一种自进料搅拌头、自进料搅拌摩擦挤出方法及装置与流程

本发明涉及材料成型技术领域，特别是涉及一种自进料搅拌头、自进料搅拌摩擦挤出方法及装置。

背景技术：

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，将一个高速旋转的无针搅拌头压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型。该工艺可用在复合材料的制备以及金属材料的回收中，其优势在于材料在挤出过程中时发生了塑化，还保持着固相状态，避免了熔化过程中易出现的相变缺陷。在金属回收领域，这种固相挤出工艺相比于传统的熔炼回收过程，更是极大地节约了能源。

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型，导致挤出的材料的不均匀。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种自进料搅拌头、自进料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，实现复合材料的充分搅拌、混合及挤出成型，同时提高挤出材料的均匀性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种自进料搅拌摩擦挤出方法，包括以下步骤：

(1)元素粉末或合金粉末的机械混合；

(2)自进料并送料；

(3)搅拌针驱动材料向模具出口迁移；

(4)材料从模具出口被挤出成形。

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，所述自进料是指搅拌头在旋转中，元素粉末或合金粉末通过搅拌头自身的螺旋槽进入模具中；所述送料是指元素粉末或合金粉末通过螺杆或送料机构输送进入模具中。

优选地，所述送料还可以通过挤压预制体将材料逐步压入模具中；预制体是指元素粉末或合金粉末通过制备工艺形成块状或棒状结构体。

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自进料搅拌摩擦挤出方法的自进料搅拌头，包括夹持柄、搅拌针，还设有进料段，其特征在于：包括夹持段、进料段和搅拌针，所述进料段与所述搅拌针连通，元素粉末或合金粉末能够通过所述进料段进入所述搅拌针的凹槽中。

优选地，所述进料段设有进料段螺旋槽，且所述进料段螺旋槽与所述凹槽连通，被添加的元素粉末或合金粉末能够通过所述进料段螺旋槽进入到所述凹槽中。

本发明还提供再一种用于实现上述自进料搅拌摩擦挤出方法的自进料搅拌头，包括搅拌针，所述搅拌头在所述搅拌针上还分布有用于增强搅拌效果的平面；所述搅拌针螺旋槽的螺棱上还设置有缺口，所述缺口在所述螺棱上形成有斜面。

优选地，所述搅拌针远离所述主轴的一端设置有凹槽、交叉槽、曲线槽或螺旋槽。

本发明还提供再一种用于实现上述自进料搅拌摩擦挤出方法的自进料搅拌头，包括搅拌针，所述搅拌针上设置有渐变式螺旋槽，所述渐变式螺旋槽由靠近所述主轴的一端至远离所述主轴一端越来越密集或越来越浅；所述螺旋槽内设置有孔洞或障碍物，所述障碍物上设置有斜面。

本发明还提供另一种用于实现上述自进料搅拌摩擦挤出方法的自进料搅拌头，包括搅拌针，所述搅拌针远离所述主轴的一端设置有轴肩和锥体。

优选地，所述轴肩和所述锥体上均设有凹槽。

本发明还提供一种用于实现上述自进料搅拌摩擦挤出方法的自进料搅拌摩擦挤出装置，包括底座，所述底座上设置有模具组件、挤压组件和搅拌组件；所述模具组件包括依次连接的进料底板、进料盖板和模具，所述进料底板和所述进料盖板之间的进料通道与所述模具的内部相通，所述模具上还设置有与所述模具的内部相通的进料斗；所述搅拌组件包括滑动设置在所述底座上的主轴箱和能够驱动所述主轴箱在所述底座上沿所述主轴箱内的主轴的轴线方向移动的第一驱动装置，所述主轴正对所述模具的一端设置有能够伸入所述模具内的、上述任意一种自进料搅拌头，所述主轴箱上设置有能够驱动所述主轴转动的第二驱动装置；所述挤压组件包括挤压箱，所述挤压箱中转动设置有第一丝杆、与所述第一丝杆螺纹配合的移动滑块和能够驱动所述第一丝杆转动的第三驱动装置，所述移动滑块上固设有能够伸入所述进料通道的挤压杆。

优选地，所述第一驱动装置、第二驱动装置及第三驱动装置均为电机；所述进料底板通过支架与所述底座固连，所述底座上还设置有滑轨支架，所述滑轨支架的上方设置有第二丝杆，所述第二丝杆通过轴承与所述滑轨支架转动连接，所述第三驱动装置能够驱动所述第二丝杆转动，所述主轴箱与与所述第一丝杆螺纹配合的滑块固连；所述滑轨支架的两侧通过侧向支架与所述底座连接；所述进料通道和所述挤压组件均为两个，两个所述挤压组件分别位于所述模具的两侧；所述底座在所述模具组件异于所述搅拌组件的一侧还设置有工作台。

本发明自进料搅拌头、自进料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：

本发明自进料搅拌头、自进料搅拌摩擦挤出方法及装置实现了复合材料的充分搅拌、混合及挤出成型，同时提高了挤出材料的均匀性。本发明自进料搅拌头、自进料搅拌摩擦挤出方法及装置使块状预制体在挤压杆的推动下向搅拌针处进给的同时添加另外一种元素粉末或合金粉末，使得被添加的元素粉末或合金粉末与块状预制体之间相互剪切、摩擦、混合，从而实现复合材料的充分搅拌、混合并挤出成型。本发明还提供多种搅拌头，其进料段具有不同的结构形式，利于元素粉末或合金粉末的添加以及从进料段迁移到搅拌针。本发明还提供了多种不同结构形式的搅拌针，利于增强搅拌混合的效果。本发明搅拌针端部具有不同的结构形式，有利于材料的挤出成型。

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为本发明自进料搅拌摩擦挤出装置的立体结构示意图；

图2为本发明自进料搅拌摩擦挤出装置的挤出原理图；

图3为本发明自进料搅拌摩擦挤出装置中模具组件的立体结构示意图；

图4为本发明自进料搅拌摩擦挤出装置中模具组件的轴侧剖视立体结构示意图；

图5为本发明自进料搅拌摩擦挤出装置中模具与进料底板的轴侧剖视立体结构示意图；

图6为本发明自进料搅拌摩擦挤出装置中搅拌头的立体结构示意图；

图7为本发明自进料搅拌摩擦挤出装置中搅拌头进料段突变式结构示意图；

图8为本发明自进料搅拌摩擦挤出装置中搅拌头进料段渐变式结构示意图；

图9为本发明自进料搅拌摩擦挤出装置中搅拌头进料段渐变渐浅式结构示意图；

图10为本发明自进料搅拌摩擦挤出装置中搅拌针螺旋槽+平面式结构示意图；

图11为本发明自进料搅拌摩擦挤出装置中搅拌针螺旋槽+缺口式结构示意图；

图12为本发明自进料搅拌摩擦挤出装置中搅拌针螺旋槽+螺旋槽式结构示意图；

图13为本发明自进料搅拌摩擦挤出装置中搅拌针螺旋槽+孔洞式结构示意图；

图14为本发明自进料搅拌摩擦挤出装置中搅拌针螺旋槽+障碍物式结构示意图；

图15为本发明自进料搅拌摩擦挤出装置中搅拌针段渐变式螺旋槽结构示意图；

图16为本发明自进料搅拌摩擦挤出装置中搅拌针渐浅式螺旋槽结构示意图；

图17为本发明自进料搅拌摩擦挤出装置中搅拌针渐变渐浅式螺旋槽结构示意图；

图18为本发明自进料搅拌摩擦挤出装置中搅拌针端部环状凹槽式结构示意图；

图19为本发明自进料搅拌摩擦挤出装置中搅拌针端部交叉槽式结构示意图；

图20为本发明自进料搅拌摩擦挤出装置中搅拌针端部曲线槽式结构示意图；

图21为本发明自进料搅拌摩擦挤出装置中搅拌针端部螺旋槽式结构示意图；

图22为本发明自进料搅拌摩擦挤出装置中搅拌针端部锥螺旋槽+曲线槽式结构示意图；

图23为本发明自进料搅拌摩擦挤出装置中搅拌针端部锥螺旋槽+叶片槽式结构示意图；

图24为本发明自进料搅拌摩擦挤出方法的工艺流程图；

其中，1-自进料搅拌头、2-搅拌头进料段、3-元素粉末或合金粉末、4-模具、401-模具出口、5-进料通道、6-预制体、7-第一挤压杆、8-搅拌针端部、9-搅拌针、10-第一电机、11-主轴、12-带轮、13-传送带、14-主轴箱、15-移动滑块、16-第二挤压杆、17-模具组件、18-工作台、19-控制箱、20-挤压箱、21-第二电机、22-卡爪、23-挤压座、24-底座、25-侧向支架、26-滑轨支架、27-滑轨组件、28-第三电机、29-第二丝杆、30-支架、31-进料底板、32-进料通道、33-进料斗、34-冷却筒、341-冷却通道、35-进料盖板、351-盖板冷却孔、352-盖板冷却通道、36-第一螺旋槽、37-第二螺旋槽、38-渐变式螺旋槽、39-浅螺旋槽区、40-深螺旋槽区、41-平面、42-缺口、43-斜面、44-螺旋槽、45-孔洞、46-障碍物、47-障碍物斜面、48-搅拌针渐变式螺旋槽、49-搅拌针渐浅式螺旋槽、50-浅螺旋槽区、51-深螺旋槽区、52-环状凹槽、53-交叉凹槽、54-曲线凹槽、55-螺旋凹槽、56-锥螺旋凹槽、57-轴肩、58-轴肩曲线凹槽、59-叶片凸起、60-叶片凹槽。

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自进料搅拌头、自进料搅拌摩擦挤出方法及装置，以解决现有技术存在的问题，实现复合材料的充分搅拌、混合及挤出成型，同时提高挤出材料的均匀性。

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24所示，本实施例提供一种自进料搅拌摩擦挤出方法：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6，然后将预制体6放入模具组件的进料通道5中，将另一部分元素粉末或合金粉末3机械混合后放入进料斗33中，将自进料搅拌头1插入模具4中并高速旋转自进料搅拌头1，开启挤压组件，使第一挤压杆7和第二挤压杆16将预制体6推入模具4的搅拌区内，同时打开进料斗33，使搅拌针将元素粉末或合金粉末3与预制体6充分搅拌和混合，同时通过搅拌组件不断朝模具推进自进料搅拌头1，以将搅拌混合后的材料挤出成型。

以上提到的元素粉末或合金粉末指金属、合金、金属陶瓷、陶瓷、塑料以及其他可被挤出成型的材料。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。自进料搅拌头1与模具4的相互位置关系也是一个重要的工艺参数，在自进料搅拌头1的搅拌针端部8靠近模具出口401的基础上，以搅拌头进料段2不接触进料通道5为宜。

本实施例提供一种用于实现上述自进料搅拌摩擦挤出方法的自进料搅拌头1，包括夹持段、搅拌头进料段2和搅拌针9，搅拌头进料段2与搅拌针9连通，元素粉末或合金粉末能够通过搅拌头进料段2进入搅拌针9的凹槽中。搅拌头进料段2设有进料段螺旋槽，且进料段螺旋槽与搅拌针的凹槽连通，被添加的元素粉末或合金粉末能够通过进料段螺旋槽进入到搅拌针的凹槽中。

如图1-6所示，本实施例还提供一种用于实现上述自进料搅拌摩擦挤出方法的自进料搅拌摩擦挤出装置包括底座24，底座24上设置有模具组件、挤压组件和搅拌组件。

挤压组件为两个，每个挤压组件均包括固定在挤压座23上的挤压箱20，挤压箱20内设有第一丝杆，第一丝杆的一端通过键与第二电机21连接，挤压杆连接与与第一丝杆螺纹配合的移动滑块15固连，挤压杆在第二电机21的驱动下可实现在第二丝杆轴线方向上的移动，两个挤压杆分别为第一挤压杆7和第二挤压杆16。

搅拌组件包括固定在底座24上的滑轨支架26，侧向支架25一端连着滑轨支架26，另一端连着底座24，保证了滑轨支架26的稳定性。滑轨支架26的上表面设有滑轨组件27，滑轨组件包括两个滑轨和一个丝杠结构，丝杠结构包括第二丝杆29和底端通过螺母与第二丝杆滑动配合的滑块，主轴箱14与滑块固定连接，第二丝杆29转动时能够驱动滑块和主轴箱沿滑轨滑动。滑轨支架26的侧边设有第三电机28，丝杆ⅱ29的一端连着第三电机28，另一端连着支撑轴承。主轴箱14在第三电机28的驱动下可沿着滑轨左右滑动。卡爪22一端通过紧固件固定在主轴11上，另一端通过紧固件与上述自进料搅拌头1紧固连接。第一电机10通过传送带13和带轮12驱动自进料搅拌头1在旋转运动，主轴箱14和自进料搅拌头1在第三电机28的驱动下可实现前后移动。

模具组件的具体结构为:支架30固定在挤压座23上，进料底板31的一面与支架30贴合，固定连接，另一面与进料盖板35通过紧固件紧固连接，进料底板31上设有进料通道32，进料通道32与进料盖板35共同组成了两个进料通道6，两个进料通道6与第一挤压杆17、第二挤压杆16一一对应。

如图5所示，进料底板31与模具4间隙配合，便于模具的拆装。进料盖板35上设有盖板冷却孔351和盖板冷却通道352，模具4上还设置有与模具4的内部相通的进料斗36。盖板冷却孔351至少设有两个，其中一个为冷却液入口，另一个为冷却液出口。冷却筒34的一端与进料盖板35固定连接，另一端上设有进料斗33，冷却筒34内设有冷却通道341，其中冷却通道341与盖板冷却通道352处连通状态。搅拌头进料段2与冷却筒34和进料盖板35均为过渡配合，在搅拌头进料段2驱动元素粉末或合金粉末迁移到搅拌针9的过程中，冷却通道341与盖板冷却通道352中的冷却液均可对搅拌头进料段2进行有效的冷却。

如图6所示，自进料搅拌头1的圆柱形端部为夹持部分，其与卡爪22通过紧固件连接。搅拌头进料段2设有螺旋槽，可以驱动被添加的元素粉末或合金粉末向搅拌针9处迁移。在搅拌针9处，被添加的元素粉末或合金粉末与块状预制体剪切、摩擦、混合。搅拌针端部8处的结构形貌对复合材料材料的流动和挤出也具有一定的影响。

实施例二

如图7所示，本实施例提供一种自进料搅拌头，在实施例一的基础上，本实施例的自进料搅拌头还具有以下特点：自进料搅拌头1的进料段采用突变式结构，具体地：靠近入料口部分采用大螺距的第一螺旋槽36，远离入料口的部分采用小螺距的第二螺旋槽37。这样设计的优势在于既保证了一定的入料速度，又可以在远离入料口的部分对材料进行压实、压紧，从而利于材料从进料段迁移到搅拌针处。

实施例三

如图8所示，本实施例提供一种自进料搅拌头，在实施例一的基础上，本实施例的自进料搅拌头还具有以下特点：自进料搅拌头1的进料段采用渐变式螺旋槽38，具体地：进料段的螺旋槽的螺距是由大到小渐变式过渡的，其中较大的螺旋槽靠近进料斗33，便于材料的添加，较小的靠近搅拌针9。

实施例四

如图9所示，本实施例提供一种自进料搅拌头，在实施例一的基础上，本实施例的自进料搅拌头还具有以下特点：自进料搅拌头1的进料段采用渐变渐浅式螺旋槽，具体地：搅拌头进料段2靠近入料口区为深螺旋槽区40，远离入料口区为浅螺旋槽区39，其相当于在实施例三渐变式结构的基础上引入了渐浅式的结构，可有效加强搅拌头输送过程中对被添加元素粉末或合金粉末的压实压紧效果，利于材料从进料段迁移到搅拌针9。

实施例五

参照10-17，本实施例提供一种自进料搅拌头，在实施例一的基础上，本实施例的自进料搅拌头还具有以下特点：对增强材料的搅拌效果，对搅拌针9处的锥螺旋槽上的结构进行了特殊设计，具体地，又分为以下几类：

1、如图10所示，在搅拌针9处的锥螺旋槽上设有多个平面41，在具体实施中，平面41可以沿着锥面的母线均匀分布或者错开分布；平面的设置可以增强搅拌的效果，加大材料的变形程度。

2、如图11所示，在搅拌头的搅拌针9处锥螺旋槽的螺棱上设置缺口42，缺口42在螺棱上形成一斜面43，当材料在搅拌头搅拌过程中从缺口的一侧进入另一侧的时候，斜面43会加速材料的迁移，从而强化了材料混合搅拌的效果；当自进料搅拌头1顺时针转动，材料从缺口42上方向下迁移的时候，斜面43设置在缺口42的右侧，当自进料搅拌头1逆时针转动，材料从缺口42上方向下迁移的时候，斜面43设置在缺口42的左侧，相邻的两个缺口42需错开分布。

3、如图12所示，自进料搅拌头1在搅拌针9处置与原锥螺旋槽成一定夹角的螺旋槽44。搅拌过程中，螺旋槽44与原锥螺旋槽内的材料在两者的交汇处相遇、混合，搅拌效果增强。

4、如图13所示，自进料搅拌头1在搅拌针9处原锥螺旋槽内设置孔洞45，孔洞沿着锥面母线排列或错开排列；孔洞的设置可以加大被添加的元素粉末或合金粉末在螺旋槽内的流动阻力从而加强搅拌混合的效果。

5、如图14所示，搅拌针9处锥螺旋槽内设置楔形障碍物46，楔形障碍物上至少设有一个障碍物斜面47。当螺旋槽内的材料流经楔形障碍物时，受到障碍物斜面47的作用，材料的流动方向发生改变，螺旋槽内材料的层流被打破，搅拌效果增强。

6、如图15～17所示，自进料搅拌头1搅拌针9处设置成截面可变式螺旋槽，此类螺旋槽越靠近搅拌针端部8，其容纳材料的量越来越少，被添加的元素粉末或合金粉末变形逐步加剧。图15为螺距渐变式结构，渐变式锥螺旋槽48越靠近搅拌针端部8，螺距越小；图16为渐浅式结构，渐浅式锥螺旋槽49螺距不变，但越靠近搅拌针端部8其槽深越来越浅；图17为渐变渐浅式结构，其中靠近搅拌针端部8为小螺距、浅螺旋槽区50，靠近进料段2为大螺距、深螺旋槽区51。

实施例六

参照图18-23，本实施例提供一种自进料搅拌头，在实施例一的基础上，本实施例的自进料搅拌头还具有以下特点：对增强材料的搅拌效果，对搅拌头搅拌针端部8进行了特殊的结构设计，具体地，又分为以下几类：

1、在搅拌头搅拌针端部8处设置凹槽，此类凹槽不驱动材料沿凹槽迁移，主要作用为增大摩擦，提高摩擦产热，从而利于搅拌后的材料挤出。如图18所示，搅拌针端部8处设有一系列不同直径的环状凹槽52；如图19所示，在搅拌头搅拌针端部8处设置不同夹角的交叉凹槽53，交叉凹槽53能够将搅拌针端部8分成多瓣，图19中为4瓣。

2、在搅拌针端部8处设置曲线凹槽，此类曲线凹槽可以驱动材料沿凹槽迁移，从而利于搅拌后的材料挤出。如图20所示，搅拌针端部8处设有曲线凹槽54，曲线凹槽54从搅拌针端部8与搅拌针9交接处逐渐延伸至搅拌针端部8的底部，并在搅拌针端部8上均匀分布。如图21所示，在搅拌针端部8处设置螺旋凹槽55，螺旋凹槽55也是从搅拌针端部8与搅拌针9交接处逐渐延伸至搅拌针端部8的底部。

3、在搅拌针端部8处设置两级结构：靠近搅拌针9处的一级结构为轴肩57，轴肩57上设有轴肩曲线凹槽58，可驱动材料向搅拌针9中心迁移，远离搅拌针9处的二级结构上也设有曲线凹槽，可以驱动材料向模具出口401处迁移。如图22所示，轴肩57上设有轴肩曲线凹槽58，二级结构为一锥体，上面设有锥螺旋凹槽56，锥螺旋凹槽56从锥体与轴肩57的交接处(二级结构的根部)延伸至锥体尖端。轴肩曲线凹槽58从轴肩57边缘延伸至二级结构的根部。自进料搅拌头1搅拌过程中，轴肩曲线凹槽58驱动材料向二级结构的根部迁移，二级结构驱动材料由根部向尖端处迁移。尖端处靠近模具出口401，即二级结构驱动材料由根部向模具出口401处迁移。如图23所示，轴肩57上还可以设置叶片凹槽60，叶片凹槽60的底部为一斜面，叶片凹槽60的侧面及底部斜面均可驱动材料由轴肩边缘向二级结构根部迁移。叶片凹槽60的相邻部分为叶片凸起59，叶片凸起59的上表面也是一斜面，可有效驱动材料由轴肩边缘向二级结构根部迁移。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”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。