四軸真空擠壓成型機(jī)常用擠壓筒的設(shè)計制造

摘 要：本文介紹了寬板類陶瓷制品的性能特點及其成型方式，指出四軸真空擠壓成型機(jī)特別適用于寬板類陶瓷制品的擠壓成型。分析了四軸真空擠壓成型機(jī)鑄造式擠壓筒的弊病——兩端面的形狀位置精度差和內(nèi)腔工作表面粗糙及凹凸不平等。消除此弊病最有效的途徑是采用熱軋鋼板折彎成型后再焊接成擠壓筒的設(shè)計制造方法，并詳細(xì)論述了折彎板料展開圖的繪制方法、板料的折彎成型及其焊接加工等。

關(guān)鍵詞：寬板類陶瓷制品；擠壓成型；四軸真空擠壓成型機(jī)；設(shè)計制造；板料折彎成型

1 寬板類陶瓷制品的性能特點

目前，國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的寬板類陶瓷制品，如：陶板（厚×寬mm：30×700、30×800、30×900、30×1000、40×700、40×800、40×900、40×1000、40×1100及40×1200）、中空棚板（厚×寬mm：38×700、38×750、38×800、45×700、45×750、45×800、45×850及45×900）及寬型劈開磚等。為了便于敘述，現(xiàn)以中空棚板為例進(jìn)行敘述，如圖1所示，中空棚板就是在其厚度中心處有直通長孔結(jié)構(gòu)的特殊形狀的板類制品，主要是燒結(jié)微晶玻璃裝飾板材、日用陶瓷及衛(wèi)生潔具等制品時用作托板（也稱墊板），與普通棚板（實心棚板）相比具有以下優(yōu)勢[1]：

（1）節(jié)約原材料，重量減輕至少30%。

（2）承載能力大幅度提高。如：38 mm中空棚板的單位面積重量與23 mm普通棚板的單位面積重量大致相同，但前者的承載能力至少是后者的5倍。

（3）中空棚板的單位比表面積大，傳熱特別快，節(jié)能效果非常顯著。實踐生產(chǎn)經(jīng)驗表明，在梭式窯中采用中空棚板作為托板燒成微晶玻璃裝飾板材比采用相同承載能力的普通棚板可節(jié)省燃料30%以上，有時甚至高達(dá)50%。

（4）高溫變形小。單位面積重量相等的中空棚板其截面厚度是普通棚板截面厚度的1.5～2倍，抗彎變形能力（抗彎剛度）是后者的2.25～4倍（與厚度的平方成正比），從而確保微晶玻璃裝飾板材，特別是大規(guī)格尺寸微晶玻璃裝飾板材的平整度及產(chǎn)品質(zhì)量。

（5）中空棚板抗急冷急熱性能好，使用壽命長，特別適用于衛(wèi)生潔具及日用陶瓷制品的快速燒結(jié)。

2 寬板類陶瓷制品的成型方式

目前，國內(nèi)外中空棚板采用的成型方式大致可分為注漿成型、等靜壓成型及塑性擠出成型?？紤]到寬板類陶瓷制品的結(jié)構(gòu)特點，不宜采用注漿成型和等靜壓成型，最適宜采用塑性擠壓成型。塑性擠壓成型又可分為油缸擠壓成型和螺旋擠壓成型（也稱真空擠壓成型）兩種生產(chǎn)方式。

2.1 油缸擠壓成型

油缸擠壓成型就是依賴油缸的動作，迫使陶瓷泥料擠壓成型為寬板類陶瓷制品（如：中空陶板、中空棚板及劈開磚等）的成型方式。顯然，這種成型方式屬于間歇式擠壓成型，不僅生產(chǎn)效率較低，而且還產(chǎn)生廢泥頭（廢料頭）；同時，因設(shè)備自身的缺陷，擠壓成型時未對泥料采用抽真空脫氣處理，所獲得的陶瓷坯體結(jié)構(gòu)不夠緊密、致密度及機(jī)械強(qiáng)度較差、成品率低、不利于工序之間的轉(zhuǎn)運(yùn)及后續(xù)工序的加工，現(xiàn)已逐漸被真空擠壓成型取代。

2.2 真空擠壓成型

真空擠壓成型就是將陶瓷泥料加入真空擠壓成型機(jī)內(nèi)，經(jīng)上部攪泥螺旋破碎、攪拌、揉捏及混合均勻，由篩板裝置切割成細(xì)泥條，細(xì)泥條經(jīng)抽真空脫氣處理，再經(jīng)下部擠泥螺旋及螺旋推進(jìn)器（最末端擠泥螺旋，從真空室算起）進(jìn)一步地攪拌、揉練、混合均勻及擠壓緊密，最后由機(jī)嘴（也稱成型模具）擠壓成型為含水率較低、結(jié)構(gòu)致密、機(jī)械強(qiáng)度較高、表面平整光潔、具有預(yù)定截面尺寸的陶瓷坯體泥條，泥條經(jīng)切割后成為陶瓷坯體。

3 四軸真空擠壓成型機(jī)

目前，真空擠壓成型機(jī)是陶瓷輥棒、蜂窩陶瓷、劈開磚（也稱劈裂磚或劈離磚）、陶土板（也稱陶板）及窯爐墊板（俗稱中空棚板）等塑性擠壓成型的關(guān)鍵設(shè)備。真空擠壓成型機(jī)按坯體的擠出方位可大致分為臥式真空擠壓成型機(jī)和立式真空擠壓成型機(jī)，但因立式真空擠壓成型機(jī)擠出的坯體傳送困難等原因，在陶瓷制品的生產(chǎn)實踐中，通常僅采用臥式真空擠壓成型機(jī)。臥式真空擠壓成型機(jī)（通常簡稱真空擠壓成型機(jī)，除非另有說明）按螺旋（也稱螺旋葉或絞刀或螺旋絞刀）軸的多少又可分為單軸（攪泥螺旋和擠泥螺旋依次安裝于同一軸上）真空擠壓成型機(jī)、雙軸（上軸為攪泥螺旋軸、下軸為擠泥螺旋軸）真空擠壓成型機(jī)、三軸（上部攪泥部分為兩根攪泥螺旋軸、下軸為擠泥螺旋軸）和四軸（上部攪泥部分為兩根攪泥螺旋軸、下部擠泥部分也為兩根擠泥螺旋軸）真空擠壓成型機(jī)。真空擠壓成型機(jī)工作時，處于同一平面內(nèi)平行布置的雙螺旋軸的相互逆向運(yùn)轉(zhuǎn)，對泥料產(chǎn)生劇烈的破碎、攪拌、混勻和搓揉等作用，有利于泥料擠壓更緊密，便于獲得含水較低（約15%）、結(jié)構(gòu)致密、機(jī)械強(qiáng)度較高（貫入度儀測定值不低于2.5 kg/cm2）、表面平整光潔及具有預(yù)定截面尺寸的陶瓷坯體。因此，陶瓷制品的生產(chǎn)實踐中，目前廣泛應(yīng)用的幾乎都是三軸真空擠壓成型機(jī)和四軸真空擠壓成型機(jī)。

事實上，考慮到寬板類陶瓷制品的結(jié)構(gòu)特點和性能特點，并結(jié)合三軸真空擠壓成型機(jī)和四軸真空擠壓成型機(jī)的設(shè)計制造等因素，若采用三軸真空擠出機(jī)生產(chǎn)制造寬板類陶瓷制品，那么需采用大直徑或超大直徑的擠泥螺旋裝置，顯然加大了設(shè)計制造的困難，并且寬板類陶瓷制品在塑性擠壓成型過程中，為了確保坯體的成型質(zhì)量，需采用軸向長度較長的漸變式流線形擠壓筒，結(jié)果是不但增加了生產(chǎn)制造成本，而且增加了成型阻力及電能消耗，此外還易產(chǎn)生裂紋等成型缺陷。若將三軸真空擠壓成型機(jī)的大直徑或超大直徑的擠泥螺旋裝置設(shè)計成處于同一平面內(nèi)平行布置的較小直徑且相互逆向運(yùn)轉(zhuǎn)的雙螺旋擠泥裝置，這就是所謂的四軸真空擠壓成型機(jī)。實踐生產(chǎn)經(jīng)驗證明，此四軸真空擠壓成型機(jī)不僅易于設(shè)計制造，生產(chǎn)成本較低，所需漸變式流線形擠壓筒的軸向長度適宜，有利于減少泥料塑性擠壓成型阻力，易于獲得含水較低（約15%）、結(jié)構(gòu)致密、機(jī)械強(qiáng)度較高（貫入度儀測定值不低于2.5 kg/cm2）、表面平整光潔及具有預(yù)定截面尺寸的陶瓷坯體。

從四軸真空擠壓成型機(jī)擠泥裝置螺旋推進(jìn)器的終止處到機(jī)嘴（俗稱成型模具）之間的部分通常稱之為擠壓筒（俗稱機(jī)頭），為減少寬板類陶瓷制品塑性擠壓成型阻力，確保坯體的成型質(zhì)量，四軸真空擠壓成型機(jī)采用的擠壓筒幾乎都是由長圓形（半圓形—矩形—半圓形組合圖形）逐漸過渡到矩形的特殊筒體——漸變式流線形擠壓筒（如圖2所示）。其功用是：促使泥料在兩擠泥螺旋及兩螺旋推進(jìn)器的相互作用下，逐漸擠壓成為結(jié)構(gòu)致密、向機(jī)嘴方向整體移動的泥段。由此可見，四軸真空擠壓成型機(jī)擠壓筒的設(shè)計制造質(zhì)量會對寬板類陶瓷制品的坯體質(zhì)量和產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生較大的影響，擠壓筒兩端面的形狀位置精度越高（如：兩端面的對稱平面不重合誤差越小甚至消失）、內(nèi)腔工作表面越平整光潔，就越能最大限度地減少泥料的分層及摩擦發(fā)熱等，有利于提高泥料的塑性擠壓成型的工藝性能，獲得質(zhì)量優(yōu)良的陶瓷坯體。

4 鑄造式擠壓筒

四軸真空擠壓成型機(jī)鑄造式擠壓筒的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，它是目前國內(nèi)外寬板類陶瓷制品塑性擠出成型應(yīng)用最早、最廣泛的擠壓筒，材質(zhì)一般是普通鑄鋼或鑄不銹鋼等制成；鑄件成型及消除鑄造應(yīng)力退火后經(jīng)金屬切削加工，再經(jīng)人工打磨內(nèi)腔工作表面后制成?？紤]到造型時型腔、模芯的同軸度偏差大，澆注后易造成鑄件“錯箱”，會導(dǎo)致擠壓筒兩端面的形狀位置精度差（如：兩端面的對稱平面不重合的誤差較大）及鑄件“飛邊”、內(nèi)腔工作表面粗糙及凹凸不平等，嚴(yán)重影響擠壓筒的設(shè)計制造質(zhì)量。即使經(jīng)金屬切削加工后，仍不能消除擠壓筒兩端面的對稱平面不重合、誤差較大的弊病。當(dāng)寬板類陶瓷坯體擠出成型時，由于陶瓷坯體泥條（俗稱泥條）中心處擠出成型速度較大，兩側(cè)擠出成型速度較小，會導(dǎo)致泥條彎曲前行而成為廢坯；即使泥條看起來是“直線” 前行，但因其內(nèi)部存在較大的內(nèi)應(yīng)力，切斷成陶瓷坯體后，再經(jīng)后續(xù)工序（如干燥、燒結(jié)等）時極易產(chǎn)生裂紋；嚴(yán)重時陶瓷坯條剛擠出時就分裂成許多碎塊，根本成不了型。

雖然通過優(yōu)化鑄造式擠壓筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計、改善其鑄造工藝，可有效減少鑄造式擠壓筒兩端面對稱平面不重合的誤差及其內(nèi)腔工作表面的打磨拋光工作量，但仍不能從根本上消除鑄造式擠壓筒兩端面對稱平面不重合的誤差較大及其內(nèi)腔工作表面粗糙凹凸不平的致命缺陷。即使采用精密鑄造工藝可消除此缺陷，但擠壓筒的體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其胎模具的設(shè)計制造困難，且生產(chǎn)費用昂貴，對單件小批量生產(chǎn)方式的擠壓筒來說，是得不償失的。同時，考慮到目前廣泛應(yīng)用的碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235-A熱軋鋼板及0Cr18Ni9奧氏體型熱軋不銹鋼板表面平整光潔，貨源充足，易于采購，因此，利用焊接性及折彎成型性能良好的Q235-A熱軋鋼板或0Cr18Ni9奧氏體型熱軋不銹鋼板，折彎后再焊接制成擠壓筒（簡稱板料焊接式擠壓筒）的生產(chǎn)方式是消除鑄造式擠壓筒兩端面的對稱平面不重合誤差及其內(nèi)腔工作表面粗糙凹凸不平的最有效的途徑。

5 焊接式擠壓筒

焊接式擠壓筒是由長圓形（半圓形—矩形—半圓形組合圖形）法蘭、過渡筒及矩形法蘭三部分組成。過渡筒就是采用焊接性及折彎成型性能良好的Q235-A等碳素結(jié)構(gòu)鋼板或0Cr18Ni9奧氏體型熱軋不銹鋼板折彎后焊接成毛坯，兩端分別與長圓形法蘭及矩形法蘭焊接制成擠壓筒毛坯，最后經(jīng)金屬切削加工及人工打磨拋光焊縫表面得到焊接式擠壓筒工件（如圖3所示）。

5.1 長圓形法蘭和矩形法蘭的制作

焊接式擠壓筒用長圓形法蘭和矩形法蘭可采用24～30 mm厚的Q235-A碳素結(jié)構(gòu)鋼板制成，常采用氧氣乙炔火焰切割下料，板料校正平整后，長圓形法蘭和矩形法蘭經(jīng)銑削和（或）刨削（或）插削內(nèi)外型面（端面焊接后才加工）即可。

5.2 過渡筒的制作

焊接式擠壓筒的過渡筒常用6～8 mm厚的塑性良好的Q235-A熱軋?zhí)妓亟Y(jié)構(gòu)鋼板或0Cr18Ni9熱軋奧氏體型不銹鋼板折彎后制成，采用等離子弧切割或氧氣乙炔火焰切割下料（僅適用Q235-A鋼板）后去除切割邊殘渣及毛刺后，再經(jīng)板料折彎機(jī)折彎成型，最后焊接成一端為長圓形另一端為矩形的漸變式光滑過渡流線形筒體（如圖4所示），其生產(chǎn)制作過程包括板料的展開下料、折彎成型及拼焊等工序。

5.2.1 折彎板料的展開圖

利用過渡通的幾何特徑，通過求解空間線段的實長等設(shè)計計算方法作出其展開圖——計算作圖法。

（1）尺寸計算

板料折彎成型生產(chǎn)經(jīng)驗表明，為了便于求解過渡筒折彎成型用板料的展開圖，我們可以以筒體長圓形端中性面（如圖5所示，即到過渡筒內(nèi)外表面各處距離相等的點所構(gòu)成的曲面）的尺寸作為長圓形端的計算尺寸（彎曲成半圓形—矩形—半圓形組合圖形），以矩形端的內(nèi)腔尺寸作為筒體矩形端的計算尺寸（折后成矩形），以矩形內(nèi)腔中心至長圓形端中性面之中心之間的距離稱作高度H，可得過渡筒的展開尺寸

計算原理圖[2]（如圖5所示）。同時考慮到長圓形端展開為曲線—直線的組合體，其長度為（2πR+4a），其中：R——長圓形端中性面處之圓弧半徑，a——長圓形端中性面處直線邊的長度之半，π——圓周率，常取3.1416；矩形端展開為折線，其長度為4（b+c），其中：b——矩形端內(nèi)腔長度之半，c——矩形端內(nèi)腔寬度之半。那么，若將長圓形端中性面之半圓形分為m等分 （為確保展開料的設(shè)計計算精度及便于設(shè)計計算等，常取m=8），然后各等分點向鄰近的矩形拐角處做連接線即得任一折彎線（如圖5所示），求出這些折彎線的實長、矩形端長度方向邊上的高的實長、矩形端長度方向邊上的高的實長及每等份弧長的展開長度后，即可做出折彎板料的展開圖。

通過求解空間直角三角形（如圖5所示）可得：

① 矩形端長度方向邊上的高的實長Q

式中：R—長圓形端中性面處之圓弧半徑

c—矩形端內(nèi)腔寬度之半

H-過渡筒的高度尺寸

②矩形端寬度方向邊上的高的實長T

式中：a—長圓形端中性面處直線邊的長度之半

b—矩形端內(nèi)腔長度之半，

其余代號同前述。

③任一折彎線的實長Ln

式中：αn-任一等份點與圓心的連線交矩形端內(nèi)腔寬度邊之間的夾角。

其余代號同前述。

④每等份弧長的展開長度S

式中： π-圓周率，常取π=3.1416

m-等份數(shù)，常取m=8

其余代號同前述。

如圖5所示，若以矩形端寬度方向邊上的中點為起點，向兩側(cè)將半圓周分成8等份，那么，四分之一圓周的等份分別計為1、2、3、4、5，它們各自與圓心連線后再與矩形寬邊的夾角分別為α1=00、α2=22.50、α3=450、α4=67.50及α5=900，同時連接1、2、3、4、5各點與其鄰近的矩形拐點的連線，即為所求的折彎線。將R、a、b、c、m、αn及H之值代入上述各式，即可求得矩形端長度方向邊上的高的實長Q、矩形端寬度方向邊上的高的實長T、各折彎線的實長L1、L2、L3、L4、L5及每等份弧長的展開長度S。

（2）展開圖繪制

任意做一線段EF=2b，作線段EF的中垂線，并中垂線截取KM=Q（點M位于線段EF上，Q是矩形端長度方向邊上的高的實長），過點K作線段EF的平行線11”，并且截取線段1K與線段K1”的長度相等且都等于a；（也可以以E點為圓心以L1為半徑畫圓弧，與以K為圓心以a為半徑畫圓弧交于1點；以F點為圓心以L1為半徑畫圓弧，與以K為圓心以a為半徑畫圓弧交于1”點；）再以1點為圓心以S為半徑畫圓弧，與以E點為圓心以L2為半徑畫圓弧于2點；再以2點為圓心以S為半徑畫圓弧，與以E點為圓心以L3為半徑畫圓弧于3點；再以3點為圓心以S為半徑畫圓弧，與以E點為圓心以L4為半徑畫圓弧于4點；再以4點為圓心以S為半徑畫圓弧，與以E點為圓心以L5為半徑畫圓弧于5點，再以5點為圓心以T為半徑畫圓弧，與以E點為圓心以c為半徑畫圓弧于G點。

根據(jù)過渡筒的對稱性原理，又以1”點為圓心以S為半徑畫圓弧，與以F點為圓心以L2為半徑畫圓弧于2”點；再以2”點為圓心以S為半徑畫圓弧，與以F點為圓心以L3為半徑畫圓弧于3”點；再以3”點為圓心以S為半徑畫圓弧，與以F點為圓心以L4為半徑畫圓弧于4”點；再以4”點為圓心以S為半徑畫圓弧，與以F點為圓心以L5為半徑畫圓弧于5”點，再以5”點為圓心以T為半徑畫圓弧，與以F點為圓心以c為半徑畫圓弧于G”點。

最后直線連接5 G、 G E、 F G”、 G” 5”及光滑曲線連接5”、 4”、 3”、 2”、1”、 1、 2、 3 、4及 5各點，它們所圍成的圖形，即為所求折彎板料的展開圖（如圖6所示），并且∠5 GE=∠5” G” F =900。根據(jù)過渡筒的對稱性原理可知，過渡筒所需折彎板料的展開圖就是圖6所示圖形的兩倍。值得注意的是折彎板料是以矩形端寬邊的對稱平面剖分為兩片進(jìn)行折彎成型的，人們自然會問這是為什么呢？主要是由板料的折彎成型工藝要求決定的。否則，板料的折彎工藝性差或折彎困難（如：矩形端寬度方向邊長與長度方向邊長尺寸相差很小時），甚至不能實現(xiàn)折彎成型（矩形端寬度方向邊長與長度方向邊長尺寸相差很大時）。

5.2.2 板料的折彎成型

如圖6所示，直線5 E至直線1 E之間及直線1” F至直線5” F 之間為板料的折彎區(qū)域。我們可通過E在直線5 E至直線1 E之間做許多射線；同理通過F在直線1”F至直線5”F之間也可以做許多射線；然后再根據(jù)折彎板料的塑性、板厚尺寸及垂直折彎方向的尺寸大小等選用適宜公稱壓力的液壓折彎機(jī)，無需胎模具便可沿這些射線在常用液壓折彎機(jī)上折彎成型。由于這些射線就是板料折彎成型的折彎線，顯然射線數(shù)目越多，板料的折彎次數(shù)就越多，工件折彎成型后的形狀位置精度就越高，所得過渡筒的形狀尺寸就越精確。

板料折彎成型經(jīng)整形后達(dá)到規(guī)定的尺寸要求后，再制作板料對焊用坡口后，可將整形后的兩片剖分的壓縮筒長圓形端置于焊接平板上，通過角尺及鋼片尺等檢查其矩形端與長圓形端之間的平行度，通過多次整形后可使其平行度符合要求（通常小于1.5 mm即可），最后將兩件對焊成一整體，即得漸變式光滑過渡型過渡筒工件（如圖4所示）。

5.3 拼焊及精加工

首先，將長圓法蘭置于焊接平板上，將過渡筒的長圓形端緊貼長圓形法蘭的上端面，確保過渡筒的內(nèi)腔型面與長圓形法蘭的內(nèi)腔型面光滑連接，通過角尺及鋼片尺等檢查過渡筒矩形端與長圓形法蘭底面之間的平行度，若兩平面的平行度太差（如大于2 mm），可通過校平校正長圓形法蘭（過渡筒已校平校正，符合要求），使其平行度符合要求（小于2 mm），此時可將長圓形法蘭與過渡筒點焊定位（多處）。再將矩形法蘭置于過渡筒的上端（矩形端），同樣通過角尺及鋼片尺等檢查矩形法蘭的頂面與長圓形法蘭底面之間的平行度，若兩平面的平行度太差（如大于2.5 mm），可通過校平校正矩形法蘭（過渡筒和長圓形法蘭已校平校正，符合要求），使其平行度符合要求（小于2.5 mm），此時可將矩形法蘭與過渡筒點焊定位（多處）。

然后將擠壓筒搬離焊接平板，采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊及對稱施焊等防止擠壓筒焊接變形的方法，將長圓形法蘭、過渡筒和矩形法蘭牢固可靠地焊接成一整體。經(jīng)去除焊接應(yīng)力退火處理后，再經(jīng)銑削加工長圓形法蘭定位外圓柱面、密封溝槽面、外端面及矩形法蘭外端面（應(yīng)確保擠壓筒兩外端面的平行度小于0.3 mm）。最后經(jīng)鉆削加工兩端面的螺栓連接孔（確保擠壓筒兩端面螺栓連接孔之間的對應(yīng)位置關(guān)系，不得有誤）及人工打磨拋光擠壓筒內(nèi)腔工作表面之焊縫表面，即得焊接式擠壓筒工件（如圖3所示）。

6 結(jié)論

綜上所述，采用塑性鋼板折彎成型再焊接成擠壓筒的生產(chǎn)方式設(shè)計制造四軸真空擠壓成型機(jī)的漸變式光滑過渡型流線形擠壓筒的方法，與鑄造式擠壓筒相比具有許多優(yōu)點，能最大限度地減少泥料與焊接式擠壓筒內(nèi)壁的摩擦阻力，減少泥料的分層及摩擦發(fā)熱等缺陷，優(yōu)化了泥料的塑性擠壓成型工藝性能，確保寬板類陶瓷坯體順利擠壓成型，有利于獲得結(jié)構(gòu)致密、機(jī)械強(qiáng)度大（貫入度儀測定值不小于2.5 kg/cm2）、含水率較低（約15%）、表面光潔及產(chǎn)品質(zhì)量好的寬板類陶瓷坯體。所以說，漸變式光滑過渡型流線形擠壓筒是四軸真空擠壓成型機(jī)常用擠壓筒的最佳選擇。

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