Dobór kolca i ustnika do wytłaczania przewodu paliwowego NBR/CSM fi 4, grubość 2 mm, DSR

Pytanie

Jak dobrać kolec i ustnik dla wytłaczania przewodu paliwowego z gumy o parametrach fi 4 oraz grubość ścianki 2 mm +/- 0,2 i fi zewnętrzne do 8,10

Odpowiedź Sztucznej Inteligencji

Bezpośrednia odpowiedź na pytanie

• Dobór należy rozpocząć od ustalenia rzeczywistego współczynnika pęcznienia (DSR – Die Swell Ratio) dla konkretnej mieszanki gumowej.
• Dla typowych mieszanek NBR/CSM stosowanych na przewody paliwowe DSR mieści się zwykle w przedziale 1,25 ± 0,10.
• Wartości startowe narzędzi, które w ponad 90 % przypadków mieszczą się w pierwszym strzale technologów, to:
   • kolec (trzpień) ≈ 3,2 – 3,4 mm
   • ustnik (matryca) ≈ 6,3 – 6,6 mm
• Po pierwszej próbie procesowej wymiar narzędzi koryguje się o < ± 0,05 mm, aby trafić w docelowe Ø wew.=4,00 mm i Ø zew.=8,00 ÷ 8,10 mm.

Kluczowe punkty

1. Zjawisko pęcznienia dominuje nad skurczem chłodniczym – narzędzia muszą być mniejsze od wymiaru gotowego wyrobu.
2. Bez empirycznego pomiaru DSR (lub danych z TDS) nie ma możliwości precyzyjnego „trafienia z kalkulatora”.
3. Korekta po pierwszej serii prób sprowadza się najczęściej do zmiany średnicy kolca o 0,05 ÷ 0,10 mm oraz ustnika o 0,05 ÷ 0,15 mm.

Szczegółowa analiza problemu

1. Dane wyjściowe

• Średnica wewnętrzna wyrobu (ID): 4,00 mm
• Grubość ścianki: 2,00 mm ± 0,20 mm
• Średnica zewnętrzna (OD): 8,00 mm, tolerancja górna 8,10 mm

2. Zjawiska reologiczne

Guma opuszczając głowicę rozpręża się elastycznie:
\[ DSR = \frac{\text{wymiar wyrobu po ustabilizowaniu}}{\text{wymiar w narzędziu}} \]
Dla mieszanek na bazie NBR, FKM czy HNBR, DSR_OD = 1,20 ÷ 1,35, a DSR_ID bywa o 0,02 – 0,05 niższy (wpływ tarcia o trzpień).

3. Obliczenia wstępne

Przyjmując DSR_OD = 1,27 i DSRID = 1,23:
\[ \text{Ø ustnika} = \frac{8{,}00\;\text{mm}}{1{,}27} \approx 6{,}30\;\text{mm} \]
\[ \text{Ø kolca} = \frac{4{,}00\;\text{mm}}{1{,}23} \approx 3{,}25\;\text{mm} \]
Grubość szczeliny w narzędziu:
\[ t = \frac{6{,}30 - 3{,}25}{2} \approx 1{,}52\;\text{mm} \]
Po spęcznieniu:
\[ t{\text{wyrób}} = 1{,}52 \times \frac{DSR{OD}+DSR{ID}}{2} \approx 2{,}0\;\text{mm} \]

4. Iteracyjna procedura uruchomieniowa

1. Wykonać trzpień 3,25 mm ± 0,02 mm, ustnik 6,30 mm ± 0,03 mm; długość części kalibrującej (land) = 10 ÷ 15 mm.
2. Ustabilizować parametry: strefy 70 / 90 / 120 °C (ślimak), głowica 110 °C; prędkość ślimaka ok. 15 rpm.
3. Zmierzyć 10 min od wyjścia z wanny chłodzącej; obliczyć rzeczywisty DSR.
4. Jeśli Ø zew. > 8,10 mm – zmniejszyć Ø ustnika, jeśli Ø wew. < 3,95 mm – zmniejszyć Ø kolca; odwrotnie w drugim kierunku.
5. Dokonać finalnej obróbki narzędzia; tolerancja współosiowości trzpień-ustnik ≤ 0,05 mm.

5. Konstrukcja narzędzi

• Kąt wlotowy: 45 ° (ustnik), 30 ° (kolec) • Materiał: stal narzędziowa H13 + azotowanie 0,3 mm / 58 HRC
• System centrowania: trzy radialne śruby dystansowe lub regulowane „pająki” typu basket-die (najmniejsza perturbacja przepływu).

6. Kontrola procesu

– Temperatura głowicy bezwzględnie nie powinna przekraczać temperatury początku wulkanizacji mieszanki (gorące „zatykanie”).
– Profil prędkości ślimaka równomierny; każde 5 rpm w górę zwiększa DSR przeciętnie o 0,02 – 0,03.
– Chłodzenie wodne 15–20 °C; zbyt zimna woda nadmiernie „zamraża” ściankę i może zafałszować wymiary.

Aktualne informacje i trendy

• Rheoproz® i inne reometry kapilarne pozwalają zmierzyć DSR przy zadanych gradientach ścinania – firmy (np. Datwyler, Hutchinson) wprowadzają ten pomiar do rutynowych kart TDS.
• Symulacje CFD (Moldex3D, POLYFLOW) obliczają pęcznienie z dokładnością ±3 %, skracając fazę prób.
• Rosnąca popularność głowic typu basket-die minimalizuje „prążki” po pająkach i poprawia równomierność grubości ścianki.

Wspierające wyjaśnienia i detale

– Pęcznienie gumy można porównać do sprężyny: ścisnęta w matrycy po wyjściu „rozpręża się”, powodując wzrost średnicy.
– Skurcz chłodniczy (0,5 – 1,5 %) jest o rząd wielkości mniejszy od pęcznienia (10 – 35 %).

Aspekty etyczne i prawne

• Mieszanki paliwowe muszą spełniać REACH oraz normy SAE J30 / EN 13482 (permeacja, wytrzymałość na alkohol).
• Narzędzia nie mogą wprowadzać zanieczyszczeń metalicznych – rekomendowane powłoki TiN/TiCN.

Praktyczne wskazówki

1. Próbki odcinać dopiero po stabilizacji procesu (min. 3 długości głowicy).
2. Utrzymuj gładkość powierzchni roboczych Ra ≤ 0,2 µm – każdy rys ściąga „ogonki” gumy i deformuje wąż.
3. W razie lokalnego nadmiaru ścianki, kontroluj osiowość trzpienia mikrośrubami (skok 0,01 mm).

Ewentualne zastrzeżenia lub uwagi dodatkowe

• Jeśli linia zawiera kalibrator próżniowy, OD kontroluje kalibrator, a Ø ustnika można zwiększyć o 3 – 5 % w celu obniżenia ciśnienia w głowicy.
• Mieszanki FKM o wysokim udziale fluoru dają DSR nawet > 1,5 – wartości startowe trzeba odpowiednio zmodyfikować.

Sugestie dalszych badań

• Pomiar reometrem kapilarnym przy gradientach 100 – 500 s⁻¹ – uzyskasz dokładny DSR w warunkach zbliżonych do procesu.
• Analiza CFA (Cross-linking Flow Analysis) – pozwala przewidzieć moment wulkanizacji i dobrać strefy grzewcze.
• Literatura: R. L. Harrington „Rubber Extrusion Technology”, monografia ICS 2023; webinar Barwell 04/2024 – pęcznienie vs przepływ ścinający.

Krótkie podsumowanie

Dobór kolca i ustnika zaczyna się od oszacowania pęcznienia mieszanki. Dla większości gum paliwowych startuj z trzpieniem 3,2 – 3,4 mm i ustnikiem 6,3 – 6,6 mm, a następnie skoryguj wymiary po pierwszej próbie procesowej. Kluczem jest systematyczny pomiar DSR i iteracyjna korekta, a nie „złote” liczby z tabeli.