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小規(guī)格沖模機(jī)械強(qiáng)度的工藝試驗(yàn)與檢測分析
2014-09-02查看:
小規(guī)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(jī)械強(qiáng)度非常重要，此處...
1問題的提出
在片劑生產(chǎn)企業(yè)，壓片機(jī)和藥片沖模是將顆粒狀制劑直接壓制成片劑的設(shè)備。而沖模作為壓片工序的主要消耗品，用量非常大，國內(nèi)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(fù)荷和較小的徑向負(fù)荷。在同等條件下，特別是沖頭直徑≤Ф6mm的小規(guī)格沖模比大規(guī)格沖模其沖頭頸部機(jī)械強(qiáng)度相對較弱，更由于下沖桿沖頭頸部結(jié)構(gòu)細(xì)長，易發(fā)生彎曲或斷裂現(xiàn)象。比如在一臺雙壓輪式壓片機(jī)上裝35付沖模，若其中有3支下沖桿沖頭頸部發(fā)生彎曲，則產(chǎn)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(jī)每旋轉(zhuǎn)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(nèi)上下摩擦力增大，再加上粉塵的阻塞，盡而使下沖桿在轉(zhuǎn)臺沖桿孔中上下滑動不靈活（塞沖），引起壓片機(jī)整機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定，影響壓片速度與產(chǎn)量。
當(dāng)沖頭發(fā)生斷裂時(shí)，將對壓片機(jī)上、下軌導(dǎo)之零件造成損壞，使壓片機(jī)無法正常運(yùn)行。
影響沖頭頸部機(jī)械強(qiáng)度的因素很多，經(jīng)分析篩選主要因素集中在硬度和頸部結(jié)構(gòu)上。為尋找解決如何改善沖頭頸部的機(jī)械強(qiáng)度，防止發(fā)生彎曲或斷裂問題的方法，本文重點(diǎn)從沖桿熱處理硬度和沖頭頸部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)改進(jìn)兩方面入手，采用工藝試驗(yàn)驗(yàn)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(jié)構(gòu)。其工藝試驗(yàn)與驗(yàn)證的步驟為: 沖頭頸部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及熱處理硬度的設(shè)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(yàn)--尺寸檢測（壓片后）--檢測分析與驗(yàn)證結(jié)論匯總。
2沖桿熱處理硬度和沖頭頸部結(jié)構(gòu)的工藝試驗(yàn)
行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB20022-2004《壓片機(jī)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(guī)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(jié)構(gòu)的不同，所對應(yīng)的沖頭頸部的機(jī)械強(qiáng)度就會有一定的差異。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為推薦性標(biāo)準(zhǔn)，其中規(guī)定的硬度值范圍55HRC～60HRC是一個(gè)推薦性指標(biāo)。據(jù)我們掌握的情況來講大規(guī)格的沖模硬度值控制在此范圍內(nèi)，沖頭頸部機(jī)械強(qiáng)度還可以；但小規(guī)格的沖模硬度也控制在此范圍內(nèi)，特別是中下限時(shí)，沖頭頸部機(jī)械強(qiáng)度就較差些，易發(fā)生彎曲現(xiàn)象。
目前，國內(nèi)大多數(shù)沖模生產(chǎn)企業(yè)多采用中溫鹽浴爐加熱--油淬火--井式爐回火工藝進(jìn)行熱處理，其熱處理工藝規(guī)程已屬成熟技術(shù)。如何掌握好其硬度最佳值范圍是關(guān)鍵。本工藝試驗(yàn)驗(yàn)證依沖桿選用的材料為GCr15軸承鋼,典型小規(guī)格ZP型Ф5.5淺下沖桿為例，來研究分析沖頭頸部機(jī)械強(qiáng)度最佳時(shí)所對應(yīng)的熱處理硬度值的最佳范圍和沖頭頸部最佳結(jié)構(gòu)。
2.1沖頭頸部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及熱處理硬度的設(shè)定
為便于以下各步工藝試驗(yàn)驗(yàn)證的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，首先將沖頭頸部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為四種類型，每種沖頭頸部結(jié)構(gòu)的下沖桿各加工9件，共加工36件，并在沖身上打編號。同時(shí)將設(shè)定的熱處理硬度值范圍分兩個(gè)數(shù)據(jù)段與編號、數(shù)量相對應(yīng)。詳見圖1～圖4和表1所示（其中圖1為常見結(jié)構(gòu)，圖2～圖4為改進(jìn)的結(jié)構(gòu)）。
表1 沖頭頸部結(jié)構(gòu)、編號、熱處理硬度與數(shù)量對應(yīng)表
|
圖1頸部結(jié)構(gòu) |
圖2頸部結(jié)構(gòu) |
圖3頸部結(jié)構(gòu) |
圖4頸部結(jié)構(gòu) |
|
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(dāng)硬度值控制在中下限55～58HRC時(shí)，沖頭頸部易發(fā)生彎曲、無斷沖現(xiàn)象的經(jīng)驗(yàn)。故本次驗(yàn)證就直接將硬度值設(shè)定為中上限58～61HRC和超標(biāo)準(zhǔn)(編號帶“y”的)61～64HRC兩個(gè)熱處理硬度范圍數(shù)據(jù)段進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。
2.2沖桿熱處理及硬度檢測
按照表1中設(shè)定的兩種熱處理硬度值范圍要求分別制訂相應(yīng)的熱處理工藝規(guī)程進(jìn)行熱處理。用洛氏硬度計(jì)分別在沖身、沖頭部位各檢測三點(diǎn)，并記錄硬度檢測結(jié)果見表2。
表2 沖身、沖頭硬度（HRC）實(shí)測值對照表
|
沖桿編號 |
沖身硬度 |
沖頭硬度 |
硬度差 |
對應(yīng)沖頭 頸部結(jié)構(gòu) |
|
1 |
58/59/58.5 |
57.5/57/58 |
|
見圖1 |
|
平均:58.5 |
平均:57.5 |
1.0 |
||
|
2 |
59/60/60 |
58.5/57.5/58.5 |
|
|
|
平均:59.67 |
平均:58.17 |
1.5 |
||
|
3
|
59.5/60.5/60 |
58/59/59 |
|
|
|
平均:60 |
平均:58.67 |
1.33 |
||
|
4 |
59.5/58.5/59 |
58.5/58/58 |
|
|
|
平均:59 |
平均:58.17 |
0.83 |
||
|
5y |
62/63/62.5 |
61.5/61.5/61 |
|
|
|
平均:62.5 |
平均:61.33 |
1.17 |
||
|
6y |
62.5/63/63 |
62/61/61.5 |
|
|
|
平均:62.83 |
平均:61.5 |
1.33 |
||
|
7y |
62.5/61/62.5 |
61/62/61 |
|
|
|
平均:62 |
平均:61.33 |
0.67 |
||
|
8y |
62.5/62/62.5 |
61.5/61/62 |
|
|
|
平均:62.33 |
平均:61.5 |
0.83 |
||
|
9y |
63/64/63.5 |
62/62.5/63 |
|
|
|
平均:63.33 |
平均:62.5 |
0.83 |
||
|
10 |
59/59.5/60.5 |
57/57.5/58 |
|
見圖2
|
|
平均:59.67 |
平均:57.5 |
2.17 |
||
|
11 |
59/59/60 |
58/58.5/58.5 |
|
|
|
平均:59.33 |
平均:58.33 |
1.0 |
||
|
12 |
58.5/59.5/59.5 |
56/57.5/57.5 |
|
|
|
平均:59.17 |
平均:57 |
2.17 |
||
|
13 |
58.5/59/59.5 |
58/58.5/58.5 |
|
|
|
平均:59 |
平均:58.17 |
0.83 |
||
|
14y |
62.5/62.5/62 |
61/61.5/61 |
|
|
|
平均:62.33 |
平均:61.17 |
1.16 |
||
|
15y |
63/62.8/63 |
61.5/61.5/62 |
|
|
|
平均:62.93 |
平均:61.67 |
1.26 |
||
|
16y |
61/62.5/62.5 |
60/61.5/61 |
|
|
|
平均:62 |
平均:60.83 |
1.17 |
||
|
17y |
62/62/63 |
61/60.5/61.5 |
|
|
|
平均:62.33 |
平均:61 |
1.33 |
||
|
18y |
62.5/61.5/63 |
60/61.5/62.5 |
|
|
|
平均:62.33 |
平均:61.33 |
1.0 |
||
|
19 |
59.5/60/59.5 |
58/58/57.5 |
|
見圖3
|
|
平均:59.67 |
平均:57.83 |
1.84 |
||
|
20 |
59.5/59.5/59.5 |
58/58.5/57.5 |
|
|
|
平均:59.5 |
平均:58 |
1.5 |
||
|
21 |
60/60/58.5 |
57.5/58/58.5 |
|
|
|
平均:59.5 |
平均:58 |
1.5 |
||
|
22 |
59.5/59/59 |
57/57.5/56 |
|
|
|
平均:59 |
平均:56.83 |
2.17 |
||
|
23y |
62.5/62.5/62 |
60.5/61.5/61.5 |
|
|
|
平均:62.33 |
平均:61.17 |
1.16 |
||
|
24y |
62/62.5/62.5 |
61/61.5/61.5 |
|
|
|
平均:62.33 |
平均:61.33 |
1.0 |
||
|
25y |
63/63.5/64 |
62.5/62.5/61.5 |
|
|
|
平均:63.5 |
平均:62.17 |
1.33 |
||
|
26y |
61/61.5/60.5 |
59/58.5/59.5 |
|
|
|
平均:61 |
平均:59 |
2.0 |
||
|
27y |
62/61/62.5 |
59/61/60 |
|
|
|
平均:62 |
平均:60 |
2.0 |
||
|
28 |
59.5/59.5/59 |
57/57.5/57.5 |
|
見圖4 |
|
平均:59.33 |
平均:57.33 |
2.0 |
||
|
29 |
59/59/59 |
57./57/58.5 |
|
|
|
平均:59 |
平均:57.67 |
1.33 |
||
|
30 |
59.5/59/60 |
59/58.5/58.5 |
|
|
|
平均:59.5 |
平均:58.67 |
0.83 |
||
|
31 |
59.5/60/60 |
58/57.5/58 |
|
|
|
平均:59.83 |
平均:57.83 |
2.0 |
||
|
32y |
61/61.5/61 |
58.5/59.5/59 |
|
|
|
平均:61.17 |
平均:59 |
2.17 |
||
|
33y |
61.5/62/62 |
61/61.5/59 |
|
|
|
平均:61.83 |
平均:60.5 |
1.33 |
||
|
34y |
62/62.5/62.5 |
61/61.5/62 |
|
|
|
平均:62.33 |
平均:61.5 |
0.83 |
||
|
35y |
64/63.5/63 |
62.5/62.5/62.5 |
|
|
|
平均:63.5 |
平均:62.5 |
1.0 |
||
|
36y |
63/63.5/63 |
62/62.5/61.5 |
|
|
|
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(xiàn)沖頭部硬度比沖身部硬度低的現(xiàn)象呢？經(jīng)分析研究，其原因是由于沖頭直徑比沖身直徑小，當(dāng)沖桿在鹽浴爐中加熱到可以出爐時(shí)，從出爐至進(jìn)入油池淬火前的時(shí)間段沖頭部位比沖身部位溫度降得快，在進(jìn)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(xiàn)象。
2.3磨加工與尺寸檢測
按照沖模圖紙及改進(jìn)的沖頭頸部結(jié)構(gòu)（見圖1～圖4）進(jìn)行磨削精加工，并將實(shí)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(yàn)與壓片后尺寸變化檢測
2.4.1壓片試驗(yàn)設(shè)備: 聊城萬合工業(yè)制造有限公司生產(chǎn)的ZP35D旋轉(zhuǎn)式壓片機(jī)。
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(tài): 模擬片劑生產(chǎn)企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)狀態(tài)。
2.4.4為保證試驗(yàn)具有一定的規(guī)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(zhuǎn)臺沖桿孔1～35編號孔內(nèi)。見表3。
表3 轉(zhuǎn)臺孔編號與下沖桿編號對照表
|
轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yàn)分3次進(jìn)行，試驗(yàn)壓片力逐次增大。第一次轉(zhuǎn)速30轉(zhuǎn)/分，時(shí)間45分鐘；第二次轉(zhuǎn)速28轉(zhuǎn)/分，時(shí)間45分鐘；；第三次轉(zhuǎn)速20轉(zhuǎn)/分，時(shí)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(shí)測值對照表 單位:mm
|
項(xiàng)目
編號 |
同軸度（Ф0.02） |
總長公差（0～0.05） |
||||||
|
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(shù)字為粗斜體,且下面帶“--”者為壓片試驗(yàn)后尺寸有變化,表示下沖桿已發(fā)生彎曲變形。
3檢測分析與檢測結(jié)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(shí)測值對照表》中可以計(jì)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(shí)測值對照表》中可以分析出，大部分編號的下沖桿都已發(fā)生不同程度的彎曲現(xiàn)象（同軸度放大、總長變短）。其中第34y號、35y號下沖桿發(fā)生斷裂現(xiàn)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(fā)生變化，即基本沒有發(fā)生彎曲變形。這5支下沖桿所對應(yīng)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(jìn)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(jié)構(gòu)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(fā)生彎曲變形，其所對應(yīng)的沖頭頸部結(jié)構(gòu)為圖2所示結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)為最佳結(jié)構(gòu)。其余3種結(jié)構(gòu)都有不同程度的彎曲變形或斷裂現(xiàn)象。
4結(jié)語
通過以上工藝試驗(yàn)與檢測分析，找出了影響小規(guī)格沖模機(jī)械強(qiáng)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(jié)構(gòu)。這無論是對模具生產(chǎn)企業(yè)還是模具使用單位，都具有良好的指導(dǎo)意義。聊城萬合工業(yè)制造有限公司從事片劑制藥設(shè)備和模具的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)已有四十多年的歷史。自2006年驗(yàn)證結(jié)束至今，按上述驗(yàn)證的硬度最佳值范圍和沖頭頸部的最佳結(jié)構(gòu)所生產(chǎn)的小規(guī)格沖模經(jīng)用戶使用，沖頭頸部未發(fā)生過彎曲變形和斷裂現(xiàn)象，效果顯著。
[參考文獻(xiàn)]
[1] 中華人民共和國制藥機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《壓片機(jī)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(shè)備和藥片模具的設(shè)計(jì)與工藝。
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