机压耐火砖模具设计研究

摘要：从技术、经济效益、结构参数等方面，介绍机压耐火砖模具的设计思路及方法，探讨压砖机的选择原则及加压方式，分析出砖器顶头、锤头和模板的设计方法，为提高耐火砖模具的品质及降低投入成本提供参考数据。

关键词：模具设计；机压耐火砖；压砖机；加压方式；模板

中图分类号：TH161 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）07-0042-03

随着我国冶金工业的迅猛发展，耐火砖的需求量越来越大，要求也越来越高。在耐火砖生产中，若采用半干法机压成型，模具设计是重要一环，关系到质量、成本、生产效率、劳动条件和安全等诸多方面。

1 机压耐火砖模具设计

1.1 技术分析

耐火砖的复杂程度（形状和尺寸要求）、批量（包括长期的需求情况）等是模具设计的原始资料之一，也是设计时选择模具材质、确定压制方向、选用受压方式的重要依据。

若砖形复杂，不宜采用机压成型方式，因为不仅脱模困难，而且增加过量的模具附件，提高了生产成本。这种情况应采取手工、浇注、离心等成型方式。

若批量大，模具费用分摊在每件产品上的成本相应增加。如批量过小，采用机压也是不适宜的（特殊需要除外）。最少批量应根据具体情况经多方综合分析后确定。设计模具时必须考虑模具的互换性、耐磨性、切削加工性及热处理、装配、修复、操作等因素。总之，在设计模具前，对砖型进行经济因素综合分析是必不可少的，它关系到生产厂家的经济效益、生产效率等。

用户提出的砖型和尺寸要求，压机工艺大多数能够适应，但也有需要对局部稍加修改的情况。有些需要进行较大改动，但不影响使用。在这种情况下，必须和用户取得联系，征求其同意后修改原合同，确定适于压制的砖型图。

根据经验，需要修改砖坯形状和尺寸的情况主要有：利于模具加工、装配、更换、返修、压制、填料、脱模；节约材料；消除、减少模具和砖坯的局部内应力，增强其强度和密度的均匀性，减少烧成后变形，提高产品合格率。需要修改砖坯形状和尺寸的内容主要有：增大空心砖壁厚；改尖角为平直面；避免局部薄壁；增加小圆弧；改尖角棱和凹角槽为过渡圆弧；增加台阶砖台阶厚度；改圆弧面为平直面；改变锥度或斜度的方向。

1.2 耐火砖有关计算

耐火砖的计算主要包括单质量和中心的计算。

坯料的质量等于砖坯体积和密度的乘积：G=Vρ。式中：G为坯料的重量；V为砖坯体积；ρ为砖坯的密度。

在设计模具时，必须保证砖坯中心与模具中心、受压中心以及压机的中心一致，否则会产生额外弯矩，使压机活动滑块承受扭矩，对导轨滑道产生划伤；严重时可能使锤头和上下板变形，导致砖坯不合格以及整套模具报废、压机机体损伤。对称几何形状截面的压力中心为几何中心；非对称几何形状截面的压力中心为截面中心，其计算方法参阅相关资料。

2 压砖机的选择

压砖机有液压压砖机和机械压砖机两大类，选用时需考虑以下因素：1） 所需压力除参考相关规定外，主要依靠决策者的生产实践经验。2） 选用液压压砖机时，必须使压机额定压力大于砖坯成型所需压力。一般来说，压力为压机额定压力的60%～80%。使用压力过低，则未充分利用设备造成浪费；使用压力过大，有可能减少压力机的使用寿命。选用机械压力机时，要结合一些综合因素考虑其实际压力。3） 工作台平面尺寸、压机行程，要方便模具安装、拆卸及操作。4） 生产效率。总体来说，机械压力机比液压压砖机的生产效率低。在两种压机都能压制的情况下，采用那种方式要看砖坯数量和其他指标。批量大的循环订单宜采用液压机，其压制生产效率高，砖坯质量也比较稳定。数量少的砖型宜选用机械压力机，以降低成本。

3 加压方式确定

加压形式是指外力（压机打砖时所产生的压力）对砖坯施加压力的形式，可分为单面加压式、局部弹簧浮动式、整体弹簧浮动式、复合弹簧浮动式、局部解体式、悬挂式、多功能可调式等。

选择加压方式时，主要根据客户要求的产品质量、指标（主要是物理指标），结合单位现有的生产能力（材料、机械加工、设备等）综合分析确定。生产厚度在50 mm以内的普型砖，采用单面加压方式就能满足砖坯强度、体密等要求。尺寸较长或较高的砖（漏斗砖、多孔中心砖等），不宜采用弹簧浮动式。其主要原因是：此种方式压制的砖坯中间部位的强度和密度低于上部和下部，在中心砖中间布满侧孔的情况下，成型后外力消除，弹簧复位给模具的反力易使侧孔交接处产生裂纹或从中间断裂。

加压方式确定后，结构零件材料的选择尤为重要。压机成型时的压力在10 MPa以上，且成型时每分钟冲击振动次数达几十次。所以材料必须满足相应的强度要求。

A、15#、20#、25#钢在普通生产条件下均能焊接，没有工艺限制，对焊接前后热处理及焊接规范无特殊要求，且焊接变形容易矫直，厚度大于20 mm的结构刚度大。

4 出砖器顶头设计

以机械压砖机出砖器为例，讨论出砖器顶头设计方法。

出砖杆顶头联接方式有螺纹式、焊接式、销轴式、铆接式、复合式等。其中螺纹式应用较多，其特点是加工工序少、装配及更换容易，缺点是打砖时易松动。

顶头样式有圆弧式、一点圆柱式、矩形式、两点圆柱式、两点V形式、两点矩形式、三点圆柱式、三点V形式、三点矩形式等。

设计顶头时应考虑的问题有：根据砖坯的形状、重心及加工等因素综合选择顶头样式；材料一般选用钢管或者25～45#钢；在顶部100～200 mm处热处理，硬度要求达到HRC 58以上。

顶头长度应该满足下列两个条件：要使顶头能顺利将砖从模内顶出；顶头连同出砖杆落下后不得将下板托、下板及模具悬空于受压座上，因此，其长度H=h+h1-h2。式中：h为模具高度；h1为受压座的受压板高度；h2为常数，取5～10 mm。

5 锤头设计

锤头与上板之间的联接方式有强压式、法兰式、双联式、顶针式、移动式、螺纹式、铆接式等。生产中比较常用的是螺纹式。

锤头高度H的计算公式为：

H=H模-δ上板-δ下板-δ下板托+e-c （1）

式中：H为锤头高度；H模为模板（端侧板）高度；

δ上板为上板厚度；δ下板为下板厚度；δ下板托为下板托厚度；e为常数；c为砖坯厚度。

为便于上下板装配，锤头小于上下板尺寸6～10 mm，内孔尺寸大于芯子6～10 mm。根据砖型的几何形状、尺寸、产量和需要时间选择锤头材质。几何尺寸、形状复杂、产量多和长期需求的模具，选用铸钢或45#钢；几何尺寸、形状简单、产量少及短期需求的模具，应选用价格便宜的材料，如Q345b或铸铁。

6 模板设计

端侧板分为整体式、螺纹联接式、解体式、活动式、镶嵌式、固定式、凹凸式、子母口式等。

端侧板高度的计算公式为：

H=1.7H砖坯+δ上板+δ下板+δ下板托 （2）

式中：H砖坯为砖坯厚度；δ上板为上板厚度；δ下板为下板厚度；δ下板托为下板托厚度。

在模具设计中，既要保证模具有较大的磨损余量，以增加使用寿命，又要保证砖坯的几何尺寸达到客户要求。机械压机端侧板一般取端侧板高度的0.5%～1.0%为出砖稍度。

端板宽度的设计公式为：

A上口=A砖坯-0.5+（H端板-δ下板托-δ下板-δ上板）×1% （3）

式中：A上口为端板上口宽度；A砖坯为砖坯宽度；

H端板为端板高度；δ下板托为下板托厚度；0.5为装模涨箱系数；δ下板为下板厚度；δ上板为上板厚度；1%为出砖稍度取1%。

侧板长度B侧板=B砖坯+2B端板。式中：B侧板为侧板长度；B砖坯为砖坯长度；δ端板为端板厚度。

在耐火砖生产实践中，上下板与端侧板之间的间隙应适宜。间隙过大，砖坯有飞边；间隙过小，不利于打砖排气，而且模具之间磨损严重，造成不必要的浪费，严重的可导致砖坯层裂。实践证明，打砖时上下板与端侧板之间的间隙应为0.3～0.4 mm。

不同材质的耐火砖所用模具的材质不同。设计模具时，根据砖坯的数量、材质、供货期确定材质，以降低模具成本、方便生产、使利润最大化。

7 结语

耐火砖模具设计是一个比较复杂的过程，融耐火材料工艺学、机械学、力学、金属材料学于一体。想做好模具设计，除积累数据、资料外，还应不断实践，改进设计思路和方法，以减小模具的投入成本，提高经济效益。

参考文献

[1] 王永平，熊志坚，赵锋，等.耐火砖模具CAD系统智能化设计方法的研究[J].计算机辅助设计与图形学学报，2003（6）：769-772.

[2] 孔德升，孙化祥，李福文.延长耐火砖寿命的探索与研究[J].小氮肥，2013（11）：3-4.

[3] 武晓萍，陈友德.碱性耐火砖的技术进展及其无铬化过程[J].中国水泥，2013（9）：60-63.

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