小盒商標紙在線壓痕裝置的設計與應用

李宇飛，李建軍，盧良海，李歡，覃樹良，陳炎強，彭品，劉瑱

小盒商標紙在線壓痕裝置的設計與應用

李宇飛，李建軍*，盧良海，李歡，覃樹良，陳炎強，彭品，劉瑱

（廣西中煙工業有限責任公司柳州卷煙廠，廣西 柳州 545006）

解決中支雙鋁包小盒商標紙因模切壓痕不穩定出現的煙包小盒側邊彈開翻折、煙包變形等問題。設計小盒商標紙在線壓痕裝置，該裝置包括機架、傳動軸、輾送輪、壓痕件、導紙輪、對壓輪、壓痕避讓部和托紙輪，同時開展正交試驗，獲取壓痕件半徑、刃緣弧長和包裝機作業速度最佳參數組合。應用在線壓痕裝置后，小盒商標紙壓痕挺度的平均絕對誤差由6.0減小至1.9，次品煙包頻率由37.6包/班次降低至8.4包/班次，改進后比改進前降低了77.7%。設計的小盒商標紙在線壓痕裝置可使商標紙挺度處于適宜水平，降低了該類缺陷煙包頻率，提高了煙包包裝質量。該技術可為提高雙鋁包包裝機的產品質量、作業效率及穩定性提供支持。

小盒商標紙；壓痕裝置；包裝機；次品煙包；壓痕挺度

隨著卷煙產品包裝不斷走向高端化和精細化，各種異形包裝設計成為新的發展趨勢。YB418包裝機是卷煙企業常用的一款異形包裝機組，可用于雙鋁包設計等各種復雜卷煙的外包裝作業[1]。雙鋁包設計主要針對高端卷煙產品，其商標紙的設計大多采用特殊工藝，如透鏡定位復膜紙與絲網印刷雪花工藝、燙金文字微納壓紋工藝等，以體現高端產品的外觀特色，但對商標紙的上機適應性帶來一定的影響。在包裝過程中，產品的包裝質量主要受設備及材料特性的影響[2-5]較大，如受小盒商標紙模切壓痕不足、材料特性不穩定及設備結構改進不良等因素的影響，常出現煙包變形、煙包側邊彈開及襯紙翻折等現象，造成卷煙外觀質量問題，增加了輔材消耗，影響了設備作業效率[6-9]。針對此類現象，在相關研究中，主要通過增加上膠點位、限制商標紙漂移等措施進行改善[10-11]。蘇榮長[12]通過增加雙邊彈簧壓緊機構，實現煙包的穩定輸送以減少煙包變形?；⒑炅諿13]通過優化商標紙上膠輸送結構，改善上膠點位效果，降低了因商標紙上膠效果欠佳而導致的煙包缺陷。張成鵬等[14]通過增加商標紙導向滾壓裝置，改善商標紙輸送功能，減少了商標紙輸送不平穩導致的故障停機次數與煙包缺陷。上述研究中，增加商標紙上膠點位可導致膠水的消耗增加及易引發煙包膠水溢出等問題，而加裝導向滾壓裝置則是通過改善輸送功能減少卡紙導致的停機次數與煙包缺陷，針對煙包變形、側邊彈開及襯紙翻折等問題作用有限。謝長芹等[15]發現影響上機適應性的材料因素主要有商標紙的挺度、靜摩擦因數與動摩擦因數，但針對商標紙壓痕挺度問題導致的煙包側彈開、煙包變形等方面的研究較少。

綜上所述，本文基于商標紙的材料特性開展研究。通過設計一種在線壓痕裝置對商標紙折疊沿線進行刻痕加深，使其壓痕挺度處于適宜區間，保持穩定的預折疊姿態，提高后續包裝成型過程中的平順性及上膠質量，從而保障卷煙產品質量，提升設備運行效率。

1 商標紙壓在線痕裝置的設計

1.1 結構組成

采用三維設計軟件對商標紙在線壓痕裝置的相關零部件進行三維建模及虛擬裝配。商標紙在線壓痕裝置主要由機架、傳動軸、輾送輪、壓痕件、導紙輪、對壓輪、壓痕避讓部和托紙輪等部件組成，如圖1所示。

在圖1中，兩側機架（包裝機基體）對壓痕裝置進行支撐固定，軸承嵌入機架內部，用于限制傳動軸Ⅰ和傳動軸Ⅱ的軸向和徑向移動。輾送輪、導紙輪固定于傳動軸Ⅰ上，對壓輪、托紙輪固定于傳動軸Ⅱ上，兩傳動軸由包裝機伺服電機提供動力進行相對轉動。

1.機架；2.傳動軸Ⅰ；3.輾送輪；4.導紙輪；5.壓痕件； 6.軸承；7.傳動軸Ⅱ；8.對壓輪；9.壓痕避讓部；10.托紙輪。

1.2 工作原理

壓痕裝置對商標紙的壓痕作用如圖2所示。商標紙1通過前序傳送機構進入輾送輪3上的壓痕件2與對壓輪4上的壓痕避讓部5所處的間隙中，該間隙略小于小盒商標紙厚度。壓痕件外周呈圓弧狀刃緣，壓痕避讓部側端面為5（邊長）×45°（倒角），兩者的相互作用可對商標紙原有的折疊沿線進行壓痕加深，從而改變其壓痕挺度，使商標紙具有一定的內應力保持較好的預折疊姿態及穩定性。避免在后續折疊成型時產生因膠水吸附效果不良導致的煙包散開問題，同時也可避免在包裝環節完成后出現商標紙重新彈開的現象，有效地降低了煙包包裝過程出現襯紙翻折、煙包變形等現象的頻次；壓痕件與壓痕避讓部相對轉動時，兩部件與商標紙間的摩擦力可將商標紙有效地進行下一步傳送，但壓痕部位與商標紙長期的摩擦作用易引起壓痕部件的磨損，使得傳送通道間隙變大，導致作用力不足引起商標壓痕淺、傳送效果受到影響。為避免該情況，在壓痕件上增加滑槽結構，使其可通過松動滑槽機構上的鎖緊螺釘對通道間隙大小進行調節，以保證裝置的正常運行。

圖3 壓痕點位

2 參數設計

2.1 參數選擇

結合壓痕裝置工作原理可知，通過調整壓痕件的徑向位置，可實現商標紙痕深的調整，減小折疊沿線的挺度偏差。影響壓痕挺度的因素主要有：壓痕件的半徑、壓痕件邊緣刃的弧長及包裝機的作業速度。壓痕件伸出半徑越大，導致壓痕件與壓痕避讓部之間的商標紙傳送通道間隙越小，商標紙的痕深越大，挺度隨之變??；壓痕件邊緣刃弧長越大，壓痕線越長，壓痕挺度也隨之變化；包裝機的作業速度越大，壓痕結構對壓痕點位的作用時間變短，而商標紙自身材質具有一定的彈性，此時痕深未定形，會造成痕深一定程度的復位。由此可知在本試驗中，影響壓痕挺度的因素主要是壓痕件的半徑（mm）、壓痕件邊緣刃的弧長（mm）、包裝機的作業速度（包/min）3個因素。因小盒商標紙材料在3、4位點的模切長度最大值為24 mm，所以壓痕件緣刃的弧長最大值選擇為24 mm，YB418包裝機的額定作業速度為200包/min。根據預試驗結果與實際情況，設計試驗因素水平如表1所示。

2.2 正交試驗設計

根據三因素三水平的正交表L9(33)設計正交試驗，具體試驗方案如表2所示。按照方案依次對YB418雙鋁包裝機進行試驗，每種方案測試時間持續1 h并重復進行3次。收集統計每種試驗方案在規定時長內產生的缺陷產品數量，并計算出現該類產品的平均頻次。

表1 因素水平

Tab.1 Levels of factors

由表2可知，因子影響從大到小為、、；最佳組合為332。

2.3 試驗結果分析

試驗結果如表2所示，Delta反映了該因子對結果影響的大小[16-19]。實際生產中，影響煙包變形、側邊彈開、翻折現象頻次的原因復雜。試驗中，上膠點位和包裝原輔材料保持不變的情況下，機器運行速度過高，商標紙與膠水接觸時間短，兩者不易黏接且商標紙易反彈。壓痕刃緣弧長與壓痕半徑分別影響商標紙的刻痕長度與深度，刻痕長度與深度的值越大，商標紙保持預折疊姿態的穩定性越佳。由表2可知，壓痕件刃緣弧長（因素B）對煙包缺陷頻次的影響最大，其次是壓痕件半徑，包裝機運行速度對煙包缺陷頻次的影響最小。最佳參數組合為332，即壓痕件半徑為71.3mm、壓痕件刃緣弧長為24 mm、包裝機運轉速度為180包/min時，單位小時內出現缺陷煙包的頻次最少。進一步分析可知，壓痕件刃緣和半徑增大，小盒商標紙壓痕位點能具有較長、較深的壓痕，使其具備較好的挺度標準，以保持良好的預折疊姿態，最終達到減少缺陷煙包頻次的目的。

表2 煙包次品出現頻次試驗

Tab.2 Test on frequency of defective cigarette packs

注：Delta表示每個因子的最大平均響應值和最小平均響應值之差。

圖4表明，缺陷煙包頻次隨著壓痕件半徑、壓痕件緣刃的弧長的增大逐漸減小，隨著包裝機的作業速度的增大先減小后增大，在包裝機速度為180包/min時最小。由于雙鋁包小盒在3、4位點模切長度的最大值為24 mm，因此壓痕件緣刃的弧長的最大水平即為最優水平。隨著壓痕件半徑的增大，煙包變形、側邊彈開、襯紙翻折頻次減小的趨勢逐漸變緩，可在壓痕件緣刃的弧長為24 mm、包裝機的作業速度為180包/min的基礎上增加驗證試驗，確定壓痕件半徑的最優水平。

3 應用效果

3.1 試驗設計

主要材料：真龍某牌號卷煙，廣西中煙工業有限責任公司柳州卷煙廠；小盒商標紙，浙江美濃世紀集團有限公司生產，根據卷煙盒包裝印刷品檢驗方法[20]，商標厚度為（0.3±015）mm，壓痕挺度為（55±7）g。

主要設備：YB418雙鋁包包裝機，上海煙草機械有限責任公司；商標紙在線壓痕裝置，自設計。

試驗：設定YB418雙鋁包包裝機的生產速度為180包/min，每個工作日運行8 h；改進后裝置參數取試驗中的最佳組合，收集統計機組設備改進前后各5個班次小盒商標紙的壓痕挺度、平均絕對誤差以及出現的缺陷煙包數量，并求其相應平均值。

3.2 數據分析

商標紙在線壓痕裝置安裝前后出現缺陷煙包數量對比如表3所示。由表3可知，裝置改進前后，小盒商標紙壓痕挺度的平均絕對誤差由6.0減小至1.9，有效地解決了模切痕深不足、壓痕挺度不穩定等問題，同時缺陷煙包頻率由37.6包/班次降低至8.4包/班次，改進后比改進前下降了77.7%。

表4為在線商標紙壓痕裝置應用前后商標紙壓痕挺度與缺陷煙包數量單因素方差分析結果。其中壓痕位1、2、3處的壓痕挺度以及缺陷煙包數量存在極顯著的差異（≤0.01），壓痕位4處的壓痕挺度存在顯著差異（0.01＜＜0.05），表明所設計的小盒商標紙在線壓痕裝置可以有效地改善小盒商標壓痕挺度的穩定性，降低缺陷產品頻次，提高設備生產效率。但可能由于小盒商標紙厚度不均勻，導致商標紙壓痕裝置對不同壓痕位壓痕挺度的影響效果不同，后續有必要對小盒商標紙厚度對壓痕挺度的影響規律開展相關研究。

圖4 因素水平均值

表3 安裝商標紙壓痕裝置前后商標紙壓痕挺度，以及變形、側邊彈開、襯紙翻折煙包數量對比

Tab.3 Comparison of stiffness, deformation, side bounce, and number of folded cigarette packs before and after installing the trademark paper indenting device

表4 壓痕裝置安裝前后商標紙壓痕挺度，以及變形、側邊彈開、襯紙翻折煙包數量差異性分析

Tab.4 Analysis of differences in stiffness, deformation, side bounce and number of folded cigarette packs before and after installing the trademark paper indenting device

4 結語

針對小盒商標紙模切壓痕挺度不穩定引起的產品質量缺陷、設備作業效率降低、輔材消耗增大等問題，設計了商標紙在線壓痕裝置。通過對商標紙模切線再次壓痕，改變商標紙的壓痕挺度，使之保持較佳的預折疊狀態進行包裝成型。以柳州卷煙廠YB418雙鋁包包裝機、“真龍某牌號”卷煙商標紙作為測試設備和材料進行試驗。結果表明，安裝商標紙在線壓痕裝置后，缺陷煙包頻率由37.6包/班次降低至8.4包/班次，頻率降低了77.7%。該技術方案可為提高同類雙鋁包包裝機的作業效率及穩定性提供支持。

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Design and Application of Online Indenting Device for Small Box Label Paper

LI Yufei,LI Jianjun*, LU Lianghai,LI Huan,QIN Shuliang,CHEN Yanqiang, PENG Pin,LIU Zhen

(Liuzhou Cigarette Factory, Guangxi China Tobacco Industry Co., Ltd., Guangxi Liuzhou 545006, China)

The work aims to solve the problems that the side of the small box of cigarette packs pops open and folds, and the cigarette packs are deformed due to insufficient die-cutting and indentation on the trademark paper of the small double-aluminum pack. An online indenting device for small box label paper was designed. The device included a frame, transmission shaft, a rolling wheel, a indenting piece, a paper guide wheel, a counter-pressing wheel, a indenting avoiding part and a paper supporting wheel. At the same time, an orthogonal test was carried out to obtain the optimal parameter combination of the radius of the indented part, the arc length of the blade edge and the operating speed of the packaging machine. After the indenting device was improved, the average absolute error in indentation stiffness of small box label paper was reduced from 6.0 to 1.9, and the frequency of defective cigarette packs was reduced from 37.6 packs/shift to 8.4 packs/shift, which was a 77.7% reduction from the original one. The designed online indenting device for small boxes of trademark paper can keep the stiffness of the trademark paper at an appropriate level, reduce the frequency of such defective cigarette packs, and improve the packaging quality of cigarette packs. This technology can provide support for improving the product quality, operating efficiency and stability of the double-aluminum bag packaging machine.

small box trademark paper; indenting device; packaging machine; defective cigarette packs; indentation stiffness

TB486

A

1001-3563(2024)05-0151-06

10.19554/j.cnki.1001-3563.2024.05.018

2023-07-31

廣西壯族自治區工業和信息化廳技術創新項目（桂工信園區〔2023〕161號）