玻璃分布分析与模具设计

1、玻璃分布分析与模具设计    摘要：提出一种有效评估玻璃瓶罐模具设计正确性的方法。简述了玻璃瓶罐的产品特性，玻璃瓶罐成型性质与制造缺陷。抽取样本测量玻璃瓶子合缝线偏移10°纵向切面和合缝线偏移90°纵向切面的玻璃分布的情况。运用统计分析原理对样本数据进行分析评估。以样本平均数和样本标准差作为研究分析的指标。通过分析样本玻璃分布厚度平均数和样本玻璃分布厚度标准差的数据，预测总体产品玻璃分布不符合标准的比率。根据得出的比率，推断生产玻璃瓶子的模具设计的正确性和合理性。关键词：机械设计及理论；玻璃瓶罐模具设计；统计数据分析；玻璃分布中图分类

2、号：TQ171.6 文献标识码：A 文章编号：The glass distribution analyze & mould designZHU Yongzhu,( OI Guangdong Glass Co., Ltd., Guangzhou 510655, China)Abstract: This paper present an effective method to evaluate the correctness of the glass bottle moulddesign. Present the charateristics of the glass bottle, th

3、e glass bottle forming charateristics and themanufacture defect. Select some samples to measure the glass distribution on the 10° to the seam andon 90° to the seam. Use the theory of the statistics to analyze the samples glass distribution data.Analyze the average recordings and standard d

4、eviation recordings. Predict the percentage of productionout of specification. Predict the correctness and reasonable of the bottle mould design.Key words: mechanical design & theory; glass bottle mould design; statistics analyze；glassdistribution0 引言玻璃瓶罐的成形是在具有一定形状内腔的模具中进行的。模具在玻璃瓶罐成形中占有重要地位。玻璃瓶

5、罐的质量及制瓶机的生产效率在很大程度上取决于模具的质量。模具质量的优劣直接影响制品的外观质量和模具本身使用寿命。因此，模具是关系到玻璃瓶罐产品的成本以及玻璃瓶罐走向高机速，高效率的关键问题。当前，模具设计还在很大程度上依赖于经验和反复试验。特别是在两步成形时，雏形模的设计仍是一个课题，迄今尚欠成熟。在生产中常常由于模具设计及计算不正确，从而造成大量的废品和次品。而玻璃瓶罐上的玻璃分布是否均匀一致是衡量模具设计是否正确的重要因素1。因此，要探讨一种有效评估模具设计正确性的方法，就需要探讨一种有效评估玻璃瓶罐上的玻璃分布是否均匀的方法。本文在这方面作一定程度探讨。1 玻璃瓶罐产品特性，玻璃成型性质

6、与制造缺陷1.1 玻璃瓶罐产品的基本特性玻璃瓶罐价格低廉，能够高速生产、高速填充、易于密封，可多次周转应用，以及原料丰富。玻璃瓶罐质硬而透明、美观、清洁，可制成各种颜色和各种形状、大小的制品。- 2 -玻璃瓶罐化学稳定性高、不与盛装的物料发生作用而影响其质量，可长期保存。玻璃瓶罐具有优良的耐热稳定性能，使在杀菌以及其他加热或冷却过程中达到最低的破损数量。玻璃瓶罐具备足以抵抗内部压力和承受在搬运及使用过程中遇到的震动和外来冲击力的必要的机械强度2。现在玻璃瓶罐已达到从原料配料、熔化、成型、退火以及产品检验、包装等各个生产过程完全自动化的程度。1.2 玻璃瓶罐成型性质和工艺因素玻璃能用各种各样的方

7、法来成型，这是与其它材料不同的特点。这一性质使玻璃能用来制造各种不同用途，各种不同形状和不同尺寸的制品。玻璃瓶罐的形状是玻璃处于软化状态时由第一次热成型过程所决定。粘度和表面张力则在热成型过程中起重要作用。玻璃粘度随温度下降而增大的特性是玻璃制品成形和定形的基础。玻璃瓶罐的成形分为两个阶段。第一阶段使材料具有制品所需要的外形，这一阶段通常采用普通的成形方法来进行，例如在模具中的吹制或压制。第二阶段是固定已做好的形状，这一阶段通常是利用一定的冷却速度使之硬化，使玻璃液的质点完全消失流动性。而这两阶段都是利用与温度有关的玻璃液粘度为基础。将熔好的玻璃液冷却到某一温度范围进行成型。然后再将制品以一定

8、的冷却速度冷却，使其硬化，保证形状固定。整个过程粘度是很重要的因素。粘度随温度的变化而变化。这一规律在玻璃瓶罐成形中特别重要。通过温度控制，使粘度改变，以达到成形与定形2。玻璃瓶罐成形工艺因素主要是玻璃液的温度制度和模具的温度制度两方面。玻璃成形的各个工序应与玻璃粘度逐渐发生的变化相适应，据此控制各个工序的温度范围。而模具表面的温度制度是非常重要的成形工艺因素。在玻璃与模具的接触面之间的温度差决定着传热速度。模具成型面的温度在成型时应保持在一定狭窄的温度间隔内。模具内表面平均温度不应超过500600°C 度，而外表面温度为300°C 度左右2。1.3 玻璃瓶罐的制造缺陷玻璃

9、瓶罐制造缺陷主要是在供料成形、退火、加工等过程中产生。主要缺陷有裂纹、变形、冷斑、不饱满、皱纹、气泡、结石等。裂纹是玻璃瓶罐最普通的缺点，它可能非常细微，检验时不易发现。裂纹产生的部位是瓶口、瓶颈和瓶肩。变形主要是由于作业温度过高或模具制造上有缺点而产生。冷斑是由于模具温度过冷在瓶罐表面产生不平滑的鳞片状。不饱满就是瓶罐吹制过程产生的缺口、瘪肩和花纹不清晰等。皱纹主要是由于料滴过冷、过长，料滴不落在雏形模中间而粘连在雏形模壁上产生的。气泡则由一部分空气均匀地布满在玻璃瓶罐上,是可见的气体夹杂物。气泡不仅影响玻璃瓶的外观,更重要的是影响玻璃的透明性和机械强度。结石是玻璃瓶内的固体夹杂物，是最危险

10、的缺陷。结石与周围玻璃膨胀系数相差大，产生局部应力，大大降低瓶子机械强度和热稳定性，甚至会使瓶子自行破裂3。1.4 玻璃瓶罐玻璃厚薄不均厚薄不均就是玻璃瓶上玻璃分布不一致，不均匀。也是玻璃瓶罐缺陷之一。由于玻璃料滴温度不均、模具温度不均，模具设计不正确而产生。料滴温度不均匀，使料滴冷热处的粘度不同，在吹制时热处的粘度小而容易吹薄，冷的部分因阻力大不易吹薄，较厚。另外模具冷热不同，热的一边玻璃冷却较慢而容易吹薄，冷的一边玻璃冷却较快而容易吹厚。模具设计不正确，制成的雏形料泡也很难在成形模中吹成厚薄均匀的制品。压-吹法中的冲头不在雏形模的正中，制成的雏形料泡厚薄不均匀，最后吹成制品也厚薄不均匀。作

11、业温度过高，- 3 -往往料泡延伸过长，瓶底过厚，瓶肩过薄；反之如作业温度过低，则料泡不易延伸，瓶底往往太薄3。从生产工艺上消除厚薄不均的缺点，首先要使料滴温度均匀。供料机供料时要控制其温度调节，采用筒子转盘搅拌设备使玻璃液温度搅拌均匀。模具冷却应当注意控制，使模具上下左右温度均匀。如发现温度不均匀应立即调整冷却风量及冷却部位。另外就是测量和控制好作业温度。另外要消除厚薄不均的缺点，很重要方面的就是保证模具设计的正确4。2 产品玻璃分布分析样本的抽取要消除厚薄不均的缺陷，很重要方面的就是保证模具设计的正确。通过抽取生产的玻璃瓶子作分析样本，对其玻璃分布进行测量、分析和研究。从而对模具设计的合理

12、性进行评估是一种有效的方法。该方法可为现在和将来的产品的模具设计提供数据支持。2.1 产品样本的抽取产品每次上机生产的产量是由客户的需求量决定。一般在十几万到几百万。而每一个瓶子产品都由一套模具中的某一付生产出。该套模具的数量由制瓶机的机型、料滴数和组数决定5。如EF 型5.5 英寸中心距双滴10 组埃姆哈特制瓶机，生产某容量为300ml、重量为305克的饮料瓶为例。该套模具有成模30 付，初模42 付。以该套模具某一次上机生产出的瓶子为研究总体，从中抽取某一班次由4 个组A 料滴和4 个组B 料滴对应的成模号码生产出的瓶子为样本，分析瓶子玻璃分布情况。据此评估模具设计的合理性。2.2 样本抽

13、取原则为排除一切可能造成评估失败的各种潜在问题，如因生产工艺参数设置，玻璃液的温度制度和模具的温度制度影响等，需要采取相应措施6。检查当前产品的理化性能。包括表面处理，抗冲击和垂直负荷实验。保证检测的读数符合相关标准。检查当前产品现在的退火应力和热喷涂读数，同样要保证读数符合相关标准。抽取的样本要经过目测检查。检查瓶口是否正确，瓶子上刻花是否符合标准是否清晰，瓶身是否光滑。保证样本瓶口正确，保证样本上刻花符合标准，保证样本瓶身光滑。抽取的样本要经过重量，容量和主要产品形状尺寸的检查。保证检测的重量，容量和相关产品形状尺寸符合相关标准。样本要从前两天生产的产品中抽取，且要待到包装合格率稳定在80

14、%以上之后开始取样。从托盘中取一定数量的样瓶，把样瓶按照机器组号和模具号码分类，并做好标记。对每个测试项目的样瓶，保证模具号码不重复，并覆盖到每个机器组号。2.3 玻璃分布样本指标及测量点位选取把生产的瓶子看作无限总体，且该总体服从正态分布，根据概率论的中心极限定理，样本平均数和样本标准差,也是服从正态分布7。据此以样本平均数和样本标准差作为分析和评估总体的指标。并根据测量数据计算样本平均数和样本标准差。抽取的样本分成两组。一组用切割机沿合缝线偏移10°纵向切开，切成对称的两半。在切面上选取若干点，用游表卡尺测量其左右两边玻璃的厚度，并记录读数。另一组则沿合缝线偏移90°纵

15、向切开，同样切成对称的两半。用游表卡尺测量其左右两边玻璃的厚度，并记录读数。选取测量点的数量及测量点的间距应根据瓶子的高度和大小考虑。现以瓶子的高度为220mm，直径58mm 某容量300ml、重量305 克的饮料瓶为例，其选取测量点的数量和间距        - 4 -如右下图1 所示。3 玻璃瓶产品玻璃分布测量和数据处理按照上述抽样原则，选取分别由4个组A料滴和4 个组B 料滴对应的成模号码生产出的瓶子为样本。对其在合缝线偏移10°纵向切面和合缝线偏移90°纵向切面的玻璃分布进测量分析。3.

16、1 合缝线偏移10°度纵向玻璃分布测量和数据处理样本第一组沿合缝线偏移10°纵向切开。切成对称的两半。在切面上选取若干点。选取测量点的数量和间距如图1 所示。 图1 瓶子玻璃分布测量点选取 (单位mm)Fig.1 Position For Glass Thick Measure (in mm)第一步：用游标卡尺测量各点左右切面玻璃厚度(单位: mm)，记录读数。第二步：根据数据处理要求制作Excel 表格。如下面表1 所示。把测量所得的数据填入表1 相应位置。表1 合缝线偏10° 玻璃分布分析报告Tab.1 Glass Distribution Analysis

17、Report 10° to the Seam第三步：计算样本平均数。计算公式:nX X X X Xn + + + += . 1 2 3 （注释：此处利用Excel 统计涵数公式AVERAGE 计算结果）- 5 -第四步: 计算样本标准差。计算公式:S=( )nX X 2 （注释：此处利用Excel 统计涵数公式STDEV 计算结果）83.2 合缝线偏移90°度纵向玻璃分布测量和数据处理样本第二组沿合缝线偏移90°纵向切开。切成对称的两半。在切面上选取若干点。同样选取测量点的数量和间距如图1 所示。只是切割偏移角度为90°。第一步：用游标卡尺测量各点左右切

18、面玻璃厚度(单位: mm)，记录读数。第二步：根据数据处理要求制作Excel 表格。如下面表2 所示。把测量所得的数据填入表2 相应位置。表2 合缝线偏90° 玻璃分布分析报告Tab.2 Glass Distribution Analysis Report 90° to the Seam第三步：计算样本平均数。计算公式:nX X X X Xn + + + += . 1 2 3 （注释：此处利用Excel 统计涵数公式AVERAGE 计算结果）第四步: 计算样本标准差。计算公式: S=( )nX X 2 （注释：此处利用Excel统计涵数公式STDEV 计算结果）84 评估预

19、测及结论4.1 评估预测壁厚小于产品标准最小值的百份率通过计算出现产品壁厚X 小于产品标准最小值X Min 的百份率，也就是产品不及率。预测总体产品玻璃在瓶子上分布情况。据此推断总体产品的玻璃在瓶子上的分布是否合格，是- 6 -否可接受。假设出现X> X Min 的概率为P，则出现X< X Min 的概率为1-P。因为X 是一个服从正态分布N(X, 2 )的随机变量。计算出现X> X Min 的概率( ) Min P X > X ，先把随机变量X 标准化，即令Min Z X X= ，所以要求的标准化后的概率为 >Min P Z X X 9。求出P值后，出现产品壁厚

20、X 小于产品标准最小值X Min 的概率为1-P。“1-P”也就是产品低于标准最小值的百份率。P 值的计算可以通过查标准正态分布表求得，也可以利用Excel 统计涵数公式“NORMSDIST” 求得。该百份率如以上的两个表格中预测栏中的第一栏所示。该百份率均在2%以下。根据表中数据可推断总体产品的玻璃在瓶子上的分布是合格的，可接受的。4.2 评估预测在显著水平 =0.01 的置信下限预测总体产品的玻璃在瓶子上的分布壁厚X 在显著水平 =0.01，即置信度1- =0.99的置信区间。这种情况只需考虑置信下限即可。如果计算得到的置信下限LCL 都大于壁厚标准最小值X Min ，即LCL> X

21、 Min 同样可推断总体产品的玻璃在瓶子上的分布是合格的，可接受的。因为总体样本的标准差为未知量,在此运用小样本(即样本容量n<30) 标准差S 代替,需要用t 分布构造X 的置信区间。置信下限LCL 计算公式为：nLCL X t Sn.( 1)2= 9。LCL 值的计算可以通过查t 分布表求得，也可以利用Excel 的计算功能求得。结果如以上的两个表格的预测栏中的第二栏所示. 根据表中数据可知，置信下限LCL 均大于X Min ，因此可以推断总体产品的玻璃在瓶子上的分布是合格的，可接受的。其可信程度为99%。4.3 结论由上述预测的结论可以得出当合缝线偏移10°度纵向玻璃分布

22、和合缝线偏移90°度纵向玻璃分布全部检测点都是符合标准的，则总体产品的合格率是达到相关标准要求，据此可推断生产玻璃瓶子的模具的设计是正确的，合理的，理想的。相反，当合缝线偏移10°度纵向玻璃分布和合缝线偏移90°度纵向玻璃分布有一检测点一项或几项不符合标准，则可推断生产玻璃瓶子的模具的设计是不正确的，不合理的，有缺陷的。模具需要修改或从新设计。参考文献 (References)1梁德海. 陈茂雄. 玻璃生产技术M. 北京：轻工业出版社，1984.LIANG D H.CHEN M X.Glass manufacture technologyM. Beijing: China Light Industry Press, 1984. (inchinese)2西北轻工业学院. 玻璃工艺学M. 北京：中国轻工业出版社，2007.NWILI