3D復合面料成形輥壓模設計

陳陽升

（三明市普諾維機械有限公司，福建 三明 365009）

0 引 言

3D復合面料是近年研發的一種新型的吸收性復合面料，廣泛應用于婦幼衛生用品等行業。圖1所示為一種吸收性物品的肌膚接觸立體復合面料，該3D復合面料由兩層親水性熱風無紡布通過局部的熱熔融粘合而成，第一層無紡布1和第二層無紡布2的親水性依次遞增，如圖1（a）所示，在第一層無紡布熔合點a以外的部分布置凸點b，凸點b與熔合點a交替排列配置[1]，形成如圖1（b）所示3D復合面料。實現3D復合面料在高速生產線上生產的關鍵和難點是輥壓成形模[2]的設計和制造，3D復合面料線上生產比線下生產具有更好的成形效果、美觀度和剝離力[3]，還降低了生產成本。其難點在于在高速生產過程中如何實現親水性熱風無紡布凸點的成形及定型，并在使用過程中達到不脫層的要求。以下介紹一種能解決這些難點并達到市場要求的3D復合面料在線輥壓成形模的結構設計。

1 工藝分析

1.1 成形工藝分析

第一層面料要達到圖1所示的凸點成形效果，須具有一定的厚度和延展性，否則易破裂。經實踐證明第一層熱風無紡布的質量一般不低于23 g/m2，拉深深度一般不超過1.5 mm，第二層無紡布的質量優選18 g/m2以上[4]。在成形過程中應充分考慮材料回彈、厚度及客戶不同的深度要求，所以成形結構必須考慮拉深深度可調的結構。

圖1 3D復合面料產品

成形凸模和凹模相向旋轉，凸模的凸齒在插入凹模對應位置的旋轉過程中，不能相互接觸干涉，否則凸齒可能會折斷，所以在設計時必須模擬凸、凹模的嚙合過程，且需要模擬在最大嚙合深度時的嚙合過程，以保證零件不會干涉。

1.2 定型工藝分析

由于原材料為0.06～0.08 mm厚的熱風無紡布，較薄且軟，在不能用膠粘合的情況下，成形后難以定型，定型結構很重要。圖1所示的第二層無紡布除了減少反滲的作用外，通過凸點周圍的熔融點還有2個作用：①將兩層無紡布融為一體；②定型凸點。定型設計時還要考慮從成形位置到定型位置的傳輸過程中凸點不能變形，所以定型結構需要考慮熔融、傳輸定型2個方面。

1.3 凹輥與凸輥相對相位固定要求

用戶在使用過程中會根據需要更換原材料或在生產過程中出現材料斷裂的情況，這時必須讓凸、凹模脫開重新穿料，模具結構的設計須保證凸、凹模的相對相位不變，否則再次復合時將導致凸、凹模損壞。

1.4 傳動結構分析

結合以上分析，模具需同時兼具成形、定型和輸送等功能，比一般的輥壓模復雜，每個模輥的直徑不一致，所以在傳動結構的設計上要保證同一層材料的線速度一致，否則會出現褶皺或脫層等貼合不良的現象。

2 結構設計

2.1 成形結構設計

圖2所示為模具成形部分的結構，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]，加壓機構4（汽缸加壓）置于模架上方，吸附轉移機構5布置在凹模的前后側，吸風口外接適配功率的風泵或羅茨泵，通過吸風盤及凹模內設計的風道系統，使凹模內產生負壓形成一套完整的負壓系統。第一層無紡布通過凸、凹輥模中間，凸模在壓力的作用下，由凸齒帶動無紡布壓入凹模，凸、凹輥及成形后的無紡布以相同的線速度轉動，當凸齒離開凹模時，成形后的無紡布由于凹模的負壓緊緊固定在凹模內隨其一起轉動，直至進入模具的定型工位。

圖2 成形結構

圖3所示為凹模結構，凹模輥體的軸向方向布置有較多通氣孔Ⅰ，在每個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通道，孔Ⅰ和吸氣盤（見圖4）上的氣槽相連。吸氣盤結構如圖4所示，風泵或羅茨泵通過吸氣盤的氣嘴和氣槽及凹模的孔Ⅰ和孔Ⅱ，使凹模輥面產生負壓，當無紡布通過凸模凸齒壓入凹模時，將成形后的無紡布面層牢牢地固定在凹模內，直至和第二層無紡布在鼓包周圍熔融點固定后停止負壓，以便脫模，其中吸氣盤氣槽的位置和角度決定凹模負壓的作用范圍。沿輥軸向布置了12個加熱棒孔Ⅲ和6個溫度傳感器孔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，并與裝在芯軸內孔端部的水銀集電環連接，構成了完整的凹模加熱系統，凸模和砧輥也布置了完整的溫控體系。通過這些溫控體系可有效控制無紡布的溫度，使其在一定的溫度下更易產生塑性變形。

圖3 凹 模

圖4 吸氣盤

2.2 凸模與凹模嚙合干涉檢測

凸、凹模嚙合干涉檢測過程如下：根據凹模二維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個點作示例，將平面模型用“環形折彎”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換成中間格式STEP文件，導入UG軟件中并進行裝配，如圖5（a）所示。進入UG10.0運動仿真模塊[6]，建立“齒輪耦合副”，將“齒輪耦合副”的傳動比設為3:1（根據設計調整傳動比），分析求解后形成動畫，從動畫中觀察3D壓花總成，凹、凸模運動無干涉現象，如圖5（b）所示。

圖5 凸模與凹模運動干涉檢測

2.3 定型結構設計

如圖6所示，定型結構由凹模組件1、砧輥組件7、模架3、加壓機構4和斜塊6組成，成形后的第一層無紡布由凹模帶到定型工位的上、下模中間，與同時進入的第二層無紡布一起由分布在凹模周圍的凸點與砧輥相互作用以及一定溫度的聯合作用下產生融合，使兩層無紡布融化粘合，進而固定已經成形的第一層無紡布的凸點，防止形狀回復。為了實現在高速狀態下的生產，通常還在凹模的圓周布置2個砧輥進一步加固定型。

圖6 定型結構

2.4 傳動結構設計

將上述成形結構和定型結構復合在一起，由1個凹模、1個凸模、2個砧輥和模架組合成1副復合模，形成了3D復合面料的成形模，運行過程中的4個模輥表面線速度應保持一致，在更換材料時凸、凹模必須脫開，脫開距離過大會超過齒輪的嚙合范圍，容易發生事故，必須保證凸、凹模在脫開過程中的相對相位不錯位，可將傳動機構分成兩部分：凹模和砧輥的同步帶傳動、凹模和凸模的雙齒輪傳動。

圖7所示為凹模和砧輥的同步帶傳動示意圖，同步帶必須是雙面同步帶，通過計算同步輪的直徑確保凹模和砧輥的線速度一致。4個模輥的傳動連接及凸、凹模的相位控制如圖8所示，凹模固定在中間位置不動，通過固定法蘭直聯傳動，凸模偏心聯軸器9連接傳動，2個砧輥通過內球籠聯軸器12連接傳動；凸、凹模通過2副傳動齒輪8和10分別實現范圍定位和精確定位的功能，齒輪8可以隨著凸、凹模的脫開而脫開，在傳動模架中間另一對齒輪10在凸、凹模脫開時依然保持嚙合，通過凸模的偏心聯軸器實現該要求，保證凸、凹模脫開時凸齒和凹模的相對相位不改變，這一點至關重要。

圖7 凹模與砧輥傳動示意圖

圖8 連接傳動示意圖

其動力傳動路徑為：電機通過同步帶將動力傳遞到凹模組件1，凹模組件1通過齒輪將動力傳遞給凸模組件2，凹模組件通過同步帶傳動系統將動力傳遞給2個砧輥組件7，這些齒輪和同步輪的傳動比與對應的模輥直徑比要求一致，以保證每個輥表面的線速度一致。

2.5 模具總體結構

3D復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個砧輥分別在上下兩側，凸模組件可以沿著滑道上下運動，凸模通過氣缸加壓機構4的加壓讓其固定在斜塊6上，通過斜塊可以隨意調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，通過氣缸加壓機構4加壓使砧輥組件7緊緊壓在凹模表面，在加熱的狀態下和凹模表面的凸點相互作用使2層無紡布熔融粘合，同時保證成形的鼓包不產生變形。

圖9 模具總體結構

3 模具工作原理及過程

模具工作原理如圖10所示，凸模2和凹模1相向旋轉，凸模2的凸齒帶動第一層無紡布3嚙合到凹模1對應相位的孔中形成鼓包，在旋轉到第一砧輥6的過程中，通過負壓區域A，始終將成形后的鼓包牢牢吸附在凹模中，在熱作用下產生塑性變形。第二層無紡布4進入第一砧輥6和凹模1之間，通過壓力和熱作用使2層無紡布熔融粘合，然后通過第二砧輥7再次加壓，進一步加固2層無紡布的結合度，最后輸出復合好的3D復合面料5。

圖10 模具工作原理

4 結束語

3D復合面料成形輥壓模是集成形、定型、材料復合、吸附轉移及復雜的傳動結構為一體的復合模，僅適用于具有微彈性和熱塑性特性、原料厚度不超過0.2 mm的柔性材料。所述設計方案可用于高速生產線上生產，也可用于線下生產3D復合面料，可廣泛應用于紙尿褲、拉拉褲和衛生巾等行業中。經過大量的實踐驗證，該模具完全可以滿足300 m/min以上的線速度在線生產和線下生產，效果良好。