押出クロスヘッド: タイプ、設計、材料フロー、ケーブル品質への影響

ケーブル壁の品質が実際に決まる場所

0.5 mm² の PVC 絶縁建築用ワイヤーが冷却トラフから出てきます。その周囲の最も薄い点と最も厚い点の差は 0.02 mm です。エクストルーダーは新品です。コンパウンドは受入れ検査に合格しました。スクリュー速度、バレル温度、ライン速度がすべて安定しています。 2 時間のトラブルシューティングの後、技術者がクロスヘッドを開けると、前回の色変更後にチップ ホルダーが締め直されていなかったため、ガイダー チップが中心から 0.15 mm ずれていることがわかりました。たった 1 つの小さなミスアライメントが、それ以外は良好な生産工程を不良ケーブルに変えてしまいます。

押出クロスヘッドは、ほとんどのオペレータが最後にチェックし、最初に非難するコンポーネントです。押出機のバレルと冷却トラフの間に位置し、移動する導体の周囲で溶融ポリマーを成形するという最終的な仕事を行います。クロスヘッドの形状が間違っている場合、温度コントローラーやライン速度設定では結果を補正できません。

実際には、クロスヘッドは 3 つの出力値を決定します。 同心度 絶縁層の、 壁厚の広がり 周囲に、そして 表面品質 押出物の。これら 3 つの値によって、完成したケーブルの電気的および機械的性能が決まります。

押出クロスヘッドとは何ですか?またどのように機能しますか?

押出クロスヘッドは、押出機バレルの排出端に取り付けられた溶融物分配アセンブリです。その中心的な仕事は、スクリューから直線状に離れる溶湯の軸方向の流れを、ヘッドの中心を通過する導体の周りの均一な環状の流れに変えることです。

メルトパスはこんな感じです。ポリマーはヘッド後部の入口フランジを通って入り、ディストリビュータに当たり、2 つ以上の別々のチャネルに分かれ、ガイダー チップ ホルダーの周りのリング状チャンバー内で再結合し、ガイダー チップとダイ ブッシングの間の環状ランドに沿って移動します。出口では、溶融物が移動する導体の周囲を包み込み、冷却セクションに引き込まれます。

一般的なクロスヘッドは次の部品で構成されます。

• ヘッドを押出機のバレルフランジに固定する本体とクランプリング
• ディストリビューター (スプレッダーまたはバッフルとも呼ばれる) で、溶融物の流れを案内し分割します。
• コアチューブとも呼ばれるガイダーチップ。導体を支持して中心に配置します。
• 絶縁体またはシースの外径を設定するダイブッシング
• 同心度調整中にチップまたはダイを移動するためのラジアルおよびアキシャル調整ネジ
• 温度制御用のヒーターバンドと熱電対ソケット
• プロセス監視用のオプションの圧力および温度トランスデューサーポート

このアセンブリがスクリュー、バレル、加熱システムとどのように連動するかを理解する必要がある場合は、 押出機のコンポーネントの詳細な内訳 各セクションを順番に説明します。

クロスヘッドが思っている以上にコントロールできる理由

ほとんどのプロセス エンジニアは、ネジとコンパウンドに予算と注意を費やします。クロスヘッドはあまり注目されていませんが、導体に着地する前の最後のミリ秒で溶融物を物理的に成形する唯一のコンポーネントです。

同心度と最小肉厚

中心を外れた先端では、一方の側に薄い壁が形成され、もう一方の側には厚い壁が形成されます。薄い側は、導体と外表面との間の距離が単に十分ではないため、誘電テストに不合格となる側です。通常のライン動作では、中心にあるヘッドがケーブルの設計されたウィンドウ内に広がった厚さを保持します。スプレッドがそのウィンドウの外に移動する場合、最初のチェックは常にガイダーの先端とダイの機械的なセンタリングです。

センタリングは 1 回限りの設定ではありません。オペレータが洗浄のためにヘッドを取り外したり、チップとダイセットを交換したりするたびに、センタリングを再チェックする必要があります。加熱中の熱膨張により、チップの位置もわずかに移動します。そのため、適切なヘッド設計には、ヘッドが熱い間に届く調整ネジが組み込まれています。

溶融圧力と温度均一性

クロスヘッドは熱交換器および小型圧力容器でもあります。溶融物は、出力とヘッドの体積に応じて、ヘッド内で数秒から 1 分以上かかることがあります。その間、デッドコーナーにはゆっくりと動く材料のポケットが形成され、劣化してカーボンに変化し、後にケーブル表面の斑点として剥がれ落ちます。

ダイから出た溶融物全体の温度差がわずか数度あるだけで、壁厚のバランスが変化するほど粘度が変化します。これが、クロスヘッドの加熱ゾーンが装飾ではない理由です。各ゾーンは独立して制御する必要があり、熱電対はヒーター バンドの外面ではなく溶融チャネルの近くに設置する必要があります。

表面仕上げとウェルドライン

溶融物が 2 つのチャネルに分かれてチャンバー内で再結合すると、2 つのフロー フロントがウェルド ラインを形成します。適切に融着していないウェルド ラインは分子の配向がわずかに異なり、ケーブル表面にマットなストライプとして現れることがあります。ランドの長さ、進入角度、および溶融温度はすべて、2 つのフロントがどの程度完全に溶接されるかに影響します。ランドの長さを長くするか、入口角度を小さくすると、溶融物がダイから出る前に接着する時間が長くなります。

ダイのエッジが摩耗または損傷すると、ケーブルの全長に沿って伸びる機械的なラインが形成されます。温度調整ではラインを取り除くことはできません。唯一の解決策は、金型を研磨するか交換することです。同じ原理がチップにも当てはまります。

絶縁および被覆ラインで使用されるクロスヘッドのタイプ

クロスヘッドには 3 つの機能ファミリーがあります。正しいファミリは、導体表面で何が起きたいかによって異なります。

加圧式クロスヘッド

圧力タイプのヘッドはダイを導体に対してしっかりと保持するため、溶融物はダイから出る前に圧力下で導体表面に接触します。これにより、絶縁体と導体の間に強力な接着力が生じるため、圧力式ヘッドが PVC 絶縁単線や PE 絶縁データ ケーブルなどの固体絶縁アプリケーションで主流となっています。

チューブタイプクロスヘッド

チューブタイプのヘッドは、最初にダイから出た溶融物のチューブを作成し、次に真空または空気圧の助けを借りて導体上に引き下げます。導体は、ダイが出るまで溶融物に触れません。この設計により、摩擦が低減され、コアのペイオフ速度が溶融速度とは異なることが可能になります。チューブタイプのヘッドは、シースラインやフォーム構造をそのままにしておく必要がある発泡絶縁ラインで一般的です。

多層共押出クロスヘッド

多層ヘッドは、2 つまたは 3 つの溶融ストリームを同じヘッド本体に供給し、それらを単一の壁に結合します。一般的な 3 層構造は、導体スクリーン、絶縁体、絶縁スクリーンを 1 回のパスで重ねたものです。多層ヘッドは床面積とパスラインの長さを削減しますが、ダイの出口前に 1 つの層からの圧力が他の層を押すため、各溶融ストリームの慎重なバランスが必要になります。

90 度ヘッド、45 度ヘッドという用語も聞かれます。 90 度のヘッドは溶融物を直角に回転させます。これはコンパクトで、ほとんどの断熱材の直径に適しています。 45 度のヘッドはより穏やかな回転を可能にし、回転中に裂けたり破損したりする傾向がある低溶融強度コンパウンドに適していますが、より長いボディ長とより複雑な工具セットが必要です。

材料の互換性によりクロスヘッドの設計が変わる

1 つのクロスヘッドではすべての化合物を適切に処理することはできません。各材料ファミリーには、チャネルの形状、表面仕上げ、ランドの長さ、および腐食保護に関して独自の要件が課されます。ヘッドとコンパウンドのマッチングは、スクリューのマッチングと同じくらい重要です。

この表は明確なパターンを示しています。ユニバーサル ヘッドは存在しません。フッ素樹脂加工機の実用例としては、 FEP/PFA高温芯線絶縁押出機 、クロスヘッドは耐食性表面と 300 °C を超える溶融温度に適した加熱戦略を使用して設計されています。

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購入前にクロスヘッドの性能を評価する方法

完全な押出ラインを購入する場合でも、既存の機械の交換用ヘッドを購入する場合でも、同じ合格基準が適用されます。単に金属のブロックを購入するわけではありません。ツールを中心に置き、素早く掃除し、内部で何が起こっているかを監視する機能を購入することになります。

1. センタリング調整範囲: 使用可能な設計では、各軸で少なくとも /- 0.25 mm の半径方向の移動が可能で、調整ネジは熱いうちに回すことができます。
2. 工具の交換時間: 絶縁ラインのチップとダイの完全な交換には、クランプとセンタリングを含めて 30 分未満かかります。
3. 加熱ゾーンのレイアウト: メルト チャネルの近くに取り付けられた熱電対ソケットを備えた、ヘッド上に少なくとも 2 つの独立して制御されるゾーンを探します。
4. 計装ポート: 圧力および温度トランスデューサー ポートを使用すると、バレルから推測するのではなく、実際の溶融状態を監視できます。
5. 材料と表面処理: 接液材料が、特に高温およびハロゲンフリーの材料の場合、実行するコンパウンドと互換性があることを確認します。
6. 分解の手間: ボルトの数が減り、標準のスパナが使用され、内部ボアがきれいになることで、シフト変更時に大きな違いが生じます。

購入者が見落としがちな点がもう 1 つあります。クロスヘッドは、せん断レベルと滞留時間の点でスクリューおよびバレルと一致します。スクリューの出力に対してヘッドが小さすぎると、溶融物が過熱します。それが大きすぎると、溶融物は長時間放置されすぎて劣化します。これが、多くの経験豊富なバイヤーが、異なるサプライヤーからのコンポーネントを混合するのではなく、完全な押出トレインを評価することを好む理由です。たとえば、フルオロポリマーの場合、フルオロポリマーの押出に異なる装置アプローチが必要となる理由は、ヘッドだけをはるかに超えており、それらの違いについては別の記事で説明しました。

クロスヘッドの一般的な欠陥とその予防方法

ダイライン

ケーブル表面の連続した細い線は、通常、損傷したダイ エッジ、損傷した先端エッジ、またはダイ ランドの隣に詰まった小さなカーボン片によって発生します。ダイラインは回転するたびに正確に同じ角度で繰り返され、強いランプの下で簡単に見つけることができます。修正するには、ヘッドを取り外し、拡大鏡でエッジを検査し、損傷した部分を研磨または交換します。

カーボンスポットとジェル

絶縁体上の黒い斑点は、ほとんどの場合、ヘッド内部の材料の劣化の結果です。劣化は、溶融物が動きを停止し、炭化して、後に壊れる死角から始まります。ゲル粒子も同様の起源を持ちますが、未溶融または架橋した材料から生じます。予防策は、鋭利な角のないヘッド形状と、顧客の苦情の後ではなくスケジュールどおりに清掃手順を実行することです。

肉厚ドリフト

When the thickness slowly changes over several hours, even though the head was centered correctly at start-up, the cause is usually thermal or mechanical.ヒーターゾーンのドリフト、チップホルダーの緩み、ベアリングの磨耗によるスクリュー速度の変化などが一般的な原因です。各シフトの開始時と中間時にヘッドのアライメントをチェックすると、長いリジェクト ケーブルが発生する前にドリフトを把握することができます。

メルトフラクチャー

高いライン速度で表面が荒れて波打つ場合、原因は通常メルトフラクチャーです。材料はダイランドよりも速く流れ、内部応力を緩和できます。ランド長を長くする、プロセス ウィンドウ内の溶融温度を上げる、またはライン速度を下げることで、粗さを除去できます。適切な解決策は材料によって異なります。

実際の生産ラインで機能する実践的なメンテナンス ルール:

• 着色されたコンパウンドを使用する作業後は、必ずチップとダイを清掃してください。
• 再組み立てする前に、拡大鏡でランドのエッジに傷がないか検査してください。
• 少なくとも週に 1 回、ヒーターバンドの出力と熱電対の接触を確認してください。
• たとえ軽いシャットダウンの後であっても、起動するたびにチップがセンタリングしていることを確認してください。
• 互換性のない材料を切り替える場合は、正しいパージ化合物を使用してください。

これらのルールは基本的なように見えますが、ほとんどの生産ラインでは、クロスヘッドはネジほど注目されていません。スクリューと同じ規律でクロスヘッドを扱うラインにより、一貫してより優れた形状が得られます。

クロスヘッドのみがライン全体と同様に機能します

古い押出機に新しいクロスヘッドを取り付けると、1 つの症状が解決されても、別の症状が生じることがあります。 The cross head interacts with every other part of the extrusion line: the screw supplies the melt, the barrel controls the heat input, the cooling trough sets the freeze point, and the take-up system controls the tension on the conductor.これらのバランスが崩れると、たとえヘッド自体が完璧であっても、クロスヘッドの出力が狂ってしまいます。

ラインの試運転中、経験豊富なエンジニアは熱プロファイルから開始し、次にスクリュー速度を調整し、その後にクロスヘッドを調整します。 They also measure the melt temperature at the head inlet before making tooling adjustments, because a temperature difference of ten degrees changes the melt viscosity so much that the centering appears wrong even though the tooling is correct.

For insulation lines running PVC, PE, or polyurethane, the practical approach is to choose an extruder whose screw, barrel, and head are designed as one system.のような適合した絶縁ライン PVC/PE/PP/PU 芯線絶縁押出機 溶融物の滞留時間を一定に保ち、オペレータに単一セットのパラメータを与えて制御します。

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シースの押し出しが異なります。壁はより厚く、ライン速度は多くの場合より遅くなり、材料のメルト フロー インデックスは完全に異なる場合があります。外装用の工具とヘッドの形状には、より大きな分配チャンバーと異なるランド構成が必要です。詳細については、 ワイヤおよびケーブルのシース押出のナレッジ ベース 、低煙の架橋熱可塑性エラストマーおよびポリウレタン シース材料の場合は、専用のオプションがあります。 LSZH/XLPE/TPE/TPU ワイヤーケーブルシース押出機 .

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よくある質問

ケーブル プラントの管理者やプロセス エンジニアがクロスヘッドの性能を評価する際に最もよく尋ねる質問は次のとおりです。

Q1.押出クロスヘッドの主な機能は何ですか?

The cross head distributes molten polymer evenly around the conductor and shapes the insulation or sheath to the required diameter and concentricity.スクリューからの直線状の溶融物の流れを均一な環状の流れプロファイルに変換します。

Q2.クロスヘッドが中心からずれた絶縁を引き起こしていることをどのようにして確認できますか?

If the thinnest point always appears at the same angle along the cable length, the cause is mechanical: a misaligned guider tip, a worn tip holder, or uneven heater output on one side of the head.細い点が円周上を移動する場合、原因は冷却または巻取りセクションにある可能性が高くなります。

Q3.加圧式クロスヘッドとチューブ式クロスヘッドの違いは何ですか?

加圧式ヘッドにより、ダイ出口前に溶融物が導体に押し付けられ、強力な接着が得られます。 A tubing-type head forms a tube that is drawn onto the conductor after the die exit, which protects the conductor and is preferred for sheathing and foamed insulations.

Q4. 1つのクロスヘッドでPVC、PE、FEPを加工できますか?

同じツールではありません。各材料ファミリーには異なる流れ形状と表面処理が必要であり、動作温度範囲もまったく異なります。標準の PVC ヘッドで FEP を実行すると、腐食や重大な表面欠陥が発生する危険があります。

Q5.クロスヘッドはどのくらいの頻度で掃除する必要がありますか?

色を変更するたび、および互換性のない素材に切り替えるたびに、ヘッドをクリーニングしてください。 In normal production, inspect the internal surfaces during each scheduled maintenance window, and check the tip and die edges at every tooling change.

Q6.新しいクロスヘッド付きラインを購入する際に確認すべき点は何ですか?

Check the centering adjustment range, tooling change time, number and position of heating zones, availability of pressure and temperature transducer ports, the wetted material of the head body, and the availability of spare tips and dies.

最終的なポイント

押出クロスヘッドはラインの小さな部分ですが、完成したケーブルの形状を設定する部分です。同心度、肉厚の広がり、表面品質、さらには絶縁破壊のリスクまでがヘッドにまで遡ります。ネジやコンパウンドと同じレベルで注意してください。

When you evaluate a new line, ask the supplier for the head specifications: adjustment range, heating zones, corrosion protection, and tooling change time.これらの詳細は、モーターの定格出力だけよりも、ラインの実際の能力について詳しく教えてくれます。