新型“雙向加壓”粉末壓片模具設(shè)計(jì)及應(yīng)用

雒 鋒，薛 兵，王瑛瑋

(吉林大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130021)

0 引言

粉末壓片是材料制備方法中的重要方法之一，特別是在各大學(xué)、科研院所和相關(guān)企業(yè)的實(shí)驗(yàn)室中，可用于無(wú)機(jī)氧化物[1-4]、輕金屬[5]、重金屬[6]、元素分析[7-8]等化學(xué)分析測(cè)試，也可用于紅外光譜測(cè)試時(shí)制樣[9-10]、陶瓷樣品的實(shí)驗(yàn)室制備，及其他樣品的成型制備[11]。特別是在陶瓷樣品的實(shí)驗(yàn)室制備過(guò)程中，粉末壓片是必不可少的步驟。粉末壓片質(zhì)量是陶瓷樣品質(zhì)量的基礎(chǔ)，也是關(guān)鍵。粉末壓片通常需要在一定規(guī)格的模具內(nèi)進(jìn)行，即壓片模具。由于粉末壓片過(guò)程中，物料會(huì)不可避免地與模具發(fā)生一定的相互作用，因此模具的質(zhì)量好壞及結(jié)構(gòu)又是影響壓片質(zhì)量的重要因素。

目前，實(shí)驗(yàn)室廣泛使用的粉末壓片模具一般由3個(gè)主要部分構(gòu)成： 上柱塞、模筒和下柱塞[12]，如圖1所示。利用此模具進(jìn)行粉末壓片時(shí)，首先將下柱塞放好，再將模筒套到下柱塞，將粉末物料裝于模筒內(nèi)，再將上柱塞套入模筒內(nèi)，完成合模。在粉末加壓成型時(shí)，由于下柱塞與模筒間緊密相連，只有上柱塞與模筒間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在壓片機(jī)軸向壓力作用下，上柱塞不斷向下移動(dòng)，使物料由松散狀態(tài)變?yōu)槊軐?shí)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)粉末的壓實(shí)，完成壓片。利用傳統(tǒng)模具進(jìn)行粉末壓片時(shí)存在兩個(gè)弊?。?一是粉體壓實(shí)過(guò)程中下柱塞與模筒間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，只有上柱塞與模筒間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即單向加壓。單向加壓時(shí)粉末從樣片的上部開(kāi)始不斷向下移動(dòng)，而靠近下柱塞表面的粉末相對(duì)位移較小，因此最后制得的樣片上下兩部分的密實(shí)度存在較大差異，即越靠近樣片上部邊沿密實(shí)度越高，越靠近樣片下部邊沿密實(shí)度越低。特別是陶瓷樣品，生坯片厚度越厚，上下兩部分密實(shí)度差異越大。由于陶瓷生坯樣片密實(shí)度的差異會(huì)導(dǎo)致陶瓷燒成樣品上部分收縮率較小，下部分收縮率較大，非常容易發(fā)生翹曲變形。樣片厚度越大，燒制的陶瓷樣品翹曲變形現(xiàn)象越嚴(yán)重。另一個(gè)弊病是陶瓷生坯片在壓實(shí)完成后的脫模取片過(guò)程中非常容易發(fā)生剝層開(kāi)裂的現(xiàn)象。這是由于陶瓷生坯樣片在脫模取片過(guò)程中，其下表面一直處于懸空狀態(tài)，一方面受到上柱塞的推力，另一方面還與模筒壁間產(chǎn)生摩擦阻力，靠近模筒邊緣的部分極易發(fā)生剝層開(kāi)裂。特別是當(dāng)原料粉末近球形且粒徑較大時(shí)，剝層開(kāi)裂現(xiàn)象愈加嚴(yán)重。

近年來(lái)，為了解決在脫模過(guò)程中發(fā)生剝層開(kāi)裂的問(wèn)題，人們?cè)趥鹘y(tǒng)模具的基礎(chǔ)上對(duì)模筒進(jìn)行了改進(jìn)，由原來(lái)的閉合式改變?yōu)殚_(kāi)放式(圖2)，這一改進(jìn)大大降低了取片過(guò)程中成型樣品與模筒的摩擦力，避免了樣片發(fā)生剝層開(kāi)裂的弊病。但是此種模具在加壓過(guò)程中仍屬于“單向加壓”，壓制出來(lái)的樣片仍存在上下密度不均勻的弊病。

本文作者設(shè)計(jì)了一種全新的粉末壓片模具。該模具在粉末壓片成型過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了粉末樣品的“雙向加壓”，使得制備的樣品片上下部分密實(shí)度更為均勻。并且在脫模過(guò)程中呈帶壓脫模狀態(tài)，大大降低了成型樣品與模筒間摩擦力造成的樣品損壞風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 普通閉合式粉末壓片模具

圖2 普通開(kāi)放式粉末壓片模具

1 模具設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)模具結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，本模具保留現(xiàn)有傳統(tǒng)粉末壓片模具的上柱塞、模筒，另外新增加一個(gè)可以使模筒在加壓過(guò)程中保持懸空的模筒托舉彈簧以及一個(gè)用于壓片完成后脫模的脫模螺母，在實(shí)際加工過(guò)程中，下柱塞中間部分增加一個(gè)圓柱段，加工出外螺紋，與脫模螺母的內(nèi)螺紋匹配。圖3為本模具在加料合模狀態(tài)時(shí)的剖面圖。圖4是本模具置于粉末壓片機(jī)后的加壓制片狀態(tài)剖面圖。圖5是本模具在完成壓片后進(jìn)行脫模時(shí)的脫模取片狀態(tài)剖面圖。

在使用本模具進(jìn)行粉末壓片時(shí)主要的工作步驟與傳統(tǒng)模具一樣，也分為物料合模、加壓制片和脫模取片。第一步：物料合模，首先放置好下柱塞5，接著套上模筒托舉彈簧4與模筒2，然后向模筒2內(nèi)加入待壓片的原料粉體3，最后把上柱塞1放入模筒2，這樣就完成了加料合模步驟。第二步： 加壓制片，加壓過(guò)程中，由于模筒托舉彈簧4的托舉作用，模筒2不會(huì)落到與下柱塞直接接觸的最下位置，當(dāng)施加作用于上柱塞1和下柱塞5上的一對(duì)較大的加壓力8時(shí)，原料粉體壓實(shí)過(guò)程中上柱塞1與模筒2間會(huì)發(fā)生一個(gè)相對(duì)位移a，同時(shí)下柱塞5與模筒2間會(huì)發(fā)生一個(gè)相對(duì)位移b，這樣的壓片過(guò)程，模筒內(nèi)的物料從上下兩個(gè)方向同時(shí)受壓，實(shí)現(xiàn)雙向加壓，最后制得的樣片9，上、下部分密實(shí)度無(wú)明顯差異。第三步： 脫模取片，首先卸掉壓片過(guò)程中的加壓力8，但同時(shí)需要在脫模過(guò)程中在上柱塞1和下柱塞5上保持一對(duì)較小的壓力10，開(kāi)始脫模時(shí)，需要旋動(dòng)脫模螺母7，使脫模螺母向上運(yùn)動(dòng)并慢慢推動(dòng)模筒2，此時(shí)上柱塞、樣片、下柱塞位置固定，樣片克服與模筒間的摩擦阻力從模筒中脫出，實(shí)現(xiàn)帶壓脫模。在這樣的脫模過(guò)程中，由于樣片一直保持著來(lái)自上下柱塞間的一對(duì)較小的壓力，因此樣片始終處于適度的壓緊狀態(tài)，避免了普通壓片模具在脫模時(shí)樣片下表面處于懸空的狀態(tài)，避免發(fā)生剝層開(kāi)裂的情況。

(a) 加料合模狀態(tài)剖面圖

(b) 加壓制片狀態(tài)剖面圖

(c) 脫模取片狀態(tài)剖面圖

2 模具的應(yīng)用

分別以單向加壓與雙向加壓的方式進(jìn)行陶瓷片的壓制實(shí)驗(yàn)。本設(shè)計(jì)模具在單向加壓時(shí)，只需將模筒托舉彈簧取出，使模筒直接與下柱塞相連。圖6為實(shí)驗(yàn)時(shí)所用模具及實(shí)驗(yàn)照片，圖中虛線部分展示了單向加壓與雙向加壓實(shí)驗(yàn)時(shí)模筒與下柱塞間的相對(duì)位置。當(dāng)進(jìn)行單向加壓實(shí)驗(yàn)時(shí)模筒與下柱塞為互相接觸，中間無(wú)間隙，在加壓過(guò)程中只有上柱塞在壓力作用下與模筒間有一個(gè)向下的相對(duì)位移，使樣品密實(shí)。而進(jìn)行雙向加壓實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先通過(guò)托舉彈簧使模筒與下柱塞間有一定的間距，在加壓過(guò)程中下柱塞與上柱塞與模筒均有相對(duì)位移，使樣品同時(shí)從上下兩側(cè)受壓密實(shí)。傳統(tǒng)粉末壓片機(jī)模具壓制的樣品有明顯的表面剝層開(kāi)裂現(xiàn)象，如圖7(a)所示；而采用新型模具壓制成型的樣品完好無(wú)損，如圖7(b)所示。

(a) 單向加壓試驗(yàn)圖

(b) 雙向加壓試驗(yàn)圖

(a) 單向加壓陶瓷樣品

(b) 雙向加壓陶瓷樣品

為了探討兩種加壓方法成型的陶瓷樣品收縮性能的差異，探討了相同陶瓷配比、成型壓力和燒成制度的條件下，陶瓷樣品的尺寸變化，陶瓷配比如下： 高嶺土60%質(zhì)量分?jǐn)?shù)，長(zhǎng)石30%，石英10%；模具尺寸： Φ50 mm；成型壓力80 MPa；保載時(shí)間1 min。每個(gè)樣品準(zhǔn)確稱(chēng)量干物料質(zhì)量30 g。陶瓷煅燒溫度1 200℃，保溫時(shí)間2 h，加熱速率： 8℃·min-1。每種加壓方式成型陶瓷片12個(gè)，采用游標(biāo)卡尺精確量取樣品的尺寸。樣品的初始直徑、初始厚度、煅燒后直徑、煅燒后厚度、橫向收縮率，和縱向收縮率實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 不同加壓方式制備的陶瓷生坯及燒成樣品尺寸變化

由表1可知： 在相同成型壓力條件下，雙向加壓陶瓷生坯樣品的厚度比單向加壓樣品的厚度小2.6%，這說(shuō)明雙向加壓條件下樣品的密實(shí)度更高。從陶瓷樣品燒成后的直徑和厚度計(jì)算結(jié)果可知，無(wú)論是直徑還是厚度，雙向加壓的收縮率更小。特別是厚度方向，雙向加壓的收縮率比單向加壓的收縮率低12.5%。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果表明： 采用本設(shè)計(jì)的新型雙向加壓模具制備的陶瓷樣品更加密實(shí)，收縮率更小。

3 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種新型模具，在粉末壓片過(guò)程中對(duì)物料粉末進(jìn)行雙向加壓，提高了陶瓷樣品生坯的密實(shí)度，使樣品上、下部分密實(shí)度更加均勻，因此可降低陶瓷燒成樣品的收縮率。同時(shí)消除了陶瓷生坯樣品的剝層開(kāi)裂弊病，提高了樣片的質(zhì)量和制樣的成功率。