CN110026555B - 一种基于搅拌针的搅拌摩擦挤出方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于搅拌针的搅拌摩擦挤出装置，底座上设置有模具组件、挤压组件和升降组件，模具组件包括模具、盖板，模具和盖板之间设置有进料槽，进料槽中设置有预制体，进料槽与模具搅拌区相通，底座对应模具底部的模具出口设置有空腔；挤压组件包括箱体、转动设置在箱体中的水平的第一丝杆、移动滑块及第一驱动装置，移动滑块上设置有正对进料槽的挤压杆；升降组件包括支架、第二丝杆、滑块及第二驱动装置，滑块上固连有主轴箱，主轴箱上设置有能够驱动主轴转动的第三驱动装置，主轴的底端连接有正对模具搅拌区的搅拌头，搅拌头上设置有搅拌针。本发明基于搅拌针的搅拌摩擦挤出方法及装置实现了对复合材料的充分的搅拌、混合并挤出成形。
Description
技术领域
本发明涉及材料成形技术领域，特别是涉及一种基于搅拌针的搅拌摩擦挤出方法及装置。
背景技术
科学技术的迅速发展对材料的性能提出了越来越高的要求，传统材料已经存在一定的局限性，如铝合金弹性模量低，热膨胀系数大；钛合金热导率低等。金属基复合材料因具有高的比强度、比刚度和高温性能，已经成为很多企业和科研单位的研究重点。
制备工艺是影响复合材料性能及应用的一个关键因素。在以往的制备方法中如搅拌铸造法等是先将基体金属熔化，再向熔融状态的基体金属中加入增强相如CNTs,SiC颗粒等。这种方法的不足是容易造成增强相与基体金属的分离以及在材料冷却过程中的晶粒长大和成分偏析。
英国焊接研究所在1993年发明了搅拌摩擦挤出工艺，其工艺过程是基于搅拌摩擦焊的原理，将一个高速旋转的无针搅拌头插入到一个装有复合材料粉体或材料碎屑的筒形件中，筒形件内的材料接触到旋转的搅拌头并与之发生摩擦，摩擦产生大量的热使得材料塑化并从搅拌头上设置的出口处挤出成形。整个过程中材料并未熔化，避免了高温冷却过程中常见的缺陷。但在复合材料制备领域，由于在挤出过程中经过轴肩搅拌后的材料会夹杂未充分搅拌的材料一起从搅拌头上设置的出口处被挤出成形。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于搅拌针的搅拌摩擦挤出方法及装置，以解决上述现有技术存在的问题，实现材料的充分搅拌和挤出。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种基于搅拌针的搅拌摩擦挤出方法，包括以下步骤：
(1)将元素粉末或合金粉末机械混合；
(2)送料；
(3)搅拌针将材料迁移到模具出口；
(4)材料被挤出成形。
优选地，所述的元素粉末或合金粉末是指金属、金属陶瓷、陶瓷或塑料；所述元素粉末或合金粉末的呈微粒、粉末或碎屑状。
优选地，所述送料是指元素粉末或合金粉末通过螺杆传送进入搅拌区域，或者将元素粉末或合金粉末通过制备工艺形成块状或棒状预制体，然后在挤压杆的作用下压入搅拌区域。
优选地，所述的模具出口位于所述搅拌针的下方。
本发明还提供一种用于实现上述基于搅拌针的搅拌摩擦挤出方法的基于搅拌针的搅拌摩擦挤出装置，包括底座，所述底座上设置有模具组件、挤压组件和升降组件，所述模具组件包括模具和设置在所述模具上的盖板，所述模具和所述盖板之间设置有进料槽，所述进料槽中设置有预制体，所述盖板上设置有与模具搅拌区相通的通孔，所述进料槽与所述模具搅拌区相通，所述底座对应所述模具底部的模具出口设置有空腔；所述挤压组件包括箱体、转动设置在所述箱体中的水平的第一丝杆、与所述第一丝杆螺纹配合的移动滑块及能够驱动所述第一丝杆转动的第一驱动装置，所述移动滑块上设置有正对所述进料槽的挤压杆；所述升降组件包括支架、转动设置在所述支架上的竖直的第二丝杆、与所述第二丝杆螺纹配合的滑块及能够驱动所述第二丝杆转动的第二驱动装置，所述滑块上固连有主轴箱，所述主轴箱上设置有能够驱动主轴转动的第三驱动装置，所述主轴的底端连接有正对所述模具搅拌区的搅拌头，所述搅拌头上设置有搅拌针。
优选地，所述第一驱动装置为第二电机，所述第二驱动装置为第三电机，所述第三驱动装置为第一电机。
优选地，所述进料槽和所述挤压组件均为两个。
优选地，所述支架的两侧固设有侧向支架。
优选地，所述模具为多边模具、筒形模具或分体式模具；所述模具出口为方形、圆形或十字形。
优选地，还包括加热和冷却组件，所述加热和冷却组件包括冷却槽、铜嘴、连接管、第一铜块、加热棒、传热管、第二铜块、热电偶、第三铜块、间隙环、成形嘴，模具与传热管间隙配合，传热管的顶端与设置在模具出口中的成形嘴接触，间隙环与模具贴合，所述第二铜块与所述传热管渗出所述模具的部分紧密包裹，所述第一铜块通过螺丝与所述第二铜块紧密贴合，所述第一铜块中设置有若干个加热棒，所述第二铜块的侧壁上设置有若干个竖直排列的调节孔，所述第三铜块贴合在所述模具的外壁上，所述铜嘴设置于所述第三铜块上。
本发明基于搅拌针的搅拌摩擦挤出方法及装置相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明基于搅拌针的搅拌摩擦挤出方法及装置实现了对复合材料的充分的搅拌、混合并挤出成形。通过多边模具能够实现特殊位置特殊功能材料的制备。通过分体式模具能够实现特殊截面材料的制备。通过加热组件与冷却组件的调节，可保证复合材料以恒定的温度挤出，保证了被挤出材料的组织和性能的稳定。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明基于搅拌针的搅拌摩擦挤出装置的立体结构示意图；
图2为本发明中模具组件的轴侧剖视立体结构示意图；
图3为本发明中基于打孔添加制备预制体的立体结构示意图；
图4为本发明中基于叠层添加制备预制体的立体结构示意图；
图5为本发明中多边模具的立体结构示意图；
图6为本发明中分体式模具组件立体结构示意图；
图7为本发明中分体式模具的轴侧剖视立体结构示意图；
图8为本发明中分体式模具出口圆形结构示意图；
图9为本发明中分体式模具出口方形结构示意图；
图10为本发明中分体式模具出口花型结构示意图；
图11为本发明中温控模具组件立体结构示意图；
图12为本发明中温控模具组件爆炸结构示意图；
图13为本发明中温控模具部件轴侧剖视立体结构示意图；
图14为本发明中筒形模具组件结构示意图；
图15为本发明中一种基于搅拌针的搅拌摩擦挤出方法的工艺流程图。
其中，1-第一电机、2-主轴、3-带轮、4-传动带、5-主轴箱、6-第二电机、7-箱体、8-移动滑块、9-挤压杆、10-搅拌头、101-搅拌针、11-控制箱、12-铁砧、13-模具组件、14-视窗口、15-底座、16-侧向支架、17-支架、18-滑轨组件、19-第二丝杆、20-第三电机、21-预制体、211-基体、212-盲孔、213-第一材料、214-第二材料、22-盖板、23-模具、231-模具出口、232-模具搅拌区、233-模具进料槽、24-多边模具、241-第一进料槽、242-第二进料槽、243-第三进料槽、25-第二搅拌头、26-分体式模具、261-分体式模具出口、262-温控模具、263-温控模具连接孔、264-测温孔、28-冷却槽、29-铜嘴、30-连接管、31-第一铜块、32-加热棒、33-传热管、34-第二铜块、341-第二铜块调节孔、35-热电偶、36-第三铜块、37-间隙环、38-成形嘴、39-筒形模具、391-筒形模具出口、40-筒形模具进料槽。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种基于搅拌针的搅拌摩擦挤出方法及装置，以解决现有技术存在的问题，实现材料的充分搅拌和挤出。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
如图1所示，本实施例基于搅拌针101的搅拌摩擦挤出装置包括底座15，底座15上设置有模具23组件13、挤压组件和升降组件，模具23组件13包括模具23和设置在模具23上的盖板22，模具23与铁砧12为紧固件连接，铁砧12与底座15采用紧固件连接，模具23和盖板22之间设置有进料槽，进料槽中设置有预制体21，盖板22上设置有与模具搅拌区232相通的通孔，进料槽与模具搅拌区232相通，底座15对应模具23底部的模具出口231设置有空腔，空腔侧壁上设置有视窗口14；挤压组件包括箱体7、转动设置在箱体7中的水平的第一丝杆、与第一丝杆螺纹配合的移动滑块8及能够驱动第一丝杆转动的第二电机6，移动滑块8上设置有正对进料槽的挤压杆9；升降组件包括支架17、转动设置在支架17上的竖直的第二丝杆19、与第二丝杆19螺纹配合的滑块及能够驱动第二丝杆19转动的第三电机20，滑块上固连有主轴箱5，主轴箱5通过滑轨组件18与支架17滑动配合，主轴箱5上设置有能够驱动主轴2转动的第一电机1，主轴2的底端连接有正对模具搅拌区232的搅拌头10，搅拌头10上设置有搅拌针101，升降组件的作用是在挤出结束后将搅拌头移出模具。
支架17垂直固定在底座15的上表面的后部。侧向支架16一端连着支架17，另一端连着底座15，保证了支架17的稳定性。支架17的侧边设有滑块组件，主轴箱5与滑块组件内的滑块固定连接，滑块可以在滑轨上自由滑动。支架17的顶部设有第三电机20，第二丝杆19的一端连着电机，另一端连着支撑轴承，中间通过螺母与主轴箱5固定连接。主轴箱5在第三电机20的驱动下可沿着滑轨上下滑动。主轴箱5内设有轴承。主轴2通过带轮3及传动带4与第三电机20相连。主轴2在第一电机1的驱动下可实现旋转运动，在第三电机20的驱动下可实现上下移动。
挤压系统结构方案是挤压杆9的一端与移动滑块8固定连接。丝杆的另一端通过键与第二电机6连接。挤压杆9在第二电机6的驱动下可实现在第一丝杆轴线方向上的移动。
如图2所示，模具23组件13的结构方案是盖板22与模具23通过紧固件活动连接，盖板22中心设有通孔，其直径略大于搅拌头10的轴肩尺寸。模具23设有模具出口231、模具搅拌区232、进料槽。其中模具搅拌区232直径略大于搅拌针101。挤出过程中，搅拌头10固定在主轴2上，在电机的驱动下实现旋转运动。在第三电机20的驱动下向下移动直至搅拌头10插入盖板22，且搅拌头10轴肩与模具23贴近为止。将预制体21放置在模具进料槽233中，在挤压杆9的挤压作用下，预制体21向模具搅拌区232一端迁移，直至与搅拌针101接触、摩擦。大量的摩擦热使得预制体21材料发生局部塑化。
预制体21的制备形式有多种，可以将元素粉末或合金粉末通过机械混合后冷压成块状，也可以如图3所示，直接在基体211(如铝合金、镁合金等)上打盲孔212，再向盲孔212中添加增强相如碳纳米管或颗粒增强相如Si、Al2O3、石墨等制备预制体21。图4为叠层法制备预制体21，其中213为第一材料，214为第二材料，通过叠层放置到进料槽中挤出成形，此种方法非常适合制备双金属复合材料。
如图15所示，本实施例还提供一种基于搅拌针101的搅拌摩擦挤出方法，首先将元素粉末或合金粉末的原料机械混合并压制成预制体21，然后将预制体21放入模具23组件13的进料槽中，开启挤压组件，使挤压杆9将预制体21推入模具搅拌区232内，同时转动搅拌头10，使搅拌针101充分搅拌、混合复合材料，同时驱动原料从模具23出口处被挤出成形。
元素粉末或合金粉末的材料为为金属、金属陶瓷、陶瓷、塑料以及其他可被挤出成形的材料。元素粉末或合金粉末的形貌特征可以是微粒、粉末、碎屑以及其他具备压实挤出的细小结构体。
实施例二
如图5所示，本实施例提供一种基于搅拌针101的搅拌摩擦挤出装置，在实施例一的基础上，本实施例的基于搅拌针101的搅拌摩擦挤出装置还具有以下特点：模具23为多边模具2423，多边模具2423上设置多组进料槽。每一组包括两个槽。在挤出过程中可以同时混合多组不同的材料。在具体的操作过程中，还可以根据所需材料的性能，分段对模具23槽内的材料进行搅拌混合并挤出。如在第一进料槽241、第二进料槽242、第三进料槽243内分别放置具有不同功能的材料，按进料顺序的不同，可以得到不同功能的材料。如按241→242→243得进料顺序可以得到一种功能材料，按照241→243→242的进料顺序可以得到另外一种功能材料。以此类推，进料槽组数越多，制备材料的功能特性越丰富。
实施例三
如图6-10所示，本实施例提供一种基于搅拌针101的搅拌摩擦挤出装置，在实施例一的基础上，本实施例的基于搅拌针101的搅拌摩擦挤出装置还具有以下特点：模具23采用分体式模具26，以使当模具搅拌区232的搅拌孔尺寸满足需求；其结构方案包括第二搅拌头25、分体式模具26、模具支架以及盖板22。分体式模具26与模具23支架17为过渡配合，分体式模具26的进料槽略大于模具23支架17的进料槽。图7为本发明中分体式模具26的轴侧剖视立体结构示意图。如图8-10所示，分体式模具出口261的形状为圆形，也可采用方形或花型等，不同的截面形状可以满足不同的挤出材料对横截面的特殊要求。
实施例四
如图11-13所示，本实施例提供一种基于搅拌针101的搅拌摩擦挤出装置，在实施例一的基础上，本实施例的基于搅拌针101的搅拌摩擦挤出装置还具有以下特点：当所需复合材料对制备温度有特殊要求的时候，可采用温控模具262组件13。其结构包括搅拌头10、温控模具262、温控模具连接孔263、模具23支架17、冷却槽28、铜嘴29、连接管30、第一铜块31、加热棒32、传热管33、第二铜块34、热电偶35、第三铜块36、间隙环37、成形嘴38。由铜嘴29、冷却槽28、连接管30、第三铜块36构成冷却组件。由铜块、加热棒32、传热管33、第二铜块34构成加热组件。热电偶35与控制箱11连接形成测温模块。温控模具262与传热管33间隙配合。传热管33的顶端与成形嘴38紧密接触，在材料挤出的过程中可保证成形嘴38的温度能达到材料塑化挤出的温度。间隙环37位于搅拌针101与温控模具262之间，并与温控模具262紧密贴合。间隙环37的作用在于调节搅拌针101与温控模具262之间的间隙，使得材料既能得到充分的搅拌混合，又能保证一定的挤出速度。传热管33伸出温控模具262的部分与第二铜块34挤接触，第二铜块34的另一端设有一凸台，可嵌入温控模具262底部的圆孔中，使得在装配过程中第二铜块34能够保持与传热管33紧密贴合的状态。第一铜块31的两侧各设有两个螺丝孔，通过螺丝钉的紧固作用可实现第一铜块31、第二铜块34以及传热管33的紧密接触，便于热量的传导。第一铜块31的主体设有数个略大于加热棒32直径的深孔，加热棒32可直接放置在设好的深孔中。通过第一铜块31、第二铜块34和传热管33的传导作用，加热棒32产生的热量可作用到成形嘴38上。第二铜块34的侧边设有第二铜块调节孔341。可将销钉插入第二铜块调节孔341中限定第一铜块31与第二铜块34的相对位置，从而实现对热输入的调节。铜嘴29的一端与外界的冷却管相连，一端与冷却槽28固定连接。两个冷却槽28之间通过连接管30相连。冷却槽28贴近模具23的一面设有第三铜块36。第三铜块36的作用在于加速热量的传导过程，使得模具23的温度可以在很短的时间内降到所需要的温度水平。温控模具262的两侧设有温控模具262测温孔264，热电偶35插入温控模具262测温孔264中，可以实时监测温控模具262的温度。
实施例五
如图14所示，本实施例提供一种基于搅拌针101的搅拌摩擦挤出装置，在实施例一的基础上，本实施例的基于搅拌针101的搅拌摩擦挤出装置还具有以下特点：模具23采用筒形模具39，其结构方案是搅拌头10与筒形模具39间隙配合，筒形模具39两侧设有筒形模具进料槽40，筒形模具进料槽40内壁的上边缘与搅拌头10的轴肩平齐。在挤压过程中，预制体21在挤压杆9的作用下与搅拌针101接触、摩擦。在筒形模具39的底部中心设有筒形模具出口391，塑化的材料充满型腔后从筒形模具出口391处被挤出成形。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“顶”、“底”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“笫二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (7)
1.一种基于搅拌针的搅拌摩擦挤出装置，其特征在于：包括底座，所述底座上设置有模具组件、挤压组件和升降组件，所述模具组件包括模具和设置在所述模具上的盖板，所述模具和所述盖板之间设置有进料槽，所述进料槽中设置有预制体，所述盖板上设置有与模具搅拌区相通的通孔，所述进料槽与所述模具搅拌区相通，所述底座对应所述模具底部的模具出口设置有空腔；所述挤压组件包括箱体、转动设置在所述箱体中的水平的第一丝杆、与所述第一丝杆螺纹配合的移动滑块及能够驱动所述第一丝杆转动的第一驱动装置，所述移动滑块上设置有正对所述进料槽的挤压杆；所述升降组件包括支架、转动设置在所述支架上的竖直的第二丝杆、与所述第二丝杆螺纹配合的滑块及能够驱动所述第二丝杆转动的第二驱动装置，所述滑块上固连有主轴箱，所述主轴箱上设置有能够驱动主轴转动的第三驱动装置，所述主轴的底端连接有正对所述模具搅拌区的搅拌头，所述搅拌头上设置有搅拌针；还包括加热和冷却组件，所述加热和冷却组件包括冷却槽、铜嘴、连接管、第一铜块、加热棒、传热管、第二铜块、热电偶、第三铜块、间隙环、成形嘴，模具与传热管间隙配合，传热管的顶端与设置在模具出口中的成形嘴接触，间隙环与模具贴合，所述第二铜块与所述传热管渗出所述模具的部分紧密包裹，所述第一铜块通过螺丝与所述第二铜块紧密贴合，所述第一铜块中设置有若干个加热棒，所述第二铜块的侧壁上设置有若干个竖直排列的调节孔，所述第三铜块贴合在所述模具的外壁上，所述铜嘴设置于所述第三铜块上。
2.根据权利要求1所述的基于搅拌针的搅拌摩擦挤出装置，其特征在于：所述第一驱动装置为第二电机，所述第二驱动装置为第三电机，所述第三驱动装置为第一电机。
3.根据权利要求1所述的基于搅拌针的搅拌摩擦挤出装置，其特征在于：所述进料槽和所述挤压组件均为两个。
4.根据权利要求1所述的基于搅拌针的搅拌摩擦挤出装置，其特征在于：所述支架的两侧固设有侧向支架。
5.根据权利要求1所述的基于搅拌针的搅拌摩擦挤出装置，其特征在于：所述模具为多边模具、筒形模具或分体式模具；所述模具出口为方形、圆形或十字形。
6.一种基于权利要求1-5任意一项所述的基于搅拌针的搅拌摩擦挤出装置的基于搅拌针的搅拌摩擦挤出方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将元素粉末或合金粉末机械混合；所述的元素粉末或合金粉末是指金属、金属陶瓷、陶瓷或塑料；所述元素粉末或合金粉末呈微粒、粉末或碎屑状；
（2）送料；所述送料是指元素粉末或合金粉末通过螺杆传送进入搅拌区域，或者将元素粉末或合金粉末通过制备工艺形成块状或棒状预制体，然后在挤压杆的作用下压入搅拌区域；
（3）搅拌针将材料迁移到模具出口，所述搅拌针与温控模具之间设置有与所述温控模具紧密贴合的间隙环，所述间隙环的作用在于调节所述搅拌针与所述温控模具之间的间隙；
（4）材料被挤出成形。
7.根据权利要求6所述的基于搅拌针的搅拌摩擦挤出方法，其特征在于：所述的模具出口位于所述搅拌针的下方。
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