專利名稱：改進(jìn)的狹縫擠壓模的制作方法
本申請(qǐng)要求保護(hù)由Mark A.Shalkey于1997年10月17日申請(qǐng)的名為“經(jīng)改進(jìn)的狹縫擠壓?！钡牡?0/062,309號(hào)臨時(shí)申請(qǐng)的利益。
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及塑化材料連續(xù)擠壓成精細(xì)結(jié)構(gòu)的擠壓模，尤其涉及蜂窩擠壓模，它包括改進(jìn)的排出狹縫，該狹縫能使模具具有更加均勻和穩(wěn)定的擠壓特性。
用包括分散在適當(dāng)粘結(jié)劑中的無機(jī)粉末的若干批量的塑化粉末制造出無機(jī)蜂窩結(jié)構(gòu)是眾所周知的。編號(hào)為3,790,654、3,885,977和3,905,743的美國專利公開了這種制造的模具、工藝和組份，而編號(hào)為4,992,233和5,011,529公開了用含有金屬粉末的諸批料擠壓的類似多孔結(jié)構(gòu)的蜂窩。
用這些方法加工陶瓷蜂窩的擠壓模的制造要求有特別精確的機(jī)加工。為了將材料供應(yīng)到這種模具的有狹縫蜂窩排出部分，模具的輸入或供應(yīng)表面設(shè)置有多個(gè)小孔或送料孔，要擠壓的塑化批材料在高壓下通過這些孔。模具的相對(duì)或排出表面設(shè)置有一精確加工的排出狹縫的十字形相交陣列，這些狹縫相交成模具的排出部分，并與送料孔陣列相交。這些排出狹縫能使由送料孔供應(yīng)到狹縫基部的塑化批料定形成擠壓蜂窩的互連壁結(jié)構(gòu)。
那些形成模具實(shí)際排出表面的交叉排出狹縫之間的島嶼材料有時(shí)稱為銷柱，因?yàn)樗鼈儽憩F(xiàn)為從模具內(nèi)部朝外延伸的自立金屬立柱，而且只有它們的基部連接于模具體。這些銷柱的形狀限定了擠壓塑化批料所形成的蜂窩通道的形狀。
已采用許多技術(shù)將金屬坯料定形成蜂窩擠壓模。對(duì)于較軟的鋼，通過機(jī)械鉆孔形成送料孔，用鋸的方式形成排出狹縫。但是，如果模具是由諸如不銹鋼的較硬的、較耐磨的材料所制成，可廣泛使用電化學(xué)加工和放電加工。
在電化學(xué)加工(ECM)工藝、也稱為STEM(型管電解加工)工藝中，通過對(duì)導(dǎo)電的鋼工件進(jìn)行有控制的電蝕(deplating)(分解)來形成送料小孔。形成一電解槽，其中的鉆頭包括帶負(fù)電荷的電極(陰極)，工件包括帶正電荷的電極(陽極)，電解液是一種導(dǎo)電流體。
在用放電加工(EDM)加工出狹縫的模具中，在一長而細(xì)的移動(dòng)電極導(dǎo)線與金屬模具預(yù)制坯之間保持放電來形成排出狹縫。這些模具中用導(dǎo)線EDM所形成的狹縫長度總的約大于3-1/2英寸，狹縫的深度是0.1英寸或比0.1英寸大，狹縫的寬度是0.012英寸或比0.012英寸小。
EDM很適合這些模具中具有平行側(cè)壁的薄狹縫的成形。這樣的狹縫基本上沒有毛刺，并具有相當(dāng)光滑及一致的表面光潔度。參閱美國專利2,526,423、4,205,213、4,233,486、4,403,131和4,527,035，可用于進(jìn)一步說明EDM工藝。
盡管ECM和EDM為用于蜂窩擠壓模的鋼塊中的精細(xì)孔和排出狹縫的大陣列加工提供了重要的工藝，但最終的模具仍然存在問題。這些問題通常表現(xiàn)為當(dāng)從模具排出表面擠出蜂窩預(yù)制件時(shí)，材料的流動(dòng)不均勻。諸如“快流”(通過模具的局部區(qū)域時(shí)擠壓加速)的不均勻流體的結(jié)果是產(chǎn)生各種蜂窩產(chǎn)品缺陷。這些缺陷包括“膨脹”或“波紋”腹壁，即由于材料過多擠出而形成的單元壁在橫向和/或縱向的扭曲，以及其它改變，如單元尺寸、單元形狀和單元壁的厚度。
這些擠壓模的送料孔和/或排出狹縫部分內(nèi)的不規(guī)則的表面光潔度被認(rèn)為是不均勻流動(dòng)的主要因素。這種不規(guī)則是因?yàn)樵诩庸み^程中電壓、電流或其它放電工況的很小的變化所引起的，這些從一個(gè)孔到另一個(gè)孔和從一個(gè)狹縫到另一個(gè)狹縫的改變跨越模具的輸入和輸出表面。這些變化在目前還不能完全控制。
為了使送料孔和/或狹縫的一致性和表面光潔度最佳化，用其它的加工工藝代替用于模具制造的較傳統(tǒng)的工藝的結(jié)果是，也不能解決這些問題。例如，用研磨輪切削工藝代替較傳統(tǒng)的EDM狹縫加工工藝來加工狹縫，而不會(huì)使加工過程因放電工況的變化而變壞，但即使狹縫表面較光滑，狹縫形狀的可變性也減少，但也還不能消除擠出流體的波動(dòng)。
發(fā)明概要本發(fā)明提供蜂窩擠出模結(jié)構(gòu)，它對(duì)材料流動(dòng)的均勻性和穩(wěn)定性給予了顯著的提高。這些提高是由于使用了改進(jìn)的狹縫結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)顯示出能夠掩蓋較小的不規(guī)則光潔度，由此能去掉許多在狹縫幾何形狀和表面光潔度的各種微小變化和用傳統(tǒng)加工方法從經(jīng)濟(jì)上不能消除的各種變化所帶來的害處。
本發(fā)明的改進(jìn)的狹縫結(jié)構(gòu)是在形成排出狹縫的銷柱的側(cè)表面上施加一宏觀的幾何特征而產(chǎn)生的。盡管這種特征在選定的銷柱側(cè)表面上略微增加模具的流動(dòng)阻抗，但這種增加遠(yuǎn)遠(yuǎn)被擠出流的外表變化有了很大的下降所彌補(bǔ)。這種下降本身又能顯著減少諸如在蜂窩產(chǎn)品中由于通過模具的流量變化所引起的膨脹或波動(dòng)腹壁(通道壁)表面的產(chǎn)品缺陷。改進(jìn)的狹縫結(jié)構(gòu)的其它好處將在下面進(jìn)行更詳細(xì)的描述。
在本發(fā)明的第一方面，本發(fā)明包括一“狹縫改進(jìn)的”蜂窩擠壓模。在其它方面完全是傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的該模具包括一具有一輸入表面的模具體、一與輸入表面相對(duì)的排出表面和多個(gè)從輸入表面延伸到模具體的送料孔。模具還包括從排出表面延伸到模具體的排出狹縫的交叉陣列，這些狹縫是由多個(gè)銷柱的側(cè)表面所形成或限定，這些銷柱在模具的排出表面上形成在交互狹縫的空間中。與傳統(tǒng)的一樣，狹縫和相鄰銷柱從排出表面朝內(nèi)延伸到模具體，使狹縫基部以允許流體從送料孔流到狹縫的形式與送料孔連接。
為了使擠壓模的流動(dòng)改進(jìn)特征可靠，至少一部分的銷柱的一側(cè)或一側(cè)以上的側(cè)表面采用至少一個(gè)幾何結(jié)構(gòu)的改變流動(dòng)的表面中斷部，即，在這些銷柱的一側(cè)或一側(cè)以上的表面平面中的宏觀或肉眼可見的(macroscopic)中斷部。與出現(xiàn)在傳統(tǒng)加工的銷柱側(cè)表面上的“微小”(微觀)(microscopic)不完整性不同，本發(fā)明的“宏觀”幾何銷柱特征通常具有與它們的排出狹縫寬度同數(shù)量級(jí)的尺寸。它們基本上由任何幾何形表面中斷部諸如凹槽或凹部、突起的表面部分或其組合所組成，所提供的中斷部的尺寸足以改變可擠出的材料經(jīng)過狹縫的流動(dòng)。
在第二方面中，本發(fā)明提供一種改進(jìn)的擠壓工藝，這種工藝采用本發(fā)明的模具的改變流動(dòng)的特征來形成擠壓蜂窩，在這種蜂窩中，模具所導(dǎo)致的流動(dòng)變化而引起的形狀缺陷極少。如將批量塑化材料加工成蜂窩形狀的傳統(tǒng)方法中，首先迫使批材料進(jìn)入在蜂窩擠壓模的輸入表面中的送料孔陣列中，然后使它們流過送料孔并經(jīng)一有狹縫的排出部流出模具。排出部包括一形成在模具排出表面中的交叉狹縫的互連陣列。
正如已指出的，排出部中十字交叉狹縫接壤和限定了終止在排出表面的銷柱陣列，這些銷柱的側(cè)表面構(gòu)成了當(dāng)材料脫離模具使塑化批材料定形成蜂窩的成形表面。在本發(fā)明的方法中，當(dāng)材料垂直流過一個(gè)或一個(gè)以上設(shè)置在至少一些銷柱的一側(cè)或一側(cè)以上的側(cè)表面上的改變流動(dòng)的幾何結(jié)構(gòu)表面中斷部時(shí)，材料經(jīng)過這些排出狹縫的流動(dòng)得到改變。
下面還將更全面地描述，使批材料穿過采用在狹縫側(cè)壁上的這些“宏觀”幾何特征的狹縫陣列會(huì)改變擠壓工藝的性質(zhì)。最重要的是，在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的擠壓模中所存在的“快流”問題明顯得到改善。


參閱附圖將能進(jìn)一步地了解本發(fā)明，其中圖1是一立體圖，它示出了傳統(tǒng)蜂窩擠壓模的一部分橫截面；圖2是一立體圖，它示出了采用本發(fā)明的幾何形狹縫特征的蜂窩擠壓模的一部分橫截面；以及圖3示出了用于本發(fā)明的一典型幾何形表面特征的結(jié)構(gòu)。
詳細(xì)說明下面參閱附圖，圖1是一局部剖開的立體示意圖，它示出了現(xiàn)有技術(shù)中采用的用于陶瓷蜂窩的那種傳統(tǒng)蜂窩擠壓模的一部分。如圖所示，擠壓模10包括諸從模具的進(jìn)口面(未示出)朝上延伸的進(jìn)料孔13，通過這些孔13，將批量擠壓的材料送到送料孔/狹縫交叉口15，再從那兒進(jìn)入排出狹縫17。然后排出狹縫17將這批材料往上送到具有蜂窩結(jié)構(gòu)的模具的擠壓模排出面18。
從圖1中可以清楚地了解到，諸銷柱19的側(cè)表面限制或形成了諸排出狹縫17，是這些側(cè)表面形成了排出狹縫。形成狹縫壁的是這些銷柱19的側(cè)表面，所以，作為批材料的蜂窩形狀的壁是由模具擠出的。
圖2是一局部剖開的立體示意圖，它示出了本發(fā)明所采用的蜂窩擠壓模。在該圖中，擠壓模10a也包括從模具輸入口表面朝上延伸的送料孔13，這些送料孔13在模具的排出部分的基部與排出狹縫17相交。但在本發(fā)明的這個(gè)實(shí)施例中，構(gòu)成排出狹縫17的諸銷柱19a采用的側(cè)表面20包括幾何結(jié)構(gòu)的表面特征21，用于改變擠壓材料流過模具的流動(dòng)。在該實(shí)施例中，特征21是形成在銷柱20的選定側(cè)表面中的槽或凹槽，它們起到了把剪力引入擠壓材料中的作用，由此，可以采用這些凹槽多少可以阻礙一些擠壓材料流過銷柱表面。
為了描述說明本發(fā)明，“幾何結(jié)構(gòu)”特征是指一壓在蜂窩擠壓模的銷柱或狹縫表面上的具有預(yù)定尺寸和形狀的特征。這與用已有經(jīng)驗(yàn)機(jī)加工的擠壓模的那種狹縫通常隨機(jī)性表面變化是截然不同的。由于在排出狹縫中具有幾何結(jié)構(gòu)特征而將影響到批量處理的塑化材料中的材料流動(dòng)的改變不僅僅取決于這些特征的數(shù)量、尺寸和形狀，還取決于諸如擠壓材料的流變能力和所采用的擠壓速率的因素。但是，用于任何特定批量材料、蜂窩形狀、和/或擠壓工況的最佳特征的幾何形狀可方便地通過常規(guī)試驗(yàn)來確定。
對(duì)于目前在加工擠壓陶瓷中、尤其是擠壓陶瓷蜂窩中所遇到的那類批量流變能力，所嘗試的最有效的特征似乎是具有最大長度(平行于擠壓方向)或高度/深度(垂直于銷柱表面)尺寸的那些，高度/深度的尺寸大約與擠壓模的狹縫寬度尺寸相同，或在一個(gè)數(shù)量級(jí)內(nèi)，擠壓模的狹縫寬度一般在0.001-0.010英寸的范圍之內(nèi)。在該狹縫寬度范圍中，從平行于擠壓方向計(jì)量的一典型特征的長度范圍最好是狹縫寬度的100-200％。
在具有凹槽的表面特征的特定個(gè)案中，確定最佳特征的深度要考慮組成要擠壓的塑化粉末批量材料的粉末混合物中的最大顆粒尺寸。最佳凹槽深度通常要能足以接收和容納即使是批量材料中的最大粉末顆粒；對(duì)于一般的陶瓷批量材料，在0.002-0.005英寸范圍中的凹槽基本上足夠到達(dá)上述目的。當(dāng)然，較大的和/或較小的表面特征對(duì)于需要擠壓的其它批量材料的流變能力和/或成份的應(yīng)用也具有同樣的或較好的效用。
諸如附圖中的圖2所示的凹槽結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)超過突起結(jié)構(gòu)，其理由在于由批量材料接連批量材料的拖曳作用被認(rèn)為可發(fā)展成為改善材料的流動(dòng)；捕獲在凹槽中的批量材料會(huì)阻止或延遲橫過狹縫的相鄰批量材料的流動(dòng)。這類拖曳作用在擠壓模的使用壽命中相應(yīng)地保持不變，而從銷柱側(cè)表面突出的幾何特征將由于通常在這些模具所能見到的磨損作用而會(huì)有變化。在后面的情況中，特征的性能更有可能隨時(shí)間而改變。圖2特征結(jié)構(gòu)的性能的另一和有些意料之外的方面是槽僅僅在一組(例如水平)銷柱表面上，而在橫向的或垂直的銷柱表面上沒有，這方面沒有顯示出會(huì)以任何方式對(duì)蜂窩的整體性或單元壁的幾何形狀有不利影響。
圖3中示出了一用于凹槽類的幾何結(jié)構(gòu)的一個(gè)特定實(shí)施例的輪廓。圖3示出了一擠壓模銷柱區(qū)域的局部剖視圖，它是沿一垂直于排出狹縫17方向的平面截取兩相鄰銷柱19a而得的。在該實(shí)施例中，淚珠狀實(shí)體21被割成所選一對(duì)銷柱的兩相對(duì)側(cè)表面20，即在選定狹縫的兩側(cè)壁上。當(dāng)在一平行于材料流動(dòng)和垂直于銷柱側(cè)表面的平面中看過去時(shí)，淚珠狀的結(jié)構(gòu)形成了槽的橫截面。特征的加工包括繞狹縫的中心線形成成鏡象的淚珠形狀。
這類淚珠形凹槽或凹部可通過在模具中進(jìn)行EDM線切割而形成，其中狹縫已預(yù)制?；蛘?，用現(xiàn)有技術(shù)中已知的方法將具有這種特定特征結(jié)構(gòu)的銷柱設(shè)定在預(yù)鉆孔的模具基座上。淚珠特征的形狀具有當(dāng)沿圖3中的箭頭D的方向進(jìn)行擠壓時(shí)、在擠壓之初容易充滿材料的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，該特征形狀能夠在隨后的擠壓過程中保持一靜態(tài)的批量材料的袋穴，用于形成一相當(dāng)恒定的剪力。
在排出狹縫內(nèi)的特征的深度部位未顯出對(duì)特征性能有大的作用。對(duì)于圖3所示類的、但位于距離模具排出表面的5倍、9.5倍和14倍狹縫寬度的凹槽特征的試驗(yàn)顯示出具有大約等效的擠壓性能。因此，狹縫中特征的精確部位可根據(jù)其它諸如銷柱摩損速率的條件來選擇，從銷柱磨損率考慮應(yīng)使特征位置與銷柱基部相比更接近排出表面。
選擇什么樣的方法在銷柱側(cè)表面形成特征要取決于特征結(jié)構(gòu)和所定的位置。對(duì)于諸如附圖中所示的凹槽特征的情況，EDM機(jī)加工構(gòu)成一有效的途徑，在銷柱側(cè)表面沿選定狹縫的總長形成尺寸和形狀都受到控制的槽。在下面的例子中示出了這樣一種機(jī)加工技術(shù)的專門例子，該例子僅僅用于對(duì)本發(fā)明舉例說明，而不是限制本發(fā)明的。
例子首先選擇擠壓諸如圖1所示的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的鋼蜂窩擠壓模。所選的模具是為蜂窩橫截面上每平方英寸具有約400個(gè)直角通道的正方單元蜂窩體而設(shè)計(jì)的。在模具排出表面的每一排出狹縫的狹縫寬約0.007英寸，狹縫深約為0.100英寸。
為了在該模具排出部分的銷柱側(cè)表面上形成凹槽特征，將模具放置在EDM線切割機(jī)的拖板上，將直徑為0.004英寸的EDM線安裝在機(jī)器中，以進(jìn)行線切割。然后在形成排出部分的諸狹縫的諸列銷柱的側(cè)面開始切割槽。
在模具所有狹縫中的相對(duì)的銷柱側(cè)表面上，即在排出的輸出陣列中的每一銷柱的四個(gè)側(cè)面，切割出淚珠形的槽。槽的輪廓基本上如圖3所示。
各槽的最大深度約0.002英寸，槽約位于模具排出表面狹縫開口下面約0.036英寸處。對(duì)有關(guān)潛在的擠壓問題，諸如狹縫寬度微小的偶然改變或類似的在傳統(tǒng)的狹縫加工中見到那類狹縫表面光潔度的微小變化的其它狹縫缺陷未加修正。
用含有在水載體中與有機(jī)黏合劑混合的粘土、云母和鋁的塑化陶瓷批量材料進(jìn)行擠壓試驗(yàn)來評(píng)價(jià)該模具的擠壓性能。最初觀察到的是，與具有光滑狹縫的傳統(tǒng)模具相比，通過模具的流動(dòng)阻抗略微增加。盡管阻抗增加，但隨著擠壓試驗(yàn)的繼續(xù)，證明了由這種模具加工的蜂窩中的“快流”產(chǎn)品缺陷有了顯著的下降。
最好找出模具使用壽命來量化產(chǎn)品缺陷下降的程度，如用由此生產(chǎn)的可接收的無缺陷擠壓蜂窩產(chǎn)品的體積來計(jì)量，該使用壽命是傳統(tǒng)狹縫蜂窩模具或者類似結(jié)構(gòu)的使用壽命的2至3倍。因此，除了有關(guān)“快流”缺陷的直接下降之外，由于對(duì)常規(guī)體積(一定體積)的產(chǎn)品進(jìn)行擠壓所需的模具數(shù)量大為減少，所以單位蜂窩制造成本也下降了許多。
權(quán)利要求
1.一種蜂窩擠壓模，它包括一具有一輸入表面的模具體、一與輸入表面相對(duì)的排出表面、多個(gè)從輸入表面延伸到模具體的送料孔和從排出表面延伸到模具體與送料孔相連的排出狹縫的交叉陣列，這些排出狹縫的交叉陣列是由多個(gè)被狹縫所限定的和從排出表面延伸到模具體中的銷柱的諸側(cè)表面所形成，其中，銷柱側(cè)表面中的至少一部分采用至少一個(gè)幾何結(jié)構(gòu)的、宏觀的、改變流動(dòng)的表面中斷部。
2.如權(quán)利要求1所述的蜂窩擠壓模，其特征在于，表面中斷部是一表面突起或表面凹槽。
3.如權(quán)利要求2所述的蜂窩擠壓模，其特征在于，表面中斷部有一長度、等于或在模具狹縫寬度尺寸的數(shù)量級(jí)內(nèi)的高度或深度的最大尺寸。
4.如權(quán)利要求2所述的蜂窩擠壓模，其特征在于，表面中斷部是一表面凹槽。
5.如權(quán)利要求4所述的蜂窩擠壓模，其特征在于，表面凹槽是一平行于排出表面延伸的表面槽。
6.如權(quán)利要求5所述的蜂窩擠壓模，其特征在于，所述槽沿模具擠出方向跨越的尺寸在狹縫寬度的100-200％范圍內(nèi)。
7.如權(quán)利要求5所述的蜂窩擠壓模，其特征在于，槽的深度在約0.002-0.005英寸的范圍內(nèi)。
8.如權(quán)利要求5所述的蜂窩擠壓模，其特征在于，槽在一平行于材料流動(dòng)方向和垂直于銷柱側(cè)表面的平面中的橫截面形狀為淚珠狀。
9.一種將塑化批材料加工成蜂窩形狀的方法，它包括迫使批材料進(jìn)入在蜂窩擠壓模的輸入表面中的送料孔陣列中，然后使它們從一在模具排出表面上的排出狹縫交叉陣列流過模具，以蜂窩形狀排出，諸排出狹縫由終止在排出表面的銷柱陣列的側(cè)表面所形成，改進(jìn)之處在于，設(shè)置在銷柱側(cè)表面至少一部分上的一個(gè)或一個(gè)以上的幾何結(jié)構(gòu)的、宏觀的、改變流動(dòng)的表面中斷部改變了材料經(jīng)過排出狹縫的流動(dòng)。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，用在諸銷柱側(cè)表面中的表面突起或表面凹槽改變材料經(jīng)過排出狹縫的流動(dòng)。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，表面突起或表面凹槽有一長度、等于或在模具狹縫寬度尺寸的數(shù)量級(jí)內(nèi)的高度或深度的最大尺寸。
12.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，材料的流動(dòng)被表面凹槽所改變。
13.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，表面凹槽是一平行于排出表面延伸的表面槽。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述槽在模具擠出方向的尺寸在狹縫寬度的100-200％范圍內(nèi)。
15.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，槽的深度在約0.002-0.005英寸的范圍內(nèi)。
16.如權(quán)利要求13所述的蜂窩擠壓模，其特征在于，槽在一平行于材料流動(dòng)方向和垂直于銷柱側(cè)表面的平面中的橫截面形狀為淚珠狀。
全文摘要
一種蜂窩擠壓模(10A),它包括一具有一輸入表面的模具體、一與輸入表面相對(duì)的排出表面、多個(gè)從輸入表面延伸到模具體的送料孔(13)和從排出表面延伸到模具體與送料孔(13)相連的排出狹縫(17)的交叉陣列,這些排出狹縫(17)的交叉陣列是由多個(gè)被狹縫(17)所限定的和從排出表面延伸到模具體中的銷柱(19A)的諸側(cè)表面(20)所形成,其中,銷柱(19A)側(cè)表面(20)中的至少一部分采用至少一個(gè)幾何結(jié)構(gòu)的改變流動(dòng)的表面中斷部(21)。
文檔編號(hào)B29C47/20GK1274313SQ98809928
公開日2000年11月22日 申請(qǐng)日期1998年9月25日 優(yōu)先權(quán)日1997年10月17日
發(fā)明者M·A·沙爾基 申請(qǐng)人:康寧股份有限公司