擠壓系統(tǒng)和方法
【專利說明】
【背景技術(shù)】
[0001]材料的特性受用于形成和塑造材料的工藝影響。工藝包括熱處理、變形和鑄造。熱處理是使金屬或合金經(jīng)歷可產(chǎn)生期望的物理和化學(xué)變化的特定加熱和冷卻規(guī)程的工藝。變形是迫使一塊材料改變其厚度或形狀的工藝，并且一些變形技術(shù)包括鍛造、乳制、擠制和拉伸。鑄造是將熔化的金屬倒入模子，從而使得金屬凝固時符合模子的形狀。熱處理、變形和鑄造可結(jié)合使用，并且在一些情形中，可添加特定的合金元素以按期望方式影響這種工藝。
[0002]通常利用各種方法，諸如鑄造-軋制、上引鑄造或擠制工藝，來制造無縫金屬管，諸如銅管。為了降低經(jīng)由常規(guī)擠制和鑄造技術(shù)生產(chǎn)的金屬管的成本，制造商增大用于形成金屬管的坯料的尺寸。這些坯料通常為100至1000鎊或更重。因此，制造商需要很大的設(shè)施來容納處理坯料以形成金屬管所需的專用大尺寸機器。設(shè)備和經(jīng)由該設(shè)備處理的坯料的大尺寸導(dǎo)致擠制過程具有大的啟動和維護成本。此外，工藝的限制，諸如每次僅擠制一個坯料，導(dǎo)致制造效率低，包括對每次運轉(zhuǎn)生產(chǎn)的管量的限制以及對于每個坯料的各次運轉(zhuǎn)由于制造過程經(jīng)常啟動和停止而導(dǎo)致的系統(tǒng)部件磨損。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本文公開了用于擠制材料的系統(tǒng)、裝置和方法。在某些實施例中，所述系統(tǒng)、裝置和方法容許連續(xù)擠制多個坯料。這種連續(xù)擠制容許使用相對小的坯料生產(chǎn)期望量的擠制材料，并且因此這種連續(xù)擠壓系統(tǒng)的尺寸可比傳統(tǒng)擠制工藝的小。所述系統(tǒng)、裝置和方法容許連續(xù)地?zé)o縫地擠制多個坯料。
[0004]在一個方面，本發(fā)明的系統(tǒng)、裝置和方法包括用于連續(xù)裝載和擠制多個坯料的方法，所述方法包括:在長形的心軸桿的接收端裝載第一坯料；沿心軸桿運輸?shù)谝慌髁喜⑹沟谝慌髁贤ㄟ^將心軸桿固定就位并防止心軸桿旋轉(zhuǎn)的夾持元件，其中，在任何指定時刻，至少一個夾持元件夾持心軸桿；以及通過推壓第一坯料使其通過旋轉(zhuǎn)模具來擠制第一坯料以形成擠制材料，其中，第一坯料后面跟隨著形成擠制材料的一部分的相鄰的第二坯料。旋轉(zhuǎn)模具在坯料前進通過旋轉(zhuǎn)模具時加熱坯料。在某些實施方式中，對第一坯料提供沿朝向旋轉(zhuǎn)模具的方向的基本恒定的推力。在某些實施例中，可調(diào)整旋轉(zhuǎn)模具的旋轉(zhuǎn)速度。
[0005]在某些實施方式中，所述方法還包括沿心軸桿運輸?shù)谝慌髁喜⑹沟谝慌髁贤ㄟ^夾到心軸桿上并向心軸桿傳送冷卻流體的冷卻元件，其中，在任何指定時刻，至少一個冷卻元件夾到心軸桿上?？裳匦妮S桿經(jīng)由軌道運輸坯料，所述軌道根據(jù)第一坯料相對于夾持元件和冷卻元件的位置間歇地移動。在某些實施方式中，冷卻流體被運輸?shù)皆O(shè)置在心軸桿的與接收端相反的第二端上的心軸桿尖端，并且冷卻流體在穿過心軸桿尖端之后返回冷卻元件。在接收第一坯料之前，心軸桿尖端可位于旋轉(zhuǎn)模具內(nèi)。在某些實施方式中，冷卻流體是水。
[0006]在某些實施方式中，連續(xù)裝載多個坯料還包括夾持元件交替地夾持心軸桿，以容許一個或多個坯料穿過夾持元件。在某些實施方式中，下游夾持元件夾持心軸桿，并且上游夾持元件打開，并且所述方法包括:將一個或多個坯料裝載到心軸桿上并使其通過打開的上游夾持元件；關(guān)閉上游夾持元件；以及使一個或多個坯料前進到下游夾持元件。在某些實施方式中，所述方法之后包括:打開下游夾持元件；使一個或多個坯料前進通過打開的下游夾持元件；以及關(guān)閉下游夾持元件。
[0007]在某些實施方式中，連續(xù)裝載多個坯料還包括冷卻元件交替地夾住心軸桿，以容許一個或多個坯料穿過冷卻元件。在某些實施方式中，下游冷卻元件夾住心軸桿并向心軸桿傳送冷卻流體，并且上游冷卻元件打開，并且所述方法包括:將一個或多個坯料裝載到心軸桿上并使其通過打開的上游冷卻元件；關(guān)閉打開的冷卻夾持元件；以及使一個或多個坯料前進到下游冷卻元件。在某些實施方式中，所述方法之后包括:打開下游冷卻元件；使一個或多個坯料前進通過打開的下游冷卻元件；以及關(guān)閉下游冷卻元件。
[0008]在某些實施方式中，所述方法還包括:在擠制期間，防止第一坯料的尚未進入旋轉(zhuǎn)模具的部分旋轉(zhuǎn)。定中心插入件可夾持第一坯料的所述部分以防止所述部分旋轉(zhuǎn)，并且定中心插入件可具有相對于旋轉(zhuǎn)模具的可調(diào)整位置。可用冷卻流體冷卻定中心插入件。
[0009]在某些實施方式中，所述方法還包括當擠制材料離開旋轉(zhuǎn)模具時，對擠制材料進行淬火。可利用水對擠制材料進行淬火。在某些實施方式中，水接觸旋轉(zhuǎn)模具約I英寸內(nèi)的擠制材料。在某些實施方式中，旋轉(zhuǎn)模具包括多個堆疊的模具板。在某些實施方式中，所述材料是銅，或者所述材料選自由銅、鋁、鎳、鈦、黃銅、鋼和塑料構(gòu)成的組。多個坯料可沿心軸桿的基本整個長度延伸。在某些實施方式中，所述方法包括使擠制材料的內(nèi)部充滿氮?？赏ㄟ^人或通過自動裝載裝置將多個坯料中的每個裝載到心軸桿上。
[0010]在一個方面，提供一種用于連續(xù)裝載和擠制多個坯料的方法，所述方法包括:在長形的心軸桿的接收端裝載第一坯料；沿心軸桿運輸?shù)谝慌髁喜⑹沟谝慌髁贤ㄟ^夾到心軸桿上并向心軸桿傳送冷卻流體的冷卻元件，其中，在任何指定時刻，至少一個冷卻元件夾到心軸桿上；以及通過推壓第一坯料使其通過旋轉(zhuǎn)模具來擠制第一坯料以形成擠制材料，其中，第一坯料后面跟隨著形成擠制材料的一部分的相鄰的第二坯料。
[0011]在某些實施例中，沿心軸桿經(jīng)由軌道運輸?shù)谝慌髁?，所述軌道根?jù)第一坯料相對于夾持元件和冷卻元件的位置間歇地移動。在某些實施例中，冷卻流體被運輸?shù)皆O(shè)置在心軸桿的與接收端相反的第二端上的心軸桿尖端，并且冷卻流體在穿過心軸桿尖端之后返回冷卻元件。在接收第一坯料之前，心軸桿尖端可位于旋轉(zhuǎn)模具內(nèi)。在某些實施方式中，冷卻流體是水。
[0012]在一個方面，一種擠壓系統(tǒng)包括:具有第一端和第二端的心軸桿，所述第一端用于接收其中有孔的坯料并且所述第二端聯(lián)接到心軸桿尖端；聯(lián)接到心軸桿的冷卻元件，冷卻元件具有端口，通過該端口將冷卻流體傳送到心軸桿內(nèi)，以便冷卻心軸桿尖端；聯(lián)接到心軸桿的夾持元件，夾持元件包括能夠移動的夾具，以便將心軸桿固定就位并防止心軸桿旋轉(zhuǎn)；以及旋轉(zhuǎn)擠制模具，其被配置為從具有多個槽口的定中心插入件接收坯料，所述多個槽口與坯料摩擦接合以防止坯料在進入旋轉(zhuǎn)擠制模具之前旋轉(zhuǎn)，其中，心軸桿尖端位于旋轉(zhuǎn)模具內(nèi)。
[0013]在某些實施方式中，擠壓系統(tǒng)還包括:壓頭元件，其具有一起夾持坯料的能夠移動的第一臂和第二臂，并提供沿旋轉(zhuǎn)模具的方向的基本恒定的推力。該基本恒定的推力致使坯料以預(yù)定速率進入旋轉(zhuǎn)模具。在某些實施方式中，擠壓系統(tǒng)還包括聯(lián)接到軸的馬達，該軸控制旋轉(zhuǎn)擠制模具的旋轉(zhuǎn)速度。
[0014]在某些實施方式中，心軸桿包括靠近冷卻元件端口的開口，所述開口接收冷卻流體。心軸桿可還包括在開口任一側(cè)上的圍繞心軸桿的槽口，其中，槽口被配置為接納O形環(huán)，以基本防止冷卻流體泄漏。心軸桿可還包括圍繞所述開口以基本防止冷卻流體泄漏的心軸桿套管。在某些實施方式中，心軸桿包括相應(yīng)地被成形以與夾持元件的夾具配合的夾持部分。在某些實施方式中，心軸桿包括在其中的內(nèi)管，所述內(nèi)管從冷卻元件接收冷卻流體，并且通過所述內(nèi)管將冷卻流體傳送到心軸桿尖端。冷卻流體可沿心軸桿內(nèi)所述內(nèi)管的外表面和心軸桿的內(nèi)表面之間的空間從心軸桿尖端返回冷卻元件。在某些實施方式中，冷卻流體是水。
[0015]在某些實施方式中，擠壓系統(tǒng)還包括沿其運輸坯料的軌道，其中，軌道根據(jù)坯料相對于夾持元件和冷卻元件的位置間歇地移動。軌道可包括位于軌道上方并被配置為接觸坯料的上表面的上滾輪。在某些實施方式中，擠壓系統(tǒng)還包括設(shè)置在旋轉(zhuǎn)擠制模具的出口處的淬火管。當擠制材料離開旋轉(zhuǎn)擠制模具時淬火管對擠制材料進行淬火。在某些實施方式中，利用水對擠制材料進行淬火。水可在旋轉(zhuǎn)擠制模具的約I英寸內(nèi)接觸擠制材料。
[0016]在一個方面，提供一種用于至少部分地控制多個坯料的擠制的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括:處理器，其被配置為向擠壓系統(tǒng)提供指令，以便:在長形的心軸桿的接收端裝載第一坯料；沿心軸桿運輸?shù)谝慌髁喜⑹沟谝慌髁贤ㄟ^將心軸桿固定就位并防止心軸桿旋轉(zhuǎn)的夾持元件，其中，在任何指定時刻，至少一個夾持元件夾持心軸桿；以及通過推壓第一坯料使其通過旋轉(zhuǎn)模具來擠制第一坯料以形成擠制材料，其中，第一坯料后面跟隨著形成擠制材料的一部分的相鄰的第二坯料。
[0017]在某些實施方式中，處理器進一步被配置為向擠壓系統(tǒng)提供指令，以便基于第一坯料相對于夾持元件的位置間歇地移動其上放置有第一坯料的軌道。在某些實施方式中，處理器進一步被配置為向擠壓系統(tǒng)提供指令，以便調(diào)整旋轉(zhuǎn)模具的旋轉(zhuǎn)速度。在某些實施方式中，處理器進一步被配置為向擠壓系統(tǒng)提供指令，以便監(jiān)控冷卻流體傳送系統(tǒng)。在某些實施方式中，處理器進一步被配置為向擠壓系統(tǒng)提供指令，以便調(diào)整將多個坯料傳送到旋轉(zhuǎn)模具的壓頭的前進速度和退回速度。
[0018]在一個方面，提供一種用于至少部分地控制多個坯料的擠制的非臨時性計算機可讀介質(zhì)，所述非臨時性計算機可讀介質(zhì)包括記錄在其上的邏輯，所述邏輯用于:在長形的心軸桿的接收端裝載第一坯料；沿心軸桿運輸?shù)谝慌髁喜⑹沟谝慌髁贤ㄟ^將心軸桿固定就位并防止心軸桿旋轉(zhuǎn)的夾持元件，其中，在任何指定時刻，至少一個夾持元件夾持心軸桿；以及通過推壓第一坯料使其通過旋轉(zhuǎn)模具來擠制第一坯料以形成擠制材料，其中，第一坯料后面跟隨著形成擠制材料的一部分的相鄰的第二坯料。
[0019]在某些實施方式中，非臨時性計算機可讀介質(zhì)還包括記錄在其上的邏輯，所述邏輯用于基于第一坯料相對于夾持元件的位置間歇地移動其上放置有第一坯料的軌道。在某些實施方式中，非臨時性計算機可讀介質(zhì)還包括記錄在其上的邏輯，所述邏輯用于調(diào)整旋轉(zhuǎn)模具的旋轉(zhuǎn)速度。在某些實施方式中，非臨時性計算機可讀介質(zhì)還包括記錄在其上的邏輯，所述邏輯用于監(jiān)控冷卻流體傳送系統(tǒng)。在某些實施方式中，非臨時性計算機可讀介質(zhì)還包括記錄在其上的邏輯，所述邏輯用于調(diào)整將多個坯料傳送到旋轉(zhuǎn)模具的壓頭的前進速度和退回速度。
[0020]在一個方面，一種擠壓系統(tǒng)包括:具有第一端和第二端的心軸桿，所述第一端用于接收其中有孔的坯料并且所述第二端聯(lián)接到心軸桿尖端；冷卻裝置，用于將冷卻流體傳送到心軸桿內(nèi)，以便冷卻心軸桿尖端；夾持裝置，用于將心軸桿固定就位并防止心軸桿旋轉(zhuǎn)；以及用于擠制坯料的旋轉(zhuǎn)擠制裝置，其中，旋轉(zhuǎn)擠制裝置從具有多個槽口的定中心裝置接收坯料，所述多個槽口與坯料摩擦接合以防止坯料在進入旋轉(zhuǎn)擠制裝置之前旋轉(zhuǎn)；其中，心軸桿尖端位于旋轉(zhuǎn)模具內(nèi)。
[0021]在某些實施方式中，擠壓系統(tǒng)還包括:推壓裝置，其用于夾持坯料并提供沿旋轉(zhuǎn)模具的方向的基本恒定的推力。該基本恒定的推力致使坯料以預(yù)定速率進入旋轉(zhuǎn)模具。在某些實施方式中，擠壓系統(tǒng)還包括用于控制旋轉(zhuǎn)擠制裝置的旋轉(zhuǎn)速度的裝置。
[0022]在某些實施方式中，心軸桿包括靠近冷卻裝置的開口，所述開口接收冷卻流體。心軸桿可還包括在開口任一側(cè)上的圍繞心軸桿的槽口，其中，槽口被配置為接納O形環(huán)，以基本防止冷卻流體泄漏。心軸桿可還包括圍繞所述開口以基本防止冷卻流體泄漏的心軸桿套管。在某些實施方式中，心軸桿可包括夾持部分，其被相應(yīng)地成形以與夾持裝置配合。在某些實施方式中，心軸桿包括在其中的內(nèi)管，所述內(nèi)管從冷卻裝置接收冷卻流體，并且通過所述內(nèi)管將冷卻流體傳送到心軸桿尖端。冷卻流體可沿心軸桿內(nèi)所述內(nèi)管的外表面和心軸桿的內(nèi)表面之間的空間從心軸桿尖端返回冷卻裝置。在某些實施方式中，冷卻流體是水。
[0023]在某些實施方式中，擠壓系統(tǒng)還包括沿其運輸坯料的軌道，其中，軌道根據(jù)坯料相對于夾持裝置和冷卻裝置的位置間歇地移動。軌可包括位于軌道上方并被配置為接觸坯料的上表面的上滾輪。在某些實施方式中，擠壓系統(tǒng)還包括設(shè)置在旋轉(zhuǎn)擠制裝置的出口處的淬火裝置。當擠制材料離開旋轉(zhuǎn)擠制裝置時淬火裝置對擠制材料進行淬火。在某些實施方式中，利用水對擠制材料進行淬火。水可在旋轉(zhuǎn)擠制裝置的約I英寸內(nèi)接觸擠制材料。
[0024]在一個方面，一種用于連續(xù)擠制多個坯料的方法包括:沿不旋轉(zhuǎn)的心軸桿將多個坯料從心軸桿的第一端運輸?shù)叫妮S桿的第二端；以及通過推壓多個坯料中的每個使其通過旋轉(zhuǎn)模具來擠制多個坯料，其中，旋轉(zhuǎn)模具相對于不旋轉(zhuǎn)的多個坯料旋轉(zhuǎn)而形成的摩擦產(chǎn)生使多個中空坯料變形的熱量，其中，心軸桿尖端在心軸桿的第二端處位于旋轉(zhuǎn)模具內(nèi)。在某些實施方式中，所述方法包括:在擠制期間，防止多個坯料中每個的尚未進入旋轉(zhuǎn)模具的部分旋轉(zhuǎn)。在某些實施方式中，定中心插入件夾持各個坯料的所述部分以防止所述部分旋轉(zhuǎn)，并且定中心插入件具有相對于旋轉(zhuǎn)模具的可調(diào)整位置。在某些實施方式中，所述方法還包括在擠制期間冷卻心軸桿尖端。
[0025]在一個方面，一種用于擠制材料的模具包括模具主體，其具有:限定入口和出口的通道，其中，出口的直徑小于入口的直徑；以及圍繞通道從入口延伸到出口的內(nèi)表面?；茁?lián)接到模具主體，并且基底的旋轉(zhuǎn)引起模具主體旋轉(zhuǎn)。
[0026]在某些實施方式中，模具主體被配置為接收材料的坯料以便擠制，并且坯料在進入模具主體之前被預(yù)熱。模具主體的旋轉(zhuǎn)在所述內(nèi)表面和前進通過入口并進入模具主體的內(nèi)部通道中的坯料之間產(chǎn)生摩擦。所述摩擦將坯料加熱至足以引起坯料材料變形的溫度。在某些實施方式中，模具主體被配置為通過入口接收心軸尖端，從而使得心軸尖端能夠位于模具主體的內(nèi)部通道內(nèi)。模具的所述內(nèi)表面可包括被配置為位于心軸尖端的相應(yīng)錐形外表面附近的成角度部分。模具主體被配置為接收被推壓通過模具主體的內(nèi)部通道的坯料，以形成擠制產(chǎn)品，擠制產(chǎn)品的外徑對應(yīng)于模具主體的出口的直徑，并且其內(nèi)徑對應(yīng)于心軸尖端的直徑。
[0027]在某些實施方式中，模具主體包括聯(lián)接在一起以形成堆疊結(jié)構(gòu)的多個模具板。每個模具板具有通過模具板的中心的圓形孔眼，孔眼的周界形成模具主體中的所述內(nèi)表面?？籽鄣闹芙缦鄬τ趶乃鋈肟诘剿龀隹谘由焱ㄟ^模具主體的軸線成不同角度。在模具主體中每個板的前表面附近處所述周界的角度大于在相鄰板的后表面附近處所述周界的角度。所述堆疊結(jié)構(gòu)可包括不一致的模具板，模具板的孔眼周界在板的前表面附近成第一角度并且在板的后表面附近成不同的第二角度。模具板中的至少一個由兩種不同材料形成，其中，第一材料形成模具板中孔眼的周界，第二材料形成模具板的外部部分。所述第一材料可以是陶瓷材料、鋼或消耗性材料。在某些實施方式中，所述入口附近的模具主體的前表面被配置為與直徑基本等于所述入口的直徑的定中心插入件配合。定中心插入件和所述入口的周界可由相同材料形成。當基底和模具主體旋轉(zhuǎn)時定中心插入件不旋轉(zhuǎn)。在某些實施方式中，所述基底包括直徑大于模具主體的出口的直徑的圓形孔眼。馬達可向所述基底供應(yīng)旋轉(zhuǎn)力。
[0028]在一個方面，一種模具包括:用于擠制材料的裝置，并且所述用于擠制的裝置包括:限定入口和出口的通道裝置，其中，出口的直徑小于入口的直徑；以及圍繞通道裝置從入口延伸到出口的內(nèi)表面裝置。所述模具還具有用于將用于擠制的裝置聯(lián)接到旋轉(zhuǎn)裝置的裝置，并且所述用于聯(lián)接的裝置致使所述用于擠制的裝置旋轉(zhuǎn)。
[0029]在某些實施方式中，所述用于擠制的裝置被配置為接收材料的坯料以便擠制，并且坯料在進入模具主體之前被預(yù)熱。所述用于擠制的裝置的旋轉(zhuǎn)在內(nèi)表面裝置和前進通過入口并進入所述用于擠制的裝置的通道裝置中的坯料之間產(chǎn)生摩擦。所述摩擦將坯料加熱至足以引起坯料材料變形的溫度。所述用于擠制的裝置被配置為通過入口接收桿尖端裝置，從而使得桿尖端裝置能夠位于所述用于擠制的裝置的通道裝置內(nèi)。所述用于擠制的裝置的內(nèi)表面裝置包括被配置為位于桿尖端裝置的相應(yīng)錐形外表面附近的成角度部分。所述用于擠制的裝置被配置為接收被推壓通過所述用于擠制的裝置的通道裝置的坯料，以形成擠制產(chǎn)品，擠制產(chǎn)品的外徑對應(yīng)于所述用于擠制的裝置的出口的直徑，并且其內(nèi)徑對應(yīng)于桿尖端裝置的直徑。
[0030]在某些實施方式中，所述用于擠制的裝置包括聯(lián)接在一起以形成堆疊結(jié)構(gòu)的多個板裝置。每個板裝置具有通過板裝置的中心的圓形孔眼，孔眼的周界形成所述用于擠制的裝置中的內(nèi)表面裝置?？籽鄣闹芙缦鄬τ趶乃鋈肟诘剿龀隹谘由焱ㄟ^所述用于擠制的裝置的軸線成不同角度。在所述用于擠制的裝置中每個板裝置的前表面附近處所述周界的角度大于在相鄰板裝置的后表面附近處所述周界的角度。所述堆疊結(jié)構(gòu)包括不一致的板裝置，板裝置的孔眼周界在板裝置的前表面附近成第一角度并且在板裝置的后表面附近成不同的第二角度。板裝置中的至少一個由兩種不同材料形成，其中，第一材料形成板裝置中孔眼的周界，第二材料形成板裝置的外部部分。所述第一材料可以是陶瓷材料、鋼或消耗性材料。所述入口附近的所述用于擠制的裝置的前表面被配置為與直徑基本等于所述入口的直徑的定中心裝置配合。定中心裝置和所述入口的周界可由相同材料形成。其中，當所述用于聯(lián)接的裝置和所述用于擠制的裝置旋轉(zhuǎn)時定中心裝置不旋轉(zhuǎn)。定中心裝置包括防止穿過定中心裝置的坯料旋轉(zhuǎn)的夾持裝置。在某些實施方式中，所述用于聯(lián)接的裝置包括直徑大于所述用于擠制的裝置的出口的直徑的圓形孔眼，并且動力裝置可向所述用于聯(lián)接的裝置供應(yīng)旋轉(zhuǎn)力。
[0031]在回顧本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員將想到變型和改進?？衫帽疚拿枋龅囊粋€或多個其他特征以任何組合和子組合(包括多個從屬組合和子組合)形式實現(xiàn)前述特征和方面。本文描繪或說明的各個特征，包括其任何部件，可組合或集成在其他系統(tǒng)中。此外，可省