顆粒機環模設計及應用---方孔不銹鋼環模

溧陽市匯達機械有限公司    蔣希霖 朱建東

環模顆粒機廣泛應用于飼料的加工、秸桿木屑等生物質能的顆粒成型、復合肥的生產、萬壽菊顆粒壓制、石油及塑料粒子的生產中。不同物料選用不同的制粒機，但其核心部份是制粒機環模。它對提高產品品質和產量，降低能耗（制粒能耗占整個車間總能耗30％-35％），減少生產成本（環模損耗一項費用占整個生產車間的維修費25％-30％以上）等方面影響*。一般玉米為主的飼料生產中約占到1-1.5元/噸左右，在秸桿木屑等纖維狀物料的生產中約占到18-48元/噸料；同時也是制粒機zui易磨損的零件之一，因此，了解環模的設計及應用，并對環模進行正確的選用、合理的使用以及有效的保養，對于飼料生產者來說是至關重要的。下面對環模的設計及其選用、使用和保養作些淺析，以供大家參考。

１環模直徑和環模有效壓制寬度等參數的確定

a、環模直徑和有效寬度是環模的主要參數：

首先根據國內外制粒機參數及優先數列確定環模直徑系列：250、300、320、350、400、420、508、558、678、768等;相對功率為15、22、37、55、75/90、90/110、132/160、180/200、220/250、280/315;根據等有效壓制面積等功率之比值（一般14～22cm2/kW）,確定環模有效寬度（有效寬度是指環模中間與壓棍接觸部份）。另外很多國內制粒機是吸收*，所以也有不少環模直徑采用英制尺寸或近似值，如：SZLH3016環模直徑16英寸（406,407）、SZLH3020環模直徑20英寸（508）、SZLH3022環模直徑22英寸（558）、SZLH7726環模直徑26英寸（660）、304環模等。

b、環模的轉速的確定

環模轉速與機器本身的幾何參數（壓輥個數、模孔直徑、深度等）相關。根據資料和多年來國內制粒機的技術參數及對國外樣機的數據檢測,對于采用二個壓輥的環模制粒機,以環模內徑處線速度（也叫環模線速度）4-8m/s較為合適,它的高低影響到擠壓區內的料層厚度及物料通過模孔的時間，進而影響制粒機產量和顆粒質量。線速度過高時，相同產量條件下環模每轉產出顆粒少，擠壓區內料層薄，軸向料層分布不均勻，有可能使擠壓區內的物料形成斷層，制粒不連續，制出的顆粒松軟，軸向壓出顆粒長度不勻，粉料多，而且對于水分含量較高的物料還易打滑，甚至根本不能制粒；較低的環模線速度雖然制出的顆粒質量好，但對產量影響較大。

c、 壓輥直徑的確定

顆粒形成的基本原理如圖。它是通過環模和壓輥之間相互的擠壓力，克服物料通過模孔的阻力，從而達到制粒的目的。（擠壓原理圖見圖一）

相同環模下，壓棍直徑越大，環模和壓棍之間型成的三角擠壓范圍越大，越利于擠壓作用。理論上單輥的壓輥直徑可做得zui大，擠壓時間，擠出效果應，但在機器運轉時，壓輥和壓模之間的作用力在主軸、主軸軸承、空軸等之間傳遞，所以單輥制粒機的主軸、主軸軸承、空軸等機械結構粗大，只在小型實驗室制粒機及難于制粒的大型秸桿壓塊機中運用。雙壓輥制粒機的兩只壓輥之間擠壓力F1和F2相在主軸頭上平衡;壓模上的反作用力F1’和F2’相互抵消，設備上的主軸（主軸軸承處）、主軸軸承、空軸上受力小，機械結構小，是實際中使用zui多的機型。根據經驗確定壓輥外徑與壓模內徑比為0.475,并圓整后確定壓輥直徑。三輥制粒機三輥之間受力也能平衡，但壓輥和壓模內徑比不高。另外對用于秸桿木屑等纖維狀物料的制粒機，壓輥之間不平衡力（兩擠壓力F1-F2之差）須和壓模上的反作用力之差（F1’-F2’）通過主軸、主軸軸承、空軸來抵消，所以主軸（主軸軸承處）、主軸軸承、空軸、環模、壓棍的結構都要加強。

單輥擠壓室：Ｌ為壓輥中心和壓模中心在擠壓力垂直方向上距離；擠壓力作用在環模的力Ｆ1’；轉速一定條件下，Ｌ＊Ｆ1’正比于輸入功率。壓輥和壓模中心越小，Ｌ越小，擠壓力Ｆ1’越大。

另一方面，Ｆ1和Ｆ1’這一對作用力和反作用力必須通過壓輥殼、壓輥軸承、壓輥軸、主軸、主軸軸承、空軸、環模后相平衡。所以F1越大，主軸、主軸軸承、空軸結構必須越大。

這類制粒設備擠壓力zui大，壓縮區范圍大，壓縮平穩；擠壓區范圍大，擠出顆粒質量好，并且回彈量小、擠壓室內摩擦功耗小，功率用于擠出作用多。這類制粒機主要用于小型機和秸桿壓塊機中。

單輥制粒室 

雙輥擠壓室：Ｌ為兩壓輥中心在擠壓力垂直方向上距離；Ｆ1、Ｆ2分別為兩壓輥上的擠壓力，F1’、F2’為作用在環模上的擠壓力（反作用力）；在轉速一定下，（Ｆ1 F2）＊L/2正比于輸入功率，所以中心越大，Ｌ越大，擠壓力越小。

另一方面F1通過壓輥外殼、軸承、壓輥軸、主軸頭和另一對壓輥的F2相平衡；F1’通過環模和F2’相平衡，制粒機的主軸（主軸軸承以后）、主軸軸承、空軸等受擠壓力影響小。

在擠壓秸桿木屑等纖維質物料時F1、F2受力波動大，F1和F2不平衡力（F1-F2）又必須通過主軸、主軸軸承、空軸和環模上的兩個反作用力的差相平衡，這類制粒設備振動大，結構上必須加大加粗。

雙輥制粒室 

圖一、擠壓原理圖

２ 環模材料和熱處理

環模通常由碳素結構鋼、合金結構鋼和不銹鋼經鍛壓、切削、鉆孔、熱處理等工序制成。環模所用的材料和每個加工工序對其使用壽命及制粒質量、產量有直接的影響。碳素結構鋼主要有45鋼，其熱處理硬度一般為HRC45~50，其耐磨性和耐腐蝕性都較差，現基本被淘汰；合金鋼主要有20CrMnTi材料，它是通過表面滲碳等表面熱處理，處理硬度在HRC50以上，并具有良好的綜合力學性能，由此類材料制造的環模強度高，耐磨性好于45鋼，但缺點是耐腐蝕性不好。雖然單只環模成本較低，但使用時噸料生產成本高于不銹鋼環模，現也逐步淘汰；不銹鋼材料主要為4Cr13，這些材料的剛度和韌性都較好，熱處理是整體焠火，硬度大于HRC50，并具有良好的耐磨性和耐腐蝕性，使用壽命較長，噸料環模費用zui低。下面就4Cr13材料環模每個加工工序對其質量影響說明：

a、環模材料成份

對于４Cr13材料的環模，其質量源頭必須從鋼錠開始：4Cr13鋼環模化學成分 （質量分數%）為:Ｃ含量≤0.36～0.45,Ｃr含量12～14,Si含量≤0.60,Ｍn含量≤0.80,S含量≤0.03,Ｐ含量≤0.035；在實際使用中含Cr量12%左右的環模使用壽命比含Ｃr量14%的環模在其它處理相同的條件下，其使用壽命減小1/3以上；所以環模質量的源頭是從鋼淀開始，不僅要確保Cr含量13%以上，還要求大小形狀等符合鍛造。

b、環模鍛打質量

對于４Cr13材料的環模鍛造工藝要求為加熱溫度和時間合適,常見環模鍛造問題是：

１）、加熱溫度過高和時間過長,鍛坯呈黃白色,估計溫度超過1200℃,此時鍛坯易出現表層過燒,整體過熱,組織粗大晶粒不均勻現象;

２）、爐溫均勻性差。加熱過程中因溫度不均勻使鍛件過熱或局部過燒造成晶粒粗大、鍛坯的均質性差。鍛件尺寸越大 ,這種現象就越嚴重。在隨后的熱處理工藝中難以消除這種缺陷 ,也是造成環模開裂的常見原因。

３）、由于鑄錠中存在如偏析、非金屬夾雜物、疏松等缺陷 ,所以要通過鍛造變形來改善和消除 ,這是鍛件達到良好綜合力學性能的基礎。對于縱向橫向性能要求較高的鍛件，應當采用良好的組合鍛造工藝，單一的鍛打工藝難以保證質量。

４）、鍛后冷卻溫度、速度控制不好，如果冷卻速度非常緩慢 ,容易發生奧氏體再結晶 ,已經被鍛造中細化的晶粒會發生異常長大造成混晶，

５）、退火處理：應對環模毛坯的硬度加以控制，其硬度在HB170~220之間為宜，如果硬度過高，鉆孔時鉆頭易斷裂，并造成死孔，硬度過低則影響模孔的光潔度。

c、熱處理對環模質量的影響

4Cr13材料采用整體淬火工藝，淬火是把金屬成材或零件加熱到相變溫度以上，保溫后，使Ｃr合物溶于組織中，以大于臨界冷卻速度的急劇冷卻，以獲得馬氏體組織的熱處理工藝。淬火是為了得到馬氏體組織，再經回火后，使工件獲得良好的使用性能，以充分發揮材料的潛力。制孔后環模應在真空爐中加熱粹火。經真空熱處理的環模,能有效地保證模孔的光滑度（避免了模孔的氧化）。在圓周方向三等分處的每個部位，取不少于3點測硬度平均值，其各部位的硬度值之差應不大于HRC4。

３、環模孔結構、壓縮比、粗糙度及環模模孔加工設備

常見的環模模孔主要有直孔、帶減壓孔、外錐形孔和內錐形孔等。帶減壓孔又稱釋放孔，如圖２所示，不同的模孔形式適合不同種類的飼料原料或不同的飼料配方。同一環模中，越程槽邊上的直孔長度L與環模中心部位的直孔長度L也都不一樣。在壓棍對壓模的壓力和阻力一樣下，越程槽邊的物料容易擠出越程槽，而不進入模孔。所以一般在越程槽邊上兩排帶有減壓孔（或減壓孔長度M大于環模中心的模孔的M），并且*排減壓孔長度M大于第二排，使各模孔出料量*。模孔主要參數有：

d----模孔直徑、T----環模厚度、L----模孔有效厚度、M----減壓孔長度、a----模孔中心距、t----模孔間壁厚、D----環模直徑、E----環模有效寬度、

圖二、模孔圖

a、環模模孔各參數的作用與含義

環模壓縮比I=L/d，它是反映顆粒飼料擠壓強度的一個指標。壓縮比越大，擠出的顆粒飼料越結實。所以環模模孔d確定，飼料配方確定，即環模壓縮比I一定條件下，環模的有效厚度L=I＊d就確定了。

T為環模厚度，它的zui小值T1和環模受力有關，壓棍對環模的擠壓力越大，環模zui小厚度T1越大。當模孔有效厚度L<T1時，為保證環模強度，環模厚度必須T≥T1,所以有一減壓孔M=T-L，即帶減壓孔形環模；當環模有效厚度L≥T1時，一般環模厚度T=L，即直孔形環模;減壓孔孔徑比模孔直徑d大，物料通過減壓孔時不產生摩擦力。

導料錐孔：便于物料流入模孔，環模在使用過程中，導料錐孔磨損zui快，使用過程中須對導料錐孔進行修復。

外錐孔環模主要用于秸桿顆粒、木屑生物質顆粒中。模孔磨大時，模孔直徑d變大時，模孔的長度L也將變長，保證壓縮比I=L/d變化小，確保顆粒的硬度。

環模工作面積、孔的排列和開孔率

1）環模工作面積F=π＊D＊E，環模制粒機的設計功率和環模工作面積成正比，因此功率一定的制粒機，一般環模直徑D和環模有效寬度E成反比，在低產量的水產飼料制粒，為保證環模軸向出料均勻，減小環模有效寬度，則增大環模直徑D。

2）環模模孔按等邊三角形原則排孔。環模開孔率為ψ＝0.9＊（d/a）2=0.9＊[d/（d t）]2,開孔率越高，則出料多。另一方面，模孔間壁厚t越大，則環模強度越大，開孔率越小。對于合金鋼環模,采用表面滲碳焠火工藝，則模孔間壁厚t等于2倍滲硬層加中間軟層，軟層越小，環模越容易開裂，所以要選擇合適的壁厚t來保證環模強度和開孔率。從上面的公式可以看出，一般的規律是，模孔直徑越大，環模開孔率越高。開孔率越高，出料越通暢,但模孔壁厚t減小了，環模強度減小。所以一定要根據強度確定開孔率大小，擠壓力大的草料、秸桿料、木屑等物料環模的開孔率要比飼料環模小一點，保證環模強度，防止環模開裂。

b、粗糙度也是衡量環模質量的重要指標。在同樣的壓縮比下，粗糙度值越大，飼料擠出阻力越大，出料越困難，過大的粗糙度也影響顆粒表面的質量。合適的粗糙度值為應在0.8~1.6之間。在合適的壓縮比下，模孔粗糙度高的新模使用時，必須用帶有研磨砂的油性料研磨30分鐘以上使用，但是采用表面硬化處理的合金鋼環模，易磨掉硬化層，減少環模的使用壽命。現在環模生產制作中，一般在熱處理后加一精鉸工序，增加環模光潔度，保證環模一次出料。

c、環模模孔加工

圖三：環模制孔設備

環模模孔加工設備主要有：多頭鉆（多工位槍鉆）、單頭手工鉆、單頭自動鉆等設備，在設備加工過程中主要出現分度不勻和模孔傾斜問題，其中模孔傾斜又分成徑向向前傾斜、徑向向后傾斜、軸向傾斜三種。（見圖四）

圖四、不正常鉆孔

分度不均，模孔間厚薄不勻，薄的地方容易開裂。模孔軸向傾斜和模孔前傾不利于出料，模孔后傾并與擠壓力方向*，將有利于出料。這些缺陷可在制孔機設備上一次性調整好。

1）、單頭鉆：

單根鉆頭,當環模模孔傾斜時，傾斜方向*，可通過調整鉆座來調整即可。對于單頭鉆分度不均，有分度頭精度產生的不均、有輸入轉角產生的不均:

（1）、手工單頭鉆鉆φ2.5（圓周上兩孔間隔上4.654mm）模孔分度時，輸入一轉360度時，如果zui大手工誤差在±5度計算，兩孔在圓上的間隔zui大誤差4.654＊10/360=0.129mm，則兩孔間隔4.525≤a≤4.783mm,兩孔間壁厚2.025≤t≤2.283mm，產生薄厚誤差率0.129/2.154=6%。分度頭減速比（一般360左右）越大，誤差越小。

（2）、自動單頭鉆，輸入分度由步進電機控制，誤差小于手工的1%以上，對兩孔分度不均無影響。

（3）、分度頭精度自身精度，標準分度頭，一般精度高。

2）、多頭鉆：多根鉆頭鉆同一只環模，

（1）、每只鉆頭同樣有分度不均勻和模孔傾斜問題，誤差情況同單頭鉆。

（2）、多頭鉆的分度頭一般自制（齒盤蕀輪機構）,分度盤直徑為270mm，分度盤上產生0.05mm誤差，則在400mm直徑的環模上產生0.074mm的誤差（誤差放大了）。

（3）、兩只鉆頭之間的角度誤差。多頭鉆安裝時，兩只鉆頭安裝角度不可能達理論值，它們之間的角度誤差直接反映在它們鉆出的孔的分度上。如誤差15’,則在400mm直徑的環模上孔壁厚度誤差達：0.872mm;對于φ2.5（圓周上兩孔間隔上4.654mm）模孔，產生薄厚誤差率0.872/2.154=40%。遠大于手工單頭鉆。

3）、方孔不銹鋼環模鉆頭組件：

有小鉆床改造和高速自動鉆，高速自動鉆轉速快、進給量小，轉孔質量好孔光潔度好，小鉆床改造的有手工鉆和改加步進電機的自動鉆，改加步進電機的自動鉆的進給量、排屑、進給深度等因素都自動控制，制造環模質量好。

所以多頭鉆鉆孔壁厚誤差因素遠比單頭鉆要復雜。鉆頭組件安裝精度差的，可能比手工鉆要差多；自動鉆比手工鉆質量好。

4、環模安裝方式（見圖五）<