（机械设计及理论专业论文）马口铁铝塑复合易拉盖的成型工艺及其生产设备的研究.pdf

马口铁一铝塑复合易拉盖的成型工艺及其生产设备的研究 摘要 马口铁铝塑复合易拉盖是一种新型的复合型易拉盖，它既具有铝制易拉盖 质轻、外观美、耐腐蚀、防伪的优点，又具有马口铁制盖强度好的特点，适 用于粉状、颗粒状等食品的罐装包装中，在保留了传统罐盖密封性好，阻隔 性好的同时解决了传统罐装食品容器开启难、易伤手的技术难题。 在马口铁市场价格不断上涨，消费者消费观念逐渐改变的现状下，本课题 所研究的复合型易拉盖为金属容器包装行业提供了新的产品选择。该产品成 本低，造型美观大方，目前在国内尚未见其他高校或研究所研究同类产品及 其生产设备。本课题的研究将对我国的金属容器包装行业和包装机械行业的 发展有着重要的现实意义。 本文在分析复合型易拉盖的结构及材质的基础上，提出了具有创新性的复 合型易拉盖的成型工艺，并据此确定出相应成型设备的执行系统方案、传动 方案以及控制方案。 本文根据易拉盖的成型工艺，结合机械设计理论，对该成型设备中完成各 功能的执行机构进行了设计，并进行了各机构的运动分析。这些执行机构包 括马口铁盖圈送料机构、铝塑复合膜放卷收废装置、冲切热压模、压花模、 成品落料及定位机械手六个部分。对传动系统进行结构尺寸设计，并进行了 必要的校核。完成控制系统的设计，实现加工过程的自动化。 关键词：马口铁铝塑复合易拉盖，成型工艺，成型设备，执行系统，传动 系统，控制系统 s t u d yo nf o r m i n gp r o c e s sa n df o r m i n gm a c h i n e o ft i n p l a t e - a l u m i n u mc o m p o s i t ee a s y o p e nl i d a b s t r a c t t i n p l a t e - a l u m i n u mc o m p o s i t ee a s y o p e nl i di s ak i n do fn e w p r o d u c t i tn o t o n l yh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so f a l u m i n u ml i d ，s u c ha sl i 曲t w e i g h t ，t r a n s f i g u r e ， c o r r o s i o nr e s i s t a n c e ，b u ta l s oh a st h ea d v a n t a g eo ft i n p l a t el i d ，s u c ha sg o o d s t r e n g t h t h i sk i n d o f e a s y o p e n l i dc a d _ b eu s e di nt h ec a l lp a c k a g ew h i c hi sf i l l e d w i t hp o w d e r ya n dg r a i n yf o o d t r a d i t i o n a lc a nl i dc a n tb eo p e n e de a s i l y , a n di t o r e nh u r t s p e o p l ew h o mo p e n si t t h i s n e wk i n dl i dr e s o l v e ss u c hd i f f i c u l t p r o b l e m u n d e re x i s t i n gc o n d i t i o nt h a tt i n p l a t e p r i c ek e e p sr i s i n ga n dt h ec o n s u m e r s i d e a sc h a n g e ，t h i sn e wk i n do fp r o d u c ts u p p l i e sn e wc h o i c ef o rm e t a lc o n t a i n e r i n d u s t r y t h i sp r o d u c t c o s t sl o w l ya n di t sa p p e a r a n c ei sb e a u t i f u l s of a r ，t h e r ei s n o r e p o r t t h a ta n yo t h e rc o l l e g eo rr e s e a r c hi n s t i t u t i o nd o e st h er e l a t i v es t u d y ro u r s t u d yw i l lb eo f m o m e n t o u sc u r r e n ts i g n i f i c a n c et om e t a lc o n t a i n e ri n d u s t r ya n d p a c k a g i n g m a c h i n e i n d u s t r y t h i sp a p e rp r e s e n t e dak i n do fi n n o v a t i v ef o r m i n gp r o c e s so nt h e b a s i so f a n a l y z i n g t h es t r u c t u r eo f e a s y - o p e n l i da n di t sm a t e r i a lc h a r a c t e r i s t i c s ，e x p o u n d e d t h ee x e c u t i o n s y s t e mp r o j e c t ，t r a n s m i s s i o n s y s t e mp r o j e c t a n dc o n t r o l s y s t e m p r o j e c t a c c o r d i n gt o t h ef o r m i n gp r o c e s so fe a s y o p e nl i d ，t h i sp a p e rd e s i g n e da l l m a c l l i n e r yo ff o r m i n gm a c h i n e o nt h eb a s i so fm e c h a n i s m - t h i sf o r m i n g m a c h i n 。 i sc o 埘【d o s e do ft h es e c t i o n so f t h et i n p l a t el i da n dt h ea l u m i n u mf o i ld e l i v e r e r , d i e i n g a n d h e a t i n gm o u l d ，d r a wp r e s s i n g ，f i n i s h e dp r o d u c t c o l l e c ta n dt h e r e m a i n d e ro fa l u m i n u mf o i lc o l l e c t i na d d i t i o n t h ep a p e rh a sc o m p l e t e da l lt h e s t r u c t u r ed e s i g no f t r a n s m i s s i o n s y s t e ma n d c h e c k e d t h e m ，c o m p l e t e d t h ed e s i g no f c o n t r o ls y s t e m ，r e a l i z e dt h ep r o c e s sa u t o m a t i o n k e y w o r d s ：t i n p l a t e - a l u m i n u mc o m p o s i t ee a s y o p e nl i d ，f o r m i n gp r o c e s s ， f o r m i n gm a c h i n e ，e x e c u t i o ns y s t e m ，t r a n s m i s s i o ns y s t e m ，c o n t r o ls y s t e m 1 1 课题的提出背景 第一章绪论 本课题所研究的马1 ：1 铁一铝塑复合易拉盖属于金属容器包装行业领域。金属包装是中 国包装工业的重要组成部分，其产值约占中国包装工业总产值的1 0 ，主要为食品、罐头、 药品以及化妆品等行业提供包装服务“1 。我国的金属容器包装行业在“六五”期间起步， 目前仍属于新兴行业，然而近期却遇到了前所未有的低谷。2 0 0 2 年发生的马口铁反倾销事 件，导致了国内马口铁价格疯涨。据统计，在金属容器包装行业中，主要使用的金属容器 包装材料是马1 ：3 铁和铝，而马口铁更是占到了7 0 的比例，可谓是金属容器包装材料中的 重中之重。自2 0 0 2 年6 月份以来，马口铁的价格因“临保”的实施而不断飙升，从原来 的5 1 0 0 5 2 0 0 元吨涨至最近的约6 7 0 0 元吨，涨幅高达3 5 ，给我国的金属容器包装行 业带来了沉重的成本负担。 目前中国金属容器产业每年消耗马口铁在3 5 万吨4 0 万吨，按马口铁平均涨价1 5 0 0 元吨计算，每年全国金属容器行业因此多付出5 2 6 亿元的成本，在金属容器产品价格 因各种原因不能随之涨价的情况下，相当于我国金属容器行业每年为此损失5 2 - - 6 亿元， 这对尚处于微利经营又有所发展的金属容器产业无疑是当头一棒。在马口铁生产厂家 印铁企业制罐、盖企业罐装产品企业罐装产品市场这个产业链运行过程中， 如果马1 ：3 铁价格不断抬高，其后果必将造成整个产业链的局部故障，部分制罐企业和罐装 产品企业被涨价冲击波摧毁，造成产业链恶性循环，对这个产业链上的所有企业弊大于利。 面对我国金属包装行业，中国包装技术协会金属委员会秘书长翟之荣曾指出，金属包 装行业目前存在五大问题需要解决好，这五个问题是：金属包装行业目前市场已供大于求， 不宜再重复引进设备，应挖掘现有的潜力；国产包装机械与国外相比，其性能差距较大， 建议机械研究机构努力研制高性能的包装机械设备，争取替代进口，节约外汇：金属容器 生产企业在保名牌开发名牌的同时，应开发新产品，在规格、造型等方面有所创新，不创 新就没有发展前途；铝制罐、马口铁制罐、皇冠盖等设备大有潜力可挖，应适当限制引进 【3 据不完全统计，金属容器包装制造企业在全国约有1 5 0 0 家生产企业，面对金属包装 行业目前的困境，只有通过两条途径来改善现状：一是引进技术和设备，扩大规模，实施 规模经济来降低产品成本。国外金属包装行业经过三十多年的发展，生产已形成集团化， 并具有相当的规模，在这样的基础上通过不断增置生产线来提高生产速度是轻而易举的事 情。而国内金属容器企业与国外相比规模较小，又由于近年来大多数厂家处于亏损运营， 因而再花费一大笔资金来引进技术和设备来扩大规模较为困难，靠这一途径来解决困难并 不符合我国国情。另一条途径是依靠自身的力量，开发新型的金属包装容器，努力研制相 应高性能、低成本、符合国情的包装机械。这对于小规模的企业而言是较为容易接受的。 1 2 课题提出的意义 近半个多世纪以来，生产与流通日益社会化、现代化，人们越来越重视产品的包装。 在2 1 世纪，消费者不再对今天的“便利包装”标准而感到满足，他们要求更小巧、易读、 易开、易重新闭合和储存的容器。因此，发展复合罐、异型罐和喷雾罐等系列罐是我国包 装容器行业主要研究开发的产品，而相应的制盖生产线则成为了包装机械行业的开发重点 之一。 马e l 铁和铝合余是制罐盖的主要金属材料，马i z i 铁制盖与同一厚度的铝制盖相比，强 度好，不易造成损伤或出现凹坑，多数的罐装食品厂家都采用马口铁制的罐盖作为产品的 包装容器。近年来马口铁价格的高升不降，导致了容器的成本升高，罐装食品的价格也因 该硬性因素而居高不下。要降低罐装食品的价格，势必在保证食品的质量前提下通过降低 其包装容器的成本来达到目的，从包装容器本身出发，就是尽可能地减少马口铁的用量。 铝制盖具有质轻、金属色泽好，密封性好等优点，但由于整罐难以采用焊接成型，强度不 及马口铁制盖，因此不能完全替代马1 2 铁制盖。 马口铁一铝塑复合易拉盖是由铝塑复合膜和马口铁盖圈封合而成的一种新型复合易拉 盖。既具有马口铁制盖的强度好的特点，又具有铝制易拉盖的质轻、外观美、耐腐蚀的特 点，此外，马e l 铁一铝塑易拉盖还具有成本低、易成型等优点。 马口铁铝塑复合易拉盖与国内目前大量使用的拉环式易开盖在开启后拉环与盖体分 离不同，这种易开盖上也有开启拉手，但开启后与盖体不分离，便于集中回收，开启更安 全，所以这种易开盖又称环保盖。另外，这种盖的开启容易，不必附加任何开罐器，在保 留了传统盖密封性好，阻隔性好的同时解决了传统罐盖开启难，而且容易伤手的技术难题。 此类看似简单的易拉盖把冶金、化工、机械、电子等诸多行业的技术融合在一体，由于我 国制盖设备技术水平较低，无论是设备的生产速度、产品质量、自动化水平与国外相比都 有很大的差距，尤其是这种新型的复合易拉盖生产设备，国内尚未见其他高校或研究所做 相关生产工艺及设备的研究。目前国内所使用的复合易拉盖都是进口成品，因此，研制马 口铁一铝塑复合易拉盖对罐盖生产行业推出靳产品、增加行业竞争力具有重要意义，相应的， 研制马口铁- 铝塑易开盖成型机将对我国包装机械行业的发展则有着重要的现实意义 4 1 。 1 3 课题的市场效益分析 马e l 铁一铝塑易拉盖具有遮光性好，对光与热均有反射能力，阻挡性好，能防潮，不透 气且具有保香性能，保护性强，使内装物不受氧气、日光和细菌的侵害，从而能更好地保 护内装物，使产品具有更长的货架寿命，可广泛应用于粉状、颗粒状等食品的罐装包装中 e 邬 通常这种与这种罐盖在与罐身形成一个包装容器整体后，再配合一个塑料盖，在开启 后，依靠塑料盖的密封依然具有保护内装物的功能。这样，便实现了不但开启容易。而且 开启后仍可以保持一定密封性的目的，这样的罐包装尤其适于儿童和老年人使用。这种易 拉盖外观美观，新颖别致，具有提高内装物品档次又增加市场宣传的效果，预测这种复合 型易拉盖在罐盖行业将备受青睐，不但为罐盖行业增加一项新的包装封口的选择，也为罐 盖行业增加了一份商机。入世后，外商纷至沓来，在国内各个领域进行投资，金属容器包 装领域也不例外，新型复合易拉盖的开发将吸引外商的目光，他们不会舍近求远，远隔重 洋引进同种类型的易拉盖，这一部分又增加了不小的市场份额。 1 4 课题的主要内容 本课题的主要任务是研究马口铁铝塑复合易拉盖的成型工艺，并据此完成马口铁一铝 塑复合易拉盖成型机的整机设计，主要完成以下内容： ( 1 ) 确定易拉盖的成型工艺 马口铁一铝塑复合易拉盖是一种新型的复合易拉盖，目前在国内未见有相应的专利，国 内各大高校或研究所也未见研究。本课题根据马口铁、铝塑复合膜的材质及加工半成品的 结构和加工性能，分析其成型的可行，洼方案，研究其成型工艺，提出最佳的解决方案。 ( 2 ) 完成成型机的整机设计 在确定最佳工艺方案的基础上，结合机械设计理论，根据原始数据确定成型机的总体 方案，给出执行系统的执行方案，确定传动系统的布局，进行设计计算，最终将这些理论 设计转化成为可以指导生产、装配、调试依据的技术图纸及说明书。 第二章易拉盖成型工艺方案设计 马口铁一铝塑复合易拉盖的成型工艺是决定易拉盖质量的关键因素，也是其成型设备设 计的依据，同一种产品的生产，可以采用不同的工艺方案。工艺方案的选择是否合理，将 直接影响到盖的质量、生产成本、成型机的工作方案、整体布局、机器工作的可靠性以及 机器的技术经济指标等诸多因素。因此，易拉盖成型工艺方案的合理选择对后面的设计起 着举足轻重的作用。在制定可靠合理的成型工艺前，先来了解易拉盖的结构及其原材料规 格。 2 1 易拉盖的结构 马口铁一铝塑复合易拉盖由马口铁盖圈和铝塑复合膜盖片两部分组成。其结构图如下图 所示： 马1 ：3 镟盖圉 复合铝搐 图2 - 1 马口铁一铝塑易拉盖结构图 f i 9 2 1t h e s t r u c t u r eo fe a s y - o p e n 州 盖圈的形状可为方形、圆形等不同的形状，以适用于不同形状的罐身。盖片的形状根 据盖圈的形状而定，也有多种样式。盖片上带一拉手，以便于盖的开启t 拉手形状也多种 多样，应根据盖形进行恰当的设计。在本课题中，所设计的盖为圆形，拉手采用圆片形状。 易拉盖在开启盖时，轻轻向上提起铝制拉手，使拉手产生力矩，启开粘合在马口铁盖 圈上的铝塑复合膜盖片，这样很容易便得到罐中食品，其开启前后如图2 2 所示： 开启前 开启詹 图2 - 2 马口铁一铝塑易拉盖开启前、后图 f i g 2 2t h ei l l u s t r a t i o no fe a s y o p e nl i d 2 2 原材料的规格及要求 - 5 口铁一铝塑复合易拉盖的盖圈材料为l 型马口铁，其化学成分如下表所示： 表2 - 1 马1 3 铁的化学成分【4 1 t a b l e2 1t h ec h e m i c a li n g r e d i e n to f t i n p l a t e 匹耋i cm npss i c un ic ri v l o 残余成分 含量l o 1 3o6 0o 0 1 5o 0 5o 0 2 o 0 6o 0 4o 0 6o 0 5 o 0 2 - 5 口铁经重复轧制，轧延方向抗拉强度约为8 0 0 0 0 p s i ( 5 6 k g f f m m 2 ) 。为使马口铁和铝塑 复合膜能够达到完好封合，马口铁盖圈封合处涂布有一层2 厚的聚乙烯热熔层，其熔点 为1 5 5 c 。 盖片用材是铝塑复合膜卷材( 亦称带材) ，铝塑复合膜材料有三层结构，外层为2 m - m 厚 的高熔点聚乙烯( i 4 9 6 ) 层，其熔点高达4 0 0 。c ，中层为9 0 p m 厚的铝箔，内层为9 厚的低熔点聚乙烯热熔层( r p 4 4 0 ) 。铝箔的化学成分如表2 2 所示 表2 - 2 铝箔的化学成分含量【4 】 兀紊 s if ec um n m g c rz nt i 其他 含量0 2 00 3 50 1 50 1 54 0 5 00 1 50 2 50 1 000 5 铝塑复合膜的抗拉强度和屈服强度必须均匀一致，卷材厚度公差应在士o 0 0 5 m m 内 4 】。 2 3 马口铁盖囤的生产工艺 马口铁盖圈的生产工艺路线如下： 原板剪裁冲制，卷边 封合胶、热熔层的涂布干燥盖圈成品打包 马口铁片材通过波形切板机剪切成波形条料，该机采用一对相互吻合的波形上下刀 口，剪出波形条料供自动冲床冲制盖圈，与传统的圆刀切板机切出的条料相比，可以提高 材料的利用率。当盖圈的尺寸改变时，相应地更换上下刀口。 对于马口铁盖圈的冲制，实际包括了落料、拉深、挤压变形等过程，形成盖圈的基本 形状。冲制所用的自动冲床配置有相应的冲模，对波形剪板机提供的波形条料可以次完 成落料、拉深、成型工序。 为了提高盖与罐身的卷边封口质量，需对冲制后的盖圈进行卷边处理，使外沿向内弯 曲，为卷边做好准备。冲制后的金属盖圈进入卷边机后，在旋转和输送过程中，通过内外 s 模的挤压作用，使盖边逐渐向内弯曲，完成卷边过程。目前，随着新技术的不断出现，在 盖与罐身的卷边技术上，出现了一种微型卷边技术，这种技术在降低金属板材厚度和减少 材料面积以及削减其他材料消耗量方面已取得了令人满意的效果。它在修改卷曲结构以 后，使罐盖的切边尺寸明显降低，并由于改进罐盖并缩短凸缘尺寸，可以相应地降低罐身 的高度，使得罐身的涂料及焊缝都减少了大约三分之一，达到了降低产品生产成本的目的。 从结构型式上看，微型卷i ! z - 与传统卷边相似，但前者各项结构尺寸都只有传统标准型卷边 的一半左右。如果按容器多项尺寸的减小加以计算的话，平均可以节省1 0 2 0 的材料 及加工费用 引。 为了保证封口处的密封性，在卷边之后，需在盖圈沟槽底填注一定量的密封胶，然后 烘干。此外，为确保铝塑膜盖片与马口铁盖圈能够完好封合，还需在马口铁盖圈内圈封合 处涂布一层低熔点聚乙烯热熔层，然后烘干。涂布密封胶和热熔层时，注胶嘴固定不动， 盖圈转动，实现盖圈密封胶和热熔层的涂布。涂布好密封胶和热熔层的马口铁盖圈通过隧 道窑实现烘干，最后马口铁盖圈成型输出，成摞包装。 在盖圈的生产过程中，需要注意的几点是：马口铁盖圈外卷边的外径、内卷边的内径、 卷边丌度及其高度等机械尺寸必须严格控制在所要求的尺寸内；盖圈成型后，其外涂层不 能划伤，盖坯不能有机械损伤；热熔层和密封胶的涂布不能出现断胶、严重气泡、严重拖 尾等缺陷。 2 4 易拉盖成品成型工艺方案的提出 根据马口铁一铝塑复合易拉盖的结构，成品盖的成型需要完成的工序有：将铝塑复合膜 切成带有一开启拉手的圆片，为使盖片满足完全密封盖圈的同时使盖的整体美观，通常圆 片的直径取值比马口铁盖圈内径大8 1 0 r a m 。模切好的铝塑复合膜盖片通过加热加压与 马口铁盖圈粘合为一体，当加热温度达2 2 0 。c ，热压压力达2 m p a ，热压时间达o 4 s 时， 盖片与盖圈可实现完好粘合，该工序称为热压工序。热压工序要注意的一点是，铝塑复合 膜盖片与马口铁盖圈粘合处应该为两者涂稚有低熔点聚乙烯的涂层面，不可反置，否则将 影响盖的密封性。热压封合好的易拉盖半成品要进行的下一个工序是花纹图案的压制，该 工序称为压花工序。压花的作用是为了使产品的外观更美观，同时能除去盖片在加工过程 中产生的微褶或划痕等表面瑕疵，此外，可通过更换模具给盖片上压上产品的商标或企业 标识，使盖具有防伪功能。在压花进行前将须开启拉手折转1 8 0 度，然后再进行压花工序， 压花压力达1 6 m p a 。压花是最后一道工序，当压花完成后可得到成品旧h ”。 在成品盖的成型中，马口铁盖圈以盖圈成品形式提供，铝塑复合膜以卷材形式提供。 经过综合考虑，拟出以下三个可行方案： ( 1 ) 图2 3 为方案一的工艺原理图。该方案是在前设计者所采用的方案的基础上稍做 修改。该方案采用回转多工位加工形式，优于直线交叉形式的加工方案。加工对象安置在 转位传送机构上，按加工顺序进行加工。其成型工艺原理是：马口铁盖圈供料，送至定位 机构，同时，铝塑复合膜间歇给料，在模切工位进行模切成型，但不完全切断，有三处断 点，以利于铝塑复合膜进一步送料至热压工位；转位机构转至热压工位，在这里马口铁盖 圈与模切好的铝塑复合膜盖片会合，热压工位的加热形式为下方加热。热压后铝塑复合膜 废料进行收废，成型的盖子转至压花工位进行压花，转位机构将成品送至卸料工位卸料， 一个工作循环完成【8 j 。 图2 - 3 方案一工艺原理图 f i g 2 - 3t h ep r o c e s sp r i n c i p l eo fp r o j e c t i ( 2 ) 方案二将铝塑复合膜盖片的切片成型工艺分开，在专用的冲压机上将盖片冲切成 型。则该机的主要功能是实现将铝塑复合膜与马口铁盖圈热压封合与压花。其工艺原理图 如下： 图2 - 4 方案二工艺原理图 f i g2 - 4t h ep r o c e s sp r i n c i p l eo fp r o j e c t i i 该方案省却了铝塑复合膜开卷、模切及收废的工艺。在铝塑复合膜盖片的供送上采用 槽凸轮传送动力及运动，由喷嘴和吸盘的共同作用可将库存内最底层的盖片逐个吸下，待 降至一定距离即改变为水平方向移动，直至热压工位。当到达热压工位，吸盘表面负压取 消，同时上热压头表面形成负压，将盖片吸附在马口铁盖圈上，进行热压封合。热压封合 后，转位机构将封合好的半成品转至压花工位，进行盖的压花，成品成型，卸料。传送铝 塑复合膜盖片的吸盘做近似于“j ”的往复运动轨迹，其上下运动的传动装置为凸轮传动。 铝塑复合膜盖片的供送原理图如下图所示： 图2 - 5 铝塑复合膜盖片供送原理图 f i g 2 - 5t h e i l l u s t x a t i o no fa l u m i n u mf o i ld e l i v e r y a 喷嘴b 库存支承卡头c 吸盘 ( 3 ) 方案三对铝塑复合膜盖片的成型方案采用冲切的形式，并将冲切工位与热压工位 合二为一，其工艺原理图见图2 6 。在该方案中，马口铁盖圈由供料装置送至定位工位， 转位机构将马口铁盖圈转至冲切热压工位；与此同时，铝塑复合膜卷材依靠开卷机构间歇 送料。在冲切热压工位，冲切刀上升，以冲切方式对铝塑复合膜进行冲切，紧接着机构继 续上升，直接将冲切成型的盖片压到马口铁盖圈上并对二者进行热压封合。该工位的加热 装霞置于马口铁盖圈上方。热压封合后的半成品依靠转位机构依次进行压花、卸料，最后 得到成品。 匣至囹 图2 - 6 方案三工艺原理图 f i g 2 - 6t h ep r o c e s sp r i n c i p l eo fp r o j e c t i i 2 5 最终方案的确定 对以上提出的三个方案进行分析比较。 在方案一中，各个d n i i 序依次对加工对象进行加工，方案可行。在模切工位，模切 刀并未将铝塑复合膜完全切断，而留下三点断点，以便依靠收废装置在收废过程中将铝塑 复合膜盖片送至热压工位。在热压工位上，由于模切盖片时未完全将铝塑复合膜盖片与剩 料完全分丌，热压执行机构不但要实现将铝塑复合膜盖片与马口铁盖圈热压封合，同时要 将在模切工位未切断的三个断点冲断。考虑到铝塑复合膜柔韧性及延展性好，容易发生变 形，且变形形式为永久变形。当热压装置上升将盖片送至马口铁盖圈处时，铝塑复合膜剩 料将可能由于断点的断开形式为冲断而非切断形式将发生变形上翘。如果剩料的上翘程度 大，将可能与转位机构上的机械手的动作发生干涉，出现机械手打料的现象。由于整个铝 塑复合膜的供料是依靠放卷机构和收废机构共同完成，若剩料在热压工位被机械手打断， 供送、收废将停止，将使得加工工作不能顺利进行。该方案另一存在的问题是铝塑复合膜 盖片与马口铁盖圈封合的定位问题，易发生盖片偏置的现象，影响整盖的美观。 方案二是针对解决方案一潜在的生产问题而提出的，同时也简化了整机总体布局，在 理论程度上是可行的，也优于方案一。但是，该方案中，铝塑复合膜盖片的加工须另在冲 床上完成，这无疑增加了厂家的生产成本。该方案难解决的关键在于加工好的铝塑复合膜 盏片在储料仓中的放置，要保证盖片的平整、不皱折，对放置的方式有严格的要求。另一 方面，根据铝塑复合膜的材料结构，其一面涂有高熔点的聚乙烯，另一面涂布低熔点聚乙 烯，肉眼难以辨认，而盖片与盖圈的封合面为低熔点聚乙烯层，如果放置位置颠倒，将影 响到盖片与盖圈的封合质量。该方案也不能很好的解决盖片与盖圈的封合定位问题。 方案三结合了方案一与方案二的优点，采用冲切和热压工序合二为一，不但省却了方 案一模切工位处的传动装置和模切装置，使整机的结构更加简化，整机的总体布局更加合 理，外观更为协调，而且该方案与方案二相比较，不存在铝塑复合膜盖片的放置要求问题， 不存在封合定位问题，也不需要外协工作，生产成本较方案二低。 综上所述，我们确定方案三为最终方案。 2 6 本章小结 在本章中，通过分析马口铁铝塑复合易拉盖的原材料的规格及盖的结构，提出了三种 9 可行的加工工艺方案，并对三种方案进行了详细的分析比较，最后确定出最佳的加工工艺 方案。为后面的成型设备的设计提供了设计的依据。 3 1 原始数据及生产要求 ( 1 ) 马口铁盖圈尺寸 第三章总体方案设计 x ：銎了卉 ( 2 ) 铝塑复合膜卷材尺寸 外径d 1 内径d 2 厚度h 质量m g 1 3 7m m 1 0 3m m 0 4r a i n 1 3 ，3 7 4 9 ( 3 ) 生产能力：8 0 个m i n ( 4 ) 热压温度：2 2 0 。c ； ( 5 ) 故障、缺料报警； 3 2 成型机功能分析 每j 外径d l 7 5 0m m 内径d 2 5 0r a i n 宽度w 1 2 5m n l 厚度ho 1m m 密度p2 6 6 x 1 0 3 k g m 3 根据前章所确定的成型工艺方案，可知易拉盖成型机的主要功能是将铝塑复合膜冲切 出所需形状的盖片，紧接着将盖片热压封合在冲制好的马口铁盖圈上，并在盖片上压制出 所需的花纹来实现易拉盖的成型。其分功能树状图如下所示： 3 3 工艺动作分解 图3 - 1 成型机分功能树状图 f i g 3 - 1f u n c t i o nt r e e o f f o r m i n gm a c h i n e 根据功能树状图，成型机的工艺动作可分解为： ( 1 ) 马口铁盖圈送料 马口铁盖圈在预定的时间内水平送至定位机械手，供送机构做水平往复直线运动，无 停歇； ( 2 ) 转位机构转位 转位机构带动机械手转位，做间歇回转运动。机械手将携带马口铁盖圈在各工位停留， 完成相应工序的加工后转至下一工位。在热压和压花工位间安装有折纸器，在转位过程中 完成铝塑膜盖片拉手的对折。 ( 3 ) 铝塑复合膜卷材供料 铝塑复合膜原材料由厂家以卷材形式提供，成型机须完成其放卷送料及收废工作； ( 4 ) 冲切、热压 冲切切热压机构做上下往复直线运动，完成对铝塑复合膜进行冲切并将冲切的盖片与 马口铁盖圈热压粘合。加热时间要求达0 4 s 以上； ( 5 ) 压花 压花采用对模冷压，压花机构做上下往复直线运动，对粘合好的易拉盖进行压花。无 停歇； ( 6 ) 卸料 当成品转至卸料工位，卸料装置将成品卸下。 3 4 运动循环图设计 3 4 1 执行机构的运动循环时间t ： 根据所确定的盖成型工艺方案，成型机的转位机构应具有四个工位，即转位机构输入 轴每转3 6 0 。，转位输出轴须转动9 0 。转位机构一次转位过程中，铝塑复合膜进给一次； 在转位机构每一次转位后的停歇期间，马口铁盖圈供料机构往复摆动一次，冲切热压机构、 压花机构上下往复运动一次。因此，转位机构的输出轴转动一个9 0 。，成型机将完成一个 工作循环，生产出一个易拉盖成品。厂家要求成型机的生产率为q = 8 0 个m i n ，因此，为 满足生产率要求，转位机构输入轴转速应为n = 8 0 r m i n ，则执行机构的运动循环时间为 l ：! ：竺：0 7 5s 。 m8 0 3 4 2 组成工作循环的各个区段 易拉盖成型机具有多个执行机构，生产过程中，各执行机构动作须相互协调，根据成 型机的工艺动作分析，初步确定各执行机构的运动循环区段。 转位机构的运动循环由转位机构的停歇期及运动期两段组成。根据工艺要求，将其动 停比设定为k 【一0 5 。 马口铁盖圈的供送机构运动循环由工作行程和空回行程两段组成。为了提高生产率， 应适当的缩短供送机构空回程时间，由于盐柄摇杆机构具有急回特性，因此在本枫设计中， 采用曲柄摇杆机构来实现马口铁盖圈的供送，并根据工艺要求，初步取行程速度变化系数 k ：= 1 - 0 5 。 冲切热压机构的运动循环包括机构上升( 期间进行冲切) 、热压、下降、底位短时停 歇四个区段。 压花机构完成的是对粘合后的易拉盖进行对模冷压，因此，其运动循环包括上升和下 降两段，期间没有停歇，回程无须具备急回特性。 铝塑膜的供送与转位机构的运动同步。 3 4 3 执行构件各区段相应的时间及分配轴转角 ( 1 ) 根据转位机构的动停比k = o 5 ，可确定出转位机构的停歇时间t 和转动时间t d ： 因 1 3 t a ：o 5 ( 3 1 ) r j 0 + f ，= 0 7 5 s ( 3 2 ) 联立式( 3 1 ) 和( 32 ) 解得 t a 2 0 2 5 s ，r ，20 5 s 输入轴对应的分配转角分别为 吼= 1 2 0 。，妒，= 2 4 0 。 ( 2 ) 马u 铁送料机构的工作行程占用时间t 。与空回行程占用时间t 。根据设定的行程速度变 化系数k ：的取值可按下式计算： 因 生：1 0 5( 3 3 ) f g + “= 0 7 5 ( 3 4 ) 联立解方程( 3 3 ) 和( 3 4 ) 得 f g = 0 3 9 s ，t 女= 0 3 6 s 曲柄对应工作行程和空回行程的转角分别为： 吼= 1 8 7 2 。，吼= 1 7 2 - 8 。 ( 3 ) 冲切热压机构的各区段占用时间根据工艺要求设定如下( 具体分析见冲切热压机构的 设计) ： t ，= 0 4 s ，t ，= o 0 9 s ，rj i = 0 0 6 5 s ，t j = 0 1 9 5 s 其中，t ，为热压时间，t ；为机构上升时间，t h 为机构下降时间，t ，为机构底位停歇时间。 对应输入轴的转角为： 妒，= 1 9 2 。，p ，= 4 3 2 。，= 3 1 2 。，妒，2 9 3 6 。 ( 4 ) 压花机构的运动循环时间包括升程时间t p 和回程时间t 。，根据工艺设定为对等时间： t 口= 0 3 7 5 s ，f 目= 0 3 7 5 s 对应输入轴的转角为： = 1 8 0 。，2 1 8 0 。 3 4 4 绘制执行机构的运动循环图 1 4 图3 - 2 为成型机执行机构的运动循环图，以转位机构停歇零位置为运动循环图横坐标 的起点，纵坐标为各执行机构的位移起讫位置。 转位机构 铝塑供料机构 马口铁供料机构 ) 十切热压机构 压花机构 3 5 总体方案设计 _ ，一一 、 ，一 | 斗? ， 0 。 107 。150 24 。l87 2 。 360 。 13 44 。120 。l8o 。 342 24 。 图卜2 易拉盖成型机运动循环图 f i g 3 - 2t h ei l l u s t r a t i o no ff o r m i n gm a c h i n e sm o v e i nc y c l e s 3 5 1 拟定机器运动原理图 本机采用一个动力源，其运动原理图如图33 所示。 铝 图卜3 成型机的运动原理图 f i g3 - 3m o v ep d n c i p l eo f f o r m i n gm a c h i n e 运动和动力由电机经v 带传动输入，经减速后，分三路传到执行机构：一路经齿轮机 构传至压花机构：另一路传给冲切热压机构实现冲切热压工序；第三路通过锥齿轮传给转 位机构，实现水平回转间歇进给运动，转位机构的运动再分两路，一路为马口铁盖圈供料 机构提供运动和动力，另一路分配给铝塑复合膜供料装置，实现铝塑膜卷材的放卷收废。 卿 研新 、 一 心厂1 占一刍一 一 揪( 一 35 2 拟定传动方案和绘制成型机的运动简图 方案的传动链如下： 。机上啡钉爿。告。厂。压花 l 一 厂一冲切热压 一l 。撇构一广告供科 l 盖目供料 方案的传动简图如图3 4 所示。 图3 - 4 成型机传动简图 f a 3 - 4t h et r a n s m i s s i o np r i n c i p l eo f f o r m i n gm a c h i n e a 电动机b l 小带轮b 2 大带轮c 离合器d 1 减速小齿轮 d 2 减速大齿轮d 3 、d 4 传动齿轮e 主传动轴f 冲切热压机构 g 冲切热压凸轮h 1 、h 2 锥齿轮卜弧面分度凸轮j 分度盘 k 马口铁盖圈送料机构m 铝塑膜卷n 1 、n 2 、n 3 、n 4 、n 5 链轮 图中，上半离合器与大带轮b 2 固定联接，下半离合器与齿轮d l 都固定连接在轴上。 6 当电机启动，将带动v 带轮转动，当离合器c 闭合时，带轮将运动和动力传给减速齿轮d l 、 d 2 。减速齿轮将转速减至主传动轴e 所需的转速。在主传动轴上，一路动力及运动经齿轮 d 3 、d 4 的啮合将动力及运动传给压花机构。另一路动力和运动分配到冲切热压机构，冲切 热压机构的d h t 动作由凸轮实现，主传动轴通过一对锥齿轮h 1 、h 2 的啮合将运动和动力 传给转位机构。转位机构采用滚子式分度凸轮机构。马口铁盖圈的供料机构k 与弧面分度 凸轮轴同轴，利用分配到凸轮轴的动力来实现马口铁盖圈的供送。其供送机构为曲柄摇杆 机构。铝塑膜的供料为间歇进给运动，在该方案中，利用转位机构的分度盘输出的问歇运 动来实现其供给，传递动力及运动的是一对锥齿轮。 3 6 总传动比和传动比分配 36 1 电动机的选择 进行包装作业的工艺力一般都较小，所以包装机的电动机功率较小。为便于机器的 凋整，满足质量和生产能力的需要，我们将包装机设计成无级可调的，即采用无级变速装 置。 无级变速传动和定传动、有级变速传动相比，能够根据工作需要在一定范围内连续变 换速度，以适应输出转速和外界负荷变化的要求，而且恒功率特性好【l 。 本机选用上海博杰传动机械有限公司生产的m b 系列基本型甲板卧式行星锥盘无级变 速机，其工作原理是：带锥度的太阳轮系和压盘被一组蝶形弹簧压紧。输入轴与太阳轮用 键联接，组成压紧的输入装置。一组带锥度的行星轮内侧架在压紧的太阳轮和压盘之间。 外侧央在带锥度的顶环和调速凸轮之间，当输入装置转动时，由于顶环和调速凸轮固定不 动，行星轮由顶环作纯滚动，且绕输入轴做公转，通过行星轮轴及滑动轴承而带动行星架 及输入轴转动。调速时转动手轮，由手轮带动调速螺杆，使平面凸轮相对转动，产生轴向 移动，从而均匀改变调速凸轮和崮定环之问的间隔，最后改变了行星轮与太阳轮、骶盘与 吲定环，调速凸轮摩擦处的工作半径，实现无级调速。只要将调速手轮调到定位置，输 出轴便可得到所需要的稳定转速“”1 。 参考前设计者的设计，本课题中所选用的无极变速机型号为m b w 一4 0 一y 3 。该机调速方 便，调速精度高，达0 5 。转，调速范围r = 5 ，即输出转速可在输入速比的1 ：1 4 5 至1 ： 72 5 之间任意变化。具有输出转速恒低于输入转速，输出转速特性好，且可正反方向运转， 运转平稳，性能稳定，噪音低等特点”。1 。 m b w 一4 0 y _ 3 变速机基本技术参数如f ： 标准型平均效率与输出转速的关系 变速机型号：m b 4 0 额定输入功牢：3k w 输入转速：1 5 0 0r m i n 变速范嘲：2 0 0 1 0 0 0r m j l l 许用输出扭矩：4 8 2 4 n m 8 5 8 0 7 5 7 0 6 5 2 输出转速r m i n 2 0 03 0 04 0 0 5 0 06 0 07 0 0 8 0 09 0 ( 、1 0 0 c 剖3 - 5 电机输出特性示意图“3 3 6 2 离合器的选择 f i g3 - 5 t h ed i a g r a mo f e i e c t r i c a | m a c 咖e r v 离合器是一种可以通过各种操纵方式，实现主、从动部分在同轴线上传递运动和动力 州县仃接合或分离功能的装置。按离合器接合元件的工作原理不同，可分为嵌合式离合器 剃摩擦式离合器。按其操纵方式不同，r u 分为机械式离合器、气压式离合器、液压式离合 器垌i 巾磁式离合器“。 离合器根据原动机的类型、载荷的人小和性质、环境条件以及对离合器的工作要求和 使川特点来进行选择。本课题中选用干式单板电磁离合器，它利用激磁线圈电流所产生的 磁j 水操纵接合元件，使离合器接合或脱丌其接合，i 件为摩擦片。 这；f 【 ，类型的离合器结构简单，价格低，纠j 作快，允许接合力大，接合频率高，转矩调 仃0 使。适月j 于径向尺寸没有限制的场合，操作频率高的及要求动作迅速的传动。 363 总传动比及各级传动比 ( 1 ) 心化动比的讣算 化，力装旨的总传动比为： i。：”0一(3-5) 肝“ j 中：n 一电机的输m 速率：玑- _ _ 主轴转速。 乃他】i 成型机工作过程巾渊定速度，弥补设计误差，一般取电机可调速范围巾问倩 “i 【_ 输f t5 速率为8 0 0 r r a i n ，则总传动比r 为： f”! ：璺塑：1 0 ” 。8 0 。) j m “e 动比 i 。= i o i 】( 3 6 ) 根据机械设计对传动比分配的原则，取v 带传动比为i 0 - 4 。 则一级减速齿轮传动比为 i ，：量：l o ：2 5 i o 4 其余传动副传动比为1 。 3 6 4 各级传动装置的动力参数 设各轴从高速至低速依次为电动机轴、1 轴、2 轴，并设 i 。、i 卜两相邻轴间的传动比： p ，、p 2 各轴的输入功率，k w ； t ，、t 。各轴的输入转矩，n m ； n ，、n 2 各轴的转速，r m i n ； 由电机动力参数：输入功率p o = 3 k w ，输出速率n = 8 0 0 r m i n ，输出扭矩r o = 3 5 8 m 可计算得各级传动装置相应的动力参数，以下各式中矸。为皮带传动效率，叩：为离合器传动 效率，编为滚动轴承传动效率，吼为直齿圆柱齿轮传动效率，叩，为直齿圆锥齿轮传动效 率。 ( i ) v 带轴( 1 轴) 只= 昂研= 3 0 9 6 = 2 8 8 k w 儿：塑：婴：2 u u r m l n ”，= 2 = 一2 z 1 i o 4 z ：9 5 5 0 墨：9 5 5 0 2 8 _ 8 8 ：1 3 7 ，5 2 n 肌 1 2 0 0 ( 2 ) 主传动轴( 2 轴) 只= 弓仍协- r 4 = 2 8 8 x 0 ，9 9 x o 9 9 x o 9 8 = 2 7 7 k w 胛，：塑：婴：8 0 ，m i n 。 f 1 2 5 - ：9 5 5 0 p 2 ：9 5 5 0 2 7 7 ：3 3 3 0 6 n 删 n 2 8 0 ( 3 ) 分