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小规格冲模机械强度的工艺试验与检测分析

2014-09-02查看:

小规格冲头的冲模（冲头直径≤Ф6mm）在压片过程中冲头颈部（冲头工作长度段）的机械强度非常重要，此处...

1问题的提出

　　在片剂生产企业，压片机和药片冲模是将颗粒状制剂直接压制成片剂的设备。而冲模作为压片工序的主要消耗品，用量非常大，国内年消耗量上百万付。

在压片过程中，由于冲头颈部所承受的主要为轴向交变负荷和较小的径向负荷。在同等条件下，特别是冲头直径≤Ф6mm的小规格冲模比大规格冲模其冲头颈部机械强度相对较弱，更由于下冲杆冲头颈部结构细长，易发生弯曲或断裂现象。比如在一台双压轮式压片机上装35付冲模，若其中有3支下冲杆冲头颈部发生弯曲，则产生如下问题：

1)下冲杆工作长度变短，药粉充填量增多。从而造成压片机每旋转一周所压制的70片药片中将有6片片重超差；另外，药片硬度不够，形成不合格酥片。

2)冲头、冲身的同轴度增大超差。从而造成冲头在中模孔内上下摩擦力增大，再加上粉尘的阻塞，尽而使下冲杆在转台冲杆孔中上下滑动不灵活（塞冲），引起压片机整机运行不稳定，影响压片速度与产量。

　　当冲头发生断裂时，将对压片机上、下轨导之零件造成损坏，使压片机无法正常运行。

　　影响冲头颈部机械强度的因素很多，经分析筛选主要因素集中在硬度和颈部结构上。为寻找解决如何改善冲头颈部的机械强度，防止发生弯曲或断裂问题的方法，本文重点从冲杆热处理硬度和冲头颈部结构的设计改进两方面入手，采用工艺试验验证的方法研究分析其硬度值的最佳范围和冲头颈部最佳结构。其工艺试验与验证的步骤为: 冲头颈部结构的设计及热处理硬度的设定--车加工--分类打编号--热处理--硬度检测--磨加工--尺寸检测--压片试验--尺寸检测（压片后）--检测分析与验证结论汇总。

2冲杆热处理硬度和冲头颈部结构的工艺试验

　　行业标准JB20022-2004《压片机药片冲模》和JB/T20080.1-2006《高速压片冲模（T系列）尺寸与片形》中规定冲杆热处理硬度55HRC～60HRC。对于冲杆选用的材料不同，冲头直径大小不同，热处理硬度值控制在中上限或中下限的不同，再加上冲头颈部结构的不同，所对应的冲头颈部的机械强度就会有一定的差异。行业标准为推荐性标准，其中规定的硬度值范围55HRC～60HRC是一个推荐性指标。据我们掌握的情况来讲大规格的冲模硬度值控制在此范围内，冲头颈部机械强度还可以；但小规格的冲模硬度也控制在此范围内，特别是中下限时，冲头颈部机械强度就较差些，易发生弯曲现象。

　　目前，国内大多数冲模生产企业多采用中温盐浴炉加热--油淬火--井式炉回火工艺进行热处理，其热处理工艺规程已属成熟技术。如何掌握好其硬度最佳值范围是关键。本工艺试验验证依冲杆选用的材料为GCr15轴承钢,典型小规格ZP型Ф5.5浅下冲杆为例，来研究分析冲头颈部机械强度最佳时所对应的热处理硬度值的最佳范围和冲头颈部最佳结构。

2.1冲头颈部结构的设计及热处理硬度的设定

　　为便于以下各步工艺试验验证的数据统计分析，首先将冲头颈部结构设计为四种类型，每种冲头颈部结构的下冲杆各加工9件，共加工36件，并在冲身上打编号。同时将设定的热处理硬度值范围分两个数据段与编号、数量相对应。详见图1～图4和表1所示（其中图1为常见结构，图2～图4为改进的结构）。

表1 冲头颈部结构、编号、热处理硬度与数量对应表

图1颈部结构

图2颈部结构

图3颈部结构

图4颈部结构

编号1～4

58～61HRC，4件

编号10～13

58～61HRC，4件

编号19～22

58～61HRC，4件

编号28～31

58～61HRC，4件

编号5y～9y

61～64HRC，5件

编号14y～18y

61～64HRC，5件

编号23y～27y

61～64HRC，5件

编号32y～36y

61～64HRC，5件

　　表1说明：由于我们已有当硬度值控制在中下限55～58HRC时，冲头颈部易发生弯曲、无断冲现象的经验。故本次验证就直接将硬度值设定为中上限58～61HRC和超标准(编号带“y”的)61～64HRC两个热处理硬度范围数据段进行试验验证。

2.2冲杆热处理及硬度检测

　　按照表1中设定的两种热处理硬度值范围要求分别制订相应的热处理工艺规程进行热处理。用洛氏硬度计分别在冲身、冲头部位各检测三点，并记录硬度检测结果见表2。

表2 冲身、冲头硬度（HRC）实测值对照表

冲杆编号	冲身硬度	冲头硬度	硬度差	对应冲头颈部结构
1	58/59/58.5	57.5/57/58		见图1
1	平均:58.5	平均:57.5	1.0
2	59/60/60	58.5/57.5/58.5
2	平均:59.67	平均:58.17	1.5
3	59.5/60.5/60	58/59/59
3	平均:60	平均:58.67	1.33
4	59.5/58.5/59	58.5/58/58
4	平均:59	平均:58.17	0.83
5y	62/63/62.5	61.5/61.5/61
5y	平均:62.5	平均:61.33	1.17
6y	62.5/63/63	62/61/61.5
6y	平均:62.83	平均:61.5	1.33
7y	62.5/61/62.5	61/62/61
7y	平均:62	平均:61.33	0.67
8y	62.5/62/62.5	61.5/61/62
8y	平均:62.33	平均:61.5	0.83
9y	63/64/63.5	62/62.5/63
9y	平均:63.33	平均:62.5	0.83
10	59/59.5/60.5	57/57.5/58		见图2
10	平均:59.67	平均:57.5	2.17
11	59/59/60	58/58.5/58.5
11	平均:59.33	平均:58.33	1.0
12	58.5/59.5/59.5	56/57.5/57.5
12	平均:59.17	平均:57	2.17
13	58.5/59/59.5	58/58.5/58.5
13	平均:59	平均:58.17	0.83
14y	62.5/62.5/62	61/61.5/61
14y	平均:62.33	平均:61.17	1.16
15y	63/62.8/63	61.5/61.5/62
15y	平均:62.93	平均:61.67	1.26
16y	61/62.5/62.5	60/61.5/61
16y	平均:62	平均:60.83	1.17
17y	62/62/63	61/60.5/61.5
17y	平均:62.33	平均:61	1.33
18y	62.5/61.5/63	60/61.5/62.5
18y	平均:62.33	平均:61.33	1.0
19	59.5/60/59.5	58/58/57.5		见图3
19	平均:59.67	平均:57.83	1.84
20	59.5/59.5/59.5	58/58.5/57.5
20	平均:59.5	平均:58	1.5
21	60/60/58.5	57.5/58/58.5
21	平均:59.5	平均:58	1.5
22	59.5/59/59	57/57.5/56
22	平均:59	平均:56.83	2.17
23y	62.5/62.5/62	60.5/61.5/61.5
23y	平均:62.33	平均:61.17	1.16
24y	62/62.5/62.5	61/61.5/61.5
24y	平均:62.33	平均:61.33	1.0
25y	63/63.5/64	62.5/62.5/61.5
25y	平均:63.5	平均:62.17	1.33
26y	61/61.5/60.5	59/58.5/59.5
26y	平均:61	平均:59	2.0
27y	62/61/62.5	59/61/60
27y	平均:62	平均:60	2.0
28	59.5/59.5/59	57/57.5/57.5		见图4
28	平均:59.33	平均:57.33	2.0
29	59/59/59	57./57/58.5
29	平均:59	平均:57.67	1.33
30	59.5/59/60	59/58.5/58.5
30	平均:59.5	平均:58.67	0.83
31	59.5/60/60	58/57.5/58
31	平均:59.83	平均:57.83	2.0
32y	61/61.5/61	58.5/59.5/59
32y	平均:61.17	平均:59	2.17
33y	61.5/62/62	61/61.5/59
33y	平均:61.83	平均:60.5	1.33
34y	62/62.5/62.5	61/61.5/62
34y	平均:62.33	平均:61.5	0.83
35y	64/63.5/63	62.5/62.5/62.5
35y	平均:63.5	平均:62.5	1.0
36y	63/63.5/63	62/62.5/61.5
36y	平均:63.17	平均:62	1.17

　　从表2中可以看出,冲头部比冲身部硬度值低,平均低1.35HRC。为什么同一根乃至同一批冲杆热处理后会出现冲头部硬度比冲身部硬度低的现象呢？经分析研究，其原因是由于冲头直径比冲身直径小，当冲杆在盐浴炉中加热到可以出炉时，从出炉至进入油池淬火前的时间段冲头部位比冲身部位温度降得快，在进入油的一刹那温度稍低，从而形成冲头硬度比冲身硬度稍低的现象。

2.3磨加工与尺寸检测

　　按照冲模图纸及改进的冲头颈部结构（见图1～图4）进行磨削精加工，并将实测的冲头对冲身的同轴度、下冲杆总长公差值记录在表4中。

2.4压片试验与压片后尺寸变化检测

2.4.1压片试验设备: 聊城万合工业制造有限公司生产的ZP35D旋转式压片机。

2.4.2压片所用冲模:上述已编号的下冲杆35支,并配齐上冲杆、中模各35支。

2.4.3压片状态: 模拟片剂生产企业的实际生产状态。

2.4.4为保证试验具有一定的规律性，不形成偏压。将编号1～35的下冲杆（剩余36y号备用）按两种硬度间隔装在转台冲杆孔1～35编号孔内。见表3。

表3 转台孔编号与下冲杆编号对照表

转台孔编号	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
下冲杆编号	1	5y	2	6y	3	7y	4	8y	9y	10	14 y	11
转台孔编号	13	14	15	16	17	18	19	20	21	22	23	24
下冲杆编号	15 y	12	16 y	13	17 y	18 y	19	23 y	20	24 y	21	25 y
转台孔编号	25	26	27	28	29	30	31	32	33	34	35
下冲杆编号	22	26 y	27 y	28	32 y	29	33 y	30	34 y	31	35 y

2.4.5压片试验分3次进行，试验压片力逐次增大。第一次转速30转/分，时间45分钟；第二次转速28转/分，时间45分钟；；第三次转速20转/分，时间45分钟。检测并记录每次压片后的尺寸变化值。压片后尺寸变化检测值见表4。

表4 下冲杆同轴度、总长变化实测值对照表单位:mm

项目编号	同轴度（Ф0.02）				总长公差（0～0.05）
项目编号	试压前	试压后①	试压后②	试压后③	试压前	试压后①	试压后②	试压后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*	断裂	0.045	0.045	*0.01*	断裂
35y	0.008	*0.01*	*0.06*	断裂	0.03	*0.02*	*0.01*	断裂
36y	0.01	未用			0.04	未用

说明:表4中的数字为粗斜体,且下面带“--”者为压片试验后尺寸有变化,表示下冲杆已发生弯曲变形。

3检测分析与检测结果汇总

3.1冲杆热处理硬度值最佳范围的确定

3.1.1从表2《冲身、冲头硬度（HRC）实测值对照表》中可以计算分析出，冲头部硬度比冲身部硬度值平均低1.35HRC。

3.1.2从表4《下冲杆同轴度、总长变化实测值对照表》中可以分析出，大部分编号的下冲杆都已发生不同程度的弯曲现象（同轴度放大、总长变短）。其中第34y号、35y号下冲杆发生断裂现象。只有5支编号为14y、15y、16y、17y、18y的下冲杆同轴度、总长尺寸基本没有发生变化，即基本没有发生弯曲变形。这5支下冲杆所对应的平均硬度值为：冲身（62.33+62.93+62+62.33+62.33）÷5=62.38HRC；冲头（61.17+61.67+60.

83+61+61.33）÷5=61.2HRC。

3.1.3将以上冲身、冲头平均硬度值进行修正处理后，冲杆热处理硬度值最佳范围：冲身60～64HRC；冲头59～63HRC。

3.2冲头颈部最佳结构的确定

　　从图1～图4、表2和表4中同样可以分析出，只有编号为14y、15y、16y、17y、18y的5支下冲杆基本没有发生弯曲变形，其所对应的冲头颈部结构为图2所示结构，此结构为最佳结构。其余3种结构都有不同程度的弯曲变形或断裂现象。

4结语

　　通过以上工艺试验与检测分析，找出了影响小规格冲模机械强度的主要因素，检测分析后得出了冲杆热处理硬度值的最佳范围和冲头颈部的最佳结构。这无论是对模具生产企业还是模具使用单位，都具有良好的指导意义。聊城万合工业制造有限公司从事片剂制药设备和模具的设计与生产已有四十多年的历史。自2006年验证结束至今，按上述验证的硬度最佳值范围和冲头颈部的最佳结构所生产的小规格冲模经用户使用，冲头颈部未发生过弯曲变形和断裂现象，效果显著。

[参考文献]

[1] 中华人民共和国制药机械行业标准《压片机药片冲模》，JB20022-2004

作者简介：庞玉申（1964-），男，山东聊城人，工程师，研究方向：制药设备和药片模具的设计与工艺。

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