流水線上機(jī)械手克隆轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)改性塑料的選擇

文根保，文莉，史文

(1.中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司航宇救生裝備有限公司，湖北 襄陽(yáng) 441002；2.澳大利亞悉尼大學(xué)，澳大利亞 悉尼 2194)

轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)是工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)流水線上機(jī)械手中的一種運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換裝置，每條流水線共有48套或36套機(jī)械手。轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)是依靠氣動(dòng)使得機(jī)械手作擺動(dòng)的一種塑料件，轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)組件由塑料大、小兩件粘接而成。整條流水線是從外國(guó)購(gòu)買，每天24 h工作很容易磨損，更換一次就是48組件或36組件。由于轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)組件精度非常高，國(guó)內(nèi)無(wú)法生產(chǎn)只得向外國(guó)購(gòu)買。為了生產(chǎn)的需要，需要購(gòu)買許多備件儲(chǔ)存，占用了大量外匯。為此，實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)組件便擺在面前了。在不知道轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)組件圖形、尺寸、精度和材質(zhì)的情況下，轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)組件圖形、尺寸可以通過(guò)測(cè)繪和使用過(guò)程中體會(huì)得到。而轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)組件使用的塑料，初期主要考慮的是耐磨損，中后期主要是根據(jù)其性能、尺寸精度和外觀要求進(jìn)行改性塑料的選擇。

1 轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的大、小件技術(shù)要求、用途和性能的介紹

轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的大件，如圖1(a)所示。小件，如圖1(b)所示。這些技術(shù)要求、用途和性能，還是在設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)中逐步體會(huì)到的。

1.1 克隆轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的技術(shù)要求

主要是氣密性和耐壓性要求，以及與進(jìn)口件混裝要求[1]。

（1）大、小件粘接面粘接后不能產(chǎn)生漏氣的現(xiàn)象；

（2）3× 6G6 mm孔和 14H7 mm 孔不能產(chǎn)生漏氣的現(xiàn)象；

（3）3× 1.8 mm的通氣孔不能產(chǎn)生串氣和堵氣的現(xiàn)象；

（4）粘接后的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)應(yīng)保持3個(gè)工作的大氣壓要求；

（5）要求克隆轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)與進(jìn)口轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)能混合使用。

1.2 克隆轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)尺寸精度的要求

轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的大、小件的造型不算復(fù)雜，大多數(shù)孔的軸線都是在垂直粘接面的同一方向，并且與轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的大、小件脫模方向一致。只是3× 1.8 mm通氣孔，是以半孔的形式開(kāi)通在粘接面上。但是，轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的大、小件的尺寸精度、幾何精度和表面粗糙度的要求都很高，甚至是超過(guò)了金屬機(jī)械加工件的精度[2]。

（1）孔的精度： 14H7 mm、2×3H7 mm 和3× 4H 7 mm孔均為IT7級(jí)，3×6G6 mm為IT6級(jí)；

（2）軸的精度：2× 3f6 mm為IT6級(jí)；

（3）大、小件粘接面的平面度不大于0.02 mm ；

（4）14H7 mm與3× 6G6 mm四孔的圓柱度不大于0.01 mm ；

（5）14H7 mm與3× 6G6 mm四孔的孔位要求一致，還要與進(jìn)口件孔位保持一致；

（6）轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的外表面為亞光。

圖1 轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)大、小件

1.3 轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的用途和性能

機(jī)械手的任務(wù)，就是要將產(chǎn)品從已加工的工位上轉(zhuǎn)移到待加工的工位。轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)是在機(jī)械手的擺動(dòng)過(guò)程中，使具有氣體負(fù)壓的吸盤將已加工的產(chǎn)品吸起來(lái)。然后,機(jī)械手?jǐn)[動(dòng)一個(gè)角度后到達(dá)待加工的工位時(shí)，再撤除吸盤氣體負(fù)壓而將已加工的產(chǎn)品放下來(lái)的一種轉(zhuǎn)換裝置。轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)組件，如圖2所示。

1.4 轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的工作原理

如圖2所示，轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)由帶有兩個(gè)虎牙大件1和帶三角梯形齒小件2和三個(gè)定位銷3（材料為：30Cr）組成，大件1與小件2的兩大平面由樹脂膠粘接而成。而三個(gè)定位銷3是通過(guò)Φ4r7 mm的外圓與大件1三個(gè)Φ4H7 mm孔進(jìn)行過(guò)盈配合聯(lián)接在一起。這樣,大件1、小件2和定位銷3便組成了一個(gè)整體。大件1和小件2的Φ14H7 mm孔和設(shè)備上的Φ14f6 mm轉(zhuǎn)軸為間隙配合，并以M8 mm內(nèi)六角螺母與轉(zhuǎn)軸上的M8 mm螺桿進(jìn)行聯(lián)接與固定。轉(zhuǎn)軸上具有彈性的能夠進(jìn)行穿插的錐形插銷，可分別插入三個(gè)定位銷3的40°的錐孔內(nèi)。而轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)上三個(gè)Φ6G6 mm孔與專用設(shè)備上三個(gè)Φ6f6 mm單向閥相聯(lián)接。這樣，當(dāng)帶三角梯形齒的轉(zhuǎn)軸分別轉(zhuǎn)動(dòng)至三個(gè)孔位之中的一個(gè)孔位時(shí)，與其相對(duì)應(yīng)的單向閥便處于工作的位置。單向閥開(kāi)通時(shí)，使具有氣體負(fù)壓的吸盤將產(chǎn)品吸起來(lái)。當(dāng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)與機(jī)械臂轉(zhuǎn)動(dòng)26°時(shí),單向閥的關(guān)閉使具有氣體負(fù)壓吸盤的負(fù)壓消失而將產(chǎn)品放下，這便是轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)在機(jī)械手中的工作原理。

圖2 轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)組件圖

1.5 轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的功能

當(dāng)裝在轉(zhuǎn)軸上轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，在具有彈性的錐形插銷插入轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)三個(gè)不同的定位銷3的40°錐孔中擺動(dòng)時(shí),轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)三個(gè)Φ1.8 mm的孔中某一孔便會(huì)對(duì)準(zhǔn)單向閥的Φ2 mm不通孔時(shí),單向閥便能夠?qū)⒇?fù)壓氣流的切換成開(kāi)啟與關(guān)閉的兩種狀態(tài)。轉(zhuǎn)軸擺動(dòng)時(shí)，三個(gè)Φ1.8 mm的孔會(huì)各自地對(duì)準(zhǔn)不同的單向閥，每個(gè)單向閥都有開(kāi)啟與關(guān)閉的兩種狀態(tài)。

采購(gòu)方提出國(guó)產(chǎn)化的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)必須和進(jìn)口的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)能在同一臺(tái)設(shè)備上進(jìn)行混裝。這樣，就要求國(guó)產(chǎn)化的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)在形狀、尺寸、精度、表面粗糙度和性能都要與進(jìn)口的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)一致。換句話說(shuō)，我們必須克隆出與進(jìn)口的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)完全一樣的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)來(lái),采購(gòu)方才會(huì)接納我們的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)。仿制的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)只不過(guò)是與樣品相似而已，性能和精度上達(dá)不到樣品的要求。由于進(jìn)口方的限制不能進(jìn)口轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)注塑模和技術(shù)資料，我們只有克隆的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)才可滿足生產(chǎn)的需要。長(zhǎng)期進(jìn)口轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的費(fèi)用，導(dǎo)致大大地超過(guò)進(jìn)口自動(dòng)流水線的費(fèi)用。

2 轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的改性塑料的選擇過(guò)程

開(kāi)始主要試制工作是圍繞著解決轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)所產(chǎn)生的變形、縮痕和銀紋等缺陷展開(kāi)的。

2.1 初期塑料選用目的

檢驗(yàn)試模后轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的形狀。按采購(gòu)方提供的測(cè)繪圖和材料：聚四氟乙烯，收縮率為:3.1%～7.7%，所注射出來(lái)的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)是完全不能滿足其技術(shù)要求。不要說(shuō)是確保轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的精度和表面粗糙度的要求。就是注射出來(lái)的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)外表面和粘接面都是像麻花和油餅一樣扭曲，并且千瘡百孔。該材料的費(fèi)用昂貴，其雖說(shuō)是具有耐腐蝕、耐老化及電絕緣性優(yōu)越，吸水性小的特點(diǎn)。聚四氟乙烯對(duì)所有的化學(xué)藥品都具有耐腐蝕的性能。摩擦系數(shù)在塑料中最低，具有不粘、不吸水等特性。但其最要命的是其收縮率大，不能用于注射成型。另外還用了ABS、尼龍等材料加工，都因收縮率較大產(chǎn)生的縮痕深而未能獲得成功。

2.2 轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)樣件材料的確定

顯而易見(jiàn)，轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)大、小件變形和縮痕產(chǎn)生的原因，是注塑的材料選用不當(dāng)所引起的。轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)樣件的材料，開(kāi)始是采用物理方法和化學(xué)分析方法進(jìn)行初步的判斷，后采用光譜分析的方法加以確定，塑材主要成份是：聚碳酸脂。

2.3 聚碳酸脂填充劑的選用

用純聚碳酸脂的塑材注射了幾個(gè)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)之后，便立竿見(jiàn)影，轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)大、小件的扭曲、變形和縮孔等現(xiàn)象沒(méi)有了。至此，轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的研制取得突破性的進(jìn)展。但是注射成型的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)大、小件，仍存在著較大的縮痕和表面光亮的現(xiàn)象。感到純聚碳酸脂的收縮率還是大了一些，于是從選用填充劑及其比例著手來(lái)減小收縮率。轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)注射成型變形的問(wèn)題仍未得到妥善解決，這個(gè)問(wèn)題不僅使所有孔的精度得不到解決，兩粘接平面也會(huì)因變形而不平，并會(huì)影響大、小件粘接的要求達(dá)不到技術(shù)要求。

2.3.1 影響轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)注射成型的變形的因素

（1）塑材和填充劑的類型及其比例；

（2）注射設(shè)備和注射工藝參數(shù)；

（3）注射成型后的冷卻校形和后處理等問(wèn)題。

2.3.2 轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)材料的確定

雖然改用了聚碳酸脂塑材，取得了明顯的效果。但其收縮率為：0.5%～0.7%，仍然是偏大。

（1）純聚碳酸脂：用這種材料所注射成型的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)大、小件，其變形偏大、外表面光亮，易產(chǎn)生銀紋，強(qiáng)度差，存在著微小的縮痕；

（2）增強(qiáng)聚碳酸脂：改變聚碳酸脂與玻璃短釬維的比例：采用90%脂聚碳酸脂+10%的玻璃短釬維的聚碳酸,效果又與純強(qiáng)聚碳酸脂差不多；采用80%脂聚碳酸脂+20%的玻璃短釬維的增強(qiáng)聚碳酸脂，效果與上述一樣。70%聚碳酸脂+30%的玻璃短釬維的增強(qiáng)聚碳酸脂。用這種材料所注射成型的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)大、小件，其變形小、強(qiáng)度高。但外表面漂浮的短釬維很明顯，外表面光亮，易產(chǎn)生銀紋。若外表面噴亞光漆，還是免強(qiáng)過(guò)得去，但和樣件的外觀相比還是有很大的差距。給人的感覺(jué)是假冒偽劣商品。

（3）減小收縮率型的聚碳酸脂： 聚碳酸脂＋礦物質(zhì)。如：硅酸鹽、滑石粉和碳酸鹽等。選用的是80%脂聚碳酸脂＋20%的滑石粉，其強(qiáng)度極低，脫模時(shí)頂桿的頂出就能將成型的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)大、小件頂碎；

（4）亞光微珠增強(qiáng)聚碳酸脂：采用微細(xì)玻璃珠為添加劑的微珠增強(qiáng)聚碳酸脂。以此為產(chǎn)品的材料,其收縮率為：0.3%～0.4%，亞光，完全達(dá)到外國(guó)進(jìn)口材質(zhì)的要求，甚至優(yōu)于進(jìn)口材質(zhì)的要求[3]。注射成型的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)大、小件，不論是精度、強(qiáng)度、變形量和外觀質(zhì)量都達(dá)到外國(guó)進(jìn)口轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的水平。因?yàn)樗懿闹泻?0%的微粒玻璃珠，一是材質(zhì)中微細(xì)的玻璃珠的密度增加了，均勻性也增加了，使注射的產(chǎn)品不易產(chǎn)生縮痕和變形；二是強(qiáng)度和耐磨性提高了。那么，其壽命就增加了。

3 轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)克隆件微縮痕的處置

雖然采用了亞光微珠增強(qiáng)碳酸脂的注塑材料，克隆件的表面上還是存在著微縮痕的現(xiàn)象，此時(shí)只能采用輔助的手段來(lái)解決。即選用大注塑容量的設(shè)備，選用大的注塑壓力和延長(zhǎng)保壓時(shí)間來(lái)克服微縮痕的現(xiàn)象。

3.1 注射設(shè)備的選用

黏接后的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)凈重42 g，毛重50 g(含料把)，按說(shuō)用注射量較小的設(shè)備就可以了。但是為使變形小一些，使用了SZ800或TT1-160F注射機(jī)。為了防止塑料顆粒的返潮，還須用帶有烘干料筒的設(shè)備。否則，還會(huì)產(chǎn)生縮孔和變形及銀紋的現(xiàn)象，產(chǎn)生銀紋是因塑料潮濕所產(chǎn)生的。

3.2 注射工藝參數(shù)的選用

主要是注射時(shí)壓力要大點(diǎn)，保壓時(shí)間要長(zhǎng)點(diǎn)，具體的注射參數(shù)也是在反復(fù)試驗(yàn)后所獲得的。具體的注射參數(shù)如下：

注射參數(shù)：

（1）料筒溫度：1段：260 ℃；

2段：245～250 ℃；

3段：235～240 ℃；

4段：180 ℃。

（2）射膠速度：1段：45%；

2段：45%；

3段：45%；

4段：45%。

（3）射膠壓力：1段：60bar；

2段：60bar；

3段：60bar；

4段：65bar。

（4）溶膠時(shí)間：1段：75 s；

2段：75 s。

（5）保壓時(shí)間：2 s；

（6）冷卻時(shí)間：20 s；

（7）注射時(shí)間：7 s；

（8）溶膠設(shè)定：溶膠時(shí)間：5.9 s、溶膠時(shí)限：10 s、射膠終點(diǎn)：157 mm。

（9）溶膠背壓：80 bar。

（10）溶膠量：65 mm。

（11）溶膠抽膠壓力：70 bar、速度：50%。

3.3 注射成型后和后處理

注射成型后的后處理是解決微收縮和裂紋的有效措施。后處理也就是時(shí)效處理。大、小件注射成型，是從塑料融化的液態(tài)到冷硬態(tài)和脫模后的固態(tài)。轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)大、小件在注射成型時(shí)的這種從熱態(tài)到冷硬態(tài)的過(guò)程中，轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)大、小件內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力。在用速干膠粘接時(shí)，轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)大、小件粘接面會(huì)產(chǎn)生很多細(xì)長(zhǎng)的裂紋。隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)，裂紋會(huì)逐漸的擴(kuò)大，最終使轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)大、小件部分幾何體斷裂。如此，須將成型的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)大、小件放進(jìn)烘箱內(nèi)加溫到100 ℃，加溫時(shí)間為：2～3 h。然后，再隨烘箱自然冷卻至室溫（需24 h）。通過(guò)時(shí)效處理，能充分地消除了注射成型時(shí)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)大、小件中的內(nèi)應(yīng)力，轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)大、小件便不會(huì)再出現(xiàn)裂紋的現(xiàn)象。

在試制過(guò)程中采用以選用塑材品種和填加劑類型為主的策略，以選取注塑機(jī)和注射參數(shù)為輔的方法，解決了克隆轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的變形和微縮痕的缺陷。通過(guò)塑料顆粒的預(yù)烘干和料斗的烘干，解決了克隆轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)大、小件產(chǎn)生銀紋的缺陷；通過(guò)克隆轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)大、小件的后處理的工藝，解決了克隆轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)大、小件產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力的問(wèn)題。至此，克隆轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的試制工作取得了重大的突破，也為后續(xù)的研制奠定了基礎(chǔ)。

4 轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)微收縮特性影響到超級(jí)精度孔加工的工藝方法

眾所周知，轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)大、小件成型時(shí)的內(nèi)、外形尺寸精度和幾何精度，是很難獲得與金屬零件那樣高精度要求的。究其原因：一是塑料具有收縮的特性或收縮的各向異性；二是轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)大、小件壁厚不均勻性。而轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)大、小件內(nèi)、外形尺寸精度和幾何精度，要獲得IT6～7級(jí)標(biāo)準(zhǔn)公差數(shù)值，圓柱度不大于0.01 mm精度的要求是乎是不現(xiàn)實(shí)的事情。我們通過(guò)應(yīng)用塑料的成型二次工藝限制收縮特性，解決了這一轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)大、小件成型的難題，并成功地使轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)大、小件的內(nèi)孔獲得了IT6精度，孔的圓柱度可小于0.002 mm的水平，并且加工的工藝方法又是極其地簡(jiǎn)單。

轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)大、小件超高精度孔的加工，是不能直接在轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)大、小件上通過(guò)機(jī)械加工的方法來(lái)加工。因?yàn)闄C(jī)械加工所產(chǎn)生的切削熱，會(huì)使轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)大、小件超高精度孔發(fā)生變形和自由收縮而達(dá)不到精度的要求。

（1）二次工藝限制工藝的原理：塑料件孔的尺寸精度與模具成型銷的大小有關(guān)，塑料件孔的形狀精度與塑料的收縮率方向及孔壁的厚薄收縮量有關(guān)，即孔的形狀精度與校形銷尺寸和形狀精度有關(guān)。這樣，要控制孔的形狀精度就必須使孔壁的材質(zhì)收縮能緊緊包裹住剛性的型芯，并能迅速地冷卻定型。

（2）工藝限制收縮成形的工藝方法：用圓度儀測(cè)量出脫模后 14H7mm與3× 6G6mm四孔的圓柱度值，制出大于最大圓柱度值的校形銷。將圓柱度值插入脫模后孔內(nèi)放入室溫水中定型，即可得到與校形銷同樣圓柱度值的孔。

該工藝方法只是在注塑件脫模后，再在型孔中插入校形銷就可以了，只是校形銷的直徑要選擇好，幾何精度也要高。用該方法加工出來(lái)孔的形狀精度完全與校形銷一致，并且不受同種材料不同批次的影響；不受環(huán)境的溫、濕度的影響；也不受機(jī)床設(shè)備和成形的工藝參數(shù)不同的影響。只是插入和拔出校形銷困難些，但可以通過(guò)專用夾具拔出校形銷。

5 結(jié)束語(yǔ)

轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)大、小件圓柱孔尺寸精度、孔位精度和幾何精度的控制，通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)塑料材料的選擇、尺寸精度測(cè)繪技術(shù)、大小件粘接技術(shù)、注塑模的修復(fù)技術(shù)、氣密性測(cè)試和型孔超級(jí)精度、平面度的成型加工技術(shù)，超高孔精度的二次限制工藝的實(shí)施。使得所生產(chǎn)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)完全取代進(jìn)口產(chǎn)品，并且其壽命遠(yuǎn)高于進(jìn)口產(chǎn)品，為有關(guān)單位節(jié)約了大量外匯。