成人紙尿褲切刀輥的設計

陳陽升（三明市普諾維機械有限公司，福建 三明 365009）

0 引言

隨著生活水平的提高和社會老齡化趨勢加劇，這幾年成人紙尿褲的需求增長較快，紙尿褲生產線的生產速度提升訴求強烈。目前成人紙尿褲的生產速度一般是150片/min，市場要求提高到300片/min以上，生產速度提升的最大障礙是成人紙尿褲成型的切刀輥壓模[1]。成人紙尿褲輥壓模的切刀輥一般由高速鋼M2制作，其最快速度只能適應150片/min以內的生產，由于M2的紅硬性和耐磨性的限制，速度超過150片/min，切刀輥的溫度會因為刃口部位的高速摩擦而急劇升高，降低了刃口的耐磨性，導致迅速失效。高紅硬性和耐磨性的材料如硬質合金或粉末冶金高速鋼，其規格一般都在φ220 mm以內（成人紙尿褲弧切刀的直徑＞φ300 mm），且價格昂貴，不適合作為生產日常快速消費品的模具材料。現介紹一種低成本高性能的成人紙尿褲成型切刀輥的解決方案。

1 輥壓模原理

輥壓模被廣泛應用于各種柔性材料的加工，特別是生活用紙、無紡布、醫用敷料、皮革制品、印刷后加工、金屬鋁箔制品等行業[2]。成人紙尿褲切刀輥壓模典型結構如圖1所示，其基本工作原理：工作時輥體2的模刃線3與砧輥1的輥面接觸并在加壓機構5外力的作用下相互旋轉輥壓，對通過兩模中間的原料6產生滾壓作用力使原材料按切刀輥壓模刃線3的形狀產生分離或成型，通過輸送線輸送到下一個工位，最后形成需要的產品。高智能化的高速生產線每一個工位都是通過輥壓模完成，輥壓模周而復始、循環不間斷的工作，利用其高度自動化和流水作業的特點，實現高速高效、節能降耗的現代化生產。

圖1 切刀輥壓模典型結構

2 切刀輥材料分析

隨著模切設備的線速度越來越快（超過300 m/s），對切刀輥的性能要求，特別是紅硬性和耐磨性的要求也越來越高，普通高速鋼M2制作的切刀輥已不能滿足要求，無法適應客戶的需求。經過分析和大量的試驗，發現粉末冶金高速鋼可以滿足這些基本要求，其組織結構和力學性能優于普通高速鋼。普通高速鋼M2的碳化物顆粒粗大、均勻度差、纖維具有方向性，碳化物呈帶狀，在使用時容易掉點或片狀脫落，如圖2、圖3所示。由于冶煉工藝的不同，粉末冶金高速鋼S290的碳化物顆粒細小、組織均勻、各向同性，其金相組織如圖4、圖5所示，合金含量超出普通高速鋼合金含量的限制（最高25%）[3]，目前已有合金含量達到40%的粉末冶金高速鋼，通過合理的熱處理工藝設計，可以提高模具零件的耐磨性和紅硬性，達到高速模切設備的生產要求。粉末冶金高速鋼和普通高速鋼的組織與性能對比如表1所示。粉末冶金高速鋼需要進口，價格昂貴，也無法制作直徑超過φ300 mm的棒料。針對直徑超過φ300 mm的成人紙尿褲成型切刀輥，用粉末冶金高速鋼制作的鑲件式刀輥代替整體式刀輥，可以解決原材料、性能及成本的難題。

圖2 M2淬火+回火后金相組織（100×）

圖3 M2淬火+回火后金相組織（400×）

圖4 S290淬火+回火后金相組織（100×）

圖5 S290淬火+回火后金相組織（400×）

表1 粉末冶金高速鋼與普通高速鋼的性能對比

3 鑲件式成人紙尿褲成型切刀輥的結構設計

整體式的成人紙尿褲切刀輥如圖6所示，輥體4的輥面上按產品外形軌跡加工的模刃線3和支撐環2是一個整體。整體式輥體通常用普通高速鋼制作，中間的芯軸1主要起傳遞扭矩的作用，帶動切刀輥旋轉。

圖6 整體式成人紙尿褲切刀輥的典型結構

鑲件式切刀輥典型結構如圖7所示，根據功能將切刀輥分為主功能區、次功能區和輔助功能區，主功能區主要是模刃線3，直接參與工作，其展開形狀是與產品形狀相同的空間軌跡曲線；次功能區為支撐環2，起支撐和保護刀刃的作用；沒有直接參與工作的芯軸1和基體4為輔助功能區。沿著模刃線3布置若干鑲件5，各鑲件之間采用特殊工藝及工裝無縫拼接而成（最大縫隙小于0.002 mm），模刃線3在拼接好的鑲件5上直接加工，鑲件5固定在基體4上，基體4和支撐環2固定在芯軸1上，形成完整的切刀輥，實現與整體式切刀輥相同的結構功能。

圖7 鑲件式成人紙尿褲切刀輥的典型結構

鑲件式切刀輥和整體式切刀輥相比，其優勢在于主功能區可以選擇性能更加優越的材料，解決了大直徑整體式粉末冶金刀輥的原材料規格、成本和熱處理的難題，同時在局部出現異常失效時可以更換單獨的鑲件，不必要整體更換，最大限度地減少損失。整體式大直徑的切刀輥熱處理難度大，難點在于刃口和基體尺寸相差大，易導致尺寸小的部位過熱，壁厚部位和內部淬火不充分，組織和性能不均勻，甚至變形過大導致報廢。鑲件的基體壁厚小于整體式的有效壁厚，更加接近刃口的厚度，避免整體式切刀輥常出現的變形大和組織不均勻的問題，提高切刀輥的整體性能。

4 鑲件式切刀輥設計與制作要點

鑲件式切刀輥在設計和制作時應注意以下要點。

（1）材料選擇與搭配。鑲件5選用進口粉末冶金高速鋼制作，次功能區支撐環2由普通高速鋼M2制作，輔助功能區芯軸1和基體4選用普通中碳合金鋼制作。根據使用中實際發揮的功能及其性能的要求設計3種材質，讓每種材質都能發揮最大的效能而不浪費，在保證性能要求的情況下最大限度節省了昂貴的進口粉末冶金材料。

（2）固定設計及裝配要點。為了保證鑲件刀刃處的剛性，鑲件固定螺釘沿刀刃線分布，展開后的模刃線和產品的外形一致，如圖8所示。鎖緊時先鎖緊靠近刀刃的螺釘，并涂上螺紋膠，使鑲件在鎖緊和使用過程中不變形、不松動。

圖8 輥面徑向展開

（3）鑲件等分的設計原則。根據成人紙尿褲切刀輥的輥體規格、刀刃軌跡進行分析，通過對節省的原材料成本與增加的加工成本之間進行比較，最終確定合理的等分形式：輥體直徑φ220～φ320 mm采取八等分，輥體直徑φ320 mm以上的采取十等分，如圖9所示，任何2個鑲件的結合面都通過圓心。固定的等分形式減少了鑲件式輥體所需高精度工裝的數量和相應的工裝成本。表2以直徑φ300 mm的成人紙尿褲切刀輥為例，通過體積可以計算鑲件式刀輥相對于同直徑整體式刀輥可節省粉末冶金原材料69%，直徑越大，節省的比例越高。

圖9 鑲件輥體等分截面

表2 鑲件式結構與整體式結構輥體材料成本比較

（4）設計鑲件磨削鑲配專用工裝。為了確保接合面的角度一致，分別設計八等分和十等分的專用鑲件磨削工裝夾具，同時設置工藝鑲件，在鑲配時用于調節壓緊鑲件之間的間隙，確保鑲件之間的間隙無限趨于0，最大不能超過0.002 mm，接合面的粗糙度值不能高于Ra0.04 μm。

（5）在配置鑲件時，應記錄每個鑲件的尺寸和形位公差，以便在使用中鑲件上的模刃線出現局部崩口、掉齒或斷裂等影響使用的質量問題時，只需按原尺寸更換鑲件即可重新使用，而不必整體報廢。

（6）鑲件的熱處理工藝。針對鑲件刃壁薄、結構復雜，熱處理過程中容易產生變形、裂紋和內部組織晶粒粗大等問題，可采取如下措施解決：①鑲件熱處理前進行去應力退火，以消除機加工應力對熱處理變形的影響；②因為粉末高速鋼的淬透性好，為減少高合金的氧化流失，選用真空氣淬的熱處理方式，用氮氣作為冷卻介質，既安全環保又起到保護合金元素的作用；③淬火加熱分三級進行，在低溫區真空爐的熱輻射較慢，所以在低溫的等溫加熱區要停留較長的時間，可以按照最厚壁厚計算時間，盡量保持鑲件內外溫度一致，避免出現組織差異，減少變形；④根據材質和硬度要求制定合理的奧氏體化溫度，在大量的實踐基礎上得出以下奧氏體化保溫時間的計算公式：T=σ×0.6，其中，T為奧氏體化保溫時間，min；σ為鑲件的最厚有效厚度，mm；⑤進行多次回火，實現馬氏體的二次轉化，完成二次硬化，最大限度地消除奧氏體殘留，以解決使用過程中殘留奧氏體轉化成馬氏體導致鑲件變形的問題[6]；⑥增加深冷處理，以提高形狀的穩定性和抗疲勞性，進一步穩定鑲件內部組織，確保使用過程中鑲件不變形[7]；⑦為了消除鑲件回火冷卻時的應力，避免應力殘留引起的變形，最后一次回火后進行人工時效處理。

按以上工藝處理的鑲件內部組織碳化物細小均勻，沒有偏析（見圖4、圖5）。實踐證明，該工藝保證了鑲件內部組織馬氏體轉化充分，滿足高速生產中對切刀輥紅硬性和耐磨性的要求，同時鑲件還保持了足夠的韌性和穩定性，延長了切刀輥的使用壽命。

5 結束語

介紹的鑲件式切刀輥設計及制作工藝不僅適用于成人紙尿褲切刀輥，還可廣泛應用于其他大直徑的輥壓模。經過大量的實踐證明，鑲件式結構可以實現整體式結構相同的功能，且能解決原材料、熱處理工藝和成本的難題，模具性能大幅提高，可達到成人紙尿褲300片/min以上輥沖速度的使用要求和壽命要求。通過采用鑲件式輥壓模，在衛生用品行業的成人紙尿褲、拉拉褲O切等產品上已實現400片/min的生產速度。