不同材質(zhì)瓶蓋及夾具的夾持力選用研究

區(qū)煥財(cái)，區(qū)健彬，顏宇東

（廣東佛山聯(lián)創(chuàng)工程研究生院／ ／廣東順德工業(yè)設(shè)計(jì)研究院（廣東順德創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究院），廣東佛山 528300）

0 引言

瓶類包裝是食品、藥品、化妝品等行業(yè)常用的包裝形式之一。瓶蓋具有保持產(chǎn)品密閉性能，還具有防盜開啟及安全性方面的功能，因此廣泛地應(yīng)用在瓶裝產(chǎn)品上。在各類瓶裝包裝形式中，外蓋的旋入、旋緊是不可缺少的工序［1］。瓶蓋旋緊是常用的瓶裝密封形式，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、食品、化妝用品等行業(yè)。瓶蓋的開啟扭矩是瓶裝的重要性能，是生產(chǎn)單位重點(diǎn)控制的工藝參數(shù)之一。日常生產(chǎn)中，瓶蓋的擰緊需要利用夾具對(duì)其進(jìn)行夾持并鎖緊，瓶蓋的旋緊力矩要維持在一定的范圍。不同尺寸的瓶蓋，具有相應(yīng)的旋緊扭矩標(biāo)準(zhǔn)，旋蓋的過松或過緊，都是需要避免的。

實(shí)踐應(yīng)用時(shí)，由于瓶蓋的材質(zhì)及表面紋路等的區(qū)別，常常需要在旋蓋裝置機(jī)構(gòu)的末端選用不同材質(zhì)和規(guī)格的介質(zhì)，例如不銹鋼、尼龍、硅膠等材質(zhì)，一方面為了順利完成瓶蓋的旋緊，且避免旋蓋的過緊或過松，另一方面，在持續(xù)性工作時(shí)，避免夾具的磨損失效或者瓶蓋夾持時(shí)對(duì)瓶蓋的磨損。但是日常生產(chǎn)中，瓶蓋旋合夾具的夾持力選用和生產(chǎn)線設(shè)備上擰蓋扭矩的設(shè)置缺乏不同材質(zhì)瓶蓋和夾具對(duì)相關(guān)夾持力影響方面的理論性依據(jù)。

本文通過建立瓶蓋旋合模型，對(duì)其進(jìn)行受力分析，根據(jù)分析不同材質(zhì)瓶蓋和與瓶蓋接觸的夾具表面對(duì)瓶蓋旋合作業(yè)時(shí)所需要的夾持力影響，并以旋蓋機(jī)構(gòu)中的三爪夾具為研究例子，計(jì)算出相應(yīng)的夾持力值，選用合適的夾具，并歸納瓶蓋旋合生產(chǎn)時(shí)，夾持力的計(jì)算方法及夾具的選用技巧。

1 旋蓋裝置

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的旋蓋方式一般為脹套式吹氣夾緊旋蓋、旋磁式旋蓋、機(jī)械手式夾緊旋蓋、混合式扭矩旋蓋等，其設(shè)計(jì)各有各的優(yōu)缺點(diǎn)。一般瓶口封口裝置有摩擦帶式旋蓋裝置、壓頭式旋蓋裝置和夾頭式旋蓋裝置。摩擦帶式旋蓋裝置主要用于廣口玻璃瓶的旋蓋封口，如罐頭瓶的旋蓋封口。壓頭式旋蓋裝置主要用于塑料瓶防盜蓋的封口，如一些礦泉水、飲料的旋蓋封口。夾頭式旋蓋裝置主要用于對(duì)一些特殊的塑料瓶和玻璃瓶的旋蓋封口。夾頭式旋蓋裝置是包裝充填設(shè)備的核心裝置，它對(duì)提高灌裝和充填設(shè)備的效率起了很大的作用。

三爪式旋蓋機(jī)構(gòu)是常用的旋蓋裝置，利用3 個(gè)機(jī)械手柄機(jī)構(gòu)配合實(shí)現(xiàn)精確的恒力矩旋蓋，其設(shè)計(jì)的目的是兼容多種樣式和大小的瓶蓋。三爪式旋蓋裝置主要包含固定支架、氣爪、三爪機(jī)構(gòu)、夾具、電機(jī)，氣缸等元器件，如圖1所示，下端利用氣爪夾持住瓶身，保持其固定位置，上端利用三爪機(jī)構(gòu)上的夾具夾持著瓶蓋，對(duì)準(zhǔn)下部的瓶身，上端的驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)三爪機(jī)構(gòu)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，且?guī)?dòng)三爪夾具上的瓶蓋旋轉(zhuǎn)，從而旋合于底部的瓶身，實(shí)現(xiàn)旋蓋功能［2-6］。

圖1 旋蓋機(jī)構(gòu)

2 旋蓋受力分析

旋蓋時(shí)受力分析如圖2所示，瓶身下端用氣爪固持住，上端的瓶蓋由于被夾具夾持著進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，會(huì)承受一個(gè)旋緊力矩，當(dāng)進(jìn)行旋蓋時(shí)，克服與瓶身的摩擦力，最終達(dá)到旋合的效果。市場(chǎng)上不同尺寸的瓶蓋，為了防止旋蓋過緊或過松問題，企業(yè)生產(chǎn)具有相應(yīng)的旋緊扭矩標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，規(guī)格小于38 mm的瓶蓋扭矩力應(yīng)在0.6～2.2 N·m，規(guī)格小于38 mm 且高度不大于12 mm的瓶蓋扭矩力應(yīng)在0.4～2.2 N·m，規(guī)格38 mm及以上的瓶蓋扭矩力應(yīng)在0.6～2.9 N·m范圍［7-8］。

圖2 瓶子受力分析

如圖3所示，夾具夾持著瓶蓋進(jìn)行旋緊運(yùn)動(dòng)，根據(jù)牛頓第三定律，力的作用是相互的，在夾具與瓶蓋的接觸面間勢(shì)必存在摩擦力f，以防止夾具帶動(dòng)瓶蓋旋緊時(shí)發(fā)生打滑現(xiàn)象，且該摩擦力所產(chǎn)生的反扭矩與旋蓋扭矩相等［9-10］。

圖3 瓶蓋受力分析

3 三爪夾具的選用

三爪夾具的選用主要由旋蓋的扭矩決定，即不同規(guī)格，不同材質(zhì)的旋蓋所需要的三爪夾持力不同。針對(duì)塑料材質(zhì)不同規(guī)格尺寸的瓶蓋，國(guó)內(nèi)企業(yè)已有明確的扭矩標(biāo)準(zhǔn)。除此之外，三爪夾具的選用也與夾具材質(zhì)有關(guān)。由上述受力分析，三爪夾具的公式推斷可得：

式中：Tp為瓶蓋的旋緊扭矩，N·m；Tf為摩擦力力矩，N·m；f為摩擦力，N；Fn為夾持正壓力，N；R 為瓶蓋的半徑，m；μ為摩擦因數(shù)［11-14］。

則有：

由上述公式推導(dǎo)可以看出，三爪的夾持力與夾具和瓶蓋之間的材質(zhì)靜摩擦因數(shù)有很大的關(guān)系，針對(duì)同一款材質(zhì)的瓶蓋，與瓶蓋接觸的夾具采用不一樣的材質(zhì)，所需要的三爪夾具夾持力要求也不一樣。同理，同一款?yuàn)A具材質(zhì)，對(duì)于夾持不同材質(zhì)的瓶蓋，所需要的旋合扭矩也不一樣。如果三爪夾具的夾持力選用過高，會(huì)對(duì)瓶蓋造成磨損或者瓶蓋旋合過緊的后果，如果三爪夾具的夾持力選用過小，便會(huì)產(chǎn)生夾具與瓶蓋之間打滑或旋合不緊的情況，因此有必要針對(duì)不同材質(zhì)的瓶蓋和不同材質(zhì)夾具，分析研究其對(duì)應(yīng)所需要的夾持力，從而選用合適的三爪夾具。

4 不同材質(zhì)瓶蓋和夾具的夾持力實(shí)例分析

常用夾具材料與瓶蓋材料之間的相互靜摩擦因數(shù)μ如表1所示，表中的因數(shù)為粗略估計(jì)，具體數(shù)值需要更明確的材料牌號(hào)確定。

表1 常用夾具材料與瓶蓋材料之間的靜摩擦因數(shù)μ

此處以直徑30 mm的瓶蓋進(jìn)行分析，根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)選取旋緊扭矩的值為1.5 N·m，按照上述公式及材料之間的靜摩擦因數(shù)μ值進(jìn)行計(jì)算可以得出對(duì)應(yīng)夾具的夾持正壓力如表2 所示，此處忽略瓶蓋的自身重量。由表可知：（1）同一種夾具材料，對(duì)于不同材質(zhì)的瓶蓋進(jìn)行夾持旋合，所需要三爪機(jī)構(gòu)裝置提供的夾持力存在很大差異；（2）同一種瓶蓋材料，采用鋼或者工程塑料對(duì)其進(jìn)行夾持旋合，所需要三爪機(jī)構(gòu)裝置提供的夾持力相差很大；（3）對(duì)于鋼或者聚氯乙烯材質(zhì)的瓶蓋，采用工程塑料作為夾具接觸材質(zhì)，所需要的旋合扭矩較小，對(duì)于高密度聚乙烯和聚對(duì)苯二甲酸乙二醇，選用鋼作為夾具接觸材質(zhì)，所需要的旋合扭矩較小。

表2 常用夾具材料與瓶蓋材料對(duì)應(yīng)夾持力需求表

因此，在旋蓋應(yīng)用中，選用三爪時(shí)，需充分考慮瓶蓋和瓶蓋接觸的夾具材質(zhì)，才能合理確定所需要的夾持力。此外。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，三爪機(jī)構(gòu)裝置的夾持力需要預(yù)留足夠的安全系數(shù)，避免不足以應(yīng)對(duì)特殊的工作狀況。

實(shí)際應(yīng)用時(shí)，夾爪數(shù)可以選取其他數(shù)值，例如二爪、四爪等。針對(duì)其他夾爪數(shù)的夾具，瓶蓋旋合時(shí)的夾持力分析計(jì)算依然可以沿用上述公式推導(dǎo)，夾具的選用推理依然合理。對(duì)于其他材質(zhì)及其他規(guī)格的瓶蓋及夾具，夾具機(jī)構(gòu)裝置的夾持力計(jì)算及選用如此類推。

5 瓶蓋旋緊注意事項(xiàng)

在生產(chǎn)的質(zhì)量管理要求中，旋蓋的緊密程度往往被要求控制在最低值以上，在某些情況下，被要求控制在一個(gè)范圍內(nèi)旋蓋的過松或過緊，都是需要避免的。在實(shí)際的操作過程中，瓶蓋旋緊操作應(yīng)注意以下問題。

（1）在設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)前，理應(yīng)根據(jù)瓶蓋的尺寸規(guī)格、材質(zhì)和夾具的材質(zhì)，計(jì)算及選用合適的瓶蓋夾持力，選用合適的旋合夾具，并對(duì)旋合設(shè)備及旋合機(jī)構(gòu)進(jìn)行完善的參數(shù)設(shè)置，避免出現(xiàn)非必要的旋蓋過松或過緊情況。

（2）當(dāng)瓶蓋與夾具上和瓶蓋的直接接觸的面相互靜摩擦因數(shù)μ ＞0.2時(shí)，為了安全，需按被夾持對(duì)象質(zhì)量的10～20 倍的原則選定夾持力。對(duì)于大加速度與沖擊而言，必須預(yù)留更大的安全因數(shù)。

（3）選用夾具時(shí)，應(yīng)根據(jù)夾具的夾持點(diǎn)限制范圍內(nèi)選用夾持點(diǎn)。超過限制范圍時(shí)，夾爪會(huì)受到過大的力矩負(fù)荷作用，導(dǎo)致夾爪壽命縮短。在夾持點(diǎn)允許范圍內(nèi)，盡量將配件設(shè)計(jì)為短而輕，當(dāng)配件長(zhǎng)而重時(shí)，夾爪開關(guān)時(shí)慣性力變大，使夾爪效能減低同時(shí)影響其使用壽命。

（4）必須定時(shí)對(duì)設(shè)備的旋蓋夾具進(jìn)行檢查維護(hù)，對(duì)于存在磨損嚴(yán)重的情況，需要及時(shí)更換。

（5）對(duì)于醫(yī)療或者食品行業(yè)，夾具的選用要符合醫(yī)療或食品行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，防止產(chǎn)生產(chǎn)品的污染。

（6）生產(chǎn)線上的旋蓋設(shè)備，為了滿足旋蓋要求，有多種扭矩控制機(jī)構(gòu)可選用，例如外靠摩擦輪形式、摩擦片扭矩限制機(jī)構(gòu)和磁力扭矩限制結(jié)構(gòu)等，不同的恒扭矩機(jī)構(gòu)有各自的力學(xué)特性及優(yōu)缺點(diǎn)，使用時(shí)可以根據(jù)實(shí)際情況選用。

（7）瓶蓋旋緊生產(chǎn)線正常使用時(shí)，可通過抽檢方式定時(shí)檢驗(yàn)瓶蓋旋合的松緊程度，必要的時(shí)候可以在生產(chǎn)線上設(shè)計(jì)相關(guān)傳感器自動(dòng)檢測(cè)產(chǎn)品的旋合效果。

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著食品及醫(yī)療包裝行業(yè)的蓬勃發(fā)展，瓶蓋旋合的形式越來越常見，其封裝技術(shù)也越來越受重視。本文將理論與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，通過建立了旋蓋機(jī)構(gòu)模型，對(duì)瓶蓋旋合模型進(jìn)行了受力分析，研究了幾種不同材質(zhì)瓶蓋和與瓶蓋接觸的夾具表面對(duì)瓶蓋旋合作業(yè)時(shí)所需要的夾持力影響，并以旋蓋機(jī)構(gòu)中的三爪夾具為研究例子，計(jì)算出相應(yīng)的夾持力值，選用合適的夾具，并歸納了瓶蓋旋合生產(chǎn)時(shí)，夾持力的計(jì)算方法及夾具的選用技巧，為目前針對(duì)瓶蓋旋合夾具尚無統(tǒng)一的夾持力選取標(biāo)準(zhǔn)的裝配行業(yè)提供一個(gè)較為可靠的參考方法，能夠提高旋蓋生產(chǎn)效率，延長(zhǎng)夾具使用壽命，保證生產(chǎn)質(zhì)量，保證產(chǎn)品密封性和防止瓶蓋過松或過緊問題。此外，本文還提出了多項(xiàng)瓶蓋旋緊注意事項(xiàng)，旨在為食品、醫(yī)療、化妝包裝行業(yè)的日常生產(chǎn)中，瓶蓋旋合操作提供重要參考意義或建議。

本文提供的數(shù)據(jù)僅限于所列出瓶蓋規(guī)格尺寸、材質(zhì)及夾具材質(zhì)，特殊規(guī)格尺寸和材質(zhì)的選擇標(biāo)準(zhǔn)還有待進(jìn)一步研究和探討，但其他規(guī)格和材質(zhì)的瓶蓋和夾具同樣能運(yùn)用本文的分析計(jì)算及推理方法。