專利名稱：表面具有低粘附性能的模具的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及建筑材料模具制造業(yè)，特別是涉及用于建筑墻體材料及陶瓷生產(chǎn)領域的表面具有低粘附性能的模具。
背景技術：
隨著國民經(jīng)濟建設規(guī)模的不斷擴大和人民生活水平的不斷提高，對建筑墻體材料和建筑陶瓷的需求量不斷增加，對其產(chǎn)品質量和功能的要求也愈來愈高，使我國的建筑墻體材料和建筑用陶瓷工業(yè)獲得了突飛猛進的發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計，2005年全國有10萬個磚瓦企業(yè)，產(chǎn)量為8000億塊，煤耗6400萬噸，電耗200億度。其中大部分企業(yè)采用塑性成性和干壓成型為主要坯體成型工藝，其工藝簡便易行，但這兩種成型工藝最主要的問題是如何減少泥料與模具工作面間的嚴重粘附以提高成品率。每年因模具與泥料間的過度粘附而導致大量廢品產(chǎn)出，嚴重影響生產(chǎn)同時也消耗了大量能源。因此迫切需要一種新設備或方法改善模具與泥料間界面的粘附，以完善現(xiàn)有工藝。
在泥料成形時，粘土與模具工作面相互接觸形成一個粘附系統(tǒng)，該系統(tǒng)由粘土、模具表面及界面三部分組成。與此相對應的影響粘土粘附行為的因素，包括粘土性質與性能、模具表面性質和系統(tǒng)環(huán)境。影響粘土粘附的粘土性質和性能有，粘土的礦物結構、顆粒尺寸分布及含水量等。理論上，粘土與模具表面間的粘附力，主要來源于接觸界面水環(huán)或水膜連續(xù)所引起的毛細管壓力和粘滯力。因此模具工作面的性質、界面環(huán)境和粘土含水量是影響粘土與模具粘附的主要因素之一。在國內(nèi)外，如何改善泥料與模具間的粘附力一直是研究者最關心的課題之一。近年來隨著人們對建筑墻體材料及陶瓷需求的提高，在改善泥料粘附性能方面也取得了一些有益探索，如降低泥料含水量、采用低粘附性材料制造模具、對模具工作面堿性加熱或涂抹潤滑劑等，但制作工藝復雜，生產(chǎn)效率降低，成本也相應比以前有所提高，因此迫切需要一種簡便易行的新技術解決泥料粘附問題。近幾年，仿生工程學的迅速發(fā)展為解決這一問題提供了一條嶄新的途徑。
仿生是未來新材料設計和制造的潛在的最有效途徑。生物體結構經(jīng)過20億年物竟天擇的優(yōu)化，幾乎是完美無缺的。通過對生物體表非光滑形態(tài)理論的研究，導致仿生非光滑表面新型制動材料設計思想的形成。
本發(fā)明通過研究動植物體表的非光滑結構所具有的減粘附功能為模具減粘降阻理論與技術研究提供了仿生學基礎。在運用仿生學原理的基礎上，開發(fā)出具有仿生非光滑表面和氣體減粘的新型模具。制備出的仿生表面是在光滑模具表面加工具有減粘脫附功能的非光滑單元體，這些單元體或規(guī)則或隨機分布并具有特殊的幾何形狀和大小。氣體減粘是在模具工作時通過單元體向泥料與模具工作界面注入氣體，以進一步提高減粘脫附性能。實驗表明，該新型模具可顯著提高模具工作表面的抗粘附性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決模具與泥料的粘附嚴重這一問題，可以顯著提高模具工作面的抗粘附性能，通過仿生非光滑表面改性處理設計出一種表面具有低粘附性能的模具。
本發(fā)明通過研究動植物體表的非光滑結構所具有的減粘附功能為模具減粘降阻理論與技術研究提供了仿生學基礎。在運用仿生學原理的基礎上，開發(fā)出具有仿生非光滑表面和氣體減粘的新型模具。制備出的仿生表面是在光滑模具表面加工具有減粘脫附功能的非光滑單元體，這些單元體或規(guī)則或隨機分布并具有特殊的幾何形狀和大小。氣體減粘是在模具工作時通過單元體向泥料與模具工作界面注入氣體，以進一步提高減粘脫附性能。實驗表明，該新型模具可顯著提高模具工作表面的抗粘附性能。
本發(fā)明的上述目的是這樣實現(xiàn)的由計算機設計出模具表面上的非光滑單元體形態(tài)尺寸和分布規(guī)律，非光滑幾何單元體可以是圓柱形孔或圓臺形孔，其分布可以是均勻或隨機的。通過機械、激光等加工方法，在模具表面加工出具有一定幾何形狀、尺寸及分布規(guī)律的非光滑單元體。單元體的形態(tài)、尺寸及分布規(guī)律對提高模具表面抗粘附性能有重要作用，通過對各參數(shù)的優(yōu)化設計最終得到具有高抗粘附性能的仿生非光滑表面形態(tài)。同時在工作時，通過進氣孔、空氣分配室、單元體向泥料與模具工作界面間連續(xù)注入氣體，可選擇不同供氣種類和壓強以進一步提高模具的減粘脫附性能，從而形成一種表面具有低粘附性能的新型模具。
本發(fā)明的具體技術方案結合


如下一種表面具有低粘附性能的模具，它由基體1、氣體分配室2、進氣孔3組成，所說的基體1上設有氣體分配室2，氣體分配室2上設有進氣孔3，基體1的工作表面呈點陣式分布有孔形非光滑單元體，所有孔形非光滑單元體與氣體分配室2相通。
所述的孔形非光滑單元體為圓柱形孔或圓臺形孔，其上、下底面直徑為0.5～4.5mm，單元體間中心距為5～40mm。
通過進氣孔、氣體分配室、單元體向泥料與模具工作界面間注入的氣體可以是連續(xù)或間斷的，所述的氣體可以是空氣或氮氣，其壓強為0～10×105Pa。
所說的注入的氣體可以是連續(xù)的指模具開始工作(即壓縮工作開始)至工作結束(即脫模工作結束)的過程中連續(xù)性的注入氣體；注入的氣體可以是間斷的指模具開始工作至工作結束的過程中采用不同的供氣時間及時間間隔間斷性的注入氣體，每次供氣時間為5～50s，供氣時間間隔為10～30s。
根據(jù)仿生學的基本原理可知，非光滑模具工作表面上仿生形態(tài)及其分布規(guī)律使模具與泥料接觸界面存在大量微隙，使得實際接觸面積減小，水膜連續(xù)性受到破壞，減少泥料對模具工作面的粘附。氣體減粘使得模具工作面與泥料界面間形成一層空氣膜，進一步破壞了界面間水膜的連續(xù)性，降低界面大氣負壓及，減小模具工作面與泥料的接觸面積，從而使模具表面的減粘脫附性能提高。因此，以仿生學理論為基礎所研制的表面具有低粘附性能的模具可以保證其工作面的抗粘附性明顯提高。
本發(fā)明制造的新型模具的有益效果是仿生非光滑表面及氣體減粘功能可以顯著提高模具工作面的抗粘附性能，與泥料表面不易發(fā)生嚴重粘著，制品加工表面質量良好。廢品率明顯降低，生產(chǎn)效率大幅度提高。該技術個性化特點強，可以針對不同的要求，選用不同形態(tài)、尺寸、分布規(guī)律的非光滑仿生圖案及不同氣體種類和壓強，從而獲得不同的性能。本發(fā)明同時具有加工簡單，性能可靠，成本低、性能價格比高等優(yōu)點。
本發(fā)明制造的模具可達到的性能指標為其與泥料間粘附力和具有相同基體材料的光滑表面模具比較，降低20～50％，生產(chǎn)成本提高1～5.5％，生產(chǎn)效率提高10～30％，抗粘附性能有較大幅度的提高。

圖1是本發(fā)明的示意圖。
圖2(a)是本發(fā)明的橫斷面示意圖(為圓柱形孔)。
圖2(b)是本發(fā)明的橫斷面示意圖(為圓臺形孔)。
圖3是本發(fā)明的工作面示意圖。
圖4(a)、圖4(b)是不同含水量對粘附的影響(單元體直徑2mm；單元體間距25mm；氣體壓強0Pa)。
圖5是不同載荷對粘附的影響(單元體直徑3mm；單元體間距10mm；含水量20％；氣體壓強0Pa)。
圖6是模具表面不同單元體間距對粘附的影響(單元體直徑1mm；載荷1000N；含水量18％；氣體壓強0Pa)。
圖7是模具表面不同單元體直徑對粘附的影響(單元體間距5mm；載荷1600N；含水量22％；氣體壓強0Pa)。
圖8是供氣時，不同單元體直徑對粘附的影響(單元體間距10mm；載荷1400N；含水量22％；連續(xù)性供氣；氣體壓強1.0×105Pa)。
圖9是不同氣體壓強對粘附的影響(單元體直徑2.5mm；單元體間距10mm；載荷1200N；含水量22％；間斷性供氣；供氣時間為5s；時間間隔為10s)。
具體實施例方式
以下結合附圖給出的實施例對本發(fā)明——表面具有低粘附性能的模具作進一步詳細說明。
實施例1制造建筑用實心磚。
泥料含水量為18～20％，成型壓強為15×105Pa，成型尺寸為240×115×53。
參照圖2(A)用機械加工在模具表面加工成圓孔型非光滑表面，非光滑單元體直徑為4.5mm，單元體中心距為40mm。供氣壓強為0Pa。加工后，經(jīng)測試采用仿生非光滑表面和氣體減粘的模具與泥料間的粘附力比相同基材的光滑表面模具降低25％，而處理仿生非光滑表面及注入氣體的成本僅提高1％。
實施例2制造陶瓷墻面磚。
泥料含水量為20～22％，成型壓強為10×105Pa，成型尺寸為30×30。
參照圖2(A)用激光加工在模具表面加工成圓孔型非光滑表面，非光滑單元體直徑為0.5mm，單元體間中心距為5mm。供氣壓強為0Pa。加工后，經(jīng)測試采用仿生非光滑表面和氣體減粘的模具與泥料間的粘附力比相同基材的光滑表面模具降低20％，而處理仿生非光滑表面及注入氣體的成本僅提高1.5％。
實施例3制造瓷質磚。
泥料含水量為16～18％，成型壓強為10×105Pa，成型尺寸為1000×1000。
參照圖2(A)用機械加工在模具表面加工成圓孔型非光滑表面，非光滑單元體直徑為4.5mm，單元體中心距為40mm。采用連續(xù)性供氣方式，注入氣體為氮氣，供氣壓強為10×105Pa。加工后，經(jīng)測試采用仿生非光滑表面和氣體減粘的模具與泥料間的粘附力比相同基材的光滑表面模具降低47％，而處理仿生非光滑表面及注入氣體的成本僅提高3.5％。
實施例4制造陶瓷墻面磚。
泥料含水量為18～22％，成型壓強為7×105Pa，成型尺寸為50×50。
參照圖2(A)用激光加工在模具表面加工成圓孔型非光滑表面，非光滑單元體直徑為0.5mm，單元體間中心距為5mm。采用連續(xù)性供氣方式，注入氣體為空氣，供氣壓強為10×105Pa。加工后，經(jīng)測試采用仿生非光滑表面和氣體減粘的模具與泥料間的粘附力比相同基材的光滑表面模具降低40％，而處理仿生非光滑表面及注入氣體的成本僅提高3％。
實施例5制造陶瓷地磚。
泥料含水量為18～22％，成型壓強為15×105Pa，成型尺寸為500×500。
參照圖2(A)用機械加工在模具表面加工成圓孔型非光滑表面，非光滑單元體直徑為4.5mm，單元體間中心距為40mm。采用間斷性供氣方式，注入氣體為空氣，供氣時間為5s，時間間隔為10s，供氣壓強為10×105Pa。加工后，經(jīng)測試采用仿生非光滑表面和氣體減粘的模具與泥料間的粘附力比相同基材的光滑表面模具降低35％，而處理仿生非光滑表面及注入氣體的成本僅提高4.5％。
實施例6制造建筑用單孔承重空心磚。
泥料含水量為14～16％，成型壓強為10×105Pa，成型尺寸為180×115×115。
參照圖2(A)用激光加工在模具表面加工成圓孔型非光滑表面，非光滑單元體直徑為0.5mm，單元體間中心距為5mm。采用間斷性供氣方式，注入氣體為空氣，供氣時間為50s，時間間隔為30s，供氣壓強為10×105Pa。加工后，經(jīng)測試采用仿生非光滑表面和氣體減粘的模具與泥料間的粘附力比相同基材的光滑表面模具降低40％，而處理仿生非光滑表面及注入氣體的成本僅提高4.5％。
實施例7制造粘土磚。
泥料含水量為12～15％，成型壓強為5×105Pa，成型尺寸為240×115×53。
參照圖2(B)用機械加工在模具表面加工成圓臺孔型非光滑表面，非光滑單元體上底面直徑為3.5mm，下底面直徑為4.5mm，單元體間中心距為40mm。供氣壓強為0Pa。加工后，經(jīng)測試采用仿生非光滑表面和氣體減粘的模具與泥料間的粘附力比相同基材的光滑表面模具降低30％，而處理仿生非光滑表面及注入氣體的成本僅提高3.5％。
實施例8制造鋪路轉。
泥料含水量為15～17％，成型壓強為3×105Pa，成型尺寸為100×100×20。
參照圖2(B)用機械加工在模具表面加工成圓臺孔型非光滑表面，非光滑單元體上底面直徑為0.5mm，下底面直徑為1.5mm，單元體間中心距為5mm。供氣壓強為0Pa。加工后，經(jīng)測試采用仿生非光滑表面和氣體減粘的模具與泥料間的粘附力比相同基材的光滑表面模具降低25％，而處理仿生非光滑表面及注入氣體的成本僅提高3％。
實施例9制造建筑用多孔承重空心磚。
泥料含水量為14～16％，成型壓強為10×105Pa，成型尺寸為200×115×115。
參照圖2(B)用機械加工在模具表面加工成圓臺孔型非光滑表面，非光滑單元體上底面直徑為3mm，下底面直徑為4.5mm，單元體間中心距為40mm。采用連續(xù)性供氣方式，注入氣體為氮氣，供氣壓強為10×105Pa。加工后，經(jīng)測試采用仿生非光滑表面及氣體減粘工藝的模具與泥料間的粘附力比相同基材的光滑表面模具提高30％，而處理仿生非光滑表面的成本僅提高3％。
實施例10制造陶瓷屋面瓦。
泥料含水量為16～22％，成型壓強為0.5×105Pa，成型尺寸為100×200。
參照圖2(B)用機械加工在模具表面加工成圓臺孔型非光滑表面，非光滑單元體上底面直徑為0.5mm，下底面直徑為1.5mm，單元體間中心距為5mm。采用連續(xù)性供氣方式，注入氣體為空氣，供氣壓強為10×105Pa。加工后，經(jīng)測試采用仿生非光滑表面及氣體減粘工藝的模具與泥料間的粘附力比相同基材的光滑表面模具提高25％，而處理仿生非光滑表面的成本僅提高3.5％。
實施例11制造陶瓷地磚。
泥料含水量為16～20％，成型壓強為15×105Pa，成型尺寸為600×600。
參照圖2(B)用機械加工在模具表面加工成圓臺孔型非光滑表面，非光滑單元體上底面直徑為3mm，下底面直徑為4.5mm，單元體間中心距為40mm。采用間斷性供氣方式，注入氣體為空氣，供氣時間為5s，時間間隔為10s，供氣壓強為10×105Pa。加工后，經(jīng)測試采用仿生非光滑表面和氣體減粘的模具與泥料間的粘附力比相同基材的光滑表面模具降低35％，而處理仿生非光滑表面及注入氣體的成本僅提高4.5％。
實施例12制造瓷質磚。
泥料含水量為20～22％，成型壓強為10×105Pa，成型尺寸為100×100。
參照圖2(B)用機械加工在模具表面加工成圓臺孔型非光滑表面，非光滑單元體上底面直徑為0.5mm，下底面直徑為1.5mm，單元體間中心距為5mm。。采用間斷性供氣方式，注入氣體為空氣，供氣時間為50s，時間間隔為30s，供氣壓強為10×105Pa。加工后，經(jīng)測試采用仿生非光滑表面和氣體減粘的模具與泥料間的粘附力比相同基材的光滑表面模具降低45％，而處理仿生非光滑表面及注入氣體的成本僅提高4.5％。
權利要求
1.一種表面具有低粘附性能的模具，其特征在于它由基體(1)、氣體分配室(2)、進氣孔(3)組成，所說的基體(1)上設有氣體分配室(2)，氣體分配室(2)上設有進氣孔(3)，基體(1)的工作表面呈點陣式分布有孔形非光滑單元體，所有孔形非光滑單元體與氣體分配室(2)相通。
2.根據(jù)權利要求1所述的表面具有低粘附性能的模具，其特征在于所述的孔形非光滑單元體為圓柱形孔或圓臺形孔，其上、下底面直徑為0.5～4.5mm，單元體間中心距為5～40mm。
3.根據(jù)權利要求1或者2所述的表面具有低粘附性能的模具，其特征在于通過進氣孔、氣體分配室、單元體向泥料與模具工作界面間注入的氣體可以是連續(xù)或間斷的，所述的氣體可以是空氣或氮氣，供氣壓強為0～10×105Pa。
4.根據(jù)權利要求3所述的表面具有低粘附性能的模具，其特征在于所說的注入的氣體可以是連續(xù)的指模具開始工作至工作結束的過程中連續(xù)性的注入氣體；注入的氣體可以是間斷的指模具開始工作)至工作結束的過程中采用不同的供氣時間及時間間隔間斷性的注入氣體，每次供氣時間為5～50s，供氣時間間隔為10～30s。
全文摘要
本發(fā)明涉及建筑材料模具制造業(yè)，特別是涉及用于建筑墻體材料及陶瓷生產(chǎn)領域的表面具有低粘附性能的模具。它由基體(1)、氣體分配室(2)、進氣孔(3)組成，所說的基體(1)上設有氣體分配室(2)，氣體分配室(2)上設有進氣孔(3)，基體(1)的工作表面呈點陣式分布有孔形非光滑單元體，所有孔形非光滑單元體與氣體分配室(2)相通。本發(fā)明通過分布在模具表面的單元體的幾何形態(tài)設計，可以減小模具工作面的水膜連續(xù)，提高其抗粘附性能；同時通過調(diào)節(jié)氣體注入時間與壓力，在模具工作面上形成潤滑層，降低粘附面積，減小大氣負壓?？拐掣叫阅芘c相同基體材料的光滑表面模具相比，提高20％～50％，工作效率提高10％～30％。
文檔編號B28B7/38GK1814427SQ20061001661
公開日2006年8月9日 申請日期2006年3月3日 優(yōu)先權日2006年3月3日
發(fā)明者周宏 , 任露泉, 單宏宇, 張志輝, 陳麗, 王磊, 王偉, 佟鑫, 孫娜, 馬殿一 申請人:吉林大學