關于香煙硬盒包裝卡紙切刀的工藝性研究及改進

李治 李少鵬 付韻哲 李劉通 李志剛 劉曉姍

摘要： 香煙硬盒包裝機中的卡紙厚度厚，形狀復雜，因此切割難度較大，再加上包裝機的生產速率較快，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行分析，提出改進方案，并通過方案的對比，提出了一種改進工藝，不僅將加工成品率提升為100%，并且延長了切刀的使用壽命。

關鍵詞： 包裝機;卡紙切刀;工藝制造方法;熱處理

前言

隨著工業4.0時代的到來，各生產企業都爭分奪秒地乘上智能化生產的浪潮，這其中就包括了煙草行業。早在上世紀80年代，煙草行業就已經實現了全面自動化和生產線的柔性聯接，其中包括了打葉復烤線、卷煙機、包裝機、自動化物流線等設備。包裝機起著將零散支煙包裝為整包煙的重要作用，為煙草行業自動化生產提供了強有力的支撐。目前主流的包裝形式分為軟盒包裝與硬盒包裝，各煙草公司為擴大市場的占有率，在煙支規格以及包裝輔料上不斷創新，其中以硬盒包裝為主。硬盒包裝包含商標紙、鋁箔紙、卡紙、透明紙等輔料，除商標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，再加上包裝機的生產速率較快，因此對切刀就提出了需具有高硬度及高耐磨性的要求。

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

卡紙切刀結構分析與工藝路線

硬盒包裝中的卡紙對于外形有特定的技術要求，因此卡紙切刀就需根據卡紙外形進行設計，其結構形式如圖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。為達到切刀的精度及技術要求，常用工藝路線如下：

球化退火—粗車—調質—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力及變形量問題，但在加工過程中的精磨工序仍舊出現了問題。在精磨刀刃時，經常會發生將刃口磨崩的現象，投產成品率只能保證在10%～20%，因此每次都需要進行大量投產，造成了不必要的浪費。

通過分析切刀結構及崩口組織狀態發現產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，磨削時產生的集中應力較大;2.滲氮后由于層深較淺，造成外部與內部組織形態不同;3.滲氮表面雖硬度較高，但脆性也較大，不耐沖擊。

改進方案與比較

基于以上產生問題原因分析，提出了改進思路。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規定的范圍內，因此提出重新選擇材料及熱處理方式的改進思路，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要求，但紅硬性能上方案二優于方案一，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勢，并且方案一的材料在保證零件到達最佳使用效果的同時在成本上能節約材料成本。

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象，因此需要進行分壓處理充入99.99%的氮氣進行保護。方案一屬于冷作模具鋼，根據Fe–Fe3C相圖在預先熱處理時只需要調質處理，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，故為保證后續工件的紅硬性和最終熱處理后達到使用要求，預先熱處理要經過多次循環退火，時間成本大于方案一。根據Fe–Fe3C相圖鉬系高速鋼要達到奧氏體化溫度，因此方案二的保溫溫度高于方案一。基于成本與節約能源角度考慮，方案一優于方案二。

通過以上方案比較，最終確定使用方案一進行試制，試制工藝路線如下：

粗車—調質—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10把卡紙切刀，完成成品率為100%。

歸納與總結

改進前后對照表：

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品使用壽命。

最終確認的工藝路線為：粗車—調質—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化效果，并且大大的節約了能源及成本。

通過此次卡紙切刀的工藝改進，可以總結出材料及熱處理方式對機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。

參考文獻

中國機械工程學會熱處理學會《熱處理手冊》編委會.熱處理手冊工藝基礎[M].機械工業出版社，2001.

中國機械工程學會熱處理學會《熱處理手冊》編委會.熱處理手冊典型零件熱處理[M].機械工業出版社，2001.

云南煙草科學研究院. FOCKE包裝機組[M].云南科技出版社，2000.