CN100544919C - 表面具有低粘附性能的模具 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及建筑材料模具制造业，特别是涉及用于建筑墙体材料及陶瓷生产领域的表面具有低粘附性能的模具。它由基体(1)、气体分配室(2)、进气孔(3)组成，所说的基体(1)上设有气体分配室(2)，气体分配室(2)上设有进气孔(3)，基体(1)的工作表面呈点阵式分布有孔形非光滑单元体，所有孔形非光滑单元体与气体分配室(2)相通。本发明通过分布在模具表面的单元体的几何形态设计，可以减小模具工作面的水膜连续，提高其抗粘附性能；同时通过调节气体注入时间与压力，在模具工作面上形成润滑层，降低粘附面积，减小大气负压。抗粘附性能与相同基体材料的光滑表面模具相比，提高20%～50%，工作效率提高10%～30%。
Description
技术领域
本发明涉及建筑材料模具制造业，特别是涉及用于建筑墙体材料及陶瓷生产领域的表面具有低粘附性能的模具。
背景技术
随着国民经济建设规模的不断扩大和人民生活水平的不断提高，对建筑墙体材料和建筑陶瓷的需求量不断增加，对其产品质量和功能的要求也愈来愈高，使我国的建筑墙体材料和建筑用陶瓷工业获得了突飞猛进的发展。据统计，2005年全国有10万个砖瓦企业，产量为8000亿块，煤耗6400万吨，电耗200亿度。其中大部分企业采用塑性成性和干压成型为主要坯体成型工艺，其工艺简便易行，但这两种成型工艺最主要的问题是如何减少泥料与模具工作面间的严重粘附以提高成品率。每年因模具与泥料间的过度粘附而导致大量废品产出，严重影响生产同时也消耗了大量能源。因此迫切需要一种新设备或方法改善模具与泥料间界面的粘附，以完善现有工艺。
在泥料成形时，粘土与模具工作面相互接触形成一个粘附系统，该系统由粘土、模具表面及界面三部分组成。与此相对应的影响粘土粘附行为的因素，包括粘土性质与性能、模具表面性质和系统环境。影响粘土粘附的粘土性质和性能有，粘土的矿物结构、颗粒尺寸分布及含水量等。理论上，粘土与模具表面间的粘附力，主要来源于接触界面水环或水膜连续所引起的毛细管压力和粘滞力。因此模具工作面的性质、界面环境和粘土含水量是影响粘土与模具粘附的主要因素之一。在国内外，如何改善泥料与模具间的粘附力一直是研究者最关心的课题之一。近年来随着人们对建筑墙体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、对模具工作面碱性加热或涂抹润滑剂等，但制作工艺复杂，生产效率降低，成本也相应比以前有所提高，因此迫切需要一种简便易行的新技术解决泥料粘附问题。近几年，仿生工程学的迅速发展为解决这一问题提供了一条崭新的途径。
仿生是未来新材料设计和制造的潜在的最有效途径。生物体结构经过20亿年物竟天择的优化，几乎是完美无缺的。通过对生物体表非光滑形态理论的研究，导致仿生非光滑表面新型制动材料设计思想的形成。
本发明通过研究动植物体表的非光滑结构所具有的减粘附功能为模具减粘降阻理论与技术研究提供了仿生学基础。在运用仿生学原理的基础上，开发出具有仿生非光滑表面和气体减粘的新型模具。制备出的仿生表面是在光滑模具表面加工具有减粘脱附功能的非光滑单元体，这些单元体或规则或随机分布并具有特殊的几何形状和大小。气体减粘是在模具工作时通过单元体向泥料与模具工作界面注入气体，以进一步提高减粘脱附性能。实验表明，该新型模具可显著提高模具工作表面的抗粘附性能。
发明内容
本发明的目的是为了解决模具与泥料的粘附严重这一问题，可以显著提高模具工作面的抗粘附性能，通过仿生非光滑表面改性处理设计出一种表面具有低粘附性能的模具。
本发明通过研究动植物体表的非光滑结构所具有的减粘附功能为模具减粘降阻理论与技术研究提供了仿生学基础。在运用仿生学原理的基础上，开发出具有仿生非光滑表面和气体减粘的新型模具。制备出的仿生表面是在光滑模具表面加工具有减粘脱附功能的非光滑单元体，这些单元体或规则或随机分布并具有特殊的几何形状和大小。气体减粘是在模具工作时通过单元体向泥料与模具工作界面注入气体，以进一步提高减粘脱附性能。实验表明，该新型模具可显著提高模具工作表面的抗粘附性能。
本发明的上述目的是这样实现的：由计算机设计出模具表面上的非光滑单元体形态尺寸和分布规律，非光滑几何单元体可以是圆柱形孔或圆台形孔，其分布可以是均匀或随机的。通过机械、激光等加工方法，在模具表面加工出具有一定几何形状、尺寸及分布规律的非光滑单元体。单元体的形态、尺寸及分布规律对提高模具表面抗粘附性能有重要作用，通过对各参数的优化设计最终得到具有高抗粘附性能的仿生非光滑表面形态。同时在工作时，通过进气孔、空气分配室、单元体向泥料与模具工作界面间连续注入气体，可选择不同供气种类和压强以进一步提高模具的减粘脱附性能，从而形成一种表面具有低粘附性能的新型模具。
本发明的具体技术方案结合附图说明如下：
一种表面具有低粘附性能的模具，它由基体1、气体分配室2、进气孔3组成，所说的基体1上设有气体分配室2，气体分配室2上设有进气孔3，基体1的工作表面呈点阵式分布有孔形非光滑单元体，所有孔形非光滑单元体与气体分配室2相通。
所述的孔形非光滑单元体为圆柱形孔或圆台形孔，其上、下底面直径为0.5～4.5mm，单元体间中心距为5～40mm。
通过进气孔、气体分配室、单元体向泥料与模具工作界面间注入的气体可以是连续或间断的，所述的气体可以是空气或氮气，其压强为0～10×105Pa。
所说的注入的气体可以是连续的指：模具开始工作(即压缩工作开始)至工作结束(即脱模工作结束)的过程中连续性的注入气体；注入的气体可以是间断的指：模具开始工作至工作结束的过程中采用不同的供气时间及时间间隔间断性的注入气体，每次供气时间为5～50s，供气时间间隔为10～30s。
根据仿生学的基本原理可知，非光滑模具工作表面上仿生形态及其分布规律使模具与泥料接触界面存在大量微隙，使得实际接触面积减小，水膜连续性受到破坏，减少泥料对模具工作面的粘附。气体减粘使得模具工作面与泥料界面间形成一层空气膜，进一步破坏了界面间水膜的连续性，降低界面大气负压及，减小模具工作面与泥料的接触面积，从而使模具表面的减粘脱附性能提高。因此，以仿生学理论为基础所研制的表面具有低粘附性能的模具可以保证其工作面的抗粘附性明显提高。
本发明制造的新型模具的有益效果是：仿生非光滑表面及气体减粘功能可以显著提高模具工作面的抗粘附性能，与泥料表面不易发生严重粘着，制品加工表面质量良好。废品率明显降低，生产效率大幅度提高。该技术个性化特点强，可以针对不同的要求，选用不同形态、尺寸、分布规律的非光滑仿生图案及不同气体种类和压强，从而获得不同的性能。本发明同时具有加工简单，性能可靠，成本低、性能价格比高等优点。
本发明制造的模具可达到的性能指标为：其与泥料间粘附力和具有相同基体材料的光滑表面模具比较，降低20～50％，生产成本提高1～5.5％，生产效率提高10～30％，抗粘附性能有较大幅度的提高。
附图说明：
图1是本发明的示意图。
图2(a)是本发明的横断面示意图(为圆柱形孔)。
图2(b)是本发明的横断面示意图(为圆台形孔)。
图3是本发明的工作面示意图。
图4(a)、图4(b)是不同含水量对粘附的影响(单元体直径：2mm；单元体间距：25mm；气体压强：0Pa)。
图5是不同载荷对粘附的影响(单元体直径：3mm；单元体间距：10mm；含水量：20％；气体压强：0Pa)。
图6是模具表面不同单元体间距对粘附的影响(单元体直径：1mm；载荷：1000N；含水量：18％；气体压强：0Pa)。
图7是模具表面不同单元体直径对粘附的影响(单元体间距：5mm；载荷：1600N；含水量：22％；气体压强：0Pa)。
图8是供气时，不同单元体直径对粘附的影响(单元体间距：10mm；载荷：1400N；含水量：22％；连续性供气；气体压强：1.0×105Pa)。
图9是不同气体压强对粘附的影响(单元体直径：2.5mm；单元体间距：10mm；载荷：1200N；含水量：22％；间断性供气；供气时间为5s；时间间隔为10s)。
具体实施方式
以下结合附图给出的实施例对本发明——表面具有低粘附性能的模具作进一步详细说明。
实施例1
制造建筑用实心砖。
泥料含水量为18～20％，成型压强为15×105Pa，成型尺寸为240×115×53。
参照图2(A)用机械加工在模具表面加工成圆孔型非光滑表面，非光滑单元体直径为4.5mm，单元体中心距为40mm。供气压强为0Pa。加工后，经测试采用仿生非光滑表面和气体减粘的模具与泥料间的粘附力比相同基材的光滑表面模具降低25％，而处理仿生非光滑表面及注入气体的成本仅提高1％。
实施例2
制造陶瓷墙面砖。
泥料含水量为20～22％，成型压强为10×105Pa，成型尺寸为30×30。
参照图2(A)用激光加工在模具表面加工成圆孔型非光滑表面，非光滑单元体直径为0.5mm，单元体间中心距为5mm。供气压强为0Pa。加工后，经测试采用仿生非光滑表面和气体减粘的模具与泥料间的粘附力比相同基材的光滑表面模具降低20％，而处理仿生非光滑表面及注入气体的成本仅提高1.5％。
实施例3
制造瓷质砖。
泥料含水量为16～18％，成型压强为10×105Pa，成型尺寸为1000×1000。
参照图2(A)用机械加工在模具表面加工成圆孔型非光滑表面，非光滑单元体直径为4.5mm，单元体中心距为40mm。采用连续性供气方式，注入气体为氮气，供气压强为10×105Pa。加工后，经测试采用仿生非光滑表面和气体减粘的模具与泥料间的粘附力比相同基材的光滑表面模具降低47％，而处理仿生非光滑表面及注入气体的成本仅提高3.5％。
实施例4
制造陶瓷墙面砖。
泥料含水量为18～22％，成型压强为7×105Pa，成型尺寸为50×50。
参照图2(A)用激光加工在模具表面加工成圆孔型非光滑表面，非光滑单元体直径为0.5mm，单元体间中心距为5mm。采用连续性供气方式，注入气体为空气，供气压强为10×105Pa。加工后，经测试采用仿生非光滑表面和气体减粘的模具与泥料间的粘附力比相同基材的光滑表面模具降低40％，而处理仿生非光滑表面及注入气体的成本仅提高3％。
实施例5
制造陶瓷地砖。
泥料含水量为18～22％，成型压强为15×105Pa，成型尺寸为500×500。
参照图2(A)用机械加工在模具表面加工成圆孔型非光滑表面，非光滑单元体直径为4.5mm，单元体间中心距为40mm。采用间断性供气方式，注入气体为空气，供气时间为5s，时间间隔为10s，供气压强为10×105Pa。加工后，经测试采用仿生非光滑表面和气体减粘的模具与泥料间的粘附力比相同基材的光滑表面模具降低35％，而处理仿生非光滑表面及注入气体的成本仅提高4.5％。
实施例6
制造建筑用单孔承重空心砖。
泥料含水量为14～16％，成型压强为10×105Pa，成型尺寸为180×115×115。
参照图2(A)用激光加工在模具表面加工成圆孔型非光滑表面，非光滑单元体直径为0.5mm，单元体间中心距为5mm。采用间断性供气方式，注入气体为空气，供气时间为50s，时间间隔为30s，供气压强为10×105Pa。加工后，经测试采用仿生非光滑表面和气体减粘的模具与泥料间的粘附力比相同基材的光滑表面模具降低40％，而处理仿生非光滑表面及注入气体的成本仅提高4.5％。
实施例7
制造粘土砖。
泥料含水量为12～15％，成型压强为5×105Pa，成型尺寸为240×115×53。
参照图2(B)用机械加工在模具表面加工成圆台孔型非光滑表面，非光滑单元体上底面直径为3.5mm，下底面直径为4.5mm，单元体间中心距为40mm。供气压强为0Pa。加工后，经测试采用仿生非光滑表面和气体减粘的模具与泥料间的粘附力比相同基材的光滑表面模具降低30％，而处理仿生非光滑表面及注入气体的成本仅提高3.5％。
实施例8
制造铺路转。
泥料含水量为15～17％，成型压强为3×105Pa，成型尺寸为100×100×20。
参照图2(B)用机械加工在模具表面加工成圆台孔型非光滑表面，非光滑单元体上底面直径为0.5mm，下底面直径为1.5mm，单元体间中心距为5mm。供气压强为0Pa。加工后，经测试采用仿生非光滑表面和气体减粘的模具与泥料间的粘附力比相同基材的光滑表面模具降低25％，而处理仿生非光滑表面及注入气体的成本仅提高3％。
实施例9
制造建筑用多孔承重空心砖。
泥料含水量为14～16％，成型压强为10×105Pa，成型尺寸为200×115×115。
参照图2(B)用机械加工在模具表面加工成圆台孔型非光滑表面，非光滑单元体上底面直径为3mm，下底面直径为4.5mm，单元体间中心距为40mm。采用连续性供气方式，注入气体为氮气，供气压强为10×105Pa。加工后，经测试采用仿生非光滑表面及气体减粘工艺的模具与泥料间的粘附力比相同基材的光滑表面模具提高30％，而处理仿生非光滑表面的成本仅提高3％。
实施例10
制造陶瓷屋面瓦。
泥料含水量为16～22％，成型压强为0.5×105Pa，成型尺寸为100×200。
参照图2(B)用机械加工在模具表面加工成圆台孔型非光滑表面，非光滑单元体上底面直径为0.5mm，下底面直径为1.5mm，单元体间中心距为5mm。采用连续性供气方式，注入气体为空气，供气压强为10×105Pa。加工后，经测试采用仿生非光滑表面及气体减粘工艺的模具与泥料间的粘附力比相同基材的光滑表面模具提高25％，而处理仿生非光滑表面的成本仅提高3.5％。
实施例11
制造陶瓷地砖。
泥料含水量为16～20％，成型压强为15×105Pa，成型尺寸为600×600。
参照图2(B)用机械加工在模具表面加工成圆台孔型非光滑表面，非光滑单元体上底面直径为3mm，下底面直径为4.5mm，单元体间中心距为40mm。采用间断性供气方式，注入气体为空气，供气时间为5s，时间间隔为10s，供气压强为10×105Pa。加工后，经测试采用仿生非光滑表面和气体减粘的模具与泥料间的粘附力比相同基材的光滑表面模具降低35％，而处理仿生非光滑表面及注入气体的成本仅提高4.5％。
实施例12
制造瓷质砖。
泥料含水量为20～22％，成型压强为10×105Pa，成型尺寸为100×100。
参照图2(B)用机械加工在模具表面加工成圆台孔型非光滑表面，非光滑单元体上底面直径为0.5mm，下底面直径为1.5mm，单元体间中心距为5mm。。采用间断性供气方式，注入气体为空气，供气时间为50s，时间间隔为30s，供气压强为10×105Pa。加工后，经测试采用仿生非光滑表面和气体减粘的模具与泥料间的粘附力比相同基材的光滑表面模具降低45％，而处理仿生非光滑表面及注入气体的成本仅提高4.5％。
Claims (4)
1、一种表面具有低粘附性能的模具，其特征在于它由基体(1)、气体分配室(2)、进气孔(3)组成，所说的基体(1)上设有气体分配室(2)，气体分配室(2)上设有进气孔(3)，基体(1)的工作表面呈点阵式分布有孔形非光滑单元体，所有孔形非光滑单元体与气体分配室(2)相通。
2、根据权利要求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单元体为圆柱形孔或圆台形孔，其上、下底面直径为0.5～4.5mm，单元体间中心距为5～40mm。
3、根据权利要求1或者2所述的表面具有低粘附性能的模具，其特征在于通过进气孔、气体分配室、单元体向泥料与模具工作界面间注入的气体可以是连续或间断的，所述的气体可以是空气或氮气，供气压强为0～10×105Pa。
4、根据权利要求3所述的表面具有低粘附性能的模具，其特征在于所说的注入的气体可以是连续的指：模具开始工作至工作结束的过程中连续性的注入气体；注入的气体可以是间断的指：模具开始工作至工作结束的过程中采用不同的供气时间及时间间隔间断性的注入气体，每次供气时间为5～50s，供气时间间隔为10～30s。
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