新型数控陶瓷滚压成型机的研制

邱涵+曹琪+莫锦堂+谢丹洁+李忠

（佛山科学技术学院材料科学与能源工程学院， 佛山528000）

摘 要：滚压成型具有坯体质量好、操作简单的优点，现广泛应用于各类日用陶瓷产品的加工。而现有的陶瓷滚压成型机普遍存在加工高度、口径受限和智能化不足的问题。针对这些问题，本文设计了一种新型数控陶瓷滚压成型机，对模头的横向运动与竖向运动作精准控制，并扩大控制范围，突破了脱模时产品高度与口径的限制。同时，新型数控陶瓷滚压成型机改进传统的传动结构，引入数字化系统，实现生产上的智能化。通过样机的制作与测试，验证了本设计在生产实际中对提高产品质量和提高生产效率上的优势。

关健词：陶瓷；滚压成型；横向运动； 竖向运动；数控；智能

1 引言

随着社会的发展，陶瓷胚体成型从手工（手拉）方式、手工注浆到高压注浆[1]，发展到滚压成型以及冲压成型等，这是历史发展不同陶瓷器型不同工艺技术的需求。手工方式是最为传统的工艺，具有收藏价值，但生產效率最低。手工注浆方式解决了一部分手工难以完成的器型，但采用极稀的瓷泥，烧成收缩率难以控制。高压注浆方式在手工注浆的基础上利用气压推压陶瓷泥在模具中成型，因瓷泥不用很稀，生产机械简单，所以成为目前生产主流，但由于采用相对比较稀的陶瓷泥，胚体成型时间较长，烧成收缩率变化也比较大，也局限一部分餐盘类的形状，且必须有一定数量的模具。冲压成型方式是利用钢模和冲压模头冲压瓷泥成型，虽烧成率有所提高，但机械成本高，目前仅局限于国外少数厂家。滚压成型[2]方式，顾名思义就是利用轴的转动和机械压力使瓷泥在模具中成型，能做到批量生产，且可以采用比较硬（含水率低）、烧成率高、烧成率变化少的瓷泥，目前是厂家采用得较为主流的陶瓷成型方式。

2 陶瓷滚压成型机的背景及现状分析

2.1 背景技术

目前，市场上的陶瓷滚压成型机的模头行程是按弧度运动压入模母或脱离模母，这种机械在生产时局限于一定胚体高度和产品口径，且效率相对低。本设计提供了一种新型数控陶瓷滚压成型机，包括设有支腿的工作平台，在工作平台上固定四根垂直台面的光轴，在光轴上套接有沿光轴上下滑动的升降平台，升降平台的下方设有控制其升降的伺服动力总成，在升降平台上固定的传动箱两端分别与步进伺服电机、模头电机连接，模头电机的输出轴设有模头，垂直于工作平台的台面，模头与置于工作平台上方的由平台下电机驱动模母配合。本设计针对现有滚压成型机械存在的问题改进，对模头的横向运动与竖向运动作精准控制，且控制范围大，保证模头成型后脱模时不受产品高度与口径的限制。

2.2产品现状分析

陶瓷滚压成型机较其他类型陶瓷机械具有许多显著的特点，如成型坯体强度大且结构均匀、寿命长、操作简单等，使其在碗、盘类等日用陶瓷产品的生产中得到了广泛的应用，可以说我们日常生活所用到的日用陶瓷品绝大多数是使用陶瓷滚压机所生产的。因此陶瓷滚压成型机是陶瓷工业的重要组成部分，陶瓷工业的发展离不开先进陶瓷滚压成型机的研发[3]。

目前，陶瓷滚压成型机已经具有很多先进的半自动和自动滚压生产线，但设计的机型均对模头和产品有所限制，难以进一步提高滚压成型机的数字化控制。贵阳市新航铸造材料科技开发有限公司的毛晟发明了一种陶瓷滚压成型压模装置[4]，具体包括机架、电机、凸轮机构、压模机构、升降机构和刹车机构等等。该装置具有结构紧凑、生产效率高、操作维修方便、造价便宜的优点；但其存在着明显的不足：利用凸轮控制压模杠杆做圆弧运动，存在只能生产局限于胎体高度低口径大的产品；凸轮机构长时间高强度运转，机械磨损较大，准确度低，产品一致性差；电机全程运行，耗能大，噪音污染大；机器各项参数偏于固定，难以修改。

苏家伟发明的一种陶瓷滚压成型双头压模装置[5]，其包括机架，机架上设有链传动机构、凸轮机构、升降机构和压模机构，链传动机构的传动链上设有若干工位，每个工位上设有一对座圈，该装置结构紧凑，能有效地提高生产效率。但其仍存在以下不足：利用升降机构控制模头，仅能实现纵向调整，不能横向调整，不利于模头与成型产品的脱离；电机全程运行，耗能大，噪音污染大；未能实现数字化控制，产品器型较为单一。

徐立华发明的TGC350-K滚压成型机为较高科技、较高效率、低成本的机型。其采用永磁电机实现无级变速，主轴、滚头轴与电机轴合二为一，主轴运动电器控制，转速数字显示，但是实现起来非常困难[6]。

2015年新型涉及机械设备技术领域，尤其涉及一种陶瓷滚压成型设备；实用新型的陶瓷滚压成型设备，包括主机座、主机架、支撑横梁、第二碾压部件、驱动部件和第一碾压部件；所述第一碾压部件旋设于所述驱动部件上；所述第二碾压部件包括固定座、主导向杆、旋转调节件、调节手柄、锁定部件、下端压板、传动垫片和压缩杆等[7]。

3 陶瓷滚压成型机的改进方案

3.1机械原理分析

由于陶瓷滚压成型具有成型坯体强度大、操作简单和自动化等优点，使其大量地应用在碗类、盘类等日用陶瓷品厂中。但是目前厂家采用的主流陶瓷成型机仍在成型坯体高度和尺寸上有很大的局限性，其具体原理如图1所示：利用电机带动凸轮使主轴按凸轮的形状作弧形运动，同时模头作滚动压入模母的瓷泥到位，然后滑块运动使模头在模母中作一次往返运动才能使模头脱离成型好的胚体。但目前这种机械生产的产品仅局限于一定胚体高度和产品口径，否则当模头成型后要脱离模母内的胚体总是要破坏胚体的嘴口边缘，所有的动作是按照凸轮的形状作弧形运动，调节比较麻烦，滑块运动行程也仅能作1 ～ 2 cm的范围往返刚好能脱模而已，能够成型的产品也局限于胎体高度低口径大的产品。

我们创新的滚压成型机工作原理如图2所示：模头可根据需要自由进行横向和纵向运动，这样模头的运动无论上升或横向均是直线的，使模头成型后脱模时不受产品高度与口径的限制，大大扩大产品的形式。

3.2产品构型设计

如图3所示，这种新型数控陶瓷滚压成型机，主要包括工作平台12、控制器1、伺服动力总成2、模母电机3、模头电机4、步进伺服电机7、传动箱8和升降平台9。模头电机4的输出轴垂直于工作平台12的台面，模头电机4的输出轴上设有模头6，模头6与置于工作平台12上方的模母5配合，模母5通过置于工作平台12下方的模母电机3驱动。

为了实现自动调整，并且在调整中保证进给的稳定性，设有控制器1，控制器1分别与伺服动力总成2、模母电机3、模头电机4和步进伺服电机7电连接。利用控制器1中的电路板上的通路及开关来控制伺服动力总成2、模母电机3、模头电机4和步进伺服电机7间的电流输入量，实现对电机的运转速度以及运转量的调整，从而完成整个装置的数字智能控制[8]。同时，对于模母电机3和模头电机4是直接作用在加工的陶瓷產品上，要求运转速度快，而且稳定，因此采用高速磁电机，同时模母电机3和模头电机4具有同步控制器，保证两者能够同步运转；对于步进伺服电机7，需要精确控制模头及升降平台的移动距离，因此采用伺服电机，可以正反向运转，而且控制精确，整个装置运行低噪音，低耗能[9]。

本成型机在具体加工时，利用控制器1的微调操控，对驱动电机2-1、模母电机3、模头电机4和步进伺服电机7进行速度及起停的控制，保证模头6高速旋转的同时，能够垂直升降，并且左右水平进给，保证模头的运动无论上升或横向均是直线的，最终在进模或脱模时，避免对陶瓷边沿产生损坏。

4 样机实验测试

为了保证设计方案的可行性可体验实际使用效果，在完成设计方案后做出了产品的样机（如图4）。为了保证实验的准确性，在测试过程中进行了大量的实验，根据实验数据的样本均值，分析了陶瓷坯体口径深度比为0.6 ～ 1.0时，传统滚压成型机与新型滚压成型机在不同滚压深度下新方案与传统方案在效率、抗折强度、烧结收缩率、烧成率等方面的优劣。

表1中的实验数据表明：

当陶瓷坯体的滚压深度h≤6 cm时，新型滚压成型机与传统的滚压成型机在生产效率上是相同的 。新型滚压成型机产品的抗折强度比传统滚压成型机的高了0.29%，烧结收缩率低了1 ～ 5%，烧结率提高了约5%。

当陶瓷坯体的滚压深度6 cm

当陶瓷坯体的滚压深度h≤6 cm时，新型滚压成型机比传统的滚压成型机的生产效率提高了100%。新型滚压成型机产品的抗折强度比传统滚压成型机的高了0.29%，烧结收缩率低了1 ～ 5%，烧结率提高了约5%。

表2中的实验数据表明：

新型滚压成型机比传统滚压成型机的生产噪声低了4～5 dB。同时，新型滚压成型机比传统滚压成型机的耗电量每单位低了2 kwh。

5 结论

本论文设计研制的智能陶瓷滚压成型数控机与传统滚压成型机相比，具有结构简单、切削力大的优点。通过模头控制装置的改进，使模头可以作横向和纵向双向运动，生产产品不受高度与口径的限制，适用陶瓷器型更广；通过改进伺服系统对模头进行精准控制，且控制范围更大。通过改进机器的电机及密封系统，使其运行噪音和能耗降低，更加环保。经过生产实验，采用本设备滚压成型深度大于10 cm的陶瓷坯体时，其生产效率比传统设备提高约1倍。本设计在完成样机测试后与当地厂家进行了合作，应用前景得到了普遍看好。相信随着产品的后续开发应用，对现有陶瓷行业的发展会有良好的推动作用[10]。

参考文献

[1] 郑建和， 周才友， 胡敏渝，等. 陶瓷坯件高压注浆成型工艺[P]，中国专利： CN102528898U.

[2] 张民. 滚压成型生产陶瓷瓶的方法[P]，中国专利： CN1305887. [3] 张柏清. 中国日用陶瓷机械装备的现状及发展趋势[J]. 山东陶瓷， 2012， 35（4）：39-40.

[4] 毛晟.陶瓷滚压成型压模装置[P]. 中国专利： CN204935847U.

[5] 苏家伟. 陶瓷滚压成型双头压模装置[P]. 中国专利： CN205130087U.

[6] 徐立华. TGC350-K滚压成型机设计[J]. 水利电力械，2004，03：46-48.

[7] 金莲忠.一种陶瓷滚压成型设备[P]. 中国专利：CN204687040U.

[8]胡伟蓉. 数控滚压成型实验的开设[J]. 实验室研究与探索， 2001， 20（2）：90-91.

[9] 许兵. 数控伺服进给系统精确定位的可靠性分析[J]. 科技促进发展， 2010（2）：30-30.

[10] 张柏清. 中国陶瓷机械的现状和发展趋势[J]. 佛山陶瓷， 2011， 21（5）：1-3.