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小規格沖模機械強度的工藝試驗與檢測分析

2014-09-02查看:

小規格沖頭的沖模（沖頭直徑≤Ф6mm）在壓片過程中沖頭頸部（沖頭工作長度段）的機械強度非常重要，此處...

1問題的提出

　　在片劑生產企業，壓片機和藥片沖模是將顆粒狀制劑直接壓制成片劑的設備。而沖模作為壓片工序的主要消耗品，用量非常大，國內年消耗量上百萬付。

在壓片過程中，由于沖頭頸部所承受的主要為軸向交變負荷和較小的徑向負荷。在同等條件下，特別是沖頭直徑≤Ф6mm的小規格沖模比大規格沖模其沖頭頸部機械強度相對較弱，更由于下沖桿沖頭頸部結構細長，易發生彎曲或斷裂現象。比如在一臺雙壓輪式壓片機上裝35付沖模，若其中有3支下沖桿沖頭頸部發生彎曲，則產生如下問題：

1)下沖桿工作長度變短，藥粉充填量增多。從而造成壓片機每旋轉一周所壓制的70片藥片中將有6片片重超差；另外，藥片硬度不夠，形成不合格酥片。

2)沖頭、沖身的同軸度增大超差。從而造成沖頭在中模孔內上下摩擦力增大，再加上粉塵的阻塞，盡而使下沖桿在轉臺沖桿孔中上下滑動不靈活（塞沖），引起壓片機整機運行不穩定，影響壓片速度與產量。

　　當沖頭發生斷裂時，將對壓片機上、下軌導之零件造成損壞，使壓片機無法正常運行。

　　影響沖頭頸部機械強度的因素很多，經分析篩選主要因素集中在硬度和頸部結構上。為尋找解決如何改善沖頭頸部的機械強度，防止發生彎曲或斷裂問題的方法，本文重點從沖桿熱處理硬度和沖頭頸部結構的設計改進兩方面入手，采用工藝試驗驗證的方法研究分析其硬度值的最佳范圍和沖頭頸部最佳結構。其工藝試驗與驗證的步驟為: 沖頭頸部結構的設計及熱處理硬度的設定--車加工--分類打編號--熱處理--硬度檢測--磨加工--尺寸檢測--壓片試驗--尺寸檢測（壓片后）--檢測分析與驗證結論匯總。

2沖桿熱處理硬度和沖頭頸部結構的工藝試驗

　　行業標準JB20022-2004《壓片機藥片沖模》和JB/T20080.1-2006《高速壓片沖模（T系列）尺寸與片形》中規定沖桿熱處理硬度55HRC～60HRC。對于沖桿選用的材料不同，沖頭直徑大小不同，熱處理硬度值控制在中上限或中下限的不同，再加上沖頭頸部結構的不同，所對應的沖頭頸部的機械強度就會有一定的差異。行業標準為推薦性標準，其中規定的硬度值范圍55HRC～60HRC是一個推薦性指標。據我們掌握的情況來講大規格的沖模硬度值控制在此范圍內，沖頭頸部機械強度還可以；但小規格的沖模硬度也控制在此范圍內，特別是中下限時，沖頭頸部機械強度就較差些，易發生彎曲現象。

　　目前，國內大多數沖模生產企業多采用中溫鹽浴爐加熱--油淬火--井式爐回火工藝進行熱處理，其熱處理工藝規程已屬成熟技術。如何掌握好其硬度最佳值范圍是關鍵。本工藝試驗驗證依沖桿選用的材料為GCr15軸承鋼,典型小規格ZP型Ф5.5淺下沖桿為例，來研究分析沖頭頸部機械強度最佳時所對應的熱處理硬度值的最佳范圍和沖頭頸部最佳結構。

2.1沖頭頸部結構的設計及熱處理硬度的設定

　　為便于以下各步工藝試驗驗證的數據統計分析，首先將沖頭頸部結構設計為四種類型，每種沖頭頸部結構的下沖桿各加工9件，共加工36件，并在沖身上打編號。同時將設定的熱處理硬度值范圍分兩個數據段與編號、數量相對應。詳見圖1～圖4和表1所示（其中圖1為常見結構，圖2～圖4為改進的結構）。

表1 沖頭頸部結構、編號、熱處理硬度與數量對應表

圖1頸部結構

圖2頸部結構

圖3頸部結構

圖4頸部結構

編號1～4

58～61HRC，4件

編號10～13

58～61HRC，4件

編號19～22

58～61HRC，4件

編號28～31

58～61HRC，4件

編號5y～9y

61～64HRC，5件

編號14y～18y

61～64HRC，5件

編號23y～27y

61～64HRC，5件

編號32y～36y

61～64HRC，5件

　　表1說明：由于我們已有當硬度值控制在中下限55～58HRC時，沖頭頸部易發生彎曲、無斷沖現象的經驗。故本次驗證就直接將硬度值設定為中上限58～61HRC和超標準(編號帶“y”的)61～64HRC兩個熱處理硬度范圍數據段進行試驗驗證。

2.2沖桿熱處理及硬度檢測

　　按照表1中設定的兩種熱處理硬度值范圍要求分別制訂相應的熱處理工藝規程進行熱處理。用洛氏硬度計分別在沖身、沖頭部位各檢測三點，并記錄硬度檢測結果見表2。

表2 沖身、沖頭硬度（HRC）實測值對照表

沖桿編號	沖身硬度	沖頭硬度	硬度差	對應沖頭頸部結構
1	58/59/58.5	57.5/57/58		見圖1
1	平均:58.5	平均:57.5	1.0
2	59/60/60	58.5/57.5/58.5
2	平均:59.67	平均:58.17	1.5
3	59.5/60.5/60	58/59/59
3	平均:60	平均:58.67	1.33
4	59.5/58.5/59	58.5/58/58
4	平均:59	平均:58.17	0.83
5y	62/63/62.5	61.5/61.5/61
5y	平均:62.5	平均:61.33	1.17
6y	62.5/63/63	62/61/61.5
6y	平均:62.83	平均:61.5	1.33
7y	62.5/61/62.5	61/62/61
7y	平均:62	平均:61.33	0.67
8y	62.5/62/62.5	61.5/61/62
8y	平均:62.33	平均:61.5	0.83
9y	63/64/63.5	62/62.5/63
9y	平均:63.33	平均:62.5	0.83
10	59/59.5/60.5	57/57.5/58		見圖2
10	平均:59.67	平均:57.5	2.17
11	59/59/60	58/58.5/58.5
11	平均:59.33	平均:58.33	1.0
12	58.5/59.5/59.5	56/57.5/57.5
12	平均:59.17	平均:57	2.17
13	58.5/59/59.5	58/58.5/58.5
13	平均:59	平均:58.17	0.83
14y	62.5/62.5/62	61/61.5/61
14y	平均:62.33	平均:61.17	1.16
15y	63/62.8/63	61.5/61.5/62
15y	平均:62.93	平均:61.67	1.26
16y	61/62.5/62.5	60/61.5/61
16y	平均:62	平均:60.83	1.17
17y	62/62/63	61/60.5/61.5
17y	平均:62.33	平均:61	1.33
18y	62.5/61.5/63	60/61.5/62.5
18y	平均:62.33	平均:61.33	1.0
19	59.5/60/59.5	58/58/57.5		見圖3
19	平均:59.67	平均:57.83	1.84
20	59.5/59.5/59.5	58/58.5/57.5
20	平均:59.5	平均:58	1.5
21	60/60/58.5	57.5/58/58.5
21	平均:59.5	平均:58	1.5
22	59.5/59/59	57/57.5/56
22	平均:59	平均:56.83	2.17
23y	62.5/62.5/62	60.5/61.5/61.5
23y	平均:62.33	平均:61.17	1.16
24y	62/62.5/62.5	61/61.5/61.5
24y	平均:62.33	平均:61.33	1.0
25y	63/63.5/64	62.5/62.5/61.5
25y	平均:63.5	平均:62.17	1.33
26y	61/61.5/60.5	59/58.5/59.5
26y	平均:61	平均:59	2.0
27y	62/61/62.5	59/61/60
27y	平均:62	平均:60	2.0
28	59.5/59.5/59	57/57.5/57.5		見圖4
28	平均:59.33	平均:57.33	2.0
29	59/59/59	57./57/58.5
29	平均:59	平均:57.67	1.33
30	59.5/59/60	59/58.5/58.5
30	平均:59.5	平均:58.67	0.83
31	59.5/60/60	58/57.5/58
31	平均:59.83	平均:57.83	2.0
32y	61/61.5/61	58.5/59.5/59
32y	平均:61.17	平均:59	2.17
33y	61.5/62/62	61/61.5/59
33y	平均:61.83	平均:60.5	1.33
34y	62/62.5/62.5	61/61.5/62
34y	平均:62.33	平均:61.5	0.83
35y	64/63.5/63	62.5/62.5/62.5
35y	平均:63.5	平均:62.5	1.0
36y	63/63.5/63	62/62.5/61.5
36y	平均:63.17	平均:62	1.17

　　從表2中可以看出,沖頭部比沖身部硬度值低,平均低1.35HRC。為什么同一根乃至同一批沖桿熱處理后會出現沖頭部硬度比沖身部硬度低的現象呢？經分析研究，其原因是由于沖頭直徑比沖身直徑小，當沖桿在鹽浴爐中加熱到可以出爐時，從出爐至進入油池淬火前的時間段沖頭部位比沖身部位溫度降得快，在進入油的一剎那溫度稍低，從而形成沖頭硬度比沖身硬度稍低的現象。

2.3磨加工與尺寸檢測

　　按照沖模圖紙及改進的沖頭頸部結構（見圖1～圖4）進行磨削精加工，并將實測的沖頭對沖身的同軸度、下沖桿總長公差值記錄在表4中。

2.4壓片試驗與壓片后尺寸變化檢測

2.4.1壓片試驗設備: 聊城萬合工業制造有限公司生產的ZP35D旋轉式壓片機。

2.4.2壓片所用沖模:上述已編號的下沖桿35支,并配齊上沖桿、中模各35支。

2.4.3壓片狀態: 模擬片劑生產企業的實際生產狀態。

2.4.4為保證試驗具有一定的規律性，不形成偏壓。將編號1～35的下沖桿（剩余36y號備用）按兩種硬度間隔裝在轉臺沖桿孔1～35編號孔內。見表3。

表3 轉臺孔編號與下沖桿編號對照表

轉臺孔編號	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
下沖桿編號	1	5y	2	6y	3	7y	4	8y	9y	10	14 y	11
轉臺孔編號	13	14	15	16	17	18	19	20	21	22	23	24
下沖桿編號	15 y	12	16 y	13	17 y	18 y	19	23 y	20	24 y	21	25 y
轉臺孔編號	25	26	27	28	29	30	31	32	33	34	35
下沖桿編號	22	26 y	27 y	28	32 y	29	33 y	30	34 y	31	35 y

2.4.5壓片試驗分3次進行，試驗壓片力逐次增大。第一次轉速30轉/分，時間45分鐘；第二次轉速28轉/分，時間45分鐘；；第三次轉速20轉/分，時間45分鐘。檢測并記錄每次壓片后的尺寸變化值。壓片后尺寸變化檢測值見表4。

表4 下沖桿同軸度、總長變化實測值對照表單位:mm

項目編號	同軸度（Ф0.02）				總長公差（0～0.05）
項目編號	試壓前	試壓后①	試壓后②	試壓后③	試壓前	試壓后①	試壓后②	試壓后③
1	0.01	0.01	0.01	*0.03*	0.05	0.05	0.05	*0.025*
2	0.01	0.01	0.01	*0.015*	0.05	0.05	0.05	*0.0*
3	0.005555	0.005	0.005	*0.04*	0.05	0.05	0.05	*-0.015*
4	0.01	0.01	*0.02*	*0.03*	0.05	0.05	0.05	*-0.01*
5y	0.005	0.005	0.005	*0.015*	0.05	0.05	0.05	*0.01*
6y	0.005	0.005	*0.01*	*0.015*	0.05	0.05	0.05	*0.015*
7y	0.005	0.005	0.005	*0.015*	0.05	0.05	*0.045*	*0.0*
8y	0.01	0.01	0.01	*0.015*	0.055	0.055	*0.05*	*0.0*
9y	0.005	0.005	0.005	*0.02*	0.05	0.05	*0.04*	*0.0*
10	0.005	0.005	0.005	*0.015*	0.05	0.05	*0.04*	*0.025*
11	0.005	0.005	*0.02*	*0.04*	0.05	0.05	*0.04*	*0.02*
12	0.005	*0.02*	*0.035*	*0.035*	0.05	0.05	*0.04*	*0.03*
13	0.005	*0.01*	*0.01*	*0.02* *002*	0.045	0.045	*0.03*	*0.03*
14y	0.005	0.005	0.005	0.005	0.05	0.05	0.05	0.05
15y	0.01	0.01	0.01	0.01	0.045	0.045	0.045	0.045
16y	0.01	0.01	0.01	*0.015*	0.04	0.04	0.04	*0.035*
17y	0.015	0.015	0.015	0.015	0.05	0.05	0.05	0.05
18y	0.005	0.005	0.005	0.005	0.045	0.045	0.045	0.0458
19	0.005	*0.01*	*0.01*	*0.02*	0.04	*0.03*	*0.03*	*0.0*
20	0.005	0.005	*0.01*	*0.02*	0.02	*0.01*	*-0.015*	*-0.025*
21	0.012	*0.015*	*0.015*	*0.04*	0.05	*0.035*	*0.035*	*0.005*
22	0.005	*0.01*	*0.015*	*0.02*	0.04	*0.02*	*0.02*	*0.0*
23y	0.005	0.005	0.005	*0.01*	0.05	0.05	*0.045*	*0.0*
24y	0.01	*0.02*	*0.02*	*0.02*	0.035	*0.015*	*0.02*	*-0.02*
25y	0.01	*0.015*	*0.02*	*0.05*	0.05	*0.03*	*0.04*	*0.01*
26y	0.01	*0.03*	*0.04*	*0.02*	0.05	*0.02*	*0.02*	*-0.01*
27y	0.01	0.01	0.01	0.01	0.03	*0.015*	*0.02*	*-0.005*
28	0.012	*0.025*	*0.03*	*0.03*	0.05	*0.03*	*0.035*	*-0.01*
29	0.01	0.01	*0.012*	*0.03*	0.045	0.045	*0.01*	*0.0*
30	0.01	0.01	*0.015*	*0.02*	0.04	0.04	*0.035*	*0.01*
31	0.012	0.012	*0.025*	*0.04*	0.05	0.05	*0.03*	*0.01*
32y	0.015	0.015	0.015	*0.03*	0.04	0.04	0.04	*0.02*
33y	0.01	0.01	0.01	*0.02*	0.035	*0.03*	*0.03*	*0.03*
34y	0.005	0.005	*0.05*	斷裂	0.045	0.045	*0.01*	斷裂
35y	0.008	*0.01*	*0.06*	斷裂	0.03	*0.02*	*0.01*	斷裂
36y	0.01	未用			0.04	未用

說明:表4中的數字為粗斜體,且下面帶“--”者為壓片試驗后尺寸有變化,表示下沖桿已發生彎曲變形。

3檢測分析與檢測結果匯總

3.1沖桿熱處理硬度值最佳范圍的確定

3.1.1從表2《沖身、沖頭硬度（HRC）實測值對照表》中可以計算分析出，沖頭部硬度比沖身部硬度值平均低1.35HRC。

3.1.2從表4《下沖桿同軸度、總長變化實測值對照表》中可以分析出，大部分編號的下沖桿都已發生不同程度的彎曲現象（同軸度放大、總長變短）。其中第34y號、35y號下沖桿發生斷裂現象。只有5支編號為14y、15y、16y、17y、18y的下沖桿同軸度、總長尺寸基本沒有發生變化，即基本沒有發生彎曲變形。這5支下沖桿所對應的平均硬度值為：沖身（62.33+62.93+62+62.33+62.33）÷5=62.38HRC；沖頭（61.17+61.67+60.

83+61+61.33）÷5=61.2HRC。

3.1.3將以上沖身、沖頭平均硬度值進行修正處理后，沖桿熱處理硬度值最佳范圍：沖身60～64HRC；沖頭59～63HRC。

3.2沖頭頸部最佳結構的確定

　　從圖1～圖4、表2和表4中同樣可以分析出，只有編號為14y、15y、16y、17y、18y的5支下沖桿基本沒有發生彎曲變形，其所對應的沖頭頸部結構為圖2所示結構，此結構為最佳結構。其余3種結構都有不同程度的彎曲變形或斷裂現象。

4結語

　　通過以上工藝試驗與檢測分析，找出了影響小規格沖模機械強度的主要因素，檢測分析后得出了沖桿熱處理硬度值的最佳范圍和沖頭頸部的最佳結構。這無論是對模具生產企業還是模具使用單位，都具有良好的指導意義。聊城萬合工業制造有限公司從事片劑制藥設備和模具的設計與生產已有四十多年的歷史。自2006年驗證結束至今，按上述驗證的硬度最佳值范圍和沖頭頸部的最佳結構所生產的小規格沖模經用戶使用，沖頭頸部未發生過彎曲變形和斷裂現象，效果顯著。

[參考文獻]

[1] 中華人民共和國制藥機械行業標準《壓片機藥片沖模》，JB20022-2004

作者簡介：龐玉申（1964-），男，山東聊城人，工程師，研究方向：制藥設備和藥片模具的設計與工藝。

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