干挂陶板的螺旋挤压成形工艺要求及其关键生产设备
蔡祖光
摘 ?要：本文介绍了干挂陶板的主要性能、螺旋挤压成形生产技术及其工艺流程，详细论述了干挂陶板的螺旋挤压成形工艺要求及其关键生产设备——螺旋真空挤压成形机。
关键词：干挂陶板;主要性能;螺旋挤压成形;工艺流程;工艺要求;螺旋真空挤压成形
（上接2014年11月第21页）
6 ? 陶板螺旋挤压成形的关键生产设备——螺旋挤压成形机
即使建筑红砖及多孔空心砖都采用真空挤砖机塑性螺旋挤压成形，因建筑红砖及多孔空心砖属于粗陶的范畴，通常其表面粗糙凹凸不平，并伴有许多微细裂纹及扭曲变形等缺陷，作为墙体建筑材料，这些缺陷是能够容忍的（砌墙时，可采用灰缝弥补）。而陶板作为高档建筑装饰材料，不仅具有结构致密、抗冻融性好、耐酸碱、耐磨及外表平整光洁等优点，而且还应具有色彩丰富、亮丽照人及美观大方的装饰效果。事实上，陶板通常采用隧道窑或辊道窑烧结成制品，其烧成温度通常高达1200 ℃以上，显然陶板属于瓷质玻化砖的范畴，并且表面平整光洁，无变形及微细裂纹等缺陷，结构致密，物理机械强度大，吸水率低。由此可见，虽然陶板螺旋挤压成形的关键生产设备——螺旋挤压成形机与建筑红砖及多孔空心砖用真空挤砖机的外形结构及其工作原理基本相似，但其内部结构具有很大的差别。因此，早期国内很多企业为了减少设备投资，欲采用真空挤砖机生产陶板坯体，几乎都是以失败而告终的。
从理论上讲，螺旋挤压成形机按陶板坯体的挤出方位可分为立式螺旋挤压成形机和卧式螺旋挤压成形机，但因成形坯体的切割及传送等原因，目前广泛应用的螺旋挤压成形机几乎都是卧式螺旋挤压成形机。卧式螺旋挤压成形机按绞刀轴的多少通常可分为：单轴螺旋挤压成形机（搅泥绞刀和挤泥绞刀安装于同一主轴上）、双轴螺旋挤压成形机（上部一根搅泥轴、下部一根挤泥轴）和三轴螺旋挤压成形机（上部两根搅泥轴、下部一根挤泥轴）等。如图3所示，三轴螺旋挤压成形机工作时，上部两搅泥轴分别驱动左旋绞刀、右旋绞刀逆向旋转，对加入的陶瓷泥料进行充分地破碎、搅拌、揉练及混合均匀等作用，有利于获得物料分布趋于均匀且各向同性的陶板坯体，减少其挤压成形缺陷及陶板坯体后续的干燥烧结变形开裂等，并获得高质量的陶板产品。所以说，目前国内外陶板的生产过程中，广泛应用的螺旋挤压成形机几乎都是三轴螺旋挤压成形机。
6.1 ?三轴螺旋挤压成形机的结构特点
如图3所示，三轴螺旋挤压成形机主要由上下底板、支柱、真空管路系统、上部搅泥机构和下部挤泥机构等组成。采用电磁调速电机及渐开线圆柱齿轮行星传动减速器（俗称行星齿轮减速器）分别驱动搅泥绞刀和挤泥绞刀的旋转，易于实现陶瓷泥料的动态平衡，并从根本上杜绝了真空室（也叫抽气室或真空箱）的堵塞现象。同时，也有利于按照陶板规格尺寸的变化选择最适宜的搅泥绞刀轴转速和挤泥绞刀轴转速，从而优化陶板的螺旋挤压成形工艺性能，利于获得高质量的陶板坯体和最大限度地提高陶板产品的烧结成瓷合格率等。
6.2 ?三轴螺旋挤压成形机的搅泥机构
三轴螺旋挤压成形机常用的搅泥机构的结构示意图如图4所示，主要由电磁调速电机、胶带轮、三角胶带、行星齿轮减速器、联轴器、反向齿轮箱、左搅泥轴、右搅泥轴、左搅泥刀片、右搅泥刀片、左搅泥绞刀（又称左搅泥螺旋或左搅泥螺旋叶）、右搅泥绞刀（又称右搅泥螺旋或右搅泥螺旋叶）、筛板、左削泥刀片、右削泥刀片、挡泥环、调心球轴承、轴承盖及搅泥箱（包括加料斗，又称加料箱）等组成。
6.2.1三轴螺旋挤压成形机的搅泥刀片
左、右搅泥刀片是由同一个零件（搅泥刀片）构成的，只是安装的方位不同而已，由于矩形断面的搅泥刀片易于粘接陶瓷泥料，为了最大限度地减少搅泥刀片的粘泥量，通常采用锻造方式获取光滑曲线型断面的搅泥刀片毛坯，进行车削加工后，再打磨抛光搅泥刀片表面，如果采用马素体不锈钢，如：1Cr13，最后搅泥刀片需进行淬火处理，以提高其耐磨性。若采用防锈性能较好的奥氏体不锈钢，如：1Cr18Ni9，那么锻造后，让搅泥刀片毛坯放置在空气中快速冷却即可，因为奥氏体不锈钢高温冷却过程中无相变，奥氏体不锈钢也不可能通过热处理提高其硬度。三轴螺旋挤压成形机常用搅泥刀片的结构示意图如图5所示。
6.2.2左、右搅泥螺旋叶、搅泥箱及真空箱
陶板产品规格尺寸改变时，其配料配比通常需相应调整，为了便于拆装等洗机工作，左、右搅泥绞刀、搅泥箱及真空箱（也称真空室）需做成剖分式结构。搅泥箱及真空箱的剖分结合面通常采用2～3mm厚的耐油橡胶（如：丁腈橡胶）进行密封。因此，搅泥箱及真空箱的剖分结合面机械切削加工后需在其结合面上置入设计图纸规定厚度的耐油橡胶密封垫合箱后配钻连接螺栓用孔及圆锥定位销孔，装入圆锥定位销及紧固各连接螺栓后，然后再进行镗削加工内孔及端面，最后再钻削加工端面连接螺栓用孔。左、右搅泥绞刀通常采用铸造成形的方式获取毛坯，为了减少铸造用模具的数量及降低生产成本，左、右搅泥绞刀常采用轴向长度为半个螺距值的带有双键槽的剖分式构造，其结构示意图如图6、图7所示。毛坯铸造后经过消除铸孔造应力退火后，进行金属切削加工剖分面，再配对钻削连接螺钉用及螺孔并拧紧连接螺钉成一整体，然后车削加工内孔、外圆及两端面，最后插削两键槽孔并打磨抛光螺旋工作面即可。
6.2.3反向齿轮传动箱
反向齿轮传动箱采用传动比为1：1的齿轮传动，其中心距处决于左、右搅泥刀片及左、右搅泥绞刀的旋转直径，为了增强搅泥机构对陶瓷泥料的破碎、搅拌、揉练及混合均匀等作用，又不致于使左、右搅泥螺旋轴工作时产生干涉，设计计算时，通常使反向齿轮传动箱的中心距及左、右搅泥螺旋轴的中心距比左、右搅泥绞刀的旋转直径小30～60 mm左右（左、右搅泥绞刀的旋转直径较大时，取较大的值，否则，取较小的值）并圆整为齿轮模数的整数倍。同时左、右搅泥螺旋轴工作时所产生的轴向推力需由反向齿轮传动箱承受，因此反向齿轮传动箱靠近搅泥箱端通常需设置为深沟球轴承和推力球轴承的组合支承，以承受轴向力和径向力的共同作用;而反向齿轮传动箱的另一端只需设置深沟球轴承承受径向力的作用即可。同时，考虑到采用轴向长度较长的搅泥箱，有利于获得物料混合均及可塑性较好的陶瓷泥料，通常搅泥箱的轴向长度约为1000～1400 mm左右（左、右搅泥绞刀的旋转直径较大时，取较大的值，否则，取较小的值），再考虑到真空室的轴向尺寸，结果左、右搅泥轴的轴向尺寸很长，属于细长轴，若处理不当，工作时易变形，从而影响陶板的产品质量。因此，左、右搅泥轴通常需在真空室端部设置调心球轴承，并做好调心球轴承的防泥（为避免真空室内的陶瓷泥料挤入调心球轴承，采用阻尼环及油封等）工作，以弥补左、右搅泥轴设计加工制造误差。并采用合金碳素结构钢（如：40Cr钢）或优质碳素结构钢（如：45钢），粗车后调质处理，精车及铣削键槽后再磨削三处轴承位置。此外，还要做好防止搅泥箱的陶瓷泥料挤入临近搅泥箱端反向齿轮传动箱之轴承内等工作以及左、右搅泥轴的旋向不得有误，其正确旋向应是各搅泥轴由搅泥箱的外侧向中心处的旋转。
6.2.4其它
为了确保陶瓷泥料顺畅地通过筛板切割成细泥段，便于完成陶瓷泥料真空脱气处理，真空室内左、右搅泥轴上安装有左、右削泥刀片。同时，左、右搅泥上安装的左、右搅泥螺旋叶的轴向长度不小于其螺距值（即螺旋叶的轴向投影不小于其螺旋叶外缘旋转时所扫过的面积，且左、右搅泥螺旋叶的终止处与筛板之间的距离不小于80～100 mm，否则，不利于真空室的密封（即不利于提高真空室的真空度），从而影响陶瓷泥料塑性的提高。有些三轴螺旋挤压成形机的搅泥机构仅采用左、右搅泥绞刀的结构形式，如图8所示。实践生产经验表明，采用这两种结构形式搅泥机构的三轴螺旋挤压成形机，其陶板产品的最终质量基本相同，但采用左、右搅泥刀片的搅泥机构，其处理的陶瓷泥料的含水率可以更高一些。
6.3 ?三轴螺旋挤压成形机的挤泥机构
如图3所示，三轴螺旋挤压成形机的挤泥机构主要由电磁调速电机（图中未画出）、胶带轮、三角胶带（图中未画出）、行星齿轮减速器、联轴器、压泥板传动用齿轮箱、真空箱、压泥板（俗称打泥板）、挤泥螺旋叶（也称挤泥绞刀或挤泥螺旋）、最末端挤泥绞刀（也称螺旋推进器）、泥缸（也称输泥筒或机壳）、挤压筒（也称机头）和机嘴（也称机口或成形模具）等组成。
6.3.1三轴螺旋挤压成形机的压泥板
目前，三轴螺旋挤压成形机中广泛应用的压泥板部件的结构示意图如图9所示。通常单台设备需配置两套压泥板部件，对称地安装在真空箱内挤泥绞刀的上部，两套压泥板部件通常通过一对齿数相等的外齿轮传动迫使压泥板各自产生由真空室外侧向中心线的旋转运动（压泥运动），将真空箱上部搅泥机构中左、右削泥刀片切割的细泥条压入下部挤泥绞刀的螺旋槽内并挤压成形为陶板坯体。
一方面，考虑到压泥板外缘和挤泥绞刀外缘的磨损及便于压泥板的拆卸和压泥板外缘磨损的补偿等因素，压泥板通常采用剖分式结构，且径向方向具有调整及更换磨损外缘的作用，以弥补压泥板外缘和挤泥绞刀外缘的磨损，从而达到最大限度地将真空箱上部进入的细泥条压入下部挤泥绞刀的螺旋槽内，有利于陶板坯体的挤压成形及陶板坯体产量的提高。
另一方面，由于三轴螺旋挤压成形机挤压成形的陶板坯体的含水率低、机械强度大、致密度高（通常贯入度仪测定值不小于0.25 MPa）及表面光洁等，显然机嘴处的挤压成形阻力非常大，如此大的挤压成形阻力将迫使机嘴处的泥料通过挤泥绞刀和最末端挤泥绞刀与泥缸之间的间隙返回真空箱，不利于真空箱中的泥料移向机嘴方向并挤压成形为陶板坯体。正是由于压泥板的作用，能最大限度地将真空箱上部送入的细泥条压入下部挤泥绞刀的螺旋槽内，促使陶瓷泥料挤压成形为陶板坯体及提高坯体的生产量。
6.3.2挤泥绞刀和最末端挤泥绞刀
挤泥绞刀和最末端挤泥绞刀的螺旋工作面（简称绞刀工作面）通常是由一直母线沿着曲导线为圆柱螺旋线及直导线为圆柱轴线且始终平行于圆柱轴线所垂直的平面运动而形成的曲面。绞刀工作面上任一点的螺旋升角则是通过该点的圆柱螺旋线的切线与直导线（圆柱轴线）所垂直的平面之间的夹角，因此同一绞刀螺旋面上各点的螺旋升角是不相同的（虽然其螺旋导程相同，但所处的圆柱螺旋线的圆柱面半径不同），显然绞刀面与轴毂连接处的螺旋升角最大（因其所处的圆柱螺旋线的圆柱面半径最小），而绞刀面外缘处的螺旋升角最小（因其所处的圆柱螺旋线的圆柱面半径最大）。绞刀面的螺旋升角的最大值与最小值之差称为侧滑角，侧滑角迫使泥料挤满挤泥绞刀和最末端挤泥绞刀与泥缸之间的间隙，阻止泥料跟随挤泥绞刀和最末端挤泥绞刀的旋转，从而促使大部分泥料移向机嘴而挤压成形为陶板坯体。因此为了描述方便，常取绞刀面平均直径处的螺旋升角（并计为λm）作为绞刀的螺旋升角，显然，它是螺旋挤压成形机挤泥机构的一个重要参数。
三轴螺旋挤压成形机挤泥叶片的结构示意图如图10所示。挤泥轴如果采用有限长的轴向型叶片（如图10（a）所示），相当于螺旋升角λm=900，显然陶瓷泥料只有跟随挤泥轴的旋转运动，而无移向机嘴的轴向运动。如果挤泥轴采用径向型叶片（如图10（b）所示），相当于螺旋升角λm=00，那么陶瓷泥料仅受到轴向切割，也无移向机嘴的轴向运动。所以挤泥轴只有采用螺旋升角λm（00<λm <900）的螺旋型叶片即螺旋面（如图10（c）所示），陶瓷泥料才会受到螺旋面的输送、搅拌、揉练、混合均匀及挤压紧密后再挤向机嘴。由此可见，挤泥绞刀和最末端挤泥绞刀对陶瓷泥料产生输送、搅拌、揉练、混合均匀及挤压紧密等作用。
值得注意的是，为了便于设计制造及降低生产成本，挤泥绞刀通常采用结构简单、易于制造的单线螺旋。因单线螺旋具有挤泥的脉动性等缺陷，因此为了促使陶瓷泥料均匀地进入机头和机嘴，获得结构更加致密的陶板坯体，最末端挤泥绞刀通常采用双线、三线甚至四线螺旋。
6.3.3泥缸
在螺旋真空挤压成形机中，与挤泥绞刀和最末端挤泥绞刀共同组成泥料流动的通道的筒体称为泥缸。通常为剖分式圆柱形筒体或剖分式圆锥—圆柱形筒体，但圆锥—圆柱形筒体迫使陶瓷泥料的挤压更紧密一些，有利于获得致密度较高的陶板坯体，并且其内表工作面制有许多均匀分布的直槽或其他特殊形状的凹槽。泥缸的作用，第一是形成陶瓷泥料流动的通道;第二是对真空箱进行密封，确保陶瓷泥料的充分脱气;第三是有效地阻止陶瓷泥料的旋转，促使陶瓷泥料产生移向机嘴的轴向运动。
6.3.4挤压筒
螺旋真空挤压成形机的挤压筒是指从最末端挤泥绞刀的终止处至机嘴处的一段筒体，常为横截面积逐渐缩小的圆形—方形的流线型的特殊形状的筒体（见图11）。挤压筒的作用主要是减少或消除陶瓷泥料的脉动输送等缺陷，促使泥料结合得更为紧密。采用工作长度较短及过流表面光洁平整的流线型挤压筒，有利于陶瓷泥料的流动，所需挤压成形力较少，有利于陶板坯体的挤压成形;但挤压筒的工作长度也不能太短，否则，不利于有效地减弱陶板坯体挤压成形过程中产生的螺旋纹等成形缺陷，易造成坯体干燥变形较大及烧成品合格率低下等，严重影响陶板的产品质量。同样，陶瓷泥料流过工作长度较长及过流表面粗糙凹凸不平的挤压筒所产生的摩擦阻力较大，所需挤压成形力也较大，并且单位产品能量消耗高以及生产成本高。因此，为了获得一定物理机械强度及高质量的陶板坯体以及减少干燥和烧结工序的变形缺陷，要求陶板塑性螺旋挤压成形时，其挤压筒常用的工作长度常以螺旋推进器（也称双线螺旋绞刀或双线螺旋叶）的螺距的1～1.5倍为宜。
