蔡祖光

（湖南省海諾電梯有限公司，湘潭 411104）

1 前言

目前，真空擠壓成型機是劈開磚（也稱劈離磚或劈開磚）、陶板、空心棚板、陶瓷輥棒、陶瓷柱塞、窯具及蜂窩陶瓷等制品塑性擠出成型的關(guān)鍵設(shè)備。按坯體的擠出方位可大致區(qū)分為臥式真空擠壓成型機和立式真空擠壓成型機，因立式真空擠壓成型機擠出的坯體傳送困難等原因，所以在劈開磚、陶板、陶瓷輥棒、陶瓷柱塞、窯具及蜂窩陶瓷等制品的實踐生產(chǎn)過程中通常僅采用臥式真空擠壓成型機。臥式真空擠壓成型機按螺旋（絞刀）軸的多少又可分為單軸真空擠壓成型機、雙軸（上軸為攪泥螺旋軸、下軸為擠泥螺旋軸）真空擠壓成型機和三軸（上部攪泥部分為兩根攪泥螺旋軸、下軸為擠泥螺旋軸）真空擠壓成型機等?？紤]到三軸真空擠壓成型機上部攪泥部分為兩根逆向旋轉(zhuǎn)的分別安裝左旋螺旋和右旋螺旋的攪泥軸迫使陶瓷泥料（為了描述方便，以下簡稱泥料）產(chǎn)生強烈的對攪、混勻和搓揉等作用，從而實現(xiàn)對泥料的充分破碎、攪拌、揉練及混合均勻等功能。所以泥料經(jīng)三軸真空擠壓成型機處理后，通?？色@得比單軸真空擠壓成型機和雙軸真空擠壓成型機產(chǎn)品質(zhì)量更好、成品率更高的坯體，這正是目前國內(nèi)外劈開磚、陶板、陶瓷輥棒、陶瓷柱塞、窯具及蜂窩陶瓷等生產(chǎn)企業(yè)廣泛應(yīng)用的真空擠壓成型機幾乎都是三軸真空擠壓成型機的主要原因。

盡管真空擠壓成型機的種類繁多，但從真空擠壓成型機的擠出裝置螺旋推進器（也稱最末端擠泥螺旋）的終止處到機嘴（俗稱成型模具）之間的部分通常稱之為機頭（也稱為擠壓筒），劈開磚、陶板及空心棚板等扁平形制品塑性擠出成型采用的機頭幾乎都是由圓柱形逐漸過渡到矩形的特殊筒體，如圖1所示。其功用是促使泥料在螺旋推進器的作用下，逐漸擠壓成為結(jié)構(gòu)致密、向機嘴方向整體移動的泥段。由此可見，真空擠壓成型機機頭的構(gòu)造及其設(shè)計制造質(zhì)量與坯體的質(zhì)量密切關(guān)聯(lián)，尤其是機頭兩端面的形狀位置精度越高、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，從而優(yōu)化泥料的擠出成型工藝性能。所以，改善機頭的構(gòu)造并努力提高其設(shè)計制造質(zhì)量，對提高劈開磚、陶板及空心棚板等扁平形等制品的產(chǎn)品質(zhì)量及企業(yè)的經(jīng)濟效益等具有非常重要的意義。

2 常用機頭的構(gòu)造及弊病

目前，劈開磚、陶板及空心棚板等扁平形制品的塑性擠出成型的關(guān)鍵設(shè)備——真空擠壓成型機常用機頭的構(gòu)造方式主要是鑄造式機頭和板料焊接式機頭兩種。

2.1 鑄造式機頭

鑄造式機頭的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，它是目前國內(nèi)外真空擠壓成型機應(yīng)用最早及最廣泛的機頭，通常采用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鑄鋼或鑄不銹鋼等鑄造成型，采用消除鑄造應(yīng)力退火后，經(jīng)金屬切削加工后，再經(jīng)打磨拋光其內(nèi)腔工作表面后即可。

圖1 鑄造式機頭的結(jié)構(gòu)示意圖

鑄造式機頭的缺陷主要表現(xiàn)在兩方面，第一是需要制作造型用模型和芯模（模型和芯模簡稱木模），顯然其生產(chǎn)周期較長；第二是由于鑄造屬于熱加工的范疇，生產(chǎn)工藝非常復(fù)雜，不但加工余量特別大，浪費原材料，而且操作控制不當易造成質(zhì)量隱患甚至成為廢品，在實踐生產(chǎn)中也是屢見不鮮的。尤其是造型時型腔、模芯的同軸度偏差大，易造成鑄件“錯箱”、“飛邊”、夾砂、氣孔和縮松等缺陷，導(dǎo)致機頭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，嚴重影響機頭的加工制造質(zhì)量等。即使經(jīng)金屬切削加工后，仍不能消除機頭兩端面的同軸度誤差大的弊病，其后果是當坯體擠出成型時，由于坯體條（俗稱泥條）兩側(cè)擠出成型速度相差較大，導(dǎo)致泥條呈“S型”彎曲前行，即使看起來泥條呈“直線”前行，由于泥條內(nèi)部存在較大的內(nèi)應(yīng)力，當切斷制成坯體后，再經(jīng)后續(xù)工序（如干燥及燒結(jié)等）時極易產(chǎn)生變形和裂紋等。嚴重時，甚至泥條剛擠出時就分裂成許多碎塊，根本成型不了坯體。

雖然通過優(yōu)化鑄造式機頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計，改善其鑄造工藝流程，可有效地減少鑄造式機頭兩端面的同軸度誤差及其內(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機頭兩端面的同軸度誤差大及其內(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，但因機頭的體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其胎模具的設(shè)計制造困難，顯然其生產(chǎn)費用昂貴。對單件小批量生產(chǎn)方式的機頭來說，采用精密鑄造工藝也是得不償失的。同時，考慮到目前廣泛應(yīng)用的Q235-A等普通碳素結(jié)構(gòu)鋼板表面平整光潔并且塑性及焊接性良好，又易于采購及成本低廉等。因此，利用Q235-A等普通碳素結(jié)構(gòu)鋼板制成板料焊接式機頭是消除鑄造式機頭兩端面的同軸度誤差大及其內(nèi)腔工作表面粗糙凹凸不平的最有效地途徑。因此，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，鑄造式機頭已逐漸被板料焊接式機頭所取代。

2.2 板料焊接式機頭

板料焊接式機頭就是采用塑性及焊接性良好的Q235-A等普通碳素結(jié)構(gòu)鋼板折彎成圓錐筒；然后再用Q235-A等普通碳素結(jié)構(gòu)鋼板替代部分圓錐筒成為圓錐——四棱錐組合筒體；最后經(jīng)焊接、金屬切削加工及打磨拋光其內(nèi)腔工作表面之焊縫表面等制成板料焊接式機頭如圖2所示。

圖2 板料焊接式機頭的結(jié)構(gòu)示意圖

板料焊接式機頭由圓法蘭、方法蘭及過渡筒（圓錐—四棱錐組合筒體）三部分組成。圓法蘭和方法蘭可采用24～30 mm厚的Q235-A等普通碳素結(jié)構(gòu)鋼板經(jīng)粗加工（金屬切削加工）后制成；過渡筒（見圖3）是由6～8 mm厚的Q235-A等普通碳素結(jié)構(gòu)鋼板折彎成型及焊接成圓錐筒后，再用6～8 mm厚的Q235-A等普通碳素結(jié)構(gòu)鋼板替代部分圓錐筒成為圓錐—四棱錐的組合筒體。考慮到真空擠壓成型機常用機頭的軸向尺寸接近圓法蘭內(nèi)孔的直徑，其圓錐筒的大端內(nèi)圓直徑也等同于機頭圓法蘭的內(nèi)孔直徑，小端內(nèi)圓直徑則等同于機頭方法蘭的方孔 （矩形）的對角線長度。若以小端內(nèi)圓中心為機頭方法蘭的方孔中心并作小端內(nèi)圓的內(nèi)接矩形WXYZ（見圖3），再以圓錐筒的大端面為基準軸向移動一段距離 （考慮到便于施焊及減少焊接變形等原因，常軸向移動50 mm左右），并獲得該外圓的大小尺寸，以分別經(jīng)過小端內(nèi)圓內(nèi)接矩形WXYZ的四邊及該外圓的四平面交外錐面于P、Q、S、T四點（見圖3），即通過P、Q、S、T四點依次與矩形WXYZ的邊ZW、WX、XY、YZ做四個平面；然后沿這四個平面利用手工氧氣乙炔火焰切將圓錐筒上的多余部分 （弧型片），打磨切割邊殘渣及去除毛刺后；再采用厚度為6～8 mm的Q235-A等普通碳素結(jié)構(gòu)鋼板1和鋼板2焊接在圓錐筒去除弧型片的相應(yīng)部位，打磨拋光型腔內(nèi)、外各焊縫表面，即得圓錐—四棱錐組合筒體，即獲得過渡筒；再將圓法蘭、過渡筒和方法蘭焊接成一整體后獲得機頭毛坯；最后經(jīng)精加工（金屬切削加工）及打磨拋光各焊縫表面等即可獲得板料焊接式機頭（見圖3）。

圖3 過渡筒的結(jié)構(gòu)示意圖

雖然板料焊接式機頭克服了鑄造式機頭加工余量特別大、兩端面的形狀位置精度差（如：同軸度誤差大）、夾砂、氣孔、縮松 、“飛邊”、內(nèi)腔工作表面粗糙及凹凸不平等缺陷，但其內(nèi)腔型面是由圓錐形突然轉(zhuǎn)變成四棱錐形，而不是漸變式光滑過渡型腔。按照流體力學(xué)中非牛頓型流體的流動規(guī)律可知，非牛頓型流體流經(jīng)非漸變式光滑過渡型腔管路時，其能量損失（摩擦阻力）特別大。假如劈開磚、陶板及空心棚板等扁平形制品擠出生產(chǎn)過程中的泥料，我們可近似地認它為是一種非牛頓型流體。那么，當坯體擠出成型時，泥料流經(jīng)截面尺寸突然變化（非漸變式光滑過渡型腔）的板料焊接式機頭時，泥料所受的摩擦阻力特別大，易造成泥料發(fā)熱嚴重，有時甚至惡化泥料的塑性成型工藝性能，其后果是成坯率低、產(chǎn)品質(zhì)量差、產(chǎn)量低等弊病。同時，理論研究及實踐生產(chǎn)經(jīng)驗也表明：消除此弊病的最有效地途徑是改善機頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用機頭的設(shè)計制造新方法——板料折彎成型后再焊接成截面形狀漸變式光滑過渡流線形機頭——板料折彎式流線形機頭。

3 機頭的設(shè)計制造新方法——板料折彎式流線形機頭

通過改善機頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計，利用板料折彎后焊接成一端為圓形另一端為矩形的漸變式光滑過渡流線形壓縮筒，再與圓法蘭、方法蘭焊接成機頭毛坯，最后經(jīng)金屬切削加工后及打磨拋光其內(nèi)腔工作表面之焊縫表面即可獲得板料折彎式流線形機頭如圖4所示。

圖4 板料折彎型流線形機頭的結(jié)構(gòu)示意圖

板料折彎型流線形機頭由圓法蘭、方法蘭及流線形壓縮筒三部分組成，其中圓法蘭和方法蘭是由24～30 mm厚的Q235-A等普通碳素結(jié)構(gòu)鋼板經(jīng)粗加工 （金屬切削加工）后制成，流線形壓縮筒可由6～8 mm厚的Q235-A等普通碳素結(jié)構(gòu)鋼板經(jīng)數(shù)控火焰切割機或手工氧氣乙炔火焰切割下料后，打磨切割邊殘渣及去除毛刺后，經(jīng)板料折彎機折彎成型后制成漸變式光滑過渡流線形壓縮筒；然后再將圓法蘭、流線形壓縮筒和方法蘭焊接成為機頭毛坯，最后經(jīng)精加工（金屬切削加工）及打磨拋光焊縫表面后即可獲得板料折彎式流線形機頭（見圖4）。

3.1 圓法蘭和方法蘭的制作

板料折彎焊接式流線形機頭的圓法蘭和方法蘭可采用24～30 mm厚的Q235-A等普通碳素結(jié)構(gòu)鋼板制成，常采用數(shù)控火焰切割機或手工氧氣乙炔火焰切割下料后，圓法蘭經(jīng)車削加工好內(nèi)、外圓柱面（定位外圓柱面、密封溝槽及端面焊后才能加工）即可；方法蘭則經(jīng)銑削和刨削或銑削和插削內(nèi)、外型面（端面焊后才加工）即可。

3.2 流線形壓縮筒的制作

流線形壓縮筒常采用6～8 mm厚的塑性及焊接性能良好的Q235-A等普通碳素結(jié)構(gòu)鋼板經(jīng)數(shù)控火焰切割機或手工氧氣乙炔火焰切割下料后，去除切割邊殘渣及毛刺后，再經(jīng)板料折彎機折彎成型后，最后焊接成一端為圓形另一端為矩形的漸變式光滑過渡流線形壓縮筒 （見圖5），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。

3.2.1 折彎板料的展開設(shè)計——展開圖

（1）尺寸計算

板料折彎成型生產(chǎn)經(jīng)驗表明，在板料折彎成型為漸變式光滑過渡流線形壓縮筒的折彎成型過程中，整個圓端是折彎成型的，矩形端僅直角處為折彎的起始處。因此，我們可以采用圓端的中徑（即中性面）作為計算尺寸，矩形端的內(nèi)腔尺寸作為計算尺寸，高度尺寸H按圓端的中徑至矩形端內(nèi)腔型面之間的垂直距離進行計算[1]，如圖5所示，由此求得流線形壓縮筒的展開尺寸計算原理圖如圖6所示。同時考慮到圓形端展開為曲線，其長度為πD；矩形端展開為折線，其長度為2（a＋b）。那么，若將圓形端分為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＝16),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6所示），求出這些折彎線的實長Ln、矩形端寬邊上的高的實長T、矩形端長邊上的高的實長W及每等份弧長的展開長度S后，即可做出折彎板料的展開圖。

通過求解空間直角三角形可得：

圖5 流線形壓縮筒的結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 壓縮筒的展開計算原理圖

1）矩形端寬邊上的高的實長T

式中：D-圓端的中徑；

a-矩形端內(nèi)腔的長邊尺寸；

H-壓縮筒的高度尺寸。

2）矩形端長邊上的高的實長W

式中：b-矩形端內(nèi)腔的寬邊尺寸；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與矩形寬邊之間的夾角；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＝16；

其余代號同前述。

如圖6所示，若以矩形長邊上的中點為起點，將圓周16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=0°、α2=22.5°、α3=45°、α4=67.5°及α5=90°,同時連接1、2、3、4、5各點與其鄰近的矩形拐點A的連線，即為所求的折彎線。將D、a、b、m、αn及H之值代入上述各式，即可求得矩形端寬邊上的高的實長T、矩形端長邊上的高的實長W及各折彎線的實長L1、L2、L3、L4、L5及每等份弧長的展開長度S。