文根保，文莉，史文

(1.中國航空工業(yè)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(yè)生產自動流水線上機械手中的一種運動轉換裝置。每條自動流水線上要裝置48套轉換開關，流水線是24 h不停地運轉。轉換開關工作時運轉頻率很高，損廢率很大，每月幾乎都要更換一批。該設備是從德國進口的，因轉換開關的技術含量很高，進口的轉換開關價值是我們克隆產品的35倍以上。為了保證流水線的運轉，需要儲備大量的轉換開關。常年更換轉換開關的代價太大，怎樣以國產件取代進口件的意義就顯得十分重要了。在轉換開關克隆的過程中，初期主要是圍繞著轉換開關注射成型變形的問題和縮痕等缺陷進行攻關。

1 轉換開關的大、小件的介紹

轉換開關的大件，如圖1(a)所示。小件，如圖1b所示。

1.1 克隆轉換開關的技術要求

（1）大、小件黏接面黏接后不能產生漏氣的現象。

（2）3×Φ6G6 mm孔和Φ14H7 mm 孔不能產生漏氣的現象。

（3）3×Φ1.8 mm的通氣孔不能產生串氣和堵氣的現象。

（4）黏接后的轉換開關應保持3個工作的大氣壓。

（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

該兩個注塑件的造型不算復雜，大多數孔的軸線都是在垂直黏接面的同一方向，并且與塑件脫模方向一致。只是3×Φ1.8 mm通氣孔，以半孔的形式開通在黏接面上。但是兩個零件的尺寸精度、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。

（1） 孔 的 精 度 ：Φ14H7 mm、2×Φ3H7 mm 和3×Φ4H7 mm 孔均為 ⅠT7級，3×Φ6G6 mm 為 ⅠT6級。

（2）軸的精度：2×Φ3f6 mm為ⅠT6級。

（3）大、小件黏接面的平面度不大于0.02 mm。

（4）Φ14H7 mm與3×Φ6G6 mm四孔的圓柱度不大于0.01 mm。

（5）Φ14H7 mm與3×Φ6G6 mm四孔的孔位要求一致，還要與進口件孔位保持一致。

圖1 轉換開關大、小件

2 轉換開關的用途和性能

機械手的任務就是要將流水線傳送帶上產品進行工序間的轉換，即產品要從已加工的工位上轉移到待加工的工位。轉換開關就是在機械手的擺動過程中，使具有負氣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，再撤除吸盤的負氣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。

2.1 轉換開關的工作原理

轉換開關是由帶兩個虎牙的大件1和帶三角梯形齒的小件2和三個定位銷3（材料為：30Cr）組成。大件與小件的兩大平面由氯烷膠或樹脂膠黏接而成。而三個定位銷是通過Φ4r7 mm的外圓與大件1三個Φ4H7 mm孔進行過盈配合聯(lián)接在一起。這樣, 大件、小件和定位銷便組成了一個整體。大件和小件的Φ14H7 mm孔和設備上的Φ14f6 mm轉軸為間隙配合，并以M8內六角螺母與轉軸上的M8螺桿進行聯(lián)接與固定。 轉軸上具有彈性的能夠進行串插的錐形插銷，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(lián)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，使具有負氣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負氣壓的吸盤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。

2.2 轉換開關的功能

圖 2 轉換開關組件圖

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(tài)。 轉軸擺動時，三個Φ1.8 mm的孔會各自動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(tài)。

轉換開關是和工業(yè)生產自動流水線上機械手，一同從德國進口， 轉換開關又是易損品。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，性能上達不到樣品的要求。又無復制樣品的條件，只有克隆的轉換開關才可滿足樣品的性能。

2.3 轉換開關的技術要求

為了確保轉換開關的形狀、尺寸、精度和表面粗糙度與樣品一致，也為了確保轉換開關的使用功能與樣品一致，對轉換開關的技術要求如下：

（1）轉換開關孔的精度和幾何精度要求特高，這就要求轉換開關的變形應極小。其中大孔為:Φ14H7 mm，三個孔為：Φ6G6 mm和三個小孔為：Φ4H7 mm，它們的精度在金屬機加件中都算是高的?？孜坏木纫笠哺? 孔壁和部分型面的表面粗糙度為：Ra0.8，孔的圓柱度不大于0.01 mm。這都說明了轉換開關的變形應極小，才可能達到這種機加金工件的精度要求。

（2）大件和小件的黏接面是要在三個大氣壓的條件下連續(xù)工作的，黏接面不能存在著漏氣的現象。三個Φ1.8 mm的孔在大件1和小件2的黏接面上是各為一半的，黏接后三個Φ1.8 mm的孔不能有串氣和堵氣的現象的存在。

（3）大件1和小件2的黏接面兩側的膠帶要有4～6 mm寬，并且要等寬。

（4）三個定位銷3壓入大件1的孔內，不能松動；

（5）轉換開關的外表面為亞光。

3 轉換開關的變形、縮痕和銀紋等缺陷的解決

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，以選取適當的塑料品種與填充劑類型為主要的措施，選取成型加工的設備、加工的參數和后處理為輔助的措施來實現根治克隆件的缺陷。

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黏接面都是像麻花和油餅一樣扭曲，并且千瘡百孔。該材料的費用昻貴，其雖說是具有耐腐蝕、耐老化及電絕緣性優(yōu)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，具有不黏、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。

3.1 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。

（1）物理的判斷方法：從樣品上割下一部分塑材點燃后，觀其煙霧的顏色、聞其氣味和觀其燃燒后的灰塵的顏色，可以初步地判斷是聚碳酸脂的塑材。

（2）化學分析方法：在物理的判斷的基礎上，用二氯乙烷和三氯甲烷液體滴在樣品外表面上，發(fā)現樣品外表面被溶解，進一步可以判斷是聚碳酸脂的塑材。

（3）光譜分析方法：用光譜分析儀得出轉換開關大、小件的塑材主要成份是：聚碳酸脂。查出其收縮率為：0.5%～0.7%。

3.2 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，兩黏接平面也會因變形而不平，并會影響?zhàn)そ拥囊筮_不到技術要求。

3.2.1 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。

3.2.2 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。保證不了轉換開關大、小件的精度要求并仍然有微小的縮痕，再是強度和亞光的要求也達不到要求。純聚碳酸脂注射的收縮率一般也是偏大，填充添加劑后可以增加注塑件的強度和減小其收縮率，還可降低成本。填充什么樣的添加劑? 填充的比例是多少?這兩個問題便擺在我們的面前。我們一方面作試驗，另一方面在網上和市場上查詢新材料，所謂新材料就是主要成份不變，只是改變添加劑的成份和比例而已。

（1）純強聚碳酸脂：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：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。改變聚碳酸脂與玻璃短釬維的比例：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。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。

（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：從市場上聯(lián)系到上海聚威工程塑料有限公司，采用微細玻璃珠為添加劑的微珠增強碳酸脂。以此為產品的材料, 其收縮率為：0.3%～0.4%，亞光，完全達到德國進口材質的要求，甚至優(yōu)于進口材質的要求。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德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。

4 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。

4.1 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。

4.2 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%。

4.3 注射成型后的校形冷卻和后處理

注射成型后的校形冷卻和后處理是解決微收縮和裂紋的有效措施。

（1）注射成型后的校形冷卻：注射成型脫模后的轉換開關大、小件在冷卻時，其材料的收縮率雖小。熱漲冷縮仍然在進行，于是總是還存在著收縮。由于各孔的壁厚不均勻，轉換開關孔大、小件的收縮也是不一致的。于是，各孔便產生了錐度和橢圓度誤差。這樣，就得采用插校形芯棒，用水快速冷卻的方法來獲得高精度的孔。

（2）注射成型的后處理：后處理也就是時效處理。注塑件注射成型是從塑料融化的液態(tài)到冷硬態(tài)和脫模后的固態(tài), 注塑件在注射成型時的這種從熱態(tài)到冷硬態(tài)的過程中，注塑件內部會產生很大的內應力。在用速干膠黏接時，注塑件黏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，最終使注塑件部分幾何體斷裂。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，注塑件便不會再出現裂紋的現象。

5 結束語

由于克隆轉換開關要求大、小件的七個孔位一致性，并且還要和進口件一致；又由于克隆的轉換開關要求保持3個工作大氣壓的要求，大、小件的七個孔的精度為ⅠT7級且圓柱度不大于0.01 mm ；兩黏接面黏接后不能產生漏氣的現象，這便要求兩黏接面的平面度大于0.02 mm。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(xù)的研制奠定了基礎。