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Verfahren und Anlage zur Innenkalibrierung eines Rohres aus Kunststoff.
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Innenkalibrierung
eines Rohres aus Kunststoff, insbesondere thermoplastischem Kunststoff, wobei das
Rohr als Quasiflüssigkeit im hochviskosen Zustand aus einem Spritzkopf mit Dorn
herausdrückt und über einen an den Dorn angeschlossenen Kalibrierzylinder abgezogen
sowie dabei von außen gekühlt und dadurch aus dem Zustand der Quasiflüssigkeit über
einen weichplastischen Zustand bis zum kaliberhaltigen Rohr verfestigt wird. Die
Erfindung bezieht sich fernerhin auf eine Anlage zur Durchführung eines solchen
Verfahrens. - Der Ausdruck Kunststoff umfaßt hier auch Gummi. Im folgenden wird
stets nur von Kunststoff gesprochen, obwohl hauptsächlich die üblichen thermoplastischen
Kunststoffe angesprochen sind. - Der Ausdruck Rohr umfaßt auch Schläuche, soweit
diese
hinreichend dickwandig sind, um kalibrierfähig zu sein. Der
Querschnitt-kann rund oder auch quasirund, z. B. ellipsenförmig sein. Der Kalibrierzylinder
ist ein massiver Dorn oder auch ein Hohlzylinder. Ouasiflussigkeit meint den Zustand
des geometrisch bereits dem herzustellenden Rohr entsprechenden Formling, mit dem
das Rohr den Spritzkopf verläßt, bei dem jedoch das Rohr innere und äußere Druckbeanspruchungen
aufzunehmen mangels Verfestigung noch nicht in der Lage ist. Es handelt sich gleichsam
um einen hochviskosen Flüssigkeitsstrom, der aus dem Spritzkopf einer Kunststoffschneckenpresse
austritt. Das Rohr wird erst durch zunehmende Abkühlung zunehmend verfestigt und
damit formhaltig sowie, nach Kalibrierung, kaliberhaltig.
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Kaliberhaltig bezeichnet die Tatsache, daß das Rohr, bis auf kontrollierte
Wärmedehnungen, definierten Innendurchmesser aufweist.
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Bei bekannten Verfahren der beschriebenen Gattung (vergleiche Schenkel,
Kunststoff-Extrudertechnik, 1963, Seiten 333 bis 338# ist der Kalibrierzylinder
eine mehr oder weniger große Verlängerung des Dorns im Spritzkopf, die Innenkühlung,
zumeist als Was serkühlung, erfährt. Ohne Kühlung wUrde der Xunststoff, der alE
Quasiflüssigkeit aus dem Spritzkopf austritt, an dem Dorn bzw.
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am Kalibrierzylinder, zumindest in dAnner Schicht, anhaften.
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Die bekannten Maßnahmen sind vorrichtungsmäßig mehr oder weniger aufwendig.
Wenn der Kalibrierzylinder Kühlung erfährt, so muß der Spritzkopf als Kreuzspritzkopf
oder Versatzspritzkopf ausgeführt werden. Das bedingt eine Umlenkung des flüssigen
Kunststoffes im Spritzkopf und beschränkt das Verwahren auf Kunststoffe, die diese
Umlenkung zulassen. So ist beispielsweise Hartpolyvinylchlorid nicht zu verarbeiten.
Wenn der Spritzkopf als Geradeausspritzkopf ausgeführt ist, so ist die Kühlmitteleinführung
schwierig.
Sie könnte allenfalls über die Stege erfolgen, die in einem solchen Spritzkopf regelmäßig
den Dorn festhalten. Das bedingt gleichzeitig auch eine Kühlung dieser Stege, gekühlte
Stege produzieren festigkeitsmäßige Schwachstellen im fertigen Rohr. Im übrigen
reicht der Querschnitt der Stege zu einer beachtlichen Kühlung kaum aus. Es ist
häufig, selbst bei intensiver Kühlung, nicht möglich, das Rohr auf dem Kalibrierzylinder
bis zum kaliberhaltigen Formling zu verfestigen, da dieses einen zu langen Kalibrierzylinder
und damit sehr hohe Reibungskräfte und zu hohe Abzugskräfte auslösen würde.
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Wenn die Abzugskräfte beherrscht werden sollen, muß im Rahmen der
bekannten Maßnahmen mit verhältnismäßig kurzem Kalibrierzylinder gearbeitet werden,
müssen fernerhin bei diesem Verfahren unkontrollierte Veränderungen des Rohre#s
nach Abzug vom Kalibrierzylinder in Kauf genommen werden, die die erreichbare Toleranz
der Kalibrierung nachteilig beeinflussen. Das ändert sich nicht wesentlich, wenn
man zum Zwecke der Reduzierung der Abzugskräfte den Kalibrierzylinder konisch verjüngt-
ausfiihrt.
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Häufig-haftet auch das aus dem Spritzkopf austretende Rohr im Quasiflüssigkeitsbereich
an dem Kalibrierzylinder, wenn auch nur auf einem Teilstück. Es entsteht so eine
im übrigen vom Austrittsdruck am Spritzkopf bestimmte Schleppströmung, die die molekulare
Struktur, Orientierung und Textur, je nach Werkstoff, nicht günstig beeinflußt.
Das alles ist der Grund, weshalb z.B.
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Rohre aus weichelastischen Werkstoffen, wie Weich-PVC oder aus niedrigviskosen
Werkstoffen, wie Polyesterharzen bzw. aus stark klebenden Werkstoffen nicht mit
Innenkalibrierung kalibriert werden können. Aùßenkalibrierung ist hier zwar möglich
(vergleiche Schenkel, l.c.), ist jedoch vorrichtungsmäßig bzw. anlagemäßig sehr
viel aufwendiger und liefert nicht die glatte
oder sogar extrem
glatte Innenoberfläche, die von zahlreichen Verwendungszwecken bei Rohren aus thermoplastischem
Kunststoff verlangt wird. - Bei einem Verfahren ganz anderer Gattung ist es bekannt,
das Rohr mit erheblichem Druck zwischen einem hohlzylindrischen Außenwerkzeug und
einem entsprechenden Innenwerkzeug herauszupressen. Hier sind Innenwerkzeug und
Außenwerkzeug soweit verlängert, daß zwischen den Werkzeugen auch die Abkühlung
erfolgt. Mit demgegeniiber dem Druck zwischen den Werkzeugen noch höherem Druck
wird ein hydraulisches Gleitmittel zwischen Werkzeug und Rohr eingeführt, welches
als hydrostatisches Polster wirkt. Das läßt sich bei bloßer Innenkalibrierung nicht
verwirklichen, da das Rohr, insbesondere im Quasiflüssigkeitsbereich, aufblähen
würde.
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Bei der Außenkalibrierung mit an den Spritzkopf angeschlossenem Kalibrierhohlzylinder
#und in das zu kalibrierende Rohr eingeführter Stützluft (vor Stopfen oder Schleppstopfen)
ist es bekannt (vgl. Schenkel, l.c.) zwischen Rohr und Kalibrierhohlzylinder Schmierluft
einzuführen. Das mag die Reibung zwischen Rohraußenwand und Rohrinnenwand des Kalibrierhohlzylinders
reduzieren, hat jedoch die Probleme um die Innenkalibrierung nicht beeinflußt und
beseitigt dort die beschriebenen Probleme nicht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Innenkalibrierungsverfahren
der eingangs beschriebenen Gattung so weiter auszubilden, das ohne Schwierigkeiten
Rohle aus allen üblichen Kunststoffen, insbesondere aus weichelastischen oder niedrigviskosen
thermoplastischen Werkstoffen sehr genau und toleranzarm kalibriert werden können.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Innenkalibrierung eines Rohres
aus Kunststoff, wobei das Rohr als Quasiflüssigkeit im hochviskosen Zustand aus
einem Spritzkopf mit Dorn herausgedrückt und über einen an den Dorn angeschlossenen
Kalibrierzylinder abgezogen sowie dabei von außen abgekühlt und dadurch aus dem
Zustand der Quasiflüssigkeit über einen weichplastischen Zustand bis zum kaliberhaltigen
Rohr verfestigt wird. Der Bereich, in dem der beschriebene hochviskose Zustand herrscht,
wird als Quasiflüssigkeitsbereich bezeichnet. Die Erfindung besteht darin, daß im
Quasiflüssigkeitsbereich zwischen Rohr und Kalibrierzylinder praktisch drucklos
ein hydraulisches Gleitmittel eingeführt wird, wobei der Formling eine Gleitmittelschleppschicht
zwischen Kalibrierzylinder und Formling mitschleppt, und daß diese Gleitmittelschicht
auf dem Kalibrierzylinder durch radiale Kräfte zu einem Gleitmittelschleppkeil mit
im Längsschn#tt keilförmig abnehmender Dicke abgebaut wird. Nach bevorzugter Ausführungsform
der Erfindung werden die radialen Kräfte durch Schrumpfung erzeugt,#die z. B. durch
Abkühlung gesteuert wird.
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- Hydraulisches Gleitmittel bezeichnet im Rahmen der Erfindung jede
(praktisch inkompressible) Flüssigkeit, deren Viskosität kleiner ist als die der
Quasiflüssigkeit, die das Rohr bei Austritt aus dem Spritzkopf bildet. Der Eintritt
zwischen Rohr und Kalibrierzylinder erfolgt praktisch drucklos. Im allgemeinen kann
mit einem üblichen hydraulischen Schmiermittel gearbeitet werden. Die Aussage, daß
das hydraulische Gleitmittel zu einem Gleitmittelschleppkeil abgebaut wird, ist
auch eine Mengenangabe. Der Gleitmittelschleppkeil umgibt den Kalibrierzylinder,
er kann, je nach dem durch die Kühlung des Rohres auf dem Kalibrierzylinder hervorgerufenen
Druck im Längsschnitt nach außen
hin mehr oder weniger bogenförmig
verlaufen, wenn die Rohrwandung sich ein wenig vorwölbt. - Die Erfindung nutzt die
über raschende Tatsache, daß (nach Einführung eines hydraulischen Gleitmittels zwischen
Rohr und Kalibrierzylinder im QuasiflUssigkeitsbereich) das abziehende Rohr bei
einwirkenden radialen Kräften eine Schleppströmung spezieller Geometrie, nämlich
eine zum Ende des Kalibrierzylinders in der Dicke keilförmig abnehmende und daher
als Gleitmittelschleppkeil bezeichnete Schleppströmung gleichsam mitsaugen kann,
wenn man dafür sorgt, daß die auf Abkühlung beruhende Schrumpfung des Rohres im
Bereich des Xalibrierzylinders nicht zu groß wird. Auf dem hydrostatischen Druck
im Gleitmittelschleppkeil ruht die Rohrwandung wie auf einer schiefen Ebene bzw
auf einem entsprechenden Polster.
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Die Reibung ist praktisch null. Es reicht trotz der verhältnismäßig
kleinen Strangpreßgeschwlndigkeit der viskositätsabhängige Druck in der Schleppströmung
an jeder Stelle aus, um die radial wirkende Schrumpfspannung zu kompensieren, jedoch
so, daß das Gleitmittel weiter mitgeschleppt wird. Selbstverständlich ist der hydraulische
Gleitmittelkeil überall dünn. Die Temperaturabhängigkeit der Viskosität des Gleitmittels
ist zu berücksichtigen. Das alles läßt sich durch Auswahl eines entsprechenden Gleitmittels
und durch entsprechende Auslegung eines umgebenden Kühlbades stets erreichen und
bedingt einen verhältnismäßig lar gen Xalibrierzylinder, der beachtlleh länger ist
als bei der bekannten Aus führungs form. Eine leichte konische Erweiterung des Kalibrierzylinders
zum Abzugende hin (im Gegensatz zu der üblichen konischen Verjüngung eines solchen
Kalibrierzylinders) unterstützt den Effekt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
entsteht eine echte Schleppströmung aus dem hydraulischen Gleitmittel um den Kalibrierzylinder
herum mit dem für eine Schleppströmung
typischen Geschwindiskeitsprofil
(bei keilförmig abnehmender Dicke). Das hat zur Folge, daß die Rohrwandung am Kalibrierzylinder
an keiner Stelle mehr haftet und in der Rohrwandung selbst, auch im Quasiflüssigkeitsbereich,
sich keine Schleppströmung mehr ausbildet. Im Ergebnis wird dadurch auch die molekulare
Struktur, Orientierung und Textur des fertigen Rohres günstig beeinflußt. Mit einem
pneumatischen Medium -ähnlich der eingangs beschriebenen Schmierluft - läßt sich.wegen
zu geri#nger Viskosität ein im Sinne der obigen Ausführungen wirkender und wirksamer
Schleppmittelkeil nicht erzeugen, und zwar auch nicht bei Druckzuführung dieses
pneumatischen Mediums.
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Hinzu kommt, daß eine Druckzuführung des Gleitmittels wegen des Charakters
des aus dem Spritzkopf austretenden Rohres als Quasiflüssigkeit im Bereich des Austrittes
gar nicht möglich ist. Es würde ein störendes Aufblähen und Aufblasen des Rohres
im Quasiflüssigkeitsbereich eintreten.
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Im einzelnen läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren auf verschiedene
Weise-weiter ausbilden und gestalten. In der Ausführungsform, bei der das Rohr (werkstoffbedingt)
im Quasiflüssigkeitsbereich beim Austreten aus dem Spritzkopf zunächst eine Entlastungsexpansion
erfährt, die einen Entlastungsspalt zwischen Rohr und Kalibrierzylinder bildet,
empfiehlt die Erfindung, daß das Gleitmittel unmittelbar hinter dem Spritzkopf und
über den Innenumfang verteilt eingeführt wird, - und zwar praktisch drucklos. Im
Rahmen der Erfindung liegt es, den Gleitmittelschleppkeil zum Zwecke der Erhöhung
seiner Viskosität und damit das Rohr zusätzlich von innen zu kühlen, was also eine
Kühlung des Kalibrierzylinders voraussetzt. Im allgemeinen ist eine solche Kühlung,
wie ausdrücklich betont wird, jedoch nicht erforderiich und nicht einmal erwünscht.
Jedenfalls sollte jedoch
das Rohr im Bereich des Endes des Kalibrierzylinders
von außen einer besonders intensiven Kühlung unterworfen werden, damit an dieser
Stelle über die Schrumpfung des Rohres ein Stopfbuchseneffekt entsteht, der verhindert,
daß das abziehende Rohr zuviel des hydraulischen Gleitmittels mitschleppt.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist, wie bereits erwähnt, das
hydraulische Gleitmittel bezüglich seiner Viskosität so einzustellen, daß der Gleitmittelschleppkeil
die beschriebenen Druckbeanspruchungen aufnimmt. Je kleiner der Spalt, desto grösser
ist der Innendruck, der im Gleitmittelschleppkeil gegen den Schrumpfungsdruck des
zu kalibrierenden Rohres wirkt. Es besteht insoweit eine Analogie zur hydrodynamischen
Theorie der Schmiermittelreibung.
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Die erreichten Vorteile sind darin zu sehen, daß bei Verwirklichung
des erfindungsgemäßen Verfahrens praktisch für jeden beliebigen Kunststoff, insbesondere
für jeden thermoplastischen Kunststoff, eine einwandfreie Innenkalibrierung durchgeführt
werden kann. Dazu ist es nicht erforderlich, mit einem Kreuzspritzkopf an dem Extruder
zu arbeiten, zumal regelmäßig eine Kühlung des Kalibrierzylinders nicht in Frage
kommt. Die Zuführung des Gleitmittels über den Dorn des Spritzkopfes und folglich
durch den Dorn haltende Stege hindurch ist problemlos, da nur eine verhältnismäßig
geringe Gleitmittelmenge benötigt wird, die nicht kühlend wirkt und notfalls erhöhte
Temperatur aufweisen kann. Auch Werkstoffe, die bisher kaum kalibriert werden konrr
ten, wie insbesondere Weich-PVC und stark klebende Kunstharze, können kalibriert
werden. Das ermöglicht die Herstellung ganz neuer Produkte. Die Länge des Kalibrierzylinders
wird so gewählt, daß auf dem Kalibrierzylinder die Kalibrierung vollständig
abgeschlossen
ist. Folglich können sehr genaue Innendurchmesser garantiert werden. Störende- Reibungskräfte
entstehen auch durch einen extrem langen Kalibrierzylinder nicht,#weil überall auf
dem Kalibrierzylinder die gleitende Reibung durch Schmiermittelreibung ersetzt ins£.
Von besonderem Vorteil ist endlich die Tatsache, daß das erfindungsgemäße Verfahren
anlagemäßig sehr ein#fach verwirklicht werden kann, die mit gegenüber bekann#ten
Anlagen erheblich verbesserter Leistung arbeitet.
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Die Erfindung geht in vorrichtungsmäßiger Hinsicht aus von einer Schneckenstrangpresse
mit Strangpreßkopf und Dorn und an den Dorn angeschlossenen Kalibrierzylinder. Die
Erfindung besteht vorrichtungsmäßig hauptsächlich darin, daß zwischen Dorn und Kalibrierzylinder
eine Einrichtung zur Einleitung eines hydraulischen Gleitmittels angeordnet und
der Kalibrierzylinder von einem Wärmetauscher zur Erzielung der radialen Kräfte
durch Schrumpfung umgeben ist. Die Einrichtung zur Einführung des hydraulischen
Gleitmittels zwischen Kalibrierzylinder und Rohr besteht nach bevorzugter Ausführungsform
der Erfindung aus e#inem Ringrauzzwischendorn und Kalibrierzylinder, wobei der Ringraum
über Bohrungen im Dorn bzw. im Strangpreßkopf an einen Gleitmittelvorratsbehäiter
angeschlossen ist.
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An den Ringraum kann eine Rückführleitung für das Gleitmittel angeschlossen
sein, die zugleich eine Druckentlastung des Ringraumes bewirkt. Der Ringraum ist
zweckmäßigerweise über ein konisches Teilstück am Kalibrierzylinder in Abzugsrichtung
des Rohres keilförmig verjüngt. Nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung besitzt
der Kalibrierzylinder überall eine glatte Oberfläche. Da im Rahmen der Erfindung
eine Abstimmung der Abkühlung
und damit der Schrumpfkräfte zur
Bildung des Gleitmittelschleppkeils erforderlich ist, wird nach bevorzugter Ausführungsform
der Erfindung der Wärmetauscher in besonderer Weise gestaltet. Man kommt einfach
zum Ergebnis, wenn der Wärmetauscher aus einem Kühlmittelbehälter mit mehreren längs
des Kalibrierzylinders verteilten Kammern besteht, die auf unterschiedliche Kühltemperatur-einstellbar
sind. Die Einrichtung zur Einleitung des hydraulischen Gleitmittels ist im allgemeinen
mit einem einfachen Vorratsbehälter versehen, die Gleitmittelzuführung erfolgt nicht
unter Druck. Es kann sogar zweckmäßig sein, den Vorratsbehälter durch Verbindung
mit einer Unterdruckpumpe zu entlasten, um gleichzeitig am heißen Rohr eventuell
verdampfendes Gleitmittel abzusaugen.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel
darstellenden Zeichnung ausführlicher erläutert.
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Es zeigen in schematischer Darstellung Fig. 1 einen Längsschnitt durch
eine Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, Fig. 2 den vergrößerten
Ausschnitt A aus dem Gegenstand nach Fig. 1 und Fig. 3 eine grafische Darstellung
zur Erläuterung des Druckverhaltens im Gleitmittelschleppkeil Die in den Figuren
dargestellte Anlage dient zur Innenkalibrierung eines Rohres 1 aus im Ausführungsbeispielìthermoplastischem
Kunststoff, wobei das Rohr 1 als Quasiflüssigkeit im hochviskosen Zustand aus dem
Spritzkopf 2 mit Dorn 3 einer Kunststoffschneckenstrangpresse
4
ausgedrückt und über einen an den Dorn 3 angeschlossenen Kalibrierzylinder 5 abgezogen
sowie dabei von außen abgekühlt un#d dadurch aus dem Zustand der Quasiflüssigkeit
über einen weichplastischen Zustand bis zum kaliberhaltigen Rohr 1 verfestigt wird.
Insbesondere aus Fig. 2 erkennt man, daß zwischen Dorn 3 und Kalibrierzylinder 5
eine Einrichtung 6 zur Einleitung eines hydraulischen Gleitmittels 7 angeordnet
und der Kalibrierzylinder 5 von einem Wärmetauscher 8 umgeben ist. Dabei ist die
Anordnung so getroffen, daß diese Einrichtung 6 zur Einführung eines hydraulischen
Gleitmittels 7 zwischen Kalibrierzylinder 5 und quasiflüssigem Rohr 1 aus einem
Ringraum 6 besteht, wobei dieser Ringraum 6 über Bohrungen 9 im Dorn 3 bzw. Spritzkopf
2 an einen Gleitmittelvorratsbehälter 10 angeschlossen ist. Hier befindet sich das
hydraulische Gleitmittel 7 drucklos. Die Bohrung 9 für die Zuführung des Gleitmittels
7 geht durch einen Steg 11, mit dem der Dorn .3 im Spritzkopf 2.
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wie üblich gehalten ist. Im'übrigen erkennt man in Fig. 2, daß der
Ringraum 6 über ein konisches Teilstück 12 am Kalibrierzylinder 5 in Abzugsrichtung
des Rohres 1 keilförmig verjüngt ausgeführt ist. Hier kann der Kalibrierzylinder
mit einer Verteilernut ausgerüstet werden.
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Der Wärmetauscher 8 besteht aus einem. Kühimittelbehälter mit mehreren
längs des Kalibrierzylinders 5 verteilten Kammern 13, die durch Zuführung von KühImitteln
unterschiedlicher Temperatur auf unterschiedliche Temperatur einstellbar sind. Die
Temperatur ist so eingestellt, daß zunächst im Quasiflüs.sigkeitsbereich des Rohres
1 zwischen Rohr 1 und Kalibrierzylinder 5 im Ausfiihrungsbeispiel über den Innenumfang
des Rohres 1 verteilt ein hydraulisches Gleitmittel 7 mitgeschleppt wird. Dieses
bildet#unter dem
Einfluß radialer Kräfte durch Schrumpfung den
erwähnten Gleitmittelschleppkeil 14. Die Fig. 3 macht deutlich, daß das Rohr 1 auf
diesem hydraulischen Gleitmittelschleppkeil 14 abgezogen sowie auf dem Gleitmittelschleppkeil
14 bis zum kaliberhaltigen Rohr 1 verfestigt wird. Der Druck P ist darüber als Kurve
aufgetragen. Man erkennt, daß das Rohr 1 gleichsam auf einem keilförmigen hydraulischen
Polster aufliegt. Das Rohr 1 ist im Bereich des Endes des Kalibrierzylinders 5 einer
besonders intensiven Kühlung unterworfen, so daß am Ende des Kalibrierzylinders
5 durch Schrumpfung gleichsam ein Stopfbuchseneffekt entsteht, der den Gleitmittelschleppkeil
14 auf minimale, gleichsam verschwindende Dicke reduziert. Zu Beginn der Abkühlung
soll diese nicht zu stark sein.