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    衛(wèi)生陶瓷坐便器高壓注漿成形工藝與控制技術(shù)探索*

    2018-09-12 09:58:48
    陶瓷 2018年9期
    關(guān)鍵詞:坯體泥漿成形

    林 毅

    (廣東翔華科技股份有限公司 廣東 潮州 515646)

    前言

    20世紀(jì)90年代以來,我國衛(wèi)生陶瓷行業(yè)得到持續(xù)快速發(fā)展,產(chǎn)量持續(xù)增加,出口量也在不斷提高,成為世界上最大的衛(wèi)生陶瓷生產(chǎn)國、消費(fèi)國和出口大國,同時(shí)衛(wèi)生陶瓷行業(yè)的發(fā)展帶動了一些地區(qū)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。由于衛(wèi)生陶瓷產(chǎn)量的快速增長,也帶來了污染環(huán)境、粗放性發(fā)展等實(shí)際問題;而出口量的提高則是靠OEM加工、廉價(jià)勞動力、低價(jià)格來拉動。這就勢必造成國內(nèi)衛(wèi)生陶瓷產(chǎn)品中低檔居多,高檔、高附加值產(chǎn)品少,產(chǎn)品在國內(nèi)外市場上的售價(jià)低,國內(nèi)衛(wèi)生陶瓷產(chǎn)品與世界名牌產(chǎn)品的價(jià)格相差大。仔細(xì)分析造成這種局面的深層原因,主要是我國衛(wèi)生陶瓷生產(chǎn)企業(yè)只注重產(chǎn)能、一味過分看重市場拓展,忽視了企業(yè)對產(chǎn)品質(zhì)量及高品質(zhì)產(chǎn)品的技術(shù)研究和創(chuàng)新。

    高壓注漿成形技術(shù)的實(shí)施及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用,使當(dāng)前衛(wèi)生陶瓷傳統(tǒng)制造模式掀起了一場產(chǎn)業(yè)革命,讓坐便器的生產(chǎn)由傳統(tǒng)石膏模具單套式人工獨(dú)立生產(chǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)式批量流水線生產(chǎn),具有提質(zhì)提效、節(jié)能減排的產(chǎn)業(yè)特征,為提高粵東衛(wèi)生潔具的市場競爭力,促進(jìn)粵東衛(wèi)生陶瓷產(chǎn)業(yè)帶的技術(shù)進(jìn)步,具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會意義。

    1 項(xiàng)目研發(fā)內(nèi)容

    “衛(wèi)生陶瓷高壓注漿成形工藝與控制技術(shù)探索”通過研究采用帶旋轉(zhuǎn)框輔助裝置的坐便器高壓注漿成形技術(shù),實(shí)現(xiàn)主坯體注漿機(jī)械自動輔助的高壓快速成形。研究高壓注漿成形過程的壓力與成坯速度的關(guān)聯(lián)性,獲取不同工序的壓力和加壓時(shí)間的最優(yōu)加壓參數(shù),以及無機(jī)復(fù)合添加劑在坯體注漿的輔助作用等成形控制技術(shù),同時(shí)配套高壓分體坐便器連續(xù)式生產(chǎn)設(shè)備形成的現(xiàn)代生產(chǎn)線,實(shí)現(xiàn)了高壓注漿一次成形數(shù)量多,降低工人勞動強(qiáng)度和半成品破損率,免除傳統(tǒng)石膏模具需高溫干燥及頻繁回收加工的冗雜工藝,提高生產(chǎn)效率和節(jié)約占地面積的高效立式高壓成形產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的技術(shù)創(chuàng)新。

    項(xiàng)目的實(shí)施及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用,為當(dāng)前應(yīng)用傳統(tǒng)石膏模具注漿成形工藝的衛(wèi)生陶瓷產(chǎn)業(yè)更新?lián)Q代樹立典范,在業(yè)內(nèi)構(gòu)建了基于分體坐便器的立式高壓注漿成形工藝與控制技術(shù)體系,擺脫國外陶瓷企業(yè)對高壓注漿技術(shù)壟斷,使坐便器的生產(chǎn)由傳統(tǒng)的單套式人工獨(dú)立生產(chǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)式批量流水線生產(chǎn),具提質(zhì)提效、節(jié)能減排的產(chǎn)業(yè)特征,明顯提高粵東衛(wèi)生陶瓷潔具的市場競爭力,促進(jìn)粵東衛(wèi)生陶瓷產(chǎn)業(yè)帶的技術(shù)進(jìn)步,具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會意義。

    2 主要用原料和工具

    2.1 研究所用原料

    研究所用的原料(質(zhì)量%):長石21、飛天燕18、粘土5、章村土18、黑泥15、福建瓷土7、梅州土15、白云石1。

    2.2 研究所用工具

    電氣控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、泥漿管路系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、水系統(tǒng)、注漿機(jī)、側(cè)型打開線、輸送線和(坐便器、坐便圈、水箱)加工線。

    3 工藝流程

    衛(wèi)生陶瓷高壓注漿成形工藝流程:

    合成泥漿→攪拌→加溫→加壓→洗?!夏!顫{→注漿→排漿→穩(wěn)固→脫模→修坯→燒制→成形→檢驗(yàn)→入庫。

    4 解決的主要技術(shù)問題

    本項(xiàng)目解決的主要技術(shù)包括:

    4.1 帶旋轉(zhuǎn)框輔助裝置的坐便器高壓注漿成形技術(shù)

    4.1.1 技術(shù)背景

    注漿成形是衛(wèi)生陶瓷產(chǎn)品生產(chǎn)工藝中的唯一成形手段和方法。當(dāng)前,國內(nèi)絕大部分的注漿方法都采用傳統(tǒng)石膏模具注漿,存在以下問題:

    1)泥漿水分僅靠石膏吸水,脫水速度緩慢;

    2)石膏模具脫模后不能連續(xù)使用,需經(jīng)烘干或晾干使石膏脫水后方能繼續(xù)使用,影響生產(chǎn)效率;

    3)石膏注漿工藝產(chǎn)生大量的石膏模廢棄物,造成環(huán)境污染。

    20世紀(jì)80年代初,開始出現(xiàn)高壓注漿成形技術(shù)至今,國外發(fā)達(dá)國家大多規(guī)模生產(chǎn)衛(wèi)生潔具企業(yè)已完成了高壓注漿衛(wèi)生陶瓷生產(chǎn)的技術(shù)替代和應(yīng)用,而國內(nèi)受制于技術(shù)創(chuàng)新弱等原因,還普遍滯留在傳統(tǒng)石膏模具生產(chǎn)模式上。

    高壓注漿成形實(shí)際上是一個(gè)過濾過程,其模具采用的是多孔塑料模具,注漿過程中泥漿顆粒運(yùn)動到模具工作面,并依次沉積,形成一定強(qiáng)度的坯體。多孔塑料模具為水分的排除提供了通道,并賦予產(chǎn)品一定的形狀。高壓注漿成形工藝就是借助特殊的機(jī)械裝備,高壓下在短時(shí)間內(nèi),迫使流態(tài)泥漿在模具內(nèi)脫水、吃坯、定型。從合模、鎖模、上漿、吃坯、空漿、鞏固、卸壓、開模、脫坯、模具清洗、再次合模,整個(gè)操作過程全部機(jī)械化、自動化;且具有模具使用壽命長、生產(chǎn)效率高、成形周期短等特點(diǎn)。

    高壓注漿成形工藝同傳統(tǒng)成形工藝一樣,也必須視泥漿性能、注漿壓力、產(chǎn)品造型和品種而異,實(shí)施模具合模、鎖緊、開模、脫模等操作,特別是對注漿前后的倒模、排漿、脫模處理時(shí)必須進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、傾斜等不同角度的操作,一直以來國內(nèi)高壓注漿生產(chǎn)線都是采用人工輔助模式進(jìn)行轉(zhuǎn)模和排漿等一系列操作。人工輔助操作起來麻煩,對員工身體素質(zhì)、操作熟練程度要求很高。項(xiàng)目課題組針對這一技術(shù)缺陷,研究了帶旋轉(zhuǎn)框輔助裝置用于機(jī)械輔助注漿、排漿、脫模工藝上,取得明顯的效果。

    4.1.2 帶旋轉(zhuǎn)框輔助裝置的坐便器高壓注漿成形技術(shù)研究應(yīng)用

    項(xiàng)目研發(fā)應(yīng)用的分體式坐便器的高壓注漿成形技術(shù)分坐便器、坐便圈、水箱三部分注漿成形,三部分都是采用連續(xù)式在線高壓注漿成形模式生產(chǎn),并以自動機(jī)械傳送帶進(jìn)行坐便器、坐便圈不同部件的連接成形(如圖1所示)。坐便器由于結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,其高壓注漿生產(chǎn)線也比坐便圈、水箱注漿生產(chǎn)線操作部件更多,其中就包括旋轉(zhuǎn)框輔助裝置。

    項(xiàng)目應(yīng)用的坐便器成形部分(見圖2)由電氣控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、泥漿管路系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、水系統(tǒng)、10臺注漿機(jī)、側(cè)型打開線、輸送線和加工線組成。旋轉(zhuǎn)框輔助裝置是由電氣控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、泥漿管路系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、水系統(tǒng)等多系統(tǒng)綜合協(xié)作的核心技術(shù)裝置。在旋轉(zhuǎn)框輔助裝置的作用下,實(shí)施了合模、注漿、排漿、脫模等工藝處理,其新技術(shù)工藝應(yīng)用模式如下:

    圖1 坐便器與坐便圈注漿成形及連接加工生產(chǎn)線示意圖

    圖2 坐便器注漿成形部分的生產(chǎn)線模擬圖

    4.1.2.1 合模處理

    如圖3所示,樹脂模具下模安裝在旋轉(zhuǎn)框底座上,上模安裝在升降壓板上,側(cè)模則通過側(cè)模吊架吊起,開始工作時(shí)主油缸帶動升降壓板下降,側(cè)模與下模合模,升降壓板繼續(xù)下降,上模與側(cè)模合模,此時(shí)側(cè)型壓緊油缸啟動,在主油缸與側(cè)型壓緊油缸的共同作用下,使模具的上下與左右方向全部壓緊。

    (a)帶外框 (b)無外框圖3 旋轉(zhuǎn)框輔助裝置

    4.1.2.2 注漿處理

    在控制系統(tǒng)的控制下,泥漿通過泥漿管路注入模腔,在泥漿加壓系統(tǒng)的壓力作用和樹脂模型的過濾作用下,泥漿中的水分通過模具排出。

    4.1.2.3 排漿處理

    在模腔內(nèi)形成的待成形陶瓷坯體,間隔時(shí)間使其強(qiáng)度達(dá)到工藝強(qiáng)度要求時(shí),通過模具的微孔流到模腔,在模腔內(nèi)形成陶瓷坯體后,傾斜油缸帶動旋轉(zhuǎn)框,旋轉(zhuǎn)到一定角度進(jìn)行自動排漿,排掉多余泥漿。

    4.1.2.4 脫模處理

    由壓縮空氣系統(tǒng)向模具內(nèi)施加壓縮空氣,將模具內(nèi)的存水反吹入模腔,使陶瓷坯體與模具之間形成一層水膜,從而陶瓷坯體與模具分離;側(cè)型油缸縮回,上模由加壓油缸帶動升起,之后側(cè)模升起;此時(shí)陶瓷坯體存在于兩側(cè)模之間,行走小車啟動,帶動升降壓板、上模、側(cè)模與陶瓷坯體向側(cè)型打開線方向行走。

    4.1.2.5 自動輸送

    側(cè)模行走至側(cè)型打開線上方時(shí),升降壓板帶動側(cè)模下降,將側(cè)模放于側(cè)型打開線平臺上,體輸送線的氣缸帶動托板上升,托板與坯體接觸,側(cè)型打開線兩端油缸啟動,側(cè)型打開線左右平臺分別向左右方向移動,帶動側(cè)模左右開模,則坯體脫落于托板上,然后氣缸下降,將托板及坯體放置于輸送線上,體輸送線將所有坯體推送至坐便器加工線進(jìn)行坯體加工。

    4.1.2.6 模具自動清洗

    脫模完畢后按下啟動按鈕,側(cè)型開閉線閉合,側(cè)模合模,模具進(jìn)行自動清洗后,行走小車將模具運(yùn)送至旋轉(zhuǎn)框處,并進(jìn)入下一輪循環(huán)。

    4.1.3 帶旋轉(zhuǎn)框輔助裝置的坐便器高壓注漿成形技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

    1)帶旋轉(zhuǎn)框輔助裝置的坐便器高壓注漿工藝的創(chuàng)新應(yīng)用,把傳統(tǒng)人工的靠體力、不規(guī)范操作和依靠熟練工人個(gè)人經(jīng)驗(yàn)判斷的工藝模式,提升到定時(shí)、定量的機(jī)械自動標(biāo)準(zhǔn)化操作的工藝模式,大大降低了員工的勞動強(qiáng)度和對熟練員工的依賴。

    2)采用機(jī)械化的液壓系統(tǒng)、泥漿管路系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)等注漿流程配合電氣自動化控制系統(tǒng),保證了產(chǎn)品的穩(wěn)定性,大幅度提升產(chǎn)品的強(qiáng)度和品質(zhì),從而降低了產(chǎn)品的厚度,并縮短了燒制時(shí)間,具有顯著的節(jié)約資源和節(jié)能減排效果。

    4.2 立式高壓注漿成形過程的壓力與成坯速度的關(guān)聯(lián)性

    研究立式高壓注漿成形過程的壓力與成坯速度的關(guān)聯(lián)性,獲取高壓注漿各工序壓力和時(shí)間參數(shù),形成高壓注漿成形的質(zhì)量控制和標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)技術(shù)規(guī)程。

    應(yīng)用高壓注漿生產(chǎn)衛(wèi)生陶瓷已在西方發(fā)達(dá)國家得到比較成熟的應(yīng)用,而21世紀(jì)初我國才開始相繼引進(jìn)國外先進(jìn)高壓注漿設(shè)備,用于企業(yè)陶瓷盆、坐便器等衛(wèi)生陶瓷產(chǎn)品的生產(chǎn)上,使我國衛(wèi)生陶瓷產(chǎn)能和規(guī)模得到進(jìn)一步的擴(kuò)大,產(chǎn)品質(zhì)量有了一定的提升。但是,由于受到模具、加工工藝、泥料配方等技術(shù)配套,以及設(shè)備售后技術(shù)服務(wù)等原因的影響,約有80%以上企業(yè)的進(jìn)口高壓注漿生產(chǎn)設(shè)備使用狀況并不理想,很大一部分廠家進(jìn)口的高壓注漿設(shè)備生產(chǎn)不飽滿甚至處于停產(chǎn)狀態(tài)。

    因此,本項(xiàng)目課題組從高壓注漿成形的基本原理出發(fā),通過研究分析坯體形成過程壓力與成坯速度的關(guān)聯(lián)性,并以此確立注漿成形工序步驟與各工藝步驟所采用的壓力、時(shí)間參數(shù),對實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的實(shí)操性和提升產(chǎn)品質(zhì)量有極其重要的意義。

    4.2.1 細(xì)化高壓注漿成形工序步驟,創(chuàng)新成形工藝流程

    4.2.1.1 當(dāng)前高壓注漿工藝與壓力應(yīng)用存在的問題分析

    高壓注漿是一種“壓濾”成形,是在泥漿注漿過程中,對填充在模具內(nèi)的泥漿施加壓力排出水分,使坯體得以快速成形。

    目前,國內(nèi)外的高壓注漿成形的一般工序包括:填漿:通過氣動隔膜泵往模具內(nèi)輸送泥漿。注漿:通過外界壓力作用于模具內(nèi)的泥漿,使泥漿脫水、硬化并成形。排漿:排出坯體空心注漿區(qū)內(nèi)多余的泥漿。穩(wěn)固:對坯體內(nèi)腔充入壓縮空氣,使坯體水分分布均勻,逐步增大坯體強(qiáng)度。

    高壓注漿的高速高效作業(yè),是采用自動化水平較高的PLC進(jìn)行自動控制,包括合模、填漿、注漿、排漿和穩(wěn)固的高壓注漿各生產(chǎn)環(huán)節(jié),生產(chǎn)循環(huán)作業(yè)的每一工序均是自動置零并連續(xù)執(zhí)行,故對各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的壓力確定及設(shè)定是實(shí)現(xiàn)其自動化操作的核心。但項(xiàng)目課題組在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),高壓注漿設(shè)備生產(chǎn)商在標(biāo)注設(shè)備建議應(yīng)用的壓力設(shè)定方面存在不少問題,主要表現(xiàn)在:① 模具夾緊壓力存在問題。高壓注漿的模具在夾緊時(shí),由于模具表面沒有坯體形成,極易導(dǎo)致泥漿中的微細(xì)顆粒進(jìn)入樹脂模的微孔中,對模具造成損害。而且,驟然的高壓,有可能使泥漿從模具閉合部位泄漏。為了防止泥漿的這種泄漏,目前大多數(shù)高壓注漿機(jī)的模具夾緊力大都設(shè)定在22~26 MPa,導(dǎo)致液壓站的工作負(fù)荷很大。② 排漿壓力存在問題。當(dāng)注漿結(jié)束之后進(jìn)行排漿操作,壓力從注漿時(shí)的1.0 MPa以上快速降至0.3 MPa左右,變化幅度太大,極易導(dǎo)致坯體空心注漿區(qū)域的變形,導(dǎo)致產(chǎn)品的合格率降低。

    4.2.1.2 細(xì)化高壓注漿成形工序步驟,創(chuàng)新成形工藝流程

    通過以上工序①、②的高壓注漿的模具夾緊壓力、排漿壓力的預(yù)設(shè)定,項(xiàng)目課題組進(jìn)一步分析了高壓注漿成形工藝的機(jī)理與特點(diǎn),以實(shí)驗(yàn)形式逐步將整個(gè)高壓注漿成形的周期實(shí)施細(xì)化分解。在“填漿”工序之后增加“準(zhǔn)備注漿”工序,在“注漿”之后增加“預(yù)備排漿”。將整個(gè)周期由4個(gè)工序細(xì)分為6個(gè)工序。即為:

    1)當(dāng)前業(yè)內(nèi)應(yīng)用的高壓注漿工藝流程:填漿→注漿→排漿→穩(wěn)固。

    2)項(xiàng)目創(chuàng)新的高壓注漿工藝流程:填漿→預(yù)備注漿→注漿→預(yù)備排漿→排漿→穩(wěn)固。

    通過以上將業(yè)內(nèi)傳統(tǒng)應(yīng)用的4個(gè)注漿工序流程,調(diào)整為項(xiàng)目自主創(chuàng)新的6個(gè)工序流程之后,項(xiàng)目課題組直接在森蘭特(SUNLETS)坐便器高壓注漿生產(chǎn)線上進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用,有以下應(yīng)用優(yōu)點(diǎn):

    1)“預(yù)備注漿工序”的設(shè)定,使得模具內(nèi)部的泥漿在高壓注漿之前,在模具表面就已形成一個(gè)結(jié)構(gòu)較為疏松的坯層,有利于防止注漿過程中泥漿顆粒進(jìn)入模具微孔,延長模具使用壽命。形成的坯層起到密封模具的作用,避免了在注漿開始工序中可能出現(xiàn)的泥漿泄漏。

    2)模具密封性提升,同步大大降低模具夾緊力。實(shí)驗(yàn)顯示,通過采用新工藝流程注漿作業(yè),其注漿壓力在1.0~1.5 MPa時(shí),模具夾緊力只需11~14 MPa,只有調(diào)整前的一半,延長了設(shè)備的使用壽命,同時(shí)降低了對模具造成的損傷。

    3)增設(shè)“預(yù)備排漿”工序,對注漿壓力進(jìn)行卸壓,避免在排漿過程中產(chǎn)生坯體變形,有效的提高了半成品合格率。

    4.2.1.3 項(xiàng)目創(chuàng)新的高壓注漿工藝流程

    6個(gè)階段流程壓力及時(shí)間通過反復(fù)試驗(yàn)調(diào)試至最佳狀態(tài),通過計(jì)算機(jī)設(shè)定并與電腦、手機(jī)連接可以通過遠(yuǎn)程設(shè)定、修復(fù),大大縮短設(shè)備運(yùn)行過程故障排除及修復(fù)時(shí)間。實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程修復(fù),采用PLC和觸摸屏進(jìn)行控制和參數(shù)設(shè)置,方便按原料配方的調(diào)整或性狀的變化進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。

    1)填漿。壓力設(shè)定在0.25 MPa,打開泥漿總閥按鈕,壓機(jī)主體上升至上限,泥漿總閥關(guān)閉,注漿時(shí)間為100 s。

    2)預(yù)備注漿。壓力設(shè)定在0.3 MPa,模型組型完成,各成形機(jī)原點(diǎn)顯示正常,模型一次傾斜,管路循環(huán)40 s。

    3)注漿。壓力設(shè)定在0.95 MPa,上漿三方閥打開,小流量閥打開,泥漿總閥打開,開始自動低壓注漿200 s,泥漿總閥自動關(guān)閉,壓機(jī)下降,開始高壓注漿600 s。

    4)預(yù)備排漿。壓力設(shè)定0.18 MPa,高壓注漿完成,大小流量閥關(guān)閉,模型二次傾斜,預(yù)備排漿3 s。

    5)排漿。壓力設(shè)定0.18 MPa,排漿閥打開,排漿總閥打開,開始排漿130 s。

    6)穩(wěn)固。壓力設(shè)定0.18 MPa,排漿完成,排漿總閥關(guān)閉,注漿三方閥關(guān)閉,排漿閥關(guān)閉,鞏固閥打開,開始鞏固300 s。

    4.2.2 高壓注漿各工序壓力和時(shí)間設(shè)定的最優(yōu)加壓參數(shù)的研究

    高壓注漿成形過程是持續(xù)借助外部壓力作用于泥漿或濕坯,根據(jù)不同成形過程工序步驟發(fā)揮的作用,勢必要選擇合適的工作壓力與時(shí)間,才能保證高壓注漿設(shè)備的正常使用和成形坯體的質(zhì)量。故項(xiàng)目課題組在細(xì)分并重設(shè)高壓注漿工藝流程之后,進(jìn)行高壓注漿的坯體形成過程壓力與成坯速度關(guān)聯(lián)性的技術(shù)研究,形成了各工序壓力和時(shí)間設(shè)定的最優(yōu)壓力參數(shù)。具體研究包括:

    4.2.2.1 填漿工序的加壓參數(shù)的設(shè)定

    加壓對填漿工序發(fā)揮的作用主要是:讓泥漿能快速、平穩(wěn)地充滿模具,同時(shí),使泥漿中的固體顆粒順利地完成連結(jié),在模具表面形成一層很疏松的薄坯層,從而防止泥漿中的固體顆粒進(jìn)人模具微孔堵塞模具。據(jù)此,項(xiàng)目課題組把填漿工序的壓力設(shè)定在0.2~0.35 MPa的范圍內(nèi)。

    填漿的時(shí)間也應(yīng)滿足上述目的,項(xiàng)目課題組在項(xiàng)目應(yīng)用安裝了10套模具的森蘭特(SUNLETS)高壓注漿機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),以0.3 MPa的壓力向模具內(nèi)輸送泥漿,填滿模具需70~100 s。使泥漿中的固體顆粒完成連結(jié)處理,則應(yīng)根據(jù)填漿壓力的大小和所要求形成坯層的厚度來確定。項(xiàng)目課題組發(fā)現(xiàn),一般薄坯層只需1~1.5 mm就可以。若超過這個(gè)范圍會影響后面工序的進(jìn)行,在時(shí)間上也不經(jīng)濟(jì)。所以這部分時(shí)間等于模具充滿時(shí)間即可。據(jù)此,項(xiàng)目課題組把填漿工序的填充時(shí)間設(shè)定為模具填滿時(shí)間的2倍,即140~200 s。

    4.2.2.2 預(yù)備注漿和注漿工序的加壓參數(shù)的設(shè)定

    預(yù)備注漿工序是為注漿工序作準(zhǔn)備,在使壓力逐步提高的同時(shí),穩(wěn)定壓力的變化,避免壓力驟變帶來的負(fù)面影響。

    通過預(yù)備注漿工序,模具表面會形成一層較厚的但結(jié)構(gòu)較為疏松的坯層,既能防止因壓力升高而產(chǎn)生的泥漿泄漏,又能使水分不斷地通過坯層排出。經(jīng)過項(xiàng)目課題組研究,這一工序的壓力應(yīng)比填漿壓力高,但比注漿壓力低,項(xiàng)目課題組決定把一般預(yù)備注漿壓力取值為填漿壓力的2倍,即0.5 MPa。

    預(yù)備注漿的時(shí)間不能太長,過長的預(yù)備注漿時(shí)間會導(dǎo)致所形成的坯層過厚,造成增加注漿工序的水分排出阻力和壓實(shí)坯體的難度,導(dǎo)致坯體結(jié)構(gòu)不均勻和產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。經(jīng)過項(xiàng)目課題組研究,預(yù)備注漿的時(shí)間設(shè)定以不超過填漿時(shí)間為宜,項(xiàng)目課題組決定把預(yù)備注漿的時(shí)間設(shè)定和填漿時(shí)間相同,即30 s。

    注漿工序是整個(gè)高壓注漿的關(guān)鍵,壓力的大小直接影響注漿時(shí)間和產(chǎn)品的質(zhì)量。項(xiàng)目課題組經(jīng)過大量的對比性實(shí)驗(yàn)及分析,形成了在不同加壓時(shí)間參數(shù)的作用下,相同泥漿在不同時(shí)間點(diǎn)的成坯厚度,見表1,其直觀地呈現(xiàn)了因壓力變化而導(dǎo)致的成坯速度變化的工藝特性。

    表1 不同加壓時(shí)間下高壓注漿的坯體成坯厚度的實(shí)驗(yàn)參數(shù)

    由表1可見,在注漿工序中,泥漿坯體變化與壓力相輔相成,呈現(xiàn)泥漿到坯體形成的成形過程:①泥漿中的固體顆粒在壓力作用下不斷地堆積,形成坯體。初期的坯體層厚度增長較快,結(jié)構(gòu)較為疏松。②隨著注漿過程的繼續(xù)進(jìn)行,坯體厚度增長趨緩,水分通過坯層空隙排出,水中所帶的細(xì)顆粒逐漸將坯層結(jié)構(gòu)中的空隙填充,坯體結(jié)構(gòu)變得致密。③在注漿末期,幾乎沒有水分排出,壓力起著將坯體“壓實(shí)”的作用。

    因此,注漿壓力的確定應(yīng)考慮生產(chǎn)工藝的要求和產(chǎn)品尺寸等因素。產(chǎn)品尺寸大,壓力可適當(dāng)取低一些;產(chǎn)品尺寸小,壓力可設(shè)定的高一點(diǎn)。注漿時(shí)間則要根據(jù)注漿壓力坯體所要求的厚度來確定,注漿壓力大,時(shí)間可短些;注漿壓力小,時(shí)間可相應(yīng)延長。對于成形9 mm±0.5 mm厚的衛(wèi)生陶瓷坯體,注漿壓力可設(shè)定在0.95 MPa,加壓時(shí)間在800 s的范圍內(nèi)取值。

    4.2.2.3 預(yù)備排漿工序的加壓參數(shù)的設(shè)定

    預(yù)備排漿的作用是卸去成形的高壓,時(shí)間視坯體大小可設(shè)定在3~8 s時(shí)間段內(nèi)。

    4.2.2.4 排漿和穩(wěn)固工序的壓力參數(shù)的設(shè)定

    排漿工序是以在一定時(shí)間內(nèi)將坯體內(nèi)腔多余的泥漿排空,其間若排漿壓力過低,會使泥漿排空不徹底;反之壓力過高又會在坯體內(nèi)腔產(chǎn)生較大的負(fù)壓,導(dǎo)致坯體變形。

    穩(wěn)固工序是向坯體內(nèi)腔充入一定壓力的壓縮空氣,防止內(nèi)表面泥縷缺陷的發(fā)生,使坯體的水分分布均勻,并且提高坯體的強(qiáng)度。

    實(shí)驗(yàn)表明,排漿和穩(wěn)固的壓力可以采用相同的壓力,也可以選擇不同的壓力,兩者的壓力以0.15~0.2 MPa為宜。

    在排漿的時(shí)間方面,目前廠家為單純追求效率,把排漿時(shí)間設(shè)定得很短。而項(xiàng)目課題組通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),由于高壓注漿機(jī)模具的安裝存在一定的傾角,故在排漿過程中,在其模具的注漿交接處以及坯體的最底部會殘留一定量的泥漿,如不能使這部分泥漿徹底排出水分,則會造成坯體水分分布不均勻,使坯體在干燥過程中開裂。因此,適當(dāng)延長排漿時(shí)間,使余漿徹底排出,可明顯降低產(chǎn)品的不合格率。課題組決定把排漿工序時(shí)間設(shè)定在90 s,穩(wěn)固工序時(shí)間設(shè)定在300 s。

    同時(shí),項(xiàng)目課題組以坯體含水率來判斷排漿和穩(wěn)固的壓力時(shí)間設(shè)定是否合理為主要依據(jù)。對于成形好的坯體,分別測試其坯體內(nèi)、外層的含水率差值,以及頂部與底部的含水率差值,如果兩個(gè)含水率差值均小于l%,即為合理;反之需進(jìn)行調(diào)整。通過系列實(shí)驗(yàn),項(xiàng)目課題組列出多個(gè)實(shí)驗(yàn)過程的各工序壓力和時(shí)間的設(shè)定范圍(見表2),并進(jìn)行調(diào)整前、后的數(shù)據(jù)對比分析。

    表2 高壓注漿各工序壓力和加壓時(shí)間設(shè)定實(shí)驗(yàn)

    *注:具體數(shù)值的設(shè)定應(yīng)考慮泥漿性能與產(chǎn)品尺寸。

    比較表2中調(diào)整前后的步驟設(shè)定與壓力時(shí)間的取值,雖然調(diào)整后的生產(chǎn)周期有所延長,但采用這種設(shè)定值,使產(chǎn)品合格率提高,模具使用次數(shù)增加。

    應(yīng)用以上工藝參數(shù)在森蘭特(SUNLETS)坐便器高壓注漿生產(chǎn)線上進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用,經(jīng)過近兩年的產(chǎn)業(yè)化運(yùn)行,成形合格率一直穩(wěn)定在95%以上,模具使用次數(shù)由8 000次增加到10 000次,高壓注漿產(chǎn)品的模具成本由原來的10.5元/件降至6元/件,取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

    4.3 無機(jī)復(fù)合添加劑在高壓注漿坯體的輔助作用

    形成以0.75%水玻璃復(fù)配0.08%碳酸鈉的無機(jī)復(fù)合添加劑的最優(yōu)效果配方,明顯提升注漿漿料流動性、成形效率及成品強(qiáng)度。

    高壓注漿除需要高度自動化的高壓注漿機(jī)和特殊的塑料模具外,對所用泥漿還有一些特殊的要求。用傳統(tǒng)方法生產(chǎn)的泥漿不適合高壓注漿,只有對泥漿進(jìn)行改進(jìn)(主要是加入無機(jī)復(fù)合添加劑)后,才能使生產(chǎn)步入正常。

    項(xiàng)目課題組在完成模擬人工輔助的高壓注漿成形技術(shù)研究之后,也同步實(shí)施了高壓注漿的泥漿添加無機(jī)復(fù)合添加劑的應(yīng)用技術(shù)研究。

    4.3.1 高壓注漿對泥漿品質(zhì)要求以及無機(jī)復(fù)合添加劑對泥漿的作用

    從加快注漿速度,防止堵模的角度出發(fā),要求:①泥漿的含水量盡可能低,即增加泥漿的容重;②盡量減少<2 μm的顆粒含量;③適當(dāng)增加配料中的瘠性料,增加脫水性,但這會產(chǎn)生其他方面的問題。首先,如增大顆粒度,增加瘠性料就會破壞泥漿的懸浮性,容易發(fā)生沉淀,同時(shí)生坯強(qiáng)度下降。其次,增加泥漿容重,減少含水量,又會使泥漿粘度增大,流動性變差,流動困難。要解決以上矛盾,只有在泥漿中加入添加劑。

    傳統(tǒng)的泥漿添加劑大多是無機(jī)添加劑即稀釋劑,主要對粘土起分散和解膠作用,但單一的無機(jī)添加劑不能同時(shí)起到防止堵模、增加滲透性和干坯強(qiáng)度的作用。為此,項(xiàng)目課題組利用水玻璃(Na2O·nSiO2)和碳酸鈉(Na2CO3)以復(fù)合配制成了幾種多功能無機(jī)添加劑,并進(jìn)行了相關(guān)的應(yīng)用試驗(yàn)。

    4.3.2 無機(jī)復(fù)合添加劑在坯體注漿的輔助作用研究

    項(xiàng)目課題組針對項(xiàng)目泥漿原料試驗(yàn)過程存在的影響產(chǎn)品變形、開裂的因素進(jìn)行研究,開展對高壓注漿坯體生產(chǎn)過程的高分子添加劑等影響產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量因素的研究,通過研究適量的無機(jī)復(fù)合添加劑配比應(yīng)用,以降低泥漿含水率,提高漿料流動性,實(shí)現(xiàn)注漿快速成形,以及坯體收縮比小、密度及成品強(qiáng)度好的技術(shù)應(yīng)用。

    因此,項(xiàng)目課題組在技術(shù)創(chuàng)新過程中研究篩選水玻璃(Na2O·nSiO2)和碳酸鈉(Na2CO3)復(fù)合配制成了無機(jī)添加劑,以滿足項(xiàng)目高壓注漿生產(chǎn)的實(shí)質(zhì)性應(yīng)用,并通過研究無機(jī)復(fù)合添加劑的添加應(yīng)用,控制注漿產(chǎn)品坯體的漿料流變性和分散性。

    注漿成形是陶瓷產(chǎn)品所采用的傳統(tǒng)方法,對已固定的成形設(shè)備和模具,坯體的質(zhì)量主要由泥漿性質(zhì)所決定。由于高壓注漿的產(chǎn)品比傳統(tǒng)坯體更薄(輕質(zhì)),且具更高的密度及強(qiáng)度的復(fù)雜性,所以也帶來注漿產(chǎn)品在注漿工藝處理時(shí),由于充漿不均造成起皺、起凹、內(nèi)氣孔等現(xiàn)象發(fā)生,從而會造成產(chǎn)品變形、開裂等質(zhì)量問題。

    本項(xiàng)目課題組認(rèn)為,滿足項(xiàng)目高強(qiáng)度注漿產(chǎn)品工藝要求的泥漿應(yīng)具有良好的流動性、穩(wěn)定性和均勻性,且要求坯體成形完整、含水量適中,具一定的強(qiáng)度便于脫模和抗開裂等特征。同時(shí),項(xiàng)目課題組認(rèn)為,流動性好的泥漿使用時(shí),既要保證能在管道中順暢流動又要快速均勻地分布到構(gòu)造復(fù)雜的模具各部分,又要保證泥漿不易聚沉,使坯體各部分組成均勻。故項(xiàng)目課題組覺得在注漿用泥漿原料中加入水玻璃、碳酸鈉復(fù)配添加劑來改善高壓注漿流動性的方法。

    常用的添加劑(又名稀釋劑、解膠劑)是水玻璃(Na2O·nSiO2,硅酸鈉,又名泡花堿)、碳酸鈉(Na2CO3,純堿)、磷酸鹽和聚丙烯酸鈉等,水玻璃是通常用量最大的物質(zhì)。項(xiàng)目課題組選用水玻璃和碳酸鈉兩種不同性質(zhì)的無機(jī)添加劑,通過復(fù)配形成無機(jī)復(fù)合添加劑添加到原料泥漿中,并進(jìn)行控制注漿陶瓷漿料的流動性的工藝處理的實(shí)驗(yàn)分析上。試驗(yàn)?zāi)酀{及成坯要求指數(shù)為:泥漿含水率為31%~33%,坯體成坯厚度為0.9 cm,濕坯含水量為19%~20%。

    通過多次比對性實(shí)驗(yàn),形成表3數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)水玻璃、碳酸鈉2種添加劑對高壓注漿產(chǎn)品處理過程的流動性有明顯改善效果,且不同復(fù)合添加劑的應(yīng)用有不同的表現(xiàn),單一及不同復(fù)合添加劑的應(yīng)用對項(xiàng)目注漿后產(chǎn)品影響如下(見表3):

    4.3.2.1 以水玻璃或碳酸鈉單個(gè)添加劑做為添加劑試驗(yàn)效果

    1)采用應(yīng)用量0.75%的水玻璃單個(gè)添加劑做為添加劑添加后,產(chǎn)品注漿的流動性明顯提升;

    2)采用應(yīng)用量0.12%的碳酸鈉單個(gè)添加劑做為添加劑添加后,產(chǎn)品注漿的流動性明顯提升;

    3)水玻璃和碳酸鈉兩種不同性質(zhì)的添加劑應(yīng)用后的產(chǎn)品均勻性、成形性(脫模后硬度)和開裂性能有所不同;

    4)采用水玻璃單個(gè)添加劑應(yīng)用量過大時(shí)(見表3的實(shí)驗(yàn)1、2),坯體脫模后硬化較快,坯體易開裂,產(chǎn)品均勻性、成形性較好,抗開裂性弱;

    5)采用碳酸鈉單個(gè)添加劑應(yīng)用量過大時(shí)(見表3的實(shí)驗(yàn)3、4),坯體脫模后則硬化較慢,內(nèi)外水分差別較大,坯體發(fā)軟易變形,抗開裂性強(qiáng),但產(chǎn)品成形性明顯不足。

    表3 單一及復(fù)合無機(jī)添加劑應(yīng)用對項(xiàng)目注漿產(chǎn)品影響

    *注:效果各項(xiàng)評分以5分滿分計(jì);綜合評分以五項(xiàng)效果評分累加得出。

    試驗(yàn)?zāi)酀{及成坯要求指數(shù)為:泥漿含水率為31%~33%,坯體成坯厚度為0.9 cm,濕坯含水率為19%~20%。

    4.3.2.2 以水玻璃和碳酸鈉復(fù)配無機(jī)復(fù)合添加劑做為添加劑試驗(yàn)效果

    1)采用水玻璃復(fù)合配制的碳酸鈉的無機(jī)復(fù)合添加劑做為添加劑添加后,產(chǎn)品注漿的流動性明顯提升;

    2)采用0.75%水玻璃復(fù)合配制0.08%碳酸鈉的無機(jī)復(fù)合添加劑添加應(yīng)用后(見表3實(shí)驗(yàn)5),產(chǎn)品注漿的流動性、均勻性非常好,成形性和抗開裂性效果良好,綜合評分最高;

    3)采用0.7%水玻璃復(fù)合配制0.1%碳酸鈉的無機(jī)復(fù)合添加劑做為添加劑添加應(yīng)用后(見表3實(shí)驗(yàn)6),產(chǎn)品注漿的流動性、均勻性、成形性和抗開裂性效果良好,綜合評分僅次于試驗(yàn)5;

    4)采用0.65%水玻璃復(fù)合配制0.12%碳酸鈉的無機(jī)復(fù)合添加劑做為添加劑添加應(yīng)用后(見表3實(shí)驗(yàn)7),產(chǎn)品注漿的均勻性較差,雖抗開裂性效果好,但是成形性效果差;

    5)采用0.8%水玻璃復(fù)合配制0.07%碳酸鈉的無機(jī)復(fù)合添加劑做為添加劑添加應(yīng)用后(見表3實(shí)驗(yàn)8),產(chǎn)品注漿的均勻性、成形性效果同樣較差。

    通過以上試驗(yàn)研究可以確定:針對注漿件較大、注漿結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的高壓注漿工藝處理上,適當(dāng)添加水玻璃并復(fù)配低量的碳酸鈉的無機(jī)復(fù)合添加劑添加應(yīng)用,可以明顯提升注漿的流動性、均勻性非常好,而且成形性和抗開裂性效果良好。

    同時(shí),項(xiàng)目課題組也針對項(xiàng)目實(shí)施所在地的一年四季不同的天氣溫度、濕度的變化,其生產(chǎn)場地在秋季較干燥,春季、夏季濕度較大的情況,應(yīng)對季節(jié)變化,根據(jù)復(fù)配添加劑的特性,通過改變復(fù)配添加劑的加入量來調(diào)節(jié)不同季節(jié)泥料的性能。

    其中,由于秋季空氣較干燥,坯體干燥速度較快,易開裂,這時(shí)碳酸鈉的用量可以略多一些,水玻璃用量可以略少一些,減緩一下坯體硬化開裂問題。項(xiàng)目課題組決定采用0.70%水玻璃復(fù)配0.09%碳酸鈉的無機(jī)復(fù)合添加劑做為添加劑添加應(yīng)用;在其余時(shí)間段內(nèi),都采用0.75%水玻璃復(fù)合配制0.08%碳酸鈉的無機(jī)復(fù)合添加劑做為添加劑添加應(yīng)用。

    4.3.3 項(xiàng)目達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)

    項(xiàng)目技術(shù)應(yīng)用開發(fā)的衛(wèi)生陶瓷坐便器,通過國家陶瓷及水暖衛(wèi)浴產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的檢測達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)GB 6952-2015《衛(wèi)生陶瓷》,GB 26730-2011《衛(wèi)生潔具便器用重力式?jīng)_水器裝置及潔具機(jī)架》標(biāo)準(zhǔn)要求。

    4.3.4 高壓注漿(樹脂模)和傳統(tǒng)(石膏模具)立式注澆線注漿參數(shù)創(chuàng)新之處對比

    1)高壓注漿(配套樹脂模具)與立式注澆線注漿(配石膏模具)工藝參數(shù)對比見表4。

    表4 高壓注漿(配套樹脂模具)與立式注澆線注漿(配石膏模具)工藝參數(shù)對比

    2)樹脂模是高壓注漿:注漿成形時(shí)間為20 min,生產(chǎn)效率達(dá)到石膏模具的72倍,半成品破損率為1%;傳統(tǒng)石膏模具注漿:注漿成形時(shí)間為24 h,半成品破損率為7%~8%。

    3)按日產(chǎn)720件分體坐便器計(jì)算:高壓注漿用地540 m2,立式澆注線用地4 500 m2,節(jié)省用地88%;高壓注漿用工22人,立式澆注線用工56人,節(jié)省用工60%;高壓注漿成品率95%,立式澆注線成品率80%,成品率提高18.75%。

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