陳永波，曹 歡

(湖北京山輕工機械股份有限公司 技術(shù)中心,湖北 京山 431800)

1 瓦楞紙板的印刷工藝

隨著我國經(jīng)濟的不斷增長，中國包裝紙箱業(yè)得到快速發(fā)展。各類產(chǎn)品包裝紙箱紙盒對印刷的要求越來越高[1-2]。紙箱運輸包裝逐步向商品包裝發(fā)展，紙箱印刷從單色、雙色逐步發(fā)展到多色、七色印刷，紙箱印刷文字圖案要求清晰、美觀、鮮艷、立體感強，對印刷精度要求越來越高。普通單色印刷紙箱如圖1所示，多色精密印刷紙箱如圖2所示。

圖1 普通單色印刷紙箱

瓦楞紙板印刷主要通過輸送過道，使紙板依次通過各色組印版，各印版在紙板的特定位置印上相應(yīng)的顏色、圖案，通過多色套印、疊印，以獲得各種精美圖案。紙板印刷機印刷工藝示意圖如圖3所示。其核心技術(shù)需要解決紙板在高速移動過程中與印版的相對位置精確性，以保證套印的精度，因此紙板的輸送精度是影響印刷精度的一個主要原因[3]。

圖3 紙板印刷機印刷工藝示意圖

2 瓦楞紙板輸送仿真分析

2.1 理論分析

吸附風(fēng)道是輸送紙板的一種方式，通過風(fēng)機在吸附風(fēng)腔內(nèi)形成負(fù)壓，將紙板吸附在過道上，輸送滾輪牽引紙板向前運動。吸附風(fēng)道輸送示意圖如圖4所示。

圖4 吸附風(fēng)道輸送示意圖

紙板在走紙方向主要受摩擦力作用，其受力的計算公式為：

F=μ(mg+PA)

(1)

式中：F為紙板輸送中的牽引力(摩擦力作用)；μ為紙板與輸送道之間的摩擦系數(shù)；m為紙板質(zhì)量；g為重力常量；P為吸附風(fēng)腔對紙板的吸附力；A為紙板面積。

對于某一張?zhí)囟埌宓挠∷⑦^程，紙板與輸送道之間的摩擦系數(shù)μ、紙板質(zhì)量m、紙板面積A都是固定的，只有吸附力P是可變量。因此風(fēng)道的吸附力對紙板的輸送起著重要作用，直接影響印刷套印精度。風(fēng)道的吸附壓力過大會使紙板受到的摩擦力過大不能正常進行紙板輸送；過小則紙板易發(fā)生偏移，致套印不準(zhǔn)。要想提高紙板的輸送和印刷精度，必須要找到影響吸附力的因素并加以控制。

根據(jù)流體力學(xué)連續(xù)性方程和動量定理[4]，以空氣為流體場，進行仿真分析，找出吸附力的影響因素[5-6]。

流體連續(xù)性方程為：

(2)

動量定理為：

(3)

式中：σ為在流場中任一體積流體的周界面；n為σ面外法線單位矢量；ρ為流體密度；v為流體速度，vn=v·n；t為時間；F為作用在單位質(zhì)量流體上的體力；P為應(yīng)力張量；pn=n·P為σ上的面力密度。

2.2 仿真模型建立

對吸附風(fēng)腔建模，由于風(fēng)腔為一個裝配件，為了仿真分析方便，需要對模型進行前處理工作，如刪除小特征、面分割等；再通過WAVE幾何連接生成一個或者少量的幾個體；由于風(fēng)腔結(jié)構(gòu)為機械實體結(jié)構(gòu)，而求解的是流體域，因此最后經(jīng)特定的布爾操作形成流體域，吸附腔流體域網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖5所示[7]。

對流體域劃分網(wǎng)格，仿真分析研究有一張1 400 mm×600 mm的紙板處于印輥正中位置時的工況。

2.3 邊界條件確定

根據(jù)實際工況確定邊界條件如下：

流體域進口為吸附腔與紙板的接觸面，接觸面上開有很多小的矩形孔，矩形孔內(nèi)有滾輪，空氣從矩形孔與滾輪的間隙中進入，在仿真分析中，此進口設(shè)置為openning; 在紙板吸附輸送過程中，紙板會覆蓋一部分進口區(qū)域。

流體域出口為在吸附腔底端與風(fēng)機相連的開口，此出口設(shè)置為outlet，具體取值為風(fēng)機的風(fēng)量。

在實際印刷過程中，不同訂單的紙板大小不同。當(dāng)紙板規(guī)格較小時，吸附風(fēng)腔兩端的風(fēng)口屬于無效吸附區(qū)，會明顯漏風(fēng)，因此對吸附風(fēng)腔內(nèi)設(shè)置擋風(fēng)板，根據(jù)紙板大小，打開或關(guān)閉擋風(fēng)板，因此還需對比是否增加擋風(fēng)板兩種情況下，對吸附力的影響。

結(jié)合流體力學(xué)方程和實際印刷情況，確定了風(fēng)機風(fēng)量、是否添加擋風(fēng)板這二個變量因子，共4種不同的工況條件，如表1所示。

表1 4種不同邊界條件工況

2.4 求解結(jié)果

對4種工況進行流體動力仿真分析[8-9]，分別得到其風(fēng)腔流體速度圖，如圖6～圖9所示，以及吸附面壓力分布云圖，如圖10～圖13所示。

圖6 工況1風(fēng)腔流體速度界面圖

圖7 工況2風(fēng)腔流體速度界面圖

圖8 工況3風(fēng)腔流體速度界面圖

圖9 工況4風(fēng)腔流體速度界面圖

圖10 工況1吸附面壓力界面圖

圖11 工況2吸附面壓力界面圖

圖12 工況3吸附面壓力界面圖

圖13 工況4吸附面壓力界面圖

對仿真分析結(jié)果的云圖進行數(shù)據(jù)處理，得到4種工況下的分析結(jié)果，如表2所示。

表2 4種工況分析結(jié)果對比

2.5 仿真結(jié)果分析

通過對圖6～圖13和表2進行對比分析，得到如下結(jié)論：

(1)對比工況1與工況2，工況3與工況4，可知對吸附力影響較大的因素為風(fēng)量，當(dāng)風(fēng)機風(fēng)量增加時，出口風(fēng)速和吸附區(qū)壓力均有大幅增加。因此為了保證不同紙板的輸送精度，主要可從風(fēng)量大小上進行調(diào)節(jié)；

(2)對比無擋風(fēng)板的吸附面壓力圖(圖10與圖11)與有擋風(fēng)板的吸附面壓力圖(圖12與圖13)可知，當(dāng)增加擋風(fēng)板時(圖12與圖13)，紙板吸附面上的吸附力分布比無擋風(fēng)板時(圖10與圖11)更均勻，有利于紙板的平穩(wěn)輸送。

3 試制驗證

3.1 印刷機設(shè)計改進

根據(jù)仿真分析結(jié)果制定指導(dǎo)方案：①對吸附腔進行分區(qū)設(shè)計；②同時在風(fēng)機上增加變頻器用以調(diào)控風(fēng)量，對印刷機進行整改設(shè)計。

3.2 試車測試

選擇兩種規(guī)格的紙板：設(shè)備適用的大規(guī)格紙板(尺寸為1 140 mm×1 200 mm,五層板)和小規(guī)格紙板(尺寸為520×1 320，三層板)，進行生產(chǎn)測試(印刷機運行速度從0～150 張/min)，分速度段測量生產(chǎn)的紙板套印精度是否達到設(shè)備的套印精度要求小于0.6 mm，測試結(jié)果如表3所示。

對印刷機進行了多次走紙試車，測量生產(chǎn)出的紙板的套印精度并統(tǒng)計合格率，5次測試結(jié)果統(tǒng)計如表4所示，精度合格率要求滿足±0.3 mm。在2017年8月14日第五次走紙試車時，生產(chǎn)的大、小兩種規(guī)格的紙板在各速度段時的套印精度均達到了技術(shù)指標(biāo)要求，統(tǒng)計合格率為100%。

表3 套印精度測試結(jié)果

表4 5次合格率測試記錄統(tǒng)計

注：第四次和第五次測試結(jié)果，是按該設(shè)備適用的最小規(guī)格紙板(500×800)測得。

4 結(jié)論

通過仿真分析，找到了影響紙板套印精度的主要因素及改進方向。根據(jù)分析結(jié)論對該印刷機進行整改設(shè)計，對吸附腔進行分區(qū)設(shè)計和使用變頻器對風(fēng)量進行調(diào)控，整改后的印刷機經(jīng)試車運行，最終生產(chǎn)出的大、小規(guī)格紙板套印精度都達到了技術(shù)指標(biāo)要求。

[1] 趙俊成.瓦楞紙箱的柔性版印刷工藝分析[J].中國包裝工業(yè),2015(20):24-26.

[2] 劉濤，唐正寧，車永華，等.瓦楞紙柔性印刷工藝研究[J].包裝工程，2007(1)：7-10.

[3] 王瑜，周玉瑩，張婉.柔性版直接制版系統(tǒng)質(zhì)量控制參數(shù)的研究[C]∥2012第二屆中國印刷與包裝學(xué)術(shù)會議論文集.[S.l.]：[s.n.]，2012：1075-1079.

[4] 于勇，雷娟棉.流體力學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2017.

[5] 趙寧，王東紅.多介質(zhì)流體運動界面問題的界面追蹤方法研究[C]∥中國力學(xué)學(xué)會學(xué)術(shù)大會2009論文集.[S.l.]：[s.n.]，2009：289-294.

[6] 趙寧.多介質(zhì)流體界面問題的數(shù)值模擬方法[M].北京：科學(xué)出版社，2016.

[7] 張來平，常興華，趙鐘.計算流體力學(xué)網(wǎng)格生成技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2017.

[8] 杜家政.MSC Nastran軟件高級用戶入門指南及工程應(yīng)用實例[M].北京：機械工業(yè)出版社，2013.

[9] 沈春根，聶文開，裴宏杰.UG NX8.5有限元分析入門與實例精講[M].北京：機械工業(yè)出版社，2015.