衛(wèi)生陶瓷高壓成形生產(chǎn)工藝控制*

樊立永

(惠達(dá)衛(wèi)浴股份有限公司 河北 唐山 063307)

前言

衛(wèi)生陶瓷產(chǎn)品一般都采用注漿的方法成形。傳統(tǒng)的注漿方法是將泥漿注入石膏模具中，借助石膏毛細(xì)管的吸力，把泥漿中的部分水脫出從而形成坯體。在生產(chǎn)實(shí)踐中，人們發(fā)現(xiàn)增大泥漿壓力，有助于成形速率的提高。以后又對注漿過程進(jìn)行了系統(tǒng)的理論分析及實(shí)驗(yàn)研究，揭示出注漿成形速率與泥漿壓力之間相互關(guān)系的規(guī)律，并建立了數(shù)學(xué)模型。簡單地說，就是給泥漿施加的壓力越大，坯體的成形速度越快。這就是高壓注漿成形工藝開發(fā)的依據(jù)，其直接的目的就是要提高成形速率。而石膏模型受強(qiáng)度的限制，無法滿足壓力注漿的要求，研發(fā)替代材料成為該技術(shù)的關(guān)鍵課題。

高壓注漿成形實(shí)際上是一個(gè)過濾過程，即多孔塑料模具注漿過程中泥漿顆粒運(yùn)動(dòng)到模具工作面，并依次沉積，形成一定強(qiáng)度的坯體。多孔塑料模具為水分的排除提供了通道，并賦予產(chǎn)品一定的形狀。

隨著科技的進(jìn)步，國內(nèi)衛(wèi)生陶瓷行業(yè)正在向不斷提高機(jī)械化程度，減輕作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度，改善作業(yè)環(huán)境等方面發(fā)展，在成形工序由高壓注漿取代傳統(tǒng)的石膏模具微壓注漿方式已經(jīng)成為主流，高壓注漿以其占地少、作業(yè)環(huán)境適宜、效率高、勞動(dòng)強(qiáng)度低、操作簡便、質(zhì)量優(yōu)良等優(yōu)勢而備受青睞，在國內(nèi)得到大面積推廣。與普通注漿相比其生產(chǎn)周期為15～30 min，而普通注漿需12～24 h；石膏模具還需要烘干，而高壓注漿模具為樹脂模具不需要烘干可連續(xù)24 h不間斷注漿；石膏模具使用壽命為90～120次，樹脂模具使用為10 000～20 000次；但其相比普通注漿一次性投入較大，嚴(yán)格的工藝控制也是制約其質(zhì)量提升的關(guān)鍵所在。筆者從高壓注漿成形原理、工藝流程、高壓組成、設(shè)備管理、環(huán)境管理、模具管理、泥漿管理以及干燥管理等多方面進(jìn)行論述，謹(jǐn)供業(yè)內(nèi)人士參考。

1 高壓注漿成形原理

1.1 組成

高壓注漿機(jī)由主機(jī)機(jī)架、模型、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、供漿系統(tǒng)和運(yùn)輸系統(tǒng)組成。

1.2 模具

模具采用樹脂摻入無機(jī)材料制備而成，內(nèi)部根據(jù)產(chǎn)品人為設(shè)計(jì)通路，便于水分和氣體的運(yùn)行，使用壽命約為20 000次(如圖1所示)。

圖1 樹脂模具結(jié)構(gòu)圖

1.3 設(shè)備操作

高壓成形機(jī)全部采用PLC自動(dòng)控制，只需簡單操控觸摸屏就可以完成整個(gè)設(shè)備操作，自動(dòng)注漿由低壓注漿、高壓注漿、排漿、鞏固、脫型、沖洗、合模7個(gè)程序完成(如圖2所示)。

圖2 高壓注漿設(shè)備

1.4 成形原理

隨著低壓注漿的完成，泥漿充滿模型空腔，此時(shí)由于樹脂模型內(nèi)部微孔的自然吸力，泥漿中水分進(jìn)入模型，泥漿中的原料顆粒吸附在模型吸漿表面形成一薄層坯體，隨著高壓注漿的到來，此時(shí)模型中的泥漿壓力為1.0 MPa左右，在壓力強(qiáng)制作用下，泥漿中大量水分被迅速壓入到樹脂模具微孔中并排出，在模型表面坯體逐漸增厚直至達(dá)到要求的厚度；隨后排泥程序開啟，多余的泥漿被排泥壓縮氣體從模具中排出體外；接下來進(jìn)入鞏固階段，坯體在壓縮空氣的壓力下部分水分繼續(xù)進(jìn)入模具微孔，使坯體顆粒排列更加緊密，變得更加致密，最后坯體達(dá)到工藝要求的厚度和強(qiáng)度。

2 高壓注漿工藝控制

2.1 工藝流程

高壓注漿工藝流程圖如圖3所示。

圖3 高壓注漿工藝流程圖

2.2 設(shè)備管理

高壓注漿機(jī)主要靠液壓傳動(dòng)系統(tǒng)完成各種動(dòng)作，所以對于液壓系統(tǒng)的定期檢修保養(yǎng)顯得非常重要，其正常工作與否將對高壓注漿帶來重要影響，是高壓注漿能否進(jìn)行生產(chǎn)的主要因素之一，在生產(chǎn)過程中必須按照設(shè)備檢修規(guī)范要求實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化操作。

2.3 環(huán)境管理

高壓車間濕坯操作區(qū)的溫濕度環(huán)境管理，是影響高壓注漿產(chǎn)量、質(zhì)量的一項(xiàng)基礎(chǔ)性的關(guān)鍵工作，對濕坯的硬度及收縮造成直接影響，會(huì)使坯體形成內(nèi)外的硬度差和收縮差，導(dǎo)致坯體的內(nèi)外不一致，直接影響濕坯操作。

車間溫濕度的控制是解決以上問題的基礎(chǔ)，尤其在季節(jié)交替時(shí)段要做到車間的環(huán)境不受到外界環(huán)境的干擾。目前的措施是對車間進(jìn)行密閉，在車間內(nèi)進(jìn)行加濕、加溫和排潮設(shè)施的安裝，人為進(jìn)行干預(yù)溫濕度，達(dá)到要求的數(shù)值。為了保證坯體的硬度，在操作間內(nèi)設(shè)置風(fēng)扇，加強(qiáng)空氣流通保證濕度的均勻。要求高壓車間濕坯操作區(qū)溫濕度長期保持一致，溫度為30 ℃±5 ℃，濕度達(dá)70%±10%。

2.4 模具管理

2.4.1 模具微孔

高壓模具主要為樹脂材料制成，其微孔直徑控制在2.0～3.5 μm范圍內(nèi)，因此模型微孔內(nèi)會(huì)存在泥漿顆粒及其氣體和水帶來的雜質(zhì)，為了保證模具吃漿良好，工藝上要求定期對模具要進(jìn)行清洗保證微孔暢通。

2.4.2 模具種類

目前模型主要有兩種，一種為無機(jī)材料加樹脂，另一種為歐洲材料(全部樹脂)。兩種材料和制造工藝不同生產(chǎn)出的模型在性質(zhì)和使用方面存在著不同。但是在使用中模型的保養(yǎng)都起到了關(guān)鍵的作用，不管是在模型使用壽命方面還是在生產(chǎn)濕坯方面。

2.4.3 模型的保養(yǎng)與使用

2.4.3.1 清洗模型

要定期清洗模型，模型使用次數(shù)不能超過250次，每次洗模時(shí)間不能低于2 h，尤其模型到達(dá)使用后期，更要增加洗模頻次，可在洗模用水中通入一定比例的次氯酸鈉溶液，加速微孔中雜質(zhì)的溶解；洗模氣壓為0.3～0.5 MPa，根據(jù)模型不同的實(shí)際情況掌握氣壓大小；洗模必須用400#水砂紙打磨模型表面沉積的雜質(zhì)；歐洲對于模型外洗和內(nèi)洗全部用與泥溫相近的溫水來進(jìn)行，一方面可以使模型溫度和泥溫近似，增加坯體的硬度，縮短吸漿時(shí)間，另一方面溫水可以迅速溶解模型微孔內(nèi)的雜質(zhì)，提高模型保養(yǎng)的質(zhì)量。

2.4.3.2 模型炸裂

模型使用中要對模型型合面和定位銷淤泥認(rèn)真進(jìn)行清理，避免墊泥等造成模型損壞。定位銷凹槽的清理往往會(huì)被大家所忽略，凹槽內(nèi)經(jīng)常會(huì)有淤泥，致使模型在合型時(shí)產(chǎn)生縫隙，造成漏漿；同時(shí)也會(huì)加速模型的變形和松動(dòng)直至產(chǎn)生模型破損。

新模型使用前250次內(nèi)模型脫型壓力不宜超過0.25 MPa ，大氣壓力不能超過0.15 MPa，可減少模型炸裂。從目前破損模型統(tǒng)計(jì)結(jié)果看，有70%的模型破損是由于設(shè)備操作不當(dāng)造成。設(shè)備操作員必須對設(shè)備操作要熟悉掌握，在操作設(shè)備時(shí)對每一臺設(shè)備都要進(jìn)行檢查。模具在上線之前必須對其外觀、脫水、透氣等項(xiàng)目進(jìn)行檢查確認(rèn)，有問題的模型不能上線使用。

2.5 干燥制度

對于高壓注漿生產(chǎn)來講，濕坯的干燥制度至關(guān)重要，合理的干燥制度是保證生坯質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。干燥制度包括干燥方法和干燥過程中各階段的干燥速度、影響干燥速度的參數(shù)(干燥介質(zhì)的種類、溫度、濕度、流量與流速等)。最理想的干燥制度是指在最短的時(shí)間內(nèi)獲得無干燥缺陷生坯的制度。在生產(chǎn)中為了提高干燥效率，節(jié)約能源，總是希望干燥速度快一些，但是在坯體干燥過程中隨著自由水的排除，顆粒表面水膜不斷變薄，顆粒逐漸靠攏，坯體收縮，在收縮過程中因坯料的顆粒具有一定的取向性，導(dǎo)致干燥收縮的各項(xiàng)異性，這種各項(xiàng)異性導(dǎo)致了坯體內(nèi)外層及各部分收縮率的差異，從而使產(chǎn)品內(nèi)部產(chǎn)生了應(yīng)力，當(dāng)這種內(nèi)應(yīng)力大于塑性狀態(tài)坯體的屈服值時(shí)，坯體發(fā)生變形，若內(nèi)應(yīng)力過大，超過其彈性狀態(tài)坯體的強(qiáng)度時(shí)，會(huì)導(dǎo)致坯體開裂。

圖4 濕坯干燥溫濕度曲線

我公司高壓干燥系統(tǒng)采用熱空氣干燥，干燥方式為連續(xù)干燥，分為緩干和快干2個(gè)階段，其優(yōu)點(diǎn)在于設(shè)備投入少，溫度和流速易于控制。

無論何種干燥方法都要遵循濕坯干燥規(guī)律，在實(shí)際干燥中要根據(jù)坯體泥料組成、坯體器型結(jié)構(gòu)綜合考慮進(jìn)行試驗(yàn)，找到坯體水分臨界點(diǎn)，制定合理的干燥制度，高壓濕坯含水率一般為19%～21%，最終要達(dá)到小于2%的水平(見圖4)。

2.6 供漿系統(tǒng)控制

供漿系統(tǒng)仍然采用傳統(tǒng)的泥漿罐加壓輸送到模具中的方式。其中的幾個(gè)關(guān)鍵因素需要重點(diǎn)進(jìn)行控制，包括壓力大小、管道位置布局、閥門的控制、液位控制、溫度的控制。

供漿罐壓力的大小決定了泥漿充滿模具的流速，壓力大、流速高，濕坯容易產(chǎn)生缺陷，壓力小影響注漿速度，我公司一般壓力控制在0.01～0.03 MPa。

送漿管道的布置要遵循盡量減少“彎路”、減少“由上及下”或“由下及上”的運(yùn)輸，以平直最短為最佳。

高壓注漿為自動(dòng)注漿系統(tǒng)，管路閥門全部為氣動(dòng)閥門，由電磁閥程序控制。對管路上的各種閥門要定期檢查有無磨損、泄漏、堵塞、跑氣，發(fā)現(xiàn)問題要及時(shí)處理，保證開關(guān)有效。

泥漿罐液位控制采用智能射頻導(dǎo)納液位控制，智能上漿供漿系統(tǒng)，保證泥漿供應(yīng)連續(xù)無斷流現(xiàn)象。

泥溫要保持穩(wěn)定恒溫，對于泥漿罐、管道要進(jìn)行保溫，而且供漿罐加裝溫控、攪拌系統(tǒng)，保證溫度的均勻及漿料的均勻。

2.7 水、氣系統(tǒng)控制

高壓模具為樹脂模具，在使用過程中要反復(fù)進(jìn)行脫型、洗型、真空等操作，操作都離不開水和壓縮空氣的使用。在實(shí)際生產(chǎn)中對壓縮空氣的壓力、潔凈度要求較高，氣壓必須達(dá)到工藝要求壓力值并保持穩(wěn)定；壓縮空氣除安裝過濾器進(jìn)行過濾外還要安裝冷干機(jī)進(jìn)行除水；對于水要求用軟水并進(jìn)行雜質(zhì)過濾，濾芯孔徑為0.1 μm；所有這些要求的原因一是防止雜質(zhì)堵塞模型，二是保證各種氣動(dòng)閥正常運(yùn)行。

2.8 工藝參數(shù)管理

2.8.1 工藝參數(shù)

我們經(jīng)過多年的生產(chǎn)實(shí)踐總結(jié)出的生產(chǎn)工藝參數(shù)如表1所示。

表1 泥漿性能

表2 成形注漿參數(shù)

2.8.2 工藝參數(shù)控制與坯體質(zhì)量的關(guān)系

1)高壓注漿對泥漿透水性、吸漿速度要求較高，透水性要好吸漿速度要快，而且還要充分考慮成形的需求，保證高壓注漿能夠順利成形，充分發(fā)揮高壓注漿連續(xù)不間斷高效率注漿的優(yōu)勢；其配方在設(shè)計(jì)中從原料的選擇使用到泥漿性狀的穩(wěn)定都要以此為目標(biāo)。

2)泥溫也是影響成形效率的一個(gè)重要因素，其變化不僅會(huì)使泥漿性狀發(fā)生變化還會(huì)對成坯帶來很大的影響，我們公司控制高壓注漿溫度為(35±5) ℃。適當(dāng)提高泥漿溫度，可以提高模型的吸水性和泥漿的流動(dòng)性。泥漿溫度為35～40 ℃時(shí)，溫度每提高1 ℃可增加0.1 mm的吃漿厚度；溫度太低，則會(huì)影響吃漿速度。因此，控制泥漿的溫度在注漿成形過程中十分重要。

3)低壓注漿的時(shí)間和壓力決定模型中泥漿的填充程度。如果時(shí)間過短或壓力過低，則泥漿可能會(huì)在程序結(jié)束時(shí)還未充滿模型腔，使形成的坯體較薄或者厚薄不均勻，用高壓注漿來補(bǔ)滿泥漿產(chǎn)生大量的棕眼氣泡；反之，會(huì)使形成的坯體過厚，造成浪費(fèi)，坯體開裂也會(huì)增多，模型腔內(nèi)部空氣排除不凈，在坯體內(nèi)部表面形成氣泡，影響坯體質(zhì)量；時(shí)間和壓力的調(diào)整以觀察排氣管泥漿液位和取出的濕坯質(zhì)量為準(zhǔn)，觀察濕坯是否有由于泥漿低壓注漿時(shí)未充滿而造成的棕眼缺陷，而后對壓力和時(shí)間進(jìn)行調(diào)整。

4)高壓注漿的時(shí)間和壓力決定形成的坯體厚度和部分強(qiáng)度。當(dāng)吃漿時(shí)間過短或壓力過低時(shí)，可能使形成的坯體較薄(雙面吃漿處沒有吃“死”)或坯體發(fā)軟；反之坯體會(huì)厚且硬，造成坯體粘?；蜷_裂；我公司高壓注漿時(shí)間控制在(700±200) s，補(bǔ)漿壓力控制在(1.0±0.05) MPa；一般情況下，時(shí)間和壓力調(diào)整要根據(jù)泥漿性狀、溫度、模具使用時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，要求每次注漿取出濕坯后對單面坯體厚度進(jìn)行測量，保證單面吃漿厚度為(10±0.5) mm；

5)排漿時(shí)間主要是保證多余的泥漿能全部排凈，時(shí)間長短主要根據(jù)泥漿的性能及模型的排漿角度等來進(jìn)行調(diào)整，如果時(shí)間過短，坯體底部泥漿排不干凈，造成坯體發(fā)軟，有存漿，為干燥和燒成留下坯體變形和開裂的隱患，導(dǎo)致干燥及燒成合格率降低，生產(chǎn)成本相應(yīng)提高；反之排漿時(shí)間過長也沒有必要。另外，排漿角度不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致坯體內(nèi)部殘留泥漿，影響坯體質(zhì)量。時(shí)間的調(diào)整以干燥坯體缺陷為準(zhǔn)，如發(fā)現(xiàn)干燥坯體出現(xiàn)批量變形和存漿造成的開裂則要根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整時(shí)間。

6)鞏固時(shí)間和壓力對坯體的強(qiáng)度影響較大。如果時(shí)間短壓力低則坯體發(fā)軟，硬度低不利于挺形；反之，壓力高時(shí)間長又容易發(fā)生坯體開裂和粘模。以濕坯硬度和缺陷以及干燥坯體質(zhì)量為依據(jù)進(jìn)行壓力和時(shí)間的調(diào)整。

3 結(jié)論

高壓注漿成形工藝控制管理集設(shè)備、泥漿、模具、環(huán)境管理于一身，需從多方面進(jìn)行管理，綜合考慮問題，高壓注漿擺脫了個(gè)人對注修技能的過分依賴的束縛，突出了標(biāo)準(zhǔn)化、協(xié)作化，只有各方面按照工藝標(biāo)準(zhǔn)要求相互配合才能達(dá)到預(yù)期的效果，發(fā)揮出高壓注漿效率高、作業(yè)環(huán)境好、勞動(dòng)強(qiáng)度低的優(yōu)勢；目前高壓注漿生產(chǎn)已經(jīng)作為一項(xiàng)成熟的生產(chǎn)工藝在國內(nèi)衛(wèi)生陶瓷行業(yè)開始應(yīng)用，進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段,其生產(chǎn)產(chǎn)品種類已由單一走向多樣化，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)由簡單走向復(fù)雜化，連體便器國內(nèi)也已經(jīng)自主研發(fā)生產(chǎn)；其作為一項(xiàng)適應(yīng)行業(yè)環(huán)保要求減少職業(yè)病發(fā)生的生產(chǎn)工藝具有非常廣闊的前景和推廣價(jià)值。

1 馬鐵成.陶瓷工藝學(xué)(第二版).北京：中國輕工業(yè)出版社. 2014

2 李希斌.衛(wèi)生陶瓷高壓樹脂模型注漿成形工藝.全國性科技核心期刊——陶瓷，2003 (3)：41～43

3 李轉(zhuǎn).衛(wèi)生陶瓷裝備現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢.全國性科技核心期刊——陶瓷，2012 (8)：12～15

4 徐熙武.我國衛(wèi)生陶瓷生產(chǎn)技術(shù)裝備進(jìn)步與展望.全國性科技核心期刊——陶瓷，2015 (3):14～17