扁平類陶瓷制品真空擠壓成形用擠壓筒的設計制造*

蔡祖光

(湖南省海諾電梯有限公司 湖南 湘潭 411104)

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扁平類陶瓷制品真空擠壓成形用擠壓筒的設計制造*

蔡祖光

(湖南省海諾電梯有限公司 湖南 湘潭 411104)

分析了扁平類陶瓷制品真空擠壓成形用擠壓筒的傳統設計制造方法的缺陷——鑄造式擠壓筒兩端面的形狀位置精度差(如同軸度誤差大)和內腔工作表面粗糙及凹凸不平等。雖然板料焊接式擠壓筒兩端面的形狀位置精度較好(如同軸度誤差小)和內腔工作表面平整光潔，但其內腔型面并非漸變式的光滑過渡，當陶瓷坯體擠壓成形時，泥料所受的摩擦阻力大，泥料發熱嚴重，有時甚至影響泥料的塑性擠壓成形工藝性能，導致坯體成品率低、產品質量差及產量低等，消除此缺陷的最有效的方法是采用板料折彎成形后再焊接成擠壓筒(簡稱板料折彎焊接式擠壓筒)的制造方法。詳細論述了折彎板料展開圖的繪制方法、板料的折彎成形、焊接加工及其生產應用的優越性等。最后得出板料折彎焊接式擠壓筒是扁平類陶瓷制品真空擠壓成形用擠壓筒的最佳選擇。

擠壓筒 傳統設計制造 板料折彎成形 生產應用

前言

目前，真空擠壓成形機是國內外扁平類陶瓷制品，如：蜂窩陶瓷板、劈開磚(也稱劈裂磚或劈離磚)、耐火磚、耐酸磚、陶土板(也稱陶板)及窯爐墊板(俗稱中空棚板)等塑性擠壓成形的關鍵設備。按坯體擠壓成形后的輸出方位可大致區分為臥式真空擠壓成形機和立式真空擠壓成形機，但因立式真空擠壓成形機輸出的坯體傳送困難等原因，所以在扁平類陶瓷制品的實踐生產過程中通常僅采用臥式真空擠壓成形機。臥式真空擠壓成形機(通常簡稱真空擠壓成形機，除非另有說明)按絞刀(又稱螺旋或螺旋絞刀)軸的多少又可分為單軸(攪泥絞刀和擠泥絞刀依次安裝在同一主軸上)真空擠壓成形機、雙軸(上軸為攪泥絞刀軸、下軸為擠泥絞刀軸)真空擠壓成形機和三軸(上部攪泥部分為兩根攪泥絞刀軸、下部為擠泥絞刀軸)真空擠壓成形機。三軸真空擠壓成形機上部攪泥部分為兩根逆向旋轉的分別安裝左旋絞刀和右旋絞刀的攪泥軸迫使陶瓷泥料(以下簡稱泥料)產生強烈的對攪、混勻和搓揉等作用，從而實現對泥料的充分破碎、攪拌、揉練及混合均勻等。所以說泥料經三軸真空擠壓成形機處理后，通常可獲得比單軸真空擠壓成形機和雙軸真空擠壓成形機產品質量更好、成品率更高的陶瓷坯體，這正是目前國內外陶瓷生產企業廣泛應用的真空擠壓成形機幾乎都是三軸真空擠壓成形機的主要原因之一。

盡管目前國內外扁平類陶瓷制品生產企業廣泛應用的真空擠壓成形機的種類繁多，但從螺旋推進器的終止處到機嘴(俗稱成形模具)之間的部分通常稱為擠壓筒(俗稱機頭)，扁平類陶瓷制品如：蜂窩陶瓷板、劈開磚、耐火磚、耐酸磚、陶土板及窯爐墊板等塑性擠壓成形采用的擠壓筒幾乎都是由圓柱形逐漸過渡到矩形的特殊筒體(如圖1所示)。其功能是：促使泥料在螺旋推進器的作用下，逐漸擠壓成形為物料分布趨于均勻、結構致密、物理機械強度較高、含水率較低、表面平整光潔且具有預定截面形狀尺寸的向機嘴方向整體移動的泥段，擠壓成形為泥條，泥條切斷后成為陶瓷坯體。由此可見，扁平類陶瓷制品真空擠壓成形用擠壓筒的設計制造質量與陶瓷坯體的質量緊密相關，尤其是擠壓筒兩端面的形狀位置精度越高、內腔工作表面越平整光潔，就越能最大限度地減少泥料的分層及摩擦發熱等，從而可優化泥料的塑性擠壓成形工藝性能。所以說，努力提高扁平類陶瓷制品真空擠壓成形用擠壓筒的設計制造質量，有利于提高陶瓷坯體質量及陶瓷生產企業的經濟效益等。

1 扁平類陶瓷制品真空擠壓成形用擠壓筒的傳統設計制造方法及其缺陷

目前，國內外扁平類陶瓷制品，如：蜂窩陶瓷板、劈開磚、耐火磚、耐酸磚、陶土板及窯爐墊板等塑性擠壓成形的關鍵設備——真空擠壓成形機，仍普遍采用傳統設計制造方法制造的擠壓筒——鑄造式擠壓筒和板料焊接式擠壓筒。

1.1 鑄造式擠壓筒

鑄造式擠壓筒的結構示意圖如圖1所示。它是目前國內外扁平類陶瓷制品真空擠壓成形應用最早及最為廣泛的擠壓筒，其材質一般是普通鑄鋼或鑄不銹鋼等。其工藝流程為：鑄造成形，消除殘余鑄造應力退火后再經金屬切削加工，最后通過人工打磨內腔工作表面即可制成。

圖1 鑄造式擠壓筒的結構示意圖

通常需要制作造型用模型和芯模(模型和芯模簡稱母模)，其生產周期較長；同時，由于鑄造屬于熱加工的范疇，其生產工藝非常復雜，不但加工余量特別大，浪費原材料，而且操作控制不當易造成質量隱患甚至成為廢品，在生產實踐中也是屢見不鮮的。尤其是造型時型腔、模芯的同軸度偏差大，易造成鑄件“錯箱”等缺陷，導致擠壓筒兩端面的形狀位置精度差及鑄件“飛邊”、內腔工作表面粗糙及凹凸不平等，嚴重影響擠壓筒的設計制造質量。即使經金屬切削加工后，仍存在不能消除擠壓筒兩端面的同軸度誤差大的缺陷，其后果是當陶瓷坯體擠壓成形時，由于陶瓷泥條的左右兩側擠壓成形速度相差較大，導致泥條呈“S型”彎曲前行，即使泥條呈“直線”前行，由于泥條內部存在內應力的作用，泥條切斷成為陶瓷坯體后，再經后續工序(如干燥、燒結等)時極易產生微裂紋及裂紋等缺陷。嚴重時，甚至泥條剛擠出時就開裂成許多碎塊，根本無法成形為陶瓷坯體。

雖然通過優化鑄造式擠壓筒的結構設計、改善其鑄造加工工藝，可有效地減少鑄造式擠壓筒兩端面的同軸度誤差及其內腔工作表面的打磨拋光工作量，但仍不能從根本上消除鑄造式擠壓筒兩端面的同軸度誤差大及其內腔工作表面粗糙凹凸不平的致命缺陷。即使采用精密鑄造工藝(如金屬型鑄造、壓力鑄造或消失模鑄造等)可消除此缺陷，但因擠壓筒的體積大、結構復雜，其胎模具的設計制造困難，因而生產費用昂貴。對于單件小批量生產方式的擠壓筒，采用精密鑄造工藝顯然是得不償失的。考慮到目前廣泛應用的塑性好、折彎性能優良、焊接性能良好及表面平整光潔的Q235-A碳素結構鋼熱軋鋼板或0Cr18Ni9奧氏體不銹熱軋鋼板，易于采購及成本適宜，因此，利用塑性好、折彎性能優良、焊接性能良好及表面平整光潔的Q235-A碳素結構鋼熱軋鋼板或0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼熱軋鋼板焊接成擠壓筒(簡稱板料焊接式擠壓筒)是消除鑄造式擠壓筒兩端面的同軸度誤差大及其內腔工作表面粗糙凹凸不平缺陷的最有效的途徑。

1.2 板料焊接式擠壓筒

板料焊接式擠壓筒是采用塑性好、折彎性能優良、焊接性良好及表面平整光潔的Q235-A碳素結構鋼熱軋鋼板或0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼熱軋鋼板焊接成毛坯，再經金屬切削加工及人工打磨拋光焊縫表面后即可制成擠壓筒(如圖2所示)。

圖2 板料焊接式擠壓筒的結構示意圖

擠壓筒主要是由圓法蘭、方法蘭及過渡筒3部分組成。圓法蘭、方法蘭可由24～30 mm厚的Q235-A碳素結構鋼熱軋鋼板或0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼熱軋鋼板經粗加工(金屬切削加工)后制成；過渡筒(如圖3所示)是圓錐筒-四棱錐筒的組合筒體。

生產實踐經驗表明，目前國內外扁平類陶瓷制品，如：蜂窩陶瓷板、劈開磚、耐火磚、耐酸磚、陶土板及窯爐墊板等塑性擠壓成形壓力較大，通常大于2.5 MPa,有時甚至高達5.0 MPa。為了有效地降低陶瓷坯體的擠壓成形摩擦阻力，并最大限度地提高陶瓷坯體的擠出效率(產量)，通常采用軸向尺寸較短的擠壓筒，其軸向尺寸約等于圓法蘭內孔的直徑值，因此構成過渡筒的圓錐筒通常采用20#優質碳素結構鋼或采用0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼鑄造成形，去除殘余鑄造應力退火后，再經車削內、外圓錐面，即可制得10～12 mm厚的圓錐筒。其中圓錐筒的大端內圓直徑等于擠壓筒圓法蘭的內孔直徑值，小端內圓直徑等同于擠壓筒方法蘭的方孔(矩形)的對角線長度值，并以小端內圓中心為擠壓筒方法蘭的方孔(矩形)中心作為內接矩形WXYZ及其兩對稱平面，再以圓錐筒的大端面為基準軸向移動一段距離(考慮到便于施焊及減少焊接變形等原因，常取40～50 mm為宜)與小端內接矩形WXYZ的兩對稱平面相交外錐面位于P、Q、S、T的4點(如圖3所示)，通過P、Q、S、T的4點依次與矩形WXYZ的邊ZW、WX、XY、YZ做4個平面，然后沿這4個平面利用等離子弧切割或氧氣乙炔火焰切割(不宜用于切割0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼材料)將圓錐筒上的多余部分(弧型片)切除，打磨切割邊殘渣及去除毛刺后，通常采用厚度為8～10 mm的焊接性良好的Q235-A碳素結構鋼熱軋鋼板或0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼熱軋鋼板1和鋼板2焊接在圓錐筒去除弧型片的相應部位，打磨拋光焊縫表面，即得圓錐筒-四棱錐筒的組合筒體，即過渡筒工件。再將圓法蘭、過渡筒和方法蘭焊接成一整體后即制成擠壓筒毛坯，最后經精加工(金屬切削加工)及人工打磨拋光焊縫表面后即得板料焊接式擠壓筒(如圖2所示)。

圖3 過渡筒的結構示意圖

雖然板料焊接式擠壓筒克服了鑄造式擠壓筒加工余量特別大、兩端面的形狀位置精度差(如同軸度誤差大)及鑄件“飛邊”、內腔工作表面粗糙及凹凸不平等缺陷，但其內腔型面是由圓錐形突然轉變成四棱錐形的，而不是漸變式的光滑過渡。按照流體力學中非牛頓型流體的運動規律，非牛頓型流體流經非漸變式光滑過渡型管路時，其能量損失(摩擦阻力大)特別大。同時，陶瓷坯體擠壓成形生產過程中的泥料可近似地認為是一種非牛頓型流體，因此，當陶瓷坯體擠壓成形時，泥料流經截面尺寸突然變化(非漸變式光滑過渡型)的擠壓筒(板料焊接式擠壓筒)所受的摩擦阻力特別大，易造成泥料嚴重發熱，有時甚至惡化泥料的塑性擠壓成形工藝性能，其后果是成坯率低、產品質量差及產量低等問題。目前，消除此問題的最有效地途徑就是采用擠壓筒的設計制造新方法——板料折彎成形，即板料折彎成形后再焊接成截面形狀漸變式光滑過渡型擠壓筒(簡稱板料折彎焊接式擠壓筒)。

2 擠壓筒的設計制造新方法——板料折彎成形

通過改善擠壓筒的結構設計，采用塑性好、折彎性能優良、焊接性良好及表面平整光潔的Q235-A普通碳素結構鋼熱軋鋼板或0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼熱軋鋼板折彎成形后再焊接成毛坯，然后經金屬切削加工及人工打磨拋光焊縫表面后即可獲得板料折彎焊接式擠壓筒(如圖4所示)。

圖4 板料折彎焊接式擠壓筒的結構示意圖

板料折彎焊接式擠壓筒是由圓法蘭、方法蘭及壓縮筒3部分組成。其中圓法蘭、方法蘭可由24～30 mm厚的Q235-A碳素結構鋼熱軋鋼板或0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼熱軋鋼板經粗加工(金屬切削加工)后制成，壓縮筒可由8 mm厚的Q235-A碳素結構鋼熱軋鋼板或0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼熱軋鋼板經等離子弧切割或氧氣乙炔火焰(不宜用于切割0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼材料)切割下料后，打磨切割邊的殘渣及毛刺后，經板料折彎機折彎成形后制成漸變式光滑過渡型筒體，然后將圓法蘭、壓縮筒和方法蘭焊接成為擠壓筒毛坯，最后經精加工(金屬切削加工)及人工打磨拋光焊縫表面后即得板料折彎焊接式擠壓筒。

3 生產應用

采用擠壓筒的設計制造新方法——板料折彎成形，即利用塑性好、折彎性能優良、焊接性能良好及表面平整光潔的鋼板(如Q235-A碳素結構鋼板或0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼板)折彎成形后再焊接成內腔過流截面漸變式光滑過渡型擠壓筒(簡稱板料折彎焊接式擠壓筒)與擠壓筒的傳統設計制造方法——鑄造式擠壓筒及板料焊接式擠壓筒相比具有無可比擬的優越性，具體表現在以下幾方面：

3.1 板料折彎焊接式擠壓筒加工制造方便

3.1.1 無需胎模具，生產成本低廉

制作板料折彎焊接式擠壓筒時，無需胎模具，常用8 mm厚的塑性好、折彎性能優良、焊接性能良好及表面平整光潔的Q235-A碳素結構鋼熱軋鋼板或0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼熱軋鋼板制作型腔截面漸變式光滑過渡型壓縮筒，折彎板料下料后便可直接在公稱壓力為1 000 kN(即100 t)的常用液壓折彎機上折彎成形，然后再焊接成壓縮筒，最后把壓縮筒與圓法蘭和方法蘭牢固可靠地焊接成一體，經去除殘余焊接應力退火處理后，再經金屬切削加工(精加工)及打磨拋光擠壓筒內腔之焊縫表面即得擠壓筒工件。顯然其生產工藝簡單、生產成本低廉，適宜于單件小批量生產，特別適用于扁平類陶瓷新產品的試制及其傳統產品的技術改造等。

3.1.2 生產工藝簡單，生產周期短

板料折彎焊接式擠壓筒采用折彎板料下料后，無需胎模具便可直接在常用液壓折彎機上折彎成形，然后再經焊接、去除殘余焊接應力退火處理、金屬切削加工(精加工)及打磨拋光擠壓筒內腔之焊縫表面后獲得擠壓筒工件。而鑄造式擠壓筒及焊接式擠壓筒首先需制作鑄造造型用模型和模芯，再經造型、烘模(造型后的型腔強化,有利于澆鑄時高溫鐵水烘烤等)、澆鑄、冷卻、清砂、消除鑄造應力的退火處理，然后經金屬切削加工及打磨拋光擠壓筒內腔之粗糙及凹凸不平等，最后才能獲得鑄造式擠壓筒。板料焊接式擠壓筒中的過渡筒車削內外圓錐面后，需切除多余的弧形片，再在原弧形片處焊接平整光潔的鋼板，其生產工序多、材料的利用率較低。由此可見，板料折彎焊接式擠壓筒的生產工藝簡單、生產周期短，便于生產管理等。

3.1.3 板料折彎焊接式擠壓筒的加工質量好

鑄造成形屬于熱加工，工藝復雜，不易控制。因此，鑄造式擠壓筒加工余量大、內腔形狀誤差大、內腔工作表面粗糙凹凸不平等，產品質量差，人工打磨拋光擠壓筒內腔過流面的工作量和勞動強度非常大，而且工作環境惡劣。即使板料焊接式擠壓筒也象板料折彎焊接式擠壓筒一樣，采用分件制作(粗加工)、焊接成整體后再進行精加工的生產方式，因此板料焊接式擠壓筒和板料折彎焊接式擠壓筒的加工精度高、產品質量好、重量輕、加工余量少及內腔表面光潔(僅需打磨拋光內腔之焊縫表面，打磨拋光工作量小)，但板料焊接式擠壓筒的過渡筒鑄造成形后去除殘余鑄造應力退后及車削加工內外圓錐面后，需切除多余的弧形片，再在原弧形片處焊接平整光潔的鋼板(如圖3所示)，工藝較復雜及材料利用率較低等。而板料折彎焊接式擠壓筒的壓縮筒采用等離子弧切割或氧氣乙炔火焰(不宜用于切割0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼材料)切割下料及打磨切割邊的殘渣及毛刺后，再經液壓折彎機折彎成形，然后焊接后即得過流截面漸變式光滑過渡型壓縮筒工件，而且其內腔工作表面形狀誤差小(圓截面逐漸光滑地過渡為矩形截面)。所以說，板料折彎焊接式擠壓筒的制造質量好，節約原材料，生產成本低廉。

3.2 板料折彎焊接式擠壓筒有利于陶瓷坯體的擠壓成形

由于鋼板扎制成形后表面光潔，經折彎成形后再焊接成擠壓筒(即焊接式擠壓筒)，其內腔工作表面形狀誤差小(圓截面逐漸光滑地過渡為矩形截面)，內腔表面光潔(僅需打磨拋光內腔之焊縫表面，打磨拋光工作量小)。因此，泥料塑性擠壓成形為陶瓷坯體時，能最大限度地減少泥料與焊接式擠壓筒內壁的摩擦阻力，從而減少了泥料的分層及摩擦發熱等缺陷，優化了泥料的塑性擠壓成形工藝性能，確保陶瓷坯體處于無應力狀態擠壓成形，所制得的陶瓷坯體質量好，成品率高。即使板料焊接式擠壓筒也是采用表面平整光潔的板料焊接而成的，但內腔型面是由圓錐形突然轉變成四棱錐形型面，而不是漸變式光滑過渡的，當陶瓷坯體擠壓成形時，泥料流經截面尺寸突然變化(非漸變式光滑過渡)的擠壓筒(板料焊接式擠壓筒)所受的摩擦阻力特別大，易造成泥料嚴重發熱，有時甚至影響泥料的塑性擠壓成形工藝性能，導致成坯率低、產品質量差、產量低等。至于鑄造式擠壓筒，因鑄造屬于熱加工，其加工工藝復雜，且操作控制困難，其兩端面的形狀位置精度差大(如同軸度誤差大)內腔工作表面粗糙及凹凸不平(即使人工打磨拋光后，與熱軋鋼板表面及機械切削加工表面相比)，其后果是當陶瓷坯體通過鑄造式擠壓筒擠出成形時，由于陶瓷坯泥條的兩側擠壓成形速度相差較大，導致泥條呈“S型”彎曲前行，即使泥條呈“直線”前行，由于泥條內部存在內應力的作用，那么泥條切斷成為陶瓷坯體后，再經后續工序(如干燥、燒結等)時極易產生微裂紋及裂紋等缺陷而影響產品質量，嚴重時，泥條剛擠出時就開裂成許多碎塊，根本無法成成形為陶瓷坯體。

4 結論

綜上所述，利用擠壓筒的設計制造新方法——板料折彎成形，具體說來就是采用塑性好、折彎性能優良、焊接性能良好及表面平整光潔的的Q235-A碳素結構鋼熱軋鋼板或0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼熱軋鋼板等折彎成形的生產方式設計制造扁平類陶瓷制品真空擠壓成形用漸變式光滑過渡型擠壓筒的方法，它與傳統鑄造式擠壓筒及鋼板焊接式擠壓筒相比具有許多的優點，能最大限度地減少泥料與板料折彎焊接式擠壓筒內壁的摩擦阻力，減少泥料的分層及摩擦發熱等缺陷，優化了泥料的塑性擠壓成形工藝性能，確保陶瓷坯體處于無應力狀態擠壓成形，有利于獲得結構致密(貫入度儀測定值不小于2.5 kg/cm2)、機械強度較大、含水率較低(約15%左右)、表面光潔及產品質量好的陶瓷坯體。因此，目前從美國、德國、意大利和日本等發達國家進口的扁平類陶瓷制品真空擠壓成形機，其擠壓筒幾乎都采用板料折彎焊接式擠壓筒，板料折彎焊接式擠壓筒是扁平類陶瓷制品真空擠壓成形用擠壓筒的最佳選擇。

1 濯洪緒.板金展開計算法.北京：機械工業出版社,2002

蔡祖光(1964-)，本科，高級工程師；主要從事陶瓷機械的設計與制造研究工作。

TQ174.5

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1002-2872(2016)12-0037-06