邱涵+曹琪+莫錦堂+謝丹潔+李忠

（佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院材料科學(xué)與能源工程學(xué)院， 佛山528000）

摘 要：滾壓成型具有坯體質(zhì)量好、操作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于各類日用陶瓷產(chǎn)品的加工。而現(xiàn)有的陶瓷滾壓成型機(jī)普遍存在加工高度、口徑受限和智能化不足的問題。針對(duì)這些問題，本文設(shè)計(jì)了一種新型數(shù)控陶瓷滾壓成型機(jī)，對(duì)模頭的橫向運(yùn)動(dòng)與豎向運(yùn)動(dòng)作精準(zhǔn)控制，并擴(kuò)大控制范圍，突破了脫模時(shí)產(chǎn)品高度與口徑的限制。同時(shí)，新型數(shù)控陶瓷滾壓成型機(jī)改進(jìn)傳統(tǒng)的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，引入數(shù)字化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)上的智能化。通過樣機(jī)的制作與測(cè)試，驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)在生產(chǎn)實(shí)際中對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量和提高生產(chǎn)效率上的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)健詞：陶瓷；滾壓成型；橫向運(yùn)動(dòng)； 豎向運(yùn)動(dòng)；數(shù)控；智能

1 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，陶瓷胚體成型從手工（手拉）方式、手工注漿到高壓注漿[1]，發(fā)展到滾壓成型以及沖壓成型等，這是歷史發(fā)展不同陶瓷器型不同工藝技術(shù)的需求。手工方式是最為傳統(tǒng)的工藝，具有收藏價(jià)值，但生產(chǎn)效率最低。手工注漿方式解決了一部分手工難以完成的器型，但采用極稀的瓷泥，燒成收縮率難以控制。高壓注漿方式在手工注漿的基礎(chǔ)上利用氣壓推壓陶瓷泥在模具中成型，因瓷泥不用很稀，生產(chǎn)機(jī)械簡(jiǎn)單，所以成為目前生產(chǎn)主流，但由于采用相對(duì)比較稀的陶瓷泥，胚體成型時(shí)間較長(zhǎng)，燒成收縮率變化也比較大，也局限一部分餐盤類的形狀，且必須有一定數(shù)量的模具。沖壓成型方式是利用鋼模和沖壓模頭沖壓瓷泥成型，雖燒成率有所提高，但機(jī)械成本高，目前僅局限于國(guó)外少數(shù)廠家。滾壓成型[2]方式，顧名思義就是利用軸的轉(zhuǎn)動(dòng)和機(jī)械壓力使瓷泥在模具中成型，能做到批量生產(chǎn)，且可以采用比較硬（含水率低）、燒成率高、燒成率變化少的瓷泥，目前是廠家采用得較為主流的陶瓷成型方式。

2 陶瓷滾壓成型機(jī)的背景及現(xiàn)狀分析

2.1 背景技術(shù)

目前，市場(chǎng)上的陶瓷滾壓成型機(jī)的模頭行程是按弧度運(yùn)動(dòng)壓入模母或脫離模母，這種機(jī)械在生產(chǎn)時(shí)局限于一定胚體高度和產(chǎn)品口徑，且效率相對(duì)低。本設(shè)計(jì)提供了一種新型數(shù)控陶瓷滾壓成型機(jī)，包括設(shè)有支腿的工作平臺(tái)，在工作平臺(tái)上固定四根垂直臺(tái)面的光軸，在光軸上套接有沿光軸上下滑動(dòng)的升降平臺(tái)，升降平臺(tái)的下方設(shè)有控制其升降的伺服動(dòng)力總成，在升降平臺(tái)上固定的傳動(dòng)箱兩端分別與步進(jìn)伺服電機(jī)、模頭電機(jī)連接，模頭電機(jī)的輸出軸設(shè)有模頭，垂直于工作平臺(tái)的臺(tái)面，模頭與置于工作平臺(tái)上方的由平臺(tái)下電機(jī)驅(qū)動(dòng)模母配合。本設(shè)計(jì)針對(duì)現(xiàn)有滾壓成型機(jī)械存在的問題改進(jìn)，對(duì)模頭的橫向運(yùn)動(dòng)與豎向運(yùn)動(dòng)作精準(zhǔn)控制，且控制范圍大，保證模頭成型后脫模時(shí)不受產(chǎn)品高度與口徑的限制。

2.2產(chǎn)品現(xiàn)狀分析

陶瓷滾壓成型機(jī)較其他類型陶瓷機(jī)械具有許多顯著的特點(diǎn)，如成型坯體強(qiáng)度大且結(jié)構(gòu)均勻、壽命長(zhǎng)、操作簡(jiǎn)單等，使其在碗、盤類等日用陶瓷產(chǎn)品的生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，可以說(shuō)我們?nèi)粘Ｉ钏玫降娜沼锰沾善方^大多數(shù)是使用陶瓷滾壓機(jī)所生產(chǎn)的。因此陶瓷滾壓成型機(jī)是陶瓷工業(yè)的重要組成部分，陶瓷工業(yè)的發(fā)展離不開先進(jìn)陶瓷滾壓成型機(jī)的研發(fā)[3]。

目前，陶瓷滾壓成型機(jī)已經(jīng)具有很多先進(jìn)的半自動(dòng)和自動(dòng)滾壓生產(chǎn)線，但設(shè)計(jì)的機(jī)型均對(duì)模頭和產(chǎn)品有所限制，難以進(jìn)一步提高滾壓成型機(jī)的數(shù)字化控制。貴陽(yáng)市新航鑄造材料科技開發(fā)有限公司的毛晟發(fā)明了一種陶瓷滾壓成型壓模裝置[4]，具體包括機(jī)架、電機(jī)、凸輪機(jī)構(gòu)、壓模機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)和剎車機(jī)構(gòu)等等。該裝置具有結(jié)構(gòu)緊湊、生產(chǎn)效率高、操作維修方便、造價(jià)便宜的優(yōu)點(diǎn)；但其存在著明顯的不足：利用凸輪控制壓模杠桿做圓弧運(yùn)動(dòng)，存在只能生產(chǎn)局限于胎體高度低口徑大的產(chǎn)品；凸輪機(jī)構(gòu)長(zhǎng)時(shí)間高強(qiáng)度運(yùn)轉(zhuǎn)，機(jī)械磨損較大，準(zhǔn)確度低，產(chǎn)品一致性差；電機(jī)全程運(yùn)行，耗能大，噪音污染大；機(jī)器各項(xiàng)參數(shù)偏于固定，難以修改。

蘇家偉發(fā)明的一種陶瓷滾壓成型雙頭壓模裝置[5]，其包括機(jī)架，機(jī)架上設(shè)有鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)和壓模機(jī)構(gòu)，鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)鏈上設(shè)有若干工位，每個(gè)工位上設(shè)有一對(duì)座圈，該裝置結(jié)構(gòu)緊湊，能有效地提高生產(chǎn)效率。但其仍存在以下不足：利用升降機(jī)構(gòu)控制模頭，僅能實(shí)現(xiàn)縱向調(diào)整，不能橫向調(diào)整，不利于模頭與成型產(chǎn)品的脫離；電機(jī)全程運(yùn)行，耗能大，噪音污染大；未能實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制，產(chǎn)品器型較為單一。

徐立華發(fā)明的TGC350-K滾壓成型機(jī)為較高科技、較高效率、低成本的機(jī)型。其采用永磁電機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，主軸、滾頭軸與電機(jī)軸合二為一，主軸運(yùn)動(dòng)電器控制，轉(zhuǎn)速數(shù)字顯示，但是實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常困難[6]。

2015年新型涉及機(jī)械設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種陶瓷滾壓成型設(shè)備；實(shí)用新型的陶瓷滾壓成型設(shè)備，包括主機(jī)座、主機(jī)架、支撐橫梁、第二碾壓部件、驅(qū)動(dòng)部件和第一碾壓部件；所述第一碾壓部件旋設(shè)于所述驅(qū)動(dòng)部件上；所述第二碾壓部件包括固定座、主導(dǎo)向桿、旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)件、調(diào)節(jié)手柄、鎖定部件、下端壓板、傳動(dòng)墊片和壓縮桿等[7]。

3 陶瓷滾壓成型機(jī)的改進(jìn)方案

3.1機(jī)械原理分析

由于陶瓷滾壓成型具有成型坯體強(qiáng)度大、操作簡(jiǎn)單和自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，使其大量地應(yīng)用在碗類、盤類等日用陶瓷品廠中。但是目前廠家采用的主流陶瓷成型機(jī)仍在成型坯體高度和尺寸上有很大的局限性，其具體原理如圖1所示：利用電機(jī)帶動(dòng)凸輪使主軸按凸輪的形狀作弧形運(yùn)動(dòng)，同時(shí)模頭作滾動(dòng)壓入模母的瓷泥到位，然后滑塊運(yùn)動(dòng)使模頭在模母中作一次往返運(yùn)動(dòng)才能使模頭脫離成型好的胚體。但目前這種機(jī)械生產(chǎn)的產(chǎn)品僅局限于一定胚體高度和產(chǎn)品口徑，否則當(dāng)模頭成型后要脫離模母內(nèi)的胚體總是要破壞胚體的嘴口邊緣，所有的動(dòng)作是按照凸輪的形狀作弧形運(yùn)動(dòng)，調(diào)節(jié)比較麻煩，滑塊運(yùn)動(dòng)行程也僅能作1 ～ 2 cm的范圍往返剛好能脫模而已，能夠成型的產(chǎn)品也局限于胎體高度低口徑大的產(chǎn)品。

我們創(chuàng)新的滾壓成型機(jī)工作原理如圖2所示：模頭可根據(jù)需要自由進(jìn)行橫向和縱向運(yùn)動(dòng)，這樣模頭的運(yùn)動(dòng)無(wú)論上升或橫向均是直線的，使模頭成型后脫模時(shí)不受產(chǎn)品高度與口徑的限制，大大擴(kuò)大產(chǎn)品的形式。

3.2產(chǎn)品構(gòu)型設(shè)計(jì)

如圖3所示，這種新型數(shù)控陶瓷滾壓成型機(jī)，主要包括工作平臺(tái)12、控制器1、伺服動(dòng)力總成2、模母電機(jī)3、模頭電機(jī)4、步進(jìn)伺服電機(jī)7、傳動(dòng)箱8和升降平臺(tái)9。模頭電機(jī)4的輸出軸垂直于工作平臺(tái)12的臺(tái)面，模頭電機(jī)4的輸出軸上設(shè)有模頭6，模頭6與置于工作平臺(tái)12上方的模母5配合，模母5通過置于工作平臺(tái)12下方的模母電機(jī)3驅(qū)動(dòng)。

為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整，并且在調(diào)整中保證進(jìn)給的穩(wěn)定性，設(shè)有控制器1，控制器1分別與伺服動(dòng)力總成2、模母電機(jī)3、模頭電機(jī)4和步進(jìn)伺服電機(jī)7電連接。利用控制器1中的電路板上的通路及開關(guān)來(lái)控制伺服動(dòng)力總成2、模母電機(jī)3、模頭電機(jī)4和步進(jìn)伺服電機(jī)7間的電流輸入量，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度以及運(yùn)轉(zhuǎn)量的調(diào)整，從而完成整個(gè)裝置的數(shù)字智能控制[8]。同時(shí)，對(duì)于模母電機(jī)3和模頭電機(jī)4是直接作用在加工的陶瓷產(chǎn)品上，要求運(yùn)轉(zhuǎn)速度快，而且穩(wěn)定，因此采用高速磁電機(jī)，同時(shí)模母電機(jī)3和模頭電機(jī)4具有同步控制器，保證兩者能夠同步運(yùn)轉(zhuǎn)；對(duì)于步進(jìn)伺服電機(jī)7，需要精確控制模頭及升降平臺(tái)的移動(dòng)距離，因此采用伺服電機(jī)，可以正反向運(yùn)轉(zhuǎn)，而且控制精確，整個(gè)裝置運(yùn)行低噪音，低耗能[9]。

本成型機(jī)在具體加工時(shí)，利用控制器1的微調(diào)操控，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)2-1、模母電機(jī)3、模頭電機(jī)4和步進(jìn)伺服電機(jī)7進(jìn)行速度及起停的控制，保證模頭6高速旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，能夠垂直升降，并且左右水平進(jìn)給，保證模頭的運(yùn)動(dòng)無(wú)論上升或橫向均是直線的，最終在進(jìn)模或脫模時(shí)，避免對(duì)陶瓷邊沿產(chǎn)生損壞。

4 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為了保證設(shè)計(jì)方案的可行性可體驗(yàn)實(shí)際使用效果，在完成設(shè)計(jì)方案后做出了產(chǎn)品的樣機(jī)（如圖4）。為了保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，在測(cè)試過程中進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的樣本均值，分析了陶瓷坯體口徑深度比為0.6 ～ 1.0時(shí)，傳統(tǒng)滾壓成型機(jī)與新型滾壓成型機(jī)在不同滾壓深度下新方案與傳統(tǒng)方案在效率、抗折強(qiáng)度、燒結(jié)收縮率、燒成率等方面的優(yōu)劣。

表1中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：

當(dāng)陶瓷坯體的滾壓深度h≤6 cm時(shí)，新型滾壓成型機(jī)與傳統(tǒng)的滾壓成型機(jī)在生產(chǎn)效率上是相同的 。新型滾壓成型機(jī)產(chǎn)品的抗折強(qiáng)度比傳統(tǒng)滾壓成型機(jī)的高了0.29%，燒結(jié)收縮率低了1 ～ 5%，燒結(jié)率提高了約5%。

當(dāng)陶瓷坯體的滾壓深度6 cm

當(dāng)陶瓷坯體的滾壓深度h≤6 cm時(shí)，新型滾壓成型機(jī)比傳統(tǒng)的滾壓成型機(jī)的生產(chǎn)效率提高了100%。新型滾壓成型機(jī)產(chǎn)品的抗折強(qiáng)度比傳統(tǒng)滾壓成型機(jī)的高了0.29%，燒結(jié)收縮率低了1 ～ 5%，燒結(jié)率提高了約5%。

表2中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：

新型滾壓成型機(jī)比傳統(tǒng)滾壓成型機(jī)的生產(chǎn)噪聲低了4～5 dB。同時(shí)，新型滾壓成型機(jī)比傳統(tǒng)滾壓成型機(jī)的耗電量每單位低了2 kwh。

5 結(jié)論

本論文設(shè)計(jì)研制的智能陶瓷滾壓成型數(shù)控機(jī)與傳統(tǒng)滾壓成型機(jī)相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、切削力大的優(yōu)點(diǎn)。通過模頭控制裝置的改進(jìn)，使模頭可以作橫向和縱向雙向運(yùn)動(dòng)，生產(chǎn)產(chǎn)品不受高度與口徑的限制，適用陶瓷器型更廣；通過改進(jìn)伺服系統(tǒng)對(duì)模頭進(jìn)行精準(zhǔn)控制，且控制范圍更大。通過改進(jìn)機(jī)器的電機(jī)及密封系統(tǒng)，使其運(yùn)行噪音和能耗降低，更加環(huán)保。經(jīng)過生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)，采用本設(shè)備滾壓成型深度大于10 cm的陶瓷坯體時(shí)，其生產(chǎn)效率比傳統(tǒng)設(shè)備提高約1倍。本設(shè)計(jì)在完成樣機(jī)測(cè)試后與當(dāng)?shù)貜S家進(jìn)行了合作，應(yīng)用前景得到了普遍看好。相信隨著產(chǎn)品的后續(xù)開發(fā)應(yīng)用，對(duì)現(xiàn)有陶瓷行業(yè)的發(fā)展會(huì)有良好的推動(dòng)作用[10]。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄭建和， 周才友， 胡敏渝，等. 陶瓷坯件高壓注漿成型工藝[P]，中國(guó)專利： CN102528898U.

[2] 張民. 滾壓成型生產(chǎn)陶瓷瓶的方法[P]，中國(guó)專利： CN1305887. [3] 張柏清. 中國(guó)日用陶瓷機(jī)械裝備的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 山東陶瓷， 2012， 35（4）：39-40.

[4] 毛晟.陶瓷滾壓成型壓模裝置[P]. 中國(guó)專利： CN204935847U.

[5] 蘇家偉. 陶瓷滾壓成型雙頭壓模裝置[P]. 中國(guó)專利： CN205130087U.

[6] 徐立華. TGC350-K滾壓成型機(jī)設(shè)計(jì)[J]. 水利電力械，2004，03：46-48.

[7] 金蓮忠.一種陶瓷滾壓成型設(shè)備[P]. 中國(guó)專利：CN204687040U.

[8]胡偉蓉. 數(shù)控滾壓成型實(shí)驗(yàn)的開設(shè)[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索， 2001， 20（2）：90-91.

[9] 許兵. 數(shù)控伺服進(jìn)給系統(tǒng)精確定位的可靠性分析[J]. 科技促進(jìn)發(fā)展， 2010（2）：30-30.

[10] 張柏清. 中國(guó)陶瓷機(jī)械的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J]. 佛山陶瓷， 2011， 21（5）：1-3.