全自动平压平模切机的

制造技术和发展趋势

Geng Wushuai1,a, Qi Yuansheng1,2,b, Xue Chaozhi1, Zhang Wei1

1. School of Information amp; Mechanical Engineering, Beijing Institute of Graphic Communication, Beijing, 102600, China

2. Green Printing and Packaging Industry Institute of Technology, Beijing Institute of Graphic Communication, Beijing,

102600, China

1. Email: gengwushuai@163.com, b. yuansheng-qi@bigc.edu.cn

关键词：模切机; 设计方法;制造技术; 趋势

摘要：

近年来，随着包装行业的快速发展，模切技术和模切机的性能要求越来越高，越来越被业界关注。通过比较国内外模切技术情况，从设计方法分析了其与国内机器的差异，提出了数字设计和虚拟原型设计，以弥补这些缺陷。 通过对国内模切机制造工艺和技术的调查分析，以关键零部件加工为例，阐述了模切机制造技术现状，在相关专利技术和市场调研的基础上，研制了模切机的发展趋势 列出了切割设备及其带来的几个新问题。

1.介绍

近年来，随着包装行业的快速发展和印后加工要求的增高，冲切设备需要达到数量和质量的要求。切割质量会直接影响市场上的产品形象，所以在传统模切技术的基础上掌握新的模切技术可以有效提升印刷企业的市场竞争力，也有助于推动模切技术的发展[1]。在很多印后加工机械中，模切技术已经达到较高水平，但不可否认的是与国外模切机设计制造技术相比仍然存在差异。在这种情况的基础上，通过比较国内外切割机制造企业，分析模切机的设计和制造工艺，总结了国产模切机的缺陷和优点。

2.模切机的设计制造技术

2.1全自动平面模切机的现状

全自动平面切割技术达到了所有印后装备最高水平。无论是在速度还是精度方面，与国外先进技术的差距很小。经过几十年的发展，我国的全自动平面模切机已经形成了完整的产品体系。许多公司，如尚海雅华，唐山玉贤，田金昌荣，海何胜利，可以生产从800mm到1050mm的不同规格的模切机。这些机器的额定工作速度可以达到7500到8000张每小时，精度可达0.1mm。近年来，模切机的发展速度非常快。2011年四月份，在第二届国际印刷技术中国（广东）展览会上，每个公司都拿出最好的技术和最新的机器参展田金昌荣展示了新型的切割机（MK21060SER）完成冲切，冲压，废料处理的过程。该机器包括一个切割单元和一个冲压单元。第一步是完成冲压，然后再次定位纸张进行模切工艺最后一步是完成废物排放和填充来组成最终产品。你可以使用一个机器完成以前需要两个或更多机器的工作。这将节省很多半成品之间的切换时间和人力资源，所以可以提高工作效率。这台机器达到我国模切机的最高水平。国外机的切割速度可达9000每小时，精度可达0.6-0.8mm，同时机器的稳定性比国内模切机好。BOBST是全世界最好的全自动平面切割机生产公司。BOBST的技术也是最先进的。从1940年第一次生产全自动模切机以来[2]，几乎所有的模切机都有双肘杆机构（参见：图1）作为驱动器。 BOBST破除陈规设计了以凸轮作为驱动机构新型模切机。由于凸轮机构的优点，模切机的切割速度和精度被大大改善。

近几年来，一些大学的研究人员还对凸轮驱动机制进行了研究，并取得了一些成果[3]（参见图2）。在第二届中国国际印刷技术展览会（广东）上， 切割机（EXPERTCUT）由凸轮机构驱动。 本机的切割速度可达9000张/小时。 机器的稳定性非常好，噪音和振动大大降低。 这款切割机的技术已经达到世界最高水平。

2.2模切机的设计

关于模切机的设计，国内外机器之间存在着巨大的差距。设计的方法和过程是不同的。在国外，设计人员使用完善的现代设计方法，如系统设计与系统设计方法的集成，通过计算机辅助设计方法创建虚拟样机，利用可靠性设计方法测试系统关键部件的稳定性，分析应力和有限元法等关键部件的应变（如墙壁，连杆等）[4]。它可以通过使用这些现代设计方法实现数字产品的设计。模切机的数字化设计过程包括以下几个阶段：

1. 市场研究：收集模切机的新要求以及在切割机使用过程中暴露的问题;

（2）确定设计的参数和要求，包括新功能和旧机器的优化;

（3）完成产品的规划设计和确定整体方案;

（4）技术设计：分析机器的每一部分，以确定是否能够通过一系列数字设计方法达到预期的技术要求;

（5）施工设计：建立原型验证设计的合理性，然后将结果反馈来优化设计过程。

虽然近年来国内模切机技术和产品自主研发的企业逐渐增加，但是整体上还缺乏系统设计理论，设计过程主要是模仿国外先进机型。国内企业缺乏自主创新设计，与国外凸轮驱动机制的创新设计存在较大差距。目前，国产模切机的制造首先复制了国外先进模式，然后根据市场需求和技术状况限制改进原模型，以满足国内市场的需要。这个设计制造过程受制于国外技术，由于国内制造业水平低，仿制品的可靠性和准确性将会丧失，这也导致国内模切水平只能跟随国外先进技术而不能超越的情况。至今，自动模切机在我国已有70多年的历史，但设计方法和设计理论几乎没有变化。二十世纪以来，设计师采用了经验与理论相结合的设计方法。人们根据类似的机制和设计师的经验设计了模切机。这种方法是基于静态计算和经典力学。计算方法及其使用的参考数据强调了经验总结。使用这种方法的设计机器大都非常相似。他们有一些不合理的设计，更多的计算错误，废料和风险。

随着计算机技术的飞速发展，现代设计方法越来越多，人们越来越认识到数字设计和制造方法已成为必要。以下是切割机设计的数字化设计过程：

（1）进行市场调查，确定需要实现的运动参数和性能参数，提出明确的设计要求。

（2）确定构建虚拟原型的整体程序使用自顶向下的设计方法建立3D虚拟样机，为机制优化，运动学和动力学奠定基础。

（3）设计优化。

使用优化方法对虚拟样机进行动力学模拟分析，分析各部分的各种运动部件的位移，速度，加速度曲线和力曲线，以确定其运动是否符合其计划要求[2] [5]。在分析研究运动规律和工作周期后，系统设计参数不断修改，系统的动态特性反复进行预测[6]，直到找到最佳设计。

（4）关键部件有限元分析和动态分析利用有限元法完成系统的动态设计，检查关键系统部件，特别是易损件的应力应变条件。避免由不合理的材料或结构造成的机器故障，造成不必要的损失。对墙进行模态分析，确定固有频率和振动模式，防止工作中的共振。

（5）可靠性分析。

通过可靠性设计方法分析设计方案的机械强度，疲劳强度和系统的可靠性[7]。

（6）制造物理样品。

检查设计方案和反馈相关信息的合理性，设计阶段，以达到更优化的设计方案。

1. 批量生产

2.3模切机的制造工艺。

机器零件的精度与机器的稳定性和切割精度密切相关，因此机械加工技术的水平直接影响机器的性能。 现在大多数企业都在使用旧机械加工设备如车床，铣床等。 这种现象会导致部件精度偏低，装配阶段会出现许多问题。 另外，由于工人技术水平有限，所以零件加工和组装工作中非标准操作造成的误差将不断积累，最终影响机器的性能。 根据企业对模切机的调查分析，以一些关键部件的制作过程为例，阐述了模切制造技术的现状。

分析原材料是了解切割机的制造工艺的第一步。作为技术限制，不同企业生产的钢的性能不同。这将影响切割机中关键部件的性能。例如，一些模切机具有压力测试装置，其原理是力使钢变形。这种方法在理论上是可行的，但这是一种间接测量方法，因此钢的不同性能将对结果产生巨大的影响。如果发生这种情况，显示的工作压力意义将变小。企业应重视原材料的采购来解决这个问题。随着国内钢铁行业的发展，这种现象也将进一步改善。现在，大多数国产模切机制造商机械零件的制造是粗糙的。他们忽视了对加工的研究。合理的操作过程和操作方法可以指导员工处理高精度的机械部件。如果处理技术不完善，员工将按照自己的意愿进行处理，造成不必要的错误，影响产品的精确性。标准加工过程包括多项技术要求。例如，每个部分的基准平面将在处理时间的第一步中处理，以便为随后的处理操作提供依据。找到制作机器零件表面的最佳顺序，以减少夹紧部件的数量，以避免由于过多的夹紧引起的误差累积和时间损失。向主要工艺提出技术要求和试验方法，以确保零件的精度。企业将按照越来越高的社会要求，对加工技术规范进行改进。在模切机组装过程中，曲轴和连杆组件的质量将影响切割性能。以曲轴和连杆组件为例来说明模切机组装过程的状况。接触配合是模切组件过程中的关键部分，例如曲轴和连杆，连接件和铰链，肘杆和铰链之间的接触配合。在组装过程之前，必须做一些工作。用刮刀刮擦接触区域的凸起部分，直到实际接触面积达到总面积的80％以上并均匀分布。这部分工作需要一次又一次地刮擦接触区域。以连接抢断为例，熟练地工作人员可以在一小时内完成（参见图3），但不熟练的工人可能需要一两天的时间。另一方面，低制造精度也导致这一部分工作变得更加困难。这些原因导致了这一部分组装工作将花费大量的时间和人力资源。另外还有一些直接或间接影响机器性能的问题。例如，有暴力组装的现象;一些阶段的验收不严格。

3切割技术的趋势。

我国模切设备的技术和产业化水平已达到较高水平。统计数据显示，国家模切机进口量下降，出口额有所增加。各种切割机涵盖国内包装行业的需求。随着包装行业的快速发展和企业规模的不断扩大，全自动平面切模机市场将不断扩大。

从切割机，进料器，模切，收集和废物排放的自主知识产权出发，涉及到大量的专利技术。关于平面切割机的技术难点，独立专利技术和知识产权也存在，如凸轮间歇机构，进料器[8]和链条导轨。为我国自主创新奠定了基础。与印刷技术相比，模切技术相对落后。作为印刷设备，模切机无法实现数字控制。例如，机械装置一直用于调节切割压力（参见图4），但是这种调节方法无法实现精确的压力调节，并且工作压力不能实时显示。如果可以实现切割机的数字控制，这个问题将得到解决。随着人力资源成本的不断提高，减少运营辅助时间成为企业的追求。实现自动化，智能化，数字化已成为模切设备发展的必然趋势。

随着模切设备的市场需求越来越高，国内大型打印机的使用越来越多，切割设备应进一步发展大型化。目前，一些国内公司可以生产的切割机的格式是1450mm，但是这个规格的机器非常少。为了提高匹配高速冲压机的压后加工效率，单元式模切机和冲压机引起了人们的关注。中国已有模切机和冲压机。一般来说，大多数企业生产的模切机具有废料排放单元和全排污单元。单位型模切设备无疑将越来越广泛地应用。另外，随着产品的多样性，在线切割，激光切割，磁切割，卷纸切割也将占据越来越多的市场份额[9]。

4 结论

通过国内外模切技术的研发，总结了国产切割机的现状，发展趋势和缺陷。 模切机的设计应广泛应用数字设计方法，制造过程应加以完善。如果设计和制造的短缺可以得到弥补，模切机的性能将会更好，与国外的差距会变小。

致谢

基金项目：北京图形科学研究院科研项目（编号：23190111042）

参考文献

[1]Tang wen-jie.The status of the development of die-cutting machine[J].print world,2009.

[2]Chai san-zhong.Kinenatics characteristics analysis and optimu m design of main die-cutting machainism of automaitc die -cutting machine[D].xirsquo;an:xirsquo;an university of technology,2006.

[3]Chen kai.Research on the conjugate cam-driving mechanism of the die-cutting machinersquo;s moving platform[D].xirsquo;an: xirsquo;an university of technology,2009.

[4]Xu man, Ding yi.Structure property analysis and optimal design of die-cutting machines housing based on ANSYS[J].Packing Engineering,2010.

[5]Li fa -zhan,Lu zhang-ping.Characteristic analysis of the elbow-bar mechanism of die-cutting machine based on ADAMS[J]. Packing Engineering,2010.

[6]Zhao xin-lei:Research on techinque of improving dynamic performance of die-cutting machine[D].Qingdao:Ocean university of china,2008.

[7]Wang xi-zhen:Precision analysis and reliabilit

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