行列機生產高硼硅玻璃試劑瓶時模具的改進和優化

郭金波

（北京玻璃集團博美華科玻璃有限公司，北京 100062）

0 引言

在玻璃的機械成型中，行列機是最常見的設備之一。但由于高硼硅玻璃屬于PYREX玻璃，用行列機生產試劑瓶時料滴溫度高達1 360℃以上，成型溫度高，成型難度大，對生產工藝及模具的要求很高，在世界上只有德國、捷克等少數國家可以生產。

公司高硼硅玻璃試劑瓶采用四段單滴行列機，壓吹法生產。在試生產初期，從生產工藝到模具設計均借鑒行列機生產鈉鈣玻璃瓶罐的成熟方法。但在實際試制過程中發現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，嚴重影響產品質量，無法保證連續生產。主要原因有三點：一是成型工藝不當；二是模具材質的選擇和模具設計不合理；三是模具維修不到位。本文以選擇合適模具材質、提高模具的使用壽命和改進模具設計為主要內容，把具體工作中的一些經驗進行介紹。

1 模具材質的選擇

模具是行列機生產中關鍵部件，模具的質量直接影響產品外觀、生產效率和生產成本，因而模具材料的選用、模具間的配合公差、模具加工、維修和檢驗是確保模具質量與成型質量的重要措施。

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時間接觸，模具材料必須具備耐腐蝕性強、耐磨性好、材質致密、耐熱性及導熱性好、易于加工、成本適合等特點。

1.1 口模

口模是行列機成型口部用的模具部件，在試劑瓶生產時對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1 350℃左右時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℃）。在連續滴料30個之后的口模溫度就達到440℃，這時發生粘料現象造成無法打開，生產被迫停滯。

為使口模迅速降溫冷卻，保持連續生產，對模具材料和設計進行如下試驗改進：

（1）口模材質一是選擇熱傳導效果強于合金鑄鐵的材料-銅合金，其導熱系數為80 W/mK(鑄鐵只有50 W/mK)。

（2）根據高硼硅玻璃特性及本廠多年壓機生產經驗并借鑒德國肖特公司生產高硼硅玻璃模制瓶的經驗，口模材質選用耐熱不銹鋼材料。

（3）更改口模設計，在口模和口環上增加排氣孔及散熱槽，提高散熱效果。

（4）因試劑瓶的規格不同，將口模和口環的配合公差進行改進。

根據實際運行狀況、使用壽命和經濟性等方面的綜合考慮，口模的材質選定為銅合金為最佳，并且口模邊緣及內腔表面還要采用不同厚度的合金涂層，經此改進后的模具使用壽命提高了3～4倍。

1.2 口環

口環是行列機成型瓶罐口部之頂面的模具。因試劑瓶主要用于盛裝化學試劑，因此對口頂部是否平整有嚴格的密封要求，絕對不能有漏液現象。

因口環內腔接觸玻璃的面積較小，沒有對其進行材質的更換。但在運行24 h后，在口環內腔出現大量的微裂紋。通過增加口環內腔合金涂層的厚度，提高其耐熱和耐磨性能，有效地防止了裂紋出現，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變為具有固定幾何形狀制品的過程，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-吹成型中最為關鍵的模具。

在運行中，成型模和初型模在經受高溫玻璃料滴間歇性、頻繁性的沖擊下，模具內表面很易于出現磨損和變形，直接導致產品出現表面凹坑等缺陷，嚴重影響產品質量。但是如果完全采用合金鑄鐵材質，易出現成型模溫度偏低，將會使產品出現壁厚偏壁度差、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，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，因料滴溫度高，在連續運行24 h后，與玻璃料滴接觸的表面出現龜裂。

根據以上生產中發現的問題，結合根據高硼硅玻璃特性和高硼硅玻璃壓機經驗和國外的經驗，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全部更換成耐熱不銹鋼1Cr17Ni2。新材質的模具試制結果，不僅消除了表面凹坑，產品壁厚偏壁度好，產品表面光滑明亮，同時冷斑和底部龜裂等玻璃缺陷也相應減少，而且延長了模具的使用壽命，產品達到了標準要求。

2 模具設計的改進

試劑瓶是用于盛裝固態或液態試劑的專用瓶。與普通瓶罐不同的是不僅對玻璃的理化性能要求高，更對瓶口的密封、壁厚偏壁度和外觀質量也有嚴格的規定，因此對模具設計提出了更高的要求。

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

2.1 口模

口模采用銅合金材料后，雖然散熱效果強于合金鑄鐵和耐熱不銹鋼，運行時間數倍提高，但是口模溫度仍然過熱，如果散熱和冷卻設計再不合理，就會造成粘料或無法打開。

根據國內外的相關資料和試制經驗,為確保口模溫度分布均勻，對原設計進行了如下的改進：

（1）在與初型模的接觸面上增加15°斜度。在高溫運行條件下,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,還可有利于口環的散熱。

（3）增加散熱槽，擴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

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

對于壓-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部冷卻壓力外，通過分析沖頭芯的設計和計算散熱面積，發現存在問題，并采取了以下相應措施：

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

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

2.3 調整延伸間隙

當初型玻璃料泡放置入成型模內時，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過程中，針對出現的產品冷斑、壁厚偏壁度及底厚炸裂等缺陷，根據高硼硅玻璃的成型特性和試劑瓶的產品特點，結合機速把100 mL、250 ml、500 ml、1 000 mL 四個常用規格均采用不同的延伸間隙，重新設計初型模和沖頭長度，改進后產品合格率有了2～3倍的提升，效果明顯。

3 模具問題與產品缺陷的關系

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

在試劑瓶的生產過程中，針對出現的玻璃缺陷如冷斑、壁厚偏壁度等，對模具進行了調整，獲得了一些實際經驗。表1所列是高硼硅玻璃試劑瓶生產過程中各模具部件與玻璃缺陷的關系列表，根據表1更有利于發現問題及時采取糾正措施，消除產品缺陷。

表1 高硼硅試劑瓶產品模具問題與產品缺陷對應表

4 結論

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

（2）口環內腔增加合金涂層的厚度能有效地防止了裂紋出現，提升使用壽命；

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

（4）為保證口模和沖頭更好冷卻所采取的多項改進措施，經過生產實踐證明是切實有效的；

（5）高硼硅玻璃試劑瓶生產過程中要結合機速，不同規格采用不同延伸間隙，并需要重新設計初型模和沖頭長度，更有助于產品質量的提升。

（6）提高高硼硅玻璃試劑瓶產品質量及模具的使用壽命是一項綜合技術。它涉及到玻璃產品的設計、玻璃模具的設計與制造、玻璃模具的材料、玻璃模具的維護修理和檢驗，以及合理的生產操作使用，這都需要在生產實踐過程中不斷發現問題并逐一進行分析改進直至解決。