用于挤出塑化粉末状材料的方法(多种变形例)及实施该方法的装置(多种变形例)

摘要

本发明涉及通过挤出方式制造长的、压紧的粉末状坯料的领域。本发明的技术效果是增加制品的密度和均质性。所述用于挤出塑化粉末状材料的方法包括：从材料形成部分坯料；强迫所述部分坯料沿挤出轴通过具有可变截面的变形通道。由于材料被强行通过变形通道，其同时经受相反符号的环形拉出、剪切和扭转应变，作为垂直于挤出轴并以反相方式形成的两个相反符号的环形压紧应力产生的结果。这些压紧应变中的一个的最大增量被设定给在穿过挤出轴的平面中的材料。这些压紧应变的第二个的最大增量被设定为在形变通道的入口和出口处垂直于穿过挤出轴的平面。由于材料被强迫通过变形通道，第二个压紧应变的最大增量的方向通过根据任意平滑周期函数围绕通道轴扭转而进行改变，所述平滑周期函数的周期等于变形通道的长度，并且范围为15～75°。

说明书

技术领域

本技术方案涉及由粉末制造长的、压紧的坯料的领域，特别 是涉及用于挤出塑化和塑胶粉末状材料的方法和装置。

背景技术

公知用于挤出塑化粉末状材料的方法包括：挤压起始坯料， 然后强迫其通过包含一部分或多部分可变截面的变形通道，在所 述部分的每一部分中被强迫的材料沿垂直于拉出方向的方向经受 两个相互垂直的设定变形，并且相对于先前的设定方向，在每个 接下来的部分的变形方向以30～90°的角度而改变(RU专利 2272707C2，Int.Cl.B28B3/26，2004)。该方法主要用于由塑化 陶瓷粉末制造长的制品。

公知用于实施上述方法的装置包括：挤出机、具有由一个或 多个突起部分构成的工作通道的变形元件、以及成型模具，在这 种情况下，位于与其轴垂直的平面的每个突起部分的通道截面的 形状在通道出口方向通过复杂形状的过渡截面而被接连地改变， 而得到具有与通道入口的圆形的直径相同的直径的圆形形状，所 述工作通道的每个突起部分的表面由两对波状表面相对于工作通 道轴以反相、对称的方式形成并且平滑地从一个过渡到另一个， 对于这些表面中的每一对，从通道表面到其轴的距离的最大增量 位于穿过工作通道轴的两个相互垂直的平面中(RU专利2272707 C2，Int.Cl.B28B3/26，2004)。

公知的技术方案显示的缺陷涉及其有限的用途，由于它提供 所需的用于螺旋挤压机的压紧坯料的质量具有不超过螺旋工作通 道直径的0.5倍的螺旋“主体”直径。这种挤压机广泛用于由塑化 进料制得的塑模制品，该塑化进料的变形不需要超过4MPa的压 力。对于用于塑模制品而需要高至10～50MPa的压力的材料，这 种处理压紧材料的方法不提供坯料中心区域的变形处理的充分程 度，这是因为对于挤出这些材料，使用具有高至按压通道的直径 的0.8倍的螺栓主体直径的挤压机。为了在坯料的中心区域压紧材 料，使用这种挤压机需要从技术上来说是不容易实现的明显高程 度的拉出材料，或者该公知的方案无法提供其额外变形的这种程 度和工序。对于具有相同工作参数的挤压机，使用公知的技术方 案不能使人们获得挤出的粉末的高质量材料(在坯料的截面观察 到相当高密度的梯度和在其中心区域观察到高的残余孔隙)。另 外，该公知技术方案在坯料的截面产生高各向异性的材料特性。

发明内容

因此，本发明的目的在于获得高密度、均匀变形的材料以及 增加由压紧坯料制造的制品的机械特性水平。

本发明的技术效果是增加了挤出材料的密度、同质性以及机 械特性，该效果归功于在挤出工序中，在材料内产生的拉出、剪 切、扭转的相反符号的环形变形以及垂直于拉出轴的相反符号的 环形设定变形的结合。

上述限定的目标的实现归功于这样的事实：在根据第一种变 形例的用于挤出塑化粉末状材料的方法中，包括：从所述材料挤 压起始坯料，强迫所述材料沿挤出轴通过具有可变截面的变形通 道；被强迫通过变形通道的材料经受相反符号的环形拉出变形并 经受垂直于挤出轴且反相作用的两个相反符号的环形设定变形， 根据本发明，为了在材料中产生环形的相反符号的剪切和扭转变 形，这些设定变形中的一个的最大增量被分配给在穿过挤出轴的 平面中的材料，并且位于形变通道的入口和出口的这些变形中的 第二个垂直于所述平面，在强迫材料通过变形通道的工序中所述 设定的最大增量的方向通过根据任意平滑周期函数围绕通道轴扭 转而进行改变，所述平滑周期函数的周期等于变形通道的长度， 并且范围为15～75°。

上述限定的目标的实现也归功于这样的事实：在根据第二种 变形例的用于挤出塑化粉末状材料的方法中，包括：从所述材料 挤压起始坯料，强迫所述材料沿挤出轴通过具有多个可变截面部 分的变形通道；被强迫通过变形通道的材料经受相反符号的环形 拉出变形并经受垂直于挤出轴且反相作用的两个相反符号的环形 设定变形，根据本发明，为了在材料中产生环形的相反符号的剪 切和扭转变形，这些设定变形中的一个的最大增量被分配给在穿 过挤出轴的平面中的材料，并且位于形变通道的入口和出口的这 些变形中的第二个垂直于所述平面，在强迫材料通过变形通道的 工序中所述设定的最大增量的方向通过根据任意平滑周期函数围 绕通道的轴扭转而进行改变，所述平滑周期函数的周期等于变形 通道的相应部分的长度，并且范围为15～75°；在这种情况下，在 变形通道的每个接下来的部分中，其中这些变形中的第一个具有 最大增量的平面相对于前一部分的相似平面围绕挤出轴扭转 30～90°。

上述限定的目标的实现也归功于这样的事实：在第一种变形 例的用于挤出塑化粉末状材料的装置中，包括：挤出机、具有工 作通道的变形元件以及成型模具。根据本发明，工作通道的突起 表面由两对波状表面相对于工作通道轴以反相、对称的方式形成， 并且平滑地从一个过渡到另一个；对于这些表面中的一对，从通 道表面到其轴的距离的最大增量位于穿过所述通道轴的平面，而 在另一对中，这样的最大增量位于突起表面上，所述突起表面的 母线沿通道轴的整个长度垂直于通道轴并且在变形元件的入口和 出口处垂直于所述平面，这些母线围绕轴的扭转角度由平滑周期 函数的周期表示，并具有范围17～75°。

上述限定的目标的实现也归功于这样的事实：在第二种变形 例的用于挤出塑化粉末状材料的装置中，包括：挤出机、具有工 作通道的变形元件以及成型模具，所述工作通道设置有多个同轴 设置的突起部分。根据本发明，工作通道的每个突起部分的表面 由两对波状表面相对于工作通道轴以反相、对称的方式形成，并 且平滑地从一个过渡到另一个；对于这些表面中的一对，从通道 表面到其轴的距离的最大增量位于穿过所述通道轴的平面，而对 于另一对，这样的最大增量位于突起表面上，所述突起表面的母 线沿通道轴的整个长度垂直于通道轴并且在每个突起部分的入口 和出口处垂直于所述平面，这些母线围绕轴的扭转角度由平滑周 期函数的周期表示，并具有范围17～75°，工作通道的突起部分被 设置为：在变形通道的每个接下来的部分中，其中波状表面的第 一对具有从通道表面到其轴的最大增量的距离的平面相对于前一 部分的相似平面围绕变形通道轴扭转30～90°。

本发明的构思在于通过相反符号的环形拉出变形和垂直于挤 出轴且反相作用的两个相反符号的环形设定变形而对于受迫材料 进行同步作用，其中，根据本发明，这些变形中的一个的最大增 量被分配给穿过挤出轴的平面中的材料，并且对于这些变形中的 第二个，在变形通道(或其部分)的入口和出口部分垂直于所述 平面，所述设定的最大增量的方向在强迫材料通过变形通道(或 其部分)的工序中，通过根据任意平滑周期函数围绕通道轴扭转 而进行改变，所述任意平滑周期函数的周期等于形变通道的长度， 范围等于15～75°，其构建材料环形相反符号的剪切和扭转应力。

在此情况下，通过变形处理材料的区域可以常规地分为两部 分。在该区域的第一部分，坯料的截面面积减少10～40％，且材料 需要纵向拉出变形。在该变形处理区域的第二部分，坯料的截面 面积增至起始值，在该区域，材料经受纵向设定变形，即，沿着 轴压紧。这种作用能够施行相反符号的拉出变形。

另外，材料接连地经受垂直于拉出轴的两种设定变形。在材 料变形处理的区域的第一部分，这些变形中的一个的最大增量方 向通过根据平滑周期函数沿工作通道长度围绕通道轴扭转变形方 向而改变，所述平滑周期函数的周期等于变形通道的长度，角度 为15～75°，其同时表示所述平滑周期函数的范围。在此情况下， 从压紧(设定)变形中得到的垂直于拉出轴的材料的最大膨胀发 生在穿过挤出轴且垂直于在此部分设定的最初方向的平面。材料 的相反符号的压紧变形与膨胀变形的结合保持它们的方向，构成 额外的剪切和扭转变形，该剪切和扭转变形的值取决于压紧(设 定)变形的方向的偏离角度的值。

在第二部分，沿垂直于拉出轴方向的材料压紧(设定)变形 在穿过挤出轴的平面中得到最大值，并且其中，材料的膨胀在第 一部分得到控制，这部分的最大膨胀沿垂直于拉出轴的方向被赋 予至被压紧的材料，并且，所述方向沿整个长度围绕拉出轴扭转 的角度根据平滑周期函数的周期的第二半而被分配，其在从区域 的第一部分穿过至第二部分时达到其振幅值。因此，在第二部分 的开始处，材料膨胀的最大增量的方向以15～75°角度穿过压紧方 向，且在第二部分的端部垂直于压紧方向，其在与第一部分的所 述变形的方向相反的方向产生了材料的剪切和扭转变形。

这样的变形作用的结合提供了已处理材料的结构的增强的均 质性、其较低的孔隙率以及从所述压紧坯料制造的制品的机械特 性的改进。

工作通道的结构特殊性(根据第二变形例，将工作通道或工 作通道的一部分的突起表面构建为由两对波状表面相对于工作通 道轴以反相、对称的方式形成，并且平滑地从一个过渡到另一个； 对于第一对所述表面，从通道表面到其轴的距离的最大增量位于 穿过所述通道轴的平面，而对于第二对所述表面，这样的最大增 量位于突起表面上，所述突起表面的母线沿通道轴的长度垂直于 通道轴并且在变形元件的入口和出口处垂直于其通道的轴，该母 线围绕轴的扭转角度由平滑周期函数的周期表示，并具有范围 17～75°)能够使人们施行相反符号的环形拉出、剪切和扭转变形， 以及受迫材料沿垂直于轴的方向的相反符号的环形设定变形，结 果是在制品的整个体积内形成具有均匀密度的高密度材料。由此， 变形元件的工作表面的这种结构能够使人们对受迫材料高效地施 行上述的结合的环形相反符号的变形。

在用于实施第二种变形例方法的第二种变形例装置中的变形 元件包括以相似方式制造的具有突起表面的多个共轴设置的部 分，每个接下来的部分相对于前一部分围绕工作通道轴扭转 30～90°，对该变形元件的使用使人们能够一再重复通过变形处理 材料的方法，并增加其密度和机械特性的均质性。

该构建用于挤出塑化和塑胶粉末状材料的装置的变形例提供 了控制被挤压材料的特性和结构的可能性，因而有助于获得由受 挤压坯料制造的制品的应用的较高水平的特征(特性)。

因此，本发明所述方法和装置的特征的结合旨在于改进经受 所述变形的材料的结构均质性以及改进由受挤压坯料获得的制品 的质量。

附图说明

本发明的这些内容通过下述附图进行解释。

图1表示根据第一变形例的本发明装置的示意图；

图2表示具有一个突起部分的变形元件的工作通道(沿轴测) 的视图；

图3表示具有一个突起部分的变形元件的轴向截面图；

图4表示如图3所示的、在工作通道内的突起部分的空腔沿 工作通道的截面结构改变的示意图；

图5表示由多个部分构成的变形元件形成工作通道的多个突 起部分(根据装置的第二变形例)；

图6表示根据公知的方法和装置制造的由粉末的超高分子聚 乙烯(SHMPE)制造的长的坯料的截面图；

图7表示根据本发明的方法和装置制造的相似坯料的截面图；

图8表示根据公知的方法和装置获得的陶瓷材料；

图9表示根据本发明的方法和装置获得的陶瓷材料。

具体实施方式

用于挤出塑化粉末状材料的装置(图1)包括：挤出机1，具 有工作(提供变形)通道3的变形元件2，以及成型模具4。另外， 变形元件2的工作通道3具有一个(图1)或多个(图5)突起部 分。工作通道3的每个突起部分的表面由两对波状表面5、6相对 于工作通道3的轴以反相、对称的方式构成，并且平滑地从一个 过渡到另一个。在此情况下，对于这些表面中的一对，从通道3 表面到其轴的距离的最大增量位于穿过所述通道轴的平面7，而在 另一对中，这样的最大增量位于突起表面上，所述突起表面的母 线8沿通道轴的整个长度垂直于通道3的轴并且在变形元件2的 入口和出口处也垂直于穿过所述通道3的轴的平面7。在此情况 下，这些母线围绕轴的扭转角度由平滑周期函数的周期表示，并 具有范围17～75°。在此情况下，沿工作通道3的长度，所述母线 8的方向改变并且其围绕通道3的轴的扭转角度由平滑周期函数 表示，该平滑周期函数的周期等于通道3的长度(或者等于第二 变形例的通道部分的长度)，范围等于15～75°。

根据实施本装置的第二种变形例(参见图5)，变形元件2包 括多个部分9，形成工作变形通道3的共轴部分。所述部分9围绕 其轴相互扭转，工作通道的突起部分按以下方式设置：其中第一 对波状表面具有从通道表面到其轴的距离的最大增量的平面相对 于前一部分的相似平面围绕变形通道的轴扭转30～90°。

用于挤出塑化材料的本发明装置的运行如下。螺旋挤压机(图 中未示出)将待处理材料的整体供给至变形元件2以强迫其通过 工作(变形)通道3。

在垂直于工作通道3的每个截面，由通道3的表面限定的空 腔具有与邻近截面不同结构的形状。由于强迫进入通道的物质填 充了工作通道3的整个体积，其沿通道轴的移动导致了其截面的 形状和面积的改变。由此，工作通道3截面的形状和面积的变化 从圆形到凸凹形状，反之亦然，使人们能够仅通过沿其轴推动该 物质使其经受设定的两个相反符号的相移的环形变形、以及经受 相反符号的拉出、剪切和扭转变形。

另外，在工作通道的第一部分(或根据第二变形例的工作通 道3的每个突起变形部分)，截面轮廓的凸起部分增加了它们的尺 寸并且当沿通道3移动时，围绕通道轴根据平滑周期函数扭转， 所述平滑周期函数的范围为15～75°，周期为该部分的长度，分配 材料压紧(设定)的方向，而在第二部分，它们回到原始形状且 回到起始位置(图3、图4)。在变形区域的第一部分，在压紧过 程中，物质垂直于通道3的轴的最大膨胀由通道3表面与穿过通 道轴的平面7的交叉形成的轮廓所限定。这种改变设定方向和改 变穿过通道轴的平面的固定位置的结合，以及物质中心位置相对 于该平面的改变，导致位于由截面的凹形轮廓所限定的区域内的 材料层相对于沿该平面的相互各方的运动，以及被挤出物质从截 面到截面围绕通道3的轴的扭转。在此情况下，所述材料在被挤 出坯料的中心区域经受剪切和扭转变形的最大值。

截面轮廓的两个凹形部件的形状相对于该平面7从对称的形 状转变为实质上不对称的形状，导致位于这些区域的材料的那些 体积的剪切和扭转变形。变形通道3的第二部分中发生了截面的 凸起元件的尺寸降低、它们之间的距离增大以及它们返回到垂直 于上述纵向平面7的起始位置。在此情况下，从通道3表面到其 轴的距离在该平面减小且要求在变形通道3的出口为圆形形状， 这在变形区域的第二部分导致了沿该平面7的材料的最大压紧， 其中在其第一部分观察到材料的最大膨胀，由所述压紧变形而获 得的材料膨胀度通过截面的凸起元件的尺寸、形状和位置的改变 而被分配。最后，材料在新的方向经受压紧变形，凸起元件的截 面的起始结构的恢复控制了材料的膨胀并导致材料物质的与那些 在变形通道3的每个突起部分的第一部分的剪切和扭转变形方向 相反的剪切和扭转变形。

用于从塑化物质和塑胶粉末状材料制造长的制品的公开的技 术方案(用于挤出塑化物质和塑胶粉末状材料的方法的两个变形 例以及用于实施所述方法的装置的两个变形例)的使用使我们能 够显著增加所制造制品的结构密度和均质性以及机械特性的水 平。特别地，使用本发明技术方案从沥青焦(coke-pitchy)组合物制 造的被挤出坯料的中心区域的孔隙率不超过0.5～1％(相较于从由 公知的技术方案制造的坯料观察到的10～20％孔隙率)。另外，我 们成功地完全消除了所获材料的围绕坯料截面的任何结构的不均 匀性，即使负担包含2～10μm的分散体的焦炭粉末和颗粒大小高 至500μm的沥青焦。由所述材料拉出而成的模制坯料的机械特性 水平就平均而言为2～3倍高。当挤出SHMPE粉末时也达到相似的 结果。图6、图7示出了这样的坯料的截面。如图8、图9所示， 使用本发明技术方案使我们能够降低由塑化陶瓷物质制成的挤出 坯料的截面的结构孔隙率，并防止坯料的整个体积的材料的任何 密度的不同。

使用本技术方案从SHMPE粉末和从碳和陶瓷材料的塑化粉 末制造制品使我们能够获得实际上无孔和结构均质大型挤出坯 料，即使拉出程度大约为2。

因此，本发明技术方案的应用使得能够获得预定技术效果， 即，增加由塑化粉末制成的长的变形坯料的结构密度和均质性， 并增加从所述挤出坯料获得的制品的机械特性水平和其它操作特 性。

本技术方案也能成功地用于由其它粉末状材料制造长的大型 的制品。