一种螺线形管式陶瓷坯体制备模具及方法技术

本发明专利技术涉及一种螺线形管式陶瓷坯体制备模具及方法，主要应用于一种车载在线微波等离子体制氢装置。所述模具，包括外模Ⅰ和外模Ⅱ、内模、模芯组件和注射头组件，所述内模为一体式结构，其外表面旋入模芯组件，所述注射头组件与模芯组件连接，所述内外模共同形成陶瓷坯体的外表面螺线形形状。所述方法包活：调浆，组装模芯组件，模具定位，预热，施加合模力，料浆注射，保压，静压成型，卸载，降温，开模，去除陶瓷坯体中注射口处形成的外伸陶坯管体部分，移除模芯组件，制坯完成后，后续处理和机械加工等。本发明专利技术制成的螺线形管式陶瓷坯体壁厚均匀且壁厚和总长可调，在制坯时通过加压控制陶瓷坯体的致密度。

【技术实现步骤摘要】
一种螺线形管式陶瓷坯体制备模具及方法
本专利技术涉及一种螺线形管式陶瓷坯体制备模具及方法，主要应用于一种车载在线微波等离子体制氢装置。
技术介绍
节能减排问题是目前世界范围内重点在研究的课题，在汽车能源动力方面也亟待解决，其中利用车载在线制氢技术已经成为了新型内燃机的重点发展方向，而目前用于车载微波制氢装置的主要材料是石英玻璃，由于一般石英材料耐高温性较差，经过反复温度变化后容易产生烧损，导致反应管气密性降低容易发生气体泄漏。使用耐高温的陶瓷材料则可以解决这个问题，并且陶瓷材料已经应用于汽轮机转子、发动机气门导管、喷嘴等高温性能要求较高的领域，其中，氮化硅(Si3N4)不仅拥有极强的耐高温性，而且还具有良好的透波性能，十分适合车载微波等离子设备中的反应管材料。但由于陶瓷是共价键键能很强的无机材料，强度、硬度、脆性极高，难以制备形状复杂的零部件；所以通常需要在制坯阶段就采取不同方法得到预期的形态，例如以下：凝胶注模方法利用有机物的化学交联过程形成固相产物，工艺操作简单、可形成复杂形状、效率高，但是由于反应中经常需要气体催化或产生气体副产物，制件的致密性和强度无法有效保证。等静压成形通常用橡胶或塑料作包套模具材料，以液体为压力介质，主要用于粉体材料成型，为进一步烧结、煅造或热等静压工序提供坯体，等静压流体介质传递压力，在各方向上相等，包套与粉料受压缩大体一致，粉料与包套无相对运动，它们之间的摩擦阻力很少，压力只有轻微地下降，这种密度下降梯度一般只有1％以下，因此，可认为坯体密度是均匀的。粉末注射成型利用高压将混合料注射入型腔，保证注浆充分，能够成形复杂形状的工件并保持较高的尺寸精度，生产效率高易于大批量生产。挤压成型属于可塑成型法，可在低温低压条件下得到等截面线材、管材或片材，广泛用于石英等材料的直管状结构生产中，通常挤管机的挤压力在2～10MPa，成形圧力较小，对于螺线型的管材，该方法无法精确控制曲率和挤出部分材料在三维空间的尺寸稳定。上述提及的制氢装置需要螺旋结构的管状零件集中微波能量，属于形状较复杂的薄壁零件，不仅需要螺线的形状，还要保证有一定的强度，上述方法在通常的使用中并不能够满足要求。
技术实现思路
办专利技术的目的在于克服上述现有技术存在的缺点和不足，提供一种一种螺线形管式陶瓷坯体制备模具及方法，可实现坯体壁厚沿螺旋中心线方向分布均匀，陶瓷坯体的壁厚和总长可调，并可在制坯时通过加压控制陶瓷坯体的致密度，通过采用气压可控，可根据不同材质、致密度要求调节气压。本专利技术的上述目的通过以下技术方案实现。一种螺线形管式陶瓷坯体制备模具，包括外模Ⅰ4和外模Ⅱ8、内模13、模芯组件9和注射头组件11，所述内模13为一体式结构，其外表面旋入模芯组件9，所述注射头组件11与模芯组件9连接，所述外模Ⅰ4和外模Ⅱ8的分模面采用密封圈密封，并通过定位销20和定位孔23限位，所述内模13与外模Ⅰ4和外模Ⅱ8通过吊孔5和内模定位销6定位，所述外模Ⅰ4、外模Ⅱ8和内模13共同形成陶瓷坯体12的外表面螺线形形状；所述外模Ⅰ4和外模Ⅱ8分别内置预埋加热管，采用电加热方式或管内流动导热介质对外模加热。为成形后脱模时提供足够的余量空间，所述内模13、外模Ⅰ4和外模Ⅱ8均使用有较大热膨胀率的刚性材料，热膨胀率为15～17×10-6m/K，便于开模装配内模13以及取出陶瓷坯体12；所述陶瓷坯体12壁厚范围在0.5mm～10mm，制坯初期壁厚比最终零件壁厚增大10％～30％。为了避免由于螺旋线特性会产生金属模具间的刚性干涉碰撞，在外模Ⅰ4和外模Ⅱ8底部设置工艺补充，即将内模13上的一部分金属模具结构设置在外模Ⅰ4和外模Ⅱ8对应位置。所述外模Ⅱ8的侧壁上设置注射口22，其结构整体呈圆柱贯穿外模Ⅱ8侧壁，外侧末端呈喇叭口状，与注射头组件11的圆台表面采用密封圈37密封，避免陶瓷浆料泄漏。所述加热管采用蛇形分布，电加热的接入端或导热介质的输入输出端设在外模的下部，所述导热介质为液态，所述加热管温度可控。所述外模Ⅰ4和外模Ⅱ8内表面和内模13的外表面上涂覆固态润滑减摩材料，所述润滑减摩材料采用石墨或固态润滑脂。所述模芯组件9由内芯17和气压胀管19组成，所述内芯17具有较高强度和刚度，同时具有一定热膨胀性，内芯17为中空螺旋管式结构，与陶瓷坯体12共轴线，所述内芯17末端为盲端，螺旋管壁的外侧设有均匀分布的通气孔18，所述通气孔18为贯穿内芯17管壁的通孔，直径为1mm～2mm，用于提供气压通道，所述内芯17外伸端10与导气管24螺纹连接，完成气体传输；所述气压胀管19，套装在内芯17上，其一端封闭贴合于内芯17盲端，进气端16通过卡箍38密封在内芯外伸端10表面，所述气压胀管19采用具有良好延展性的有机材料，通过控制内芯17中气压使气压胀管19内表面与内芯17分离、贴合，使外模Ⅰ4、外模Ⅱ8和内模13之间的陶瓷浆料形成陶瓷坯体12。所述注射头组件11由导气管24、导浆口25和负压管33组成，所述导气管24通过其上设有定位轴肩36限位，通过轴承28和轴承端盖29装在注射头本体内，轴承28与注射头本体断面间装有垫片组26和唇形密封圈27，所述注射头本体前端的圆台表面与外模注射口22通过密封圈37密封，所述导气管24的射出端与内芯外伸端10螺纹连接，且通过注射头组件定位；所述导气管24与注射头本体形成的腔体与外模注射口22连通，所述注射头本体上设有与注浆机P2连接的导浆口25和与抽气泵P3连接的负压管33，所述导气管24外接气泵P1。一种螺线形管式陶瓷坯体制备方法，包括以下步骤：1调浆：将陶瓷粉体、粘结剂和分散剂按照比例混合，加热搅拌，抽真空陈腐，加热保温区间在30℃～200℃；2组装模芯组件9：将气压胀管19套装于内芯17外表面，在密封的气压胀管19开口端检验气密性；3模具定位：通过液压顶杆2确定外模8仅能沿顶杆2方向移动，在内模13外表面旋入模芯组件9后，通过内模定位销6和吊孔5定位于外模8内，内芯外伸端10通过外模8的注射口22伸出且两者不接触；注射头组件11中导气管24射出端与内芯外伸端10螺纹连接，调整模芯组件9在型腔内的位置，不与任一模具表面接触或明显偏离，保证内芯外伸端10的中心线与外模Ⅱ8注射口22中心线同轴，固定内芯外伸端10的位置限制内芯17的自由度；推动外模Ⅰ4的液压顶杆2沿垂直于分模面的方向合模，并通过定位销和密封圈定位密封，完成模具定位；4预热：加热管Ⅰ33和加热管Ⅱ15通电或导入高温导热介质，将模具内部温度预热到指定温度：50℃～250℃；5施加合模力：为了保证型腔内部的气密性，通过液压顶杆2外接液压控制，施加合模力，合模力大小P锁模≥K·P胀形，其中，P胀形＝P比压·A投影；K约为1.3；6料浆注射：注浆温度在20℃～200℃，保持高于粘结剂熔化温度，首先通过负压管33抽去注射头组件11内腔空气，形成腔内负压，同时模芯组件9中内芯17气体保持同样的负压，避免气压胀管19提前膨胀；注浆期间需保持气压胀管19与内芯13紧密接触，高压注射料浆进入型腔，加速料浆流动，注射压范围在10MPa～200MPa；7保压：注浆后保持一段时间的压力，料浆充分流动，占据整个型腔，完成压缩形变；注射压力：保压压力/注射压力为1:0.8，保压本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种螺线形管式陶瓷坯体制备模具，包括外模Ⅰ(4)和外模Ⅱ(8)、内模(13)、模芯组件(9)和注射头组件(11)，其特征在于：所述内模(13)为一体式结构，其外表面旋入模芯组件(9)，所述注射头组件(11)与模芯组件(9)连接，所述外模Ⅰ(4)和外模Ⅱ(8)的分模面采用密封圈密封，并通过定位销(20)和定位孔(23)限位，所述内模(13)与外模Ⅰ(4)和外模Ⅱ(8)通过吊孔(5)和内模定位销(6)定位，所述外模Ⅰ(4)、外模Ⅱ(8)和内模(13)共同形成陶瓷坯体(12)的外表面螺线形形状；所述外模Ⅰ(4)和外模Ⅱ(8)分别内置预埋加热管，采用电加热方式或管内流动导热介质对外模加热。

【技术特征摘要】
1.一种螺线形管式陶瓷坯体制备模具，包括外模Ⅰ(4)和外模Ⅱ(8)、内模(13)、模芯组件(9)和注射头组件(11)，其特征在于：所述内模(13)为一体式结构，其外表面旋入模芯组件(9)，所述注射头组件(11)与模芯组件(9)连接，所述外模Ⅰ(4)和外模Ⅱ(8)的分模面采用密封圈密封，并通过定位销(20)和定位孔(23)限位，所述内模(13)与外模Ⅰ(4)和外模Ⅱ(8)通过吊孔(5)和内模定位销(6)定位，所述外模Ⅰ(4)、外模Ⅱ(8)和内模(13)共同形成陶瓷坯体(12)的外表面螺线形形状；所述外模Ⅰ(4)和外模Ⅱ(8)分别内置预埋加热管，采用电加热方式或管内流动导热介质对外模加热。2.根据权利要求1所述的一种螺线形管式陶瓷坯体制备模具，其特征在于：为成形后脱模时提供足够的余量空间，所述内模(13)、外模Ⅰ(4)和外模Ⅱ(8)均使用有较大热膨胀率的刚性材料，热膨胀率为15～17×10-6m/K，便于开模装配内模(13)以及取出陶瓷坯体(12)；所述陶瓷坯体(12)壁厚范围在0.5mm～10mm，制坯初期壁厚比最终零件壁厚增大10％～30％。3.根据权利要求1所述的一种螺线形管式陶瓷坯体制备模具，其特征在于：为了避免由于螺旋线特性会产生金属模具间的刚性干涉碰撞，在外模Ⅰ(4)和外模Ⅱ(8)底部设置工艺补充，即将内模(13)上的一部分金属模具结构设置在外模Ⅰ(4)和外模Ⅱ(8)对应位置。4.根据权利要求1所述的一种螺线形管式陶瓷坯体制备模具，其特征在于：所述外模Ⅱ(8)的侧壁上设置注射口(22)，其结构整体呈圆柱贯穿外模Ⅱ(8)侧壁，外侧末端呈喇叭口状，与注射头组件(11)的圆台表面采用密封圈(37)密封，避免陶瓷浆料泄漏。5.根据权利要求1所述的一种螺线形管式陶瓷坯体制备模具，其特征在于：所述加热管采用蛇形分布，电加热的接入端或导热介质的输入输出端设在外模的下部，所述导热介质为液态，所述加热管温度可控。6.根据权利要求1所述的一种螺线形管式陶瓷坯体制备模具，其特征在于：所述外模Ⅰ(4)和外模Ⅱ(8)内表面和内模(13)的外表面上涂覆固态润滑减摩材料，所述润滑减摩材料采用石墨或固态润滑脂。7.根据权利要求1所述的一种螺线形管式陶瓷坯体制备模具，其特征在于：所述模芯组件(9)由内芯(17)和气压胀管(19)组成，所述内芯(17)具有较高强度和刚度，同时具有一定热膨胀性，内芯(17)为中空螺旋管式结构，与陶瓷坯体(12)共轴线，所述内芯(17)末端为盲端，螺旋管壁的外侧设有均匀分布的通气孔(18)，所述通气孔(18)为贯穿内芯(17)管壁的通孔，直径为1mm～2mm，用于提供气压通道，所述内芯(17)外伸端(10)与导气管(24)螺纹连接，完成气体传输；所述气压胀管(19)，套装在内芯(17)上，其一端封闭贴合于内芯(17)盲端，进气端(16)通过卡箍(38)密封在内芯外伸端(10)表面，所述气压胀管(19)采用具有良好延展性的有机材料，通过控制内芯(17)中气压使气压胀管(19)内表面与内芯(17)分离、贴合，使外模Ⅰ(4)、外模Ⅱ(8)和内模(13)之间的陶瓷浆料形成陶瓷坯体(12)。8.根据权利要求1所述的一种螺线形管式陶瓷坯体制备模具，其特征在于：所述注射头组件(11)由导气管(24)、导浆口(25)和负压管(33)组成，所述导气管(24)通过其上设有定位轴肩(36)限位，通过轴承(28)和轴承端盖(29)装在注射头本体内，轴承(28)与注射头本体断面间装有垫片组(26)和唇形密封圈(27)，所述注射头本体前端的圆台表面与外模注射口(22)通过密封圈(37)密封，所述导气管(24)的射出端与内芯外伸端(10)螺纹连接，且通过注射头组件定位；所述导气管(24)与注射头本体形成的腔体与外模注射口(22)连通，所述注射头本体上设有与注浆机(P2)连接的导浆口(25)和与抽气泵(P3)连接的负压管(33)，所述导气管(24)外接气泵(P1)。9.一种螺线形管式陶瓷坯体制备方法，包括以下步骤：1)调浆：将陶瓷粉体、粘结剂和分散剂按照比例混合，加热搅拌，抽真空陈腐，加热保温区间在30℃～200℃；2)组装模芯组件(9)：将气压胀管(19)套装于内芯(17)外表面，在密封的气压胀管(19)开口端检验气密性；3)模具定位：通过液压顶杆(2)确定外模(8)仅能沿顶杆(2)方向移动，在内模(13)外表面旋入模芯组件(9)后，通过内模定位销(6)和吊孔(5)定位于外模(8)内，内芯外伸端(10)通过外模(8)的注射口(22)伸出且两者不接触...

【专利技术属性】
技术研发人员：王军年，颜庭旭，王治强，王庆年，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22