陶瓷粉體連續(xù)輥壓成型研究

徐春雷

摘 要：針對(duì)陶瓷粉體連續(xù)輥壓成型技術(shù)，本文分析了連續(xù)輥壓成型結(jié)構(gòu)組成及原理，討論了粉體在輥壓過程中的流動(dòng)與變形，研究了粉體輥壓成型得以進(jìn)行的咬入必要條件及保證粉體對(duì)咬入壓制區(qū)的連續(xù)供給條件。開發(fā)的小型陶瓷連續(xù)輥壓成型機(jī)壓制出磚坯經(jīng)燒制表明該技術(shù)比傳統(tǒng)陶瓷壓制成型技術(shù)優(yōu)勢(shì)較顯著。

關(guān)鍵詞：陶瓷粉體;輥壓;成型

1 引 言

目前陶瓷大板及巖板在陶瓷行業(yè)異常火熱，使得陶瓷大板的成型設(shè)備越來受到關(guān)注，由于輥壓成型機(jī)與傳統(tǒng)壓機(jī)相比具有加工制造方便、使用壽命長、生產(chǎn)過程穩(wěn)定可靠、成型速度快、表面裝飾容易、坯體致密度高、分布均勻、成型精度高、節(jié)能45%以上、揚(yáng)塵少、設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。不僅如此，輥壓成型機(jī)更易于生產(chǎn)大規(guī)格或超大規(guī)格瓷磚、薄板磚或超薄磚，這是傳統(tǒng)模壓成型無法比擬的。

目前陶瓷連續(xù)輥壓成型設(shè)備有意大利薩克米Continua+系列壓機(jī)及科達(dá)Extenller1600大板輥壓成型系統(tǒng)。[1]輥壓成型是對(duì)陶瓷壓制成型工藝的重大突破，必將催生國內(nèi)陶企對(duì)陶瓷磚輥壓成型的技術(shù)探索與創(chuàng)新。

2 連續(xù)輥壓成型結(jié)構(gòu)組成及原理

連續(xù)輥壓成型包含輸送帶、環(huán)形模、主壓輥、輔壓輥、保壓釋放機(jī)構(gòu)、上下壓實(shí)帶。（圖1）輸送帶將厚度均勻的粉體沿A方向輸送，[7]其中壓實(shí)段由上壓實(shí)帶和下壓實(shí)帶組成，上下壓實(shí)帶相互配合將陶瓷粉體壓實(shí)成陶瓷帶材，使得該陶瓷粉體帶材通過設(shè)置在上下壓實(shí)帶之間的傳送帶，并沿著平行于下壓實(shí)帶的前進(jìn)方向向前輸送，上、下壓實(shí)帶分別卷繞在一對(duì)輥上，主動(dòng)輥由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。[7]為保證粉體向前推動(dòng)的粉體層在寬度方向上具有幾乎恒定的厚度，以確保在出口處向前推進(jìn)的壓實(shí)層可能具有均勻表觀密度，需要在壓實(shí)段的上游設(shè)置側(cè)向環(huán)形模，這些環(huán)形模通常包括一對(duì)平行邊，該平行邊固定在輸送面上的固定位置。[7]成型過程中，陶瓷粉體帶材首先通過一個(gè)粉體咬入壓制區(qū)，在粉體咬入壓制區(qū)中，首先施加的壓力從從小逐漸增大，粉體在漸變擠壓過程中將粉體中空氣排出，從而對(duì)粉體進(jìn)行有效漸變擠壓，粉體的厚度逐漸減小，逐漸將粉體壓實(shí)形成具有一定強(qiáng)度坯體，再通過一個(gè)位于粉體咬入壓制區(qū)的坯體保壓釋放區(qū)，通過坯體保壓釋放區(qū)可通過對(duì)上述已壓制好坯體保壓壓制，以進(jìn)一步增強(qiáng)坯體的密度均勻性及力學(xué)性能，然后通過逐漸減小施加的壓力，使已經(jīng)壓實(shí)坯體可控回彈延展，避免或減少裂縫或裂紋的形成。隨后，對(duì)坯體邊緣進(jìn)行修整，并把坯體切割成需要的規(guī)格大小，根據(jù)需要進(jìn)行表面裝飾，然后送入窯爐進(jìn)行燒制形成瓷磚。也可將已經(jīng)裝飾好的粉體帶材通過輥壓成型機(jī)壓制成坯體，切割好的坯體被送入窯爐進(jìn)行燒制形成瓷磚。

3 粉體在輥壓過程中的流動(dòng)與變形

粉體在輥壓成型時(shí)，上、下壓實(shí)帶在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)作用下連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，由于摩擦力作用，粉體被送入上、下壓實(shí)帶的縫隙中，被連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的上、下壓實(shí)帶連續(xù)擠壓，并在輔壓輥、主壓輥及保壓釋放機(jī)構(gòu)的作用下，將粉體壓實(shí)形成坯體。上、下壓實(shí)帶間的粉體壓實(shí)過程可劃分為三個(gè)區(qū)域（圖2）：

A區(qū)-粉體修平裝飾區(qū)：粉體在輸送帶或下壓實(shí)帶的轉(zhuǎn)送下，依靠粉體間的摩擦力，向既定方向運(yùn)動(dòng)，該過程中可將粉體修平，以保證粉體壓制均勻，并且可在其上、下表面進(jìn)行裝飾。

B區(qū)-粉體咬入壓制區(qū)：粉體受下壓實(shí)帶送入兩壓實(shí)帶間的縫隙，（上、下壓實(shí)帶的速度一樣即V=V0）縫隙越來越窄;上壓實(shí)帶與下壓實(shí)帶呈一定的夾角Ф1，Ф1>0且Ф1逐漸減小，圖2表明粉體上中下兩水平方向的移動(dòng)速度不一，下層粉體的水平方向的移動(dòng)速度V大于皮帶沿水平方向速度分量V0×COSФ1，陶瓷粉體在咬入壓實(shí)區(qū)由靠近下壓實(shí)帶沿運(yùn)行方向進(jìn)行擠壓，粉體層之間有相對(duì)滑動(dòng)，產(chǎn)生內(nèi)摩擦，粉體在上壓實(shí)帶的摩擦力和內(nèi)摩擦力作用下向下并向前移動(dòng);同時(shí)將粉體間的氣體沿皮帶運(yùn)行方向的反方向排出。隨著粉體不斷向前移動(dòng)，受到的壓力也逐漸增大，粉體內(nèi)的空隙逐步減小，顆粒間形成了一定的聯(lián)接，粉體開始被壓縮。粉體在壓制壓力下被壓緊，顆粒發(fā)生了顯著的變形甚至碎裂，顆粒接觸面積顯著增大，孔隙率顯著減小，顆粒間的聯(lián)接強(qiáng)度顯著提高，從而形成具有一定強(qiáng)度的坯體。

C區(qū)-坯體保壓釋放區(qū)：輥壓成型的坯體受到保壓釋放機(jī)構(gòu)的作用，且坯體上、中、下層水平速度相等，坯體內(nèi)部無相對(duì)運(yùn)動(dòng)，對(duì)坯體進(jìn)行保壓，使壓力能夠傳遞到坯體一定深度，使坯體致密度更加均勻，增強(qiáng)坯體的強(qiáng)度及韌性。坯體經(jīng)過保壓后，沿皮帶運(yùn)行方向坯體受到的壓力不斷減小，坯體發(fā)生回彈，坯體厚度增加，與坯體接觸的上壓實(shí)帶與下壓實(shí)帶呈一定的夾角Ф2，Ф2逐漸增加。圖2表明粉體水平方向的移動(dòng)速度V大于皮帶沿水平方向速度分量V0×COSФ1，坯體受到拉應(yīng)力而被延展，坯體受到的拉應(yīng)力與Ф2呈正相關(guān)的關(guān)系，在此過程中需要嚴(yán)格控制上壓實(shí)帶與下壓實(shí)帶夾角Ф2的變化，使坯體的強(qiáng)度大于坯體所受的拉應(yīng)力。加之坯體所受的壓力在逐漸減小，坯體因內(nèi)壓力釋放而膨脹。通過控制坯體的延展與坯體膨脹之間的關(guān)系，從而避免坯體產(chǎn)生裂紋或?qū)恿?，以保證坯體的完整性。

4 咬入條件

粉體輥壓成型得以進(jìn)行的必要條件是粉體能被穩(wěn)定的送入上、下壓實(shí)帶的縫隙中。輥壓成型中，下壓實(shí)帶輸送粉體進(jìn)入咬入壓制區(qū)屬于強(qiáng)制供給，貼近下壓實(shí)帶處粉體基本上處于相對(duì)下壓實(shí)帶靜止?fàn)顟B(tài)，而由于上壓實(shí)帶傾斜，粉體的速度發(fā)生變化，與皮帶接觸面速度變化最大，在咬入?yún)^(qū)內(nèi)貼近上壓實(shí)帶曲面上取一微小粉體單元（圖2），該體積單元所受到的力有：

粉體單元的自重（mg）;

輥壓成型輥對(duì)粉體單元的壓力（F）;

下層粉體對(duì)該單元的支撐力（f）;

周圍粉體對(duì)該粉體單元體積的作用合力可視為摩擦力（μ1×f）;

粉體單元與壓實(shí)帶表面之間的摩擦力（μ2×F）;

咬入的驅(qū)動(dòng)力，使得粉體由粉體修平裝飾區(qū)進(jìn)入咬入壓制區(qū)的力，粉體單元水平方向的合力：

μ2×F×cos（Ф）-μ1×f-F×sin（Ф）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

[[6]它是粉體被咬入（即進(jìn)入輥縫）的驅(qū)動(dòng)力。該力有三種可能的情況，討論如下：小于零，表明該粉體單元會(huì)相對(duì)上壓實(shí)帶向后滑移，在接口處會(huì)堆積粉體，表明上壓實(shí)帶的傾角過大，會(huì)破壞上表面裝飾效果。等于零，表明粉單元水平方向不會(huì)相對(duì)移動(dòng)。大于零，表明該粉體單元會(huì)相對(duì)上壓實(shí)帶向前滑移，粉體向前擠壓。粉體在咬入點(diǎn)理想狀態(tài)為相對(duì)上壓實(shí)帶不會(huì)移動(dòng)，即：

咬入點(diǎn)粉體水平方向的合力為零。得：

μ2×F×cos（Ф）-μ1×f-F×sin（Ф）=0? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

由于壓制過程可以近視為勻速得：

mg+F×cos（Ф）+μ2×F×sin（Ф）=f? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

由于壓制過程中，輥壓成型輥對(duì)粉體的徑向壓力（F）與下層粉體對(duì)該單元的支撐力（f）均遠(yuǎn)大于粉體單元的自重（mg），故可以將粉體單元的自重（mg）忽略不計(jì)，經(jīng)推導(dǎo)簡化得 ：

其中：μ1為粉體與壓實(shí)帶之間滑動(dòng)的摩擦因數(shù)，μ2為粉體之間的摩擦因數(shù)。由式（4）相等時(shí)得到的角度Ф稱為咬入角，由式（4）可以看出：上壓實(shí)帶的傾斜角只與粉體與壓實(shí)帶之間滑動(dòng)的摩擦因數(shù)和粉體之間的摩擦因數(shù)有關(guān)，式（4）就是是咬入的基本條件。

當(dāng)粉體單元所處的位置滿足式（4）時(shí)，能被壓實(shí)帶咬入，并與輸送帶一起向前移動(dòng)，此時(shí)已進(jìn)入粉體壓制區(qū)。

5 連續(xù)輥壓成型的條件

前面提到的粉體咬入條件，保證了粉體能被穩(wěn)定的送入上、下壓實(shí)帶之間的縫隙中，與咬入?yún)^(qū)以外的粉體能否進(jìn)入咬入壓制區(qū)沒有關(guān)系。[6]但要實(shí)現(xiàn)連續(xù)輥壓成型，還必須保證粉體對(duì)咬入壓制區(qū)的連續(xù)供給。[6]設(shè)輥壓斷面尺寸為板狀的型坯，板坯的厚度、寬度和密度分別為h、b和ρ2，板坯的成型速度為V2;同時(shí)，粉體修平裝飾區(qū)不斷有粉體進(jìn)入，咬入壓制區(qū)的入口矩形截面長、寬各為H、B，此處粉體的密度和向前速度分別為ρ1和V1。[6]在連續(xù)輥壓條件下，單位時(shí)間進(jìn)入咬入壓制區(qū)的粉體的質(zhì)量數(shù)應(yīng)當(dāng)?shù)扔诔雠髻|(zhì)量數(shù)（圖2）：

H×B×ρ1×V1=h×b×ρ2×V2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（5）

定義：

咬入厚度，兩輥壓成型對(duì)應(yīng)于咬入角處的間隙寬度（H）。

壓制系數(shù)，輥壓成型變形前咬入厚度與輥壓成型板坯的厚度之比。壓制系數(shù)相當(dāng)于前面的壓縮比：ε=H/h? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 延伸系數(shù)，板坯輥壓成型出坯速度與粉體進(jìn)入咬入?yún)^(qū)的速度之比：λ= V2/V1

壓實(shí)系數(shù)，板坯的密度與進(jìn)入咬入?yún)^(qū)的粉體的密度之比：Z=ρ2/ρ1

實(shí)際輥壓成型時(shí)，由于受到環(huán)形模的限制，板坯的寬展幾乎沒有，可認(rèn)為B≈b。由于進(jìn)料速度與成型總速度均等于上、下壓實(shí)帶的總速度，故而V2=V1。故式（5）可改寫為：

H/h= ρ2/ρ1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（6）

利用上面新引入的概念，連續(xù)輥壓成型條件又可簡化為：

ε=Z? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （7）

由上式可得h=（ρ1×H）/ρ2，而的最大值是一定的。

因此，連續(xù)輥壓條件為坯體入口粉體高度H值應(yīng)在（（ρ2min×h）/ρ1，（ρ2max×h）/ρ1）之間，其中表示壓實(shí)后坯體可形成的最大密度，表示壓實(shí)后坯體可形成的最小密度。否則坯體會(huì)出現(xiàn)開裂或強(qiáng)度、密度不夠而無法連續(xù)壓制成型所需要的坯體。

6 結(jié) 論

經(jīng)過本人設(shè)計(jì)研發(fā)的小型輥壓機(jī)連續(xù)壓制出磚坯，并經(jīng)切割成小磚后燒制成功，連續(xù)輥壓成型工藝的穩(wěn)定，壓制工位少，噪音小，且無揚(yáng)塵，功率小，結(jié)構(gòu)簡單等，能夠滿足連續(xù)生產(chǎn)的要求，且經(jīng)過連續(xù)輥壓成型壓制燒成的瓷磚比傳統(tǒng)壓制成型的瓷磚有更低的吸水率、更高的破壞強(qiáng)度及斷裂模數(shù)、表面光澤度更好（圖3）（圖4）。

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