郭金波

（北京玻璃集團(tuán)博美華科玻璃有限公司，北京 100062）

0 引言

在玻璃的機(jī)械成型中，行列機(jī)是最常見的設(shè)備之一。但由于高硼硅玻璃屬于PYREX玻璃，用行列機(jī)生產(chǎn)試劑瓶時(shí)料滴溫度高達(dá)1 360℃以上，成型溫度高，成型難度大，對(duì)生產(chǎn)工藝及模具的要求很高，在世界上只有德國(guó)、捷克等少數(shù)國(guó)家可以生產(chǎn)。

公司高硼硅玻璃試劑瓶采用四段單滴行列機(jī)，壓吹法生產(chǎn)。在試生產(chǎn)初期，從生產(chǎn)工藝到模具設(shè)計(jì)均借鑒行列機(jī)生產(chǎn)鈉鈣玻璃瓶罐的成熟方法。但在實(shí)際試制過程中發(fā)現(xiàn)因成型工藝差異以及高硼硅玻璃高溫成型的特性，造成了模具壽命低、損耗大，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量，無法保證連續(xù)生產(chǎn)。主要原因有三點(diǎn)：一是成型工藝不當(dāng)；二是模具材質(zhì)的選擇和模具設(shè)計(jì)不合理；三是模具維修不到位。本文以選擇合適模具材質(zhì)、提高模具的使用壽命和改進(jìn)模具設(shè)計(jì)為主要內(nèi)容，把具體工作中的一些經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行介紹。

1 模具材質(zhì)的選擇

模具是行列機(jī)生產(chǎn)中關(guān)鍵部件，模具的質(zhì)量直接影響產(chǎn)品外觀、生產(chǎn)效率和生產(chǎn)成本，因而模具材料的選用、模具間的配合公差、模具加工、維修和檢驗(yàn)是確保模具質(zhì)量與成型質(zhì)量的重要措施。

在硼硅玻璃試劑瓶成型過程中，模具需與1 330℃以上的高溫熔融玻璃緊密較長(zhǎng)時(shí)間接觸，模具材料必須具備耐腐蝕性強(qiáng)、耐磨性好、材質(zhì)致密、耐熱性及導(dǎo)熱性好、易于加工、成本適合等特點(diǎn)。

1.1 口模

口模是行列機(jī)成型口部用的模具部件，在試劑瓶生產(chǎn)時(shí)對(duì)其的口部卻有特殊要求。在試制過程中，高硼硅玻璃的料滴溫度在高達(dá)1 350℃左右時(shí)才能得到有效的料滴形狀，才能確保料滴入模順利（比普通瓶罐玻璃入模溫度高出230℃）。在連續(xù)滴料30個(gè)之后的口模溫度就達(dá)到440℃，這時(shí)發(fā)生粘料現(xiàn)象造成無法打開，生產(chǎn)被迫停滯。

為使口模迅速降溫冷卻，保持連續(xù)生產(chǎn)，對(duì)模具材料和設(shè)計(jì)進(jìn)行如下試驗(yàn)改進(jìn)：

（1）口模材質(zhì)一是選擇熱傳導(dǎo)效果強(qiáng)于合金鑄鐵的材料-銅合金，其導(dǎo)熱系數(shù)為80 W/mK(鑄鐵只有50 W/mK)。

（2）根據(jù)高硼硅玻璃特性及本廠多年壓機(jī)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)并借鑒德國(guó)肖特公司生產(chǎn)高硼硅玻璃模制瓶的經(jīng)驗(yàn)，口模材質(zhì)選用耐熱不銹鋼材料。

（3）更改口模設(shè)計(jì)，在口模和口環(huán)上增加排氣孔及散熱槽，提高散熱效果。

（4）因試劑瓶的規(guī)格不同，將口模和口環(huán)的配合公差進(jìn)行改進(jìn)。

根據(jù)實(shí)際運(yùn)行狀況、使用壽命和經(jīng)濟(jì)性等方面的綜合考慮，口模的材質(zhì)選定為銅合金為最佳，并且口模邊緣及內(nèi)腔表面還要采用不同厚度的合金涂層，經(jīng)此改進(jìn)后的模具使用壽命提高了3～4倍。

1.2 口環(huán)

口環(huán)是行列機(jī)成型瓶罐口部之頂面的模具。因試劑瓶主要用于盛裝化學(xué)試劑，因此對(duì)口頂部是否平整有嚴(yán)格的密封要求，絕對(duì)不能有漏液現(xiàn)象。

因口環(huán)內(nèi)腔接觸玻璃的面積較小，沒有對(duì)其進(jìn)行材質(zhì)的更換。但在運(yùn)行24 h后，在口環(huán)內(nèi)腔出現(xiàn)大量的微裂紋。通過增加口環(huán)內(nèi)腔合金涂層的厚度，提高其耐熱和耐磨性能，有效地防止了裂紋出現(xiàn)，使用壽命提高了8～10倍。

1.3 其它部位模具

1.3.1 成型模和初型模

試劑瓶的成型是熔融的玻璃液轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂泄潭◣缀涡螤钪破返倪^程，一般分為成形階段和定形階段。在成形過程中，初型模和成型模是與玻璃料泡接觸面最多的模具，是壓-吹成型中最為關(guān)鍵的模具。

在運(yùn)行中，成型模和初型模在經(jīng)受高溫玻璃料滴間歇性、頻繁性的沖擊下，模具內(nèi)表面很易于出現(xiàn)磨損和變形，直接導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)表面凹坑等缺陷，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量。但是如果完全采用合金鑄鐵材質(zhì)，易出現(xiàn)成型模溫度偏低，將會(huì)使產(chǎn)品出現(xiàn)壁厚偏壁度差、冷斑等玻璃缺陷，反而降低了模具的使用壽命。

1.3.2 悶頭

悶頭是在沖壓玻璃料滴時(shí)，作為初型模上方封蓋用。采用合金鑄鐵模具和合金鑄鐵加噴涂鎳合金時(shí)，因料滴溫度高，在連續(xù)運(yùn)行24 h后，與玻璃料滴接觸的表面出現(xiàn)龜裂。

根據(jù)以上生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)的問題，結(jié)合根據(jù)高硼硅玻璃特性和高硼硅玻璃壓機(jī)經(jīng)驗(yàn)和國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)，將試劑瓶成型過程中與高溫玻璃接觸的模具-初型模、成型模、模底和悶頭的模具材質(zhì)全部更換成耐熱不銹鋼1Cr17Ni2。新材質(zhì)的模具試制結(jié)果，不僅消除了表面凹坑，產(chǎn)品壁厚偏壁度好，產(chǎn)品表面光滑明亮，同時(shí)冷斑和底部龜裂等玻璃缺陷也相應(yīng)減少，而且延長(zhǎng)了模具的使用壽命，產(chǎn)品達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)要求。

2 模具設(shè)計(jì)的改進(jìn)

試劑瓶是用于盛裝固態(tài)或液態(tài)試劑的專用瓶。與普通瓶罐不同的是不僅對(duì)玻璃的理化性能要求高，更對(duì)瓶口的密封、壁厚偏壁度和外觀質(zhì)量也有嚴(yán)格的規(guī)定，因此對(duì)模具設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

在試劑瓶的生產(chǎn)中，高硼硅玻璃料滴入模具初型模時(shí)的溫度大約為1 320℃（比常規(guī)的瓶罐玻璃高約200℃），冷卻到750℃時(shí)從成型模取出。為適應(yīng)成型速度的要求，使模具溫度始終保持在工藝規(guī)定的范圍內(nèi)，模具的冷卻和保溫是及其重要的措施。在試劑瓶的生產(chǎn)中，口模和沖頭的冷卻設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

2.1 口模

口模采用銅合金材料后，雖然散熱效果強(qiáng)于合金鑄鐵和耐熱不銹鋼，運(yùn)行時(shí)間數(shù)倍提高，但是口模溫度仍然過熱，如果散熱和冷卻設(shè)計(jì)再不合理，就會(huì)造成粘料或無法打開。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外的相關(guān)資料和試制經(jīng)驗(yàn),為確保口模溫度分布均勻，對(duì)原設(shè)計(jì)進(jìn)行了如下的改進(jìn)：

（1）在與初型模的接觸面上增加15°斜度。在高溫運(yùn)行條件下,有利于初型模的開合。

（2）增加均勻分布的排氣孔，不僅有利于自身的散熱,還可有利于口環(huán)的散熱。

（3）增加散熱槽，擴(kuò)大材料表面的散熱面積，提高冷卻效率，使口模更好的散熱。

2.2 沖頭的冷卻

沖頭是沖壓產(chǎn)品初型料泡內(nèi)腔的模具。冷卻芯是裝在沖頭內(nèi)部，通過壓縮空氣均勻冷卻沖頭各配件。

對(duì)于壓-吹法來說，沖頭的散熱冷卻主要來自于沖頭芯和連接器。在試制中，因沖頭過熱，被熱玻璃熔化，造成了沖頭的損壞變形。

除了成型工藝需增加沖頭的內(nèi)部冷卻壓力外，通過分析沖頭芯的設(shè)計(jì)和計(jì)算散熱面積，發(fā)現(xiàn)存在問題，并采取了以下相應(yīng)措施：

（1）沖頭芯側(cè)壁的排氣孔偏大，使冷卻風(fēng)未達(dá)到頂部而回流。措施：縮小排氣孔，將沖頭芯下部的排氣孔封死，讓冷卻風(fēng)有效地冷卻沖頭頂部。

（2）散熱孔少，散熱面積不夠，使沖頭產(chǎn)生的熱量無法及時(shí)排出。措施：在沖頭連接器和沖頭芯上增加散熱孔，擴(kuò)大散熱面積，保證沖頭迅速冷卻。

2.3 調(diào)整延伸間隙

當(dāng)初型玻璃料泡放置入成型模內(nèi)時(shí)，其料泡底部與模底頂部的間隙稱為“延伸間隙”，在高硼硅玻璃試劑瓶的生產(chǎn)過程中，針對(duì)出現(xiàn)的產(chǎn)品冷斑、壁厚偏壁度及底厚炸裂等缺陷，根據(jù)高硼硅玻璃的成型特性和試劑瓶的產(chǎn)品特點(diǎn)，結(jié)合機(jī)速把100 mL、250 ml、500 ml、1 000 mL 四個(gè)常用規(guī)格均采用不同的延伸間隙，重新設(shè)計(jì)初型模和沖頭長(zhǎng)度，改進(jìn)后產(chǎn)品合格率有了2～3倍的提升，效果明顯。

3 模具問題與產(chǎn)品缺陷的關(guān)系

通過生產(chǎn)實(shí)踐及上述分析可以看出，高硼硅玻璃試劑瓶產(chǎn)品的模具是由漏斗、悶頭、初型模、成型模、沖頭、口模和瓶鉗組成。由此引發(fā)的產(chǎn)品缺陷中，既有單個(gè)部位造成的，也有各模具部位組成之間的配合造成的。

在試劑瓶的生產(chǎn)過程中，針對(duì)出現(xiàn)的玻璃缺陷如冷斑、壁厚偏壁度等，對(duì)模具進(jìn)行了調(diào)整，獲得了一些實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。表1所列是高硼硅玻璃試劑瓶生產(chǎn)過程中各模具部件與玻璃缺陷的關(guān)系列表，根據(jù)表1更有利于發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)采取糾正措施，消除產(chǎn)品缺陷。

表1 高硼硅試劑瓶產(chǎn)品模具問題與產(chǎn)品缺陷對(duì)應(yīng)表

4 結(jié)論

（1）口模材質(zhì)選用銅合金，口模邊緣及內(nèi)腔表面采用不同厚度合金涂層，模具使用壽命提高；

（2）口環(huán)內(nèi)腔增加合金涂層的厚度能有效地防止了裂紋出現(xiàn)，提升使用壽命；

（3）初型模、成型模、模底和悶頭的模具材質(zhì)全部更換成耐熱不銹鋼1Cr17Ni2，能提升產(chǎn)品外觀品質(zhì)，減少了冷斑和底部龜裂等玻璃缺陷，延長(zhǎng)了模具使用壽命；

（4）為保證口模和沖頭更好冷卻所采取的多項(xiàng)改進(jìn)措施，經(jīng)過生產(chǎn)實(shí)踐證明是切實(shí)有效的；

（5）高硼硅玻璃試劑瓶生產(chǎn)過程中要結(jié)合機(jī)速，不同規(guī)格采用不同延伸間隙，并需要重新設(shè)計(jì)初型模和沖頭長(zhǎng)度，更有助于產(chǎn)品質(zhì)量的提升。

（6）提高高硼硅玻璃試劑瓶產(chǎn)品質(zhì)量及模具的使用壽命是一項(xiàng)綜合技術(shù)。它涉及到玻璃產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、玻璃模具的設(shè)計(jì)與制造、玻璃模具的材料、玻璃模具的維護(hù)修理和檢驗(yàn)，以及合理的生產(chǎn)操作使用，這都需要在生產(chǎn)實(shí)踐過程中不斷發(fā)現(xiàn)問題并逐一進(jìn)行分析改進(jìn)直至解決。