3D復(fù)合面料成形輥壓模設(shè)計(jì)

陳陽(yáng)升

（三明市普諾維機(jī)械有限公司，福建 三明 365009）

0 引 言

3D復(fù)合面料是近年研發(fā)的一種新型的吸收性復(fù)合面料，廣泛應(yīng)用于婦幼衛(wèi)生用品等行業(yè)。圖1所示為一種吸收性物品的肌膚接觸立體復(fù)合面料，該3D復(fù)合面料由兩層親水性熱風(fēng)無(wú)紡布通過(guò)局部的熱熔融粘合而成，第一層無(wú)紡布1和第二層無(wú)紡布2的親水性依次遞增，如圖1（a）所示，在第一層無(wú)紡布熔合點(diǎn)a以外的部分布置凸點(diǎn)b，凸點(diǎn)b與熔合點(diǎn)a交替排列配置[1]，形成如圖1（b）所示3D復(fù)合面料。實(shí)現(xiàn)3D復(fù)合面料在高速生產(chǎn)線上生產(chǎn)的關(guān)鍵和難點(diǎn)是輥壓成形模[2]的設(shè)計(jì)和制造，3D復(fù)合面料線上生產(chǎn)比線下生產(chǎn)具有更好的成形效果、美觀度和剝離力[3]，還降低了生產(chǎn)成本。其難點(diǎn)在于在高速生產(chǎn)過(guò)程中如何實(shí)現(xiàn)親水性熱風(fēng)無(wú)紡布凸點(diǎn)的成形及定型，并在使用過(guò)程中達(dá)到不脫層的要求。以下介紹一種能解決這些難點(diǎn)并達(dá)到市場(chǎng)要求的3D復(fù)合面料在線輥壓成形模的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 工藝分析

1.1 成形工藝分析

第一層面料要達(dá)到圖1所示的凸點(diǎn)成形效果，須具有一定的厚度和延展性，否則易破裂。經(jīng)實(shí)踐證明第一層熱風(fēng)無(wú)紡布的質(zhì)量一般不低于23 g/m2，拉深深度一般不超過(guò)1.5 mm，第二層無(wú)紡布的質(zhì)量?jī)?yōu)選18 g/m2以上[4]。在成形過(guò)程中應(yīng)充分考慮材料回彈、厚度及客戶不同的深度要求，所以成形結(jié)構(gòu)必須考慮拉深深度可調(diào)的結(jié)構(gòu)。

圖1 3D復(fù)合面料產(chǎn)品

成形凸模和凹模相向旋轉(zhuǎn)，凸模的凸齒在插入凹模對(duì)應(yīng)位置的旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，不能相互接觸干涉，否則凸齒可能會(huì)折斷，所以在設(shè)計(jì)時(shí)必須模擬凸、凹模的嚙合過(guò)程，且需要模擬在最大嚙合深度時(shí)的嚙合過(guò)程，以保證零件不會(huì)干涉。

1.2 定型工藝分析

由于原材料為0.06～0.08 mm厚的熱風(fēng)無(wú)紡布，較薄且軟，在不能用膠粘合的情況下，成形后難以定型，定型結(jié)構(gòu)很重要。圖1所示的第二層無(wú)紡布除了減少反滲的作用外，通過(guò)凸點(diǎn)周圍的熔融點(diǎn)還有2個(gè)作用：①將兩層無(wú)紡布融為一體；②定型凸點(diǎn)。定型設(shè)計(jì)時(shí)還要考慮從成形位置到定型位置的傳輸過(guò)程中凸點(diǎn)不能變形，所以定型結(jié)構(gòu)需要考慮熔融、傳輸定型2個(gè)方面。

1.3 凹輥與凸輥相對(duì)相位固定要求

用戶在使用過(guò)程中會(huì)根據(jù)需要更換原材料或在生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)材料斷裂的情況，這時(shí)必須讓凸、凹模脫開(kāi)重新穿料，模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)須保證凸、凹模的相對(duì)相位不變，否則再次復(fù)合時(shí)將導(dǎo)致凸、凹模損壞。

1.4 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)分析

結(jié)合以上分析，模具需同時(shí)兼具成形、定型和輸送等功能，比一般的輥壓模復(fù)雜，每個(gè)模輥的直徑不一致，所以在傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上要保證同一層材料的線速度一致，否則會(huì)出現(xiàn)褶皺或脫層等貼合不良的現(xiàn)象。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 成形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2所示為模具成形部分的結(jié)構(gòu)，凸模組件2置于模架上方，凹模組件1置于模架下方，采用框架式模架3[5]，加壓機(jī)構(gòu)4（汽缸加壓）置于模架上方，吸附轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)5布置在凹模的前后側(cè)，吸風(fēng)口外接適配功率的風(fēng)泵或羅茨泵，通過(guò)吸風(fēng)盤(pán)及凹模內(nèi)設(shè)計(jì)的風(fēng)道系統(tǒng)，使凹模內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓形成一套完整的負(fù)壓系統(tǒng)。第一層無(wú)紡布通過(guò)凸、凹輥模中間，凸模在壓力的作用下，由凸齒帶動(dòng)無(wú)紡布?jí)喝氚寄?，凸、凹輥及成形后的無(wú)紡布以相同的線速度轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)凸齒離開(kāi)凹模時(shí)，成形后的無(wú)紡布由于凹模的負(fù)壓緊緊固定在凹模內(nèi)隨其一起轉(zhuǎn)動(dòng)，直至進(jìn)入模具的定型工位。

圖2 成形結(jié)構(gòu)

圖3所示為凹模結(jié)構(gòu)，凹模輥體的軸向方向布置有較多通氣孔Ⅰ，在每個(gè)鼓包處的徑向方向布置有小的通氣孔Ⅱ，孔Ⅱ和孔Ⅰ相連接，從而形成凹模的吸風(fēng)通道，孔Ⅰ和吸氣盤(pán)（見(jiàn)圖4）上的氣槽相連。吸氣盤(pán)結(jié)構(gòu)如圖4所示，風(fēng)泵或羅茨泵通過(guò)吸氣盤(pán)的氣嘴和氣槽及凹模的孔Ⅰ和孔Ⅱ，使凹模輥面產(chǎn)生負(fù)壓，當(dāng)無(wú)紡布通過(guò)凸模凸齒壓入凹模時(shí)，將成形后的無(wú)紡布面層牢牢地固定在凹模內(nèi)，直至和第二層無(wú)紡布在鼓包周圍熔融點(diǎn)固定后停止負(fù)壓，以便脫模，其中吸氣盤(pán)氣槽的位置和角度決定凹模負(fù)壓的作用范圍。沿輥軸向布置了12個(gè)加熱棒孔Ⅲ和6個(gè)溫度傳感器孔Ⅳ，用于安裝電加熱棒和溫度傳感器，以控制凹模輥的加熱溫度，芯軸上的穿線孔Ⅴ用于加熱棒和感溫器電線通路，并與裝在芯軸內(nèi)孔端部的水銀集電環(huán)連接，構(gòu)成了完整的凹模加熱系統(tǒng)，凸模和砧輥也布置了完整的溫控體系。通過(guò)這些溫控體系可有效控制無(wú)紡布的溫度，使其在一定的溫度下更易產(chǎn)生塑性變形。

圖3 凹 模

圖4 吸氣盤(pán)

2.2 凸模與凹模嚙合干涉檢測(cè)

凸、凹模嚙合干涉檢測(cè)過(guò)程如下：根據(jù)凹模二維CAD圖紙，在PRO/E中生成平面三維模型，為便于觀察，只取凸模一圈70個(gè)點(diǎn)作示例，將平面模型用“環(huán)形折彎”命令生成凹模輥面模型。按上述方法完成凸模建模，將凹模與凸模模型轉(zhuǎn)換成中間格式STEP文件，導(dǎo)入U(xiǎn)G軟件中并進(jìn)行裝配，如圖5（a）所示。進(jìn)入U(xiǎn)G10.0運(yùn)動(dòng)仿真模塊[6]，建立“齒輪耦合副”，將“齒輪耦合副”的傳動(dòng)比設(shè)為3:1（根據(jù)設(shè)計(jì)調(diào)整傳動(dòng)比），分析求解后形成動(dòng)畫(huà)，從動(dòng)畫(huà)中觀察3D壓花總成，凹、凸模運(yùn)動(dòng)無(wú)干涉現(xiàn)象，如圖5（b）所示。

圖5 凸模與凹模運(yùn)動(dòng)干涉檢測(cè)

2.3 定型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖6所示，定型結(jié)構(gòu)由凹模組件1、砧輥組件7、模架3、加壓機(jī)構(gòu)4和斜塊6組成，成形后的第一層無(wú)紡布由凹模帶到定型工位的上、下模中間，與同時(shí)進(jìn)入的第二層無(wú)紡布一起由分布在凹模周圍的凸點(diǎn)與砧輥相互作用以及一定溫度的聯(lián)合作用下產(chǎn)生融合，使兩層無(wú)紡布融化粘合，進(jìn)而固定已經(jīng)成形的第一層無(wú)紡布的凸點(diǎn)，防止形狀回復(fù)。為了實(shí)現(xiàn)在高速狀態(tài)下的生產(chǎn)，通常還在凹模的圓周布置2個(gè)砧輥進(jìn)一步加固定型。

圖6 定型結(jié)構(gòu)

2.4 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

將上述成形結(jié)構(gòu)和定型結(jié)構(gòu)復(fù)合在一起，由1個(gè)凹模、1個(gè)凸模、2個(gè)砧輥和模架組合成1副復(fù)合模，形成了3D復(fù)合面料的成形模，運(yùn)行過(guò)程中的4個(gè)模輥表面線速度應(yīng)保持一致，在更換材料時(shí)凸、凹模必須脫開(kāi)，脫開(kāi)距離過(guò)大會(huì)超過(guò)齒輪的嚙合范圍，容易發(fā)生事故，必須保證凸、凹模在脫開(kāi)過(guò)程中的相對(duì)相位不錯(cuò)位，可將傳動(dòng)機(jī)構(gòu)分成兩部分：凹模和砧輥的同步帶傳動(dòng)、凹模和凸模的雙齒輪傳動(dòng)。

圖7所示為凹模和砧輥的同步帶傳動(dòng)示意圖，同步帶必須是雙面同步帶，通過(guò)計(jì)算同步輪的直徑確保凹模和砧輥的線速度一致。4個(gè)模輥的傳動(dòng)連接及凸、凹模的相位控制如圖8所示，凹模固定在中間位置不動(dòng)，通過(guò)固定法蘭直聯(lián)傳動(dòng)，凸模偏心聯(lián)軸器9連接傳動(dòng)，2個(gè)砧輥通過(guò)內(nèi)球籠聯(lián)軸器12連接傳動(dòng)；凸、凹模通過(guò)2副傳動(dòng)齒輪8和10分別實(shí)現(xiàn)范圍定位和精確定位的功能，齒輪8可以隨著凸、凹模的脫開(kāi)而脫開(kāi)，在傳動(dòng)模架中間另一對(duì)齒輪10在凸、凹模脫開(kāi)時(shí)依然保持嚙合，通過(guò)凸模的偏心聯(lián)軸器實(shí)現(xiàn)該要求，保證凸、凹模脫開(kāi)時(shí)凸齒和凹模的相對(duì)相位不改變，這一點(diǎn)至關(guān)重要。

圖7 凹模與砧輥傳動(dòng)示意圖

圖8 連接傳動(dòng)示意圖

其動(dòng)力傳動(dòng)路徑為：電機(jī)通過(guò)同步帶將動(dòng)力傳遞到凹模組件1，凹模組件1通過(guò)齒輪將動(dòng)力傳遞給凸模組件2，凹模組件通過(guò)同步帶傳動(dòng)系統(tǒng)將動(dòng)力傳遞給2個(gè)砧輥組件7，這些齒輪和同步輪的傳動(dòng)比與對(duì)應(yīng)的模輥直徑比要求一致，以保證每個(gè)輥表面的線速度一致。

2.5 模具總體結(jié)構(gòu)

3D復(fù)合面料成形輥壓模如圖9所示，凹模組件1固定在模架的中間，其余3個(gè)模輥圍繞在凹模的圓周上，凸模組件2在凹模組件的右邊，2個(gè)砧輥分別在上下兩側(cè)，凸模組件可以沿著滑道上下運(yùn)動(dòng)，凸模通過(guò)氣缸加壓機(jī)構(gòu)4的加壓讓其固定在斜塊6上，通過(guò)斜塊可以隨意調(diào)整凸模凸齒插入凹模的深度，以獲得最佳的成形效果。砧輥組件7可以在滑道滑動(dòng)，通過(guò)氣缸加壓機(jī)構(gòu)4加壓使砧輥組件7緊緊壓在凹模表面，在加熱的狀態(tài)下和凹模表面的凸點(diǎn)相互作用使2層無(wú)紡布熔融粘合，同時(shí)保證成形的鼓包不產(chǎn)生變形。

圖9 模具總體結(jié)構(gòu)

3 模具工作原理及過(guò)程

模具工作原理如圖10所示，凸模2和凹模1相向旋轉(zhuǎn)，凸模2的凸齒帶動(dòng)第一層無(wú)紡布3嚙合到凹模1對(duì)應(yīng)相位的孔中形成鼓包，在旋轉(zhuǎn)到第一砧輥6的過(guò)程中，通過(guò)負(fù)壓區(qū)域A，始終將成形后的鼓包牢牢吸附在凹模中，在熱作用下產(chǎn)生塑性變形。第二層無(wú)紡布4進(jìn)入第一砧輥6和凹模1之間，通過(guò)壓力和熱作用使2層無(wú)紡布熔融粘合，然后通過(guò)第二砧輥7再次加壓，進(jìn)一步加固2層無(wú)紡布的結(jié)合度，最后輸出復(fù)合好的3D復(fù)合面料5。

圖10 模具工作原理

4 結(jié)束語(yǔ)

3D復(fù)合面料成形輥壓模是集成形、定型、材料復(fù)合、吸附轉(zhuǎn)移及復(fù)雜的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)為一體的復(fù)合模，僅適用于具有微彈性和熱塑性特性、原料厚度不超過(guò)0.2 mm的柔性材料。所述設(shè)計(jì)方案可用于高速生產(chǎn)線上生產(chǎn)，也可用于線下生產(chǎn)3D復(fù)合面料，可廣泛應(yīng)用于紙尿褲、拉拉褲和衛(wèi)生巾等行業(yè)中。經(jīng)過(guò)大量的實(shí)踐驗(yàn)證，該模具完全可以滿足300 m/min以上的線速度在線生產(chǎn)和線下生產(chǎn)，效果良好。