и никогда не говорит, во что обходится выход на верхнюю границу. В цеху происходит следующее: оператор видит диапазон, успокаивается мыслью «я в пределах верхней границы» и держит значение высоким, хотя в этом нет нужды. Так могли прочитать и нашу таблицу; поэтому ниже мы приводим диапазоны вместе с системой отсчета, значением на экране и обоснованием. Диапазон — не разрешение, а отправная точка: начинают снизу и поднимаются выше, только если есть конкретный признак. В одном систематическом исследовании по оптимизации окно, дающее стабильный результат, оказалось шириной всего 35–50 бар в удельных значениях; диапазон в 100 бар из паспорта гораздо шире этого окна.

Однако разница между группами материалов важнее самого числа:

Удельные значения взяты из столбца на странице технологических параметров переработки материалов, проверенного по паспортам производителей, а гидравлические — из руководств, где они даны непосредственно в гидравлической системе отсчета. Значение на экране выведено в предположении коэффициента 10; коэффициент своей машины уточните в ее руководстве.

Цена избытка: пять статей, и все с отсрочкой

Особенность необоснованного повышения противодавления в том, что цена видна не сразу. В тот же день изделие выходит хорошим; счет приходит через несколько недель. В цеховом замечании этот счет был разложен на четыре статьи; при проверке по источникам механизм двух из них оказался иным, чем предполагалось, и добавилась еще одна статья.

1. Удлинение дозирования, рост оборотов, деструкция

С ростом противодавления шнек отходит медленнее; время дозирования удлиняется. Здесь нужно поправить распространенное убеждение: при постоянной частоте вращения шнека повышение противодавления само по себе существенно не поднимает температуру расплава; это показано измерениями. Настоящий источник тепла — частота вращения шнека. Цена приходит косвенно: когда дозирование удлиняется, оператор, чтобы уложиться во время, повышает обороты, и вот тогда тепло сдвига растет. Эта температура, растущая независимо от нагревателей цилиндра, на экране не видна; ее можно увидеть, только измерив сам расплав при впрыске на воздух. Результат — картина деструкции, при которой производство выглядит нормальным, но изделие становится хрупким, а цвет уходит; подгары и неожиданные разрушения при механических испытаниях часто приходят именно так. У термочувствительных материалов цепочка короче: из POM выделяется формальдегид, из PVC — хлористый водород; руководства производителей для этих двух материалов намеренно держат противодавление низким. Длительное дозирование к тому же удлиняет время пребывания материала в цилиндре; для чувствительных материалов уже одного этого достаточно для деструкции.

2. Нагрузка на шнек, обратный клапан и цилиндр

Обратный клапан и наконечник шнека — в цеху их называют просто «кольцо» и «наконечник» — при любых условиях изнашиваются быстрее всего; расплав проходит через оба элемента на протяжении всего дозирования. С абразивным материалом, то есть со стеклонаполненными и минералонаполненными марками, нагрузка и проскальзывание на кольце и наконечнике растут с повышением противодавления и оборотов. Признак коварный: подушка перестает держаться, масса впрыска начинает колебаться, и оператор ради того же качества расплава еще немного поднимает противодавление; компенсация изношенного клапана противодавлением ускоряет износ. Причины и метод измерения — в статье износ шнека и цилиндра; что делать, когда зазор достиг предела, — в статье решение о восстановлении шнека и цилиндра.

3. Преждевременное старение гидравлического масла

На гидравлической машине противодавление создается дросселированием масла в сливной линии пропорциональным клапаном; каждый задросселированный бар превращается в тепло и греет масло на протяжении всего дозирования. Распространенное эмпирическое правило гласит, что каждое повышение на 10 °C сверх 60 °C примерно вдвое сокращает срок службы масла; в современных составах соотношение может отличаться, но направление то же. Горячее масло быстрее окисляется, его вязкость падает; первые признаки — небольшие утечки, начинающиеся у клапанов и поршней, за ними следует затвердевание уплотнений и манжет. Срок службы масла сокращается, следуют внеплановые простои. На полностью электрических машинах этой статьи нет; на гидравлических машинах с сервоприводом она проявляется как нагрузка на охлаждение.

4. Энергия: косвенно, а не напрямую

В цеху замечают, что с ростом противодавления растет и счет за электроэнергию. Однако опубликованные измерения говорят интересную вещь: само противодавление существенно не меняет энергию пластикации; энергию определяет частота вращения шнека. Счет приходит из цепочки, описанной в первой статье: обороты, поднятые, чтобы компенсировать удлинившееся дозирование, тянут за собой и энергопотребление. Иными словами, само по себе снижение противодавления энергию не экономит; экономит достижение достаточной гомогенности при низком противодавлении и низких оборотах. Этот взгляд согласуется с рекомендацией «измеряйте кВт·ч/кг» из статьи об энергопотреблении.

5. Время цикла

Обычно дозирование завершается в пределах времени охлаждения и не нагружает цикл. Если удлиненное противодавлением дозирование выходит за время охлаждения, машина перед раскрытием пресс-формы ждет окончания дозирования, и цикл удлиняется. Отраслевое правило однозначно: дозирование никогда не должно превышать время охлаждения и должно завершаться примерно за 2 секунды до окончания таймера охлаждения. Время дозирования — не настройка, а результат; если оно меняется от впрыска к впрыску более чем на 5%, процесс нестабилен. Подробности — в статье о времени цикла.

Когда повышение оправдано?

Противодавление — инструмент решения задачи, а не настройка по умолчанию. Чтобы его поднять, нужен конкретный признак:

• Цветовые полосы, разводы или неравномерное распределение. Если суперконцентрат недостаточно смешивается с расплавом, противодавление — первый шаг; руководства производителей указывают на достаточное противодавление вместе со средними оборотами как способ улучшить смешение. Но сначала проверьте долю дозирования; больше суперконцентрата — больше остатков и труднее распределение. Гравиметрическое дозирование держит долю постоянной и снижает нагрузку, перекладываемую на противодавление.
• Серебристые полосы от воздуха. Если шнек отходит слишком быстро и без сопротивления, он затягивает перед собой воздух; противодавление устраняет эти полосы. Если же источник — влага, не устраняет; свили из-за влаги решаются сушкой, а не противодавлением. Повышение противодавления без этого различия маскирует влагу и перекладывает расплату на шнек.
• Колебания массы впрыска и подушки. Если плотность расплава меняется, небольшое повышение возвращает стабильность; небольшой рост массы впрыска при том же ходе нормален, потому что расплав плотнее. Сначала убедитесь, что обратный клапан не изношен.
• Дробленка с низкой насыпной плотностью. Плохо нарезанные или легкие частицы дробленки вызывают нестабильность загрузки и проскальзывание шнека. Рефлекс поднять здесь противодавление распространен, но ошибочен; источники ищут решение в зоне загрузки: бункер, температура задней зоны и доля дробленки. Противодавление эту проблему не компенсирует.

С армированными волокном материалами противодавление — последнее средство, даже если эти признаки налицо; руководства производителей прямо требуют перерабатывать наполненные волокном марки при низком противодавлении, потому что сдвиг ломает волокна. Свили от стекловолокна и потеря прочности — цена сломанных волокон.

Правильный порядок настройки

1. Начинайте с нижней границы паспорта производителя. Если паспорт дает удельное значение, пересчитайте его в значение на экране по коэффициенту своей машины. Общий минимум: примерно от 5 бар в гидравлической системе отсчета и около 50 бар в удельной; для термочувствительных материалов ниже, но не ноль. 2. Правило одного параметра. В том раунде, где вы меняете противодавление, не трогайте другие настройки; иначе не узнаете, что сработало. 3. Малые шаги. Принятый в цеху шаг — 1–2 бар в гидравлической системе отсчета и 10–20 бар в удельной. После каждого шага выждите не менее десяти циклов. 4. Сравните время дозирования со временем охлаждения. Если дозирование приближается к концу охлаждения, остановитесь; проверьте также время пребывания в цилиндре с помощью калькулятора времени пребывания. 5. Измерьте температуру расплава. При впрыске на воздух, предпочтительно инфракрасным термометром или тепловизором; игольчатый щуп даже после прогрева дает нестабильные показания. Разница между заданным и измеренным значением — это тепло сдвига; если она растет, сначала смотрите на обороты. 6. Взвесьте десять изделий. Если разброс массы не сужается, повышение не работает; верните значение. 7. Настраивайте декомпрессию отдельно. Давление, остающееся перед шнеком в конце дозирования, вызывает подтекание из открытого сопла; декомпрессия его снимает. Но декомпрессия не должна превышать ход обратного клапана более чем в 1,5 раза; больше — и в расплав затягивается воздух, который возвращается пузырями. 8. Запишите. Материал, цвет, доля дробленки и найденное значение записываются вместе; следующий запуск начинается с этой записи.

Частота вращения шнека — второй параметр, который вместе с противодавлением определяет качество расплава, и по теплу он главный; калькулятор частоты вращения шнека дает предел окружной скорости для материала. Если тепло сдвига велико, сначала снизить обороты, а если гомогенность недостаточна — немного поднять противодавление: таков порядок, вытекающий из результатов измерений в источниках. Изменение обоих сразу лишь переносит проблему в другое место.

Часто задаваемые вопросы

Может ли противодавление быть нулевым? На практике нет. При нуле шнек свободно проскальзывает назад, в расплаве остается воздух, масса впрыска колеблется. Руководства производителей дают в качестве минимума примерно 5 бар в гидравлической системе отсчета и около 50 бар в удельной; для термочувствительных материалов этот минимум ниже, но все равно не ноль.

Значение на экране — гидравлическое или удельное? Манометр показывает давление масла. Экран зависит от системы управления: на традиционных гидравлических машинах в основном гидравлическое, на некоторых гидравлических машинах и на всех полностью электрических — давление расплава. Поскольку в обоих случаях единица — бар, по экрану этого не понять; посмотрите на верхний предел поля: около 20–30 бар означает гидравлическую шкалу, выше 300 бар — удельную.

Насколько можно поднять его ради распределения красителя? До исчезновения признака, малыми шагами и так, чтобы время дозирования не превышало время охлаждения. Для цвета обычно достаточно повышения на несколько бар на экране; если этого мало, проблема распределения связана уже не с противодавлением, а с долей суперконцентрата, совместимостью носителя или геометрией шнека.

Нельзя ли вместо противодавления снизить частоту вращения шнека? Они делают разное. Частота вращения шнека определяет скорость сдвига и тепло; противодавление — сжатие и плотность. Если тепло сдвига велико, сначала снизить обороты, а если гомогенность недостаточна — немного поднять противодавление: это правильный порядок. Не меняйте оба параметра одновременно.

Если вы не уверены в настройке противодавления для какого-либо материала или износ обратного клапана и шнека достиг предела, наша служба технической поддержки оценит процесс вместе со стороной запчастей.