改进的狭缝挤压模

本发明涉及塑化材料连续挤压成精细结构的挤压模，尤其涉及蜂窝挤压模， 它包括改进的排出狭缝，该狭缝能使模具具有更加均匀和稳定的挤压特性。

用包括分散在适当粘结剂中的无机粉末的若干批量的塑化粉末制造出无机蜂 窝结构是众所周知的。编号为3,790,654、3,885,977和3,905,743的美国专利公开 了这种制造的模具、工艺和组份，而编号为4,992,233和5,011,529公开了用含有 金属粉末的诸批料挤压的类似多孔结构的蜂窝。

用这些方法加工陶瓷蜂窝的挤压模的制造要求有特别精确的机加工。为了将 材料供应到这种模具的有狭缝蜂窝排出部分，模具的输入或供应表面设置有多个 小孔或送料孔，要挤压的塑化批材料在高压下通过这些孔。模具的相对或排出表 面设置有一精确加工的排出狭缝的十字形相交阵列，这些狭缝相交成模具的排出 部分，并与送料孔阵列相交。这些排出狭缝能使由送料孔供应到狭缝基部的塑化 批料定形成挤压蜂窝的互连壁结构。

那些形成模具实际排出表面的交叉排出狭缝之间的岛屿材料有时称为销柱， 因为它们表现为从模具内部朝外延伸的自立金属立柱，而且只有它们的基部连接 于模具体。这些销柱的形状限定了挤压塑化批料所形成的蜂窝通道的形状。

已采用许多技术将金属坯料定形成蜂窝挤压模。对于较软的钢，通过机械钻 孔形成送料孔，用锯的方式形成排出狭缝。但是，如果模具是由诸如不锈钢的较 硬的、较耐磨的材料所制成，可广泛使用电化学加工和放电加工。

在电化学加工(ECM)工艺、也称为STEM(型管电解加工)工艺中，通过 对导电的钢工件进行有控制的电蚀(deplating)(分解)来形成送料小孔。形成一电 解槽，其中的钻头包括带负电荷的电极(阴极)，工件包括带正电荷的电极(阳 极)，电解液是一种导电流体。

在用放电加工(EDM)加工出狭缝的模具中，在一长而细的移动电极导线与 金属模具预制坯之间保持放电来形成排出狭缝。这些模具中用导线EDM所形成 的狭缝长度总的约大于3-1/2英寸，狭缝的深度是0.1英寸或比0.1英寸大，狭缝 的宽度是0.012英寸或比0.012英寸小。

EDM很适合这些模具中具有平行侧壁的薄狭缝的成形。这样的狭缝基本上 没有毛刺，并具有相当光滑及一致的表面光洁度。参阅美国专利2,526,423、 4,205,213、4,233,486、4,403,131和4,527,035，可用于进一步说明EDM工艺。

尽管ECM和EDM为用于蜂窝挤压模的钢块中的精细孔和排出狭缝的大阵 列加工提供了重要的工艺，但最终的模具仍然存在问题。这些问题通常表现为当 从模具排出表面挤出蜂窝预制件时，材料的流动不均匀。诸如“快流”(通过模 具的局部区域时挤压加速)的不均匀流体的结果是产生各种蜂窝产品缺陷。这些 缺陷包括“膨胀”或“波纹”腹壁，即由于材料过多挤出而形成的单元壁在横向 和/或纵向的扭曲，以及其它改变，如单元尺寸、单元形状和单元壁的厚度。

这些挤压模的送料孔和/或排出狭缝部分内的不规则的表面光洁度被认为是不 均匀流动的主要因素。这种不规则是因为在加工过程中电压、电流或其它放电工 况的很小的变化所引起的，这些从一个孔到另一个孔和从一个狭缝到另一个狭缝 的改变跨越模具的输入和输出表面。这些变化在目前还不能完全控制。

为了使送料孔和/或狭缝的一致性和表面光洁度最佳化，用其它的加工工艺代 替用于模具制造的较传统的工艺的结果是，也不能解决这些问题。例如，用研磨 轮切削工艺代替较传统的EDM狭缝加工工艺来加工狭缝，而不会使加工过程因 放电工况的变化而变坏，但即使狭缝表面较光滑，狭缝形状的可变性也减少，但 也还不能消除挤出流体的波动。

发明概要

本发明提供蜂窝挤出模结构，它对材料流动的均匀性和稳定性给予了显著的 提高。这些提高是由于使用了改进的狭缝结构，这种结构显示出能够掩盖较小的 不规则光洁度，由此能去掉许多在狭缝几何形状和表面光洁度的各种微小变化和 用传统加工方法从经济上不能消除的各种变化所带来的害处。

本发明的改进的狭缝结构是在形成排出狭缝的销柱的侧表面上施加一宏观的 几何特征而产生的。尽管这种特征在选定的销柱侧表面上略微增加模具的流动阻 抗，但这种增加远远被挤出流的外表变化有了很大的下降所弥补。这种下降本身 又能显著减少诸如在蜂窝产品中由于通过模具的流量变化所引起的膨胀或波动腹 壁(通道壁)表面的产品缺陷。改进的狭缝结构的其它好处将在下面进行更详细 的描述。

在本发明的第一方面，本发明包括一“狭缝改进的”蜂窝挤压模。在其它方 面完全是传统的结构的该模具包括一具有一输入表面的模具体、一与输入表面相 对的排出表面和多个从输入表面延伸到模具体的送料孔。模具还包括从排出表面 延伸到模具体的排出狭缝的交叉阵列，这些狭缝是由多个销柱的侧表面所形成或 限定，这些销柱在模具的排出表面上形成在交互狭缝的空间中。与传统的一样， 狭缝和相邻销柱从排出表面朝内延伸到模具体，使狭缝基部以允许流体从送料孔 流到狭缝的形式与送料孔连接。

为了使挤压模的流动改进特征可靠，至少一部分的销柱的一侧或一侧以上的 侧表面采用至少一个几何结构的改变流动的表面中断部，即，在这些销柱的一侧 或一侧以上的表面平面中的宏观或肉眼可见的(macroscopic)中断部。与出现在 传统加工的销柱侧表面上的“微小”(微观)(microscopic)不完整性不同，本发 明的“宏观”几何销柱特征通常具有与它们的排出狭缝宽度同数量级的尺寸。它 们基本上由任何几何形表面中断部诸如凹槽或凹部、突起的表面部分或其组合所 组成，所提供的中断部的尺寸足以改变可挤出的材料经过狭缝的流动。

在第二方面中，本发明提供一种改进的挤压工艺，这种工艺采用本发明的模 具的改变流动的特征来形成挤压蜂窝，在这种蜂窝中，模具所导致的流动变化而 引起的形状缺陷极少。如将批量塑化材料加工成蜂窝形状的传统方法中，首先迫 使批材料进入在蜂窝挤压模的输入表面中的送料孔阵列中，然后使它们流过送料 孔并经一有狭缝的排出部流出模具。排出部包括一形成在模具排出表面中的交叉 狭缝的互连阵列。

正如已指出的，排出部中十字交叉狭缝接壤和限定了终止在排出表面的销柱 阵列，这些销柱的侧表面构成了当材料脱离模具使塑化批材料定形成蜂窝的成形 表面。在本发明的方法中，当材料垂直流过一个或一个以上设置在至少一些销柱 的一侧或一侧以上的侧表面上的改变流动的几何结构表面中断部时，材料经过这 些排出狭缝的流动得到改变。

下面还将更全面地描述，使批材料穿过采用在狭缝侧壁上的这些“宏观”几 何特征的狭缝阵列会改变挤压工艺的性质。最重要的是，在传统结构的挤压模中 所存在的“快流”问题明显得到改善。

附图说明

参阅附图将能进一步地了解本发明，其中：

图1是一立体图，它示出了传统蜂窝挤压模的一部分横截面；

图2是一立体图，它示出了采用本发明的几何形狭缝特征的蜂窝挤压模的一 部分横截面；以及

图3示出了用于本发明的一典型几何形表面特征的结构。

详细说明

下面参阅附图，图1是一局部剖开的立体示意图，它示出了现有技术中采用 的用于陶瓷蜂窝的那种传统蜂窝挤压模的一部分。如图所示，挤压模10包括诸从 模具的进口面(未示出)朝上延伸的进料孔13，通过这些孔13，将批量挤压的材 料送到送料孔/狭缝交叉口15，再从那儿进入排出狭缝17。然后排出狭缝17将这 批材料往上送到具有蜂窝结构的模具的挤压模排出面18。

从图1中可以清楚地了解到，诸销柱19的侧表面限制或形成了诸排出狭缝 17，是这些侧表面形成了排出狭缝。形成狭缝壁的是这些销柱19的侧表面，所以， 作为批材料的蜂窝形状的壁是由模具挤出的。

图2是一局部剖开的立体示意图，它示出了本发明所采用的蜂窝挤压模。在 该图中，挤压模10a也包括从模具输入口表面朝上延伸的送料孔13，这些送料孔 13在模具的排出部分的基部与排出狭缝17相交。但在本发明的这个实施例中， 构成排出狭缝17的诸销柱19a采用的侧表面20包括几何结构的表面特征21，用 于改变挤压材料流过模具的流动。在该实施例中，特征21是形成在销柱20的选 定侧表面中的槽或凹槽，它们起到了把剪力引入挤压材料中的作用，由此，可以 采用这些凹槽多少可以阻碍一些挤压材料流过销柱表面。

为了描述说明本发明，“几何结构”特征是指一压在蜂窝挤压模的销柱或狭 缝表面上的具有预定尺寸和形状的特征。这与用已有经验机加工的挤压模的那种 狭缝通常随机性表面变化是截然不同的。由于在排出狭缝中具有几何结构特征而 将影响到批量处理的塑化材料中的材料流动的改变不仅仅取决于这些特征的数 量、尺寸和形状，还取决于诸如挤压材料的流变能力和所采用的挤压速率的因素。 但是，用于任何特定批量材料、蜂窝形状、和/或挤压工况的最佳特征的几何形状 可方便地通过常规试验来确定。

对于目前在加工挤压陶瓷中、尤其是挤压陶瓷蜂窝中所遇到的那类批量流变 能力，所尝试的最有效的特征似乎是具有最大长度(平行于挤压方向)或高度/深 度(垂直于销柱表面)尺寸的那些，高度/深度的尺寸大约与挤压模的狭缝宽度尺 寸相同，或在一个数量级内，挤压模的狭缝宽度一般在0.001-0.010英寸的范围之 内。在该狭缝宽度范围中，从平行于挤压方向计量的一典型特征的长度范围最好 是狭缝宽度的100-200％。

在具有凹槽的表面特征的特定个案中，确定最佳特征的深度要考虑组成要挤 压的塑化粉末批量材料的粉末混合物中的最大颗粒尺寸。最佳凹槽深度通常要能 足以接收和容纳即使是批量材料中的最大粉末颗粒；对于一般的陶瓷批量材料， 在0.002-0.005英寸范围中的凹槽基本上足够到达上述目的。当然，较大的和/或 较小的表面特征对于需要挤压的其它批量材料的流变能力和/或成份的应用也具有 同样的或较好的效用。

诸如附图中的图2所示的凹槽结构的优点超过突起结构，其理由在于由批量 材料接连批量材料的拖曳作用被认为可发展成为改善材料的流动；捕获在凹槽中 的批量材料会阻止或延迟横过狭缝的相邻批量材料的流动。这类拖曳作用在挤压 模的使用寿命中相应地保持不变，而从销柱侧表面突出的几何特征将由于通常在 这些模具所能见到的磨损作用而会有变化。在后面的情况中，特征的性能更有可 能随时间而改变。图2特征结构的性能的另一和有些意料之外的方面是槽仅仅在 一组(例如水平)销柱表面上，而在横向的或垂直的销柱表面上没有，这方面没 有显示出会以任何方式对蜂窝的整体性或单元壁的几何形状有不利影响。

图3中示出了一用于凹槽类的几何结构的一个特定实施例的轮廓。图3示出 了一挤压模销柱区域的局部剖视图，它是沿一垂直于排出狭缝17方向的平面截取 两相邻销柱19a而得的。在该实施例中，泪珠状实体21被割成所选一对销柱的两 相对侧表面20，即在选定狭缝的两侧壁上。当在一平行于材料流动和垂直于销柱 侧表面的平面中看过去时，泪珠状的结构形成了槽的横截面。特征的加工包括绕 狭缝的中心线形成成镜象的泪珠形状。

这类泪珠形凹槽或凹部可通过在模具中进行EDM线切割而形成，其中狭缝 已预制。或者，用现有技术中已知的方法将具有这种特定特征结构的销柱设定在 预钻孔的模具基座上。泪珠特征的形状具有当沿图3中的箭头D的方向进行挤压 时、在挤压之初容易充满材料的优点。同时，该特征形状能够在随后的挤压过程 中保持一静态的批量材料的袋穴，用于形成一相当恒定的剪力。

在排出狭缝内的特征的深度部位未显出对特征性能有大的作用。对于图3所 示类的、但位于距离模具排出表面的5倍、9.5倍和14倍狭缝宽度的凹槽特征的 试验显示出具有大约等效的挤压性能。因此，狭缝中特征的精确部位可根据其它 诸如销柱摩损速率的条件来选择，从销柱磨损率考虑应使特征位置与销柱基部相 比更接近排出表面。

选择什么样的方法在销柱侧表面形成特征要取决于特征结构和所定的位置。 对于诸如附图中所示的凹槽特征的情况，EDM机加工构成一有效的途径，在销柱 侧表面沿选定狭缝的总长形成尺寸和形状都受到控制的槽。在下面的例子中示出 了这样一种机加工技术的专门例子，该例子仅仅用于对本发明举例说明，而不是 限制本发明的。

例子

首先选择挤压诸如图1所示的传统结构的钢蜂窝挤压模。所选的模具是为蜂 窝横截面上每平方英寸具有约400个直角通道的正方单元蜂窝体而设计的。在模 具排出表面的每一排出狭缝的狭缝宽约0.007英寸，狭缝深约为0.100英寸。

为了在该模具排出部分的销柱侧表面上形成凹槽特征，将模具放置在EDM 线切割机的拖板上，将直径为0.004英寸的EDM线安装在机器中，以进行线切割。 然后在形成排出部分的诸狭缝的诸列销柱的侧面开始切割槽。

在模具所有狭缝中的相对的销柱侧表面上，即在排出的输出阵列中的每一销 柱的四个侧面，切割出泪珠形的槽。槽的轮廓基本上如图3所示。

各槽的最大深度约0.002英寸，槽约位于模具排出表面狭缝开口下面约0.036 英寸处。对有关潜在的挤压问题，诸如狭缝宽度微小的偶然改变或类似的在传统 的狭缝加工中见到那类狭缝表面光洁度的微小变化的其它狭缝缺陷未加修正。

用含有在水载体中与有机黏合剂混合的粘土、云母和铝的塑化陶瓷批量材料 进行挤压试验来评价该模具的挤压性能。最初观察到的是，与具有光滑狭缝的传 统模具相比，通过模具的流动阻抗略微增加。尽管阻抗增加，但随着挤压试验的 继续，证明了由这种模具加工的蜂窝中的“快流”产品缺陷有了显著的下降。

最好找出模具使用寿命来量化产品缺陷下降的程度，如用由此生产的可接收 的无缺陷挤压蜂窝产品的体积来计量，该使用寿命是传统狭缝蜂窝模具或者类似 结构的使用寿命的2至3倍。因此，除了有关“快流”缺陷的直接下降之外，由 于对常规体积(一定体积)的产品进行挤压所需的模具数量大为减少，所以单位 蜂窝制造成本也下降了许多。

本申请要求保护由Mark A.Shalkey于1997年10月17日申请的名为“经改 进的狭缝挤压模”的第60/062,309号临时申请的利益。

发明背景