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(zhuǎn)換開關(guān)是工業(yè)生產(chǎn)自動流水線上機械手中的一種運動轉(zhuǎn)換裝置。每條自動流水線上要裝置48套轉(zhuǎn)換開關(guān)，流水線是24 h不停地運轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)換開關(guān)工作時運轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換開關(guān)的技術(shù)含量很高，進口的轉(zhuǎn)換開關(guān)價值是我們克隆產(chǎn)品的35倍以上。為了保證流水線的運轉(zhuǎn)，需要儲備大量的轉(zhuǎn)換開關(guān)。常年更換轉(zhuǎn)換開關(guān)的代價太大，怎樣以國產(chǎn)件取代進口件的意義就顯得十分重要了。在轉(zhuǎn)換開關(guān)克隆的過程中，初期主要是圍繞著轉(zhuǎn)換開關(guān)注射成型變形的問題和縮痕等缺陷進行攻關(guān)。

1 轉(zhuǎn)換開關(guān)的大、小件的介紹

轉(zhuǎn)換開關(guān)的大件，如圖1(a)所示。小件，如圖1b所示。

1.1 克隆轉(zhuǎn)換開關(guān)的技術(shù)要求

（1）大、小件黏接面黏接后不能產(chǎn)生漏氣的現(xiàn)象。

（2）3×Φ6G6 mm孔和Φ14H7 mm 孔不能產(chǎn)生漏氣的現(xiàn)象。

（3）3×Φ1.8 mm的通氣孔不能產(chǎn)生串氣和堵氣的現(xiàn)象。

（4）黏接后的轉(zhuǎn)換開關(guān)應保持3個工作的大氣壓。

（5）要求克隆轉(zhuǎn)換開關(guān)與進口轉(zhuǎn)換開關(guān)能混合使用。

1.2 克隆轉(zhuǎn)換開關(guān)尺寸精度的要求

該兩個注塑件的造型不算復雜，大多數(shù)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(zhuǎn)換開關(guān)大、小件

2 轉(zhuǎn)換開關(guān)的用途和性能

機械手的任務就是要將流水線傳送帶上產(chǎn)品進行工序間的轉(zhuǎn)換，即產(chǎn)品要從已加工的工位上轉(zhuǎn)移到待加工的工位。轉(zhuǎn)換開關(guān)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(chǎn)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(chǎn)品放下來的一種轉(zhuǎn)換裝置。轉(zhuǎn)換開關(guān)組件，如圖2所示。

2.1 轉(zhuǎn)換開關(guān)的工作原理

轉(zhuǎn)換開關(guān)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(zhuǎn)軸為間隙配合，并以M8內(nèi)六角螺母與轉(zhuǎn)軸上的M8螺桿進行聯(lián)接與固定。 轉(zhuǎn)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(nèi)。而轉(zhuǎn)換開關(guān)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(zhuǎn)軸分別轉(zhuǎn)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(chǎn)品吸起來。當轉(zhuǎn)換開關(guān)與機械臂轉(zhuǎn)動26°時,單向閥的關(guān)閉使具有負氣壓的吸盤負壓消失而將產(chǎn)品放下，這便是轉(zhuǎn)換開關(guān)在機械手中的工作原理。

2.2 轉(zhuǎn)換開關(guān)的功能

圖 2 轉(zhuǎn)換開關(guān)組件圖

當裝在轉(zhuǎn)軸上轉(zhuǎn)換開關(guān)，在具有彈性的錐形插銷插入轉(zhuǎn)換開關(guān)三個不同的定位銷3的40°錐孔中擺動時, 轉(zhuǎn)換開關(guān)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?qū)⒇搲簹饬鞯那袚Q成開啟與關(guān)閉的兩種狀態(tài)。 轉(zhuǎn)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(guān)閉的兩種狀態(tài)。

轉(zhuǎn)換開關(guān)是和工業(yè)生產(chǎn)自動流水線上機械手，一同從德國進口， 轉(zhuǎn)換開關(guān)又是易損品。采購方提出國產(chǎn)化的轉(zhuǎn)換開關(guān)必須和進口的轉(zhuǎn)換開關(guān)能在同一臺設備上進行混裝。這樣，就要求國產(chǎn)化的轉(zhuǎn)換開關(guān)在形狀、尺寸、精度、表面粗糙度和性能都要與進口的轉(zhuǎn)換開關(guān)一致。換句話說，我們必須克隆出與進口的轉(zhuǎn)換開關(guān)完全一樣的轉(zhuǎn)換開關(guān)來, 采購方才會接納我們的轉(zhuǎn)換開關(guān)。仿制的轉(zhuǎn)換開關(guān)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(zhuǎn)換開關(guān)才可滿足樣品的性能。

2.3 轉(zhuǎn)換開關(guān)的技術(shù)要求

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

（1）轉(zhuǎn)換開關(guān)孔的精度和幾何精度要求特高，這就要求轉(zhuǎn)換開關(guān)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(zhuǎn)換開關(guān)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(xiàn)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(xiàn)象的存在。

（3）大件1和小件2的黏接面兩側(cè)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(nèi)，不能松動；

（5）轉(zhuǎn)換開關(guān)的外表面為亞光。

3 轉(zhuǎn)換開關(guān)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(zhuǎn)換開關(guān)所產(chǎn)生的變形、縮痕和銀紋等缺陷展開的，以選取適當?shù)乃芰掀贩N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(shù)和后處理為輔助的措施來實現(xiàn)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(zhuǎn)換開關(guān)是完全不能滿足其技術(shù)要求。不要說是確保轉(zhuǎn)換開關(guān)的精度和表面粗糙度的要求。就是注射出來的轉(zhuǎn)換開關(guān)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(shù)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(chǎn)生的縮痕深而未能獲得成功。

3.1 轉(zhuǎn)換開關(guān)樣件材料的確定

顯而易見，轉(zhuǎn)換開關(guān)大、小件變形和縮痕產(chǎn)生的原因，是注塑的材料選用不當所引起的。轉(zhuǎn)換開關(guān)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(xiàn)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(zhuǎn)換開關(guān)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(zhuǎn)換開關(guān)之后，便立竿見影，轉(zhuǎn)換開關(guān)大、小件的扭曲、變形和縮孔等現(xiàn)象沒有了。至此，轉(zhuǎn)換開關(guān)的研制取得突破性的進展。但是注射成型的轉(zhuǎn)換開關(guān)大、小件，仍存在著較大的縮痕和表面光亮的現(xiàn)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(zhuǎn)換開關(guān)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(shù)要求。

3.2.1 影響轉(zhuǎn)換開關(guān)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(shù)。

（3）注射成型后的冷卻校形和后處理等問題。

3.2.2 轉(zhuǎn)換開關(guān)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(zhuǎn)換開關(guān)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(wǎng)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(zhuǎn)換開關(guān)大、小件，其變形偏大、外表面光亮，易產(chǎn)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(zhuǎn)換開關(guān)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(chǎn)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(zhì)。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(zhuǎn)換開關(guān)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(chǎn)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(zhì)的要求，甚至優(yōu)于進口材質(zhì)的要求。注射成型的轉(zhuǎn)換開關(guān)大、小件，不論是精度、強度、變形量和外觀質(zhì)量都達到德國進口轉(zhuǎn)換開關(guān)的水平。因為塑材中含有30%的微粒玻璃珠，一是：材質(zhì)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(chǎn)品不易產(chǎn)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(zhuǎn)換開關(guān)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(xiàn)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(xiàn)象。

4.1 注射設備的選用

黏接后的轉(zhuǎn)換開關(guān)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(chǎn)生縮孔和變形及銀紋的現(xiàn)象，產(chǎn)生銀紋是因塑料潮濕所產(chǎn)生的。

4.2 注射工藝參數(shù)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(shù)也是在反復試驗后所獲得的。具體的注射參數(shù)如下：

注射參數(shù)：

（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(zhuǎn)換開關(guān)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(zhuǎn)換開關(guān)孔大、小件的收縮也是不一致的。于是，各孔便產(chǎn)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(nèi)部會產(chǎn)生很大的內(nèi)應力。在用速干膠黏接時，注塑件黏接面會產(chǎn)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(zhuǎn)換開關(guān)大、小件放進烘箱內(nèi)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(zhuǎn)換開關(guān)大、小件中的內(nèi)應力，注塑件便不會再出現(xiàn)裂紋的現(xiàn)象。

5 結(jié)束語

由于克隆轉(zhuǎn)換開關(guān)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(zhuǎn)換開關(guān)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(chǎn)生漏氣的現(xiàn)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(shù)為輔的方法，解決了克隆轉(zhuǎn)換開關(guān)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(zhuǎn)換開關(guān)大、小件產(chǎn)生銀紋的缺陷；通過克隆轉(zhuǎn)換開關(guān)大、小件的后處理的工藝，解決了克隆轉(zhuǎn)換開關(guān)大、小件產(chǎn)生的內(nèi)應力的問題。至此，克隆轉(zhuǎn)換開關(guān)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。