CN108698252B - 用于蜂窝体的挤出组件 - Google Patents

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Abstract

一种蜂窝体挤出模头，其包含至少一些狭缝(308)和与蜂窝体的本体区域对应的本体标称区段，其中，每一条狭缝(308)具有特征凹部(312)和宽部，其中，所述特征凹部(312)向着排出表面(324)的方向与供料孔‑狭缝交叉处(332)间隔开，所述宽部在排出表面处延伸进入模头主体(358)到达特征凹部(312)，以强化加固区域中的蜂窝型挤出物的外围区域。

Description

用于蜂窝体的挤出组件
相关申请的交叉引用
本申请涉及2016年2月11日提交的系列号为62/294199的美国临时专利申请以及2016年2月15日提交的系列号为62/295384的美国临时专利申请，本文以它们的内容为基础并通过引用将其全文纳入本文。
背景
领域
本公开的示例性实施方式涉及用于制造蜂窝体的挤出模头及其使用方法，更具体而言，涉及用于挤出陶瓷组合物的挤出模头以及使用该挤出模头制造由陶瓷组合物构成的蜂窝体的方法。
背景讨论
流体的清洁(例如空气过滤)以及对来自内燃机发动机的尾气的后处理可使用负载于高表面积基材和过滤器上的催化剂。这些应用中的过滤器和催化剂可以是耐火的、耐热冲击的、在某个范围的pO2条件下是稳定的、不与催化剂系统反应以及对流体流的阻力小。可在这些应用中使用包括多孔陶瓷流通式蜂窝基材和壁流式蜂窝过滤器的蜂窝体。
陶瓷蜂窝体的制造可通过以下处理来完成：通过蜂窝挤出模头挤出陶瓷粉末批料混合物以形成蜂窝挤出物，然后对挤出物进行干燥和烧制，以生产具有高强度和耐热性的陶瓷蜂窝体。由此制得的陶瓷蜂窝体被广泛用作清洁流体的陶瓷催化剂载体和壁流式微粒过滤器。
蜂窝体挤出模头可包含多个供料孔和柱销阵列，所述柱销阵列被间隔开，以限定排出狭缝的蜂窝网络。模头可被安装至挤出设备的一些部位，以挤出由陶瓷批料和/或形成陶瓷的材料的批料形成的蜂窝体。
背景部分中公开的上述信息仅用于增强对本公开的技术背景的理解并且因此可能含有不构成现有技术任意部分的信息或现有技术对本领域普通技术人员的可能启示。
概述
本公开的示例性实施方式提供一种蜂窝体挤出模头。
本公开的示例性实施方式还提供一种制造蜂窝体挤出模头的方法。
本公开的示例性实施方式还提供一种制造蜂窝体的方法。
本公开的示例性实施方式还提供一种蜂窝体。
本公开的其它特征将在下文的描述中阐述，且其在某种程度上会通过描述或对本公开的实施而变得显而易见。
一种示例性的实施方式公开了一种蜂窝体挤出模头，其包含模头主体。所述模头主体包含入口表面和与入口表面相反的排出表面；从入口表面延伸进入模头主体的供料孔；和呈交叉阵列的排出狭缝，所述排出狭缝从排出表面延伸进入模头主体，在模头主体内的交叉处与供料孔相连，所述呈交叉阵列的排出狭缝由被狭缝所限的多个柱销的侧表面形成，且从排出面延伸进入模头主体。形成狭缝壁的柱销侧表面中的至少一些包含与供料孔-狭缝交叉处间隔开且与排出表面间隔开的特征凹部。所述多条狭缝包含第一组狭缝和第二组狭缝，其中，所述第一组狭缝在排出表面处在相邻柱销之间具有宽度W1，该第一组狭缝从所述排出表面轴向延伸，与所述供料孔在所述模头主体内的交叉处相连，所述第二组狭缝在排出表面处在相邻柱销之间具有大于W1的宽度W2，该第二组狭缝从所述排出表面轴向延伸，与所述供料孔在所述模头主体内的交叉处相连。
一种示例性的实施方式还公开了一种制造陶瓷制品的方法。所述方法包括通过上述蜂窝体挤出模头挤出批料。
一种示例性的实施方式还公开了一种蜂窝体，其包含位于蜂窝挤出物本体区域中的具有标称厚度的交叉壁、以及位于包围本体区域的蜂窝挤出物强化区域中的具有更大厚度的交叉壁。
一种示例性的实施方式还公开了一种蜂窝体挤出模头，其包含至少两个相邻的柱销，所述柱销包含限定狭缝的第一面向侧，其中，所述第一面向侧包含：供料区段，所述供料区段限定狭缝上游部，配置成接收来自供料孔的批料；特征凹部(divot)区段，所述特征凹部区段限定狭缝特征凹部；排出区段，所述排出区段限定狭缝排出部，配置成在排出表面处排出批料，其中，所述狭缝特征凹部设置在所述狭缝上游部与所述狭缝排出部之间，且所述狭缝特征凹部宽于所述狭缝上游部和所述狭缝排出部，且所述狭缝排出部宽于所述狭缝上游部。在蜂窝体挤出模头的这些示例性实施方式的一些方面中，狭缝排出部的宽度从狭缝特征凹部至排出表面是恒定的。
一种示例性的实施方式还公开了一种蜂窝体挤出模头，其包含模头主体。所述模头主体包含入口表面和与入口表面相反的排出表面；从入口表面延伸进入模头主体的供料孔；和呈交叉阵列的排出狭缝，所述排出狭缝从排出表面延伸进入模头主体，在模头主体内的交叉处与供料孔相连，所述呈交叉阵列的排出狭缝由被狭缝所限的多个柱销的侧表面形成，且从排出面延伸进入模头主体。形成狭缝壁的柱销侧表面中的至少一些包含与排出表面间隔开的气室。所述多条狭缝包含第一组狭缝和第二组狭缝，其中，所述第一组狭缝在排出表面处在相邻柱销之间具有宽度W1，所述第二组狭缝在排出表面处在相邻柱销之间具有大于W1的宽度W2。
应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述都只是示例和说明性的，并且意在对本公开提供进一步解释。
附图的简要说明
附图用来帮助进一步理解本公开，纳入说明书中并构成说明书的一部分，附图显示了本公开的示例性实施方式，与说明书一起用来解释本公开的原理。
图1是一种挤出机的前端和蜂窝挤出物的示意性图示。
图2显示了根据本公开第一种示例性实施方式的包含狭缝的模头中批料流动的两种稳定(双稳)状态和相关联的性能特征的示意图，其中，所述狭缝具有向着排出面的方向跟供料孔与狭缝的交叉处(供料孔-狭缝交叉处)间隔开的特征凹部，以及在排出面延伸进入模头用以强化蜂窝挤出物外围区域的宽部。
图3示意性地显示了根据本公开第一种示例性实施方式的包含狭缝的模头的局部剖视图，其中，所述狭缝具有向着排出面的方向跟狭缝与供料孔的交叉处间隔开的特征凹部，以及位于排出面处用以强化蜂窝挤出物外围区域的宽部。
图4是根据本公开第一种示例性实施方式的模头狭缝处于图2中双稳态“B2”下的计算阻抗曲线的图示，其中，所述模头狭缝具有向着排出面的方向跟狭缝与供料孔的交叉处间隔开的特征凹部，以及位于排出面处的宽部。
图5显示了根据本公开的第一种实施方式的模头狭缝，该模头狭缝具有向着排出面的方向跟狭缝与供料孔的交叉处间隔开的特征凹部，以及位于排出面处的宽部，还显示了一种标称狭缝，该标称狭缝具有向着排出面的方向跟标称狭缝与供料孔的交叉处间隔开的特征凹部。
图6是通过一种模头挤出的蜂窝体端面的照片，该模头包含外围模头狭缝，所述外围模头狭缝具有向着排出面的方向跟狭缝与供料孔的交叉处间隔开的特征凹部，以及位于排出面处的宽部(加固区域)，所述宽部包围具有特征凹部但无排出面处宽部的标称狭缝。
图7是根据本公开第二种示例性实施方式的外围模头狭缝的示意性剖视图，该外围模头狭缝具有向着排出面的方向跟狭缝与供料孔的交叉处间隔开的特征凹部，以及在加固区域中的排出面处延伸进入模头的宽部，所述加固区域包围具有特征凹部但无排出面处宽部的标称狭缝。
图8示意性地显示了根据本公开第二种示例性实施方式的包含下述狭缝中的至少一些的模头的局部剖视图，其中的每一条狭缝具有向着排出表面的方向跟狭缝与供料孔的交叉处间隔开的特征凹部，以及在排出表面处延伸进入模头主体到达特征凹部以强化蜂窝挤出物外围区域的宽部。
图9是根据本公开第二种示例性实施方式的模头狭缝处于图7中批料流状态“B4”下的计算阻抗曲线的图示，其中，所述模头狭缝具有下述狭缝中的至少一些，其中的每一条狭缝包含向着排出面的方向跟狭缝与供料孔的交叉处间隔开的特征凹部，以及在排出表面处延伸进入模头主体到达特征凹部的宽部。
图10是通过本公开的第二种实施方式的模头挤出的蜂窝体端面的照片，该模头包含外围模头狭缝，所述外围模头狭缝具有下述狭缝中的至少一些，其中的每一条狭缝包含向着排出面跟狭缝与供料孔的交叉处间隔开的特征凹部，以及在排出面处延伸进入模头主体到达特征凹部的宽部(加固区域)，所述宽部包围具有特征凹部但无排出面处宽部(本体或标称区域)的标称狭缝。
图11示意性地显示了根据本公开第三种示例性实施方式的包含使狭缝与供料孔相连的气室和下述狭缝中的至少一些的模头的局部剖视图，其中的每一条狭缝包含向着排出表面跟狭缝与气室的交叉处间隔开的特征凹部，以及在排出表面处延伸进入模头主体到达特征凹部以强化蜂窝挤出物外围区域的宽部。
详细描述
下文中将参照附图对本公开进行更完整的描述，附图中给出了本公开的示例性实施方式。但是，本公开能够以多种不同的形式实施，从而不应被理解成受限于本文提出的实施方式。相反，提供这些实施方式使得说明透彻，并能够向本领域技术人员完整地展示本公开的范围。附图中，为了清楚起见，可能对一些层和区域的尺寸和相对尺寸进行了夸张。
应当理解的是，当描述构件或层“在另一个构件或层上”、“连接至”或“毗邻”另一构件或层时，其可以直接在另一构件或层上、直接连接至或直接毗邻另一构件或层，或者可存在中间构件或层。相反，当描述构件或层“直接在另一构件或层上”、“直接连接至”或“直接毗邻”另一构件或层时，不存在中间构件或层。图中相同的附图标记表示相同的元素。应当理解的是，出于本公开的目的，“X、Y和Z中的至少一个(种)”可被解释为仅X、仅Y、仅Z，或者两个或更多个项目X、Y和Z的任意组合(例如XYZ、XYY、YZ、ZZ)。
多孔陶瓷蜂窝体的制造可通过以下处理来完成：使陶瓷粉末批料混合物塑化，通过蜂窝挤出模头挤出混合物以形成蜂窝体，然后对蜂窝体进行切割、干燥和烧制，以生产具有从第一端面向第二端面轴向延伸的通道的具有高强度和耐热性的多孔陶瓷蜂窝体。批料一沿轴向离开挤出机就硬化成包含轴向延伸交叉壁(网格)的网络的潮湿的挤出物，这些交叉壁形成轴向延伸的通道和轴向延伸的外周表面。网格和通道构成基体。外周表面设置在基体的外周处。本文中，外周表面可被称为共挤出表皮、整体形成的共挤出表皮或表皮。本文中，与基体上的表皮一起被挤出的陶瓷蜂窝体器皿生坯或多孔陶瓷蜂窝体被称为挤出成形蜂窝体。如本文所用，陶瓷蜂窝体包括陶瓷蜂窝整体件和陶瓷分段式蜂窝体以及蜂窝体区段。如本文所用，蜂窝体可指潮湿或经过干燥的器皿生坯，或经过烧制的器皿、蜂窝挤出物、蜂窝原料、蜂窝件或蜂窝制品。
共挤出外表皮或之后施加的外表皮可形成从陶瓷蜂窝体的第一端面向第二端面轴向延伸的外周表面。可在蜂窝体的由交叉壁(网格)限定的各个通道(无论是整体式还是分段式)的入口面或出口面进行封堵，以生产过滤器。当留下一些通道不进行封堵时，可生产局部过滤器。可对蜂窝体(无论是整体式还是分段式)进行催化处理，以生产基材。本文中，未封堵的蜂窝体一般称为基材。经过催化处理的基材可具有之后施加的催化剂或包含挤出的催化剂。此外，可对过滤器和局部过滤器进行催化处理，以提供多种功能。由此制成的陶瓷蜂窝体被广泛用作用于对流体进行清洁(例如净化发动机尾气)的催化剂载体、膜载体、壁流式过滤器、局部过滤器以及它们的组合。
陶瓷蜂窝体的组成不受特别限制，可包含大量和少量的堇青石、钛酸铝、莫来石、β-锂辉石、碳化硅、沸石等以及它们的组合。作为另一个例子，陶瓷蜂窝体可包含挤出的沸石或其它挤出的催化剂。
图1是一种挤出机和蜂窝挤出物的示意性图示。该挤出机可包含前端102，批料作为蜂窝挤出物200在前端102处离开挤出机100。挤出机套筒104可包含挤出硬件，所述挤出硬件包含挤出模头和表皮成形掩模。蜂窝挤出物200具有长度L1，且包含第一端面202和从挤出机前端102向第一端面202延伸的外周表面206。形成相互邻近的通道210的多个交叉壁208沿轴向“A”所示的挤出方向延伸，形成蜂窝基体212。图中图示了形成沿挤出方向延伸的通道216的交叉壁214。与轴向垂直的最大截面尺寸以“D1”表示。例如，当蜂窝挤出物200是圆柱形时，最大尺寸“D1”可以是端面202的直径。例如，当与轴向垂直的蜂窝挤出物200截面区段是矩形时，最大尺寸“D1”可以是端面的对角线。
根据本公开的示例性实施方式的蜂窝基体212包含交叉壁208和交叉壁204，其中，交叉壁208位于蜂窝挤出物200的本体区域218中，且具有标称厚度，而交叉壁204位于蜂窝挤出物200中包围本体区域218的强化区域220(这里称其为“加固”区域)中，且具有更大的厚度。本体区域218可由小于“D1”的第二尺寸“D2”限定。强化区域220可从“D2”向“D1”延伸，或者从“D2”延伸至小于“D1”。外围区域220中更厚的壁对蜂窝挤出物200具有强化效果。加固区域220可延伸至蜂窝挤出物200的外周。可对蜂窝挤出物200进行切割，以形成第二端面，进行干燥和烧制，以形成具有更厚的通道壁204的强化外围区域220的多孔陶瓷蜂窝体。在另一些示例性实施方式中，加固区域可穿过本体区域，例如以45°方向穿过正方形基体，或者以60°方向穿过六边形基体。
通常由诸如不锈钢这样的高强度材料形成的挤出模头包含模头主体，所述模头主体具有供料孔，通过供料孔将塑化陶瓷批料引入模头中。与供料孔相连的是终止于模头排出面上的排出狭缝，从排出狭缝将塑化批料以蜂窝挤出物200的形态排出，蜂窝挤出物200具有包围成形体并粘附于外围壁204的外挤出表皮206。
为了生产出厚度比内部壁208更厚的更坚固的外围壁204，提供了加宽的外围排出狭缝。可通过用具有合适宽度的片状电极(tab electrode)的柱塞EDM(plunge EDM)加工来完成狭缝的加宽。不出所料，该狭缝加宽的结果是使外围蜂窝体壁增厚，以试图增加干燥和烧成的蜂窝结构的强度。然而，意外的结果可能是使增厚了的外围壁发生扭曲，这种扭曲会影响所需的强化，且在一些情况下会导致烧成的蜂窝体的强度降低。
已发现为了挤出具有外围加固区域220的蜂窝体，在模头外围具有宽狭缝宽度的加固区域比具有标称狭缝宽度的模头中心本体区域需要适当更低的批料流动阻抗(压降)，且越靠近表皮(宽狭缝变得逐渐更宽)，就越需要减小流动阻抗。因此，模头供料孔处的流动分布自然会导致流体相比于流向标称区域更多地流向加固区域，且越靠近表皮，就会有越多的批料流向更宽的狭缝。对于外围加固区段而言这种排布是需要的，因为这种流动能够得到填充良好的宽狭缝，导致宽蜂窝体壁具有始终如一的挤出速度，且内部壁208平衡质量流量。
然而，本发明人已发现，模头供料孔处的批料流动分布不会自然导致流体相比于流向标称区域更多地流向加固区域，且越靠近表皮(随着模头狭缝变得更宽)，也不会有更多的批料流向更宽的狭缝。事实上，出人意料地发现事实正好相反，加固区域中的批料流动阻抗甚至比标称区域中的流动阻抗更大，且阻抗甚至随着狭缝变得更宽更靠近表皮而增大。对模头流动模型的这种意外效应的研究表明，加固区段中的狭缝扩张可导致批料流动出现下游向(前向)台阶。当宽狭缝被批料良好地填充时，所述前向台阶可由于批料在被涡流或“死区”困住的批料上滑动而导致额外的压降(本文中称其为批料叠批料)。额外的压力可超过扩张狭缝中的压降，并导致通过加固区段的更高压降。发现因为加固区段中的狭缝具有更宽的扩张，当更靠近外周时，批料叠批料压力增大。增大阻抗的趋势会导致加固区段中的流动减小，使其甚至具有更小的批料流，且向着表皮的方向减小，这与挤出蜂窝体中可接受的加固区域的需求背道而驰。所以，为了在加固区域的宽狭缝中建立起正确的批料流动，需要减小加固区域中的阻抗曲线。
除了导致加固区域中更高阻抗的前向台阶以外，前向台阶还可能在加固区域中导致另一种稳态，即加固区域具有恒定的较低阻抗但其宽狭缝未良好地填充至其设计尺寸。在挤出处理过程中，阻抗增大稳态的批料叠批料以及阻抗减小稳态的未填充宽狭缝都是不希望的，因为这些稳态(本文中统称其为双稳态)中的每一种都会导致不正确的批料流动以及挤出的蜂窝体中的挤出缺陷。为了避免由双稳态导致的缺陷，可消除加固区域狭缝中的前向台阶。然而，消除前向台阶会需要宽狭缝向柱销根部延伸，这会导致加固区域中的压降过度降低和多余批料流，且一些模头几何构型不利于向柱销根部延伸。
如美国专利第6080348中所述，限定模头排出狭缝的柱销可包含侧表面，所述侧表面包含经过几何学设计以改变通过模头的可挤出材料的流动的表面特征，该专利文献的全部内容通过引用纳入本文。本文中将这些经过几何学设计的表面特征称为特征凹部。特征凹部可以是形成于模头柱销选定侧表面中的凹槽或凹陷，其起到了在可挤出材料中引入剪切的作用，从而对其流过包含凹陷的柱销表面产生些许阻碍。特征凹部可与由柱销顶表面形成的模头排出面间隔开，还可与形成于模头主体中的供料孔与排出狭缝之间的供料孔-狭缝交叉处间隔开。
特征凹部是具有预定尺寸和形状的特征，其压制于蜂窝体挤出模头的柱销或狭缝表面上。这与通常出现于按照现有实践加工得到的挤出模头的狭缝区域中的那种随机表面变化形成鲜明对比。
由于排出狭缝中特征凹部的存在，将会在塑化批料中产生的流动改性不仅会取决于特征凹部的数量、尺寸和形状，还会取决于诸如挤出材料的流变性和所采用的挤出速率这样的因素。然而，可通过日常实验或流动模型轻易确定用于任何具体批料、蜂窝体形状和/或挤出条件的最佳特征凹部几何构型。排出狭缝在特征凹部处的宽度大于该狭缝上游以及该特征凹部下游部分处的宽度。
本发明人惊讶地发现，对于具有至少一些包含特征凹部的狭缝的模头，以及对于具有至少一些包含特征凹部和气室的狭缝的模头而言，可在不使宽狭缝向柱销根部延伸，而是使其向特征凹部下游边缘延伸的条件下，在加固区域中实现合适的阻抗曲线，使宽狭缝向柱销根部延伸会导致加固区域中具有过多的批料流。包含从排出表面向特征凹部下游边缘延伸的加固区域宽狭缝的挤出模头能够提供正确的压降曲线，因此能够在减轻或消除批料流的双稳态及其相关缺陷的同时，在加固狭缝区域中提供自给自足的批料流。
根据本公开的示例性实施方式，本公开的第一种示例性实施方式涉及一种新的模头设计，其包含所述模头狭缝中的至少一些，这些模头狭缝中的每一条具有特征凹部和宽部，其中，所述特征凹部向着排出表面的方向跟模头狭缝与供料孔的交叉处间隔开，所述宽部在排出表面处延伸进入模头主体，但与外围区域中的特征凹部间隔开，所述外围区域在排出表面处包围具有标称狭缝宽度的本体区域，以强化蜂窝挤出物的外围区域。根据这些示例性的实施方式，所述模头能够生产壁宽度朝向外周递增的蜂窝体。根据这些示例性的实施方式，通过所述模头所进行的挤出显示蜂窝体的加固区域中具有目标壁厚。
根据本公开的示例性实施方式，本公开的第二种示例性实施方式涉及一种新的模头设计，其包含所述模头狭缝中的至少一些，这些模头狭缝中的每一条具有特征凹部和宽部，其中，所述特征凹部向着排出表面跟模头狭缝与供料孔的交叉处间隔开，所述宽部在排出表面处延伸进入模头主体到达外围区域中的特征凹部，所述外围区域在排出表面处包围具有标称狭缝宽度的本体区域，以强化蜂窝挤出物的外围区域。这些实施方式利用更宽的狭缝部与特征凹部的相互作用来避免批料流的双稳态以及因批料叠批料流动而导致的压力增大，因此能够提供加固区域宽狭缝部中正确批料流动所需的阻抗曲线。根据这些示例性的实施方式，所述模头能够生产壁宽度朝向外周递增的蜂窝体。根据这些示例性的实施方式，通过所述模头所进行的挤出显示填充良好的外围模头狭缝，从而满足蜂窝体加固区域中的目标壁厚度，并且避免诸如外周附近的壁扭曲以及蜂窝体加固区域与本体区域之间的撕裂这样的挤出缺陷。
根据这些第二种示例性实施方式，可将特征凹部设置在沿狭缝深度的位置处，以提供最佳的外围流动-本体流动平衡，同时维持特征凹部对于减少流动缺陷的贡献，所述流动缺陷例如为未织合点(non-knitter)和翘曲网格，以及诸如多孔陶瓷壁中的裂纹这样的烧制缺陷，且加固区域对蜂窝体提供改善的强度，例如更高的静压强度，以及减少破碎。
图2显示了根据本公开第一种示例性实施方式的包含狭缝的模头中批料流动的两种稳定(双稳)状态和相关联的性能特征的示意图，其中，所述狭缝具有向着排出面的方向跟供料孔与狭缝的交叉处(供料孔-狭缝交叉处)间隔开的特征凹部，以及在排出面延伸进入模头用以强化蜂窝挤出物外围区域的宽部。图2图示了模头300的模头主体供料孔304的批料流“Q”。来自供料孔304的批料流入第一种示例性的加固狭缝308，如加固狭缝308上游部310中的批料流箭头“B1”所示。上游狭缝部310可以是标称狭缝宽度“t1”。标称狭缝宽度“t1”可以是模头300本体区域中的狭缝的狭缝宽度。
狭缝包含上游部、特征凹部和出口部(宽部)。来自上游狭缝部310的批料流入特征凹部312，进入下游狭缝部314，随后进入宽狭缝部318。批料在模头排出表面324中的狭缝出口部320处离开加固狭缝308。下游狭缝部314也可具有标称狭缝宽度“t1”，而宽部318可具有宽狭缝宽度“t2”，其中，宽狭缝宽度“t2”大于标称狭缝宽度“t1”，以使第一种示例性的加固狭缝308包含下游向台阶328。如上文所述，宽部318可在朝向外周设置的狭缝中逐渐变宽，以使第二种加固狭缝308可包含具有“t3”的宽部318，其中，“t3”大于宽狭缝宽度“t2”。
稳定的批料流动状态“B2”代表在前向台阶328上的批料叠批料流动。状态“B2”导致了更高的标称阻抗，即，经由具有标称宽度“t1”的狭缝，从供料孔304流向特征凹部312以及从特征凹部312流向排出表面324的批料流的阻抗。高于标称阻抗的状态“B2”发生于第一种示例性的加固区域的宽狭缝部318中，尽管宽狭缝部318可用批料良好地填充至其设计尺寸或接近其设计尺寸，宽狭缝部318中相比于具有标称狭缝宽度的本体区域更少的批料流可能会导致网格撕裂缺陷。
稳定的批料流动状态“B3”代表前向台阶328上的稳态，其阻抗始终低于标称阻抗，但宽狭缝部318并未良好地填充至其设计尺寸。状态“B3”提供恒定的阻抗，而不依赖于宽狭缝宽度“t2”或“t3”，因为并未在与批料流动方向“A”垂直的宽度方向上填充宽狭缝部318。状态“B3”比标称阻抗更低的阻抗导致第一种示例性加固区域中具有过多的批料流或更高的网格速度(web velocity)，从而在蜂窝体220的外围区域220中产生弯曲的网格。
双稳态“B2”和“B3”中的任一种都无法提供随狭缝宽部318朝向蜂窝挤出物200外周206逐渐变宽而逐渐减小的批料流动阻抗曲线，需要这种阻抗曲线来实现外围壁210更厚的强化蜂窝体200。
图3示意性地显示了根据本公开第一种示例性实施方式的模头300的局部剖视图，模头300包含狭缝，所述狭缝具有特征凹部312、宽部318和本体标称区段334，其中，所述特征凹部312向着排出面324的方向跟狭缝与供料孔304的交叉处332间隔开，宽部318位于排出面324处，以强化加固区域330中蜂窝挤出物200的外围区域220，本体标称区段334对应于蜂窝体200的本体区域218。本体区域334中的标称狭缝338由标称柱销340限定，而加固区域狭缝308则由加固区域柱销344限定。在从加固区域狭缝308朝向模头外周350的方向上，加固区域狭缝348可包含宽部318，所述宽部318的宽度“t3”大于加固区域狭缝308的宽部318的宽度“t2”。供料孔304从模头入口表面354延伸进入模头主体358。
图4是根据本公开第一种示例性实施方式的模头狭缝处于图2中双稳态“B2”下的计算阻抗曲线的图示，其中，所述模头狭缝具有向着排出面的方向跟狭缝与供料孔的交叉处间隔开的特征凹部以及位于排出面处的宽部。高于标称阻抗的阻抗(Pr/P标称＞1)使得外围强化区域(本文中称其为“加固”区域)相比于无排出面处宽部的狭缝区域(本文中称其为交叉的“标称”狭缝的“标称”或“本体”区域)具有更低的批料流速，这与由于加固区域中更宽的狭缝和更厚的蜂窝体壁而需要加固区域中具有更多批料流的需求背道而驰。更有可能导致壁撕裂，从而产生挤出缺陷。加固台阶0处的Pr/P标称＝1，这相当于本体标称区域。
图5显示了根据本公开的第一种实施方式的模头狭缝，该模头狭缝具有向着排出面的方向跟狭缝与供料孔的交叉处间隔开的特征凹部以及位于排出面处的宽部，还公开了一种标称模头狭缝，该标称狭缝具有向着排出面的方向跟狭缝与供料孔的交叉处间隔开的特征凹部。
图6是通过一种模头挤出的蜂窝体端面的照片，该模头包含外围模头狭缝，所述外围模头狭缝具有向着排出面的方向与跟狭缝与供料孔的交叉处间隔开的特征凹部以及位于排出面处的宽部(加固区域)，所述宽部包围具有特征凹部但无排出面处宽部的标称狭缝。由该模头设计所导致的蜂窝体中的明显挤出缺陷包括壁的外围扭曲以及壁厚度小于设计厚度，这是由于图2中所示加固区域中批料流的状态“B3”所致。插图提供了第一种示例性外围加固区域中壁缺陷的细节图。
图7是包含模头主体702的模头700的示意性剖视图。根据本公开的第二种示例性实施方式，模头主体702包含外围模头狭缝704，所述外围模头狭缝704具有特征凹部312和宽部722，其中，特征凹部312向着排出面710的方向跟狭缝704与供料孔304的交叉处332(供料孔-狭缝交叉处332)间隔开，宽部722在加固区域中的排出面处延伸进入模头，所述加固区域包围具有特征凹部312但在排出面710处无宽部722的标称狭缝338。如图所示，根据本公开的第二种示例性实施方式，宽部722从排出表面710延伸至特征凹部312的下游部。使宽部722从排出表面710延伸至特征凹部312消除了图2的下游向台阶328以及批料流的双稳态“B2”和“B3”。狭缝宽部722的批料流“B4”填充狭缝宽度“t4”，且具有比标称狭缝338更低的批料阻抗。狭缝702包含上游部310、特征凹部312和出口部(宽部)722。
模头700包含至少两个相邻的柱销744、746，所述柱销744、746包含限定狭缝704的面向侧。柱销744、746的面向侧包含限定狭缝上游部310的供料区段、限定特征凹部312的特征凹部区段以及限定狭缝宽部722(排出部)的排出区段。模头700还可包含至少两个其它相邻柱销340、360，所述柱销340、360包含限定标称狭缝338的面向侧(图5)。柱销340、360的面向侧包含限定狭缝上游部310的供料区段、限定特征凹部312的特征凹部区段以及限定狭缝排出部362的排出区段。模头700还可包含柱销，所述柱销包含第一面向侧和第二面向侧，其中，所述第一面向侧包含限定狭缝上游部310的供料区段、限定特征凹部312的特征凹部区段以及限定狭缝宽部722的排出区段，而所述第二面向侧包含限定狭缝上游部310的供料区段、限定特征凹部312的特征凹部区段以及限定狭缝排出部362的排出区段。狭缝338、704在特征凹部312处的宽度大于狭缝上游部310以及该特征凹部下游318、362、722处的宽度。
图8示意性地显示了根据本公开第二种示例性实施方式的模头700的局部剖视图，模头700包含狭缝338、704中的至少一些，这些狭缝中的每一条具有特征凹部312、宽部722和本体标称区段734，其中，所述特征凹部312向着排出表面710的方向跟狭缝与供料孔304的交叉处332间隔开，宽部722在排出表面710处延伸进入模头主体702到达特征凹部312，以强化加固区域730中蜂窝挤出物200的外围区域220，本体标称区段734对应于蜂窝体200的本体区域218。本体区域734中的标称狭缝338由标称柱销340限定，而加固区域狭缝704则由加固区域柱销744、746限定。在从加固区域狭缝704朝向模头外周750的方向上，加固区域狭缝748可包含宽部722，所述宽部722的宽度“t5”大于加固区域狭缝704的宽部722的宽度“t4”。在替代性的实施方式中，加固区域可包含至少两个具有宽度为“t4”的宽部722的狭缝704。在替代性的实施方式中，加固区域所包含的所有狭缝704都具有宽度为“t4”的宽部722。供料孔304从模头入口表面754延伸进入模头主体702。
图9是根据本公开第二种示例性实施方式的模头狭缝处于图7中批料流状态“B4”下的计算阻抗曲线的图示，其中，所述模头狭缝具有狭缝704、748中的至少一些，其中的每一条狭缝包含向着排出面710的方向跟狭缝与供料孔304的交叉处332间隔开的特征凹部312，以及在排出表面710处延伸进入模头主体702到达特征凹部312的宽部722。这些示例性的实施方式在加固区域730中提供从排出表面710延伸至特征凹部312的宽狭缝部722，有效地消除了下游向(“前向”)台阶328，并且消除了第一种示例性实施方式的双稳态“B2”和“B3”。所得到的阻抗曲线显示该阻抗曲线低于加固区域狭缝704、748的标称阻抗；并且，随着宽部722在经过各排柱销744(加固台阶数)后变得越来越宽，该阻抗曲线也朝向外周750逐渐降低。加固区域狭缝704、748中具有降低的阻抗，且该阻抗随着宽部722逐渐变宽而朝向外周750逐渐降低，这正是在加固区域730的狭缝中实现正确的批料流动状态“B4”所需的，以挤出蜂窝体200，该蜂窝体200在加固区域220中具有朝向蜂窝体200外周206逐渐变宽的宽壁204。
图10是通过本公开的第二种实施方式的模头挤出的蜂窝体端面的照片，该模头包含外围模头狭缝，所述外围模头狭缝具有下述狭缝中的至少一些，其中的每一条狭缝包含向着排出面的方向跟狭缝与供料孔的交叉处间隔开的特征凹部，以及在排出面处延伸进入模头主体到达特征凹部的宽部(加固区域)730，所述宽部包围具有特征凹部但无排出面处宽部(本体或标称区域)734的标称狭缝。图10中的插图提供了壁204的细节图，其(相比于图6)显示出很少的扭曲或无扭曲。根据这些第二种示例性实施方式的模头设计提供一种挤出蜂窝体200，所述挤出蜂窝体200具有加固区域220，所述加固区域220具有厚度均匀且朝向外周206逐渐增厚的壁204，所述壁204的外围扭曲很少或无外围扭曲，这表明加固狭缝704、748良好地填充有批料，且批料以正确的速率沿宽度方向“t4”、“t5”流过狭缝。由该模头设计所得到的蜂窝体200中没有挤出缺陷可归因于加固区域的狭缝中的批料流具有状态“B4”，如图7所示。
尽管不需要所有方面，已发现可将特征凹部312设置在模头柱销340、744的侧表面中，所述特征凹部312与排出表面710相隔不超过狭缝从排出表面710至位于狭缝与供料孔304交叉处332的狭缝根部的长度的一半。在一些方面中，可将特征凹部312设置在模头柱销340、744的侧表面中，所述特征凹部312与排出表面710相隔约5～7倍狭缝宽度。宽部722从排出表面710延伸至特征凹部312的下游边缘。
蜂窝体200和模头700的示例性实施方式可包含每平方英寸约100至1200个孔(cpsi)。典型的孔壁厚度和相应的模头狭缝宽度可在约0.025mm至约1.5mm(约1至60密耳)的范围内。例如，蜂窝体200和模头700的几何构型可以是400cpsi与约8密耳壁/狭缝厚度(400/8)或约6密耳壁/狭缝厚度(400/6)的组合。其它几何构型包括例如100/17、200/12、200/19、270/19、350/3、400/3、400/4、500/2、600/2、600/3、600/4、750/2、900/2、900/3、1200/2以及甚至750/1和900/1。如本文所用，蜂窝体200旨在包括总体上呈蜂窝状的结构，而非严格限制于正方形结构。例如，可以使用六边形、八边形、三角形、矩形或任何其它合适的孔形状。此外，尽管多孔蜂窝体200的截面可以是圆形的，但不限于此，例如，该截面可以是椭圆形、正方形、矩形或其它所需形状以及它们的组合。
通过某些示例性且特定的实施方式来对本公开的示例性实施方式进行进一步描述，这些实施方式只是例示性的，并非旨在进行限定。在一个例子中，模头可包含厚度为12密耳(0.012英寸或0.30mm)的标称狭缝和具有约5～10个台阶的加固区域，例如，每一个台阶可以是一种柱销宽度、一排柱销、各种柱销宽度或多排柱销，其中，狭缝宽部的宽度随每个台阶增大约0.75密耳(0.00075英寸或0.019mm)。在该例子中，外周处的狭缝宽部宽度可以是约20密耳(0.020英寸或0.51mm)。在另一个例子中，模头可包含2密耳(0.002英寸或0.051mm)的标称狭缝宽度和约2个台阶的加固区域，其中，狭缝宽部的宽度随每个台阶增大约0.3密耳(0.0076mm)。在该例子中，外周处的狭缝宽部宽度可以是约2.5密耳(0.064mm)。即，标称狭缝宽度可在约2密耳(0.051mm)至约20密耳(0.51mm)之间，且加固区域可包含约2个至约10个台阶，每个台阶在约0.3密耳(0.0076mm)至约0.75密耳(0.019mm)之间，以使外周处狭缝宽部的宽度可在约2.5密耳(0.064mm)至约20密耳(0.51mm)之间。在另一个例子中，模头可包含标称狭缝宽度和与标称狭缝宽度相差约1个台阶的加固区域。在该例子中，加固区域中的狭缝宽部是恒定的。在另一个例子中，模头可包含2密耳(0.051mm)的标称狭缝宽度和加固区域，其中，最厚的狭缝宽部为约6密耳(0.152mm)，在这种情况下，特征凹部的深度可距离排出表面约10密耳(0.254mm)至约42密耳(1.07mm)。在一些示例性的实施方式中，特征凹部可距离排出表面约25密耳(0.64mm)至约70密耳(1.78mm)。
图11示意性地显示了根据本公开第三种示例性实施方式的模头1100的局部剖视图，模头1100包含狭缝1104中的至少一些、将狭缝连接至供料孔304的气室1102和本体标称区段1134，其中，这些狭缝中的每一条包含特征凹部312和宽部1122，其中，所述特征凹部312向着排出表面1110的方向跟狭缝与气室1102的交叉处间隔开，宽部1122在排出表面1110处延伸进入模头主体1124到达特征凹部312，以强化加固区域1130中蜂窝挤出物200的外围区域220，本体标称区段1134对应于蜂窝体200的本体区域218。本体区域1134中的标称狭缝1138由标称柱销1140限定，而加固区域狭缝1104则由加固区域柱销1144限定。在从加固区域狭缝1104朝向模头外周1150的方向上，加固区域狭缝1148可包含宽部1122，所述宽部1122的宽度“t7”大于加固区域狭缝1104的宽部1122的宽度“t6”。供料孔304从模头入口表面1154延伸进入模头主体1124。
根据本公开的示例性实施方式，气室1102能够提供如2015年11月20日提交的共同待审的美国临时专利申请第62/258137号中所公开的附加优势，该文献的全部内容通过引用纳入本文。例如，气室1102可在保持降低网格膨胀所需的狭缝长宽比的同时，减轻较窄狭缝的压力负担，以及提供较低的批料流动敏感度，例如对于上游乱流的敏感度。
根据本公开的示例性实施方式，就具有加固狭缝设计的特征凹部模头而言，双稳态得以减轻或消除。这能够避免蜂窝挤出物的外围网格扭曲，由于外围网格扭曲，加固区域中的网格未填充至其设计尺寸，且网格因批料叠批料阻抗和压力而发生撕裂，已发现这是与挤出具有外围加固区域特征的蜂窝体相关联的常见情况。对于不含特征凹部的模头而言，加固区域中的狭缝宽部可从排出表面延伸至柱销根部，以避免加固区域中批料流的双稳态。在这些示例性的实施方式中，加固区域中狭缝宽部深度与特征凹部位置之间的相互作用能够提供实现良好挤出品质的批料流动益处。
包含加固区域(其中，狭缝宽部从排出表面延伸至特征凹部)的模头的另一个优势在于，例如如本文所公开的那样，可通过放电加工(EDM，例如柱塞EDM)将第一种示例性模头设计改装成第二种示例性设计。此外，根据本公开的第二种示例性实施方式和第三种示例性实施方式的包含加固区域(其中，狭缝宽部从排出表面延伸至特征凹部)的模头能够在对于设置在模头上游用以减少龟裂的成形板的具体形式敏感度较低的表皮成形区域中提供批料流动平衡，
对本领域技术人员显而易见的是，可以在不偏离本公开的范围或精神的情况下在本公开中进行各种修改和变动。因此，旨在使所附权利要求书覆盖本公开的修改和变动，只要这些修改和变动在所附权利要求书和其等同内容的范围之内。

Claims (22)

1.一种蜂窝体挤出模头，其包含：
模头主体，所述模头主体包含：
入口表面和与所述入口表面相反的排出表面；
从所述入口表面进入所述模头主体的供料孔；
呈交叉阵列的排出狭缝，所述排出狭缝从所述排出表面延伸进入所述模头主体，与所述供料孔在所述模头主体内的交叉处相连，所述呈交叉阵列的排出狭缝由被所述狭缝所限且从所述排出面延伸进入所述模头主体的多个柱销的侧表面形成，
其中，形成所述狭缝的壁的所述柱销的所述侧表面中的至少一些包含与供料孔-狭缝交叉处间隔开且与所述排出表面间隔开的特征凹部，且
所述多条狭缝包含：
第一组狭缝，所述第一组狭缝在所述排出表面处在相邻柱销之间具有宽度W1，该第一组狭缝从所述排出表面轴向延伸，与所述供料孔在所述模头主体内的交叉处相连；和
第二组狭缝，所述第二组狭缝在所述排出表面处在相邻柱销之间具有大于W1的第二宽度W2，该第二组狭缝从所述排出表面轴向延伸，与所述供料孔在所述模头主体内的交叉处相连。
2.如权利要求1所述的蜂窝体挤出模头，其特征在于，所述第二组狭缝包含所述特征凹部中的至少一些，且W2从所述排出表面至所述特征凹部是恒定的。
3.如权利要求1或2所述的蜂窝体挤出模头，其特征在于，所述第一组狭缝包含所述特征凹部中的至少一些，且W1从所述排出表面至所述特征凹部是恒定的。
4.如权利要求1～2中任一项所述的蜂窝体挤出模头，其特征在于，W1从所述供料孔-狭缝交叉处至所述特征凹部是恒定的。
5.如权利要求1～2中任一项所述的蜂窝体挤出模头，其特征在于，所述第二组狭缝中的狭缝以从所述第一组狭缝朝向所述模头的外围区域的方式设置。
6.如权利要求1～2中任一项所述的蜂窝体挤出模头，其特征在于，所述第二组狭缝包围所述第一组狭缝。
7.如权利要求1～2中任一项所述的蜂窝体挤出模头，其特征在于，所述多条狭缝还包含第三组狭缝，所述第三组狭缝在所述排出表面处在相邻柱销之间具有大于W2的宽度W3。
8.如权利要求7所述的蜂窝体挤出模头，其特征在于，所述第三组狭缝包含所述特征凹部中的至少一些，且W3从所述排出表面至所述特征凹部是恒定的。
9.如权利要求7所述的蜂窝体挤出模头，其特征在于，所述第三组狭缝中的狭缝以从所述第二组狭缝朝向所述模头的外围区域的方式设置。
10.如权利要求7所述的蜂窝体挤出模头，其特征在于，所述第三组狭缝包围所述第二组狭缝。
11.如权利要求1～2中任一项所述的蜂窝体挤出模头，其特征在于，所述第二组狭缝包含所述特征凹部中的至少一些，且W2从所述排出表面至所述特征凹部是恒定的。
12.如权利要求7所述的蜂窝体挤出模头，其特征在于，W1与W2之间的差异是台阶距离，且W2与W3之间的差异是相同的台阶差。
13.如权利要求1～2中任一项所述的蜂窝体挤出模头，其特征在于，所述狭缝包含附加组的狭缝，所述附加组的狭缝具有以相同台阶差递增的宽度。
14.如权利要求13所述的蜂窝体挤出模头，其特征在于，具有递增宽度的所述附加组狭缝中的每一组以从具有小一个台阶差的宽度的狭缝组朝向所述模头的外围的方式设置。
15.如权利要求13所述的蜂窝体挤出模头，其特征在于，具有递增宽度的所述附加组狭缝中的每一组以包围具有小一个台阶差减的宽度的狭缝组的方式设置。
16.如权利要求13所述的蜂窝体挤出模头，其特征在于，所述附加组狭缝中的每一组包含所述特征凹部中的至少一些，且所述附加组狭缝的宽度从所述排出表面至所述特征凹部是恒定的。
17.如权利要求13所述的蜂窝体挤出模头，其特征在于，所述附加组狭缝的数量在1～8组之间。
18.如权利要求7所述的蜂窝体挤出模头，其特征在于，所述第三组狭缝以毗邻表皮成形区域的方式设置。
19.如权利要求1～2中任一项所述的蜂窝体挤出模头，其特征在于，所述特征凹部与所述排出表面间隔开，且间隔距离不超过所述排出表面至所述狭缝与所述供料孔交叉处距离的一半。
20.如权利要求1～2中任一项所述的蜂窝体挤出模头，其特征在于，所述特征凹部与所述排出表面间隔开，且间隔距离在5至7倍W1至5至7倍W2的范围内。
21.如权利要求1～2中任一项所述的蜂窝体挤出模头，其特征在于，所述特征凹部与所述排出表面间隔开，且间隔距离在5倍W1至7倍W2的范围内。
22.如权利要求1～2中任一项所述的蜂窝体挤出模头，其特征在于，形成所述狭缝的壁的所述柱销的所述侧表面中的至少一些包含气室，所述气室设置在所述供料孔-狭缝交叉处，且与所述特征凹部间隔开。
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