機壓耐火磚模具設計研究

張正良

摘要：從技術、經濟效益、結構參數等方面，介紹機壓耐火磚模具的設計思路及方法，探討壓磚機的選擇原則及加壓方式，分析出磚器頂頭、錘頭和模板的設計方法，為提高耐火磚模具的品質及降低投入成本提供參考數據。

關鍵詞：模具設計；機壓耐火磚；壓磚機；加壓方式；模板

中圖分類號：TH161 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）07-0042-03

隨著我國冶金工業的迅猛發展，耐火磚的需求量越來越大，要求也越來越高。在耐火磚生產中，若采用半干法機壓成型，模具設計是重要一環，關系到質量、成本、生產效率、勞動條件和安全等諸多方面。

1 機壓耐火磚模具設計

1.1 技術分析

耐火磚的復雜程度（形狀和尺寸要求）、批量（包括長期的需求情況）等是模具設計的原始資料之一，也是設計時選擇模具材質、確定壓制方向、選用受壓方式的重要依據。

若磚形復雜，不宜采用機壓成型方式，因為不僅脫模困難，而且增加過量的模具附件，提高了生產成本。這種情況應采取手工、澆注、離心等成型方式。

若批量大，模具費用分攤在每件產品上的成本相應增加。如批量過小，采用機壓也是不適宜的（特殊需要除外）。最少批量應根據具體情況經多方綜合分析后確定。設計模具時必須考慮模具的互換性、耐磨性、切削加工性及熱處理、裝配、修復、操作等因素。總之，在設計模具前，對磚型進行經濟因素綜合分析是必不可少的，它關系到生產廠家的經濟效益、生產效率等。

用戶提出的磚型和尺寸要求，壓機工藝大多數能夠適應，但也有需要對局部稍加修改的情況。有些需要進行較大改動，但不影響使用。在這種情況下，必須和用戶取得聯系，征求其同意后修改原合同，確定適于壓制的磚型圖。

根據經驗，需要修改磚坯形狀和尺寸的情況主要有：利于模具加工、裝配、更換、返修、壓制、填料、脫模；節約材料；消除、減少模具和磚坯的局部內應力，增強其強度和密度的均勻性，減少燒成后變形，提高產品合格率。需要修改磚坯形狀和尺寸的內容主要有：增大空心磚壁厚；改尖角為平直面；避免局部薄壁；增加小圓弧；改尖角棱和凹角槽為過渡圓弧；增加臺階磚臺階厚度；改圓弧面為平直面；改變錐度或斜度的方向。

1.2 耐火磚有關計算

耐火磚的計算主要包括單質量和中心的計算。

坯料的質量等于磚坯體積和密度的乘積：G=Vρ。式中：G為坯料的重量；V為磚坯體積；ρ為磚坯的密度。

在設計模具時，必須保證磚坯中心與模具中心、受壓中心以及壓機的中心一致，否則會產生額外彎矩，使壓機活動滑塊承受扭矩，對導軌滑道產生劃傷；嚴重時可能使錘頭和上下板變形，導致磚坯不合格以及整套模具報廢、壓機機體損傷。對稱幾何形狀截面的壓力中心為幾何中心；非對稱幾何形狀截面的壓力中心為截面中心，其計算方法參閱相關資料。

2 壓磚機的選擇

壓磚機有液壓壓磚機和機械壓磚機兩大類，選用時需考慮以下因素：1） 所需壓力除參考相關規定外，主要依靠決策者的生產實踐經驗。2） 選用液壓壓磚機時，必須使壓機額定壓力大于磚坯成型所需壓力。一般來說，壓力為壓機額定壓力的60%～80%。使用壓力過低，則未充分利用設備造成浪費；使用壓力過大，有可能減少壓力機的使用壽命。選用機械壓力機時，要結合一些綜合因素考慮其實際壓力。3） 工作臺平面尺寸、壓機行程，要方便模具安裝、拆卸及操作。4） 生產效率。總體來說，機械壓力機比液壓壓磚機的生產效率低。在兩種壓機都能壓制的情況下，采用那種方式要看磚坯數量和其他指標。批量大的循環訂單宜采用液壓機，其壓制生產效率高，磚坯質量也比較穩定。數量少的磚型宜選用機械壓力機，以降低成本。

3 加壓方式確定

加壓形式是指外力（壓機打磚時所產生的壓力）對磚坯施加壓力的形式，可分為單面加壓式、局部彈簧浮動式、整體彈簧浮動式、復合彈簧浮動式、局部解體式、懸掛式、多功能可調式等。

選擇加壓方式時，主要根據客戶要求的產品質量、指標（主要是物理指標），結合單位現有的生產能力（材料、機械加工、設備等）綜合分析確定。生產厚度在50 mm以內的普型磚，采用單面加壓方式就能滿足磚坯強度、體密等要求。尺寸較長或較高的磚（漏斗磚、多孔中心磚等），不宜采用彈簧浮動式。其主要原因是：此種方式壓制的磚坯中間部位的強度和密度低于上部和下部，在中心磚中間布滿側孔的情況下，成型后外力消除，彈簧復位給模具的反力易使側孔交接處產生裂紋或從中間斷裂。

加壓方式確定后，結構零件材料的選擇尤為重要。壓機成型時的壓力在10 MPa以上，且成型時每分鐘沖擊振動次數達幾十次。所以材料必須滿足相應的強度要求。

A、15#、20#、25#鋼在普通生產條件下均能焊接，沒有工藝限制，對焊接前后熱處理及焊接規范無特殊要求，且焊接變形容易矯直，厚度大于20 mm的結構剛度大。

4 出磚器頂頭設計

以機械壓磚機出磚器為例，討論出磚器頂頭設計方法。

出磚桿頂頭聯接方式有螺紋式、焊接式、銷軸式、鉚接式、復合式等。其中螺紋式應用較多，其特點是加工工序少、裝配及更換容易，缺點是打磚時易松動。

頂頭樣式有圓弧式、一點圓柱式、矩形式、兩點圓柱式、兩點V形式、兩點矩形式、三點圓柱式、三點V形式、三點矩形式等。

設計頂頭時應考慮的問題有：根據磚坯的形狀、重心及加工等因素綜合選擇頂頭樣式；材料一般選用鋼管或者25～45#鋼；在頂部100～200 mm處熱處理，硬度要求達到HRC 58以上。

頂頭長度應該滿足下列兩個條件：要使頂頭能順利將磚從模內頂出；頂頭連同出磚桿落下后不得將下板托、下板及模具懸空于受壓座上，因此，其長度H=h+h1-h2。式中：h為模具高度；h1為受壓座的受壓板高度；h2為常數，取5～10 mm。

5 錘頭設計

錘頭與上板之間的聯接方式有強壓式、法蘭式、雙聯式、頂針式、移動式、螺紋式、鉚接式等。生產中比較常用的是螺紋式。

錘頭高度H的計算公式為：

H=H模-δ上板-δ下板-δ下板托+e-c （1）

式中：H為錘頭高度；H模為模板（端側板）高度；

δ上板為上板厚度；δ下板為下板厚度；δ下板托為下板托厚度；e為常數；c為磚坯厚度。

為便于上下板裝配，錘頭小于上下板尺寸6～10 mm，內孔尺寸大于芯子6～10 mm。根據磚型的幾何形狀、尺寸、產量和需要時間選擇錘頭材質。幾何尺寸、形狀復雜、產量多和長期需求的模具，選用鑄鋼或45#鋼；幾何尺寸、形狀簡單、產量少及短期需求的模具，應選用價格便宜的材料，如Q345b或鑄鐵。

6 模板設計

端側板分為整體式、螺紋聯接式、解體式、活動式、鑲嵌式、固定式、凹凸式、子母口式等。

端側板高度的計算公式為：

H=1.7H磚坯+δ上板+δ下板+δ下板托 （2）

式中：H磚坯為磚坯厚度；δ上板為上板厚度；δ下板為下板厚度；δ下板托為下板托厚度。

在模具設計中，既要保證模具有較大的磨損余量，以增加使用壽命，又要保證磚坯的幾何尺寸達到客戶要求。機械壓機端側板一般取端側板高度的0.5%～1.0%為出磚稍度。

端板寬度的設計公式為：

A上口=A磚坯-0.5+（H端板-δ下板托-δ下板-δ上板）×1% （3）

式中：A上口為端板上口寬度；A磚坯為磚坯寬度；

H端板為端板高度；δ下板托為下板托厚度；0.5為裝模漲箱系數；δ下板為下板厚度；δ上板為上板厚度；1%為出磚稍度取1%。

側板長度B側板=B磚坯+2B端板。式中：B側板為側板長度；B磚坯為磚坯長度；δ端板為端板厚度。

在耐火磚生產實踐中，上下板與端側板之間的間隙應適宜。間隙過大，磚坯有飛邊；間隙過小，不利于打磚排氣，而且模具之間磨損嚴重，造成不必要的浪費，嚴重的可導致磚坯層裂。實踐證明，打磚時上下板與端側板之間的間隙應為0.3～0.4 mm。

不同材質的耐火磚所用模具的材質不同。設計模具時，根據磚坯的數量、材質、供貨期確定材質，以降低模具成本、方便生產、使利潤最大化。

7 結語

耐火磚模具設計是一個比較復雜的過程，融耐火材料工藝學、機械學、力學、金屬材料學于一體。想做好模具設計，除積累數據、資料外，還應不斷實踐，改進設計思路和方法，以減小模具的投入成本，提高經濟效益。

參考文獻

[1] 王永平，熊志堅，趙鋒，等.耐火磚模具CAD系統智能化設計方法的研究[J].計算機輔助設計與圖形學學報，2003（6）：769-772.

[2] 孔德升，孫化祥，李福文.延長耐火磚壽命的探索與研究[J].小氮肥，2013（11）：3-4.

[3] 武曉萍，陳友德.堿性耐火磚的技術進展及其無鉻化過程[J].中國水泥，2013（9）：60-63.

5 錘頭設計

錘頭與上板之間的聯接方式有強壓式、法蘭式、雙聯式、頂針式、移動式、螺紋式、鉚接式等。生產中比較常用的是螺紋式。

錘頭高度H的計算公式為：

H=H模-δ上板-δ下板-δ下板托+e-c （1）

式中：H為錘頭高度；H模為模板（端側板）高度；

δ上板為上板厚度；δ下板為下板厚度；δ下板托為下板托厚度；e為常數；c為磚坯厚度。

為便于上下板裝配，錘頭小于上下板尺寸6～10 mm，內孔尺寸大于芯子6～10 mm。根據磚型的幾何形狀、尺寸、產量和需要時間選擇錘頭材質。幾何尺寸、形狀復雜、產量多和長期需求的模具，選用鑄鋼或45#鋼；幾何尺寸、形狀簡單、產量少及短期需求的模具，應選用價格便宜的材料，如Q345b或鑄鐵。

6 模板設計

端側板分為整體式、螺紋聯接式、解體式、活動式、鑲嵌式、固定式、凹凸式、子母口式等。

端側板高度的計算公式為：

H=1.7H磚坯+δ上板+δ下板+δ下板托 （2）

式中：H磚坯為磚坯厚度；δ上板為上板厚度；δ下板為下板厚度；δ下板托為下板托厚度。

在模具設計中，既要保證模具有較大的磨損余量，以增加使用壽命，又要保證磚坯的幾何尺寸達到客戶要求。機械壓機端側板一般取端側板高度的0.5%～1.0%為出磚稍度。

端板寬度的設計公式為：

A上口=A磚坯-0.5+（H端板-δ下板托-δ下板-δ上板）×1% （3）

式中：A上口為端板上口寬度；A磚坯為磚坯寬度；

H端板為端板高度；δ下板托為下板托厚度；0.5為裝模漲箱系數；δ下板為下板厚度；δ上板為上板厚度；1%為出磚稍度取1%。

側板長度B側板=B磚坯+2B端板。式中：B側板為側板長度；B磚坯為磚坯長度；δ端板為端板厚度。

在耐火磚生產實踐中，上下板與端側板之間的間隙應適宜。間隙過大，磚坯有飛邊；間隙過小，不利于打磚排氣，而且模具之間磨損嚴重，造成不必要的浪費，嚴重的可導致磚坯層裂。實踐證明，打磚時上下板與端側板之間的間隙應為0.3～0.4 mm。

不同材質的耐火磚所用模具的材質不同。設計模具時，根據磚坯的數量、材質、供貨期確定材質，以降低模具成本、方便生產、使利潤最大化。

7 結語

耐火磚模具設計是一個比較復雜的過程，融耐火材料工藝學、機械學、力學、金屬材料學于一體。想做好模具設計，除積累數據、資料外，還應不斷實踐，改進設計思路和方法，以減小模具的投入成本，提高經濟效益。

參考文獻

[1] 王永平，熊志堅，趙鋒，等.耐火磚模具CAD系統智能化設計方法的研究[J].計算機輔助設計與圖形學學報，2003（6）：769-772.

[2] 孔德升，孫化祥，李福文.延長耐火磚壽命的探索與研究[J].小氮肥，2013（11）：3-4.

[3] 武曉萍，陳友德.堿性耐火磚的技術進展及其無鉻化過程[J].中國水泥，2013（9）：60-63.

5 錘頭設計

錘頭與上板之間的聯接方式有強壓式、法蘭式、雙聯式、頂針式、移動式、螺紋式、鉚接式等。生產中比較常用的是螺紋式。

錘頭高度H的計算公式為：

H=H模-δ上板-δ下板-δ下板托+e-c （1）

式中：H為錘頭高度；H模為模板（端側板）高度；

δ上板為上板厚度；δ下板為下板厚度；δ下板托為下板托厚度；e為常數；c為磚坯厚度。

為便于上下板裝配，錘頭小于上下板尺寸6～10 mm，內孔尺寸大于芯子6～10 mm。根據磚型的幾何形狀、尺寸、產量和需要時間選擇錘頭材質。幾何尺寸、形狀復雜、產量多和長期需求的模具，選用鑄鋼或45#鋼；幾何尺寸、形狀簡單、產量少及短期需求的模具，應選用價格便宜的材料，如Q345b或鑄鐵。

6 模板設計

端側板分為整體式、螺紋聯接式、解體式、活動式、鑲嵌式、固定式、凹凸式、子母口式等。

端側板高度的計算公式為：

H=1.7H磚坯+δ上板+δ下板+δ下板托 （2）

式中：H磚坯為磚坯厚度；δ上板為上板厚度；δ下板為下板厚度；δ下板托為下板托厚度。

在模具設計中，既要保證模具有較大的磨損余量，以增加使用壽命，又要保證磚坯的幾何尺寸達到客戶要求。機械壓機端側板一般取端側板高度的0.5%～1.0%為出磚稍度。

端板寬度的設計公式為：

A上口=A磚坯-0.5+（H端板-δ下板托-δ下板-δ上板）×1% （3）

式中：A上口為端板上口寬度；A磚坯為磚坯寬度；

H端板為端板高度；δ下板托為下板托厚度；0.5為裝模漲箱系數；δ下板為下板厚度；δ上板為上板厚度；1%為出磚稍度取1%。

側板長度B側板=B磚坯+2B端板。式中：B側板為側板長度；B磚坯為磚坯長度；δ端板為端板厚度。

在耐火磚生產實踐中，上下板與端側板之間的間隙應適宜。間隙過大，磚坯有飛邊；間隙過小，不利于打磚排氣，而且模具之間磨損嚴重，造成不必要的浪費，嚴重的可導致磚坯層裂。實踐證明，打磚時上下板與端側板之間的間隙應為0.3～0.4 mm。

不同材質的耐火磚所用模具的材質不同。設計模具時，根據磚坯的數量、材質、供貨期確定材質，以降低模具成本、方便生產、使利潤最大化。

7 結語

耐火磚模具設計是一個比較復雜的過程，融耐火材料工藝學、機械學、力學、金屬材料學于一體。想做好模具設計，除積累數據、資料外，還應不斷實踐，改進設計思路和方法，以減小模具的投入成本，提高經濟效益。

參考文獻

[1] 王永平，熊志堅，趙鋒，等.耐火磚模具CAD系統智能化設計方法的研究[J].計算機輔助設計與圖形學學報，2003（6）：769-772.

[2] 孔德升，孫化祥，李福文.延長耐火磚壽命的探索與研究[J].小氮肥，2013（11）：3-4.

[3] 武曉萍，陳友德.堿性耐火磚的技術進展及其無鉻化過程[J].中國水泥，2013（9）：60-63.