CN100579746C - 陶瓷悬浮体高效连续固化成型装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种陶瓷悬浮体连续固化成型方法及相应装置，该装置其包含有模带，该模带分为左、右模带，左、右模带对称设置并顺序形成三角储料区、压紧区、出料区，该三角储料区前后设滑动挡料板；该左、右模带转动速度可以调节，左模带顺时针转动，右模带逆时针转动；该左、右模带对称设置若干模具，左、右模带转动时，使得进入三角储料区的左、右模具的半模腔浸满浆料，随后左、右半模腔紧密扣合形成完整模腔，浆料在模腔中固化成型。利用上述方法及装置可以连续完成浆料浸模、挤压合模、固化、脱模的工艺过程，使陶瓷悬浮体原位固化成型工艺技术实现连续化、规模化生产，而且原料的利用率可以达到95%以上。

Description

陶瓷悬浮体连续固化成型装置与方法

技术领域

本发明涉及高技术陶瓷成型装置与方法，特别是一种将陶瓷悬浮体连续、高效、原位固化成型陶瓷坯体的装置与方法。

背景技术

高技术陶瓷具有许多显著的性能特点，如强度高、硬度高、抗氧化性好、耐腐蚀等，在国防、航空、航天等领域具有无法替代的重要性。成型和制备工艺是高技术陶瓷开发和应用的关键环节，不仅是材料组成和设计实现的前提，而且是降低陶瓷成本，提高产品合格率的的重要环节。

为解决高技术陶瓷传统成型方法微观结构不均匀、烧结易开裂、变形等缺陷。自上世纪90年代出现了许多采用陶瓷悬浮体原位凝固成型的工艺技术，这类成型方法的出现，为传统的方法如注浆成型、干压成型等所不能解决的复杂形状部件提供了一条切实可行之路。目前普遍公认具有代表性的陶瓷胶态成型工艺有：美国橡树岭国家实验室发明的凝胶注模成型工艺(Gelcasting)(美国专利6228299，6066279，5145908，5028362，4894194)、瑞士苏黎士大学发明的直接凝固注模成型(direct coagulation casting)(瑞士专利02377/92-1，01 096/93-6，美国专利5788891)、清华大学发明的胶态注射成型新工艺(colloidinjection molding)(中国发明专利，专利号：ZL00136834.6)和温度诱导絮凝成型(Temperature Induced Flocculation)。

陶瓷悬浮体原位固化成型通常采用合模、注模、固化、脱模的工艺过程来实现，其特点是在陶瓷悬浮体中加入可使其发生固化的物质，在浆料发生固化前将其注入模具中，通过浆料在模具中固化得到成型素坯。悬浮体从液态转变为固态的过程需要一定的诱导和反应时间，该过程从数秒到数小时不等，因此开模也必须在完成此过程之后才能进行。另外，为满足注料和排气的需要，模具上必须预留有注料口和排气口，注浆量也必须严格把握，过少，则会欠注，直接形成废品，过多，则会在排气口中固化，给脱模清理带来困难，而且坯体上还会形成相应的外观缺陷。此外，传统工艺中，从模具上方灌注浆料，容易在坯体的上方产生窝气。而从模具下方或侧方注料，则需要通过阀门或管道截止浆料流动，但阀门内或管道中的浆料也会随之固化，清理非常困难。因此传统间断式注模的方式和模具的结构制约了其规模化连续生产。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以使陶瓷悬浮体实现连续原位固化成型的装置和方法，连续完成浸模、挤压合模、固化、脱模的工艺过程，可以使陶瓷悬浮体原位凝固成型工艺技术实现规模化、连续化生产，而且原料的利用率可以达到95％以上，是一种高效的连续化成型方法。

为此，本发明采用了如下的技术方案：

一种陶瓷悬浮体高效连续固化成型装置，其包含有模带，该模带分为左、右模带，左、右模带对称设置并顺序形成三角储料区、压紧区、出料区，该三角储料区前后设滑动挡料板；该左、右模带转动速度可以调节，左模带顺时针转动，右模带逆时针转动；该左、右模带对称设置若干模具，左、右模带转动时，使得进入三角储料区的左、右模具的半模腔浸满浆料，随后左右半模腔紧密扣合形成完整模腔，浆料在模腔中固化成型。

其中，该左、右模带位于出料区的下方设有振动脱模装置，利用该装置将已固化的坯体从模具中脱模；该模带外侧设有清洗装置及风干装置。

该两侧滑动挡料板设弧形边缘，该模带设有滑动挡料板插槽，该弧形边缘紧密插置于该滑动挡料板插槽中，在模带运动过程中起到滑动密封的作用。

该滑动挡料板设挡料板调节机构，利用该挡料板调节机构可以调节滑动挡料板的位置。

其包含四个可以调整转速的张紧轮和压紧轮，其中，第一张紧轮、第二张紧轮、第一压紧轮及第二压紧轮张紧左模带，第三张紧轮、第四张紧轮、第三压紧轮及第四压紧轮张紧右模带；通过张紧轮及压紧轮的转动，带动左、右模带转动，其中，第二张紧轮及第四张紧轮为主动轮。

该模带依次为具有弹性的弹性层、受力层及齿型同步层，该弹性层设有若干模具镶嵌位，模具镶嵌于该模具镶嵌位中。

该第一压紧轮及第二压紧轮张紧左压紧带，该第三压紧轮及第四压紧轮张紧右压紧带，该左、右压紧带设平面滚针轴承，压紧左、右模带；该左、右压紧带外表面设与齿型同步层相对应的齿带结构。

该模具一端设有合模定位孔，另一端设有与该和模定位孔相对应的合模定位销，使得合模时，合模定位销插入合模定位孔中，达到准确合模的效果。

该模具高出弹性层0.1-0.2mm；该模具为金属或塑料材质。

一种陶瓷悬浮体高效连续固化成型方法，其步骤如下：

步骤一：配制陶瓷悬浮体，使其满足下列陶瓷原位固化成型技术工艺之一：凝胶注模成型、直接凝固注模成、温度诱导絮凝成型或胶态注射成型；

步骤二：将模具安装在模带的弹性层内，调整左、右模带使其同步转动，左模带顺时针转动，右模带逆时针转动；使镶嵌于左、右模带上的模具准确合模，并压紧，镶嵌于其内的模具能够紧密合模；

步骤三：在陶瓷浆料中加入可使其发生固化的物质，搅拌均匀后，直接加入三角储料区，根据固化时间，调整模带转度，使其在左右模带压紧区完成固化过程；根据模腔大小及模带转速，调整加料速度，使三角储料区的浆料液面高度保持稳定；

步骤四：出料区下方模具随着左右模带的分离而自然开模，振动脱模装置将模腔内已固化的坯体脱落；

步骤五：等模具运动至左右模带的最外侧时，进入具有清洗装置的清洗区、具有烘干装置的烘干区，经高压喷射水流清洗和热风烘干之后，洁净、干燥的模具再进入三角储料区。

本发明的有益效果为：本发明可以使左右半模腔完全浸入浆料之中，完成饱合灌浆，挤压合模过程中，多余浆料自然向上溢，避免了传统注模工艺中窝气的产生，而且模具无需注料口和排气后，减少了产品外观缺陷，避免了注料口和排气口中多余浆料的出现，使浆料利用率得到提高，达到95％左右。本发明另一突出优点是模带的同步连续运动实现了模具开、合的连续无间断运行。本发明中模具可以采用塑料或金属材质，加工成本低，且其安装方式便于产品种类的调整，对于外观尺寸相同，不同模腔结构的模具，均可在线自由更换，对于品种多，批量小，精度要求高的产品也尤为适合。

附图说明

图1为本发明陶瓷悬浮体高效连续固化成型装置的整体结构示意图；

图2A为本发明陶瓷悬浮体高效连续固化成型装置的滑动挡料板及挡料板调节机构的正面结构局部放大示意图；

图2B为本发明陶瓷悬浮体高效连续固化成型装置的滑动挡料板及挡料板调节机构的侧面结构局部放大示意图；

图2C为本发明陶瓷悬浮体高效连续固化成型装置的滑动挡料板正面放大示意图；

图2D为本发明陶瓷悬浮体高效连续固化成型装置的滑动挡料板正侧面放大示意图；

图3为本发明陶瓷悬浮体高效连续固化成型装置的模具结构示意图；

图4A为本发明陶瓷悬浮体高效连续固化成型装置的模带的局部结构放大示意图；

图4B为图4A的I-I面剖视结构示意图；

图4C为图4A的II-II面剖视结构示意图。

【图号说明】

1    模带            11   左模带

12   右模带          2    三角储料区

3    压紧区          4    出料区

5    滑动挡料板      6    模具

61   半模腔          71   振动脱模装置

62   合模定位孔      63   合模定位销

72   清洗装置        73   风干装置

51   弧形边缘        13   滑动挡料板插槽

14   张紧轮          52   挡料板调节机构

141  第一张紧轮      15   压紧轮

142  第二张紧轮      151  第一压紧轮

143  第三张紧轮      152  第二压紧轮

144  第四张紧轮      153  第三压紧轮

111  弹性层          154  第四压紧轮

113  齿型同步层      112  受力层

16   左压紧带        1111 模具镶嵌位

18   平面滚针轴承    17   右压紧带

B    下压紧相切点    A    上压紧相切点

具体实施方式

为能使贵审查员清楚本发明的结构组成，以及整体运作方式，兹配合图示说明如下：

本发明提供一种陶瓷悬浮体高效连续固化成型装置，如图1所示，其包含有模带1，该模带1分为左、右模带11、12，左、右模带11、12对称设置并从上至下顺序形成三角储料区2、压紧区3、出料区4，该三角储料区2前后设滑动挡料板5；该左、右模带11、12转动速度可以调节，左模带11顺时针转动，右模带12逆时针转动；该左、右模11、12带对称设置若干模具6，该模具6设有若干半模腔61，使得左、右模带11、12转动时，模具6相扣合形成完整的模腔，浆料可以灌入该模腔。

其中，该左、右模带位11、12于出料区4的下方设有振动脱模装置71，利用该装置将已固化的坯体从模具6中脱模；该模带1外侧设有清洗装置72及风干装置73。

如图2A-D及图4A-C所示，该两侧滑动挡料板5设弧形边缘51，该模带1设有滑动挡料板插槽13，该弧形边缘51紧密插置于该滑动挡料板插槽13中，在模带运动过程中起到滑动密封的作用。

该滑动挡料板5还可以设挡料板调节机构52，利用该挡料板调节机构52可以调节滑动挡料板5的位置，保证密封效果及滑动挡料板高度。

再如图1所示，本发明包含四个可以调整转速的张紧轮14和压紧轮15，其中，第一张紧轮141、第二张紧轮142、第一压紧轮151及第二压紧轮152张紧左模带11，第三张紧轮143、第四张紧轮144、第三压紧轮153及第四压紧轮154张紧右模带；通过张紧轮14及压紧轮15的转动，带动左、右模带11、12转动，其中，第二张紧轮142及第四张紧轮144为主动轮。

如图4B所示，该模带1依次为具有弹性的弹性层111、受力层112及齿型同步层113，该弹性层111设有若干模具镶嵌位1111，模具6镶嵌于该模具镶嵌位1111中。

该第一压紧轮151及第二压紧轮152张紧左压紧带16，该第三压紧轮153及第四压紧轮154张紧右压紧带17，该左、右压紧带16、17设平面滚针轴承18，利用该平面滚针轴承18压紧左、右模带；该左、右压紧带外表面设与齿型同步层113相对应的齿带结构1131。

如图3所示，该模具6一端设有合模定位孔62，另一端设有与该和模定位孔62相对应的合模定位销63，使得合模时，左边模具的合模定位销63插入右边模具的合模定位孔62中，右边模具的合模定位销63插入左边模具的合模定位孔62中达到准确合模的效果。该模具6以高出弹性层0.1-0.2mm为宜；该模具6可以为金属或塑料材质。

利用上述装置，本发明一种陶瓷悬浮体高效连续固化成型方法，其步骤如下：

步骤一：配制陶瓷悬浮体，使其满足下列陶瓷原位固化成型技术工艺之一：凝胶注模成型(Gelcasting)、直接凝固注模成(directcoagulation casting)、温度诱导絮凝成型(Temperature InducedFloculation)或胶态注射成型(colloid injection molding)等；

步骤二：将模具安装在模带的弹性层内，调整左、右模带使其同步转动，左模带顺时针转动，右模带逆时针转动；使镶嵌于左右带上的模具准确合模，并压紧，镶嵌于其内的模具能够紧密合模；

步骤三：在陶瓷浆料中加入可使其发生固化的物质(加入物质为现有技术，在此不再介绍)，搅拌均匀后，直接加入三角储料区，根据固化时间，调整模带转度，使其在左右模带压紧区完成固化过程；根据模腔大小及模带转速，调整加料速度，使三角储料区的浆料液面高度保持稳定。

步骤四：出料区下方模具随着左右模带的分离而自然开模，振动脱模装置将模腔内已固化的坯体脱落。

步骤五：等模具运动至左右模带的最外侧时，进入具有清洗装置的清洗区、具有烘干装置的烘干区，经高压喷射水流清洗和热风烘干之后，洁净、干燥的模具再进入三角储料区。

以下以具体实施例详细描述本发明陶瓷悬浮体高效连续固化成型装置的结构及生产过程和方法：

如图1-图4所示，其中模带是由弹性层111、受力层112(抗拉、压力均匀传递的骨架结构)、齿形同步层113复合而成，模具6镶嵌于模带弹性层111的模具镶嵌位1111内，高出弹性层0.1-0.2mm。模带弹性层具有压紧密封的效果，同时使镶嵌于其内的模具具有一定的弹性位移量和弹性压紧合模力。其齿形同步层能够防止主动轮的传动打滑，保证左右同步带同步运行。图1中，第一张紧轮141、第二张紧轮142、第一压紧轮151及第二压紧轮152张紧左模带11，第三张紧轮143、第四张紧轮144、第三压紧轮153及第四压紧轮154张紧右模带，该左、右压紧带16、17设平面滚针轴承18，利用该平面滚针轴承18压紧左、右模带，使左、右模带的压紧区3通过弹性层111紧密接触密闭。同时第二张紧轮142及第四张紧轮144分别为左、右模带转动的主动轮，可以通过可调速电机输入主动力，调整左、右模带的转速使其同步。镶嵌于左右模带的模具为塑料或金属材质，运行过程中具有软硬结合的结构优点，一方面面可以避免挤压合模时，模腔变形，另一方面可以通过定位孔、销纠正同步带运行中细小错位，实现准确合模。

三角储料区2位于模带相切之前的三角部位，其左右两边为左、右模带11、12，前后为滑动挡料板5，滑动挡料板的弧形边缘51插入模带两侧的滑动挡料板插槽13(如图4A、图4C所示)起到滑动密封的作用。三角储料区的底部是左、右模带的上压紧相切点A。

设备运行时，首先调整左、右模带的机械传动机构，使左、右模带同步旋转，左侧模带为顺时针，左侧模带为逆时针，镶于其上的左右两边模具位置一一对应，利用其软硬结合的结构特点，实现准确合模，合模压紧力保持0.5-2.0MPa为宜。

然后将配制好的待固化陶瓷浆料连续加入三角储料区2。上压紧相切点A之上镶嵌于模带弹性层111内的模具将完全浸入陶瓷浆料中，模腔61(如图3)实现饱满灌浆，等模具随模带运动到上压紧相切点A时，左右模具开始合模，模腔内多余浆料自然向上溢出，随后模具闭合，进入左右模带的压紧区3，继续向下运动，完成闭模固化过程。合模过程中向上溢出浆料经模带弹性层挤压自然向上流动，仍处于三角储料区，以供后续浸入的模具再用。合理控制三角储料区的浆料液面高度，一方面保证模具能够完全浸入浆料中，另一方面防止浆料过多而固化于三角储料区。

等模具运动至下压紧相切点B时，模腔内的浆料已固化成型，左右两边的模具开始分开。已固化的坯体通过振动脱模装置71从模具中脱模。

随后模具随模带进入清洗、烘干区，经过清洗装置72及风干装置73(清洗装置可以为高压喷射水流清洗装置，风干装置可以为热风烘干装置)之后的模具再次运动至上压紧相切点A，再次浸入三角储料区2，周而复始完成浆料浸模、挤压合模、固化、开模的工艺过程。

浆料在模具中的固化时间即模具通过上下两对压紧轮之间左右模带的接触区，该时间可以通过调整模带的转速任意调节。

以下为本发明实际生产的具体实施例：

实施例1：

配制满足凝胶注模成型工艺(Gelcasting)的氧化锆陶瓷悬浮体，安装高精度陶瓷球(Φ＝8.0mm)模具于模带弹性层内，调整左右模带使模具准确合模，压紧力适当。调整模带转速为20cm/min，陶瓷悬浮体固化时间调整为4-5min。陶瓷悬浮体中加入固化物质，搅拌均匀后加入本发明装备的三角储料区。控制加料速度，使液面保持5-8cm高度。6-8min后固化的坯体开始下压紧相切点B下方出料区开模，振动脱模装置使坯体全部脱离模腔，随后模具运动进入清洗、烘干区，经高压喷射水流清洗和热风烘干之后，模具洁净、干燥。该工艺固化成型的氧化锆陶瓷球坯体表面光滑，合格率达到90％。

实施例2：

采用中国专利：CN 1246255C“一种陶瓷浆料快速可控固化胶态成型方法与装备”配制氮化硅陶瓷浆料，调整该装备运行参数，使浆料固化时间为8-10min，连续出料速度为500ml/min。安装圆柱状陶瓷磨介的(L＝15.0mm，Φ＝5.0mm)模具于模带弹性层内，调整左右模带使模具准确合模，压紧力适当。调整模带转速为15cm/min。将“一种陶瓷浆料快速可控固化胶态成型方法与装备”的出料直接加入本发明装备的三角储料区。调整加料速度为500ml/min，使液面保持5-8cm高度。10-12min后固化的坯体开始在下压紧相切点B下方出料区出现，振动脱模装置使坯体全部脱离模腔，随后模具运动进入清洗、烘干区，经高压喷射水流清洗和热风烘干之后，模具洁净、干燥。该工艺固化成型的氮化硅陶瓷圆柱状陶瓷磨介坯体外观缺陷小，合格率达到94％左右。

实施例3：

配制满足直接凝固注模成型(direct coagulation casting)的氧化铝陶瓷悬浮体，安装高精度陶瓷球(Φ＝5.0mm)模具于模带弹性层内，调整左右模带使模具准确合模，压紧力适当。调整模带转速为8cm/min，陶瓷悬浮体固化时间调整为20-30min。陶瓷悬浮体中加入固化物质，搅拌均匀后加入本发明装备的三角储料区。控制加料速度，使液面保持5-8cm高度。25-35min后开始在下压紧相切点B下方出料区振动脱模，已固化坯体全部脱离模腔，随后模具运动进入清洗、烘干区，经高压喷射水流清洗和热风烘干之后，模具洁净、干燥。该工艺固化成型的氧化铝陶瓷球坯体表面光滑，合格率达到95％左右。

如上所述，本发明可以使模腔完全浸入浆料之中，完成饱合灌浆，挤压合模过程中，多余浆料自然向上溢，避免了传统注模工艺中窝气的产生，而且模具无需注料口和排气后，减少了产品外观缺陷，避免了注料口和排气口中多余浆料的出现，使浆料利用率得到提高，达到95％左右。本发明另一突出优点是模带的同步连续运动实现了模具开、合的连续无间断运行。本发明中模具可以采用塑料或金属材质，加工成本低，且其安装方式便于产品种类的调整，对于外观尺寸相同，不同模腔结构的模具，均可在线自由更换，对于品种多，批量小，精度要求高的产品也尤为适合。

Claims (10)

1、一种陶瓷悬浮体连续固化成型装置，其包含有模带，该模带分为左、右模带，左、右模带对称设置并顺序形成三角储料区、压紧区、出料区，该三角储料区前后设滑动挡料板；

该左、右模带转动速度可以调节，左模带顺时针转动，右模带逆时针转动；

该左、右模带对称设置若干模具，左、右模带转动时，使得进入三角储料区的左、右模具的半模腔浸满浆料，随后左右半模腔紧密扣合形成完整模腔，浆料在模腔中固化成型。

2、如权利要求1所述的陶瓷悬浮体连续固化成型装置，该左、右模带位于出料区的下方设有振动脱模装置，利用该装置将模腔中已固化的坯体脱模；该左、右模带外侧设有清洗装置及风干装置。

3、如权利要求1所述的陶瓷悬浮体连续固化成型装置，该两侧滑动挡料板设弧形边缘，该左、右模带设有滑动挡料板插槽，该弧形边缘紧密插置于该滑动挡料板插槽中，在模带运动过程中起到滑动密封的作用。

4、如权利要求3所述的陶瓷悬浮体连续固化成型装置，该滑动挡料板设可以调节滑动挡料板位置的挡料板调节机构。

5、如权利要求1、2、3或4所述的陶瓷悬浮体连续固化成型装置，包含四个可以调整转速的张紧轮和压紧轮，其中，第一张紧轮、第二张紧轮、第一压紧轮及第二压紧轮张紧左模带，第三张紧轮、第四张紧轮、第三压紧轮及第四压紧轮张紧右模带；

通过张紧轮及压紧轮的转动，带动左、右模带转动，其中，第二张紧轮及第四张紧轮为主动轮。

6、如权利要求5所述的陶瓷悬浮体连续固化成型装置，该模带依次为具有弹性的弹性层、受力层及齿型同步层，该弹性层设有若干模具镶嵌位，模具镶嵌于该模带弹性层的镶嵌位中。

7、如权利要求6所述的陶瓷悬浮体连续固化成型装置，该第一压紧轮及第二压紧轮张紧左压紧带，该第三压紧轮及第四压紧轮张紧右压紧带，该左、右压紧带设平面滚针轴承，压紧左、右模带；该左、右压紧带外表面设与齿型同步层相对应的齿带结构。

8、如权利要求6所述的陶瓷悬浮体连续固化成型装置，该若干模具一端设有合模定位孔，另一端设有与该和模定位孔相对应的合模定位销，使得合模时，合模定位销插入合模定位孔中，达到准确合模的效果。

9、如权利要求6所述的陶瓷悬浮体连续固化成型装置，该若干模具高出弹性层0.1-0.2mm；该若干模具为金属或塑料材质。

10、一种陶瓷悬浮体连续固化成型方法，其步骤如下：

步骤一：配制陶瓷悬浮体，使其满足下列陶瓷原位固化成型技术工艺之一：凝胶注模成型、直接凝固注模成型、温度诱导絮凝成型或胶态注射成型；

步骤二：将模具安装在模带的弹性层内，调整左、右模带使其同步转动，左模带顺时针转动，右模带逆时针转动；使镶嵌于左、右模带上的模具准确合模，并压紧，镶嵌于其内的模具能够紧密合模；

步骤三：在陶瓷浆料中加入可使其发生固化的物质，搅拌均匀后，直接加入三角储料区，根据固化时间，调整模带转度，使其在左右模带压紧区完成固化过程；根据模腔大小及模带转速，调整加料速度，使三角储料区的浆料液面高度保持稳定；

步骤四：出料区下方模具随着左右模带的分离而自然开模，振动脱模装置将模腔内已固化的坯体脱落；

步骤五：等模具运动至左右模带的最外侧时，进入具有清洗装置的清洗区、具有烘干装置的烘干区，经高压喷射水流清洗和热风烘干之后，洁净、干燥的模具再进入三角储料区。

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