CN101553328B - 用来连续挤压高粘度材料的螺杆挤压机 - Google Patents

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Abstract

用来连续挤压特别是诸如铝和其合金之类的金属的具有高粘度的材料的螺杆挤压机。挤压机包括：阿基米德螺杆(1)，转动地设置在具有进口(11)的螺杆壳体(4)的衬里(2)内，该进口(11)用来进给待挤压的材料；压实或挤压腔室(5)；及挤压模具组件，具有形成所需挤压产品(7)的形状的模具(6)。螺杆(1)和衬里(2)被设计成使得：所需压实发生在与螺杆的高至540°的转动或高至螺杆行程长度的1.5圈相对应的朝向挤压腔室(5)的螺杆的下游端部处，并且在螺杆端部和挤压腔室(5)处形成的实心金属棒被限制而不能刚性转动，以得到所需压实和挤压压力。

Description

用来连续挤压高粘度材料的螺杆挤压机
技术领域
本发明涉及一种用来连续挤压具有高粘度的材料的螺杆挤压机，所述高粘度的材料特别是诸如铝和其合金之类的金属，该挤压机包括：阿基米德螺杆，设置在具有进口的螺杆壳体中，该进口用来进给待挤压的材料；压制或挤压腔室；及挤压模具组件，具有形成所需挤压产品的形状的模具。
背景技术
例如铝的具有高粘度的材料的挤压，要求强迫铝通过模具块和模具的相当高压力，典型地100至500MPa。关于铝挤压的技术状态，在当今以及最近100年间，冲压挤压(ram extrusion)占据统治地位。冲压挤压是一种分批过程，在该分批过程中，坯料(billet)被加载到容器中，并且借助于运动活塞而被强迫(加压)通过模具。用于铝的连续挤压的一种值得一提的方法是所谓的
Figure G2007800430084D00011
工艺，该工艺基于在挤压过程中将单个旋转轮子用作驱动力，并且该工艺使得能够制造无限长度的产品。按其最简单形式，轮子在其周缘中具有单个凹槽，该凹槽接受进料，并且将材料传送到挤压区域和模具。
另一种连续螺旋挤压工艺应用于铅和铅合金型材的生产中，该工艺基于Robertson Hansson挤压机，US 3693394。在这种工艺中，铅以液体状态进给到挤压机，并且在挤压过程期间固化。
铅的特性与铝不同，因为它具有“滑动”摩擦，即在铅与容器材料(钢)之间的摩擦与压力成比例。然而，铝和大多数其它金属在挤压温度下具有粘着摩擦，即铝熔接到容器和螺杆材料上。作为这种特性的结果，具有高粘度的铝和其它粘着金属的螺旋挤压，由于克服在例如铝与钢之间的摩擦力需要巨大的力，一直是困难的和不实际的。
发明内容
本发明提供一种新的和改进的螺杆挤压机，该螺杆挤压机不会遇到以上粘着问题，并且为例如铝的具有高粘度的材料的挤压提供一种一致而连续的工艺。
根据本发明的挤压机的特征在于由所附的独立权利要求1限定的特征。
本发明的优选实施例在从属权利要求2-5中进一步限定。
附图说明
在下文中参照附图以举例的方式进一步描述本发明，在附图中：
图1示意性地示出根据本发明的挤压机的横截面图；
图2是在图1中所示的螺杆的侧视图，进一步示出几个区域；
图3是在图1中所示的挤压机的加压腔室的立体图。
具体实施方式
当借助于螺杆挤压机在连续过程中挤压诸如金属之类的粘性和粘着材料时，由于沿挤压机粘着到衬里和螺杆表面上的材料的拖拉产生增大压力，达到强迫材料通过在壳体端部处的模具必需的压力。不像在聚合物工业中使用的典型螺杆挤压机-其中的聚合物的粘度远低于金属的粘度，压力区域必须大大地减小，以便避免在挤压机上的太高扭力。该目的通过将一种特殊设计的螺杆与设计成限制金属的转动流动的挤压腔室加以结合而实现。也必须要控制沿挤压机的温度分布。螺杆的总长度因此也显著较短，该总长度典型地为螺杆直径的1.5-2.5倍。
挤压机优选地在T＜Ts下进给粒状金属，其中Ts是金属将发生粘着摩擦的温度。粒状金属可以通过在挤压机中与螺杆和容器壁相接触而被加热，或者它可以预热到所需温度。当发生粘着摩擦时，金属由于摩擦热量和变形而被进一步加热。当半压实金属到达压力产生区域时，该半压实金属粘着到已被压实的金属“翼”上，并且被揉搓和完全压实。
根据本发明的挤压机，如图1中所示，包括具有内部衬里2的螺杆壳体或容器4，在该内部衬里2内转动地设置具有螺旋花纹或螺旋行程的阿基米德螺杆1。内部衬里2设有冷却沟道3，以控制在挤压过程中的温度。容器或壳体4的上游端部设有用来供给待挤压的粒状材料的进口11。在容器/衬里2、4的出口端部处，在螺杆1的下游端部附近，设有挤压腔室5，在这个腔室的端部处还设有模具组件6，该模具组件6用于形成待挤压的型材7的形状。螺杆1优选地由配合在支撑板9中的推力轴承组件8加以稳定，该支撑板9能拆开地安装至容器4。螺杆轴10通过适当连接将螺杆1连接到驱动单元上。
可以参照在图2中示出的三个区域来观察螺杆的设计：
-进给区域A
-运送区域B，及
-压力产生和压实区域C。
螺杆被设计成保证粒料可自由地从进给区域A运送到运送区域B，直到通过在螺杆端部处的压力积累而使材料粘着到在压力产生和压实区域C中的金属上。该目的通过从进给截面到压力产生截面以线性、渐进或分节(digressive)方式减小螺杆芯直径而实现，或通过增大外螺杆直径而实现，或者对上述两者加以组合而实现。
在进给区域A中，待挤压的材料经进口13借助于重力或通过其它装置而被进给到在容器/衬里组件2、3中的螺杆上。材料到达在螺杆与衬里之间的敞开空间，并且材料随着螺杆转动而被进一步运送到运送区域B。
在运送区域B中，材料被进一步运送，并且如果在进给之前没有预热，则通过在衬里壁与螺杆之间的接触被加热到T＞Ts。而且，材料在进入压力产生区域C时发生压缩，该材料开始粘着(彼此粘着，粘着到衬里上并且粘着到螺杆表面上)并且被揉搓和进一步加热，因而在进入挤压腔室5之前向着螺杆的端部形成实心材料棒。
采用不同的铝合金的试验证明，用于完成挤压的所需压实发生在螺杆的最后部分处，该部分与高至540°或高至螺杆行程长度的1.5圈相对应。然而，一些试验证明，所需压实发生在甚至更短的行程长度处，甚至在360°以下。如以上指示的那样，这代表关于本发明的重要特征。可以这样认为，研究人员以前关于例如铝之类的材料的连续挤压还未成功的原因是，他们使用的挤压机的设计，例如长螺杆和压实区域，导致过量的摩擦功，由此必须在过程中供给更多能量(高得多的转矩)。因而最为重要的是，螺杆和壳体的设计使得在螺杆的很短距离(区域)上发生压实。
而且，实心棒粘着到壳体(和螺杆)上是必要的，以便发生棒的向前拖拉。必须防止该粘着溃缩到与衬里壁表面相邻的高度局部剪切变形区域，这种溃缩造成粘度急剧减小和局部温度迅速升高。
更进一步，试验证明，必须限制在挤压腔室5中的金属实心棒免于刚性转动，以得到所需压实压力。该目的可通过设计具有一种形状的腔室壁或设置具有所需粗糙度的腔室表面而实现，例如借助于向内延伸的突起(未示出)，从而避免转动。
图2示出设计的一个例子，其中挤压腔室5的前端部接近正方形横截面形状。
在螺杆的压力产生部分中包含的压实材料被完全熔接到棒和衬里壁上，并因此也被限制而不能转动。由于在螺杆中的压实材料被限制而不能转动，而螺杆能转动，螺杆的转动能量被转换成材料进入挤压腔室中的净向前流动。
由于在每圈中进给到螺杆中的材料体积小于行程的体积，部分材料从挤压腔室流回在各行程之间的空间中。这代表本发明的工作原理的重要部分，因为它产生大量剪切变形，从而使得在挤压腔室中的材料变得充分密实。剪切变形破坏在粒料上的氧化层，使得在各粒料之间的“熔接”充分。
剪切变形也有助于打碎颗粒，如在铝中的含铁颗粒，由此减小它们的尺寸。
根据本发明的挤压机可以用来挤压具有高粘度的多种材料：如：
所有粘着金属(如：轻金属合金Al、Mg、Ti)
金属的机械混合物
粒状材料。
金属和化合物的混合物。
金属屑和微粒，例如切屑。
在权利要求书中限定的本发明不限于以上例子。因而，螺杆和挤压腔室可以不包括在以上所描述的运送区域B中的加热，作为取代，材料可以在进给到挤压机之前被预热。

Claims (5)

1.用来连续挤压具有高粘度的材料的螺杆挤压机，所述挤压机包括：阿基米德螺杆(1)，转动地设置在具有进口(11)的螺杆壳体(4)的衬里(2)内，所述进口(11)用来进给待挤压的材料；挤压腔室(5)；及挤压模具组件，该挤压模具组件具有形成所需挤压产品(7)的形状的模具(6)，
其特征在于
所述螺杆(1)和衬里(2)被设计成使得：所需压实发生在与所述螺杆的高至所述螺杆行程长度的1.5圈相对应的朝向所述挤压腔室(5)的所述螺杆的下游端部处，并且在压实区域中形成的压实金属和在所述挤压腔室(5)中的实心金属棒被限制而不能刚性转动，从而获得所需压实和挤压压力。
2.根据权利要求1所述的用来连续挤压具有高粘度的材料的螺杆挤压机，
其特征在于
所需压实发生在与所述螺杆高至所述螺杆行程长度的1.0圈相对应的朝向所述挤压腔室(5)的所述螺杆的下游端部处。
3.根据权利要求1或2所述的用来连续挤压具有高粘度的材料的螺杆挤压机，
其特征在于
通过所述挤压腔室(5)的内表面而获得所述转动限制。
4.根据权利要求1或2所述的用来连续挤压具有高粘度的材料的螺杆挤压机，
其特征在于
所述挤压腔室(5)在其上游端部处具有正方形横截面。
5.根据权利要求1或2所述的用来连续挤压具有高粘度的材料的螺杆挤压机，
其特征在于
所述挤压腔室(5)的表面设有向内延伸的突起。
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