CN111283009A - 一种正-侧复合加压成型装置及方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种正‑侧复合加压成型装置及方法，包括基体，所述基体内设有成型腔，所述成型腔上连通有第一通道、第二通道、第三通道和第四通道，所述第一通道和第二通道分布在成型腔的两侧，且相向设置，分别用于向成型腔内输入第一材料和第二材料，所述第三通道通过第四通道连通成型腔，用于向成型腔内输入第三材料；所述成型腔远离第四通道的一侧设有第五通道，所述第五通道用于输出成型腔内的材料，利用多方向注入材料，根据需求配置不同方向注入材料的速度和压力，从而能够得到多种材料的三明治多层结构、均匀包覆结构等多种复合结构，利用注入速度改变控制对基体材料的挤压力偏差，能够输出包覆材料均匀、界面性能优良的弯曲复合构件。

Description

一种正-侧复合加压成型装置及方法

技术领域

本公开涉及材料成型领域，特别涉及一种正-侧复合加压成型装置及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

两种或多种材料复合而成的构件由于克服了单一材料的缺陷并充分发挥了各组元材料的优势，近年来成为了各国抢先研发的重点。采用金属与金属、金属与高分子、高分子与高分子、金属与木材以及其它非金属材料等复合方式可以将材料的优良的导电性、导热性、耐磨性、耐腐蚀性、耐热性、保温性、高强度、高刚度、质量轻等优点中的两项或多项集成到一个构件中，从而显著增加产品的功能性和附加值。

发明人发现，目前采用两种或多种材料复合轧制、冲压、锻造、流体液压成形、电磁成形以及挤压等方式是可制造一些特殊的金属与金属复合、高分子与高分子复合的构件。现有的挤压工艺主要包括正/反向挤压和侧向挤压两大类。正/反向挤压是指对材料所施加的力的方向和材料流出模具时的流动方向一致或相反的挤压成形工艺。侧向挤压是指对材料所施加的力的方向与材料流出模具时的流动方向成一定角度(通常是90°)的挤压成形工艺，如等通道转角挤压工艺和双向差速侧向挤压工艺。部分特定的复合板材、棒材、线材等可通过正/反向以及侧向挤压工艺实现。但材料的复合种类、复合结构的尺寸以及整个复合构件的进一步成形(如弯曲)等仍然严重受到现有工艺的制约，复合材料之间的熔点差异、性能差异以及界面性能等因素常常成为现有复合成形工艺难以跨越的障碍。多种复合材料的弯曲成形易出现材料变形不协调、复合界面出现损伤的问题，难以满足现有对弯曲形状复合构件的需求。

发明内容

本公开的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种正-侧复合加压成型装置及方法，采用多方向注入材料，根据需求配置不同方向注入材料的速度和压力，从而能够得到多种材料(包括熔点差异大的材料)的三明治多层结构、均匀包覆结构等多种复合结构，利用相对方向的一组材料的注入速度改变控制对基体材料的挤压力偏差，能够输出包覆材料均匀、界面性能优良的弯曲复合构件。

本公开的第一目的是提供一种正-侧复合加压成型装置，采用以下技术方案：包括基体，所述基体内设有成型腔，所述成型腔上连通有第一通道、第二通道、第三通道和第四通道，所述第一通道和第二通道分布在成型腔的两侧，且相向设置，分别用于向成型腔内输入第一材料和第二材料，所述第三通道轴线与第四通道轴线平行，且第三通道轴线与第一通道轴线、第二通道轴线呈可变夹角设置；所述第三通道通过第四通道连通成型腔，第四通道用于将第三通道内的第三材料预成型后输入成型腔或导引第三通道内的第三材料进入成型腔；所述成型腔远离第四通道的一侧设有第五通道，所述第五通道用于输出成型腔内的材料。

进一步地，所述第一通道、第二通道分别配合有第一挤压轴和第二挤压轴，用于分别在外力作用下挤压相应通道内的材料使其输入成型腔内。

进一步地，所述第三通道配合有第三挤压轴，所述第三挤压轴沿第三通道轴向滑动，用于在外力作用下将第三通道内的第三材料挤压输入成型腔内。

作为另一种实施方式，特别针对第三材料熔点与其他两种材料熔点相差较大的情况，所述第三通道内配合有进给机构，所述进给机构用于驱动第三材料依次穿过第三通道、第四通道进入成型腔内。

进一步地，所述第四通道一端连通成型腔，另一端连通第三通道，用于引导第三材料穿过成型腔后从第五通道排出。

进一步地，所述第五通道远离成型腔的一端设有变径通道，所述变径通道的小直径端连通第五通道，另一端沿穿透基体，形成排料口。

本公开的第二发明目的是提供一种正-侧复合加压成型方法，利用如上所述的正-侧复合加工成型装置，包括以下步骤：

向第一通道、第二通道内分别注入第一材料、第二材料；

将第三材料置入第三通道内，在外力作用下，第三材料穿过第四通道进入成型腔内；

控制第一材料、第二材料分别从两侧注入成型腔内，接触第三材料；

随着第一材料、第二材料和第三材料的注入，三种材料紧密结合形成复合材料，共同从第五通道输出；

从第五通道末端收集成型后的复合材料。

进一步地，在输入第三材料时，第三材料在第三挤压轴的推动下于第四通道成形后进入成型腔，在成型腔内被包裹上第一材料或第二材料，然后经过第五通道输出；

或，第三材料在进给机构的输送下，穿过第四通道进入成型腔内，在成型腔内与第一材料、第二材料结合，然后经过第五通道输出。

进一步地，在注入第一材料和第二材料时，控制第一材料和第二材料的注入速度，从而改变对复合材料的挤压力，用于推动复合材料产生弯曲形变。

进一步地，所述第五通道的横截面形状有多种，根据材料的种类和所需复合材料的类型进行选择。

与现有技术相比，本公开具有的优点和积极效果是：

(1)配置多个通道共同连通成型腔的结构，能够实现多种种类材料的复合，包括金属与金属、金属与高分子、高分子与高分子、金属与木材以及其它非金属材料的复合，相较于传统的成型装置，提高了材料成型的多样性；

(2)通过配置不同送料通道的材料进给速度，从而控制侧面对芯部的挤压力，利用挤压力偏差改变芯部的形状，使其产生弯曲形变，在不影响材料分布均匀的基础上，能够制作出沿长度方向弯曲的复合型材；并且能够根据需求改变弯曲的曲率，获取材料协调分布的结构，避免了复合材料在采用现有弯曲技术时所出现的内部各种材料变形不协调、复合界面损坏等问题；

(3)实现了挤压-包覆/复合-弯曲的一次性成型，流程短、生产效率高，能够对棒材、管材等形成包裹结构，对板材、型材等形成挤压叠加复合结构，从而生产出多层次的板材、棒材及型材等。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开实施例1、2、3中加压成型装置的整体结构示意图；

图2为本公开实施例1、2、3中基体的结构示意图；

图3为本公开实施例1、2、3中第三通道内配合进给机构时的结构示意图；

图4为本公开实施例1、2、3中成型后多种复合材料的结构示意图；

图5为本公开实施例1、2、3中各通道相对夹角调节范围的示意图。

图中，1.挤压容器，2.第一挤压轴，3.第二挤压轴，4.第三挤压轴，5.第一材料，6.第二材料，7.第三材料，8.复合型材，9.送料装置，10.芯部材料，11.填充物；1-001.第一通道，1-002.第二通道，1-003.第三通道，1-004.第四通道，1-005.第五通道，1-006.空腔；8-001.平直的型材，8-002.弯曲的型材，8-003.包覆实心型材，8-004.包覆空心型材，8-005.两种材料复合的三明治结构，8-006.三种材料复合的三明治结构。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步地说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本公开中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用，仅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设备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公开的限制。

正如背景技术中所介绍的，现有技术中材料的复合种类、复合结构的尺寸以及整个复合构件的进一步成形(如弯曲)等仍然严重受到现有工艺的制约，复合材料之间的熔点差异、性能差异以及界面性能等因素常常成为现有复合成形工艺难以跨越的障碍。多种复合材料的弯曲成形易出现材料变形不协调、复合界面出现损伤的问题，难以满足现有对弯曲形状复合构件的需求，针对上述问题，本公开提出了一种正-侧复合加压成型装置及方法。

实施例1

本公开的一种典型的实施方式中，如图1-图3所示，提出了一种正-侧复合加压成型装置。

基体为主体结构，所述的基体作为挤压容器1，内部设有一个空腔1-006作为挤压腔，所述挤压容器上配合有第一挤压轴2、第二挤压轴3和第三挤压轴4；

在本实施例中，以图中所示进行方位标识，第一通道相对于第二通道位于上方，第三通道相对于空腔位于右侧，所示挤压容器1存在第一通道1-001，第二通道1-002，第三通道1-003，第四通道1-004，第五通道1-005、空腔1-006。第一通道1-001容纳第一材料5，且第一材料5的上表面与第一挤压轴2的下表面接触。第二通道1-002容纳第二材料6，且第二材料6的下表面与第二挤压轴3的上表面接触。第三通道1-003容纳第三材料7，且第三材料7的右表面与第三挤压轴4的左表面接触。

所示第一通道1-001位于空腔1-006的上面，所示第二通道1-002位于空腔1-006的下面，第一通道1-001和第二通道1-002位于同一直线上。

所示第三通道1-003和第四通道1-004位于空腔1-006的右侧，所示第五通道位于空腔1-005的左侧。第三通道1-003、第四通道1-004以及第五通道1-005位于同一直线上。

第一通道1-001、第二通道1-002的轴线与第三通道1-003、第四通道1-004、第五通道1-005的轴线相互垂直。

第四通道1-004是第三材料7的成形通道，第五通道1-005是第一材料5、第二材料6和第三材料7的复合成形通道。

第一通道1-001内的第一材料5在第一挤压轴2的推动下注入空腔1-006内，第二通道内1-002的第二材料6在第二挤压轴3的推动下注入空腔1-006内，第三通道1-003内的第三材料7在第三挤压轴4的推动下注入空腔1-006内；

第三材料1-002进入空腔1-006的方式有两种，一种是在挤压轴的作用下，在第四通道1-004中初步成形后流入空腔1-006内，另一种是在配置送料装置9的输送下，穿过第四通道1-004进入空腔1-006内；

对于上述第三种材料的第一种进入空腔的方式，可用于第一材料5、第二材料6和第三材料7熔点相差较小时，可通过升温使三种材料同时处于能够流动的状态，然后使得在第三通道1-003内的第三材料7可在第三挤压轴4的推动下在第四通道内初步成形，然后注入空腔1-006内；

当然，可以理解的是，通过挤压方式供料的主要影响因素为材料的流动性，在三种材料表现出良好流动性的条件差别不大时，就可以采用上述方式进行挤压加工；以多种金属材料的正-侧复合热挤压成形为例，第一材料5、第二材料6以及第三材料7的熔点需要相近，挤压温度的选择以低熔点材料的成形温度为标准进行选择。

对于第三种材料的第二种进入空腔的方式，可用于第三材料与其他两种材料的状态属性相差较大时，比如熔点相差较大时，若将温度大幅度提升至第三材料7表现出良好流动性的状态并不合适，因此，在本实施例的另一实施方式中，对于此类采用挤压推动式的进给并不方便的情况，在第三通道1-003内配合有进给机构作为送料装置9，配合固体物料进行输送；

特别适用于作为芯部的第三材料7与第一材料5、第二材料6的熔点相差大的复合。例如芯部材料是钢材、高温合金或钛合金等熔点较高的材料，而第一材料5和第二材料6是镁合金、铝合金、铜合金等熔点较低的材料。在这种情况下，采用第一种成型方式进行热成形复合的时候存在低熔点材料熔化或高熔点材料变形抗力大难以挤压等问题，因此对第三材料7可以选用固体状态输送的方式，能够克服热成形复合的时候存在低熔点材料熔化或高熔点材料变形抗力大难以挤压等问题。

所述的进给机构可以为双排辊子配合的结构，利用辊子的转动带动固体物料进给，从而使第三材料7穿过第四通道进入空腔1-006内。

所述第四通道1-004一端连通成型腔，另一端连通第三通道1-003，用于引导固体材料穿过成型腔后从第五通道1-005排出；

所述第五通道1-005远离成型腔的一端设有变径通道，所述变径通道的小直径端连通第五通道1-005，另一端沿穿透基体，形成排料口；

排料口为变径段，其开口越来越大，能够使弯曲的复合材料也可以排出，从而避免弯曲后的复合材料与均匀通道发生干涉的问题。

当然，需要特别指出的是，所述的挤压轴与对应的通道能够紧密配合，并且沿轴向进行滑动，从而推进材料实现注入。

所述第五通道1-005的横截面形状有多种，根据材料的种类和所需复合材料的类型进行选择；

在生产三明治结构的多层板件时，可以选用矩形截面的通道，在生产棒材包覆结构时，可以选用圆形截面的通道，根据成型的复合材料进行选择配置即可。

配置多个通道共同连通成型腔的结构，能够实现多种种类材料的复合，可以理解的是，所述第一材料5、第二材料6、第三材料7在复合成型时可均处于一种状态，如液态、固态和粘流态等状态，也可以处于不同的状态，如使第三材料7更换为固体材料，利用液态或粘流态的第一材料5和第二材料6对第三材料进行包覆，形成比如包括金属与金属、金属与高分子、高分子与高分子、金属与木材等材料的复合，相较于传统的成型装置，提高了材料成型的多样性。

实施例2

本公开的另一典型实施例中，如图1-图5所示，提供了一种正-侧复合加压成型方法，利用如实施例1所述的正-侧复合加压成型装置。

在第三材料为粘流态或液体材料时，通过第三挤压轴配合通道的方式输送第三材料，参考图1和图2，具体过程如下：

将第一材料5放入第一通道1-001内，并使第一挤压轴2进入第一通道1-001与第一材料5接触；

将第二材料6放入第二通道1-002内，并使第二挤压轴3进入第二通道1-002与第二材料6接触；

将第三材料7放入第三通道1-003内，并使第三挤压轴4进入第三通道1-003与第三材料7接触；

第三材料7在第三挤压轴4的推力作用下逐渐进入第四通道1-004进行第一次成形，然后进入空腔1-006内；

第一材料5在第一挤压轴2的推力作用下逐渐进入空腔1-006内；

第二材料6在第二挤压轴3的推力作用下逐渐进入空腔1-006内；

第一材料5、第二材料6以及经过一次成形后的第三材料7在空腔1-006内发生复合。

复合后的材料在第五通道中进一步复合并成形为最终的复合型材8。

基于上述成型方法，参考图1、图3，当第一材料5在空腔1-006中的流动速度与第二材料6在空腔1-006中的流动速度大小相同时，复合型材产品8将为8-001所示的平直的型材。当第一材料5在空腔1-006中的流动速度与第二材料6在空腔1-006中的流动速度存在差异，从而在第五通道1-005中形成速度梯度时，复合型材产品8将为弯曲的型材。通过控制第一挤压轴2和第二挤压轴3的推动速度，即首先使得第一挤压轴2的推动速度小于第二挤压轴3的推动速度，然后改变二者的推动速度，使得第一挤压轴2的推动速度大于第二挤压轴3的推动速度，最终可获得8-002所示的沿长度方向发生弯曲的复合型材。

当第四通道1-004和第五通道1-005的截面均为圆形时，且当第四通道1-004的截面直径小于第五通道1-005的截面直径时，若第一材料5和第二材料6为同种材料，第三材料7为另外一种材料，则可获得8-003所示的包覆实心型材。当第四通道1-004和第五通道1-005的截面均为矩形时，且第四通道1-004的截面的宽度等于第五通道1-005的截面的宽度，若第一材料5和第二材料6为同种材料，第三材料7为另外一种材料，可获得8-005所示的两种材料复合的三明治结构，若三种材料均为不同材料，则可获得8-006所示的三种材料复合的三明治结构。

通过配置不同送料通道的材料进给速度，从而控制侧面对芯部的挤压力，利用挤压力偏差改变芯部的形状，使其产生弯曲形变，在不影响材料分布均匀的基础上，能够制作出沿长度方向弯曲的复合型材；并且能够根据需求改变弯曲的曲率，获取材料协调分布的结构，避免了复合材料在采用现有弯曲技术时所出现的内部各种材料变形不协调、复合界面损坏等问题。

实施例3

本公开的再一典型实施例中，如图1-图5所示，提供了另一种正-侧复合加压成型方法，利用如实施例1所述的正-侧复合加压成型装置。

在第三材料为固体材料时，通过送料装置输送第三材料，参考图2和图3，具体过程如下：

将第一材料5放入第一通道1-001内，并使第一挤压轴2进入第一通道1-001与第一材料5接触；

将第二材料6放入第二通道1-002内，并使第二挤压轴3进入第二通道1-002与第二材料6接触；

将芯部材料10放入第四通道1-004内，并固定在送料装置9上；如果芯部材料是空心材料，且其刚度和强度较低，在外力作用下截面形状容易发生变形，则在芯部材料的内部充满填充物11，如沙子等，并对芯部材料的两端进行封装；

芯部材料10在送料装置9(如滚轮)的驱动下逐渐进入挤压容器1的空腔1-006内；

第一材料5在第一挤压轴2的推力作用下逐渐进入空腔1-006内；

第二材料6在第二挤压轴3的推力作用下逐渐进入空腔1-006内；

第一材料5、第二材料6以及芯部材料10在空腔1-006内发生复合；

复合后的材料在第五通道中进一步复合并成形为最终的复合型材产品8。

基于上述方法，通过选择材料的种类、第一挤压轴2、第二挤压轴3以及送料装置9的驱动速度，可制造8-001、平直的型材，8-002、弯曲的型材，8-003、包覆实心型材，8-004、包覆空心型材，8-005两种材料复合的三明治结构，8-006、三种材料复合的三明治结构以及其它种类的复合型材。

区别于实施例2中的材料，在实施例中，所复合成型的材料与实施例2中的材料种类不同；

对于实施例2，以多种金属材料的正-侧复合热挤压成形为例，第一材料5、第二材料6、以及第三材料7的熔点需要相近，挤压温度的选择以及低熔点材料的成形温度为标准进行选择，同时需要考虑多种材料复合时产生的新的低熔点相。例如第一材料5是铝合金、第二材料6是铝合金、第三材料7是镁合金，则正-侧复合热挤压成形的温度可选择在400℃以下，因为铝合金和镁合金在复合时容易产生低熔点共晶相，若复合温度过高(大于450℃)，复合界面会发生熔化，导致复合界面性能变差。

对于本实施例，特别适用于芯部材料与第一材料5、第二材料6的熔点相差大的材料的复合。例如芯部材料是钢、高温合金或者钛合金等熔点较高的材料，而第一材料5和第二材料6是镁合金、铝合金、铜合金等熔点较低的材料。在这种情况下，采用实施例2的方法进行热成形复合的时候存在低熔点材料熔化或高熔点材料变形抗力大难以挤压等问题。

实施例2和本实施例也可用于金属材料与高分子材料、金属材料与木材、高分子材料与高分子材料等等的复合。

进一步概括，一种正-侧复合挤压方法，其核心在于为挤压容器空腔内提供一个挤压出口和至少三个材料入口。第三材料7的入口方向和复合材料的挤出方向平行，第一材料5入口方向与第三材料7入口方向的角度为α，第二材料6入口方向与第三材料7入口方向的角度为β，其中0°＜α＜180°，0°＜β＜180°，如图5所示。从3个材料入口进入的材料在挤压容器1的空腔1-006内复合并通过挤出通道成形为复合型材。独立控制从第一材料5入口、第二材料6入口以及第三材料7入口进入的材料的流动速度和流量大小。

通过上述装置和方法，可实现挤压-包覆/复合-弯曲的一次性成型，流程短、生产效率高，能够对棒材、管材等形成包裹结构，对板材、型材等形成挤压叠加复合结构，从而生产出多层次的板材、棒材及型材等。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种正-侧复合加压成型装置，其特征在于，包括基体，所述基体内设有成型腔，所述成型腔上连通有第一通道、第二通道、第三通道和第四通道，所述第一通道和第二通道分布在成型腔的两侧，且相向设置，分别用于向成型腔内输入第一材料和第二材料，所述第三通道轴线与第四通道轴线平行，且第三通道轴线与第一通道轴线、第二通道轴线呈可变夹角设置；

所述第三通道通过第四通道连通成型腔，第四通道用于将第三通道内的第三材料预成型后输入成型腔或导引第三通道内的第三材料进入成型腔；

所述成型腔远离第四通道的一侧设有第五通道，所述第五通道用于输出成型腔内的材料。

2.如权利要求1所述的正-侧复合加压成型装置，其特征在于，所述第一通道、第二通道分别配合有第一挤压轴和第二挤压轴，用于分别在外力作用下挤压相应通道内的材料使其输入成型腔内。

3.如权利要求1所述的正-侧复合加压成型装置，其特征在于，所述第三通道配合有第三挤压轴，所述第三挤压轴沿第三通道轴向滑动，用于在外力作用下将第三通道内的第三材料挤压输入成型腔内。

4.如权利要求1所述的正-侧复合加压成型装置，其特征在于，所述第三通道内配合有进给机构，所述进给机构用于驱动第三材料依次穿过第三通道、第四通道进入成型腔内。

5.如权利要求4所述的正-侧复合加压成型装置，其特征在于，所述第四通道一端连通成型腔，另一端连通第三通道，用于引导第三材料穿过成型腔后从第五通道排出。

6.如权利要求1所述的正-侧复合加压成型装置，其特征在于，所述第五通道远离成型腔的一端设有变径通道，所述变径通道的小直径端连通第五通道，另一端穿透基体，形成排料口。

7.一种正-侧复合加压成型方法，其特征在于，利用如权利要求1-6任一项所述的正-侧复合加压成型方法，包括以下步骤：

向第一通道、第二通道内分别注入第一材料、第二材料；

将第三材料置入第三通道内，在外力作用下，第三材料穿过第四通道进入成型腔内；

控制第一材料、第二材料分别从两侧注入成型腔内，接触第三材料；

随着第一材料、第二材料和第三材料的注入，三种材料紧密结合形成复合材料，共同从第五通道输出；

从第五通道末端收集成型后的复合材料。

8.如权利要求7所述的正-侧复合加压成型方法，其特征在于，在输入第三材料时，第三通道内配合有第三挤压轴，第三材料在第三挤压轴的推动下在第四通道成形后进入成型腔，在成型腔内被包裹上第一材料或第二材料，然后经过第五通道输出；

或，第三通道内安装有进给机构，第三材料在进给机构的作用下，穿过第四通道进入成型腔内，在成型腔内与第一材料、第二材料结合，然后经过第五通道输出。

9.如权利要求7所述的正-侧复合加压成型方法，其特征在于，在注入第一材料和第二材料时，控制第一材料和第二材料的注入速度，从而改变对复合材料的挤压力，用于推动复合材料产生弯曲形变。

10.如权利要求7所述的正-侧复合加压成型方法，其特征在于，所述第五通道的横截面形状有多种，根据材料的种类和所需复合材料的类型进行选择。

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