玻璃分布分析與模具設(shè)計(jì)

1、玻璃分布分析與模具設(shè)計(jì)摘要：提出一種有效評(píng)估玻璃瓶罐模具設(shè)計(jì)正確性的方法。簡(jiǎn)述了玻璃瓶罐的產(chǎn)品特性，玻璃瓶罐成型性質(zhì)與制造缺陷。抽取樣本測(cè)量玻璃瓶子合縫線偏移10縱向切面和合縫線偏移90縱向切面的玻璃分布的情況。運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析原理對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行分析評(píng)估。以樣本平均數(shù)和樣本標(biāo)準(zhǔn)差作為研究分析的指標(biāo)。通過分析樣本玻璃分布厚度平均數(shù)和樣本玻璃分布厚度標(biāo)準(zhǔn)差的數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)總體產(chǎn)品玻璃分布不符合標(biāo)準(zhǔn)的比率。根據(jù)得出的比率，推斷生產(chǎn)玻璃瓶子的模具設(shè)計(jì)的正確性和合理性。關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)計(jì)及理論；玻璃瓶罐模具設(shè)計(jì)；統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析；玻璃分布中圖分類號(hào)：TQ171.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：The glass dis

2、tribution 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, the glass bottle forming charateristics an

3、d 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 deviation recordings. Predict the percentage of produ

4、ctionout 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狀內(nèi)腔的模具中進(jìn)行的。模具在玻璃瓶罐成形中占有重要地位。玻璃瓶罐的質(zhì)量及制瓶機(jī)的生產(chǎn)效率在很大程度上取決于模具的質(zhì)量。模具質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響制品的外觀質(zhì)量和模具本身使用壽命。

5、因此，模具是關(guān)系到玻璃瓶罐產(chǎn)品的成本以及玻璃瓶罐走向高機(jī)速，高效率的關(guān)鍵問題。當(dāng)前，模具設(shè)計(jì)還在很大程度上依賴于經(jīng)驗(yàn)和反復(fù)試驗(yàn)。特別是在兩步成形時(shí)，雛形模的設(shè)計(jì)仍是一個(gè)課題，迄今尚欠成熟。在生產(chǎn)中常常由于模具設(shè)計(jì)及計(jì)算不正確，從而造成大量的廢品和次品。而玻璃瓶罐上的玻璃分布是否均勻一致是衡量模具設(shè)計(jì)是否正確的重要因素1。因此，要探討一種有效評(píng)估模具設(shè)計(jì)正確性的方法，就需要探討一種有效評(píng)估玻璃瓶罐上的玻璃分布是否均勻的方法。本文在這方面作一定程度探討。1 玻璃瓶罐產(chǎn)品特性，玻璃成型性質(zhì)與制造缺陷1.1 玻璃瓶罐產(chǎn)品的基本特性玻璃瓶罐價(jià)格低廉，能夠高速生產(chǎn)、高速填充、易于密封，可多次周轉(zhuǎn)應(yīng)用，以及

6、原料豐富。玻璃瓶罐質(zhì)硬而透明、美觀、清潔，可制成各種顏色和各種形狀、大小的制品。- 2 -玻璃瓶罐化學(xué)穩(wěn)定性高、不與盛裝的物料發(fā)生作用而影響其質(zhì)量，可長(zhǎng)期保存。玻璃瓶罐具有優(yōu)良的耐熱穩(wěn)定性能，使在殺菌以及其他加熱或冷卻過程中達(dá)到最低的破損數(shù)量。玻璃瓶罐具備足以抵抗內(nèi)部壓力和承受在搬運(yùn)及使用過程中遇到的震動(dòng)和外來沖擊力的必要的機(jī)械強(qiáng)度2?，F(xiàn)在玻璃瓶罐已達(dá)到從原料配料、熔化、成型、退火以及產(chǎn)品檢驗(yàn)、包裝等各個(gè)生產(chǎn)過程完全自動(dòng)化的程度。1.2 玻璃瓶罐成型性質(zhì)和工藝因素玻璃能用各種各樣的方法來成型，這是與其它材料不同的特點(diǎn)。這一性質(zhì)使玻璃能用來制造各種不同用途，各種不同形狀和不同尺寸的制品。玻璃瓶罐

7、的形狀是玻璃處于軟化狀態(tài)時(shí)由第一次熱成型過程所決定。粘度和表面張力則在熱成型過程中起重要作用。玻璃粘度隨溫度下降而增大的特性是玻璃制品成形和定形的基礎(chǔ)。玻璃瓶罐的成形分為兩個(gè)階段。第一階段使材料具有制品所需要的外形，這一階段通常采用普通的成形方法來進(jìn)行，例如在模具中的吹制或壓制。第二階段是固定已做好的形狀，這一階段通常是利用一定的冷卻速度使之硬化，使玻璃液的質(zhì)點(diǎn)完全消失流動(dòng)性。而這兩階段都是利用與溫度有關(guān)的玻璃液粘度為基礎(chǔ)。將熔好的玻璃液冷卻到某一溫度范圍進(jìn)行成型。然后再將制品以一定的冷卻速度冷卻，使其硬化，保證形狀固定。整個(gè)過程粘度是很重要的因素。粘度隨溫度的變化而變化。這一規(guī)律在玻璃瓶罐成

8、形中特別重要。通過溫度控制，使粘度改變，以達(dá)到成形與定形2。玻璃瓶罐成形工藝因素主要是玻璃液的溫度制度和模具的溫度制度兩方面。玻璃成形的各個(gè)工序應(yīng)與玻璃粘度逐漸發(fā)生的變化相適應(yīng)，據(jù)此控制各個(gè)工序的溫度范圍。而模具表面的溫度制度是非常重要的成形工藝因素。在玻璃與模具的接觸面之間的溫度差決定著傳熱速度。模具成型面的溫度在成型時(shí)應(yīng)保持在一定狹窄的溫度間隔內(nèi)。模具內(nèi)表面平均溫度不應(yīng)超過500600C 度，而外表面溫度為300C 度左右2。1.3 玻璃瓶罐的制造缺陷玻璃瓶罐制造缺陷主要是在供料成形、退火、加工等過程中產(chǎn)生。主要缺陷有裂紋、變形、冷斑、不飽滿、皺紋、氣泡、結(jié)石等。裂紋是玻璃瓶罐最普通的缺點(diǎn)

9、，它可能非常細(xì)微，檢驗(yàn)時(shí)不易發(fā)現(xiàn)。裂紋產(chǎn)生的部位是瓶口、瓶頸和瓶肩。變形主要是由于作業(yè)溫度過高或模具制造上有缺點(diǎn)而產(chǎn)生。冷斑是由于模具溫度過冷在瓶罐表面產(chǎn)生不平滑的鱗片狀。不飽滿就是瓶罐吹制過程產(chǎn)生的缺口、癟肩和花紋不清晰等。皺紋主要是由于料滴過冷、過長(zhǎng)，料滴不落在雛形模中間而粘連在雛形模壁上產(chǎn)生的。氣泡則由一部分空氣均勻地布滿在玻璃瓶罐上,是可見的氣體夾雜物。氣泡不僅影響玻璃瓶的外觀,更重要的是影響玻璃的透明性和機(jī)械強(qiáng)度。結(jié)石是玻璃瓶?jī)?nèi)的固體夾雜物，是最危險(xiǎn)的缺陷。結(jié)石與周圍玻璃膨脹系數(shù)相差大，產(chǎn)生局部應(yīng)力，大大降低瓶子機(jī)械強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性，甚至?xí)蛊孔幼孕衅屏?。1.4 玻璃瓶罐玻璃厚薄不均

10、厚薄不均就是玻璃瓶上玻璃分布不一致，不均勻。也是玻璃瓶罐缺陷之一。由于玻璃料滴溫度不均、模具溫度不均，模具設(shè)計(jì)不正確而產(chǎn)生。料滴溫度不均勻，使料滴冷熱處的粘度不同，在吹制時(shí)熱處的粘度小而容易吹薄，冷的部分因阻力大不易吹薄，較厚。另外模具冷熱不同，熱的一邊玻璃冷卻較慢而容易吹薄，冷的一邊玻璃冷卻較快而容易吹厚。模具設(shè)計(jì)不正確，制成的雛形料泡也很難在成形模中吹成厚薄均勻的制品。壓-吹法中的沖頭不在雛形模的正中，制成的雛形料泡厚薄不均勻，最后吹成制品也厚薄不均勻。作業(yè)溫度過高，- 3 -往往料泡延伸過長(zhǎng)，瓶底過厚，瓶肩過薄；反之如作業(yè)溫度過低，則料泡不易延伸，瓶底往往太薄3。從生產(chǎn)工藝上消除厚薄不均

11、的缺點(diǎn)，首先要使料滴溫度均勻。供料機(jī)供料時(shí)要控制其溫度調(diào)節(jié)，采用筒子轉(zhuǎn)盤攪拌設(shè)備使玻璃液溫度攪拌均勻。模具冷卻應(yīng)當(dāng)注意控制，使模具上下左右溫度均勻。如發(fā)現(xiàn)溫度不均勻應(yīng)立即調(diào)整冷卻風(fēng)量及冷卻部位。另外就是測(cè)量和控制好作業(yè)溫度。另外要消除厚薄不均的缺點(diǎn)，很重要方面的就是保證模具設(shè)計(jì)的正確4。2 產(chǎn)品玻璃分布分析樣本的抽取要消除厚薄不均的缺陷，很重要方面的就是保證模具設(shè)計(jì)的正確。通過抽取生產(chǎn)的玻璃瓶子作分析樣本，對(duì)其玻璃分布進(jìn)行測(cè)量、分析和研究。從而對(duì)模具設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行評(píng)估是一種有效的方法。該方法可為現(xiàn)在和將來的產(chǎn)品的模具設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持。2.1 產(chǎn)品樣本的抽取產(chǎn)品每次上機(jī)生產(chǎn)的產(chǎn)量是由客戶的需求

12、量決定。一般在十幾萬(wàn)到幾百萬(wàn)。而每一個(gè)瓶子產(chǎn)品都由一套模具中的某一付生產(chǎn)出。該套模具的數(shù)量由制瓶機(jī)的機(jī)型、料滴數(shù)和組數(shù)決定5。如EF 型5.5 英寸中心距雙滴10 組埃姆哈特制瓶機(jī)，生產(chǎn)某容量為300ml、重量為305克的飲料瓶為例。該套模具有成模30 付，初模42 付。以該套模具某一次上機(jī)生產(chǎn)出的瓶子為研究總體，從中抽取某一班次由4 個(gè)組A 料滴和4 個(gè)組B 料滴對(duì)應(yīng)的成模號(hào)碼生產(chǎn)出的瓶子為樣本，分析瓶子玻璃分布情況。據(jù)此評(píng)估模具設(shè)計(jì)的合理性。2.2 樣本抽取原則為排除一切可能造成評(píng)估失敗的各種潛在問題，如因生產(chǎn)工藝參數(shù)設(shè)置，玻璃液的溫度制度和模具的溫度制度影響等，需要采取相應(yīng)措施6。檢查當(dāng)

13、前產(chǎn)品的理化性能。包括表面處理，抗沖擊和垂直負(fù)荷實(shí)驗(yàn)。保證檢測(cè)的讀數(shù)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。檢查當(dāng)前產(chǎn)品現(xiàn)在的退火應(yīng)力和熱噴涂讀數(shù)，同樣要保證讀數(shù)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。抽取的樣本要經(jīng)過目測(cè)檢查。檢查瓶口是否正確，瓶子上刻花是否符合標(biāo)準(zhǔn)是否清晰，瓶身是否光滑。保證樣本瓶口正確，保證樣本上刻花符合標(biāo)準(zhǔn)，保證樣本瓶身光滑。抽取的樣本要經(jīng)過重量，容量和主要產(chǎn)品形狀尺寸的檢查。保證檢測(cè)的重量，容量和相關(guān)產(chǎn)品形狀尺寸符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。樣本要從前兩天生產(chǎn)的產(chǎn)品中抽取，且要待到包裝合格率穩(wěn)定在80%以上之后開始取樣。從托盤中取一定數(shù)量的樣瓶，把樣瓶按照機(jī)器組號(hào)和模具號(hào)碼分類，并做好標(biāo)記。對(duì)每個(gè)測(cè)試項(xiàng)目的樣瓶，保證模具號(hào)碼不重復(fù)，并

14、覆蓋到每個(gè)機(jī)器組號(hào)。2.3 玻璃分布樣本指標(biāo)及測(cè)量點(diǎn)位選取把生產(chǎn)的瓶子看作無限總體，且該總體服從正態(tài)分布，根據(jù)概率論的中心極限定理，樣本平均數(shù)和樣本標(biāo)準(zhǔn)差,也是服從正態(tài)分布7。據(jù)此以樣本平均數(shù)和樣本標(biāo)準(zhǔn)差作為分析和評(píng)估總體的指標(biāo)。并根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算樣本平均數(shù)和樣本標(biāo)準(zhǔn)差。抽取的樣本分成兩組。一組用切割機(jī)沿合縫線偏移10縱向切開，切成對(duì)稱的兩半。在切面上選取若干點(diǎn)，用游表卡尺測(cè)量其左右兩邊玻璃的厚度，并記錄讀數(shù)。另一組則沿合縫線偏移90縱向切開，同樣切成對(duì)稱的兩半。用游表卡尺測(cè)量其左右兩邊玻璃的厚度，并記錄讀數(shù)。選取測(cè)量點(diǎn)的數(shù)量及測(cè)量點(diǎn)的間距應(yīng)根據(jù)瓶子的高度和大小考慮?，F(xiàn)以瓶子的高度為220mm

15、，直徑58mm 某容量300ml、重量305 克的飲料瓶為例，其選取測(cè)量點(diǎn)的數(shù)量和間距- 4 -如右下圖1 所示。3 玻璃瓶產(chǎn)品玻璃分布測(cè)量和數(shù)據(jù)處理按照上述抽樣原則，選取分別由4個(gè)組A料滴和4 個(gè)組B 料滴對(duì)應(yīng)的成模號(hào)碼生產(chǎn)出的瓶子為樣本。對(duì)其在合縫線偏移10縱向切面和合縫線偏移90縱向切面的玻璃分布進(jìn)測(cè)量分析。3.1 合縫線偏移10度縱向玻璃分布測(cè)量和數(shù)據(jù)處理樣本第一組沿合縫線偏移10縱向切開。切成對(duì)稱的兩半。在切面上選取若干點(diǎn)。選取測(cè)量點(diǎn)的數(shù)量和間距如圖1 所示。 圖1 瓶子玻璃分布測(cè)量點(diǎn)選取 (單位mm)Fig.1 Position For Glass Thick Measure (i

16、n mm)第一步：用游標(biāo)卡尺測(cè)量各點(diǎn)左右切面玻璃厚度(單位: mm)，記錄讀數(shù)。第二步：根據(jù)數(shù)據(jù)處理要求制作Excel 表格。如下面表1 所示。把測(cè)量所得的數(shù)據(jù)填入表1 相應(yīng)位置。表1 合縫線偏10 玻璃分布分析報(bào)告Tab.1 Glass Distribution Analysis Report 10 to the Seam第三步：計(jì)算樣本平均數(shù)。計(jì)算公式:nX X X X Xn + + + += . 1 2 3 （注釋：此處利用Excel 統(tǒng)計(jì)涵數(shù)公式AVERAGE 計(jì)算結(jié)果）- 5 -第四步: 計(jì)算樣本標(biāo)準(zhǔn)差。計(jì)算公式:S=( )nX X 2 （注釋：此處利用Excel 統(tǒng)計(jì)涵數(shù)公式STD

17、EV 計(jì)算結(jié)果）83.2 合縫線偏移90度縱向玻璃分布測(cè)量和數(shù)據(jù)處理樣本第二組沿合縫線偏移90縱向切開。切成對(duì)稱的兩半。在切面上選取若干點(diǎn)。同樣選取測(cè)量點(diǎn)的數(shù)量和間距如圖1 所示。只是切割偏移角度為90。第一步：用游標(biāo)卡尺測(cè)量各點(diǎn)左右切面玻璃厚度(單位: mm)，記錄讀數(shù)。第二步：根據(jù)數(shù)據(jù)處理要求制作Excel 表格。如下面表2 所示。把測(cè)量所得的數(shù)據(jù)填入表2 相應(yīng)位置。表2 合縫線偏90 玻璃分布分析報(bào)告Tab.2 Glass Distribution Analysis Report 90 to the Seam第三步：計(jì)算樣本平均數(shù)。計(jì)算公式:nX X X X Xn + + + += .

18、1 2 3 （注釋：此處利用Excel 統(tǒng)計(jì)涵數(shù)公式AVERAGE 計(jì)算結(jié)果）第四步: 計(jì)算樣本標(biāo)準(zhǔn)差。計(jì)算公式: S=( )nX X 2 （注釋：此處利用Excel統(tǒng)計(jì)涵數(shù)公式STDEV 計(jì)算結(jié)果）84 評(píng)估預(yù)測(cè)及結(jié)論4.1 評(píng)估預(yù)測(cè)壁厚小于產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)最小值的百份率通過計(jì)算出現(xiàn)產(chǎn)品壁厚X 小于產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)最小值X Min 的百份率，也就是產(chǎn)品不及率。預(yù)測(cè)總體產(chǎn)品玻璃在瓶子上分布情況。據(jù)此推斷總體產(chǎn)品的玻璃在瓶子上的分布是否合格，是- 6 -否可接受。假設(shè)出現(xiàn)X X Min 的概率為P，則出現(xiàn)X X Min 的概率( ) Min P X X ，先把隨機(jī)變量X 標(biāo)準(zhǔn)化，即令Min Z X X= ，所以

19、要求的標(biāo)準(zhǔn)化后的概率為 Min P Z X X 9。求出P值后，出現(xiàn)產(chǎn)品壁厚X 小于產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)最小值X Min 的概率為1-P?！?-P”也就是產(chǎn)品低于標(biāo)準(zhǔn)最小值的百份率。P 值的計(jì)算可以通過查標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布表求得，也可以利用Excel 統(tǒng)計(jì)涵數(shù)公式“NORMSDIST” 求得。該百份率如以上的兩個(gè)表格中預(yù)測(cè)欄中的第一欄所示。該百份率均在2%以下。根據(jù)表中數(shù)據(jù)可推斷總體產(chǎn)品的玻璃在瓶子上的分布是合格的，可接受的。4.2 評(píng)估預(yù)測(cè)在顯著水平 =0.01 的置信下限預(yù)測(cè)總體產(chǎn)品的玻璃在瓶子上的分布壁厚X 在顯著水平 =0.01，即置信度1- =0.99的置信區(qū)間。這種情況只需考慮置信下限即可。如果計(jì)算

20、得到的置信下限LCL 都大于壁厚標(biāo)準(zhǔn)最小值X Min ，即LCL X Min 同樣可推斷總體產(chǎn)品的玻璃在瓶子上的分布是合格的，可接受的。因?yàn)榭傮w樣本的標(biāo)準(zhǔn)差為未知量,在此運(yùn)用小樣本(即樣本容量n30) 標(biāo)準(zhǔn)差S 代替,需要用t 分布構(gòu)造X 的置信區(qū)間。置信下限LCL 計(jì)算公式為：nLCL X t Sn.( 1)2= 9。LCL 值的計(jì)算可以通過查t 分布表求得，也可以利用Excel 的計(jì)算功能求得。結(jié)果如以上的兩個(gè)表格的預(yù)測(cè)欄中的第二欄所示. 根據(jù)表中數(shù)據(jù)可知，置信下限LCL 均大于X Min ，因此可以推斷總體產(chǎn)品的玻璃在瓶子上的分布是合格的，可接受的。其可信程度為99%。4.3 結(jié)論由上述

21、預(yù)測(cè)的結(jié)論可以得出當(dāng)合縫線偏移10度縱向玻璃分布和合縫線偏移90度縱向玻璃分布全部檢測(cè)點(diǎn)都是符合標(biāo)準(zhǔn)的，則總體產(chǎn)品的合格率是達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，據(jù)此可推斷生產(chǎn)玻璃瓶子的模具的設(shè)計(jì)是正確的，合理的，理想的。相反，當(dāng)合縫線偏移10度縱向玻璃分布和合縫線偏移90度縱向玻璃分布有一檢測(cè)點(diǎn)一項(xiàng)或幾項(xiàng)不符合標(biāo)準(zhǔn)，則可推斷生產(chǎn)玻璃瓶子的模具的設(shè)計(jì)是不正確的，不合理的，有缺陷的。模具需要修改或從新設(shè)計(jì)。參考文獻(xiàn) (References)1梁德海. 陳茂雄. 玻璃生產(chǎn)技術(shù)M. 北京：輕工業(yè)出版社，1984.LIANG D H.CHEN M X.Glass manufacture technologyM. Beijing: China Light Industry Press, 1984. (inchinese)2西北輕工業(yè)學(xué)院. 玻璃工藝學(xué)M. 北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社，2007.NWILICN. Glass TechnologyM. Beijing