CN104936714B - 挤压机模具组件 - Google Patents

Abstract

提供用于连续挤压材料坯体的系统、装置和方法。用于材料的挤压成形的模具组件包括形成模具本体的多块模具板。模具本体具有入口和出口，出口的直径小于入口的直径，渐缩表面介于入口和出口之间。每块模具板都具有中心孔，中心孔具有渐缩的内表面，并且内表面形成从入口延伸到出口的渐缩表面。基部联接至模具本体，并且基部的旋转致使模具本体旋转。通过坯体的内表面和外表面之间的摩擦加热被挤压到模具本体中的坯体。在将坯体从模具本体的入口挤压到出口时，坯体被加热到可变形的温度并且被挤压成管产品。

Description

挤压机模具组件

背景技术

经常通过挤压工艺制造管材例如由铜、铝、金属合金或其它金属材料形成的金属管。在挤压工艺中，通过具有圆形或其它构造的模具结构加工被称作坯体的大块金属，所述模具的开口小于用于形成管材的坯体的尺寸。在迫使冲孔杆穿过坯体的中心以形成贯穿坯体的通道之前，可以先将坯体预先加热至高温。然后向坯体施加通常在1,000至100,000磅/平方英寸量级的高压，以便在穿孔棒上推送预先加热的材料通过模具的开口。压力迫使材料变形并挤出，由此从模具的背部离开，成为直径类似于模具开口的直径的管。

为了通过挤压生产大量的金属管，需要大型的坯体和制造机械，并且在挤压工艺中用于构建金属管的坯体的重量经常达到或超过1,000磅。机器和坯体的尺寸要求用大型的制造设备来生产管，并且挤压工艺的尺寸要求导致制造操作的启动成本和维护成本较高。而且，例如一次只能挤压一件坯体的工艺限制导致由坯体尺寸造成的低效。

发明内容

在此公开了用于使用旋转式挤压机模具组件挤压材料的系统、装置和方法。在某些实施例中，所述的系统、装置和方法允许连续挤压多件材料坯体。这样的连续挤压允许有效地使用相对较小的坯体来生产期望数量的挤压材料，并且因此这种连续挤压机系统的规模和尺寸要求能够小于传统的挤压工艺。

在一方面，一种用于挤压材料的模具组件包括联接在一起以形成模具本体的多块模具板。模具本体具有限定入口和出口的通道，并且出口的直径小于入口的直径。渐缩表面位于入口和出口之间。每一块模具板都具有中心孔，中心孔的渐缩内表面围绕该中心孔，与第二模具板中的中心孔的内表面相比，第一模具板中的中心孔的内表面相对于所述通道的轴线以更小的角度渐缩，所述第二模具板定位成毗邻所述第一模具板的正面。基部联接至模具本体，并且基部的旋转致使模具本体旋转。

在某些实施例中，第二模具板定位成比第一模具板更靠近模具本体的入口。模具组件可以包括具有中心孔的第三模具板，与定位成毗邻第三模具板的正面的模具板中的中心孔的内表面相比，第三模具板的中心孔的内表面相对于所述轴线以更大的角度渐缩。定位成毗邻第三模具板的正面的模具板可以是第一模具板，并且第三模具板可以定位成比第一模具板更靠近模具本体的出口。

在某些实施例中，模具组件包括第三板，所述第三板形成模具本体的一部分，并且第三板具有中心孔，围绕第三板的中心孔的内表面相对于通道的轴线不以一定的角度渐缩。第三板的中心孔限定模具本体的入口。在某些实施例中，基部包括中心孔，并且基部的中心孔的直径大于模具本体的出口的直径。

在某些实施例中，模具本体构造成接收用于挤压的材料坯体，并且在坯体进入模具本体之前不预先加热坯体。模具本体的旋转在渐缩内表面和行进通过入口并进入模具本体的内部通道的坯件之间产生摩擦。摩擦将坯体加热到足以致使坯体材料变形的温度，并且经过加热的坯体能够在不超过坯体材料的机械性能极限的变形力的作用下变形。坯体在心轴上行进，坯体和心轴之间的摩擦加热坯体和心轴。冷却系统向心轴的内部提供冷却流体。

在某些实施例中，模具板中的至少一块由两种不同的材料形成，第一种材料形成模具板中的孔的周边，第二种材料形成模具板的外部。第一种材料和第二种材料中的至少一种是陶瓷材料、钢或耗材。在某些实施例中，模具本体的正面在入口附近构造成与定心插入件相配合，定心插入件的直径基本等于入口的直径。入口的周边和定心插入件由相同的材料形成。

在某些实施例中，模具本体构造成通过入口接收心轴末端，以使心轴末端能够定位在模具本体的内部通道中。模具本体的内表面包括互补部分，所述互补部分具有的角度对应于心轴末端的外表面的角度。模具本体构造成接收被挤压通过模具本体的内部通道的坯体以形成挤压产品，所述挤压产品的外径对应于模具本体的出口的直径并且所述挤压产品的内径对应于心轴末端的直径。

在一方面，一种模具组件包括用于挤压材料的装置，所述用于挤压材料的装置包括多个板装置。用于挤压材料的装置具有通道装置，所述通道装置限定用于挤压材料的装置的入口和出口，并且出口的直径小于入口的直径。用于挤压材料的装置具有在入口和出口之间的渐缩表面装置。每一个板装置都具有中心孔，中心孔的渐缩表面围绕该中心孔，与第二板装置中的中心孔的内表面相比，第一板装置中的中心孔的内表面相对于通道装置的轴线以更小的角度渐缩，所述第二板装置定位成毗邻所述第一板装置的正面。模具组件还包括用于将所述用于挤压材料的装置联接至旋转装置的装置，并且所述用于联接的装置的旋转致使所述用于挤压材料的装置旋转。

在某些实施例中，第二板装置定位成比第一板装置更靠近用于挤压材料的装置的入口。用于挤压材料的装置可以包括具有中心孔的第三板装置，与定位成毗邻所述第三板装置的正面的板装置中的中心孔的内表面相比，所述第三板装置的中心孔的内表面相对于所述轴线以更大的角度渐缩。定位成毗邻第三板装置的正面的板装置可以是第一板装置，并且第三板装置可以定位成比第一板装置更靠近用于挤压材料的装置的出口。

在某些实施例中，模具组件包括第三板装置，所述第三板装置形成用于挤压材料的装置的一部分，所述第三板装置具有中心孔，围绕第三板装置的中心孔的内表面相对于所述轴线不以一定的角度渐缩。第三板装置的中心孔限定用于挤压材料的装置的入口。在某些实施例中，用于联接的装置包括中心孔。用于联接的装置的中心孔的直径大于用于挤压材料的装置的出口的直径。

在某些实施例中，用于挤压材料的装置构造成接收用于挤压的材料坯体，并且在坯体进入用于挤压材料的装置之前不预先加热坯体。用于挤压材料的装置的旋转在渐缩表面装置和行进通过入口并进入用于挤压材料的装置的通道装置的坯体之间产生摩擦。摩擦将坯体加热到足以致使坯体材料变形的温度。经过加热的坯体能够在不超过坯体材料的机械性能极限的变形力的作用下变形。坯体在杆装置上行进，坯体和杆装置之间的摩擦加热坯体和杆装置。用于冷却的装置向杆装置的内部提供冷却流体。

在某些实施例中，板装置中的至少一个由两种不同的材料形成，第一种材料形成板装置中的孔的周边，第二种材料形成板装置的外部。第一种材料和第二种材料中的至少一种是陶瓷材料、钢或耗材。在某些实施例中，用于挤压材料的装置的正面在入口附近构造成与用于给坯体定心的装置相配合，所述用于定心的装置的直径基本等于入口的直径。入口的周边和用于定心的装置由相同的材料形成。

在某些实施例中，用于挤压材料的装置构造成通过入口接收杆末端装置，以使杆末端装置能够定位在用于挤压材料的装置的内部通道中。用于挤压材料的装置的渐缩表面装置包括互补部分，所述互补部分具有的角度对应于杆末端装置的外表面的角度。用于挤压材料的装置构造成接收被挤压通过用于挤压材料的装置的通道装置的坯体以形成挤压产品，所述挤压产品的外径对应于用于挤压材料的装置的出口的直径并且所述挤压产品的内径对应于杆末端装置的直径。

在研读本公开之后，本文中讨论的实施例的各种变型和修改对于本领域技术人员而言将显而易见。能够以任意的组合和子组合实施前述的特征和方面，包括具有本文描述的一个或多个其它特征的多个从属组合和子组合。本文中描述或图解的各种特征，包括其任意组合在内，可以被组合或结合到其它的系统中。而且，可以省略或不实施某些特征。

附图说明

在结合附图阅读以下详细描述时，前述和其它的目的和优点将变得显而易见，其中，相同的附图标记始终表示相同的部件。

图1示出了说明性的挤压机模具组件的透视图。

图2示出了说明性的挤压机系统的侧面正视图。

图3示出了图1中挤压机模具组件的侧面正视图。

图4示出了图1中挤压机模具组件的说明性钢端保持件。

图5示出了图1中挤压机模具组件的说明性入口板。

图6示出了图1中挤压机模具组件的说明性第一中间板。

图7示出了图1中挤压机模具组件的说明性第二中间板。

图8示出了图1中挤压机模具组件的说明性出口板。

图9示出了图1中挤压机模具组件的说明性基板。

图10示出了图1中挤压机模具组件的说明性剖视图。

图11示出了说明性的心轴杆末端。

图12示出了图1中挤压机模具组件的说明性剖视图，其中，图11中的心轴杆末端行进到模具组件中。

图13示出了图12中的模具组件和心轴杆末端在挤压材料期间的剖视图。

具体实施方式

为了整体理解在此描述的系统、方法和装置，将描述一些说明性的实施例。尽管在此描述的实施例和特征的讨论是用于结合挤压机系统使用，但是应当理解，下文所列举的部件、连接机构、制造方法和其它特征能够以任何适当的方式相互组合并且可以适用和应用于在其它制造工艺中使用的系统。而且，尽管在此描述的实施例涉及由中空的坯体挤压成形金属管，但是应当理解，在此描述的系统、装置和方法可以适用和应用于挤压任何适当类型的材料的系统。

图1示出了挤压机系统中的用于形成挤压管的模具组件1，所述挤压管可以包括无缝挤压管。模具组件1可以设置用于连续挤压多个坯体，以根据各种无缝管标准(包括例如用于无缝铜水管的ASTM-B88标准规范)生产无缝挤压管产品。无缝挤压管也可以符合用于饮用水系统部件的NSF/ANSI-61标准。模具组件1包括心轴棒10，材料坯体例如坯体17沿着箭头A的方向在心轴棒10上通过并且穿过模具组件以形成挤压管产品。坯体17可以由用于在挤压机系统中使用的任何适当的材料形成，所述材料包括但不限于：各种金属，所述金属包括铜和铜合金、或者任何其他适当的有色金属(例如铝、镍、钛及其合金)、包括钢和其它铁合金的黑色金属；聚合物，例如塑料；或者任何其他适当的材料或其组合。在心轴棒10上通过的坯体行进通过定心插入件9和模具本体18，然后通过冷却系统13，以形成管产品，所述模具本体18由模具板3-7的堆叠体和基板8构成。尽管模具组件1包括联接至基板的五块板，但是模具组件也可以包括更多或更少的板，并且在某些应用中，模具本体可以比模具本体18更长或更短。

在挤压期间，模具本体18旋转，同时坯体17被挤压通过模具本体。坯体17由定心插入件9的不旋转的夹持件44保持，并且因此坯体17在从入口11进入旋转模具本体18并通过模具本体进入中心通道的时候不旋转。在不旋转的坯体17被挤压通过模具时，旋转的旋转模具本体18与不旋转的坯体17的外表面产生摩擦，并且摩擦将坯体17加热到足以使坯体材料变形的温度。例如，可以通过摩擦将金属坯体加热到大于1000℉的温度以用于变形。不同材料和不同金属的温度要求可以变化，并且在某些应用中低于1000℉的坯体温度可以是适当的。与其它的挤压系统相比，模具组件1在挤压之前不需要预先加热的坯体，原因在于模具本体18的旋转以及通过与不旋转的坯体17相接触而产生的摩擦提供了将坯体加热到可变形的温度的能量。

模具组件1可以用于在任何适当的挤压系统中形成挤压材料，所述挤压系统包括例如在2012年10月12日提交的申请号为13/650,977的美国专利申请中描述的挤压机系统，因此通过全文引用将其公开内容并入本文。例如，模具组件1可以实施为图2所示的挤压机系统57，其用于连续的材料挤压。挤压机系统57包括心轴支架段58和压板结构段59。心轴支架段58包括心轴棒74、水夹具或冷却元件60和61、心轴夹持件或夹持元件62和63以及坯体输送系统。心轴支架段58由物理支架结构支撑，在图2中未示出物理支架结构以避免使附图复杂化，所述物理支架结构用于用于心轴支架段58的部件的安装件。压板结构段59包括入口压板65和后模具压板66、压力机压头压板67和68、定心压板69以及压抵在后模具压板66上的旋转模具70。压板结构段59由框架71支撑，所述框架71还作为用于马达72和相关齿轮箱部件(未示出)的安装件。用箭头B表示这样的方向：根据挤压机系统57沿着所述方向进行坯体的装载、运送和挤压。可以通过PLC系统至少部分地操作挤压机系统57，所述PLC系统控制挤压机系统57的坯体输送子系统77、挤压子系统78和冷却子系统的各个方面。

心轴夹持件62、63包括心轴棒夹持系统73，所述心轴棒夹持系统73设计用于在允许沿着心轴棒74和围绕心轴棒74连续供给多个坯体以提供连续挤压的同时，将心轴棒保持就位。心轴夹持件62、63可以由PLC系统控制，以便牢固地保持就位并且防止心轴棒74旋转，以使得在挤压工艺期间的任何指定的时间，心轴夹持件62、63中的至少一个夹紧心轴棒74。心轴夹持件62、63设定心轴棒74的位置并防止心轴棒74旋转。当心轴夹持件62、63处于夹持位置时，由此夹紧心轴棒74，心轴夹持件62、63防止沿着心轴棒74输送坯体通过夹持件。

心轴夹持件62、63通过交替地夹持心轴棒74来进行操作，以便允许一个或多个坯体在指定的时间穿过相应的心轴夹持件。例如，上游心轴夹持件62可以释放心轴棒74，同时下游心轴夹持件63夹持心轴棒74。在任何指定的时间，心轴夹持件62、63中的至少一个优选地夹持心轴棒74或以其他方式与心轴棒74接合。在上游心轴夹持件62附近排队或排列或沿着心轴棒74运送的一个或多个坯体可以穿过打开的上游心轴夹持件62。在特定数量的坯体已穿过打开的上游心轴夹持件62之后，心轴夹持件62可以闭合并且由此恢复成夹持心轴棒74，而坯体可以行进到下游夹持件63。下游夹持件63可以保持闭合，由此夹持心轴棒74，或者下游心轴夹持件63可以在上游心轴夹持件62重新夹持心轴棒74之后打开。尽管在挤压机系统57中示出了两个心轴夹持件62、63，但是应当理解的是可以设置任何适当数量的心轴夹持件。

水夹具60、61包括心轴棒送水系统75，所述心轴棒送水系统75设计用于在挤压工艺期间沿着心轴棒74的内部将冷却水供应到心轴杆末端。水夹具60、61可以由PLC系统控制，以便在允许沿着心轴棒74并且在心轴棒74周围连续供给多个坯体的同时，在挤压工艺期间将工艺冷却水供应到心轴棒。水夹具60、61操作以使得在挤压工艺期间不中断或基本不中断将工艺冷却水供应到心轴杆末端。与上文讨论的心轴夹持件62、63的操作相类似地，当水夹具60、61夹紧到心轴棒74或者与心轴棒74接合时，水夹具60、61防止沿着心轴棒74输送坯体通过水夹具。

水夹具60、61操作以使得在挤压期间的任何指定时间，水夹具中的至少一个夹紧到心轴棒74或者与心轴棒74相接合，并且由此将冷却水输送到心轴棒74中以用于输送到心轴棒的末端。当坯体通过水夹具60、61中的一个时，相应的水夹具中断输送冷却水并且释放心轴棒74或与心轴棒74分离，以便在再次夹紧心轴棒74并继续输送冷却水之前允许坯体穿过其中。在从心轴棒74释放水夹具60、61中的一个或者使水夹具60、61中的一个与心轴棒74分离时，另一个水夹具继续将冷却水输送到心轴棒。

例如，上游水夹具60可以释放心轴棒74，同时下游水夹具61夹紧到心轴棒74。在任何指定时间，水夹具60、61中的至少一个优选地夹紧到心轴棒74，以便连续地输送冷却水。在上游水夹具60附近排队或排列或沿着心轴棒74运送的一个或多个坯体可以穿过打开的上游水夹具60。在特定数量的坯体已经穿过打开的上游水夹具62之后，水夹具60可以闭合并由此恢复成夹持心轴棒74和输送冷却水，而且坯体可以行进到下游水夹具61。下游水夹具61可以保持闭合，由此夹持心轴棒74，或者下游水夹具61可以在上游水夹具60重新夹持心轴棒74之后打开。尽管在挤压机系统57中示出了两个水夹具60、61，但是应当理解，可以设置任何适当数量的水夹具。

心轴棒74基本沿着挤压机系统57的长度延伸并且定位成使心轴杆末端穿过旋转模具70。旋转模具70可以包括图1中示出的模具本体18。通过使心轴支架段58运动，由此使心轴棒74运动来完成调节，从而将心轴杆末端准确地定位成穿过旋转模具70。心轴棒74和心轴支架段58的调节可以朝向或远离旋转模具70。在挤压机系统57操作时，优选地不能调节心轴棒74和心轴支架段58，不过应当理解，在某些实施例中，可以在操作期间调节心轴棒74和/或心轴支架段58。

如上所述，挤压机系统57包括压板结构段59，所述压板结构段59具有入口压板65和后模具压板66、压力机压头压板67和68、定心压板69以及压抵在后模具压板66上的旋转模具70。压力机压头压板组件76位于入口压板65附近并且包括第一压力机压头压板67或A-Ram以及第二压力机压头压板68或B-Ram。第一和第二压力机压头压板67、68将坯体供给到定心压板69中，所述定心压板69夹持坯体并防止坯体在进入旋转模具70之前旋转，所述旋转模具70压抵在后模具压板66上。

压机力压头压板67、68操作以夹持坯体并且沿着挤压模具堆叠体的方向提供基本恒定的推力。在任何指定的时刻，压力机压头压板67、68中的至少一块夹持坯体并使得坯体沿着心轴棒74行进，以便提供恒定的推力。在坯体进入到挤压子系统78的定心插入件和旋转模具70之前，压力机压头压板67、68形成坯体输送子系统77的最后部分。与入口压板65之前的坯体供给轨道段相类似地，在压力机压头压板67、68之前的区段优选地连续排列坯体，以便最小化由压力机压头压板67、68夹持的坯体和下一个坯体之间的任何间隙。

如上文所讨论的那样，压力机压头压板67、68连续地将坯体推入到旋转模具70中。压力机压头压板67、68交替夹持坯体并使坯体向旋转模具70行进而且进入旋转模具70中，随后释放行进的坯体并且收回，以用于下一个夹持/行进循环。优选地，在一个压力机压头压板停止推动和另一个压力机压头压板要开始推动之间存在重叠，使得作用在旋转模具70上的压力始终一致。压力机压头压板67、68经由联接至相应压力机压头压板的压力机压头滚筒而行进和收回。如图所示，每个压力机压头设有两个压力机压头滚筒79、80。第一组压力机压头滚筒80位于入口压板65的左侧和右侧(不过右侧的压力机压头滚筒隐藏在左侧的压力机压头滚筒后方)。第一组压力机压头滚筒80与第一压力机压头压板67相联并且构造成使得第一压力机压头压板67在第一压力机压头压板67使坯体行进和收回以夹持随后的坯体时运动。第二组压力机压头滚筒79位于入口压板65的顶部和底部。第二组压力机压头滚筒79与第二压力机压头压板68相联并且构造成使得第二压力机压头68在第二压力机压头68使坯体行进和收回以夹持随后的坯体时运动。尽管针对第一和第二压力机压头压板67、68中的每一方都示出了两个压力机压头滚筒，但是应当理解，可以设置任何适当数量的压力机压头滚筒，并且在某些实施例中，压力机压头滚筒可以联接至第一和第二压力机压头压板67、68。

定心压板69接收通过压力机压头压板67、68而行进的坯体并且用于在坯体进入旋转模具70之前的挤压工艺期间保持坯体。当定心压板69安置就位以用于挤压工艺时，定心压板69基本成为挤压旋转模具70的一部分。即，定心压板69的定心插入件基本抵接旋转模具70。然而，定心压板69自身和其中包括定心插入件的部件并不随着旋转模具70旋转。定心压板69通过夹持坯体并由此防止坯体在进入旋转模具70之前旋转而防止在旋转模具70旋转时不再由第二压力机压头保持的坯体旋转。

返回参照图1的模具组件1，当在挤压工艺中例如在图2的挤压系统中使用该组件时，定心插入件9行进至模具本体18的前边缘，使得定心插入件9的前表面55接触模具本体18的前表面16。在图3中示出了在挤压期间模具本体18和定心插入件9的这种取向。沿着该取向，定心插入件9和模具本体18的面55和16之间的接触相应地防止在挤压工艺期间材料从模具本体18中泄漏。为了开始挤压，坯体17沿着箭头A的方向在心轴棒10上行进并且通过模具组件1，以便将坯体17压到挤压管产品中。在进入模具组件1之前，坯体17行进到定心插入件9的开口15中，夹持件44在此接合坯体17的外表面。随着坯体17行进通过开口15，在坯体17接触到模具本体18的旋转内表面14时，这些夹持件44防止坯体17旋转。

尽管坯体17和定心插入件9在挤压工艺期间不旋转，但是模具本体18和基板8因马达驱动的转轴56而旋转，模具本体连接至所述基板8。随着坯体17行进通过定心插入件9，其穿过模具本体18的入口11并且接触模具本体18的内表面14。因旋转模具18和坯体17之间的干涉接触而将扭转力施加到坯体17的外表面。定心插入件9的夹持件44抵抗该扭转力并且防止坯体17在进入模具本体18之前旋转从而产生摩擦和生成加热坯体17的能量。

通过中心孔的形状和取向限定模具本体18的渐缩内表面14的轮廓，所述中心孔穿过模具本体18中的板。模具本体18由模具板堆叠体形成，其包括钢端保持件3、入口板4、第一中间板5、第二中间板6和出口板7。构成模具本体18的这一系列板堆叠在一起，通过紧固件例如图1中的螺栓2彼此固定并且连接至基板8。螺栓2安置在每一个通孔12中，所述通孔12穿过板3至8中的每一块。随后，基板8联接至马达驱动的转轴56，转轴56使基板8以及模具本体18的板3-7旋转。在某些实施例中，可以采用这样的模具本体，所述模具本体包括比在模具本体18中示出的五块板3-7更多或更少的板。

由模具本体18的板的中心孔形成的内表面14呈渐缩轮廓，所述渐缩轮廓使得通过模具本体18的内部通道从通道入口11到出口板7处的通道出口逐渐变窄。因此，在向坯体17施加力以挤压坯体通过模具本体18时，坯体17的材料被挤压，此时迫使材料的外径减小以通过每一块板3-7。参照图4至图13在下文更加详细描述了板3-7的尺寸以及内表面14和坯体17之间的相互作用。

图4至图9示出了模具本体18中的每一块板3-7和基板8，模具本体18连接至基板8。图4示出了模具本体18的钢端保持件3，所述钢端保持件3形成模具本体的正面16和模具本体的内部通道的入口11。钢端保持件3包括中央圆孔21，当堆叠在模具本体18中时，所述中央圆孔21限定入口11的直径。如图4所示，钢端保持件3由两种材料形成，其中，板的外周19由一种材料形成，孔21的周边20由另一种不同的材料形成。可以选择构成钢端保持件3的两种材料，以便形成钢端保持件3和定心插入件9以及入口板4两者之间的接触面。例如，外周19可以由钢例如H13钢形成，这是与形成入口板4外周的材料相同或类似的材料，而孔周边20可以由不同的材料例如铬镍铁合金钢形成，这是与用于形成定心插入件9的材料相同或类似的材料。通过使孔周边20和定心插入件9的材料匹配，孔周边20的正面23提供互补接触面，所述互补接触面在使用模具组件1时减小磨损，所述正面23接触定心插入件9的正面55。因为模具本体18旋转且定心插入件9保持静止，所以可以在面23和面55之间产生摩擦。通过由相同材料或类似材料形成孔周边20和定心插入件9，与调节表面55作用于表面16的压力相结合，就能最小化这种摩擦的磨损效果，尤其是在启动和停止挤压工艺期间模具本体18开始旋转或停止旋转时。

模具本体18中的第二板是入口板4，如图5所示。与钢端保持件3一样，入口板4由两种不同的材料形成。第一种材料形成板的外周25，第二种材料在穿过板的中心的中心孔周围形成孔周边24。外周25可以由与钢端保持件3的外周相同或类似的材料例如H13钢材料制成。孔26的周边24由耐磨损材料例如陶瓷材料制成，以在坯体例如坯体17被挤压通过孔26并且接触内表面27时抵抗退化。

模具本体18的内表面14的从模具本体入口11至模具本体出口的渐缩开始于入口板4。周边24的内表面27成一定角度，使得中心孔26的直径在抵接钢端保持件3背面的入口板4的正面处较大而在抵接第一中间板5的入口板4的背面处较小。当在正面处直径等于孔26的直径的坯体17被挤压通过入口板4时，表面27的渐缩在旋转的入口板4和坯体17之间造成摩擦。当坯体17行进到旋转模具本体18中时，这种摩擦生成加热坯体17的能量，使得通过渐缩内表面14的坯体开始变形。与预先加热的坯体和非旋转模具之间的接触产生作为副产品的热能的挤压工艺相比，由于需要将坯体加热到足以变形的温度，因此未预先加热的坯体17的摩擦生热是挤压所必须的。

图6示出了第一中间板5，所述第一中间板5位于构成模具本体18的板堆叠体中的入口板4后方。第一中间板5包括由第一种材料形成的外周29和由第二种材料形成的孔周边28。外周29可以由与堆叠体中的其它板的外周相同或类似的材料例如H13钢形成。贯穿板的中心孔30的周边28可以由耐磨材料例如陶瓷材料形成，正如参照入口板4的孔周边24所讨论的那样。孔周边28的内表面31从抵接堆叠体中的入口板4的第一中间板5的正面到抵接板堆叠体中的第二中间板6的第一中间板5的背面渐缩。内表面31的角度使中心孔30从正面到背面渐缩而且使模具本体18的内部通道和表面14渐缩，正如参照入口板4的中心孔26在上文讨论的那样。

相对于入口板4的内表面27的锥度而言，内表面31关于第一中间板5中的中心孔30的中心轴线渐缩的角度取决于正在被挤压的材料和模具板的总数量。在用于特定材料的某些实施例中，内表面31渐缩的角度可以小于入口板4的内表面27的锥度角。内表面的这种角度变化以及中心孔30相对于中心孔26的更小的直径可以将与坯体17的摩擦相互作用和使坯体17变形所需的功更加均匀地分散在入口板4和第一中间板5上，减小材料磨损并延长模具板的使用寿命，以及提高挤压产品的同心度和一致性。参照图10、图12和图13中示出的剖视图，在下文中更加充分地讨论功和摩擦力的这种分散以及在材料和表面渐缩角度之间的相互关联。

在图7中示出了在模具堆叠体中的在第一中间板5之后的第二中间板6。与板3-5类似，第二中间板6具有：外周32，所述外周32由第一材料形成；和围绕中心孔34的周边33，所述周边33由第二种材料形成。形成外周32的第一种材料可以与堆叠体中的其它板的材料相同或类似，例如H13钢，而形成孔周边33的材料可以是耐磨材料，例如陶瓷。围绕中心孔34的周边33的内表面35从板6的抵接第一中间板5的正面到板6的抵接出口板7的背面成一定角度地延伸。

板堆叠体中构成模具本体18的最后一块板是在图8中示出的出口板7。与板3-6类似，出口板7的外周36由第一种材料例如H13钢形成，围绕中心孔38的周边37由第二种材料例如耐磨陶瓷形成。出口板7的直径远小于图4中示出的钢端保持件3处的开口11的直径，原因在于内表面14从钢端保持件3到出口板7渐缩。包围出口板7的中心孔38的内表面39相对于中心孔38的中心轴线成一角度。中心孔38的最窄段限定贯穿模具本体18的通道的最窄部分，并且因此设定在坯体17被挤压通过模具本体18时生产的挤压管的外径。以下将参照图13更详细地讨论使用模具组件1产生的挤压产品的直径和尺寸。

图9示出了基板8，所述基板8将形成模具本体18的堆叠板联接至旋转动力源。例如，如图1和图3所示，模具组件1中的基板8将模具本体18联接至转轴56。转轴56由马达驱动旋转，所述马达以设定的转速驱动转轴56旋转。转轴56通过螺栓连接至基板8，所述螺栓穿过基板8的周边周围的外通孔43并将转轴56的旋转力传递到基板8。基板8还通过螺栓例如图1中示出的螺栓2旋转联接至模具本体18中的板，所述螺栓穿过模具本体18中的通孔12并且进入基板8的孔42中。

基板8包括中心孔40，所述中心孔40具有内表面41。孔40和内表面41限定基板8中的开口，所述开口的直径可以大于出口板7中的孔的直径。基板孔40的更大的直径允许挤压材料离开模具本体18且不直接接触内表面41，并且可以允许冷却组分例如流体源部分地进入基板8并在模具本体18的出口附近将冷却流体施加至离开出口板7的挤压材料。出口板7还可以包括板的背面附近的后角(relief angle)，所述后角还有助于施加冷却流体，正如参照图13在下文讨论的那样。

在通过堆叠板3-7挤压和利用安置到模具本体板的通孔12和基板的孔42中的螺栓将由板形成的模具本体18连接至基板8之前，将模具组件1组装完成。堆叠以形成模具本体18的这些板形成模具本体18的内轮廓，所述内轮廓导致挤压的坯体被推压通过模具组件1。在图10的模具组件1的剖视图中示出了这种堆叠板的内轮廓和取向。

图10中的剖视图示出了模具本体18和定位成用于挤压的定心插入件9。模具板3-7通过插入到板的外周19、25、29、32和36的一系列通孔12中的螺栓2联接在一起并紧固到基板8。以这样的取向，模具本体18中的内部通道54的开口11与定心插入件9对准，以便接收沿着内部通道54的中心轴线45被挤压通过定心插入件9的开口并进入模具本体18的坯体。

模具板3-7的孔周边23、24、28、33和37中的每一个均抵接毗邻板的孔周边，以便形成渐缩内表面14，所述渐缩内表面14限定出贯穿模具本体18的内部通道54。内表面14使得内部通道54从开口11处的通道最大直径到出口81处的最小直径逐渐变窄，并且通道54的逐渐变窄导致在操作期间被挤压到旋转模具本体18中的坯体逐渐变窄的变形和挤压。挤压需要在内表面14的接触面处产生摩擦能量，以便加热坯体，而能量能够在模具板3-7的孔周边上造生磨损。为了在挤压期间减小摩擦磨损的影响并且在内表面14上产生均匀的应力，内表面27、31、35和39设计成分散摩擦接触面并减少能量和摩擦在任何一块板上的集中。内表面的设计和内表面14的轮廓因不同的应用特别是对不同材料的挤压而有所不同。根据用于挤压的坯体的材料性能例如可以在挤压期间影响坯体加热的传热性能，模具本体中的模具板的内轮廓可以变化，以便分散模具板上的功和磨损。另外，模具转速可以变化，以便提高模具的效率并且避免超过坯体的材料性能。例如，模具转速可以介于约200rpm到约1000rpm之间。在某些应用中，更慢的转速例如约300rpm对于避免将高水平的扭转剪切力施加到坯体同时仍能将坯体加热到足以用于变形的温度而言是理想的。更快的转速例如约800rpm可以用于这样的材料，所述材料不受更高扭转剪切力的不利影响或需要更多的能量，并且因此需要更大的摩擦来加热到变形温度。在其它的实施例中，对于挤压而言理想的是超过100rpm的模具转速。

如图10所示，内表面27、31、35和39相对于中心轴线45不以一致的角度渐缩。图示的模具中的每个表面均以一定的角度渐缩，所述角度从开口11附近的入口板4到出口81处的出口板7减小。这种减小的角度设计对于特定的挤压材料或模具组件1的特定应用是理想的。然而，在某些实施例中，内表面27相对于中心轴线45的锥角可以等于或小于毗邻表面31的锥角。在图10示出的实施例中，入口板4的内表面27渐缩的角度46大于出口板7的内表面39渐缩的角度47。由于中心孔的从开口11至出口81的直径差，因此板之间的锥角差能将摩擦能量和应力分散在板上。

每块板均具有入口直径例如入口板4的直径d5和出口直径例如入口板4的直径d7。在将坯体挤压到板中时，必须产生阈值量的能量，以便加热坯体并使得坯体从直径d5变形为直径d7。通过直径减小的百分比，尤其是当坯体穿过入口板4时坯体的横截面积减小的百分比来影响该能量阈值。如果板3-7中的每个中心孔都以单一的一致角度渐缩，则从每块板的入口到出口的直径变化将相等，因此对于每块后续板而言坯体横截面积减小的百分比将增加。例如，如果入口板4的直径d5和d7之间的绝对差等于板7的直径d6和d8之间的绝对差，则板7中的中心孔的直径减小的百分比将高于入口板4中的中心孔的直径减小的百分比，并且更大量的应力和能量将导致板7比入口板4更快地磨损。

除了坯体在板上的面积减小百分比之外，坯体材料的机械性能和热性能也可以决定模具堆叠体中的板的数量和设计。例如，具有高热导率的坯体材料可以比具有低热导率的材料更快地加热到可变形温度，并且因此，可以针对高传导率的材料使用具有更少板的较短模具。另外，对于高传导率的材料而言，因为坯体的加热更快，所以模具的内表面的锥角可以更大。在其它的实施例中，可以使用具有相同数量的板的尺寸相等的模具，并且模具的锥角可以不同，以便在模具表面上以及在模具内的心轴的表面上尽可能均匀地分散功和磨损的同时适应不同的热性能并且将坯体加热到可变形温度。

被挤压通过模具本体18的坯体通过模具本体18的出口81生产出挤压管产品，其具有类似于直径d8的外径，直径d8是在出口板7的最窄部分处的直径。通过使心轴棒10行进到模具本体18中来选择挤压产品的内径，其中，心轴末端在心轴棒10的端部处具有选定用于建立管产品内径的端部尺寸。图11示出了心轴末端48，所述心轴末端48可以联接至心轴棒10的端部，以便建立用于挤压管的理想内径。心轴末端48具有开口端部82，所述开口端部82构造成联接至心轴棒10的端部。在挤压期间产生的摩擦能量和热量可以加热心轴末端48，并且开口端部82可以从冷却系统接收流过心轴棒10的冷却流体例如水或气体，以便冷却心轴末端48。

与心轴末端48的开口端部82相对的端部是闭合端部51。闭合端部51的直径是这样的尺寸，所述尺寸设定在末端48上挤出的管的内径，并且能够从具有不同直径的一系列末端中选择末端48，以便实现具有不同内径尺寸的挤压产品。在开口端部82和闭合端部51之间设有末端外表面84的三个部分49、83和50。在挤压期间，沿着箭头C的方向在心轴棒10和末端48上挤压坯体，使得坯体经过包括末端部分49和83的变形区域以及端部部分50。当末端48定位成用于挤压时，该末端行进到模具中，直到闭合端部51延伸超过模具的后出口位置，在所述后出口处，模具直径最窄。空心芯部直径基本等于末端部分49的外径的坯体随后穿过心轴棒10和末端48。在末端部分49处，周围模具的直径变窄，并且在压缩坯体的外径时模具和坯体之间的摩擦产生加热坯体的能量。随后经过加热的坯体穿过末端部分83，并且随着材料的挤压，坯体的空心芯部的内径减小成端部部分50的外径。以下参照图12和13更详细地讨论在心轴末端48上的这种挤压。

图12示出了模具组件1，其中，心轴棒10和心轴末端48行进通过定心插入件9并且进入到模具本体18的中心通道54中。心轴棒10定位成使得心轴末端48延伸通过出口板7中的出口81。如参照图2在上文讨论的那样，挤压机系统中的夹持元件可以用于保持心轴棒10并且以图12所示的取向、在模具本体18旋转并且坯体穿过心轴棒10的同时抵抗旋转。

图13示出了当坯体17穿过模具本体18并且被挤压形成管53时图12中的模具组件和心轴末端构造。在挤压期间，模具本体18在心轴棒10和定心插入件9保持静止的同时旋转。沿着箭头A的方向将坯体17挤压到模具本体18中并且坯体17在第一接触点85处接触模具本体18的内表面14。内表面14和坯体17之间的干涉接触在接触点85处开始并且产生能量，所述能量将坯体17加热到可塑性变形的温度。

当坯体17在心轴末端48的第一部分49上行进时，内表面14的渐缩部将压缩力施加到坯体17的外表面，这就将坯体向内朝向心轴末端48挤压。因为坯体17处于可塑性变形的状态，所以当模具本体18使坯体17的外径从初始直径d2减小时，沿着心轴末端48的一部分83的方向挤压坯体中的材料。当坯体17抵达末端部分83时，末端部分83的朝向端部部分50的渐缩部致使坯体17的内径被挤压并随着坯体进一步在心轴末端48上行进而从初始直径d1减小。末端部分83处的心轴末端48的渐缩表面可以基本对应于包围末端部分83的区域中的内表面14的角度，以便在这个部分中产生基本一致的挤压。例如，从末端部分83的靠近第一末端部分49的端部到末端部分83的端靠近部部分50的端部，坯体17的外径和内径可以减小基本相同的量或基本相同的百分比。

当挤压出的坯体17抵达端部部分50时，坯体的内径从初始直径d1减小至最终管产品的最终直径d3。随着坯体17穿过端部部分50，在挤压管产品53离开出口板7时坯体17的外径继续减小至最终外径d4。在出口处，完成挤压产品53的成形。由于模具本体18内的摩擦和加热，产品53在离开模具本体18时处于高温，并且可以应用冷却元件，以便防止进一步变形或提高挤压机的操作安全性，避免挤压材料逸出或者保持所需的材料特性。在图13中示出了基板8中的孔40，其中，所述孔40的直径大于出口板7的出口直径。该构造可以是优选的，以用于允许冷却元件和冷却流体进入基板8，并且一旦挤压产品53脱离出口板7的最终支承就与之接触，以便尽快冷却。出口板7包括后角表面86，以便进一步有助于将流体材料尽可能地引导至模具本体18的出口81附近。在产品53离开基板8并且经过冷却系统之后，完成挤压工艺，并且可以收集产品53以用于后处理。

应当理解，以上的描述仅仅是说明性的，并且不应当局限于在此给出的细节。尽管已经在本公开中提出了若干实施例，但是应当理解，在不背离本公开的范围的前提下能够以多种其它的特定形式实施所公开的系统、装置和方法以及其中的部件。

在研读本公开之后，本领域技术人员可以设想多种修改方案。能够以任意的组合和子组合实施所公开的特征，包括具有本文描述的一个或多个其它特征的多个从属组合和子组合。本文中描述或图解的各种特征，包括其任意组合在内，可以被组合或结合到其它的系统中。而且，可以省略或不实施某些特征。在不背离本文公开的信息的范围的前提下，本领域技术人员能够确定变型方案、替换方案或修改方案的示例。本文引用的所有参考文献都通过全文引用并入并且构成本申请的一部分。

Claims (46)

1.一种用于挤压材料的模具组件，包括：

联接在一起以形成模具本体的多块模具板，所述模具本体具有：

通道，所述通道限定入口和出口，其中，所述出口的直径小于所述入口的直径；以及

所述入口和所述出口之间的渐缩内表面；

其中，每一块模具板都具有中心孔，所述中心孔的内表面围绕所述中心孔，与第二模具板中的中心孔的内表面相比，第一模具板中的中心孔的内表面相对于所述通道的轴线以更小的角度渐缩，所述第二模具板定位成毗邻所述第一模具板的正面，并且

其中，所述模具板中的至少一块由两种不同的材料形成，第一种材料形成所述模具板中的中心孔的周边，第二种材料形成所述模具板的外部；以及

联接至所述模具本体的基部，其中，所述基部的旋转致使所述模具本体旋转。

2.根据权利要求1所述的模具组件，其中，所述第二模具板定位成比所述第一模具板更靠近所述模具本体的入口。

3.根据权利要求1所述的模具组件，还包括具有中心孔的第三模具板，与定位成毗邻所述第三模具板的正面的模具板中的中心孔的内表面相比，所述第三模具板的中心孔的内表面相对于所述轴线以更大的角度渐缩。

4.根据权利要求3所述的模具组件，其中，定位成毗邻所述第三模具板的正面的模具板是所述第一模具板。

5.根据权利要求3所述的模具组件，其中，所述第三模具板定位成比所述第一模具板更靠近所述模具本体的出口。

6.根据权利要求1所述的模具组件，还包括第三板，所述第三板形成所述模具本体的一部分，所述第三板具有中心孔，围绕所述第三板的中心孔的内表面相对于所述轴线不以一定的角度渐缩。

7.根据权利要求6所述的模具组件，其中，所述第三板的中心孔限定所述模具本体的入口。

8.根据权利要求1所述的模具组件，其中，所述基部包括中心孔。

9.根据权利要求8所述的模具组件，其中，所述基部的中心孔的直径大于所述模具本体的出口的直径。

10.根据权利要求1所述的模具组件，其中，所述模具本体构造成接收用于挤压的材料坯体，并且在坯体进入所述模具本体之前不预先加热坯体。

11.根据权利要求10所述的模具组件，其中，所述模具本体的旋转在所述渐缩内表面和行进通过所述入口并进入所述模具本体的内部通道的坯件之间产生摩擦。

12.根据权利要求11所述的模具组件，其中，所述摩擦将坯体加热到足以致使坯体材料变形的温度。

13.根据权利要求12所述的模具组件，其中，经过加热的坯体能够在不超过坯体材料的机械性能极限的变形力的作用下变形。

14.根据权利要求13所述的模具组件，其中，坯体在心轴上行进，坯体和心轴之间的摩擦加热坯体和心轴。

15.根据权利要求14所述的模具组件，其中，冷却系统向所述心轴的内部提供冷却流体。

16.根据权利要求1所述的模具组件，其中，所述第一种材料和第二种材料中的至少一种是陶瓷材料。

17.根据权利要求1所述的模具组件，其中，所述第一种材料和第二种材料中的至少一种是钢。

18.根据权利要求1所述的模具组件，其中，所述第一种材料和第二种材料中的至少一种是耗材。

19.根据权利要求1所述的模具组件，其中，所述模具本体的正面在所述入口附近构造成与定心插入件相配合，所述定心插入件的直径基本等于所述入口的直径。

20.根据权利要求19所述的模具组件，其中，所述入口的周边和所述定心插入件由相同的材料形成。

21.根据权利要求1所述的模具组件，其中，所述模具本体构造成通过所述入口接收心轴末端，以使所述心轴末端能够定位在所述模具本体的内部通道中。

22.根据权利要求21所述的模具组件，其中，所述模具本体的内表面包括互补部分，所述互补部分具有的角度对应于所述心轴末端的外表面的角度。

23.根据权利要求21所述的模具组件，其中，所述模具本体构造成接收被挤压通过所述模具本体的内部通道的坯体以形成挤压产品，所述挤压产品的外径对应于所述模具本体的出口的直径并且所述挤压产品的内径对应于所述心轴末端的直径。

24.一种模具组件，包括：

用于挤压材料的装置，所述用于挤压材料的装置包括多个板装置并且具有：

通道装置，所述通道装置限定所述用于挤压材料的装置的入口和出口，其中，所述出口的直径小于所述入口的直径；以及

所述入口和所述出口之间的渐缩表面装置；

其中，每一个所述板装置都具有中心孔，所述中心孔的渐缩表面围绕所述中心孔，与第二板装置中的中心孔的内表面相比，第一板装置中的中心孔的内表面相对于所述通道装置的轴线以更小的角度渐缩，所述第二板装置定位成毗邻所述第一板装置的正面，并且

其中，所述板装置中的至少一个由两种不同的材料形成，第一种材料形成所述板装置中的中心孔的周边，第二种材料形成所述板装置的外部；以及

用于将所述用于挤压材料的装置联接至旋转装置的联接装置，其中，所述联接装置的旋转致使所述用于挤压材料的装置旋转。

25.根据权利要求24所述的模具组件，其中，所述第二板装置定位成比所述第一板装置更靠近所述用于挤压材料的装置的入口。

26.根据权利要求24所述的模具组件，还包括具有中心孔的第三板装置，与定位成毗邻所述第三板装置的正面的板装置中的中心孔的内表面相比，所述第三板装置的中心孔的内表面相对于所述轴线以更大的角度渐缩。

27.根据权利要求26所述的模具组件，其中，定位成毗邻所述第三板装置的正面的板装置是所述第一板装置。

28.根据权利要求26所述的模具组件，其中，所述第三板装置定位成比所述第一板装置更靠近所述用于挤压材料的装置的出口。

29.根据权利要求24所述的模具组件，还包括第三板装置，所述第三板装置形成所述用于挤压材料的装置的一部分，所述第三板装置具有中心孔，围绕所述第三板装置的中心孔的内表面相对于所述轴线不以一定的角度渐缩。

30.根据权利要求29所述的模具组件，其中，所述第三板装置的中心孔限定所述用于挤压材料的装置的入口。

31.根据权利要求24所述的模具组件，其中，所述联接装置包括中心孔。

32.根据权利要求31所述的模具组件，其中，所述联接装置的中心孔的直径大于所述用于挤压材料的装置的出口的直径。

33.根据权利要求24所述的模具组件，其中，所述用于挤压材料的装置构造成接收用于挤压的材料坯体，并且在坯体进入所述用于挤压材料的装置之前不预先加热坯体。

34.根据权利要求33所述的模具组件，其中，所述用于挤压材料的装置的旋转在所述渐缩表面装置和行进通过所述入口并进入所述用于挤压材料的装置的通道装置的坯体之间产生摩擦。

35.根据权利要求34所述的模具组件，其中，所述摩擦将坯体加热到足以致使坯体材料变形的温度。

36.根据权利要求35所述的模具组件，其中，经过加热的坯体能够在不超过坯体材料的机械性能极限的变形力的作用下变形。

37.根据权利要求36所述的模具组件，其中，坯体在杆装置上行进，坯体和杆装置之间的摩擦加热坯体和杆装置。

38.根据权利要求37所述的模具组件，其中，用于冷却的装置向所述杆装置的内部提供冷却流体。

39.根据权利要求24所述的模具组件，其中，所述第一种材料和第二种材料中的至少一种是陶瓷材料。

40.根据权利要求24所述的模具组件，其中，所述第一种材料和第二种材料中的至少一种是钢。

41.根据权利要求24所述的模具组件，其中，所述第一种材料和第二种材料中的至少一种是耗材。

42.根据权利要求24所述的模具组件，其中，所述用于挤压材料的装置的正面在所述入口附近构造成与用于给坯体定心的定心装置相配合，所述定心装置的直径基本等于所述入口的直径。

43.根据权利要求42所述的模具组件，其中，所述入口的周边和所述定心装置由相同的材料形成。

44.根据权利要求24所述的模具组件，其中，所述用于挤压材料的装置构造成通过所述入口接收杆末端装置，以使所述杆末端装置能够定位在所述用于挤压材料的装置的内部通道中。

45.根据权利要求44所述的模具组件，其中，所述用于挤压材料的装置的渐缩表面装置包括互补部分，所述互补部分具有的角度对应于所述杆末端装置的外表面的角度。

46.根据权利要求44所述的模具组件，其中，所述用于挤压材料的装置构造成接收被挤压通过所述用于挤压材料的装置的通道装置的坯体以形成挤压产品，所述挤压产品的外径对应于所述用于挤压材料的装置的出口的直径并且所述挤压产品的内径对应于所述杆末端装置的直径。