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嘉峪檢測網(wǎng) 2021-08-11 12:55
每一個壓片機用戶在片劑生產(chǎn)中不時會遇到與沖模沖頭破裂有關(guān)的問題。沖頭破裂產(chǎn)生的后果是很嚴(yán)重的，它遠(yuǎn)不止只是調(diào)換沖模而產(chǎn)生的沖模成本問題，還會引起片劑的批量報廢、額外增加對片劑檢驗的工作量、以及對操作者和設(shè)備造成損害等相關(guān)問題。因此，片劑生產(chǎn)廠家經(jīng)常會向沖模供應(yīng)商（或者壓片機生產(chǎn)商）提出“我的某某形狀片形，在沒有造成沖頭破裂的情況下，能用多大的壓片力來壓片？”等問題。事實上，一些國外的壓片機生產(chǎn)商和沖模供應(yīng)商已推導(dǎo)出“用于確定各種沖頭的最大壓片力允許值的圖表”，最初的應(yīng)用局限于凹形面圓片和平面斜邊形圓片等高速壓片沖模（以下簡稱沖模），隨著異形沖模的應(yīng)用越來越普遍，出現(xiàn)了異形沖模借用圓形沖模數(shù)據(jù)的現(xiàn)象，充其量只不過是異形沖模壓片力的粗略近似值罷了。片劑生產(chǎn)廠在使用中發(fā)現(xiàn)公布的“用于確定各種沖頭的最大壓片力允許值的圖表”中的沖模數(shù)據(jù)在一些情況下過于保守，而在其他情況下又顯得不夠，缺乏應(yīng)有的準(zhǔn)確性。目前，我們國內(nèi)的沖模供應(yīng)商和壓片機生產(chǎn)商對各種片形沖模承載能力及壓片力許用值的研究還處于較落后的狀況，這方面的空白點存在，必然會給片劑生產(chǎn)廠家的生產(chǎn)帶來諸多的不便。
可見，建立高速壓片沖模片形面壓片力額定值的計算方法，了解和掌握各種沖模片形面在壓片時所能承受壓片力的極限值，并能在片劑生產(chǎn)中合理地加以使用，同時又在壓片機的過載保護(hù)機構(gòu)上正確地設(shè)置沖模過載保護(hù)值，以減少沖頭破裂而造成一系列的危害很有必要。為此，本文針對中華人民共和國制藥機械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《高速壓片沖模（T系列）：尺寸與片形》[標(biāo)準(zhǔn)編號：JB/T 20080.1-2006]所提出的片形，根據(jù)對幾百種圓形、橢圓形和膠囊形片劑進(jìn)行的有限元分析，形成一種用于確定高速壓片沖模（T系列）片形面壓片力額定值的計算準(zhǔn)則。
1 沖模片形面壓片力額定值F的計算
1.1 計算凹面圓形、膠囊形和橢圓形沖模片形面壓片力額定值
凹面圓形、膠囊形和橢圓形沖模的片形面可分為兩種[1]：
（1）凹形面的圓形片如圖1所示、膠囊形片如圖2所示和橢圓形片如圖3所示；（2）具有復(fù)合片形面的圓形片如圖4所示和橢圓形片如圖5所示，一般來說，復(fù)合片形面在每個軸線方向上具有2個或2個以上圓弧半徑的片形。
由于膠囊形和橢圓形沖模的片形面短軸線（即片劑寬度）、長軸線（即片劑長度）和結(jié)構(gòu)的變化范圍很大，因此不能簡單地用一些國外壓片機生產(chǎn)商和沖模供應(yīng)商推導(dǎo)出的“用于確定各種沖頭的最大壓片力允許值的圖表”來轉(zhuǎn)換這種類型的沖模片形面的壓片力額定值。
大量數(shù)據(jù)分析和實踐表明：可施加在圓形、膠囊形和橢圓形沖頭片形面的壓強（即每單位面積的力）P與片形面形狀因素W有著非常密切的聯(lián)系，所謂的片形面形狀因素W被定義為片形深度與片劑寬度（短軸線）的尺寸之比[2]。以下的“凹面沖模片形面允許壓強值與片形面形狀因素之關(guān)系查詢表” [2]如表1所示列出了凹面圓形、膠囊形和橢圓形沖模的片形面形狀因素W與沖頭片形面允許壓強值P之間的關(guān)系。表中的允許最大壓強值P的數(shù)據(jù)是以W18Cr4VCo5鋼和5CrW2Si鋼的材質(zhì)為樣本，采用有限元分析法模擬實際片形面受力而導(dǎo)出的[3]。我們可根據(jù)片形面形狀因素W，得出與此相對應(yīng)的沖頭片形面的允許壓強值P，再將可允許施加沖頭片形面的壓強值P乘以沖頭的截面積，從而得出沖模片形面壓片力額定值F。
分析研究表明，對于其它片形刃邊面寬度的沖模（包括片形刃邊面寬度為0.127 mm的），亦可直接使用以下公式，如表2所示求得允許最大壓強值P [2]：
凹面圓形、膠囊形和橢圓形沖模的沖頭片形面最大壓片力額定值的計算包括以下4個步驟 [2]：
第1步：計算片形面形狀因素W
（1）對于凹形面的圓形片、膠囊形片和橢圓形片如圖6、圖7所示，通過將片形深度H除以片劑寬度（即短軸線）D，得到片形面形狀因素W，即
W＝H÷D（1）
（2）對于復(fù)合片形面的圓形片和橢圓形片如圖8所示，通過將片形深度當(dāng)量值He除以片劑寬度當(dāng)量值De，得到片形面形狀因素W，即
W＝He÷De （2）
而片形深度當(dāng)量值He和片劑寬度當(dāng)量值De可用片形短軸線圓弧（在片劑寬度方向）來確定，如圖8上的假想線所示。確定這些當(dāng)量值尺寸的方法有：
1）圖解法。在圖8上延伸片形短軸線圓弧，直到與片形刃邊面的平面相交為止，然后用標(biāo)尺測量He和De。
2）計算法。如果已知片形短軸線弧度的中心位置如見圖8所示，則可直接計算He和De，計算方法如下：
He＝R－Y （3）
式中 R——片形短軸線圓弧半徑（在片劑寬度方向）；
Y——片形短軸線圓弧中心至片形刃邊面的距離。
De＝2×X （4）
式中 X——片形短軸線圓弧中心至片劑外測環(huán)壁面的距離。
第2步：確定沖頭片形面允許最大壓強P
沖頭片形面允許最大壓強值P的確定有以下兩種方式：
（1）對于片形刃邊面寬度為0.127 mm的沖模，根據(jù)計算所得片形面形狀因素W，直接查找“凹面沖模片形面允許壓強值與片形面形狀因素之關(guān)系查詢表”見表1，得到與W相對應(yīng)的沖頭片形面允許最大壓強值P（kN /mm2）。如果計算所得W值在表1中居于兩個值之間，則需用內(nèi)插值替換法求得沖頭片形面允許最大壓強值P（kN/mm2）。
（2）對于其它片形刃邊面寬度的沖模（包括片形刃邊面寬度為0.127 mm的），可直接使用公式如表2所示求得允許最大壓強值P（kN /mm2）。
第3步：計算沖頭片形面截面積S
經(jīng)分析推導(dǎo)，計算沖頭片形面截面積S可用以下公式來計算（注：片劑寬度D和片劑長度L尺寸應(yīng)以mm為單位）：
（1）對于圓形沖模：
S＝0.785×D2 （mm2）；（5）
（2）對于膠囊形沖模：
S＝0.785×D2＋D×（L－D）（mm2）；（6）
（3）對于橢圓形沖模：
S＝0.785×D×L （mm2）。（7）
用上述公式可求得圓形、膠囊形和橢圓形沖模沖頭的截面積。其中，對于橢圓形沖模來說，以上截面積的計算值一個是近似值，誤差通常在實際沖頭截面積的5％范圍內(nèi)，而且所有誤差均偏向保守（即計算值小于實際沖頭截面積），不會對沖模片形面最大壓片力額定值F的計算產(chǎn)生較大影響，因此這些誤差可忽略不計。
第4步：計算沖模片形面最大壓片力額定值F
接下來通過將沖頭片形面允許最大壓強P乘以沖頭片形面截面積S的公式，求得沖頭的的沖模片形面最大壓片力額定值F，即F＝P×S （kN）。（8）
1.2 30°斜邊角度的平面斜邊圓形片、膠囊形片和橢圓形片沖模片形面最大壓片力額定值F的計算
大量分析和實踐表明，平面斜邊形沖模片形面最大允許壓力的大小取決于斜邊角度和片形深度，而受沖模直徑和形狀的影響很小。標(biāo)準(zhǔn)的平面斜邊形沖模設(shè)計包括了斜邊角度為30°和斜邊與平面之間半徑為0.38 mm的倒角圓弧[1]如見圖9所示。
30°斜邊角度的平面斜邊形沖模的沖頭片形面壓強額定值與片形深度之關(guān)系查詢表如表3所示，列出了片形深度H與沖頭片形面允許最大壓強值P之間的關(guān)系。
表3中的允許最大壓強值P的數(shù)據(jù)是以W18Cr4VCo5鋼和5CrW2Si鋼的材質(zhì)為樣本進(jìn)行有限元分析獲得，該表僅適用于材質(zhì)為W18Cr4VCo5和5CrW2Si鋼，且片形刃邊面寬度為0.076 mm、具有30°斜邊角度的、圓形和異形的平面斜邊形沖模。此沖模的圓形或異形最大壓片力額定值的計算有以下3個步驟[2]：
第1步：確定沖頭片形面允許最大壓強P
根據(jù)片形面深度H，直接用“30°斜邊角度的平面斜邊形沖模的沖頭片形面壓強額定值與片形深度之關(guān)系查詢表”見表3，來確定沖頭片形面允許最大壓強值P（kN/mm2）。
第2步：計算沖頭片形面截面積S
經(jīng)分析，30°斜邊角度的平面斜邊形沖模的片形面截面積S的計算方法與凹面圓形、膠囊形和橢圓形沖模的計算方法相同，因此，計算沖頭片形面截面積S的公式如下（注：片劑寬度D和片劑長度L尺寸應(yīng)以mm為單位）：
（1）對于圓形沖模：
S＝0.785×D2 （mm2）；（5）
（2）對于膠囊形沖模：
S＝0.785×D2＋D×（L－D）（mm2）；（6）
（3）對于橢圓形沖模：
S＝0.785×D×L （mm2）。（7）
第3步：計算沖模片形面最大壓片力額定值F
通過將沖頭片形面允許最大壓強P乘以沖頭片形面截面積S的公式，求得沖頭的的沖模片形面最大壓片力額定值F，即F＝P×S （kN）。（8）
1.3 平面圓弧的圓形片、膠囊形片和橢圓形片沖模片形面最大壓片力額定值F的計算
平面圓弧形沖模片形面設(shè)計實際上是平面斜邊形片形面的擴(kuò)展如圖10所示。對于圓形沖模來說，平面圓弧形和平面斜邊形這2種沖模的片形深度設(shè)計是相同的[1]，因此平面圓弧形的圓弧是從片形刃邊面延伸至片形面平面，正好包含在30°斜邊角度內(nèi)。換言之，對照標(biāo)準(zhǔn)的平面斜邊形沖模的片形面，平面圓弧形片形面的圓弧在與片形刃邊面相交處正好與平面斜邊形的斜邊相切如圖11所示。
因此，平面圓弧形片形面上的圓弧半徑R可用下列公式表示：
R＝H÷（1－cos 30°）＝7.464×H （9）
式中 R——圓弧半徑；
H——片形深度；
30°——斜邊角度。
“平面圓弧形沖模的沖頭片形面壓強額定值與片形深度之關(guān)系查詢表”如表4，列出了片形深度H與沖頭片形面允許最大壓強值P之間的關(guān)系。表中的允許最大壓強值P的數(shù)據(jù)是以W18Cr4VCo5鋼和5CrW2Si鋼的材質(zhì)為樣本進(jìn)行有限元分析獲得，該表適用于W18Cr4VCo5和5CrW2Si鋼材料，且片形刃邊面寬度為0.076 mm、具有平面圓弧形設(shè)計的、圓形和異形的平面圓弧形沖模。
由表4以及相關(guān)研究表明，所有滿足以上條件的平面圓弧形片形面在幾何形狀上是相似的，因而它們的片形面允許最大壓強值P也是近似相等的，為了便于計算，我們將滿足以上條件的任何平面圓弧形沖模的允許最大壓強P統(tǒng)一取值為0.616 kN/mm2，該數(shù)值是表4中所有允許最大壓強值P的平均值。
同樣，平面圓弧形沖模的片形面截面積S的計算方法與凹面圓形、膠囊形和橢圓形沖模的計算方法相同?？梢姡覀冊谟嬎闫矫鎴A弧形的圓形或異形沖模的最大壓片力額定值F時，只要將該沖模的片形面截面積乘以允許最大壓強值0.616 kN/mm2，即可得該沖模的最大壓片力額定值F。
2 沖模片形面最大壓片力額定值的計算實例
2.1 以凹形面的膠囊形沖模為例計算其片形面最大壓片力額定值F
已知某一凹形面的膠囊形沖模片形面如圖12所示，其尺寸：長軸線L=17 mm，短軸線D=7 mm，深凹形片形面，片形深度H=1.354 mm，片形刃邊面寬度為0.127 mm，以及沖模的鋼材質(zhì)為5CrW2Si，其片形面的最大壓片力額定值F計算如下：
2.1.1 計算片形面形狀因素W
用公式1，得W＝H÷D＝1.354÷7＝0.193 4。
2.1.2 確定沖頭片形面允許最大壓強P
根據(jù)上述計算所得片形面形狀因素W值等于0.193 4，以及已知片形刃邊面寬度為0.127 mm和沖模的鋼材質(zhì)為5CrW2Si，查表1可知，以上計算所得的片形面形狀因素W值0.193 4介于表1中0.190與0.200之間，因此用內(nèi)插值替換法先查得0.190的W值對應(yīng)的允許最大壓強值為0.369（kN/mm2），0.200的W值對應(yīng)的允許最大壓強值為0.334（kN/mm2），然后計算得
P=0.193 4－0.1900.334－0.369/0.200－0.190+0.369=0.357 1 kN/mm2。
2.1.3 計算沖頭片形面截面積S
由于是膠囊形沖模，用公式6，得
S＝0.785（D2）＋D（L－D）＝0.785（72）＋7（17－7）＝108.465 （mm2）。
2.1.4 計算沖模片形面最大壓片力額定值F
用公式8，得F＝P×S＝0.357 1 （kN/mm2）×8.465 （mm2）＝38.733 （kN）。
2.2 以復(fù)合片形面的橢圓形沖模為例計算其片形面最大壓片力額定值F
已知某一復(fù)合片形面的橢圓形沖模片形面，如圖13所示的尺寸：長軸線L=16 mm，短軸線D=8 mm，片形深度等值He=1.63 mm，片形短軸線圓弧半徑R=2.4 mm，片劑寬度等值De=4.82 mm，X=2.41 mm，Y=0.77 mm，片形刃邊面寬度為0.102 mm，以及沖模的鋼材質(zhì)為Cr12MoV，其片形面的最大壓片力額定值F計算如下：
2.2.1 計算片形面形狀因素W
（1）用圖解法。在圖上將片形短軸線圓弧R延伸，直到圓弧R與片形刃邊面的平面相交為止；然后用標(biāo)尺測量得He和De，用公式2，得
W＝He÷De＝1.63÷4.82＝0.338。
（2）用計算法。已知片形短軸線圓弧R的中心相對于片劑外測環(huán)壁面的距離X和片形刃邊面的距離Y，則直接用公式3和公式4來計算He和De，
He＝R－Y=2.4－0.77＝1.63，
De＝2×X＝2×2.41＝4.82，
然后用公式2，得
W＝He÷De＝1.63÷4.82＝0.338。
2.2.2 確定沖頭片形面允許最大壓強P
已知片形刃邊面寬度為0.102 mm，故不能以表1“凹面沖模片形面允許壓強值與片形面形狀因素之關(guān)系查詢表”來確定允許最大壓強值P，因此采取表2中片形刃邊面寬度為0.102 mm對應(yīng)的公式，即
P=10[0.3775－4.3861×W ]=10[0.3775－4.3861×0.338]=0.078 5 （kN/mm2）。
由于沖模的鋼材質(zhì)為Cr12MoV，則根據(jù)表2，對于材質(zhì)為Cr12MoV鋼的沖模允許最大壓強值P應(yīng)降低20％（即乘以0.80），因此得允許最大壓強值P＇：
P＇＝0.80×P＝0.80×0.078 5＝0.062 8 （kN/mm2）。
2.2.3 計算沖頭片形面截面積S
對于橢圓形沖模，用公式7，得
S＝0.785×D×L＝0.785×8×16＝100.48 （mm2）。
2.2.4 計算沖模片形面最大壓片力額定值F
用公式8，得
F＝P＇×S＝0.0 628 （kN/mm2）×100.48 （mm2）＝6.312 （kN）。
2.3 以平面圓弧形的圓形沖模為例計算其片形面最大壓片力額定值F
已知某一平面圓弧形的圓形沖模片形面如圖14所示的尺寸：片徑D=9 mm，片形深度H=0.364 mm，片形刃邊面寬度為0.076 mm，以及沖模的鋼材質(zhì)為CW6Mo5Cr4V3，其片形面的最大壓片力額定值F計算如下：
2.3.1 確定沖頭片形面允許最大壓強P
根據(jù)已知條件，統(tǒng)一取允許最大壓強值P為0.616 kN/mm2。同時，該沖模的鋼材質(zhì)為CW6Mo5Cr4V3，則根據(jù)表4的要求，對于CW6Mo5Cr4V3鋼，其沖模允許最大壓強值P應(yīng)降低10％（即乘以0.90），因此得允許最大壓強值P＇：
P＇＝0.90×P＝0.90×0.616＝0.5 544 （kN/mm2）。
2.3.2 計算沖頭片形面截面積S
由于是圓形沖模，用公式5，得
A＝0.785×D2＝0.785×92＝63.585 （mm2）。
2.3.3 計算沖模片形面最大壓片力額定值F
用公式8，得
F＝P＇×S＝0.5 544 （kN/mm2）×63.585 （mm2）。
＝35.2 515 （kN）
3 結(jié)束語
以上所述的高速壓片沖模（T系列）片形面最大壓片力額定值F的計算準(zhǔn)則，在解決“片劑生產(chǎn)中沖模究竟能承受多大壓片力”這類問題時不失為一種常用的而又有效的方法，并為計算高速壓片沖模（T系列）片形面壓片力額定值提供了科學(xué)依據(jù)。建立上述的計算準(zhǔn)則，對避免沖模沖頭因過載而破裂，延長沖模的使用壽命，規(guī)范壓片機的操作過程，規(guī)避因沖模破裂而產(chǎn)生的風(fēng)險，提高生產(chǎn)效率，有著十分積極的意義。
來源：丁香園
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