低磨損HDPE 飲料瓶蓋壓塑成型模具設(shè)計(jì)

羅 達(dá)，梁文杰

（杭州娃哈哈集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 311215）

0 引 言

中國(guó)是飲料生產(chǎn)大國(guó)，與之相應(yīng)的瓶蓋需求數(shù)量龐大。瓶蓋在飲料生產(chǎn)成本中占了較大比重，故對(duì)如何提高飲料瓶蓋的生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量、模具壽命等方面都提出了更高的要求。目前國(guó)內(nèi)飲料瓶蓋的生產(chǎn)工藝主要有注塑成型和壓塑成型二種成型工藝[1]。與注塑成型相比，壓塑成型有能耗低、生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品質(zhì)量好、模具體積小、模具使用壽命長(zhǎng)、制品的內(nèi)應(yīng)力小[2]等優(yōu)點(diǎn)。所以瓶蓋的壓塑成型工藝在國(guó)內(nèi)已得到廣泛的應(yīng)用。但傳統(tǒng)的瓶蓋壓塑成型模具的內(nèi)襯套與螺紋型芯之間的運(yùn)動(dòng)都是滑動(dòng)摩擦副的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的內(nèi)襯套與螺紋型芯容易磨損、瓶蓋容易出現(xiàn)飛邊拉毛、卡死也常有發(fā)生，嚴(yán)重影響瓶蓋質(zhì)量和模具壽命。為了解決上述缺陷，研究者一直致力于這種模具的結(jié)構(gòu)改進(jìn)研究。

本研究介紹一種新的模具結(jié)構(gòu)，用滾動(dòng)摩擦副代替滑動(dòng)摩擦副，該結(jié)構(gòu)能有效減少模具的磨損，提高模具壽命和瓶蓋質(zhì)量。

1 HDPE 飲料瓶蓋結(jié)構(gòu)及壓塑成型工藝

塑料瓶蓋壓塑成形是近幾年來出現(xiàn)的新的塑料瓶蓋成型技術(shù)，它具有制品尺寸穩(wěn)定、收縮變形小、能耗低、模具壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)。10 年前國(guó)外就開始研究熱塑性塑料壓塑成型技術(shù)，到現(xiàn)在該技術(shù)已經(jīng)成熟。與他們相比我國(guó)的起步較晚，相關(guān)的研究工作剛剛起步，高精度、高產(chǎn)量和長(zhǎng)壽命的設(shè)備主要還是依靠進(jìn)口[3]。要趕上國(guó)際先進(jìn)水平還需要不斷技術(shù)創(chuàng)新，技術(shù)創(chuàng)新無疑是塑料防盜蓋快速發(fā)展的動(dòng)力[4]。為了使內(nèi)容物不被惡意破壞，所有的飲料瓶蓋都采用防盜結(jié)構(gòu)[5]。

1.1 HDPE 飲料瓶瓶蓋的結(jié)構(gòu)

典型HDPE 飲料瓶蓋如圖1 所示。它由兩部分組成即瓶蓋主體和防盜環(huán)，瓶蓋主體與防盜環(huán)之間通過連接橋連接在一起。瓶蓋主體上有密封內(nèi)塞、螺紋、旋蓋齒線、連接橋等結(jié)構(gòu)，防盜環(huán)上有扣環(huán)。

圖1 防盜瓶蓋的結(jié)構(gòu)

1.2 HDPE 飲料瓶蓋壓塑成型制蓋機(jī)的工作原理

壓塑制蓋最為顯著的特征就在于高速連續(xù)旋轉(zhuǎn)的成形單元，如圖2 所示。一腔模具為一個(gè)成型單元，單獨(dú)安裝在制蓋機(jī)轉(zhuǎn)盤上，一臺(tái)制蓋機(jī)可安裝多腔模具，目前常見的有32 腔和48 腔兩種制蓋機(jī)。在壓塑成型過程中模具固定在制蓋機(jī)上，模具隨制蓋機(jī)一起旋轉(zhuǎn)，擠塑機(jī)將經(jīng)過預(yù)塑化達(dá)到粘流態(tài)的原料放入冷模中，然后快速閉模施壓成型制品[6]。

圖2 高速連續(xù)旋轉(zhuǎn)成型單元

具體過程如下：HDPE 粒子由加料機(jī)送入擠塑機(jī)，根據(jù)需要將擠塑機(jī)溫度加到170oC～180oC 進(jìn)行塑化、混煉，經(jīng)計(jì)量泵（控制每個(gè)瓶蓋的重量）、出料筒從口模連續(xù)擠出。連續(xù)擠出的料由投料盤切成料丸投到每個(gè)模具的型腔內(nèi)。料丸在型腔內(nèi)經(jīng)歷了合模擠壓、成型、冷卻、開模、脫模5 個(gè)過程被壓塑成瓶蓋，最后由出蓋輪將瓶蓋送出。

2 壓塑成型HDPE 飲料瓶蓋模具結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 模具結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)模具結(jié)構(gòu)如圖3（a）所示。改進(jìn)后的模具結(jié)構(gòu)如圖3（b）所示，模具分成上模和下模二部分。

圖3 模具結(jié)構(gòu)對(duì)比

圖3 中編號(hào)1～20 組成模具的上模，外襯套（8）、導(dǎo)向環(huán)（4）固定在制蓋機(jī)上。上模襯套（14）固定在制蓋機(jī)的脫蓋環(huán)（如圖4 所示）上，由制蓋機(jī)的凸輪控制作上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)瓶蓋脫模。圖3（b）中編號(hào)21～26 組成模具的下模，下模座（26）固定在制蓋機(jī)的下模固定座上，大型腔（21）、小型腔（22）等零件通過下模螺套（24）固定在下模座（26）上。模具的開模、合模動(dòng)作由下模通過制蓋機(jī)上的下模固定座上、下運(yùn)動(dòng)完成。

圖4 模具工作原理

2.2 模具的工作原理

模具工作原理如圖4 所示。料丸由投料盤送入型腔內(nèi)（如圖4（a）所示），制瓶機(jī)的下模固定座帶動(dòng)下模向上運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)合模，料丸被擠壓成瓶蓋（如圖4（b）所示）。經(jīng)過一定時(shí)間的冷卻后下模向下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)開模（如圖4（c）所示）。模具打開后，脫模桿在凸輪的作用下帶動(dòng)脫模環(huán)、上模襯套（14）、內(nèi)襯套（10）、螺紋型芯（17）等上模零件向下運(yùn)動(dòng)，待螺紋芯桿碰到限位臺(tái)階2后將瓶蓋從螺紋芯桿（17）中強(qiáng)制脫出（如圖4（d）所示），此時(shí)瓶蓋沒有完全脫模，還有部分中上模襯套中，還需要壓縮空氣將瓶蓋從上模襯套中吹出，進(jìn)入脫蓋輪1 內(nèi)，由脫蓋輪1、經(jīng)脫蓋輪2 將瓶蓋送出（如圖2 所示）。壓縮空氣從模具上端進(jìn)入模具（如圖3 所示）。脫模彈簧（7）起脫模助力作用，復(fù)位彈簧（13）用作螺紋芯桿（17）復(fù)位。

2.3 與傳統(tǒng)模具比較

傳統(tǒng)的模具結(jié)構(gòu)如圖3（a）所示，內(nèi)襯套與螺紋型芯之間沒有鋼球保持圈，相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)作滑動(dòng)摩擦。摩擦是一種不可逆轉(zhuǎn)的過程，其結(jié)果是必然有能量損耗和摩擦表面物質(zhì)的喪失或遷移，即磨損[7]。內(nèi)襯套與螺紋型芯磨損的結(jié)果是間隙增大，瓶蓋出現(xiàn)飛邊。在模具中，潤(rùn)滑不良的相同材料金屬塊在壓力下相互滑移不久就會(huì)導(dǎo)致類似的表面焊接[8]。發(fā)生這種現(xiàn)象的結(jié)果是造成內(nèi)襯套與螺紋型芯拉毛、卡死，導(dǎo)致零件報(bào)廢。

改進(jìn)后的模具如圖3（b）所示，內(nèi)襯套與螺紋型芯增加了鋼球保持圈[9]，將內(nèi)襯套與螺紋型芯原來的滑動(dòng)摩擦變成滾動(dòng)摩擦，該結(jié)構(gòu)不僅有效地減少了模具的磨損，還能防止拉毛、卡死現(xiàn)象的發(fā)生，延長(zhǎng)了模具壽命、提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

3 結(jié)束語

本研究將壓塑成型模具中滑動(dòng)摩擦改為滾動(dòng)摩擦，這對(duì)降低運(yùn)動(dòng)阻力，減少零件磨損，延長(zhǎng)模具使用壽命，無疑是十分有益的。但是為了提高冷卻效果，螺紋型芯都用鈹青銅制造，耐磨性能較差，使用該結(jié)構(gòu)時(shí)螺紋型芯外面必須鑲鋼套。除了改進(jìn)模具的結(jié)構(gòu)，提高模具零件的耐磨性也是提高模具壽命的方法之一。

在模具制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的今天，該技術(shù)具有很好的推廣前景。

（References）：

[1]印雄飛.塑料防盜瓶蓋的成形技術(shù)[J].浙江科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，21（3）：262-265.

[2]申開智.塑料模具設(shè)計(jì)與制造[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006：193-197.

[3]中國(guó)模具工業(yè)協(xié)會(huì).模具行業(yè)“十一五”規(guī)劃[J].模具工業(yè)，2005（7）：3-8.

[4][作者不詳].分析瓶蓋在飲料行業(yè)的應(yīng)用狀況[EB/OL].[2008-08-20].http：//www.hdcmr.com/artiele/jzqb/06/01/15261.html.

[5]中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T17876-2010 包裝容器-塑料防盜瓶蓋[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

[6]王鵬駒.塑料模具技術(shù)手冊(cè)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，1999：275-279.

[7]濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：高等教育出版社，1996.

[8][加]瑞斯.模具工程[M].朱元吉，譯.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1999：650-652.

[9]中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T2861.5-2008 沖模導(dǎo)向裝置[S].國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)，2008.