流水線上機械手克隆轉換開關改性塑料的選擇

文根保，文莉，史文

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

轉換開關是工業生產自動流水線上機械手中的一種運動轉換裝置，每條流水線共有48套或36套機械手。轉換開關是依靠氣動使得機械手作擺動的一種塑料件，轉換開關組件由塑料大、小兩件粘接而成。整條流水線是從外國購買，每天24 h工作很容易磨損，更換一次就是48組件或36組件。由于轉換開關組件精度非常高，國內無法生產只得向外國購買。為了生產的需要，需要購買許多備件儲存，占用了大量外匯。為此，實現國產轉換開關組件便擺在面前了。在不知道轉換開關組件圖形、尺寸、精度和材質的情況下，轉換開關組件圖形、尺寸可以通過測繪和使用過程中體會得到。而轉換開關組件使用的塑料，初期主要考慮的是耐磨損，中后期主要是根據其性能、尺寸精度和外觀要求進行改性塑料的選擇。

1 轉換開關的大、小件技術要求、用途和性能的介紹

轉換開關的大件，如圖1(a)所示。小件，如圖1(b)所示。這些技術要求、用途和性能，還是在設備運轉中逐步體會到的。

1.1 克隆轉換開關的技術要求

主要是氣密性和耐壓性要求，以及與進口件混裝要求[1]。

（1）大、小件粘接面粘接后不能產生漏氣的現象；

（2）3× 6G6 mm孔和 14H7 mm 孔不能產生漏氣的現象；

（3）3× 1.8 mm的通氣孔不能產生串氣和堵氣的現象；

（4）粘接后的轉換開關應保持3個工作的大氣壓要求；

（5）要求克隆轉換開關與進口轉換開關能混合使用。

1.2 克隆轉換開關尺寸精度的要求

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

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

（2）軸的精度：2× 3f6 mm為IT6級；

（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，還要與進口件孔位保持一致；

（6）轉換開關的外表面為亞光。

圖1 轉換開關大、小件

1.3 轉換開關的用途和性能

機械手的任務，就是要將產品從已加工的工位上轉移到待加工的工位。轉換開關是在機械手的擺動過程中，使具有氣體負壓的吸盤將已加工的產品吸起來。然后,機械手擺動一個角度后到達待加工的工位時，再撤除吸盤氣體負壓而將已加工的產品放下來的一種轉換裝置。轉換開關組件，如圖2所示。

1.4 轉換開關的工作原理

如圖2所示，轉換開關由帶有兩個虎牙大件1和帶三角梯形齒小件2和三個定位銷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。而三個定位銷3是通過Φ4r7 mm的外圓與大件1三個Φ4H7 mm孔進行過盈配合聯接在一起。這樣,大件1、小件2和定位銷3便組成了一個整體。大件1和小件2的Φ14H7 mm孔和設備上的Φ14f6 mm轉軸為間隙配合，并以M8 mm內六角螺母與轉軸上的M8 mm螺桿進行聯接與固定。轉軸上具有彈性的能夠進行穿插的錐形插銷，可分別插入三個定位銷3的40°的錐孔內。而轉換開關上三個Φ6G6 mm孔與專用設備上三個Φ6f6 mm單向閥相聯接。這樣，當帶三角梯形齒的轉軸分別轉動至三個孔位之中的一個孔位時，與其相對應的單向閥便處于工作的位置。單向閥開通時，使具有氣體負壓的吸盤將產品吸起來。當轉換開關與機械臂轉動26°時,單向閥的關閉使具有氣體負壓吸盤的負壓消失而將產品放下，這便是轉換開關在機械手中的工作原理。

圖2 轉換開關組件圖

1.5 轉換開關的功能

當裝在轉軸上轉換開關，在具有彈性的錐形插銷插入轉換開關三個不同的定位銷3的40°錐孔中擺動時,轉換開關三個Φ1.8 mm的孔中某一孔便會對準單向閥的Φ2 mm不通孔時,單向閥便能夠將負壓氣流的切換成開啟與關閉的兩種狀態。轉軸擺動時，三個Φ1.8 mm的孔會各自地對準不同的單向閥，每個單向閥都有開啟與關閉的兩種狀態。

采購方提出國產化的轉換開關必須和進口的轉換開關能在同一臺設備上進行混裝。這樣，就要求國產化的轉換開關在形狀、尺寸、精度、表面粗糙度和性能都要與進口的轉換開關一致。換句話說，我們必須克隆出與進口的轉換開關完全一樣的轉換開關來,采購方才會接納我們的轉換開關。仿制的轉換開關只不過是與樣品相似而已，性能和精度上達不到樣品的要求。由于進口方的限制不能進口轉換開關注塑模和技術資料，我們只有克隆的轉換開關才可滿足生產的需要。長期進口轉換開關的費用，導致大大地超過進口自動流水線的費用。

2 轉換開關的改性塑料的選擇過程

開始主要試制工作是圍繞著解決轉換開關所產生的變形、縮痕和銀紋等缺陷展開的。

2.1 初期塑料選用目的

檢驗試模后轉換開關的形狀。按采購方提供的測繪圖和材料：聚四氟乙烯，收縮率為:3.1%～7.7%，所注射出來的轉換開關是完全不能滿足其技術要求。不要說是確保轉換開關的精度和表面粗糙度的要求。就是注射出來的轉換開關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。該材料的費用昂貴，其雖說是具有耐腐蝕、耐老化及電絕緣性優越，吸水性小的特點。聚四氟乙烯對所有的化學藥品都具有耐腐蝕的性能。摩擦系數在塑料中最低，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，都因收縮率較大產生的縮痕深而未能獲得成功。

2.2 轉換開關樣件材料的確定

顯而易見，轉換開關大、小件變形和縮痕產生的原因，是注塑的材料選用不當所引起的。轉換開關樣件的材料，開始是采用物理方法和化學分析方法進行初步的判斷，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轉換開關之后，便立竿見影，轉換開關大、小件的扭曲、變形和縮孔等現象沒有了。至此，轉換開關的研制取得突破性的進展。但是注射成型的轉換開關大、小件，仍存在著較大的縮痕和表面光亮的現象。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減小收縮率。轉換開關注射成型變形的問題仍未得到妥善解決，這個問題不僅使所有孔的精度得不到解決，兩粘接平面也會因變形而不平，并會影響大、小件粘接的要求達不到技術要求。

2.3.1 影響轉換開關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）注射設備和注射工藝參數；

（3）注射成型后的冷卻校形和后處理等問題。

2.3.2 轉換開關材料的確定

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換開關大、小件，其變形偏大、外表面光亮，易產生銀紋，強度差，存在著微小的縮痕；

（2）增強聚碳酸脂：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聚碳酸脂。用這種材料所注射成型的轉換開關大、小件，其變形小、強度高。但外表面漂浮的短釬維很明顯，外表面光亮，易產生銀紋。若外表面噴亞光漆，還是免強過得去，但和樣件的外觀相比還是有很大的差距。給人的感覺是假冒偽劣商品。

（3）減小收縮率型的聚碳酸脂： 聚碳酸脂＋礦物質。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，其強度極低，脫模時頂桿的頂出就能將成型的轉換開關大、小件頂碎；

（4）亞光微珠增強聚碳酸脂：采用微細玻璃珠為添加劑的微珠增強聚碳酸脂。以此為產品的材料,其收縮率為：0.3%～0.4%，亞光，完全達到外國進口材質的要求，甚至優于進口材質的要求[3]。注射成型的轉換開關大、小件，不論是精度、強度、變形量和外觀質量都達到外國進口轉換開關的水平。因為塑材中含有30%的微粒玻璃珠，一是材質中微細的玻璃珠的密度增加了，均勻性也增加了，使注射的產品不易產生縮痕和變形；二是強度和耐磨性提高了。那么，其壽命就增加了。

3 轉換開關克隆件微縮痕的處置

雖然采用了亞光微珠增強碳酸脂的注塑材料，克隆件的表面上還是存在著微縮痕的現象，此時只能采用輔助的手段來解決。即選用大注塑容量的設備，選用大的注塑壓力和延長保壓時間來克服微縮痕的現象。

3.1 注射設備的選用

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

3.2 注射工藝參數的選用

主要是注射時壓力要大點，保壓時間要長點，具體的注射參數也是在反復試驗后所獲得的。具體的注射參數如下：

注射參數：

（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）溶膠時間：1段：75 s；

2段：75 s。

（5）保壓時間：2 s；

（6）冷卻時間：20 s；

（7）注射時間：7 s；

（8）溶膠設定：溶膠時間：5.9 s、溶膠時限：10 s、射膠終點：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。后處理也就是時效處理。大、小件注射成型，是從塑料融化的液態到冷硬態和脫模后的固態。轉換開關大、小件在注射成型時的這種從熱態到冷硬態的過程中，轉換開關大、小件內部會產生很大的內應力。在用速干膠粘接時，轉換開關大、小件粘接面會產生很多細長的裂紋。隨著使用時間的增長，裂紋會逐漸的擴大，最終使轉換開關大、小件部分幾何體斷裂。如此，須將成型的轉換開關大、小件放進烘箱內加溫到100 ℃，加溫時間為：2～3 h。然后，再隨烘箱自然冷卻至室溫（需24 h）。通過時效處理，能充分地消除了注射成型時轉換開關大、小件中的內應力，轉換開關大、小件便不會再出現裂紋的現象。

在試制過程中采用以選用塑材品種和填加劑類型為主的策略，以選取注塑機和注射參數為輔的方法，解決了克隆轉換開關的變形和微縮痕的缺陷。通過塑料顆粒的預烘干和料斗的烘干，解決了克隆轉換開關大、小件產生銀紋的缺陷；通過克隆轉換開關大、小件的后處理的工藝，解決了克隆轉換開關大、小件產生的內應力的問題。至此，克隆轉換開關的試制工作取得了重大的突破，也為后續的研制奠定了基礎。

4 轉換開關微收縮特性影響到超級精度孔加工的工藝方法

眾所周知，轉換開關大、小件成型時的內、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；二是轉換開關大、小件壁厚不均勻性。而轉換開關大、小件內、外形尺寸精度和幾何精度，要獲得IT6～7級標準公差數值，圓柱度不大于0.01 mm精度的要求是乎是不現實的事情。我們通過應用塑料的成型二次工藝限制收縮特性，解決了這一轉換開關大、小件成型的難題，并成功地使轉換開關大、小件的內孔獲得了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單。

轉換開關大、小件超高精度孔的加工，是不能直接在轉換開關大、小件上通過機械加工的方法來加工。因為機械加工所產生的切削熱，會使轉換開關大、小件超高精度孔發生變形和自由收縮而達不到精度的要求。

（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，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，即孔的形狀精度與校形銷尺寸和形狀精度有關。這樣，要控制孔的形狀精度就必須使孔壁的材質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；不受環境的溫、濕度的影響；也不受機床設備和成形的工藝參數不同的影響。只是插入和拔出校形銷困難些，但可以通過專用夾具拔出校形銷。

5 結束語

轉換開關大、小件圓柱孔尺寸精度、孔位精度和幾何精度的控制，通過轉換開關塑料材料的選擇、尺寸精度測繪技術、大小件粘接技術、注塑模的修復技術、氣密性測試和型孔超級精度、平面度的成型加工技術，超高孔精度的二次限制工藝的實施。使得所生產轉換開關完全取代進口產品，并且其壽命遠高于進口產品，為有關單位節約了大量外匯。