手動液壓制樣機(jī)卡模問題分析

韓復(fù)興,邵奇,陶茂強(qiáng),姜其武,王永威

（1.安徽瑞蒙科技有限公司,蒙城 233500;2.安徽萬佛新型建材集團(tuán)有限公司,蒙城 233500 )

1 前言

手動液壓制樣機(jī)也叫手動壓片機(jī)，俗稱打餅器。手動液壓制樣機(jī)包括制樣模具、液壓表、手搖千斤頂以及機(jī)身等，如圖1 所示。市面陶瓷用手動液壓制樣機(jī)有三個(gè)型號，分別是5T、10T 和30T 三種，最大工作壓力分別是40MPa、45MPa 和60MPa，最大工作行程分別為100mm、125mm 和150mm[1]。

圖1 手動液壓制樣機(jī)及模具四件套

模具是手動液壓制樣機(jī)的主要工作元件，通常一副模具包括上沖、中模、下沖和頂出模四個(gè)零件，上下沖的結(jié)構(gòu)相似，其沖頭直徑也相等，上、下沖的沖頭直徑和中模的模孔相配合，可以在中模孔中自由上下滑動，但不會存在可以泄漏陶瓷粉料的間隙。沖模是手動液壓制樣機(jī)模具，上、下沖的工作端面形成試樣的表面形狀，中模孔徑即為陶瓷試樣（餅或片）的直徑。所謂模具四件套，包括下（沖）模（芯、頭）、中（凹）模（沖筒）、上模（芯）（也叫上沖頭）和頂出模（脫模環(huán)）等，如圖1。頂出時(shí)將上沖頭、中模、試樣、下沖頭倒過來，將頂出模放置在中模和下沖頭之間，輕壓脫模。除了四件套，市面上還有一種三件套，就是將下沖頭與頂出（凹）模設(shè)計(jì)為一體的，頂出時(shí)將下沖頭倒過來，頂出（凹）模內(nèi)徑大于中模內(nèi)徑，輕輕給力上沖頭，試樣就落入頂出凹模內(nèi)。配套壓力，一般模具內(nèi)徑有50mm、60mm 和70mm 三種[2]。

針對某陶瓷廠實(shí)驗(yàn)室手動液壓制樣機(jī)打餅頻繁卡模，新買一套模具沒用多久就出現(xiàn)卡模情況，我們認(rèn)為打餅器卡模原因頗為復(fù)雜，總起來說有四種原因，即粉料、模具、機(jī)身和，操作者，下文逐一分析之。

2 分析與討論

2.1 粉料

粉料原因主要有以下幾點(diǎn)：

1）粉料水分過低（干，物理水分不允許低于5%）或水分過高（濕，物理水分不允許高于9%），粉料泥漿細(xì)度不夠（指球磨泥漿細(xì)度不夠，要求泥漿全部通過250 目篩）、粉料的筒壓強(qiáng)度（或壓縮比）、粉料的堆積密度低都會影響成型質(zhì)量和卡模。

粉料水分對粉料成型的影響也至關(guān)重要，所謂成型其實(shí)也是傳力和傳質(zhì)的過程，在壓制過程中，部分氣相和液相排除，固相顆粒之間距離縮短，顆粒與顆粒之間依靠范德華力保持一定形狀和物料性狀，譬如密度、致密度、針密度、抗彎曲能力、抗壓能力等。粉料水分低，譬如物理水分低于5%，假性顆粒筒壓強(qiáng)度低、粉料壓縮比大、粉料堆積密度低、粉料中氣相比例大、就增加了成型排氣和傳動壓力難度，缺乏液相的清潤，范德華力難以形成，粘結(jié)力差，試驗(yàn)強(qiáng)度差、容易分層。成型時(shí)，假性顆粒也容易在摩擦力作用下被研細(xì)，細(xì)粉極易伴隨氣相進(jìn)入模具間隙，造成卡模。

粉料水分高，譬如物理水分高于9%，只有部分物料水分才能對顆粒界面進(jìn)行浸潤，浸潤水分多少與顆粒粒徑、顆粒表面微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)，超過浸潤水分飽和值的分水在成型時(shí)會成為游離水，當(dāng)成型壓力大于游離水與顆粒之間的毛細(xì)現(xiàn)象的范德華力時(shí)，水就在壓力作用下，產(chǎn)生對流即外排。水份通過模具間隙排除，會影響氣體排除，同時(shí)由于液相中多多少少會有固相，也會造成間隙堵塞，卡模。

對于以上兩種情況，假如粉料泥漿細(xì)度不夠，不僅會卡模，而且會因?yàn)榇钟差w粒的出現(xiàn)而導(dǎo)致模具受損，報(bào)廢。

2）粉料顆粒過細(xì)（100 目以下粉料不允許有，有的話應(yīng)該篩去）。

粉料粒度一般控制在30 目～80 目，100 目以下粉料是不允許，80 目以下也是要控制的，這主要是由粉料成型工藝所決定的。陶瓷粉料常用粒度目數(shù)與篩孔徑對應(yīng)表見表1。

表1 粒度目數(shù)與孔徑對應(yīng)表

所謂成型就是通過壓力使得粉料顆粒之間距離縮短，空隙減少，多余空氣排除，提高致密度和強(qiáng)度的工藝過程，所以要有足夠的時(shí)間和空隙使得空氣排出，如果模具制造過程中，上下模模芯與內(nèi)襯板（中模筒內(nèi)壁）的間隙過小，使氣體逸出困難而滯留在坯體中，造成坯體分層，一般要求模具沖頭與中模內(nèi)壁的間隙在0.06-0.12mm之間，如果間隙超過0.12mm，就需要提高顆粒直徑，如果間隙低于0.06mm，就會導(dǎo)致排氣不順暢、不充分而影響成型制度和成型質(zhì)量，導(dǎo)致分層或無法成型[3]。

反過來講，如果粉料細(xì)粉多，譬如100 目以下粉料沒有篩除，就會導(dǎo)致出現(xiàn)飛邊、分層等缺陷，細(xì)粉流入模具間歇，輕則飛邊，重則會導(dǎo)致卡模，尤其是粉料泥漿細(xì)度不夠的真實(shí)顆粒，對模具的危害更大，石英顆粒硬度高，很容易劃傷模具，導(dǎo)致模具直接報(bào)廢。

一般粉料的顆粒級配要求，見表2。

表2 粉料顆粒要求

2）粉料流動性差與擺料工藝

別看制樣就是打一個(gè)小小的餅、壓一個(gè)小小的片，但其中技術(shù)含量，動手能力一點(diǎn)都不低。粉料流動性一般用休止角或堆積高度來測量，休止角越小、堆積高度越低，粉料流動性越好。目前手動制樣工藝流程如下：

配料——球磨——烘干——強(qiáng)制過篩造粉——陳腐——計(jì)量——組裝模具——擺平——裝入上沖頭——一次輕壓——泄壓排氣——二次加壓——緩慢泄壓排氣——脫模——修坯——整模——試樣干燥——計(jì)量——燒成——試驗(yàn)檢測

那么，擺平工藝既顯得重要，又顯得無能為力，因?yàn)閿[得是否平，是否均勻，就會影響上沖頭與中模筒的對中性，略有差異就會偏心，就會造成制樣失敗，致密度不均勻，甚至卡模，損壞模具。要想將粉料擺平，先決條件是粉料流動性好，其次是操作規(guī)范，能利用臂力、速度和頻率借力粉料，桌面一定要水平，手眼一致，擺動時(shí)用巧力達(dá)到粉料流平、抖勻目的。

2.2 模具

模具原因也有三種。

1）模具材料

模具的使用壽命與材質(zhì)有關(guān)，與是否做過熱處理等諸多因素有關(guān)。粉料壓片模具使用的材料一般分為鋼材和特種陶瓷，粉料壓片模具作為冷沖壓模具，應(yīng)該使用冷作模具鋼作為其材料。冷作模具鋼包括從各種碳素工具鋼、合金工具鋼、高速工具鋼到粉末高速工具鋼和粉末高合金模具鋼。冷作模具鋼具是真空脫氣精煉鋼，內(nèi)質(zhì)純凈，機(jī)械加工性良好，切削明顯提高，淬透性良好，空冷淬硬不易出現(xiàn)淬裂，耐磨性極為優(yōu)異，韌性良好，可廣泛應(yīng)用于各種壓片模具。國產(chǎn)模具最常見的合金鋼材料為：GCr15，Crl2MoV，CrWuMn，9Mn2V，9CrSi；進(jìn)口模具最常見的材料為：A2、O1、S1、S7、PHG.S、PHG-P[4]。

孫晶等[5]對壓片機(jī)磨具進(jìn)行了成分分析、硬度測試、金相檢驗(yàn)和斷口形貌顯微分析，認(rèn)為硬度偏低是模具失效的主要原因，而硬度低除了與材料質(zhì)量有關(guān)，還與熱處理有關(guān)。綜合各種研究表明，壓片模具沖頭硬度應(yīng)在HRC55～60，其中HRC58～59 最佳，低于56HRC 容易卷邊和崩裂，中模硬度應(yīng)在HRC61～65。

傳統(tǒng)陶瓷粉料壓片模具材料有兩種，即45#鋼和304 不銹鋼。45#鋼淬火硬度在HRC55～58 之間，極限值可達(dá)62HRC；但不推薦使用淬火工藝，因?yàn)楫?dāng)45 鋼硬度在HRC50 以上，較易出現(xiàn)裂紋。原因是45#鋼滲透性較差，芯部硬度隨零件厚度變化，厚度越厚硬度越低。45 鋼調(diào)質(zhì)后表面硬度在HRC20~30 之間，是非常脆的。由于304 不銹鋼屬于奧氏體不銹鋼，其主要組織結(jié)構(gòu)是無磁或弱磁的奧氏體晶體，因此其硬度相對較低，所以耐腐蝕性、防銹性、耐熱性、可加工性也較好。

2）模具設(shè)計(jì)與加工。

由于應(yīng)用領(lǐng)域和使用要求不同，壓片模具在設(shè)計(jì)、材料、加工、價(jià)格等方面存在較大差異。

壓片模具的加工過程包括：①下料：鍛壓或氧氣切割，制成模具毛坯，鍛壓可以使碳化物組成均勻，可提高模具的韌性，減少模具破損。鍛壓造成的內(nèi)應(yīng)力以及氣割的熱影響區(qū)可能造成局部脫碳，從而使以后的滲碳不均勻，所以經(jīng)過鍛壓或氧氣切割的模具毛坯一般都要經(jīng)過退火處理；②機(jī)械切削加工：粗刨，插端面，銑凹面、背紋，磨削平面，手工拋光，用千斤頂壓印商標(biāo)；③熱處理：滲碳(滲層厚度為1.5～2.5mm 左右),滲氮(滲層厚度為0.5～0.6mm),滲硼或者碳、氮、硼三元共滲。以提高模具的表面硬度、耐磨性、耐蝕性等；④檢驗(yàn)；⑤裝配。

壓片模具的加工精度直接影響制品質(zhì)量。所以，在加工過程中，每件零件都需經(jīng)過平面磨床加工，對配合面與成型面的不平行度，不垂直度和表面光潔度均作要求。不平行度控制在0.02 以下，不垂直度控制在0.03 以下，沖頭、中模成型工作面粗糙度控制在Ra 0.4，中模外徑面和中模高兩端面粗糙度控制在Ra 0.8, 沖頭對沖身同軸度、中模內(nèi)徑對外圓同軸度、中模兩端面對內(nèi)孔垂直度精度等級均應(yīng)達(dá)到8 級[6]。

3）模具使用和養(yǎng)護(hù)。

壓片模具一定要正確包裝、運(yùn)輸、存放和使用。將研細(xì)烘干后的試樣粉末均勻地撒在模具的下沖頭上，手壓并旋轉(zhuǎn)上沖頭使試樣粉末均勻并鋪平。將整套模具放在手動液壓制樣機(jī)工作臺中心。給千斤頂加壓，輕壓，慢慢釋放，繼續(xù)加壓到額定工作壓力（切記壓力不要超過工作壓力），保壓（保持壓力1-2min 即可），卸壓（卸壓要慢）、取模、加壓脫模。壓片模具使用前用酒精清除上下壓頭光面之間的油污，模具使用后將整套清洗干凈，并涂上油或凡士林置于干燥器內(nèi)保存，以免銹蝕。

為了保證模具的正常使用，請使用者嚴(yán)格按照壓片模具使用說明操作：每一次使用后，須將模具部件上及壓頭上粘掛的粉末清除掉，如果清洗的不干凈，可能造成使用中壓頭卡死。一般被壓制物品都有一定的腐蝕性，不及時(shí)的清除干凈，可能造成模具表面生銹，易造成壓頭裝偏，損壞模具。如長期不使用，須將模具清洗干凈，涂防護(hù)油放入干燥器中。壓片模具是手動液壓制樣機(jī)專用精密儀器，不得用于其他壓力機(jī)器成型，更不得用于砸擊類器具。卡模后，應(yīng)由專門加工廠維修、校驗(yàn)，不得用硬質(zhì)鐵錘、強(qiáng)力拉拔機(jī)具拉拔，粗暴維修作業(yè)對壓片模具進(jìn)行二次破壞。

2.3 機(jī)身

機(jī)身原因也有幾種

1）立柱不垂直、不光滑；立柱加工和安裝精度也要滿足機(jī)加工要求，譬如立柱本身的等軸度、平行度、平直度、加工面的粗糙地、與梁的垂直度等，都影響動梁的運(yùn)動。動梁滑動軸承，密封，也選擇耐磨軸瓦、潤滑油孔等。

2）梁的加工、安裝質(zhì)量厚：動梁、固定梁厚度不均勻。上下平面不平行，動梁與固定梁之間的工作面不平行，支撐液壓千斤頂?shù)牡亓汉穸炔痪鶆颍啬_不平衡，不水平，地基軟、不平整、光滑，地梁沒有調(diào)水平，都會影響機(jī)器的工作環(huán)境。地梁與動梁不平行，就會損壞動梁、液壓千斤頂、以及立柱。動梁與固定梁不平行，或者梁上下面不平行，就會損壞壓片磨具、立柱、動梁軸瓦、恢復(fù)彈簧等。地面（或工作面）不水平、不平整、光滑，就會導(dǎo)致機(jī)器加壓工作時(shí)傾斜、傾倒損壞機(jī)器，危及人的生命安全。

3）立柱彈簧彈力不一致：恢復(fù)彈簧應(yīng)該符合GB/T 23934-2015 熱卷圓柱螺旋壓縮彈簧技術(shù)條件的規(guī)定，其指定高度下的負(fù)荷、指定負(fù)荷下的高度和剛度應(yīng)一致，外觀沒有質(zhì)量缺陷，其垂直度、斷面平行度、節(jié)距均勻度和壓并高度應(yīng)符合要求。否則會造成動梁、動梁軸瓦以及立柱的損壞[7]。

2.4 操作者

操作者也是至關(guān)重要，操作出現(xiàn)以下違規(guī)作業(yè)情況，會導(dǎo)致卡模。

1）違規(guī)作業(yè)1：手動液壓制樣機(jī)模具是專門應(yīng)用于手動液壓制樣機(jī)的模具（其適用壓力一般在10 噸至50噸間），不能違規(guī)使用超過使用壓力范圍的液壓千斤頂。

2）違規(guī)作業(yè)2：手動液壓制樣機(jī)模具是專門應(yīng)用于手動液壓制樣機(jī)的模具，不能違規(guī)使用自動液壓缸或液壓機(jī)替代液壓千斤頂或手動液壓制樣機(jī)。

3）違規(guī)作業(yè)3：制樣（俗稱打餅）作業(yè)前后，要認(rèn)真檢查手動液壓制樣機(jī)模具質(zhì)量情況，用干布（或油布）擦干凈模具上粘的粉料、灰塵，一旦上模芯沖頭和中模桶出現(xiàn)毛刺、劃痕，就需要進(jìn)行返修，返修后模具間隙超過0.20mm,就需要更換

4）違規(guī)作業(yè)4：手動制樣（打餅）作業(yè)時(shí)，要掌握好節(jié)奏，眼、耳、手、心要專注、協(xié)調(diào)，用心感觸細(xì)微變化，準(zhǔn)確判斷情況，及時(shí)止損止卡。

5）違規(guī)作業(yè)5：手動制樣（打餅）作業(yè)時(shí)，要輕拿輕放，既要小心模具掉落砸傷，也要保證不因?yàn)槟＞叩袈涠鴵p壞模具及其他設(shè)施。

6）違規(guī)作業(yè)6：手動制樣（打餅）作業(yè)時(shí)，要按照標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量粉料，杜絕使用粉料水分、顆粒度、流動性、筒壓強(qiáng)度、堆積密度等工藝不合格的粉料打餅。

7）違規(guī)作業(yè)7：模具生銹影響模具表面光潔度。長期不用的打餅器模具要做好清潔、干燥、防銹處理，避免生銹導(dǎo)致間隙變化，影響模具使用。

3 結(jié)論

通過以上分析，解決手動液壓制樣機(jī)卡模問題要從人、機(jī)、料、法四個(gè)角度來解決，具體如下四點(diǎn):

1）要對使用者進(jìn)行技能培訓(xùn)、安全培訓(xùn)；

2）根據(jù)所壓制粉料類別、顆粒度、樣品精度選擇壓片模具和制樣機(jī)，要做到符合試驗(yàn)工藝要求、低故障率和高性價(jià)比；

3）根據(jù)工藝特點(diǎn)，制訂符合實(shí)際要求的安全作業(yè)指導(dǎo)書和操作規(guī)程，避免違規(guī)作業(yè)導(dǎo)致卡模等故障，影響試驗(yàn)精度和實(shí)驗(yàn)效率；

4）嚴(yán)格落實(shí)ISO 質(zhì)量管理體系，靠制度、流程制訂先進(jìn)試驗(yàn)方法、管理制度并循序漸進(jìn)達(dá)到新的管理高度。