不同材質瓶蓋及夾具的夾持力選用研究

區煥財，區健彬，顏宇東

（廣東佛山聯創工程研究生院／ ／廣東順德工業設計研究院（廣東順德創新設計研究院），廣東佛山 528300）

0 引言

瓶類包裝是食品、藥品、化妝品等行業常用的包裝形式之一。瓶蓋具有保持產品密閉性能，還具有防盜開啟及安全性方面的功能，因此廣泛地應用在瓶裝產品上。在各類瓶裝包裝形式中，外蓋的旋入、旋緊是不可缺少的工序［1］。瓶蓋旋緊是常用的瓶裝密封形式，廣泛應用于醫療、食品、化妝用品等行業。瓶蓋的開啟扭矩是瓶裝的重要性能，是生產單位重點控制的工藝參數之一。日常生產中，瓶蓋的擰緊需要利用夾具對其進行夾持并鎖緊，瓶蓋的旋緊力矩要維持在一定的范圍。不同尺寸的瓶蓋，具有相應的旋緊扭矩標準，旋蓋的過松或過緊，都是需要避免的。

實踐應用時，由于瓶蓋的材質及表面紋路等的區別，常常需要在旋蓋裝置機構的末端選用不同材質和規格的介質，例如不銹鋼、尼龍、硅膠等材質，一方面為了順利完成瓶蓋的旋緊，且避免旋蓋的過緊或過松，另一方面，在持續性工作時，避免夾具的磨損失效或者瓶蓋夾持時對瓶蓋的磨損。但是日常生產中，瓶蓋旋合夾具的夾持力選用和生產線設備上擰蓋扭矩的設置缺乏不同材質瓶蓋和夾具對相關夾持力影響方面的理論性依據。

本文通過建立瓶蓋旋合模型，對其進行受力分析，根據分析不同材質瓶蓋和與瓶蓋接觸的夾具表面對瓶蓋旋合作業時所需要的夾持力影響，并以旋蓋機構中的三爪夾具為研究例子，計算出相應的夾持力值，選用合適的夾具，并歸納瓶蓋旋合生產時，夾持力的計算方法及夾具的選用技巧。

1 旋蓋裝置

傳統設計中的旋蓋方式一般為脹套式吹氣夾緊旋蓋、旋磁式旋蓋、機械手式夾緊旋蓋、混合式扭矩旋蓋等，其設計各有各的優缺點。一般瓶口封口裝置有摩擦帶式旋蓋裝置、壓頭式旋蓋裝置和夾頭式旋蓋裝置。摩擦帶式旋蓋裝置主要用于廣口玻璃瓶的旋蓋封口，如罐頭瓶的旋蓋封口。壓頭式旋蓋裝置主要用于塑料瓶防盜蓋的封口，如一些礦泉水、飲料的旋蓋封口。夾頭式旋蓋裝置主要用于對一些特殊的塑料瓶和玻璃瓶的旋蓋封口。夾頭式旋蓋裝置是包裝充填設備的核心裝置，它對提高灌裝和充填設備的效率起了很大的作用。

三爪式旋蓋機構是常用的旋蓋裝置，利用3 個機械手柄機構配合實現精確的恒力矩旋蓋，其設計的目的是兼容多種樣式和大小的瓶蓋。三爪式旋蓋裝置主要包含固定支架、氣爪、三爪機構、夾具、電機，氣缸等元器件，如圖1所示，下端利用氣爪夾持住瓶身，保持其固定位置，上端利用三爪機構上的夾具夾持著瓶蓋，對準下部的瓶身，上端的驅動電機帶動三爪機構進行旋轉運動，且帶動三爪夾具上的瓶蓋旋轉，從而旋合于底部的瓶身，實現旋蓋功能［2-6］。

圖1 旋蓋機構

2 旋蓋受力分析

旋蓋時受力分析如圖2所示，瓶身下端用氣爪固持住，上端的瓶蓋由于被夾具夾持著進行旋轉運動，會承受一個旋緊力矩，當進行旋蓋時，克服與瓶身的摩擦力，最終達到旋合的效果。市場上不同尺寸的瓶蓋，為了防止旋蓋過緊或過松問題，企業生產具有相應的旋緊扭矩標準規定，規格小于38 mm的瓶蓋扭矩力應在0.6～2.2 N·m，規格小于38 mm 且高度不大于12 mm的瓶蓋扭矩力應在0.4～2.2 N·m，規格38 mm及以上的瓶蓋扭矩力應在0.6～2.9 N·m范圍［7-8］。

圖2 瓶子受力分析

如圖3所示，夾具夾持著瓶蓋進行旋緊運動，根據牛頓第三定律，力的作用是相互的，在夾具與瓶蓋的接觸面間勢必存在摩擦力f，以防止夾具帶動瓶蓋旋緊時發生打滑現象，且該摩擦力所產生的反扭矩與旋蓋扭矩相等［9-10］。

圖3 瓶蓋受力分析

3 三爪夾具的選用

三爪夾具的選用主要由旋蓋的扭矩決定，即不同規格，不同材質的旋蓋所需要的三爪夾持力不同。針對塑料材質不同規格尺寸的瓶蓋，國內企業已有明確的扭矩標準。除此之外，三爪夾具的選用也與夾具材質有關。由上述受力分析，三爪夾具的公式推斷可得：

式中：Tp為瓶蓋的旋緊扭矩，N·m；Tf為摩擦力力矩，N·m；f為摩擦力，N；Fn為夾持正壓力，N；R 為瓶蓋的半徑，m；μ為摩擦因數［11-14］。

則有：

由上述公式推導可以看出，三爪的夾持力與夾具和瓶蓋之間的材質靜摩擦因數有很大的關系，針對同一款材質的瓶蓋，與瓶蓋接觸的夾具采用不一樣的材質，所需要的三爪夾具夾持力要求也不一樣。同理，同一款夾具材質，對于夾持不同材質的瓶蓋，所需要的旋合扭矩也不一樣。如果三爪夾具的夾持力選用過高，會對瓶蓋造成磨損或者瓶蓋旋合過緊的后果，如果三爪夾具的夾持力選用過小，便會產生夾具與瓶蓋之間打滑或旋合不緊的情況，因此有必要針對不同材質的瓶蓋和不同材質夾具，分析研究其對應所需要的夾持力，從而選用合適的三爪夾具。

4 不同材質瓶蓋和夾具的夾持力實例分析

常用夾具材料與瓶蓋材料之間的相互靜摩擦因數μ如表1所示，表中的因數為粗略估計，具體數值需要更明確的材料牌號確定。

表1 常用夾具材料與瓶蓋材料之間的靜摩擦因數μ

此處以直徑30 mm的瓶蓋進行分析，根據上述標準選取旋緊扭矩的值為1.5 N·m，按照上述公式及材料之間的靜摩擦因數μ值進行計算可以得出對應夾具的夾持正壓力如表2 所示，此處忽略瓶蓋的自身重量。由表可知：（1）同一種夾具材料，對于不同材質的瓶蓋進行夾持旋合，所需要三爪機構裝置提供的夾持力存在很大差異；（2）同一種瓶蓋材料，采用鋼或者工程塑料對其進行夾持旋合，所需要三爪機構裝置提供的夾持力相差很大；（3）對于鋼或者聚氯乙烯材質的瓶蓋，采用工程塑料作為夾具接觸材質，所需要的旋合扭矩較小，對于高密度聚乙烯和聚對苯二甲酸乙二醇，選用鋼作為夾具接觸材質，所需要的旋合扭矩較小。

表2 常用夾具材料與瓶蓋材料對應夾持力需求表

因此，在旋蓋應用中，選用三爪時，需充分考慮瓶蓋和瓶蓋接觸的夾具材質，才能合理確定所需要的夾持力。此外。實際應用時，三爪機構裝置的夾持力需要預留足夠的安全系數，避免不足以應對特殊的工作狀況。

實際應用時，夾爪數可以選取其他數值，例如二爪、四爪等。針對其他夾爪數的夾具，瓶蓋旋合時的夾持力分析計算依然可以沿用上述公式推導，夾具的選用推理依然合理。對于其他材質及其他規格的瓶蓋及夾具，夾具機構裝置的夾持力計算及選用如此類推。

5 瓶蓋旋緊注意事項

在生產的質量管理要求中，旋蓋的緊密程度往往被要求控制在最低值以上，在某些情況下，被要求控制在一個范圍內旋蓋的過松或過緊，都是需要避免的。在實際的操作過程中，瓶蓋旋緊操作應注意以下問題。

（1）在設備進行生產前，理應根據瓶蓋的尺寸規格、材質和夾具的材質，計算及選用合適的瓶蓋夾持力，選用合適的旋合夾具，并對旋合設備及旋合機構進行完善的參數設置，避免出現非必要的旋蓋過松或過緊情況。

（2）當瓶蓋與夾具上和瓶蓋的直接接觸的面相互靜摩擦因數μ ＞0.2時，為了安全，需按被夾持對象質量的10～20 倍的原則選定夾持力。對于大加速度與沖擊而言，必須預留更大的安全因數。

（3）選用夾具時，應根據夾具的夾持點限制范圍內選用夾持點。超過限制范圍時，夾爪會受到過大的力矩負荷作用，導致夾爪壽命縮短。在夾持點允許范圍內，盡量將配件設計為短而輕，當配件長而重時，夾爪開關時慣性力變大，使夾爪效能減低同時影響其使用壽命。

（4）必須定時對設備的旋蓋夾具進行檢查維護，對于存在磨損嚴重的情況，需要及時更換。

（5）對于醫療或者食品行業，夾具的選用要符合醫療或食品行業相關標準要求，防止產生產品的污染。

（6）生產線上的旋蓋設備，為了滿足旋蓋要求，有多種扭矩控制機構可選用，例如外靠摩擦輪形式、摩擦片扭矩限制機構和磁力扭矩限制結構等，不同的恒扭矩機構有各自的力學特性及優缺點，使用時可以根據實際情況選用。

（7）瓶蓋旋緊生產線正常使用時，可通過抽檢方式定時檢驗瓶蓋旋合的松緊程度，必要的時候可以在生產線上設計相關傳感器自動檢測產品的旋合效果。

6 結束語

隨著食品及醫療包裝行業的蓬勃發展，瓶蓋旋合的形式越來越常見，其封裝技術也越來越受重視。本文將理論與實踐經驗相結合，通過建立了旋蓋機構模型，對瓶蓋旋合模型進行了受力分析，研究了幾種不同材質瓶蓋和與瓶蓋接觸的夾具表面對瓶蓋旋合作業時所需要的夾持力影響，并以旋蓋機構中的三爪夾具為研究例子，計算出相應的夾持力值，選用合適的夾具，并歸納了瓶蓋旋合生產時，夾持力的計算方法及夾具的選用技巧，為目前針對瓶蓋旋合夾具尚無統一的夾持力選取標準的裝配行業提供一個較為可靠的參考方法，能夠提高旋蓋生產效率，延長夾具使用壽命，保證生產質量，保證產品密封性和防止瓶蓋過松或過緊問題。此外，本文還提出了多項瓶蓋旋緊注意事項，旨在為食品、醫療、化妝包裝行業的日常生產中，瓶蓋旋合操作提供重要參考意義或建議。

本文提供的數據僅限于所列出瓶蓋規格尺寸、材質及夾具材質，特殊規格尺寸和材質的選擇標準還有待進一步研究和探討，但其他規格和材質的瓶蓋和夾具同樣能運用本文的分析計算及推理方法。