專利名稱：低阻抗復(fù)合給料擠出模的制作方法
本申請要求Harry A.Kragle分別于97年6月6日和97年9月4日提交的題為“低阻抗復(fù)合給料擠出”的美國臨時(shí)申請60/048,905和60/057,493的權(quán)益。
本發(fā)明涉及蜂窩結(jié)構(gòu)擠出模，更具體是涉及一種蜂窩結(jié)構(gòu)擠出模的改進(jìn)設(shè)計(jì)，它可在相對較低的擠出壓力下提供較高的擠出性能。
從傳統(tǒng)形式上看，蜂窩結(jié)構(gòu)擠出模包括一模體，該模體具有一進(jìn)料面和一出料面，進(jìn)料面具有多個(gè)朝出料面延伸通過模體的給料孔。這些給料孔在模體的內(nèi)部終止于多個(gè)形成于模出料面上的交叉互連的出料槽的底部。被壓入模的進(jìn)料面上的各給料孔內(nèi)并被輸送至各出料槽底部的可擠壓材料擴(kuò)張和匯合，從而充滿互連的槽空間，然后作為一個(gè)互連的壁結(jié)構(gòu)從模的出料面上的槽孔口排出，該壁結(jié)構(gòu)形成一整體式擠出蜂窩結(jié)構(gòu)的通孔壁。
蜂窩結(jié)構(gòu)擠出模的重要應(yīng)用是通過擠出法制造用于控制電力裝置的氧化氮排放物的蜂窩式選擇性催化還原(SCR)觸媒，以及制造汽車排放系統(tǒng)中支承排放物控制觸媒的陶瓷蜂窩結(jié)構(gòu)。在這兩種情況下，都需要制備包括粉末陶瓷材料的塑化批料、將塑化批料擠壓通過該模而形成一種原始的蜂窩狀、以及將原始的蜂窩狀燒制形成堅(jiān)固的蜂窩狀觸媒或陶瓷觸媒支架。
授予Bagley的美國專利3,790,654中揭示了制造陶瓷蜂窩結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)擠出模設(shè)計(jì)的一個(gè)例子。美國專利4,118,456中揭示了一種稱作“復(fù)合給料”模的擠出模，其中，模的給料孔部分是一由兩個(gè)或更多個(gè)分離的給料孔板組成的組件。在后一設(shè)計(jì)中，形成模的注入部分的一主給料孔板包括有限數(shù)量的相對較大給料孔，同時(shí)設(shè)置在該主給料孔板后面的一次給料孔板包括更多數(shù)量的相對較小的給料孔，較小給料孔提供將可擠壓材料從較大給料孔送到出料槽的通道。
在塑化無機(jī)粉末金屬或陶瓷材料批料的擠出過程中遇到的一個(gè)問題是，擠出的反壓力較高。批料粘度必須保持在足夠高的水平，以確保一旦擠出完成后，蜂窩狀擠出物不會坍塌或在接下去的加工過程中不會變形。同時(shí)，為擠出精細(xì)構(gòu)造的蜂窩結(jié)構(gòu)而設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)擠出模所設(shè)置的復(fù)合流動通道會大大增加迫使塑化材料通過模所需要的壓力。
這些因素大大增加了擠出機(jī)密封裝置、軸和殼體所承受的力。它們還會增大工藝對表面光潔度的不完整性以及對?；驍D出模塑所使用的其它成形工具中的制造方面的不完整性的靈敏度。若要避免因這些原因引起的生產(chǎn)方面的困難，需要使用比原有所需更昂貴的擠出設(shè)備。例如，單獨(dú)使用一臺單螺桿擠出機(jī)很難提高擠出連續(xù)精細(xì)(薄壁)蜂窩結(jié)構(gòu)所需的擠出壓力，而必須使用雙螺桿擠出機(jī)或增壓泵設(shè)備，或者對不連續(xù)的批料擠出方法采取輔助措施，諸如頂桿擠出。
如果能開發(fā)出一種可降低高粘度塑化批料流的阻抗的模設(shè)計(jì)，這些困難中有許多是可以被減少到最小或避免的。本發(fā)明的一個(gè)目的就是提供這樣一種模。本發(fā)明的其它目的和優(yōu)點(diǎn)將通過下面的描述而體現(xiàn)出來。
本發(fā)明提供一種改進(jìn)的復(fù)合給料設(shè)計(jì)的蜂窩結(jié)構(gòu)擠出模。這種設(shè)計(jì)允許蜂窩結(jié)構(gòu)的擠出過程在顯著降低的擠出壓力下進(jìn)行。例如，高粘度批量材料可以用低壓力單螺桿擠出機(jī)等類似裝置來擠出，而不需要頂桿擠出或使用諸如雙螺桿擠出機(jī)或具有輔助齒輪泵或其它壓縮系統(tǒng)的高壓擠出裝置的擠出方式。
本發(fā)明的擠出模首先包括一薄的、整體的、低阻抗模體，它構(gòu)成模的成形部分。該部分包括一模體進(jìn)料面和一相對的模出料面，進(jìn)料面具有多個(gè)從它朝出料面延伸的模體給料孔，以及一個(gè)從出料面朝進(jìn)料面延伸的出料槽的交叉陣列。為控制和限制模的該部分中的流動阻抗，模體給料孔與出料槽搭接，也就是延伸入出料槽并終止于其底部以外。
盡管構(gòu)造與傳統(tǒng)的蜂窩結(jié)構(gòu)擠出模相類似，但模體的厚度受限制，從而限制流動阻抗。另外，它以相對密集的給料孔為特色，從而適應(yīng)需要而充足地提供形成具有相對較高的通孔或網(wǎng)格密度所需的密集出料槽。這樣，單單模體一般不具有能在不發(fā)生變形和損壞的情況下承受巨大的擠出壓力所需要的厚度和強(qiáng)度。
本發(fā)明的擠出模的主要強(qiáng)度構(gòu)件是一支承模體的高屈服強(qiáng)度的模底板。該模底板包括多個(gè)從模進(jìn)料面朝相對的底板出料面延伸通過底板的底板給料孔。盡管其直徑比模體給料孔的直徑大得多，以減小阻抗和增大批量材料朝向模體的流量，但底板給料孔的數(shù)量要比模體給料孔少得多，并且間隔也較寬。較寬的給料孔間隔有助于將模底板的強(qiáng)度保持在足以支承作用于模上的擠出壓力的水平。
為在模體給料孔與底板給料孔之間提供低阻抗的連接，在模體與模底板之間設(shè)置一復(fù)合給料部分。該復(fù)合給料部分的功能是使來自各底板給料孔的給料流分開和改變方向，從而能輸送到多個(gè)模體給料孔。每個(gè)底板給料孔的給料流在模的復(fù)合給料部分中將產(chǎn)生至少兩個(gè)、通常是四個(gè)或更多個(gè)分離的給料流。
原則上，復(fù)合給料部分可包括一特殊加工的模部分，其中底板給料流的每個(gè)注入通道分成或支流成多個(gè)擠出通道，以供給模體給料孔。分支給料導(dǎo)管具有與底板給料孔相連的入口，并具有更多量的與模體給料孔相連的出口。通常，分支作用需要使導(dǎo)管至少在它們長度的一部分上傾斜離開底板給料孔的流動軸線，從而使每個(gè)底板給料孔都與多個(gè)模體給料孔相連。這樣一種分支通道結(jié)構(gòu)可以形成于將被連接到模底板和模體上的一塊分離的板上，或者，它可以直接加工于底板上甚至模體內(nèi)。
然而，在本發(fā)明的一個(gè)具有特殊優(yōu)點(diǎn)的實(shí)施例中，復(fù)合給料部分包括一多層復(fù)合給料部分，以提供分支給料導(dǎo)管陣列。由于是設(shè)置在模體和模底板之間并將模體連接于模底板，該多層部分形成為多塊疊置的薄板，通過將相連接的板中的基本對齊但前后偏離的分流和/或流向改變孔組合在一起，從而在薄板疊中形成分支給料導(dǎo)管。
該模設(shè)計(jì)中的板將包括一入口板，它連接于底板，并具有基本與諸底板給料孔相匹配的一或多個(gè)孔，還包括一終端板，它連接于模體，并具有基本與諸模體給料孔相匹配的孔。由入口板、終端板和中間板所形成的每個(gè)分支導(dǎo)管將一個(gè)底板給料孔連接于多個(gè)模體給料孔。在一具體的較佳實(shí)施例中，大多數(shù)底板給料孔均各通過分支導(dǎo)管而連接于至少四個(gè)模體給料孔。
在另一方面，本發(fā)明包括一種用本發(fā)明的蜂窩結(jié)構(gòu)擠出模將塑化批量材料擠出成形為蜂窩結(jié)構(gòu)的方法。該方法的優(yōu)點(diǎn)之一是，將批量材料擠壓通過該模相對較容易實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明的方法包括先使批量材料流入多個(gè)延伸入模底板內(nèi)的給料孔。這些給料孔具有相對較大的直徑，以減小底板所造成的流動阻抗。
接下來使穿過底板給料孔的批量材料流入模的復(fù)合給料部分中的多個(gè)復(fù)合給料導(dǎo)管的連接入口。在本發(fā)明的方法中，批量材料通過復(fù)合給料導(dǎo)管的這種流動包括流動通過導(dǎo)管的分支部分，這些分支部分至少在它們長度的一部分上傾斜離開底板給料孔的流動軸線。這種傾斜可減小批量材料在被分流和輸送到多個(gè)給料出口時(shí)的“死區(qū)”和阻抗。復(fù)合給料部分可形成于底板內(nèi)，但最好是一連接于底板的分離部分。
隨后，使從復(fù)合給料部分中的給料出口流出的批量材料流入形成于整體式模體中的模體給料孔連接陣列，該模體是從復(fù)合給料部分上延伸出來，最好是連接于復(fù)合給料部分。由于導(dǎo)管在復(fù)合給料部分內(nèi)的分支作用，模體給料孔的數(shù)量多于底板給料孔，但其直徑相對卻較小。
在流過模體給料孔后，使批量材料流入形成于整體式模體的出料面上的出料槽的交叉陣列。如上所述，為減小該步驟中的流動阻抗，模體給料孔延伸入和終止于出料槽的底部內(nèi)，以便批量材料能很容易地在槽內(nèi)側(cè)向流動。然后，批量材料作為一槽形蜂窩體從出料槽流出擠出模的出料面。
參照附圖
可進(jìn)一步理解本發(fā)明，該附圖是本發(fā)明的低阻抗復(fù)合給料模的一部分的局部剖開的立體示意圖。
在附圖所示的該具體的擠出模(它是用來示例而不是用來限制)中，蜂窩擠出模10包括一主蜂窩成形件，該成形件由一整體式模體12構(gòu)成。該模體具有一模體進(jìn)料面14、一相對的模出料面16和多個(gè)形成于模體中并從進(jìn)料面朝出料面延伸的模體給料孔18。
模體12內(nèi)還形成有一出料槽20的交叉陣列，這些槽從出料面16朝進(jìn)料面和模體給料孔18延伸。模體給料孔18和出料槽20的深度足以確保給料孔18以搭接的方式延伸超過出料槽的底部和延伸入其下部20a。這種搭接可使塑化批量材料從模體給料孔輸送入出料槽的阻抗相對較低，在那里材料能橫向流動而匯合，從而在排出模之前形成蜂窩體的互連壁結(jié)構(gòu)。
圖示的模設(shè)計(jì)的另一個(gè)構(gòu)件是模底板22。底板22包括多個(gè)相對較大、間隔較寬的底板給料孔24，它們從模進(jìn)料面26延伸通過底板而到達(dá)相對的底板出料面28。該底板相對較薄，但較為堅(jiān)固，可為模體提供必要的支承，同時(shí)仍有利于可擠壓材料從進(jìn)料面到底板出料面的壓力相對較低的輸送。
除了模體和模底板，圖示的擠出模還包括一多層復(fù)合給料部分32，它設(shè)置在模體12與模底板22之間，并將它們連接于一起。復(fù)合給料部分32包括多個(gè)疊置的薄板34，這些薄板通過使板上的孔基本對齊但略有偏離而形成一個(gè)分支給料導(dǎo)管的陣列36。該板疊包括一入口板34a，它連接于底板22，并具有基本與諸底板給料孔相匹配的孔。它還包括一終端板34b，它連接于模體12，板34b具有基本與諸模體給料孔18相匹配的孔。
底板給料孔24在數(shù)量上少于模體給料孔18而直徑顯著較之為大的結(jié)構(gòu)是非常重要的，因?yàn)樗墒顾芑坎牧贤ㄟ^相對較大的孔而穿越模厚度的主要部分(即板22的厚度)，總體上降低了模對批料的阻抗。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，模的制造成本多少得以降低，因?yàn)榻o料孔的加工構(gòu)成模生產(chǎn)成本的很大一部分。
雖然圖示的模的剖切面上僅示出兩個(gè)分支，但該復(fù)合給料設(shè)計(jì)中的底板給料孔24可以很方便地通過分支導(dǎo)管36而連接于四個(gè)模體給料孔18。也可以使用其它的分支結(jié)構(gòu)，諸如將每個(gè)底板給料孔連接于兩個(gè)、三個(gè)或更多個(gè)模體給料孔，或者在一個(gè)模中采用各種分支結(jié)構(gòu)的組合。
盡管每個(gè)底板給料孔理論上可通過具有多種分支水平的給料導(dǎo)管而連接于數(shù)量不限的模體給料孔，但本發(fā)明的模中的低流動阻抗的需要卻對每個(gè)底板給料孔所能供料的模體給料孔的數(shù)量產(chǎn)生了實(shí)際上的限制。這是因?yàn)椋种П旧頃诮o料流中產(chǎn)生反壓力，勢必會抵銷因采用大給料孔底板設(shè)計(jì)而獲得的反壓力上的效果。
除了這種限制，還有一個(gè)需要是，通過復(fù)合給料部分的給料導(dǎo)管壁必須相對較為光滑，以避免該部分上過度的壓降。在諸如附圖所示的這種多層復(fù)合給料部分中，這就需要在板疊中具有一或多個(gè)“非分支”板。非分支板是諸如圖中的板34a和34b之類的板，而不象板34c，它們的孔的數(shù)量與前一板或模部的數(shù)量相同。這種板不分開給料流，而僅僅通過使孔略微偏離于前一孔位使給料流改變方向，降低給料流中的“死區(qū)”所造成的流動阻力。該非分支板也可起一部分作用，使流動阻抗顯著低于傳統(tǒng)的復(fù)合給料模。
在諸如圖示的這種復(fù)合給料部分中使用相對較厚的板也會不良地增大模設(shè)計(jì)的總的阻抗。為此，這種類型的模的給料部分中的板厚通常不超過0.020英寸(500Fm)，一般是在0.005-0.010英寸(125-250Fm)。厚度低達(dá)0.002英寸(50Fm)甚至更低的板原則上也可以使用。
本發(fā)明的擠出?；旧峡梢杂萌魏慰杉庸せ蚩沙尚蔚?、耐磨損的、強(qiáng)度足以承受正常擠出力的固體材料制成。但較佳的材料是可加工的金屬鋼材，包括鐵素體、奧氏體和/或馬氏體工具鋼、可硬化工具鋼、不銹鋼、以及其它合金鋼。為使模的厚度到達(dá)最小，模底板和模體均可在加工后受硬化處理而到達(dá)更高的屈服強(qiáng)度。
復(fù)合給料部分的薄板可以由與模的其它部分相同的材料制成。這些板中的孔陣列可以通過傳統(tǒng)的加工技術(shù)形成，或通過光蝕法形成，即對涂覆于板上的光敏抗蝕劑涂層所形成的孔圖案進(jìn)行化學(xué)加工。后一種方法可使模的該部分中的相續(xù)接的板上的孔的較大陣列的相對定位較為精確。
對模體和模底板的加工可以通過傳統(tǒng)的機(jī)械、電化學(xué)和/或放電加工方法來實(shí)現(xiàn)。深鉆孔、電化學(xué)鉆孔和導(dǎo)線放電開槽法尤其可構(gòu)成合適的技術(shù)。然后可將所得到的零件通過諸如軟焊、硬焊或擴(kuò)散結(jié)合之類的傳統(tǒng)連接方法裝配和連接于一起而形成一整體的擠出模。授予Paulonis等人的美國專利3,678,570描述了一種合適的擴(kuò)散結(jié)合工藝，它對于超耐熱合金和不銹鋼結(jié)合尤為有用，其使用薄合金夾層，通過形成一過渡液相來輔助擴(kuò)散結(jié)合過程。這些夾層可促進(jìn)類似材料在多少低于傳統(tǒng)擴(kuò)散工藝所需的溫度和壓力下的良好的擴(kuò)散結(jié)合。或者，模組件也可以通過機(jī)械方法用螺栓或其它裝置固定于一起。
本發(fā)明的模設(shè)計(jì)和擠出方法可顯著降低擠出壓力，尤其是在壓力可能成為影響蜂窩結(jié)構(gòu)生產(chǎn)成本的重要因素的蜂窩結(jié)構(gòu)通孔密度和通孔壁厚度下。因此，這些設(shè)計(jì)和方法允許使用價(jià)格較便宜的擠出設(shè)備或繼續(xù)使用現(xiàn)有的設(shè)備，以制造目前最先進(jìn)的蜂窩結(jié)構(gòu)應(yīng)用場合所需要的高網(wǎng)格密度薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)。擠出機(jī)的維修保養(yǎng)費(fèi)用和某些模的生產(chǎn)成本也可得以降低。
權(quán)利要求
1.一種蜂窩結(jié)構(gòu)擠出模，包括一整體式的模體，它具有一開有槽的模出料面和一相對的模體進(jìn)料面，該進(jìn)料面具有多個(gè)朝出料面延伸入模體的模體給料孔，以及一個(gè)從出料面朝進(jìn)料面延伸的出料槽的交叉陣列，給料孔延伸入并終止于出料槽的底部中；一模底板，它形成一模進(jìn)料面，該進(jìn)料面包括多個(gè)延伸入底板的底板給料孔；以及一位于底板和模體之間或之內(nèi)的復(fù)合給料部分，該復(fù)合給料部分具有給料導(dǎo)管，這些給料導(dǎo)管(i)具有與底板給料孔相連的入口；(ii)具有與模體給料孔相連的出口；和(iii)至少在它們長度的一部分上傾斜離開底板給料孔的流動軸線；底板給料孔的直徑大于模體給料孔的直徑，模體給料孔的數(shù)量大大超過底板給料孔的數(shù)量，每個(gè)底板給料孔通過分支給料導(dǎo)管連接于多個(gè)模體給料孔。
2.一種蜂窩結(jié)構(gòu)擠出模，包括一整體式的模體，它包括一模體進(jìn)料面、一相對的模出料面和、多個(gè)從進(jìn)料面朝出料面延伸的模體給料孔和一個(gè)從出料面朝進(jìn)料面延伸的出料槽的交叉陣列，給料孔延伸入并終止于出料槽的底部中；一模底板，它包括多個(gè)從模進(jìn)料面通過底板延伸到相對的底板出料面的底板給料孔；以及一位于模體和底板之間并將它們連接于一起的多層復(fù)合給料部分，該部分包括多個(gè)疊置的薄板，并具有一個(gè)由這些板上基本對齊的孔形成的分支給料導(dǎo)管的陣列，這些板包括一入口板，該入口板連接于底板，并具有與諸底板給料孔相匹配的孔，以及一終端板，該終端板連接于模體，并具有與諸模體給料孔相匹配的孔；底板給料孔的直徑大于模體給料孔的直徑，模體給料孔的數(shù)量大大超過底板給料孔的數(shù)量，每個(gè)底板給料孔通過分支給料導(dǎo)管連接于多個(gè)模體給料孔。
3.如權(quán)利要求1所述的蜂窩結(jié)構(gòu)擠出模，其特征在于，復(fù)合給料部分具有一或多個(gè)非分支薄板。
4.如權(quán)利要求1所述的蜂窩結(jié)構(gòu)擠出模，其特征在于，大多數(shù)底板給料孔通過分支導(dǎo)管連接于至少四個(gè)模體給料孔。
5.一種用一蜂窩結(jié)構(gòu)擠出模將塑化批量材料擠出成形為蜂窩結(jié)構(gòu)的方法，它包括(a)使批量材料流入一模底板，該底板包括多個(gè)延伸入模底板的給料孔；(b)接下來，使批量材料從底板給料孔流動通過形成于模底板中或連接于該底板的模復(fù)合給料部分中的諸給料導(dǎo)管，這些給料導(dǎo)管具有與諸底板給料孔相連的入口，并具有至少在它們長度的一部分上傾斜離開底板給料孔的流動軸線的分支部分，從而由每個(gè)入口形成多個(gè)復(fù)合給料出口；(c)隨后，使來自復(fù)合給料出口的批量材料流入形成于一整體式模體中的諸模體給料孔，該模體是從復(fù)合給料部分上延伸出來或連接于該復(fù)合給料部分，模體給料孔的數(shù)量多于底板給料孔，但其直徑相對卻較小。(d)而后，使批量材料通過模體給料孔流入形成于整體式模體的出料面上的一個(gè)出料槽的交叉陣列，模體給料孔延伸入和終止于出料槽的底部內(nèi)；以及(e)將批量材料作為一槽形蜂窩體從模的出料面擠出。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，復(fù)合給料部分包括多個(gè)疊置的薄板，這些板具有一個(gè)由這些板上基本對齊的孔形成的分支給料導(dǎo)管的陣列，批量材料先流入一入口板，該入口板連接于模底板，并具有基本與諸底板給料孔相匹配的孔，然后批量材料通過一終端板流出復(fù)合給料部分，該終端板連接于模體，并具有基本與諸模體給料孔相匹配的孔。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，通過復(fù)合給料部分的入口板的每個(gè)批量材料流分成四個(gè)通過復(fù)合給料部分的終端板的批量材料流。
全文摘要
一種由強(qiáng)化底板和薄模體板構(gòu)成的蜂窩結(jié)構(gòu)擠出模,底板包括數(shù)量相對較少的大給料孔,模體板包括數(shù)量較多而相對較小的給料孔,這些小給料孔將可擠壓材料輸送到一出料槽陣列,其中這兩種板由一中間復(fù)合給料部分連接在一起,該給料部分具有分支給料導(dǎo)管,用于在較大的底板給料孔和較小的模體給料孔之間提供低流動阻抗的擠出通道。
文檔編號B28B3/20GK1201728SQ9810962
公開日1998年12月16日 申請日期1998年5月29日 優(yōu)先權(quán)日1997年6月6日
發(fā)明者H·A·克拉格爾 申請人:康寧股份有限公司