程曉勤黃志誠(chéng)吳南星

(1.佛山市華夏建筑陶瓷研發(fā)中心，廣東佛山528061；2景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院,江西景德鎮(zhèn)333000)

0 引言

注漿成形是目前衛(wèi)生陶瓷和異形日用陶瓷制品最重要的生產(chǎn)工藝。傳統(tǒng)的注漿成形工藝方法是把泥漿注入通常的型石膏制成的模內(nèi)，幾乎是在沒有外力的作用下，由石膏模吸取泥漿水分從而形成一定厚度的坯件，整個(gè)操作一般由“合?！{→漏漿→啟?！撃！∨鳌Ｐ透稍铩夏！钡冗^程，依次循環(huán)進(jìn)行。這種“自然”狀態(tài)下的“過濾式”注漿成形過程進(jìn)行緩慢，時(shí)間長(zhǎng)達(dá)1～3小時(shí)，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)效率的提高。

隨著人們對(duì)陶瓷產(chǎn)品的要求越來越高，傳統(tǒng)工藝已越來越不適應(yīng)這種要求了。在這種狀況之下，高壓注漿進(jìn)入了人們的視野。高壓注漿成形是通過對(duì)泥漿施加較高的壓力，強(qiáng)迫其中的水分在較短時(shí)間內(nèi)向模型擴(kuò)散滲透，貫穿并排出模型之外，排凈剩余泥漿，形成所需要的具有一定強(qiáng)度和厚度的坯件。高壓注漿成形工藝操作通常包括：合?！{→吃漿→漏、空漿→鞏固→開?！∨鳌迥！夏５?，組成一個(gè)循環(huán)過程。

模板是高壓注漿機(jī)的主要受力部件之一，其強(qiáng)度和剛度直接影響到成形的質(zhì)量和效果。

1 日用陶瓷高壓注漿機(jī)模板的設(shè)計(jì)

1.1 主要技術(shù)參數(shù)

本文要設(shè)計(jì)的模板適用對(duì)象是臥式和立式的高壓注漿機(jī)，注漿壓力為4MPa,最大鎖模力不超過800KN，主要成型的對(duì)象是16英寸的魚盤。

1.2 模板的設(shè)計(jì)

模板是作固定模具和運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向的定位基準(zhǔn)之用，因此，模板結(jié)構(gòu)和加工精度及其剛度都直接影響到機(jī)器的使用性能。模板還是合模裝置的重要組成部分,其質(zhì)量的好壞直接影響到合模裝置能否正常工作。模板的材料選用45鋼。

模板的計(jì)算包括上模板和下模板的計(jì)算，在初取模板厚度后，需要進(jìn)行校核。

1.2.1 魚盤制品的尺寸

由已知注漿產(chǎn)品為16英寸的魚盤，可以確定橢圓魚盤的長(zhǎng)軸2A＝16inch＝406mm，短軸2B=10inch＝254 mm，考慮到魚盤制品經(jīng)干燥和燒成后尺寸會(huì)縮小，所以高壓注漿成形制品的尺寸應(yīng)該要比成品的大，根據(jù)文獻(xiàn)，盤類制品口徑收縮率約為11～13%，且魚盤燒成后收縮會(huì)使長(zhǎng)軸兩端上翹，短軸兩端下垂。故魚盤制品的長(zhǎng)軸為406/（1-11%）mm=456mm，短軸為254/（1-13%）mm=292mm。

1.2.2 模板的設(shè)計(jì)

圖1 前模板零件圖Fig.1 Component drawing of the front plate

圖2 后模板零件圖Fig.2 Component drawing of the back plate

圖3 前模板的三維模型Fig.33D model of the front plate

圖4 后模板的三維模型Fig.43D model of the back plate

高壓注漿機(jī)的模板有兩塊，對(duì)立式而言稱之為上模板和下模板，對(duì)臥式而言稱為前模板和后模板，兩塊模板的長(zhǎng)和寬尺寸相同，只是厚度不同。根據(jù)模型設(shè)計(jì)原則，模架尺寸大約比模仁大1.5到2倍，由此可得模板的長(zhǎng)為456×1.5＝684mm，寬為292× 1.5＝438mm，為了使模板長(zhǎng)寬比不至于太大，設(shè)計(jì)的時(shí)候取模板的長(zhǎng)為680mm，寬為500mm。

模板的厚度可按彎曲來計(jì)算。上模板與液壓缸活塞桿相連接，模板在軌道上滑動(dòng)，在升壓合緊時(shí)將承受全部鎖緊力的作用。在計(jì)算上模板時(shí)，一般將它簡(jiǎn)化成兩點(diǎn)自由支撐的梁，由上模板受力分析可知：其與活塞桿接觸截面處的最大彎矩為：

其中，式中Mbmax為模板截面的最大彎距（N·m）；F為鎖模力（N）；L為活塞桿與模板接觸處的中心距；B為模板的長(zhǎng)度（m）。

取最大鎖模力800KN計(jì)算，則最大彎距為：

則由強(qiáng)度條件可得：

取前模板厚度為35mm時(shí)，同理可得下模板厚度為30mm。

由于注漿壓力大，模板尺寸也較大，所以模板采用筋板式，這樣可以增加模板的強(qiáng)度和剛度。設(shè)計(jì)完畢后的模板零件圖如圖1和圖2所示。

2 模板的有限元分析

2.1 高壓注漿機(jī)模板的技術(shù)條件

圖5 前模板的網(wǎng)格模型Fig.5 Mesh model of the front plate

圖6 后模板的網(wǎng)格模型Fig.6 Mesh model of the back plate

圖7 前模板應(yīng)力云圖Fig.7 Stress nephogram of the front plate

圖8 后模板應(yīng)力云圖Fig.8 Stress nephogram of the back plate

模板材料采用45鋼，其特性系數(shù)及力學(xué)性能如下：質(zhì)量密度：7800kg/m3；彈性模量：2e+11Pa；泊松比：0.32；屈服極限：355MPa；強(qiáng)度極限：600MPa。最大工作壓力為800kN。

2.2 建模分析

（1）模型的建立

本文通過CAD軟件Pro/Engineer分別建立框架和模板的三維模型，然后通過ANSYS的數(shù)據(jù)訪問模塊（DDA）將其導(dǎo)入到ANSYS程序中進(jìn)行分析。得到的三維模型如圖3和圖4所示。

（2）網(wǎng)格的劃分

網(wǎng)格劃分時(shí)，選取Solid92單元對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并采用自由網(wǎng)格劃分的方法，網(wǎng)格的尺寸用SmartSizing命令來控制，它能在自動(dòng)網(wǎng)格生成中生成合理的單元形狀，并對(duì)可能產(chǎn)生應(yīng)力集中的幾何形狀突變處細(xì)劃網(wǎng)格。圖5和圖6為它們的有限元網(wǎng)格劃分模型。

（3）加載

注漿時(shí)最大壓力為800KN，對(duì)前后模板都是施加在正面上。

（4）約束處理

約束處理的恰當(dāng)與否直接影響計(jì)算結(jié)果，要盡可能接近實(shí)際。對(duì)前后模板而言，均是完全約束背面正中的凹面。

（5）求解

施加約束和載荷后就可以進(jìn)行求解，因直接求解法（the Frontal Solver）可獲得非常精確的解，故選用的求解算法為直接求解法。

2.3 結(jié)果分析

(1)應(yīng)力分布情況

框架和前、后模板的應(yīng)力分布云圖如圖7、圖8所示，應(yīng)力的單位為MPa。

(2)結(jié)果分析

從圖7和圖8可以看出，前、后模板的最大應(yīng)力均位于筋板根部，其值分別為14.7MPa和10.2MPa。

3 結(jié)論

根據(jù)以上分析結(jié)果，可得如下結(jié)論：

（1）前、后模板最大變形發(fā)生在其邊緣，其值分別為0.568μm和0.478μm，均滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）前、后模板的最大應(yīng)力均位于筋板根部，其值分別為14.7MPa和10.2MPa，它們都小于材料的屈服極限355MPa，根據(jù)第四強(qiáng)度理論，滿足強(qiáng)度要求。

（3）模板的變形和應(yīng)力都比較小，這是因?yàn)楦邏鹤{機(jī)注漿時(shí)有很高的密封性的要求，要求主要受力構(gòu)件要有很好的剛性，從分析結(jié)果來看，設(shè)計(jì)能夠滿足工作要求。

1范社嶺.陶瓷干燥、燒成收縮與總收縮的關(guān)系.佛山陶瓷,2001,06

2劉康時(shí).陶瓷工藝原理.廣州:華南理工大學(xué)出版社,1990

3張勇，彭悅.高壓注漿成形工藝步驟及參數(shù)確定原則的探討.中國(guó)陶瓷,2000,4