小盒商標(biāo)紙?jiān)诰€壓痕裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

李宇飛，李建軍，盧良海，李歡，覃樹良，陳炎強(qiáng)，彭品，劉瑱

小盒商標(biāo)紙?jiān)诰€壓痕裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

李宇飛，李建軍*，盧良海，李歡，覃樹良，陳炎強(qiáng)，彭品，劉瑱

（廣西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司柳州卷煙廠，廣西 柳州 545006）

解決中支雙鋁包小盒商標(biāo)紙因模切壓痕不穩(wěn)定出現(xiàn)的煙包小盒側(cè)邊彈開翻折、煙包變形等問題。設(shè)計(jì)小盒商標(biāo)紙?jiān)诰€壓痕裝置，該裝置包括機(jī)架、傳動(dòng)軸、輾送輪、壓痕件、導(dǎo)紙輪、對(duì)壓輪、壓痕避讓部和托紙輪，同時(shí)開展正交試驗(yàn)，獲取壓痕件半徑、刃緣弧長(zhǎng)和包裝機(jī)作業(yè)速度最佳參數(shù)組合。應(yīng)用在線壓痕裝置后，小盒商標(biāo)紙壓痕挺度的平均絕對(duì)誤差由6.0減小至1.9，次品煙包頻率由37.6包/班次降低至8.4包/班次，改進(jìn)后比改進(jìn)前降低了77.7%。設(shè)計(jì)的小盒商標(biāo)紙?jiān)诰€壓痕裝置可使商標(biāo)紙挺度處于適宜水平，降低了該類缺陷煙包頻率，提高了煙包包裝質(zhì)量。該技術(shù)可為提高雙鋁包包裝機(jī)的產(chǎn)品質(zhì)量、作業(yè)效率及穩(wěn)定性提供支持。

小盒商標(biāo)紙；壓痕裝置；包裝機(jī)；次品煙包；壓痕挺度

隨著卷煙產(chǎn)品包裝不斷走向高端化和精細(xì)化，各種異形包裝設(shè)計(jì)成為新的發(fā)展趨勢(shì)。YB418包裝機(jī)是卷煙企業(yè)常用的一款異形包裝機(jī)組，可用于雙鋁包設(shè)計(jì)等各種復(fù)雜卷煙的外包裝作業(yè)[1]。雙鋁包設(shè)計(jì)主要針對(duì)高端卷煙產(chǎn)品，其商標(biāo)紙的設(shè)計(jì)大多采用特殊工藝，如透鏡定位復(fù)膜紙與絲網(wǎng)印刷雪花工藝、燙金文字微納壓紋工藝等，以體現(xiàn)高端產(chǎn)品的外觀特色，但對(duì)商標(biāo)紙的上機(jī)適應(yīng)性帶來一定的影響。在包裝過程中，產(chǎn)品的包裝質(zhì)量主要受設(shè)備及材料特性的影響[2-5]較大，如受小盒商標(biāo)紙模切壓痕不足、材料特性不穩(wěn)定及設(shè)備結(jié)構(gòu)改進(jìn)不良等因素的影響，常出現(xiàn)煙包變形、煙包側(cè)邊彈開及襯紙翻折等現(xiàn)象，造成卷煙外觀質(zhì)量問題，增加了輔材消耗，影響了設(shè)備作業(yè)效率[6-9]。針對(duì)此類現(xiàn)象，在相關(guān)研究中，主要通過增加上膠點(diǎn)位、限制商標(biāo)紙漂移等措施進(jìn)行改善[10-11]。蘇榮長(zhǎng)[12]通過增加雙邊彈簧壓緊機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)煙包的穩(wěn)定輸送以減少煙包變形。虎宏林[13]通過優(yōu)化商標(biāo)紙上膠輸送結(jié)構(gòu)，改善上膠點(diǎn)位效果，降低了因商標(biāo)紙上膠效果欠佳而導(dǎo)致的煙包缺陷。張成鵬等[14]通過增加商標(biāo)紙導(dǎo)向滾壓裝置，改善商標(biāo)紙輸送功能，減少了商標(biāo)紙輸送不平穩(wěn)導(dǎo)致的故障停機(jī)次數(shù)與煙包缺陷。上述研究中，增加商標(biāo)紙上膠點(diǎn)位可導(dǎo)致膠水的消耗增加及易引發(fā)煙包膠水溢出等問題，而加裝導(dǎo)向滾壓裝置則是通過改善輸送功能減少卡紙導(dǎo)致的停機(jī)次數(shù)與煙包缺陷，針對(duì)煙包變形、側(cè)邊彈開及襯紙翻折等問題作用有限。謝長(zhǎng)芹等[15]發(fā)現(xiàn)影響上機(jī)適應(yīng)性的材料因素主要有商標(biāo)紙的挺度、靜摩擦因數(shù)與動(dòng)摩擦因數(shù)，但針對(duì)商標(biāo)紙壓痕挺度問題導(dǎo)致的煙包側(cè)彈開、煙包變形等方面的研究較少。

綜上所述，本文基于商標(biāo)紙的材料特性開展研究。通過設(shè)計(jì)一種在線壓痕裝置對(duì)商標(biāo)紙折疊沿線進(jìn)行刻痕加深，使其壓痕挺度處于適宜區(qū)間，保持穩(wěn)定的預(yù)折疊姿態(tài)，提高后續(xù)包裝成型過程中的平順性及上膠質(zhì)量，從而保障卷煙產(chǎn)品質(zhì)量，提升設(shè)備運(yùn)行效率。

1 商標(biāo)紙壓在線痕裝置的設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)組成

采用三維設(shè)計(jì)軟件對(duì)商標(biāo)紙?jiān)诰€壓痕裝置的相關(guān)零部件進(jìn)行三維建模及虛擬裝配。商標(biāo)紙?jiān)诰€壓痕裝置主要由機(jī)架、傳動(dòng)軸、輾送輪、壓痕件、導(dǎo)紙輪、對(duì)壓輪、壓痕避讓部和托紙輪等部件組成，如圖1所示。

在圖1中，兩側(cè)機(jī)架（包裝機(jī)基體）對(duì)壓痕裝置進(jìn)行支撐固定，軸承嵌入機(jī)架內(nèi)部，用于限制傳動(dòng)軸Ⅰ和傳動(dòng)軸Ⅱ的軸向和徑向移動(dòng)。輾送輪、導(dǎo)紙輪固定于傳動(dòng)軸Ⅰ上，對(duì)壓輪、托紙輪固定于傳動(dòng)軸Ⅱ上，兩傳動(dòng)軸由包裝機(jī)伺服電機(jī)提供動(dòng)力進(jìn)行相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。

1.機(jī)架；2.傳動(dòng)軸Ⅰ；3.輾送輪；4.導(dǎo)紙輪；5.壓痕件； 6.軸承；7.傳動(dòng)軸Ⅱ；8.對(duì)壓輪；9.壓痕避讓部；10.托紙輪。

1.2 工作原理

壓痕裝置對(duì)商標(biāo)紙的壓痕作用如圖2所示。商標(biāo)紙1通過前序傳送機(jī)構(gòu)進(jìn)入輾送輪3上的壓痕件2與對(duì)壓輪4上的壓痕避讓部5所處的間隙中，該間隙略小于小盒商標(biāo)紙厚度。壓痕件外周呈圓弧狀刃緣，壓痕避讓部側(cè)端面為5（邊長(zhǎng)）×45°（倒角），兩者的相互作用可對(duì)商標(biāo)紙?jiān)械恼郫B沿線進(jìn)行壓痕加深，從而改變其壓痕挺度，使商標(biāo)紙具有一定的內(nèi)應(yīng)力保持較好的預(yù)折疊姿態(tài)及穩(wěn)定性。避免在后續(xù)折疊成型時(shí)產(chǎn)生因膠水吸附效果不良導(dǎo)致的煙包散開問題，同時(shí)也可避免在包裝環(huán)節(jié)完成后出現(xiàn)商標(biāo)紙重新彈開的現(xiàn)象，有效地降低了煙包包裝過程出現(xiàn)襯紙翻折、煙包變形等現(xiàn)象的頻次；壓痕件與壓痕避讓部相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，兩部件與商標(biāo)紙間的摩擦力可將商標(biāo)紙有效地進(jìn)行下一步傳送，但壓痕部位與商標(biāo)紙長(zhǎng)期的摩擦作用易引起壓痕部件的磨損，使得傳送通道間隙變大，導(dǎo)致作用力不足引起商標(biāo)壓痕淺、傳送效果受到影響。為避免該情況，在壓痕件上增加滑槽結(jié)構(gòu)，使其可通過松動(dòng)滑槽機(jī)構(gòu)上的鎖緊螺釘對(duì)通道間隙大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，以保證裝置的正常運(yùn)行。

圖3 壓痕點(diǎn)位

2 參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 參數(shù)選擇

結(jié)合壓痕裝置工作原理可知，通過調(diào)整壓痕件的徑向位置，可實(shí)現(xiàn)商標(biāo)紙痕深的調(diào)整，減小折疊沿線的挺度偏差。影響壓痕挺度的因素主要有：壓痕件的半徑、壓痕件邊緣刃的弧長(zhǎng)及包裝機(jī)的作業(yè)速度。壓痕件伸出半徑越大，導(dǎo)致壓痕件與壓痕避讓部之間的商標(biāo)紙傳送通道間隙越小，商標(biāo)紙的痕深越大，挺度隨之變?。粔汉奂吘壢谢￠L(zhǎng)越大，壓痕線越長(zhǎng)，壓痕挺度也隨之變化；包裝機(jī)的作業(yè)速度越大，壓痕結(jié)構(gòu)對(duì)壓痕點(diǎn)位的作用時(shí)間變短，而商標(biāo)紙自身材質(zhì)具有一定的彈性，此時(shí)痕深未定形，會(huì)造成痕深一定程度的復(fù)位。由此可知在本試驗(yàn)中，影響壓痕挺度的因素主要是壓痕件的半徑（mm）、壓痕件邊緣刃的弧長(zhǎng)（mm）、包裝機(jī)的作業(yè)速度（包/min）3個(gè)因素。因小盒商標(biāo)紙材料在3、4位點(diǎn)的模切長(zhǎng)度最大值為24 mm，所以壓痕件緣刃的弧長(zhǎng)最大值選擇為24 mm，YB418包裝機(jī)的額定作業(yè)速度為200包/min。根據(jù)預(yù)試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際情況，設(shè)計(jì)試驗(yàn)因素水平如表1所示。

2.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)三因素三水平的正交表L9(33)設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，具體試驗(yàn)方案如表2所示。按照方案依次對(duì)YB418雙鋁包裝機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，每種方案測(cè)試時(shí)間持續(xù)1 h并重復(fù)進(jìn)行3次。收集統(tǒng)計(jì)每種試驗(yàn)方案在規(guī)定時(shí)長(zhǎng)內(nèi)產(chǎn)生的缺陷產(chǎn)品數(shù)量，并計(jì)算出現(xiàn)該類產(chǎn)品的平均頻次。

表1 因素水平

Tab.1 Levels of factors

由表2可知，因子影響從大到小為、、；最佳組合為332。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，Delta反映了該因子對(duì)結(jié)果影響的大小[16-19]。實(shí)際生產(chǎn)中，影響煙包變形、側(cè)邊彈開、翻折現(xiàn)象頻次的原因復(fù)雜。試驗(yàn)中，上膠點(diǎn)位和包裝原輔材料保持不變的情況下，機(jī)器運(yùn)行速度過高，商標(biāo)紙與膠水接觸時(shí)間短，兩者不易黏接且商標(biāo)紙易反彈。壓痕刃緣弧長(zhǎng)與壓痕半徑分別影響商標(biāo)紙的刻痕長(zhǎng)度與深度，刻痕長(zhǎng)度與深度的值越大，商標(biāo)紙保持預(yù)折疊姿態(tài)的穩(wěn)定性越佳。由表2可知，壓痕件刃緣弧長(zhǎng)（因素B）對(duì)煙包缺陷頻次的影響最大，其次是壓痕件半徑，包裝機(jī)運(yùn)行速度對(duì)煙包缺陷頻次的影響最小。最佳參數(shù)組合為332，即壓痕件半徑為71.3mm、壓痕件刃緣弧長(zhǎng)為24 mm、包裝機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度為180包/min時(shí)，單位小時(shí)內(nèi)出現(xiàn)缺陷煙包的頻次最少。進(jìn)一步分析可知，壓痕件刃緣和半徑增大，小盒商標(biāo)紙壓痕位點(diǎn)能具有較長(zhǎng)、較深的壓痕，使其具備較好的挺度標(biāo)準(zhǔn)，以保持良好的預(yù)折疊姿態(tài)，最終達(dá)到減少缺陷煙包頻次的目的。

表2 煙包次品出現(xiàn)頻次試驗(yàn)

Tab.2 Test on frequency of defective cigarette packs

注：Delta表示每個(gè)因子的最大平均響應(yīng)值和最小平均響應(yīng)值之差。

圖4表明，缺陷煙包頻次隨著壓痕件半徑、壓痕件緣刃的弧長(zhǎng)的增大逐漸減小，隨著包裝機(jī)的作業(yè)速度的增大先減小后增大，在包裝機(jī)速度為180包/min時(shí)最小。由于雙鋁包小盒在3、4位點(diǎn)模切長(zhǎng)度的最大值為24 mm，因此壓痕件緣刃的弧長(zhǎng)的最大水平即為最優(yōu)水平。隨著壓痕件半徑的增大，煙包變形、側(cè)邊彈開、襯紙翻折頻次減小的趨勢(shì)逐漸變緩，可在壓痕件緣刃的弧長(zhǎng)為24 mm、包裝機(jī)的作業(yè)速度為180包/min的基礎(chǔ)上增加驗(yàn)證試驗(yàn)，確定壓痕件半徑的最優(yōu)水平。

3 應(yīng)用效果

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

主要材料：真龍某牌號(hào)卷煙，廣西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司柳州卷煙廠；小盒商標(biāo)紙，浙江美濃世紀(jì)集團(tuán)有限公司生產(chǎn)，根據(jù)卷煙盒包裝印刷品檢驗(yàn)方法[20]，商標(biāo)厚度為（0.3±015）mm，壓痕挺度為（55±7）g。

主要設(shè)備：YB418雙鋁包包裝機(jī)，上海煙草機(jī)械有限責(zé)任公司；商標(biāo)紙?jiān)诰€壓痕裝置，自設(shè)計(jì)。

試驗(yàn)：設(shè)定YB418雙鋁包包裝機(jī)的生產(chǎn)速度為180包/min，每個(gè)工作日運(yùn)行8 h；改進(jìn)后裝置參數(shù)取試驗(yàn)中的最佳組合，收集統(tǒng)計(jì)機(jī)組設(shè)備改進(jìn)前后各5個(gè)班次小盒商標(biāo)紙的壓痕挺度、平均絕對(duì)誤差以及出現(xiàn)的缺陷煙包數(shù)量，并求其相應(yīng)平均值。

3.2 數(shù)據(jù)分析

商標(biāo)紙?jiān)诰€壓痕裝置安裝前后出現(xiàn)缺陷煙包數(shù)量對(duì)比如表3所示。由表3可知，裝置改進(jìn)前后，小盒商標(biāo)紙壓痕挺度的平均絕對(duì)誤差由6.0減小至1.9，有效地解決了模切痕深不足、壓痕挺度不穩(wěn)定等問題，同時(shí)缺陷煙包頻率由37.6包/班次降低至8.4包/班次，改進(jìn)后比改進(jìn)前下降了77.7%。

表4為在線商標(biāo)紙壓痕裝置應(yīng)用前后商標(biāo)紙壓痕挺度與缺陷煙包數(shù)量單因素方差分析結(jié)果。其中壓痕位1、2、3處的壓痕挺度以及缺陷煙包數(shù)量存在極顯著的差異（≤0.01），壓痕位4處的壓痕挺度存在顯著差異（0.01＜＜0.05），表明所設(shè)計(jì)的小盒商標(biāo)紙?jiān)诰€壓痕裝置可以有效地改善小盒商標(biāo)壓痕挺度的穩(wěn)定性，降低缺陷產(chǎn)品頻次，提高設(shè)備生產(chǎn)效率。但可能由于小盒商標(biāo)紙厚度不均勻，導(dǎo)致商標(biāo)紙壓痕裝置對(duì)不同壓痕位壓痕挺度的影響效果不同，后續(xù)有必要對(duì)小盒商標(biāo)紙厚度對(duì)壓痕挺度的影響規(guī)律開展相關(guān)研究。

圖4 因素水平均值

表3 安裝商標(biāo)紙壓痕裝置前后商標(biāo)紙壓痕挺度，以及變形、側(cè)邊彈開、襯紙翻折煙包數(shù)量對(duì)比

Tab.3 Comparison of stiffness, deformation, side bounce, and number of folded cigarette packs before and after installing the trademark paper indenting device

表4 壓痕裝置安裝前后商標(biāo)紙壓痕挺度，以及變形、側(cè)邊彈開、襯紙翻折煙包數(shù)量差異性分析

Tab.4 Analysis of differences in stiffness, deformation, side bounce and number of folded cigarette packs before and after installing the trademark paper indenting device

4 結(jié)語

針對(duì)小盒商標(biāo)紙模切壓痕挺度不穩(wěn)定引起的產(chǎn)品質(zhì)量缺陷、設(shè)備作業(yè)效率降低、輔材消耗增大等問題，設(shè)計(jì)了商標(biāo)紙?jiān)诰€壓痕裝置。通過對(duì)商標(biāo)紙模切線再次壓痕，改變商標(biāo)紙的壓痕挺度，使之保持較佳的預(yù)折疊狀態(tài)進(jìn)行包裝成型。以柳州卷煙廠YB418雙鋁包包裝機(jī)、“真龍某牌號(hào)”卷煙商標(biāo)紙作為測(cè)試設(shè)備和材料進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果表明，安裝商標(biāo)紙?jiān)诰€壓痕裝置后，缺陷煙包頻率由37.6包/班次降低至8.4包/班次，頻率降低了77.7%。該技術(shù)方案可為提高同類雙鋁包包裝機(jī)的作業(yè)效率及穩(wěn)定性提供支持。

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Design and Application of Online Indenting Device for Small Box Label Paper

LI Yufei,LI Jianjun*, LU Lianghai,LI Huan,QIN Shuliang,CHEN Yanqiang, PENG Pin,LIU Zhen

(Liuzhou Cigarette Factory, Guangxi China Tobacco Industry Co., Ltd., Guangxi Liuzhou 545006, China)

The work aims to solve the problems that the side of the small box of cigarette packs pops open and folds, and the cigarette packs are deformed due to insufficient die-cutting and indentation on the trademark paper of the small double-aluminum pack. An online indenting device for small box label paper was designed. The device included a frame, transmission shaft, a rolling wheel, a indenting piece, a paper guide wheel, a counter-pressing wheel, a indenting avoiding part and a paper supporting wheel. At the same time, an orthogonal test was carried out to obtain the optimal parameter combination of the radius of the indented part, the arc length of the blade edge and the operating speed of the packaging machine. After the indenting device was improved, the average absolute error in indentation stiffness of small box label paper was reduced from 6.0 to 1.9, and the frequency of defective cigarette packs was reduced from 37.6 packs/shift to 8.4 packs/shift, which was a 77.7% reduction from the original one. The designed online indenting device for small boxes of trademark paper can keep the stiffness of the trademark paper at an appropriate level, reduce the frequency of such defective cigarette packs, and improve the packaging quality of cigarette packs. This technology can provide support for improving the product quality, operating efficiency and stability of the double-aluminum bag packaging machine.

small box trademark paper; indenting device; packaging machine; defective cigarette packs; indentation stiffness

TB486

A

1001-3563(2024)05-0151-06

10.19554/j.cnki.1001-3563.2024.05.018

2023-07-31

廣西壯族自治區(qū)工業(yè)和信息化廳技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目（桂工信園區(qū)〔2023〕161號(hào)）