印花金屬板生產(chǎn)線加工技術(shù)研究*

楊志超，王航凱，米曉明

(浙江大學(xué)包頭工業(yè)技術(shù)研究院， 內(nèi)蒙古 包頭 014010)

引 言

傳統(tǒng)建筑外墻通常使用涂料來涂刷顏色，這種涂料經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的日曬雨淋會(huì)出現(xiàn)脫色、起皮現(xiàn)象，還存在高空墜落的危險(xiǎn)。近年來，國內(nèi)出現(xiàn)以金屬板材作為建筑外墻材料，但這些板材顏色單一，加工工藝落后，尤其是在外觀、實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性等方面已經(jīng)不能滿足人們的需求。印花金屬板是近幾年發(fā)展起來的一種用作裝飾板材的材料。目前，國外已經(jīng)出現(xiàn)能大批量生產(chǎn)品質(zhì)更高的印花金屬板的生產(chǎn)線，生產(chǎn)出的印花金屬板具有抗褪色性、抗腐蝕性、抗紫外線能力強(qiáng)、抗裂性強(qiáng)以及能夠承受惡劣天氣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，能起到環(huán)保、節(jié)能的作用[1]，不僅可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)建筑外墻用的石材、木材等裝飾材料，還可以用作一些家用電器外殼深加工的原材料，如冰箱外罩、洗衣機(jī)外罩等。據(jù)中國產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)報(bào)道，僅2013年上半年，我國從日本進(jìn)口的高端印花金屬板帶就高達(dá)8.65萬噸。這種印花板國內(nèi)需求量大，進(jìn)口價(jià)格高，因此有必要設(shè)計(jì)一整套印花金屬板生產(chǎn)線來滿足我國在建筑領(lǐng)域的使用要求，填補(bǔ)這一項(xiàng)目的空白。本文根據(jù)三色印花金屬板加工工藝流程，綜合國內(nèi)對(duì)印花金屬板的使用要求、國內(nèi)氣候條件和人民的經(jīng)濟(jì)條件等各種因素，詳細(xì)論述了符合國內(nèi)高端裝飾金屬板需求的生產(chǎn)線相關(guān)設(shè)計(jì)技術(shù)。

1 三色印花金屬板生產(chǎn)線介紹

1.1 生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)組成

該生產(chǎn)線主要包括開卷機(jī)、矯平機(jī)、鉚接機(jī)、張力輥、入口活套、清洗設(shè)備、精涂機(jī)、液壓糾偏機(jī)構(gòu)、固化爐、壓力檢測(cè)機(jī)構(gòu)、印花機(jī)、熱覆膜機(jī)、出口活套、剪切機(jī)、收卷機(jī)等，如圖1所示。整套生產(chǎn)線機(jī)架機(jī)構(gòu)采用各類型材與Q235折彎板焊合而成，采用上中下3層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在滿足使用要求的前提下盡量降低材料成本，節(jié)約空間。整條生產(chǎn)線采用智能控制，由人工輔助操作，以節(jié)約人力，減少勞動(dòng)成本。鋼帶跑速為60 m/min，年產(chǎn)印花金屬板70 000 t，生產(chǎn)率高。各輥轉(zhuǎn)動(dòng)由電機(jī)控制，由電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和氣動(dòng)系統(tǒng)輔助控制。整條生產(chǎn)線既可以生產(chǎn)印花金屬板，又能生產(chǎn)熱覆膜金屬板。

圖1 生產(chǎn)線的結(jié)構(gòu)組成圖

1.2 工作過程

鋼帶開始進(jìn)入時(shí)，需人工穿帶，運(yùn)料小車將鋼卷運(yùn)送到開卷機(jī)上，開卷機(jī)輥旋轉(zhuǎn)開卷。液壓系統(tǒng)控制矯平機(jī)(一套五輥矯平設(shè)備)的動(dòng)作來矯平鋼帶。當(dāng)開卷機(jī)處鋼卷快跑完時(shí)，另一套開卷設(shè)備動(dòng)作，鉚接機(jī)將第1卷鋼帶的尾端與第2卷鋼帶的頭部鉚接，鋼帶繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)。張力輥的作用是拉緊鋼帶，使鋼帶保持一定的張力。印刷不同板厚的鋼帶需要不同的張緊力，鋼帶在進(jìn)入每套設(shè)備前也需要不同的張力，所以每套設(shè)備前端基本都有張力輥來控制鋼帶的張力。液壓系統(tǒng)控制壓輥與轉(zhuǎn)向輥的壓力來控制鋼帶的張緊力。入口活套的作用是保證換鋼卷時(shí)，入口活套與出口活套之間的鋼帶持續(xù)運(yùn)動(dòng)。換鋼卷時(shí)，整條生產(chǎn)線是不停止的，這樣可以極大地提高生產(chǎn)效率。入口活套內(nèi)的活套小車有“充套”和“放套”2個(gè)動(dòng)作?！俺涮住奔椿钐仔≤囅蛏线\(yùn)動(dòng)，使鋼帶充滿整個(gè)活套，充套時(shí)整條線持續(xù)動(dòng)作，所以在該階段，入口段速度為80 m/min，工藝段速度為60 m/min；“放套”即活套小車向下運(yùn)動(dòng)，入口活套需釋放鋼帶來保證更換鋼卷時(shí)印刷不停歇，當(dāng)跑帶速度為60 m/min時(shí)，入口活套最多可以存放110 m的鋼帶量。出口活套的原理與入口活套的原理相同，但運(yùn)動(dòng)順序相反。清洗設(shè)備清洗掉鋼帶上的污漬并將水分?jǐn)D干，吹熱風(fēng)烘干鋼帶。在印花工作完成后，精涂機(jī)可以向鋼帶涂抹清漆來保護(hù)印花顏色并使印花板更加光亮。當(dāng)整條線使用熱覆膜時(shí)，精涂機(jī)可以涂抹粘膠以備覆膜使用。糾偏系統(tǒng)通過CPC或EPC裝置來檢測(cè)鋼帶的偏移程度并向控制系統(tǒng)反饋信號(hào)控制油缸動(dòng)作來調(diào)整鋼帶位置。固化爐用來加熱粘膠以備后面使用。壓力檢測(cè)設(shè)備(3輥)用來檢測(cè)進(jìn)入印花機(jī)板帶的張力。印花機(jī)(3組)用來印刷鋼帶。熱覆膜機(jī)供熱覆膜使用。剪切機(jī)用來剪斷前面鉚接的鋼帶。收卷機(jī)回收鋼帶。圖2為生產(chǎn)線的工作流程圖。

圖2 生產(chǎn)線工作流程圖

2 三色印花金屬板加工工藝

2.1 產(chǎn)品特點(diǎn)

印花金屬板以優(yōu)質(zhì)熱鍍鋅板或者鋁板為基板，采用氟碳或其他高品質(zhì)涂料，經(jīng)印花機(jī)印刷油墨等一系列加工過程后成型，圖3為印花金屬板涂層結(jié)構(gòu)。

圖3 印花金屬板涂層結(jié)構(gòu)

印花機(jī)通過更換不同樣式的印花輥來獲得不同花紋圖案的印花板。不使用油墨印花機(jī)時(shí)，還可以使用熱覆膜機(jī)直接將帶有各種絢麗圖案的膜熱覆在基板上，其外觀更加美觀，絢麗多彩，更富有立體感。印花金屬板易加工，成型快，還可以根據(jù)實(shí)際情況切割、沖裁、折彎或粘接等。它融合了金屬和塑料2種材料的性能優(yōu)點(diǎn)，強(qiáng)度高，表面平整，裝飾性強(qiáng)，不僅具有防火、隔音、隔熱、耐腐蝕、耐沖擊、易清洗、抗玷污、抗刮、耐磨、耐侯性強(qiáng)等特點(diǎn)，而且因其自身重量輕還可以大大降低建筑結(jié)構(gòu)的載荷[2]。

2.2 金屬板印花工藝技術(shù)

金屬板的印花原理與傳統(tǒng)印刷原理相似，由帶花紋的雕刻輥將油墨印在轉(zhuǎn)印膠輥上，再由轉(zhuǎn)印膠輥將圖案印在板帶上，輥涂方式采用順涂法，即鋼帶與轉(zhuǎn)印膠輥的切線運(yùn)動(dòng)方向相同，操作簡(jiǎn)單，不易傷輥[3]。圖4為印花機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

圖4 印花機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

印花時(shí)油墨噴頭將油墨噴灑到雕刻輥上，雕刻輥主動(dòng)旋轉(zhuǎn)，刮刀將噴灑到雕刻輥上的油墨均勻攤開，轉(zhuǎn)印膠輥將雕刻輥上的油墨轉(zhuǎn)印到板帶上。支撐輥用來支撐鋼帶，清洗輥可以將轉(zhuǎn)印輥上的油墨清洗干凈，防止轉(zhuǎn)印花紋疊影。所有輥均可以動(dòng)作來調(diào)整各輥之間的壓力，控制涂漆厚度，使板面涂層均勻，最終使涂層面花紋致密、均勻。

印花的板材不同，各輥需要的輥縫和壓力也不同。各輥壓力的大小影響到印花的效果，壓力太小，圖案就會(huì)發(fā)虛，壓力太大又會(huì)使圖案變形。因此在涂輥控制上選用電腦調(diào)節(jié)、人工控制的模式，并通過渦輪蝸桿裝置對(duì)壓力進(jìn)行微調(diào)。生產(chǎn)不同種類的印花板時(shí)，只需更換雕刻輥。印花時(shí)，還需對(duì)基板提出較高要求，因基板表面的粗糙度和平面度也會(huì)影響到印花的效果。另外，還要求各輥線速度一致。

2.3 熱覆膜工藝技術(shù)

熱覆膜需要經(jīng)過上膠、烘干和熱壓3個(gè)過程。熱壓由2套設(shè)備共同配合完成，其中一套設(shè)備完成膜的開卷與加熱，另一套設(shè)備完成膜與板的粘合。采用精涂機(jī)上膠，由固化爐烘干，再用覆膜機(jī)在鋼帶上覆蓋一層0.012～0.020 mm厚的帶有各種圖案的塑料薄膜，從而獲得一種板塑合一的產(chǎn)品。圖5為熱覆膜機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。該設(shè)備體積小，造價(jià)低，操作靈活方便，不僅適用于大批量印刷品的覆膜加工，也適用于自動(dòng)化桌面辦公系統(tǒng)等小批量、零散印刷品的覆膜加工，被圖片社及印刷廠廣泛用于廣告制作、設(shè)計(jì)等，投資少，效果明顯，使用的耗材無污染，屬于綠色環(huán)保產(chǎn)品[4]。

圖5 熱覆膜機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

采用2卷膜卷，一卷使用，另一卷備用。需要換膜卷時(shí)，先在備用膜卷頭部貼好膠帶，然后控制電機(jī)使膜卷架以2卷膜中心線中點(diǎn)位置為圓心轉(zhuǎn)動(dòng)，兩膜卷互換位置后托膜輥會(huì)向上運(yùn)動(dòng)，使備用膜卷的頭部和原膜卷的尾部粘合，同時(shí)剪刀會(huì)迅速動(dòng)作，切斷即將用盡的膜卷，完成換卷動(dòng)作。若膜需要加熱，則通過加熱輥穿膜；若膜不需要加熱，則沿虛線穿膜。壓輥將膜與鋼帶壓合。

2.4 糾偏控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于鋼帶本身的板型和機(jī)械設(shè)備的安裝誤差，鋼帶或多或少會(huì)向一個(gè)方向跑偏，嚴(yán)重影響到印花機(jī)組印花工藝的完成，所以控制并糾正鋼帶跑偏是非常必要的。可以采取以下措施來減小鋼帶跑偏：

1)確保輥?zhàn)用娴募庸ぞ群蜋C(jī)組的裝配精度。該項(xiàng)措施可以減小鋼帶跑偏，但不能從根本上解決問題，因?yàn)榇O(shè)備使用一段時(shí)間后，地基下沉、輥面磨損和其他一些因素也會(huì)使鋼帶跑偏。

2)增大張力。該項(xiàng)措施可以有效減小鋼帶跑偏，但不能完全根除問題，因?yàn)樵O(shè)備受力會(huì)隨著張力的增大而增大，投資也會(huì)相應(yīng)地增大。

3)降低生產(chǎn)速度。該項(xiàng)措施可以減小鋼帶跑偏，但機(jī)組速度過低會(huì)影響生產(chǎn)效率。

以上這些方法可以在一定程度上解決鋼帶跑偏的問題，但在實(shí)際應(yīng)用中，效果不是十分理想，且經(jīng)濟(jì)效益差，而在機(jī)組中設(shè)置若干糾偏輥的效果卻很好。該生產(chǎn)線采用的糾偏控制系統(tǒng)CPC/EPC自成一體，為連續(xù)閉環(huán)式電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)。糾偏裝置系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖6所示。當(dāng)鋼帶偏離生產(chǎn)線所規(guī)定的位置時(shí),測(cè)量系統(tǒng)測(cè)出鋼帶位置偏差，并將偏差值傳送到電控系統(tǒng)。電控系統(tǒng)的輸出與液壓伺服系統(tǒng)相連，液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)糾偏執(zhí)行機(jī)構(gòu)作相應(yīng)的位移，使鋼帶精確地行進(jìn)在預(yù)先調(diào)整好的中心(邊部)位置。

圖6 糾偏裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖7為無臂式EPC。其中的控制器協(xié)調(diào)和指揮整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)作，測(cè)量傳感器測(cè)量鋼帶的位置，表1為控制器的程序代碼及對(duì)應(yīng)的傳感器。在鋼帶的下方安裝發(fā)光源，在上方安裝接收CCD攝像頭，利用光源與鋼帶有明顯的光學(xué)反差這一特點(diǎn)，根據(jù)光學(xué)成像的原理，通過測(cè)量鏡頭的鋼帶按一定比例成像到CCD上，部分遮住了光敏單元，而成直線排列的光敏單元?jiǎng)t將被測(cè)鋼帶的光學(xué)影像沿陣列方向的分布轉(zhuǎn)換為時(shí)序的電平信號(hào)，所得到的信號(hào)經(jīng)前置放大、峰值檢出和二值化處理后，用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖填充、計(jì)數(shù)，再經(jīng)計(jì)算即可得到鋼帶位置。此位置信號(hào)經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后送至調(diào)節(jié)器，經(jīng)伺服放大，液壓系統(tǒng)的伺服閥進(jìn)而控制伺服油缸動(dòng)作來完成收卷機(jī)軸線方向的動(dòng)作。線性位移傳感器測(cè)量收卷機(jī)的位移量并將它實(shí)時(shí)傳送回控制器。

圖7 無臂式EPC

程序代碼對(duì)應(yīng)傳感器ST8101BMI、SMIST8120EVKST8130雙EVKST8141EVMST8144EVMSST8181IMH2

注： 表中BMI、SMI為測(cè)量傳感器，EVK、EVM、EVMS和IMH2均為線性位移傳感器。

糾偏機(jī)架是用來完成鋼帶糾偏動(dòng)作的機(jī)構(gòu)，在整條生產(chǎn)線中裝有PI型糾偏機(jī)架(可以理解為P型糾偏輥和I型糾偏輥的組合)，如圖8所示。對(duì)于P型糾偏機(jī)架控制輥，當(dāng)控制輥收到控制信號(hào)后會(huì)側(cè)向調(diào)整位移量，鋼帶隨即產(chǎn)生一糾偏量。這種控制輥由一根或一組輥?zhàn)咏M成, 輥?zhàn)友b在旋轉(zhuǎn)架上，圍繞其下固定框架上的旋轉(zhuǎn)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。該控制輥動(dòng)態(tài)性能好, 沒有滯后時(shí)間。I型糾偏機(jī)架控制輥的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輥?zhàn)右砸欢藶橹c(diǎn) (旋轉(zhuǎn)點(diǎn)) ，另一端用液壓缸調(diào)節(jié)輥?zhàn)拥慕嵌?。?dāng)鋼帶跑偏, 可借助于液壓缸調(diào)節(jié)輥?zhàn)拥慕嵌取Ｍㄟ^調(diào)節(jié)輥?zhàn)拥慕嵌葋韽?qiáng)制運(yùn)行中的鋼帶在輥?zhàn)由献鱾?cè)向移動(dòng)，直到鋼帶與輥軸線呈90°的位置。鋼帶突然跑偏后，可馬上調(diào)整輥?zhàn)拥慕嵌? 但將鋼帶調(diào)整到新的位置需要一定的時(shí)間，鋼帶位置隨時(shí)間逐步積分，從而達(dá)到新的鋼帶位置[5]。

圖8 糾偏機(jī)架

2.5 檢測(cè)結(jié)果

按上述生產(chǎn)線的生產(chǎn)規(guī)格，0.5 mm × 1 250 mm的印花鍍鋅板均為一級(jí)品，成材率為98%，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行的性能檢驗(yàn)結(jié)果優(yōu)于或等同于《彩色涂層鋼板及鋼帶》(GB/T 12754—2006)的各項(xiàng)指標(biāo)要求。各項(xiàng)性能指標(biāo)檢驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 性能指標(biāo)檢驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)束語

該生產(chǎn)線既可生產(chǎn)不同規(guī)格的印花金屬板，還可以生產(chǎn)不同規(guī)格的熱覆膜金屬板，一條生產(chǎn)線可實(shí)現(xiàn)2種板材的深加工，生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)出的新型裝飾板材產(chǎn)品完全符合國家標(biāo)準(zhǔn)，有其他裝飾材料無法比擬的優(yōu)勢(shì)，具有一定的應(yīng)用及推廣價(jià)值，是實(shí)現(xiàn)高端裝飾產(chǎn)業(yè)鏈的重要環(huán)節(jié)。該條生產(chǎn)線的自檢功能和自動(dòng)化程度還可以進(jìn)一步提升。

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