手动液压制样机卡模问题分析

2024-05-06韩复兴邵奇陶茂强姜其武王永威

佛山陶瓷 2024年4期

韩复兴,邵奇,陶茂强,姜其武,王永威

（1.安徽瑞蒙科技有限公司,蒙城 233500;2.安徽万佛新型建材集团有限公司,蒙城 233500 )

1 前言

手动液压制样机也叫手动压片机，俗称打饼器。手动液压制样机包括制样模具、液压表、手摇千斤顶以及机身等，如图1 所示。市面陶瓷用手动液压制样机有三个型号，分别是5T、10T 和30T 三种，最大工作压力分别是40MPa、45MPa 和60MPa，最大工作行程分别为100mm、125mm 和150mm[1]。

图1 手动液压制样机及模具四件套

模具是手动液压制样机的主要工作元件，通常一副模具包括上冲、中模、下冲和顶出模四个零件，上下冲的结构相似，其冲头直径也相等，上、下冲的冲头直径和中模的模孔相配合，可以在中模孔中自由上下滑动，但不会存在可以泄漏陶瓷粉料的间隙。冲模是手动液压制样机模具，上、下冲的工作端面形成试样的表面形状，中模孔径即为陶瓷试样（饼或片）的直径。所谓模具四件套，包括下（冲）模（芯、头）、中（凹）模（冲筒）、上模（芯）（也叫上冲头）和顶出模（脱模环）等，如图1。顶出时将上冲头、中模、试样、下冲头倒过来，将顶出模放置在中模和下冲头之间，轻压脱模。除了四件套，市面上还有一种三件套，就是将下冲头与顶出（凹）模设计为一体的，顶出时将下冲头倒过来，顶出（凹）模内径大于中模内径，轻轻给力上冲头，试样就落入顶出凹模内。配套压力，一般模具内径有50mm、60mm 和70mm 三种[2]。

针对某陶瓷厂实验室手动液压制样机打饼频繁卡模，新买一套模具没用多久就出现卡模情况，我们认为打饼器卡模原因颇为复杂，总起来说有四种原因，即粉料、模具、机身和，操作者，下文逐一分析之。

2 分析与讨论

2.1 粉料

粉料原因主要有以下几点：

1）粉料水分过低（干，物理水分不允许低于5%）或水分过高（湿，物理水分不允许高于9%），粉料泥浆细度不够（指球磨泥浆细度不够，要求泥浆全部通过250 目筛）、粉料的筒压强度（或压缩比）、粉料的堆积密度低都会影响成型质量和卡模。

粉料水分对粉料成型的影响也至关重要，所谓成型其实也是传力和传质的过程，在压制过程中，部分气相和液相排除，固相颗粒之间距离缩短，颗粒与颗粒之间依靠范德华力保持一定形状和物料性状，譬如密度、致密度、针密度、抗弯曲能力、抗压能力等。粉料水分低，譬如物理水分低于5%，假性颗粒筒压强度低、粉料压缩比大、粉料堆积密度低、粉料中气相比例大、就增加了成型排气和传动压力难度，缺乏液相的清润，范德华力难以形成，粘结力差，试验强度差、容易分层。成型时，假性颗粒也容易在摩擦力作用下被研细，细粉极易伴随气相进入模具间隙，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对颗粒界面进行浸润，浸润水分多少与颗粒粒径、颗粒表面微观结构有关，超过浸润水分饱和值的分水在成型时会成为游离水，当成型压力大于游离水与颗粒之间的毛细现象的范德华力时，水就在压力作用下，产生对流即外排。水份通过模具间隙排除，会影响气体排除，同时由于液相中多多少少会有固相，也会造成间隙堵塞，卡模。

对于以上两种情况，假如粉料泥浆细度不够，不仅会卡模，而且会因为粗硬颗粒的出现而导致模具受损，报废。

2）粉料颗粒过细（100 目以下粉料不允许有，有的话应该筛去）。

粉料粒度一般控制在30 目～80 目，100 目以下粉料是不允许，80 目以下也是要控制的，这主要是由粉料成型工艺所决定的。陶瓷粉料常用粒度目数与筛孔径对应表见表1。

表1 粒度目数与孔径对应表

所谓成型就是通过压力使得粉料颗粒之间距离缩短，空隙减少，多余空气排除，提高致密度和强度的工艺过程，所以要有足够的时间和空隙使得空气排出，如果模具制造过程中，上下模模芯与内衬板（中模筒内壁）的间隙过小，使气体逸出困难而滞留在坯体中，造成坯体分层，一般要求模具冲头与中模内壁的间隙在0.06-0.12mm之间，如果间隙超过0.12mm，就需要提高颗粒直径，如果间隙低于0.06mm，就会导致排气不顺畅、不充分而影响成型制度和成型质量，导致分层或无法成型[3]。

反过来讲，如果粉料细粉多，譬如100 目以下粉料没有筛除，就会导致出现飞边、分层等缺陷，细粉流入模具间歇，轻则飞边，重则会导致卡模，尤其是粉料泥浆细度不够的真实颗粒，对模具的危害更大，石英颗粒硬度高，很容易划伤模具，导致模具直接报废。

一般粉料的颗粒级配要求，见表2。

表2 粉料颗粒要求

2）粉料流动性差与摆料工艺

别看制样就是打一个小小的饼、压一个小小的片，但其中技术含量，动手能力一点都不低。粉料流动性一般用休止角或堆积高度来测量，休止角越小、堆积高度越低，粉料流动性越好。目前手动制样工艺流程如下：

配料——球磨——烘干——强制过筛造粉——陈腐——计量——组装模具——摆平——装入上冲头——一次轻压——泄压排气——二次加压——缓慢泄压排气——脱模——修坯——整模——试样干燥——计量——烧成——试验检测

那么，摆平工艺既显得重要，又显得无能为力，因为摆得是否平，是否均匀，就会影响上冲头与中模筒的对中性，略有差异就会偏心，就会造成制样失败，致密度不均匀，甚至卡模，损坏模具。要想将粉料摆平，先决条件是粉料流动性好，其次是操作规范，能利用臂力、速度和频率借力粉料，桌面一定要水平，手眼一致，摆动时用巧力达到粉料流平、抖匀目的。

2.2 模具

模具原因也有三种。

1）模具材料

模具的使用寿命与材质有关，与是否做过热处理等诸多因素有关。粉料压片模具使用的材料一般分为钢材和特种陶瓷，粉料压片模具作为冷冲压模具，应该使用冷作模具钢作为其材料。冷作模具钢包括从各种碳素工具钢、合金工具钢、高速工具钢到粉末高速工具钢和粉末高合金模具钢。冷作模具钢具是真空脱气精炼钢，内质纯净，机械加工性良好，切削明显提高，淬透性良好，空冷淬硬不易出现淬裂，耐磨性极为优异，韧性良好，可广泛应用于各种压片模具。国产模具最常见的合金钢材料为：GCr15，Crl2MoV，CrWuMn，9Mn2V，9CrSi；进口模具最常见的材料为：A2、O1、S1、S7、PHG.S、PHG-P[4]。

孙晶等[5]对压片机磨具进行了成分分析、硬度测试、金相检验和断口形貌显微分析，认为硬度偏低是模具失效的主要原因，而硬度低除了与材料质量有关，还与热处理有关。综合各种研究表明，压片模具冲头硬度应在HRC55～60，其中HRC58～59 最佳，低于56HRC 容易卷边和崩裂，中模硬度应在HRC61～65。

传统陶瓷粉料压片模具材料有两种，即45#钢和304 不锈钢。45#钢淬火硬度在HRC55～58 之间，极限值可达62HRC；但不推荐使用淬火工艺，因为当45 钢硬度在HRC50 以上，较易出现裂纹。原因是45#钢渗透性较差，芯部硬度随零件厚度变化，厚度越厚硬度越低。45 钢调质后表面硬度在HRC20~30 之间，是非常脆的。由于304 不锈钢属于奥氏体不锈钢，其主要组织结构是无磁或弱磁的奥氏体晶体，因此其硬度相对较低，所以耐腐蚀性、防锈性、耐热性、可加工性也较好。

2）模具设计与加工。

由于应用领域和使用要求不同，压片模具在设计、材料、加工、价格等方面存在较大差异。

压片模具的加工过程包括：①下料：锻压或氧气切割，制成模具毛坯，锻压可以使碳化物组成均匀，可提高模具的韧性，减少模具破损。锻压造成的内应力以及气割的热影响区可能造成局部脱碳，从而使以后的渗碳不均匀，所以经过锻压或氧气切割的模具毛坯一般都要经过退火处理；②机械切削加工：粗刨，插端面，铣凹面、背纹，磨削平面，手工抛光，用千斤顶压印商标；③热处理：渗碳(渗层厚度为1.5～2.5mm 左右),渗氮(渗层厚度为0.5～0.6mm),渗硼或者碳、氮、硼三元共渗。以提高模具的表面硬度、耐磨性、耐蚀性等；④检验；⑤装配。

压片模具的加工精度直接影响制品质量。所以，在加工过程中，每件零件都需经过平面磨床加工，对配合面与成型面的不平行度，不垂直度和表面光洁度均作要求。不平行度控制在0.02 以下，不垂直度控制在0.03 以下，冲头、中模成型工作面粗糙度控制在Ra 0.4，中模外径面和中模高两端面粗糙度控制在Ra 0.8, 冲头对冲身同轴度、中模内径对外圆同轴度、中模两端面对内孔垂直度精度等级均应达到8 级[6]。

3）模具使用和养护。

压片模具一定要正确包装、运输、存放和使用。将研细烘干后的试样粉末均匀地撒在模具的下冲头上，手压并旋转上冲头使试样粉末均匀并铺平。将整套模具放在手动液压制样机工作台中心。给千斤顶加压，轻压，慢慢释放，继续加压到额定工作压力（切记压力不要超过工作压力），保压（保持压力1-2min 即可），卸压（卸压要慢）、取模、加压脱模。压片模具使用前用酒精清除上下压头光面之间的油污，模具使用后将整套清洗干净，并涂上油或凡士林置于干燥器内保存，以免锈蚀。

为了保证模具的正常使用，请使用者严格按照压片模具使用说明操作：每一次使用后，须将模具部件上及压头上粘挂的粉末清除掉，如果清洗的不干净，可能造成使用中压头卡死。一般被压制物品都有一定的腐蚀性，不及时的清除干净，可能造成模具表面生锈，易造成压头装偏，损坏模具。如长期不使用，须将模具清洗干净，涂防护油放入干燥器中。压片模具是手动液压制样机专用精密仪器，不得用于其他压力机器成型，更不得用于砸击类器具。卡模后，应由专门加工厂维修、校验，不得用硬质铁锤、强力拉拔机具拉拔，粗暴维修作业对压片模具进行二次破坏。

2.3 机身

机身原因也有几种

1）立柱不垂直、不光滑；立柱加工和安装精度也要满足机加工要求，譬如立柱本身的等轴度、平行度、平直度、加工面的粗糙地、与梁的垂直度等，都影响动梁的运动。动梁滑动轴承，密封，也选择耐磨轴瓦、润滑油孔等。

2）梁的加工、安装质量厚：动梁、固定梁厚度不均匀。上下平面不平行，动梁与固定梁之间的工作面不平行，支撑液压千斤顶的地梁厚度不均匀，地脚不平衡，不水平，地基软、不平整、光滑，地梁没有调水平，都会影响机器的工作环境。地梁与动梁不平行，就会损坏动梁、液压千斤顶、以及立柱。动梁与固定梁不平行，或者梁上下面不平行，就会损坏压片磨具、立柱、动梁轴瓦、恢复弹簧等。地面（或工作面）不水平、不平整、光滑，就会导致机器加压工作时倾斜、倾倒损坏机器，危及人的生命安全。

3）立柱弹簧弹力不一致：恢复弹簧应该符合GB/T 23934-2015 热卷圆柱螺旋压缩弹簧技术条件的规定，其指定高度下的负荷、指定负荷下的高度和刚度应一致，外观没有质量缺陷，其垂直度、断面平行度、节距均匀度和压并高度应符合要求。否则会造成动梁、动梁轴瓦以及立柱的损坏[7]。