瓶罐玻璃模具设计的探讨

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浅谈瓶罐玻璃模具四川天马玻璃有限公司模具在玻璃瓶罐生产中占有重要的地位，玻璃瓶罐是在一定形状内腔的模具内成型，其质量很大程度上取决于模具质量，包括模具的设计、材料、加工精度和维修质量等。制瓶机完成一件产品的过程，基本上是靠操作模具的动作顺序来实现的。模具是直接影响产品质量的工件，它的损坏不仅是模具本身的损失，还会产生大量的产品缺陷，甚至使产品报废。模具的设计是一项复杂的工作。目前模具设计在很大程度上根据经验。特别是初型模的设计，很难用数学公式来确定，要设计合理的初型模，设计人员必须考虑玻璃的料性，玻璃在模腔内的分布情况，制瓶工艺等一系列的复杂因素，一个合格的设计人员必须具备丰富的理论知识和实践经验。模具要经过设计打样再分析再修正才能生产出高质量的玻璃瓶罐。不懂生产的模具设计就是一次伟大的冒险。国外已经开发出模具设计软件，它可以模拟瓶子在初模和成模内的成型过程，准确的了解玻璃在模具的分散过程和分布情况。从而提高模具设计的精确性，缩短设计时间。采用标准化设计可以降低成本，提高效益。（下图是小口压吹的整过成型过程电脑模拟供参考） 目前瓶罐成型的主要方式有：吹吹、压吹、和小口压吹。无论用现有的哪一种玻璃成型方法，就模且所处的作业条件来说都是很差的。鉴于热玻璃成型和最终制成成品所发生的许多复杂的物理化学和机械过程，对模具材料所提出的要求是极其苛刻的。一般玻璃模材料应具备下列一些最重要性质：Ø易于机械加工，耐碎裂，耐热冲击Ø导热热性好，线膨胀系数小，抗生长Ø耐热，耐磨Ø组织致密均匀，粘附温度高，成型表而光洽度好，耐腐蚀等模具是玻璃成型中不可缺少的装备，玻璃生产的质量与产量都和模具直接有关，因而模具材料的选用、加工、维修和检验是确保模具质量与成型质量的重要措施。 上图是玻璃瓶在整个生产过程中玻璃各模具受热过程的模拟，在玻璃成型过程中，要求模具能长期经受在高温条件下工作，玻璃的入模温度在900～1100℃问，出模温度在500～600℃左右。模具中玻璃的停留时间一般为5～60s。如果模具材质的耐热性差，在使用过程中就很容易发生龟裂，导致制品表面产生较多的龟纹，这样不仅影响制品的外观质量，同时也影响其热稳定性和强度热扩散速率：玻璃入模和出模的温差为在400～500℃。玻璃在模具中的停留时间为几秒到几十秒。要求模具材质也在这段时间内扩散掉这部分热量，而模具的热扩散速率将直接影响到制品的成型速度。不同规格的制品要求其热扩散速率的大小也不一样，一般大规格制品，因成型速度慢，制品在模具中的停留时间也长，相应地要求热扩散速率就较低。反之，成型速度很快的制品，其在模具中的停留时间必然很短，因而希望模具能在较短的间隙时间内尽快地得到冷却，相应地要求热扩散速率也较快。热冲击性：为了便于制品出模和及时对制品固形，必须对模具和制品进行风冷。而当制品出模后为使模具保持清洁和及时散热，又必须对模具进行风冷，这一切措施都构成了对模具的热冲击，若模具材质不能经受耐急冷急热性能的冲击，就会造成模具龟裂，影响制品质量。膨胀与高温变形性能： 当材料的膨胀性能变化显著时，不仅会造成成型与脱模等一系列困难，而且使制品在接合处有粗大的接合缝，造成在脱模过程中制品在该区域容易发生炸裂，模具也容易损坏，因此希望使用低热膨胀性的材料来制造模具。上图是模具在受热中的电脑模拟，由于模具长期处于高温负荷下工作，容易造成模具高温变形，影响模具的精度，造成制品矫曲或公差不符要求等情况．严重的甚至影响入模与脱模的连贯性，因此要求模具的材质必须高温变形性能要优越。一般选择低膨胀系数的材质，其高温变形性能必然优越。 模具长期在急冷与急热的高速负荷状态下运转与工作，因而要求模具能在这一恶劣工作环境下能连续使用较长时间而不致有网络裂纹(龟裂)等出现。故要求材质能有较好的热疲劳性能。抗氧化性：由于模具直接接触的玻璃液温度均较高，故氧化过程就进行得很快，但当接触温度低于500℃时，铸铁材料的氧化进行得很缓慢。大部分模具的损坏原因都是由氧化引起的，故在工艺允许的前提下适当降低成型温度，有利丁延长模具的使用寿命。用风冷对模具实施最有效的冷却就显得尤为重要，下图是一排垂冷孔和两排垂冷孔对模具冷却的模具温度模拟。我司现以试用三排垂冷孔的冷却方式。成模的外表面温度降到200度一下。 此外，当铸铁材料结构中存在片状石墨体以及合金元素如Cr、Mo、Ni时，也能增加铸铁的抗氧化能力。模具材质选用中，除了要求使用寿命长外，还必须考虑易于加工、维修，返上率要低。有些材质常因致密度不够或有砂眼等，徒劳往返加工既耗工时又影响生产。而若材料过于坚硬或韧性过大，造成加工困难，影响精度。因而在保证各项性能要求的前提下，选择便于加工的材质确实很有必要。一般常用铸铁来作为模具材料，这是一种价格低廉、易于加工、有较好强度的材料。玻璃成形过程中会发生的许多复杂的物理化学和机械过程，对模具材料所提出的要求极其广泛。模具材质应具备下列一些最主要性质：易于机械加工，耐碎裂，耐热冲击，导热性好，线膨胀系数小，抗生长，耐热，耐磨，组织致密均匀，粘附温度高，耐腐蚀等等。但是，实际上迄今还没有哪一种金属全部具备这些良好性能。根据玻璃模具的服役条件和失效分析以及实际生产要求，对模具材料的主要要求是抗氧化、抗生长及热疲劳抗力等性能，其中以抗氧化性能为主要性能1.普通低合金铸铁铸铁广泛用作模具材料始于19世纪，铸铁具有优良的铸造性能、良好的加工性、成本低、热而不粘的性能，适合中小型铸造厂生产等，目前国内外普遍都采用铸铁作为玻璃模具材料，合金铸铁在可预见的未来仍然是主要玻璃模具材质。2.球墨和蠕墨铸铁 球墨铸铁有较高的强度和韧性，并有良好的抗氧化性能，其抗热疲劳性能优于其他铸铁，但由于其石墨形态呈孤立的球状，导热性较差，不能适应机械化生产要求，限制了它在玻璃模具中的使用，故大多工厂只用它制造小型的瓶模。蠕墨铸铁机械性能与球墨铸铁相近，具有较高的导热性、抗氧化和抗生长能力，又有像灰铸铁那样良好的铸造性能和机械加工性能，使蠕墨铸铁具有良好的综合性能，而用于制造玻璃模具材料。3.D型石墨铸铁D型石墨属于片状石墨一种，它是在奥氏体树枝晶间生长，奥氏体的连续性割裂了石墨片的连续性，且D型石墨与基体间的间隙比其它片状石墨与基体间的间隙小。D型石墨细小、卷曲、端部较钝的形态，决定了它对基体的切割作用小，不易引起较大的应力集中，所以D型石墨铸铁具有较高的强度目前D型石墨铸铁用作玻璃模具材料已成热点，国内外已有许多研究，从国外进口的模具分析表明，大都采用D型石墨铸铁材质。通常采取加入元素钛、采用金属型等来获得D型石墨。4.合金钢近年来开始采用合金钢制模，合金钢在大多数情况下比铸铁能更好地满足对玻璃模具提出地要求。钢的导热性次于铸铁，因此使用时易出现过热，产生粘附现象。因此必须采用强制冷却、合理设计模具结构、用硅酮脂润滑等方法。 不锈钢是一种耐腐蚀、强度高、耐氧化及韧性好的材质，其导热性较差，热膨胀小，成分是各种各样的，英国很早就用于制造冲头、衬模等。美国用AISI430号(12～14Cr)和AISI310号(25Cr，20Ni)不锈钢，用于制作某些模具零件。其他模具材料镍基合金：这类合金耐热性比铸铁好，所以用它制作的模具表面裂纹少、寿命长、生产率高，并能提高玻璃制品的光洁度，但这类材料价格高。为了提高玻璃制品的表面光洁度或延长模具零件的更换周期，仍常用这类材料制模铜基合金：这类合金导热性很好，高速成型时仍能保证玻璃制品质量，因此颇受人们的重视。现主要有两类：一类含有Cu、Al、Zn和Ni，这类合金对提高表面光洁度最为有效。这种合金抗氧化、导热性、热稳定性和热塑性都很好，显著改善了成型机的操作条件。另一类含Cu、Al、Ni和Co，不含Zn，同铸铁相比可使机速提高15~25，能使模具工作面寿命延长三倍左右，模具易于修复，制品质量好。模具涂层：现在常在玻璃模具的棱角和冲头与玻璃接触的部分采用热喷涂层，喷焊一层镍铬合金粉末，以提高接触表面的高温耐磨性、耐高温、抗氧化。用灰铸铁制作的玻璃模具，热喷涂镍基自熔合金，可使模具寿命提高5倍以上。模具设计就要联系生产： 模具设计是为了得到更优质的玻璃瓶服务的，优质的玻璃瓶就是缺陷最少最好。玻璃瓶缺陷的起因不是单一因素而是综合因素的反映，大致可分为4个方面：玻璃的组成、机械动作（包括定时设置）、成型工艺参数设定和玻璃模具。玻璃模具是玻璃瓶缺陷产生的主要因素之一。由玻璃模具及相关因素引发的玻璃缺陷占成型过程中产生缺陷的50%以上。与玻璃模具相关的模具部件间的配合公差、模具冷却、模具预先喷涂等，其设计或使用的合理性对生产高质量的玻璃瓶至关重要。玻璃模具因用户需要各种各样形状不异的玻璃瓶而变化万千，这种不定因素难免出现设计的不合理，给成型操作带来困难，给玻璃生产厂家造成损失。所以在我公司只要是新开发的新品种，不管设计以前考虑的多么的合理。都必须先利用适当的机会进行上机打样，对打样的玻璃瓶进行各方面的理化分析，进行再分析再打样。等各项指标都符合要求后在批量模具进行产量化生产。玻璃瓶的生产有一种说法为“先天不良，后天不正”。由模具本身引发的玻璃瓶缺陷：玻璃模具由成模、底模、初形模、钳爪、口模（含口盘也称导向板）、芯子、漏斗、闷头等9种主要部件和套筒、芯子接头、卡环3种附件组成。下面是从成型操作角度分列各部件与玻璃瓶缺陷的因果关系，以利于我们及时修改瓶子的缺陷。名称模具存在的缺陷可能引发的玻璃瓶缺陷颈部尺寸过小（相对于料胚颈部）瓶口鼓胀、瓶口弯曲或歪斜 成模和底模颈部尺寸过大（相对于料胚颈部）瓶口错位、瓶口弯曲或歪斜成模顶部无圆角或损坏瓶肩下塌、瓶肩细裂纹成模排气不良瓶内有玻璃丝、瓶口弯曲或歪斜、瓶颈弯曲、瓶身侧壁凹陷、瓶颈长、瓶子歪斜、瓶身冷纹成模瓶肩半径小或余量小瓶口下部细裂纹、瓶口颈环缺陷成模合缝线位置不合适或粗糙或损坏压力细裂纹、瓶肩细裂纹成模定位槽、挂钉位置不适、锁挂凹面尺寸过小、纵向上下两端变形成模合缝线粗大文字标识处理不当、字形与成模开间隙不符瓶口颈环缺陷、瓶底细裂纹、成模合缝线粗大成模尺寸不适或散热设计不良瓶身侧壁鼓胀、瓶身侧壁凹陷、瓶颈长、瓶子歪斜、瓶身冷纹模底过大或过重瓶底厚模底底凹设计不合理或脏瓶底不稳初模设计不当或内腔形状不适瓶身内有玻璃丝、瓶身侧壁凹陷、瓶口直裂纹、瓶颈弯曲、瓶肩薄、瓶身侧壁鼓胀、瓶身搓板纹、瓶口不足、瓶颈撕裂、瓶底薄、瓶底厚、托擦印、装料印、刷子印、皱纹、玻璃分布不均、瓶子歪斜肩部过小瓶肩薄颈部尺寸过大（与成模颈部相比）瓶口下部细裂纹、瓶颈缩窄、瓶底偏初模合缝线磨损、纵向变形、合缝椭圆瓶颈缩窄、闷头印、初模合缝线粗大初模内腔表面粗糙瓶颈身脏初模与闷头配合不良或延伸间隙过度闷头印、闷头印偏、瓶底偏、瓶子裂、瓶底合缝线毛刺、瓶底细裂纹初模与口模配合不良瓶口口模合缝线毛刺、口模和初模之间的合缝线毛刺口模结合面磨损瓶口口模合缝线毛刺、瓶口下部细裂纹、瓶口直裂纹尺寸过大或不合理瓶口直裂纹、瓶口细裂纹、瓶口不足、瓶口鼓胀脏、油垢、表面粗糙瓶口不足、瓶口口模合缝线毛刺、瓶口粗糙、瓶口细裂纹维修不当瓶口椭圆口模内半径小（相对于芯子）瓶口微裂纹、瓶口下部细裂纹制造原因（不同心）瓶口弯曲或歪斜材质不良瓶口粗糙配合不良（与口环、套筒、芯子、初模）瓶口颈环缺损、瓶口破损、瓶口错位、瓶口细裂纹、瓶口口模合缝线毛刺、瓶口口模与初模合缝线毛刺、瓶口下撕裂、瓶颈撕裂芯子芯子设计不正确（尺寸不合理—太长太尖直径小）瓶口直裂纹、瓶底薄、瓶口内颈窄、瓶口内表面凹陷、玻璃分布不良、芯子痕、瓶口有毛刺芯子脏瓶口内部细裂纹、瓶口不足、瓶口内表面凹陷材质不良黑点、瓶底有突尖有效高度太浅瓶口直裂纹、瓶口微裂纹、瓶口弯曲或歪斜、瓶颈弯曲、瓶口鼓胀 吹气头有效高度太深瓶肩下塌、瓶口直裂纹、瓶口微裂纹排气不畅或不平衡瓶口鼓胀、瓶口椭圆、瓶肩下塌、瓶身冷纹吹气头与成模不同心瓶口错位钳爪余量小（过紧、直径小）瓶口微裂纹、瓶口内颈窄、瓶口下部细裂纹、瓶口椭圆材质不良瓶口下部细裂纹（与玻璃瓶接触的地方）变形（不成直角）瓶口椭圆、瓶颈弯曲漏斗尺寸小瓶口不足、刷子印、装料印、托擦印尺寸不合适瓶身薄、皱纹脏瓶身搓板纹闷头设计不合适（直径和高度）闷头印、瓶底粘附玻璃屑过大或过重瓶底厚闷头与初模配合处畸形闷头印玻璃模具的冷却与玻璃瓶缺陷：玻璃瓶的成型过程是一个逐渐降温的过程，适度的施以玻璃模具降温的冷却时成型控制的重要环节。冷却不足或冷却过度或冷却位置不合理均可引发各类玻璃瓶缺陷。欲求高质量的玻璃瓶和理想的合格率，必须重视玻璃模具的冷却。模具温度高（玻璃模具冷却不足）引发的玻璃缺陷：瓶口不足、瓶口内颈窄、瓶底细裂纹、瓶壁薄、瓶底粘附玻璃屑、瓶底有尖突（压吹法时冲头过热）、瓶口鼓胀、瓶口椭圆、瓶口粗糙、瓶口弯曲或歪斜、瓶颈歪曲、瓶颈长、瓶口内表面凹陷、瓶肩细裂纹、瓶肩薄、热细裂纹、合缝线细裂纹、合缝线粗大、瓶身内有玻璃丝、瓶身侧壁凹陷、瓶身侧壁鼓胀、瓶身搓板纹、瓶底厚、瓶底不稳、闷头印、皱纹、瓶子歪斜、瓶子脏、再生气泡。 玻璃模具温度低（玻璃模具冷却过度）引发的玻璃缺陷：瓶口直裂缝（压吹法时口模过冷）、瓶口细裂纹、瓶口下部细裂纹、瓶底细裂纹、瓶口内部细裂纹、瓶颈脏、瓶肩下塌、瓶身内有玻璃丝、瓶身冷纹、瓶底薄、瓶子裂、装料印、托擦印、玻璃分布不良。玻璃模具有良好的配合公差可使玻璃模具在成型过程中减少模面磕碰和初模、成模、口模打不开、芯子上下不灵活机各模具部件配合不良的机会。又可避免大批玻璃瓶缺陷的产生。一下提供模具各部件的配合公差供玻璃模具设计者和模具维修在设计和检查时参考。 玻璃模具的设计必须与实际生产并重，将生产的大量经验利用各种分析模拟软件应用于设计中，不断的对初模芯子等模具进行改进。只有建立在以上基础的的模具设计才是成熟的设计。玻璃瓶的生产模具设计虽然重要。其实在整过的生产过程中模具的有效维修、有效管理和有效维护才是我们应该持之以恒严格要求的。一切为了降低生产成本，让企业取得良好的经济效益才是硬道理。