成人紙尿褲切刀輥的設(shè)計(jì)

陳陽(yáng)升（三明市普諾維機(jī)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(huì)老齡化趨勢(shì)加劇，這幾年成人紙尿褲的需求增長(zhǎng)較快，紙尿褲生產(chǎn)線的生產(chǎn)速度提升訴求強(qiáng)烈。目前成人紙尿褲的生產(chǎn)速度一般是150片/min，市場(chǎng)要求提高到300片/min以上，生產(chǎn)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(yīng)150片/min以?xún)?nèi)的生產(chǎn)，由于M2的紅硬性和耐磨性的限制，速度超過(guò)150片/min，切刀輥的溫度會(huì)因?yàn)槿锌诓课坏母咚倌Σ炼眲∩?，降低了刃口的耐磨性，?dǎo)致迅速失效。高紅硬性和耐磨性的材料如硬質(zhì)合金或粉末冶金高速鋼，其規(guī)格一般都在φ220 mm以?xún)?nèi)（成人紙尿褲弧切刀的直徑＞φ300 mm），且價(jià)格昂貴，不適合作為生產(chǎn)日?？焖傧M(fèi)品的模具材料?，F(xiàn)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(yīng)用于各種柔性材料的加工，特別是生活用紙、無(wú)紡布、醫(yī)用敷料、皮革制品、印刷后加工、金屬鋁箔制品等行業(yè)[2]。成人紙尿褲切刀輥壓模典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，其基本工作原理：工作時(shí)輥體2的模刃線3與砧輥1的輥面接觸并在加壓機(jī)構(gòu)5外力的作用下相互旋轉(zhuǎn)輥壓，對(duì)通過(guò)兩模中間的原料6產(chǎn)生滾壓作用力使原材料按切刀輥壓模刃線3的形狀產(chǎn)生分離或成型，通過(guò)輸送線輸送到下一個(gè)工位，最后形成需要的產(chǎn)品。高智能化的高速生產(chǎn)線每一個(gè)工位都是通過(guò)輥壓模完成，輥壓模周而復(fù)始、循環(huán)不間斷的工作，利用其高度自動(dòng)化和流水作業(yè)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)高速高效、節(jié)能降耗的現(xiàn)代化生產(chǎn)。

圖1 切刀輥壓模典型結(jié)構(gòu)

2 切刀輥材料分析

隨著模切設(shè)備的線速度越來(lái)越快（超過(guò)300 m/s），對(duì)切刀輥的性能要求，特別是紅硬性和耐磨性的要求也越來(lái)越高，普通高速鋼M2制作的切刀輥已不能滿(mǎn)足要求，無(wú)法適應(yīng)客戶(hù)的需求。經(jīng)過(guò)分析和大量的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)粉末冶金高速鋼可以滿(mǎn)足這些基本要求，其組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能優(yōu)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(shí)容易掉點(diǎn)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(xì)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(dá)到40%的粉末冶金高速鋼，通過(guò)合理的熱處理工藝設(shè)計(jì)，可以提高模具零件的耐磨性和紅硬性，達(dá)到高速模切設(shè)備的生產(chǎn)要求。粉末冶金高速鋼和普通高速鋼的組織與性能對(duì)比如表1所示。粉末冶金高速鋼需要進(jìn)口，價(jià)格昂貴，也無(wú)法制作直徑超過(guò)φ300 mm的棒料。針對(duì)直徑超過(guò)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(duì)比

3 鑲件式成人紙尿褲成型切刀輥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(chǎn)品外形軌跡加工的模刃線3和支撐環(huán)2是一個(gè)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(dòng)切刀輥旋轉(zhuǎn)。

圖6 整體式成人紙尿褲切刀輥的典型結(jié)構(gòu)

鑲件式切刀輥典型結(jié)構(gòu)如圖7所示，根據(jù)功能將切刀輥分為主功能區(qū)、次功能區(qū)和輔助功能區(qū)，主功能區(qū)主要是模刃線3，直接參與工作，其展開(kāi)形狀是與產(chǎn)品形狀相同的空間軌跡曲線；次功能區(qū)為支撐環(huán)2，起支撐和保護(hù)刀刃的作用；沒(méi)有直接參與工作的芯軸1和基體4為輔助功能區(qū)。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(wú)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(huán)2固定在芯軸1上，形成完整的切刀輥，實(shí)現(xiàn)與整體式切刀輥相同的結(jié)構(gòu)功能。

圖7 鑲件式成人紙尿褲切刀輥的典型結(jié)構(gòu)

鑲件式切刀輥和整體式切刀輥相比，其優(yōu)勢(shì)在于主功能區(qū)可以選擇性能更加優(yōu)越的材料，解決了大直徑整體式粉末冶金刀輥的原材料規(guī)格、成本和熱處理的難題，同時(shí)在局部出現(xiàn)異常失效時(shí)可以更換單獨(dú)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(diǎn)在于刃口和基體尺寸相差大，易導(dǎo)致尺寸小的部位過(guò)熱，壁厚部位和內(nèi)部淬火不充分，組織和性能不均勻，甚至變形過(guò)大導(dǎo)致報(bào)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(xiàn)的變形大和組織不均勻的問(wèn)題，提高切刀輥的整體性能。

4 鑲件式切刀輥設(shè)計(jì)與制作要點(diǎn)

鑲件式切刀輥在設(shè)計(jì)和制作時(shí)應(yīng)注意以下要點(diǎn)。

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

（2）固定設(shè)計(jì)及裝配要點(diǎn)。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(kāi)后的模刃線和產(chǎn)品的外形一致，如圖8所示。鎖緊時(shí)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(guò)程中不變形、不松動(dòng)。

圖8 輥面徑向展開(kāi)

（3）鑲件等分的設(shè)計(jì)原則。根據(jù)成人紙尿褲切刀輥的輥體規(guī)格、刀刃軌跡進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)節(jié)省的原材料成本與增加的加工成本之間進(jìn)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(gè)鑲件的結(jié)合面都通過(guò)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(shù)量和相應(yīng)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(guò)體積可以計(jì)算鑲件式刀輥相對(duì)于同直徑整體式刀輥可節(jié)省粉末冶金原材料69%，直徑越大，節(jié)省的比例越高。

圖9 鑲件輥體等分截面

表2 鑲件式結(jié)構(gòu)與整體式結(jié)構(gòu)輥體材料成本比較

（4）設(shè)計(jì)鑲件磨削鑲配專(zhuān)用工裝。為了確保接合面的角度一致，分別設(shè)計(jì)八等分和十等分的專(zhuān)用鑲件磨削工裝夾具，同時(shí)設(shè)置工藝鑲件，在鑲配時(shí)用于調(diào)節(jié)壓緊鑲件之間的間隙，確保鑲件之間的間隙無(wú)限趨于0，最大不能超過(guò)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(shí)，應(yīng)記錄每個(gè)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(xiàn)局部崩口、掉齒或斷裂等影響使用的質(zhì)量問(wèn)題時(shí)，只需按原尺寸更換鑲件即可重新使用，而不必整體報(bào)廢。

（6）鑲件的熱處理工藝。針對(duì)鑲件刃壁薄、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，熱處理過(guò)程中容易產(chǎn)生變形、裂紋和內(nèi)部組織晶粒粗大等問(wèn)題，可采取如下措施解決：①鑲件熱處理前進(jìn)行去應(yīng)力退火，以消除機(jī)加工應(yīng)力對(duì)熱處理變形的影響；②因?yàn)榉勰└咚黉摰拇阃感院茫瑸闇p少高合金的氧化流失，選用真空氣淬的熱處理方式，用氮?dú)庾鳛槔鋮s介質(zhì)，既安全環(huán)保又起到保護(hù)合金元素的作用；③淬火加熱分三級(jí)進(jìn)行，在低溫區(qū)真空爐的熱輻射較慢，所以在低溫的等溫加熱區(qū)要停留較長(zhǎng)的時(shí)間，可以按照最厚壁厚計(jì)算時(shí)間，盡量保持鑲件內(nèi)外溫度一致，避免出現(xiàn)組織差異，減少變形；④根據(jù)材質(zhì)和硬度要求制定合理的奧氏體化溫度，在大量的實(shí)踐基礎(chǔ)上得出以下奧氏體化保溫時(shí)間的計(jì)算公式：T=σ×0.6，其中，T為奧氏體化保溫時(shí)間，min；σ為鑲件的最厚有效厚度，mm；⑤進(jìn)行多次回火，實(shí)現(xiàn)馬氏體的二次轉(zhuǎn)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(guò)程中殘留奧氏體轉(zhuǎn)化成馬氏體導(dǎo)致鑲件變形的問(wèn)題[6]；⑥增加深冷處理，以提高形狀的穩(wěn)定性和抗疲勞性，進(jìn)一步穩(wěn)定鑲件內(nèi)部組織，確保使用過(guò)程中鑲件不變形[7]；⑦為了消除鑲件回火冷卻時(shí)的應(yīng)力，避免應(yīng)力殘留引起的變形，最后一次回火后進(jìn)行人工時(shí)效處理。

按以上工藝處理的鑲件內(nèi)部組織碳化物細(xì)小均勻，沒(méi)有偏析（見(jiàn)圖4、圖5）。實(shí)踐證明，該工藝保證了鑲件內(nèi)部組織馬氏體轉(zhuǎn)化充分，滿(mǎn)足高速生產(chǎn)中對(duì)切刀輥紅硬性和耐磨性的要求，同時(shí)鑲件還保持了足夠的韌性和穩(wěn)定性，延長(zhǎng)了切刀輥的使用壽命。

5 結(jié)束語(yǔ)

介紹的鑲件式切刀輥設(shè)計(jì)及制作工藝不僅適用于成人紙尿褲切刀輥，還可廣泛應(yīng)用于其他大直徑的輥壓模。經(jīng)過(guò)大量的實(shí)踐證明，鑲件式結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)整體式結(jié)構(gòu)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(dá)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(guò)采用鑲件式輥壓模，在衛(wèi)生用品行業(yè)的成人紙尿褲、拉拉褲O切等產(chǎn)品上已實(shí)現(xiàn)400片/min的生產(chǎn)速度。