手動液壓制樣機卡模問題分析

韓復興,邵奇,陶茂強,姜其武,王永威

（1.安徽瑞蒙科技有限公司,蒙城 233500;2.安徽萬佛新型建材集團有限公司,蒙城 233500 )

1 前言

手動液壓制樣機也叫手動壓片機，俗稱打餅器。手動液壓制樣機包括制樣模具、液壓表、手搖千斤頂以及機身等，如圖1 所示。市面陶瓷用手動液壓制樣機有三個型號，分別是5T、10T 和30T 三種，最大工作壓力分別是40MPa、45MPa 和60MPa，最大工作行程分別為100mm、125mm 和150mm[1]。

圖1 手動液壓制樣機及模具四件套

模具是手動液壓制樣機的主要工作元件，通常一副模具包括上沖、中模、下沖和頂出模四個零件，上下沖的結構相似，其沖頭直徑也相等，上、下沖的沖頭直徑和中模的模孔相配合，可以在中模孔中自由上下滑動，但不會存在可以泄漏陶瓷粉料的間隙。沖模是手動液壓制樣機模具，上、下沖的工作端面形成試樣的表面形狀，中模孔徑即為陶瓷試樣（餅或片）的直徑。所謂模具四件套，包括下（沖）模（芯、頭）、中（凹）模（沖筒）、上模（芯）（也叫上沖頭）和頂出模（脫模環）等，如圖1。頂出時將上沖頭、中模、試樣、下沖頭倒過來，將頂出模放置在中模和下沖頭之間，輕壓脫模。除了四件套，市面上還有一種三件套，就是將下沖頭與頂出（凹）模設計為一體的，頂出時將下沖頭倒過來，頂出（凹）模內徑大于中模內徑，輕輕給力上沖頭，試樣就落入頂出凹模內。配套壓力，一般模具內徑有50mm、60mm 和70mm 三種[2]。

針對某陶瓷廠實驗室手動液壓制樣機打餅頻繁卡模，新買一套模具沒用多久就出現卡模情況，我們認為打餅器卡模原因頗為復雜，總起來說有四種原因，即粉料、模具、機身和，操作者，下文逐一分析之。

2 分析與討論

2.1 粉料

粉料原因主要有以下幾點：

1）粉料水分過低（干，物理水分不允許低于5%）或水分過高（濕，物理水分不允許高于9%），粉料泥漿細度不夠（指球磨泥漿細度不夠，要求泥漿全部通過250 目篩）、粉料的筒壓強度（或壓縮比）、粉料的堆積密度低都會影響成型質量和卡模。

粉料水分對粉料成型的影響也至關重要，所謂成型其實也是傳力和傳質的過程，在壓制過程中，部分氣相和液相排除，固相顆粒之間距離縮短，顆粒與顆粒之間依靠范德華力保持一定形狀和物料性狀，譬如密度、致密度、針密度、抗彎曲能力、抗壓能力等。粉料水分低，譬如物理水分低于5%，假性顆粒筒壓強度低、粉料壓縮比大、粉料堆積密度低、粉料中氣相比例大、就增加了成型排氣和傳動壓力難度，缺乏液相的清潤，范德華力難以形成，粘結力差，試驗強度差、容易分層。成型時，假性顆粒也容易在摩擦力作用下被研細，細粉極易伴隨氣相進入模具間隙，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對顆粒界面進行浸潤，浸潤水分多少與顆粒粒徑、顆粒表面微觀結構有關，超過浸潤水分飽和值的分水在成型時會成為游離水，當成型壓力大于游離水與顆粒之間的毛細現象的范德華力時，水就在壓力作用下，產生對流即外排。水份通過模具間隙排除，會影響氣體排除，同時由于液相中多多少少會有固相，也會造成間隙堵塞，卡模。

對于以上兩種情況，假如粉料泥漿細度不夠，不僅會卡模，而且會因為粗硬顆粒的出現而導致模具受損，報廢。

2）粉料顆粒過細（100 目以下粉料不允許有，有的話應該篩去）。

粉料粒度一般控制在30 目～80 目，100 目以下粉料是不允許，80 目以下也是要控制的，這主要是由粉料成型工藝所決定的。陶瓷粉料常用粒度目數與篩孔徑對應表見表1。

表1 粒度目數與孔徑對應表

所謂成型就是通過壓力使得粉料顆粒之間距離縮短，空隙減少，多余空氣排除，提高致密度和強度的工藝過程，所以要有足夠的時間和空隙使得空氣排出，如果模具制造過程中，上下模模芯與內襯板（中模筒內壁）的間隙過小，使氣體逸出困難而滯留在坯體中，造成坯體分層，一般要求模具沖頭與中模內壁的間隙在0.06-0.12mm之間，如果間隙超過0.12mm，就需要提高顆粒直徑，如果間隙低于0.06mm，就會導致排氣不順暢、不充分而影響成型制度和成型質量，導致分層或無法成型[3]。

反過來講，如果粉料細粉多，譬如100 目以下粉料沒有篩除，就會導致出現飛邊、分層等缺陷，細粉流入模具間歇，輕則飛邊，重則會導致卡模，尤其是粉料泥漿細度不夠的真實顆粒，對模具的危害更大，石英顆粒硬度高，很容易劃傷模具，導致模具直接報廢。

一般粉料的顆粒級配要求，見表2。

表2 粉料顆粒要求

2）粉料流動性差與擺料工藝

別看制樣就是打一個小小的餅、壓一個小小的片，但其中技術含量，動手能力一點都不低。粉料流動性一般用休止角或堆積高度來測量，休止角越小、堆積高度越低，粉料流動性越好。目前手動制樣工藝流程如下：

配料——球磨——烘干——強制過篩造粉——陳腐——計量——組裝模具——擺平——裝入上沖頭——一次輕壓——泄壓排氣——二次加壓——緩慢泄壓排氣——脫模——修坯——整模——試樣干燥——計量——燒成——試驗檢測

那么，擺平工藝既顯得重要，又顯得無能為力，因為擺得是否平，是否均勻，就會影響上沖頭與中模筒的對中性，略有差異就會偏心，就會造成制樣失敗，致密度不均勻，甚至卡模，損壞模具。要想將粉料擺平，先決條件是粉料流動性好，其次是操作規范，能利用臂力、速度和頻率借力粉料，桌面一定要水平，手眼一致，擺動時用巧力達到粉料流平、抖勻目的。

2.2 模具

模具原因也有三種。

1）模具材料

模具的使用壽命與材質有關，與是否做過熱處理等諸多因素有關。粉料壓片模具使用的材料一般分為鋼材和特種陶瓷，粉料壓片模具作為冷沖壓模具，應該使用冷作模具鋼作為其材料。冷作模具鋼包括從各種碳素工具鋼、合金工具鋼、高速工具鋼到粉末高速工具鋼和粉末高合金模具鋼。冷作模具鋼具是真空脫氣精煉鋼，內質純凈，機械加工性良好，切削明顯提高，淬透性良好，空冷淬硬不易出現淬裂，耐磨性極為優異，韌性良好，可廣泛應用于各種壓片模具。國產模具最常見的合金鋼材料為：GCr15，Crl2MoV，CrWuMn，9Mn2V，9CrSi；進口模具最常見的材料為：A2、O1、S1、S7、PHG.S、PHG-P[4]。

孫晶等[5]對壓片機磨具進行了成分分析、硬度測試、金相檢驗和斷口形貌顯微分析，認為硬度偏低是模具失效的主要原因，而硬度低除了與材料質量有關，還與熱處理有關。綜合各種研究表明，壓片模具沖頭硬度應在HRC55～60，其中HRC58～59 最佳，低于56HRC 容易卷邊和崩裂，中模硬度應在HRC61～65。

傳統陶瓷粉料壓片模具材料有兩種，即45#鋼和304 不銹鋼。45#鋼淬火硬度在HRC55～58 之間，極限值可達62HRC；但不推薦使用淬火工藝，因為當45 鋼硬度在HRC50 以上，較易出現裂紋。原因是45#鋼滲透性較差，芯部硬度隨零件厚度變化，厚度越厚硬度越低。45 鋼調質后表面硬度在HRC20~30 之間，是非常脆的。由于304 不銹鋼屬于奧氏體不銹鋼，其主要組織結構是無磁或弱磁的奧氏體晶體，因此其硬度相對較低，所以耐腐蝕性、防銹性、耐熱性、可加工性也較好。

2）模具設計與加工。

由于應用領域和使用要求不同，壓片模具在設計、材料、加工、價格等方面存在較大差異。

壓片模具的加工過程包括：①下料：鍛壓或氧氣切割，制成模具毛坯，鍛壓可以使碳化物組成均勻，可提高模具的韌性，減少模具破損。鍛壓造成的內應力以及氣割的熱影響區可能造成局部脫碳，從而使以后的滲碳不均勻，所以經過鍛壓或氧氣切割的模具毛坯一般都要經過退火處理；②機械切削加工：粗刨，插端面，銑凹面、背紋，磨削平面，手工拋光，用千斤頂壓印商標；③熱處理：滲碳(滲層厚度為1.5～2.5mm 左右),滲氮(滲層厚度為0.5～0.6mm),滲硼或者碳、氮、硼三元共滲。以提高模具的表面硬度、耐磨性、耐蝕性等；④檢驗；⑤裝配。

壓片模具的加工精度直接影響制品質量。所以，在加工過程中，每件零件都需經過平面磨床加工，對配合面與成型面的不平行度，不垂直度和表面光潔度均作要求。不平行度控制在0.02 以下，不垂直度控制在0.03 以下，沖頭、中模成型工作面粗糙度控制在Ra 0.4，中模外徑面和中模高兩端面粗糙度控制在Ra 0.8, 沖頭對沖身同軸度、中模內徑對外圓同軸度、中模兩端面對內孔垂直度精度等級均應達到8 級[6]。

3）模具使用和養護。

壓片模具一定要正確包裝、運輸、存放和使用。將研細烘干后的試樣粉末均勻地撒在模具的下沖頭上，手壓并旋轉上沖頭使試樣粉末均勻并鋪平。將整套模具放在手動液壓制樣機工作臺中心。給千斤頂加壓，輕壓，慢慢釋放，繼續加壓到額定工作壓力（切記壓力不要超過工作壓力），保壓（保持壓力1-2min 即可），卸壓（卸壓要慢）、取模、加壓脫模。壓片模具使用前用酒精清除上下壓頭光面之間的油污，模具使用后將整套清洗干凈，并涂上油或凡士林置于干燥器內保存，以免銹蝕。

為了保證模具的正常使用，請使用者嚴格按照壓片模具使用說明操作：每一次使用后，須將模具部件上及壓頭上粘掛的粉末清除掉，如果清洗的不干凈，可能造成使用中壓頭卡死。一般被壓制物品都有一定的腐蝕性，不及時的清除干凈，可能造成模具表面生銹，易造成壓頭裝偏，損壞模具。如長期不使用，須將模具清洗干凈，涂防護油放入干燥器中。壓片模具是手動液壓制樣機專用精密儀器，不得用于其他壓力機器成型，更不得用于砸擊類器具。卡模后，應由專門加工廠維修、校驗，不得用硬質鐵錘、強力拉拔機具拉拔，粗暴維修作業對壓片模具進行二次破壞。

2.3 機身

機身原因也有幾種

1）立柱不垂直、不光滑；立柱加工和安裝精度也要滿足機加工要求，譬如立柱本身的等軸度、平行度、平直度、加工面的粗糙地、與梁的垂直度等，都影響動梁的運動。動梁滑動軸承，密封，也選擇耐磨軸瓦、潤滑油孔等。

2）梁的加工、安裝質量厚：動梁、固定梁厚度不均勻。上下平面不平行，動梁與固定梁之間的工作面不平行，支撐液壓千斤頂的地梁厚度不均勻，地腳不平衡，不水平，地基軟、不平整、光滑，地梁沒有調水平，都會影響機器的工作環境。地梁與動梁不平行，就會損壞動梁、液壓千斤頂、以及立柱。動梁與固定梁不平行，或者梁上下面不平行，就會損壞壓片磨具、立柱、動梁軸瓦、恢復彈簧等。地面（或工作面）不水平、不平整、光滑，就會導致機器加壓工作時傾斜、傾倒損壞機器，危及人的生命安全。

3）立柱彈簧彈力不一致：恢復彈簧應該符合GB/T 23934-2015 熱卷圓柱螺旋壓縮彈簧技術條件的規定，其指定高度下的負荷、指定負荷下的高度和剛度應一致，外觀沒有質量缺陷，其垂直度、斷面平行度、節距均勻度和壓并高度應符合要求。否則會造成動梁、動梁軸瓦以及立柱的損壞[7]。

2.4 操作者

操作者也是至關重要，操作出現以下違規作業情況，會導致卡模。

1）違規作業1：手動液壓制樣機模具是專門應用于手動液壓制樣機的模具（其適用壓力一般在10 噸至50噸間），不能違規使用超過使用壓力范圍的液壓千斤頂。

2）違規作業2：手動液壓制樣機模具是專門應用于手動液壓制樣機的模具，不能違規使用自動液壓缸或液壓機替代液壓千斤頂或手動液壓制樣機。

3）違規作業3：制樣（俗稱打餅）作業前后，要認真檢查手動液壓制樣機模具質量情況，用干布（或油布）擦干凈模具上粘的粉料、灰塵，一旦上模芯沖頭和中模桶出現毛刺、劃痕，就需要進行返修，返修后模具間隙超過0.20mm,就需要更換

4）違規作業4：手動制樣（打餅）作業時，要掌握好節奏，眼、耳、手、心要專注、協調，用心感觸細微變化，準確判斷情況，及時止損止卡。

5）違規作業5：手動制樣（打餅）作業時，要輕拿輕放，既要小心模具掉落砸傷，也要保證不因為模具掉落而損壞模具及其他設施。

6）違規作業6：手動制樣（打餅）作業時，要按照標準計量粉料，杜絕使用粉料水分、顆粒度、流動性、筒壓強度、堆積密度等工藝不合格的粉料打餅。

7）違規作業7：模具生銹影響模具表面光潔度。長期不用的打餅器模具要做好清潔、干燥、防銹處理，避免生銹導致間隙變化，影響模具使用。

3 結論

通過以上分析，解決手動液壓制樣機卡模問題要從人、機、料、法四個角度來解決，具體如下四點:

1）要對使用者進行技能培訓、安全培訓；

2）根據所壓制粉料類別、顆粒度、樣品精度選擇壓片模具和制樣機，要做到符合試驗工藝要求、低故障率和高性價比；

3）根據工藝特點，制訂符合實際要求的安全作業指導書和操作規程，避免違規作業導致卡模等故障，影響試驗精度和實驗效率；

4）嚴格落實ISO 質量管理體系，靠制度、流程制訂先進試驗方法、管理制度并循序漸進達到新的管理高度。