關(guān)于香煙硬盒包裝卡紙切刀的工藝性研究及改進(jìn)

李治 李少鵬 付韻哲 李劉通 李志剛 劉曉姍

摘要： 香煙硬盒包裝機(jī)中的卡紙厚度厚，形狀復(fù)雜，因此切割難度較大，再加上包裝機(jī)的生產(chǎn)速率較快，這對卡紙切刀就提出了需具有高硬度及高耐磨性的要求。目前的工藝為對其進(jìn)行滲氮后精磨，但加工成品率只有10%–20%，浪費了大量的資源。本文將對其加工成品率低的原因進(jìn)行分析，提出改進(jìn)方案，并通過方案的對比，提出了一種改進(jìn)工藝，不僅將加工成品率提升為100%，并且延長了切刀的使用壽命。

關(guān)鍵詞： 包裝機(jī);卡紙切刀;工藝制造方法;熱處理

前言

隨著工業(yè)4.0時代的到來，各生產(chǎn)企業(yè)都爭分奪秒地乘上智能化生產(chǎn)的浪潮，這其中就包括了煙草行業(yè)。早在上世紀(jì)80年代，煙草行業(yè)就已經(jīng)實現(xiàn)了全面自動化和生產(chǎn)線的柔性聯(lián)接，其中包括了打葉復(fù)烤線、卷煙機(jī)、包裝機(jī)、自動化物流線等設(shè)備。包裝機(jī)起著將零散支煙包裝為整包煙的重要作用，為煙草行業(yè)自動化生產(chǎn)提供了強(qiáng)有力的支撐。目前主流的包裝形式分為軟盒包裝與硬盒包裝，各煙草公司為擴(kuò)大市場的占有率，在煙支規(guī)格以及包裝輔料上不斷創(chuàng)新，其中以硬盒包裝為主。硬盒包裝包含商標(biāo)紙、鋁箔紙、卡紙、透明紙等輔料，除商標(biāo)紙為單張成型輔料外，其余輔料均需切刀切割成型，這其中由于卡紙的厚度及形狀原因，其切割難度較大，再加上包裝機(jī)的生產(chǎn)速率較快，因此對切刀就提出了需具有高硬度及高耐磨性的要求。

為適應(yīng)不同煙支規(guī)格以及輔料的改變，包裝機(jī)就需要進(jìn)行不同的改造，這其中卡紙切刀在每次的改造中都會因為輔料及煙支規(guī)格的改變而需要進(jìn)行重新設(shè)計，而卡紙切刀的工藝制造方法又比較復(fù)雜，廢品出現(xiàn)率較高，因此對其進(jìn)行工藝性研究的必要性就不言而喻了。

卡紙切刀結(jié)構(gòu)分析與工藝路線

硬盒包裝中的卡紙對于外形有特定的技術(shù)要求，因此卡紙切刀就需根據(jù)卡紙外形進(jìn)行設(shè)計，其結(jié)構(gòu)形式如圖1：

卡紙切刀的整體形狀為一根階梯軸，中間的凸臺為刀刃，一個圓周上分布8條刀刃，切刀在工作時與卡紙的接觸面只有刀刃，因此刀刃需具有高硬度與高耐磨性。為滿足切刀的這兩點要求，選擇切刀的材料為4Cr5MoSiV1，選擇的熱處理方式為滲氮，要求層深為0.1mm–0.15mm，硬度為660HV–760HV。為達(dá)到切刀的精度及技術(shù)要求，常用工藝路線如下：

球化退火—粗車—調(diào)質(zhì)—半精車—粗磨—粗銑—半精銑—半精磨—滲氮—精磨—精銑

為盡量減少滲氮的變形量，采用的滲氮方式是離子滲氮，擺放方式為零件垂直放置。

工藝制造問題及分析

為滿足切刀的精度及熱處理要求，工藝路線已充分考慮應(yīng)力及變形量問題，但在加工過程中的精磨工序仍舊出現(xiàn)了問題。在精磨刀刃時，經(jīng)常會發(fā)生將刃口磨崩的現(xiàn)象，投產(chǎn)成品率只能保證在10%～20%，因此每次都需要進(jìn)行大量投產(chǎn)，造成了不必要的浪費。

通過分析切刀結(jié)構(gòu)及崩口組織狀態(tài)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生問題的主要原因如下：1.切刀刀刃較薄，寬度只有0.02mm–0.04mm，磨削時產(chǎn)生的集中應(yīng)力較大;2.滲氮后由于層深較淺，造成外部與內(nèi)部組織形態(tài)不同;3.滲氮表面雖硬度較高，但脆性也較大，不耐沖擊。

改進(jìn)方案與比較

基于以上產(chǎn)生問題原因分析，提出了改進(jìn)思路。雖然刀刃寬度較小，但由于需要將卡紙切斷，因此刀刃寬度無法進(jìn)行改變，而滲氮處理的目的是提高耐磨性和保證切刀變形量控制在技術(shù)規(guī)定的范圍內(nèi)，因此提出重新選擇材料及熱處理方式的改進(jìn)思路，在保證硬度及耐磨性能變化不大的情況下，提升刀刃的機(jī)械加工性能和使用壽命。

方案一：材料選用Cr12MoV，熱處理方式選用真空淬火

方案二：材料選用W6Mo5Cr4V2，，熱處理方式選用真空淬火

方案一和方案二材料化學(xué)元素如下表：

從物理性能來看，方案一所選材料為冷作模具鋼，方案二為刀具鋼，二者的淬火后硬度都能滿足技術(shù)要求，但紅硬性能上方案二優(yōu)于方案一，淬火處理后的變形量上方案一小于方案二?；趯η械秾嶋H工作環(huán)境的分析，對于紅硬性能并沒有要求，因此淬火后變形量小的方案一占有明顯優(yōu)勢，并且方案一的材料在保證零件到達(dá)最佳使用效果的同時在成本上能節(jié)約材料成本。

從熱處理來看，為保證最小的淬火變形量，選用真空淬火方式，但因兩個方案均存在真空淬火時金屬元素外溢的現(xiàn)象，因此需要進(jìn)行分壓處理充入99.99%的氮氣進(jìn)行保護(hù)。方案一屬于冷作模具鋼，根據(jù)Fe–Fe3C相圖在預(yù)先熱處理時只需要調(diào)質(zhì)處理，方案二屬于鉬系高速鋼，合金含量高，淬火溫度范圍窄，淬火加熱時容易晶粒長大，過熱敏感性高，故為保證后續(xù)工件的紅硬性和最終熱處理后達(dá)到使用要求，預(yù)先熱處理要經(jīng)過多次循環(huán)退火，時間成本大于方案一。根據(jù)Fe–Fe3C相圖鉬系高速鋼要達(dá)到奧氏體化溫度，因此方案二的保溫溫度高于方案一?；诔杀九c節(jié)約能源角度考慮，方案一優(yōu)于方案二。

通過以上方案比較，最終確定使用方案一進(jìn)行試制，試制工藝路線如下：

粗車—調(diào)質(zhì)—半精車—粗磨—粗銑—半精銑—半精磨—真空淬火—精磨—精銑

試制投產(chǎn)10把卡紙切刀，完成成品率為100%。

歸納與總結(jié)

改進(jìn)前后對照表：

熱處理金相組織對比圖。

圖3為氮化組織金相圖，圖2為真空淬火后組織金相圖，從兩種金相組織上可以看出，氮化組織是ε+γ白亮層，此白亮層的特點就是硬度高，但脆性大，容易在加工中產(chǎn)生脫落，崩口，造成切刀加工成品率不高;真空淬火后組織是均勻致密的回火馬氏體+部分索氏體，大大提升了切刀的成品率，并且大幅度提高了產(chǎn)品使用壽命。

最終確認(rèn)的工藝路線為：粗車—調(diào)質(zhì)—半精車—粗磨—粗銑—半精銑—半精磨—真空淬火—精磨—精銑，這種工藝路線對切刀的加工性能及使用性能具有明顯的優(yōu)化效果，并且大大的節(jié)約了能源及成本。

通過此次卡紙切刀的工藝改進(jìn)，可以總結(jié)出材料及熱處理方式對機(jī)加工性能的影響非常巨大，因此在滿足使用需求的前提下應(yīng)盡可能地選擇易于加工的材料及熱處理方式，這可以大大地提升效率及降低成本。

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