关于香烟硬盒包装卡纸切刀的工艺性研究及改进

李治 李少鹏 付韵哲 李刘通 李志刚 刘晓姗

摘要： 香烟硬盒包装机中的卡纸厚度厚，形状复杂，因此切割难度较大，再加上包装机的生产速率较快，这对卡纸切刀就提出了需具有高硬度及高耐磨性的要求。目前的工艺为对其进行渗氮后精磨，但加工成品率只有10%–20%，浪费了大量的资源。本文将对其加工成品率低的原因进行分析，提出改进方案，并通过方案的对比，提出了一种改进工艺，不仅将加工成品率提升为100%，并且延长了切刀的使用寿命。

关键词： 包装机;卡纸切刀;工艺制造方法;热处理

前言

随着工业4.0时代的到来，各生产企业都争分夺秒地乘上智能化生产的浪潮，这其中就包括了烟草行业。早在上世纪80年代，烟草行业就已经实现了全面自动化和生产线的柔性联接，其中包括了打叶复烤线、卷烟机、包装机、自动化物流线等设备。包装机起着将零散支烟包装为整包烟的重要作用，为烟草行业自动化生产提供了强有力的支撑。目前主流的包装形式分为软盒包装与硬盒包装，各烟草公司为扩大市场的占有率，在烟支规格以及包装辅料上不断创新，其中以硬盒包装为主。硬盒包装包含商标纸、铝箔纸、卡纸、透明纸等辅料，除商标纸为单张成型辅料外，其余辅料均需切刀切割成型，这其中由于卡纸的厚度及形状原因，其切割难度较大，再加上包装机的生产速率较快，因此对切刀就提出了需具有高硬度及高耐磨性的要求。

为适应不同烟支规格以及辅料的改变，包装机就需要进行不同的改造，这其中卡纸切刀在每次的改造中都会因为辅料及烟支规格的改变而需要进行重新设计，而卡纸切刀的工艺制造方法又比较复杂，废品出现率较高，因此对其进行工艺性研究的必要性就不言而喻了。

卡纸切刀结构分析与工艺路线

硬盒包装中的卡纸对于外形有特定的技术要求，因此卡纸切刀就需根据卡纸外形进行设计，其结构形式如图1：

卡纸切刀的整体形状为一根阶梯轴，中间的凸台为刀刃，一个圆周上分布8条刀刃，切刀在工作时与卡纸的接触面只有刀刃，因此刀刃需具有高硬度与高耐磨性。为满足切刀的这两点要求，选择切刀的材料为4Cr5MoSiV1，选择的热处理方式为渗氮，要求层深为0.1mm–0.15mm，硬度为660HV–760HV。为达到切刀的精度及技术要求，常用工艺路线如下：

球化退火—粗车—调质—半精车—粗磨—粗铣—半精铣—半精磨—渗氮—精磨—精铣

为尽量减少渗氮的变形量，采用的渗氮方式是离子渗氮，摆放方式为零件垂直放置。

工艺制造问题及分析

为满足切刀的精度及热处理要求，工艺路线已充分考虑应力及变形量问题，但在加工过程中的精磨工序仍旧出现了问题。在精磨刀刃时，经常会发生将刃口磨崩的现象，投产成品率只能保证在10%～20%，因此每次都需要进行大量投产，造成了不必要的浪费。

通过分析切刀结构及崩口组织状态发现产生问题的主要原因如下：1.切刀刀刃较薄，宽度只有0.02mm–0.04mm，磨削时产生的集中应力较大;2.渗氮后由于层深较浅，造成外部与内部组织形态不同;3.渗氮表面虽硬度较高，但脆性也较大，不耐冲击。

改进方案与比较

基于以上产生问题原因分析，提出了改进思路。虽然刀刃宽度较小，但由于需要将卡纸切断，因此刀刃宽度无法进行改变，而渗氮处理的目的是提高耐磨性和保证切刀变形量控制在技术规定的范围内，因此提出重新选择材料及热处理方式的改进思路，在保证硬度及耐磨性能变化不大的情况下，提升刀刃的机械加工性能和使用寿命。

方案一：材料选用Cr12MoV，热处理方式选用真空淬火

方案二：材料选用W6Mo5Cr4V2，，热处理方式选用真空淬火

方案一和方案二材料化学元素如下表：

从物理性能来看，方案一所选材料为冷作模具钢，方案二为刀具钢，二者的淬火后硬度都能满足技术要求，但红硬性能上方案二优于方案一，淬火处理后的变形量上方案一小于方案二。基于对切刀实际工作环境的分析，对于红硬性能并没有要求，因此淬火后变形量小的方案一占有明顯优势，并且方案一的材料在保证零件到达最佳使用效果的同时在成本上能节约材料成本。

从热处理来看，为保证最小的淬火变形量，选用真空淬火方式，但因两个方案均存在真空淬火时金属元素外溢的现象，因此需要进行分压处理充入99.99%的氮气进行保护。方案一属于冷作模具钢，根据Fe–Fe3C相图在预先热处理时只需要调质处理，方案二属于钼系高速钢，合金含量高，淬火温度范围窄，淬火加热时容易晶粒长大，过热敏感性高，故为保证后续工件的红硬性和最终热处理后达到使用要求，预先热处理要经过多次循环退火，时间成本大于方案一。根据Fe–Fe3C相图钼系高速钢要达到奥氏体化温度，因此方案二的保温温度高于方案一。基于成本与节约能源角度考虑，方案一优于方案二。

通过以上方案比较，最终确定使用方案一进行试制，试制工艺路线如下：

粗车—调质—半精车—粗磨—粗铣—半精铣—半精磨—真空淬火—精磨—精铣

试制投产10把卡纸切刀，完成成品率为100%。

归纳与总结

改进前后对照表：

热处理金相组织对比图。

图3为氮化组织金相图，图2为真空淬火后组织金相图，从两种金相组织上可以看出，氮化组织是ε+γ白亮层，此白亮层的特点就是硬度高，但脆性大，容易在加工中产生脱落，崩口，造成切刀加工成品率不高;真空淬火后组织是均匀致密的回火马氏体+部分索氏体，大大提升了切刀的成品率，并且大幅度提高了产品使用寿命。

最终确认的工艺路线为：粗车—调质—半精车—粗磨—粗铣—半精铣—半精磨—真空淬火—精磨—精铣，这种工艺路线对切刀的加工性能及使用性能具有明显的优化效果，并且大大的节约了能源及成本。

通过此次卡纸切刀的工艺改进，可以总结出材料及热处理方式对机加工性能的影响非常巨大，因此在满足使用需求的前提下应尽可能地选择易于加工的材料及热处理方式，这可以大大地提升效率及降低成本。

参考文献

中国机械工程学会热处理学会《热处理手册》编委会.热处理手册工艺基础[M].机械工业出版社，2001.

中国机械工程学会热处理学会《热处理手册》编委会.热处理手册典型零件热处理[M].机械工业出版社，2001.

云南烟草科学研究院. FOCKE包装机组[M].云南科技出版社，2000.