一种纸板冲压成形装置及方法

技术领域

本发明涉及纸材料冲压成形设备技术领域，具体涉及一种纸板冲压成形装置及方法。

背景技术

相较于传统的塑料制品容器，纸基材料制作的如纸杯、纸盘、纸碗等纸容器具有低成本、高环境友好性、良好的可持续性等特点，尤其是在容器大量使用的包装领域。目前市面上的纸容器制造方法多采用两片式粘结成形，或使用纸浆模塑成形，这两种生产工艺都较为成熟。但两片式粘结成形存在废料较多的缺陷，且在粘接区域容易产生液体渗漏。纸浆模塑成形的生产效率较低，且存在烘干过程中能耗过高等问题。

通过冲压成形的方式能够实现无缝隙纸容器的制造，目前进行冲压成形生产多集中于单层纸板，生产效率较低；另外，与延展性较高的金属材料不同，纸基材料的塑性性能较低，变形能力与可成形性都较差，因此，通过冲压成形的方式只能生产深度较小的纸盘类容器，而对于纸杯、纸碗、深纸盘等深度较大的容器，受限于其变形性能，容易在冲压过程中导致纸基材料的撕裂，难以成批量制造出深度较大的无缝隙容器。同时，在多层纸板冲压成形过程中，与模具接触位置的纸板在成形过程中容易出现裂纹、破损等缺陷，限制了纸板的变形量，不仅难以增加纸容器的成形深度，还影响了纸容器的成形质量和效率。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种纸板冲压成形装置及方法，通过使纸板进行两次相反方向的变形，发挥纸板全区域变形能力，提高纸板的可变形量，减少成形过程中的裂纹、破损等问题，提高纸容器的成形深度。

本发明的第一目的是提供一种纸板冲压成形装置，采用以下方案：

包括凸模和施压组件，施压组件通过流体介质作用于纸板；在凸模对纸板冲压成形前，施压组件使纸板预变形，且预变形的方向与冲压变形的方向相反。

进一步地，所述施压组件包括施压腔，施压腔开口朝向凸模，流体介质填充施压腔并形成用于接触纸板的预作用面。

进一步地，所述施压组件还包括调节机构，调节机构连接施压腔，以改变施压组件作用于纸板的压力、温度和/或湿度。

进一步地，所述施压组件与凸模作用于纸板的异侧。

进一步地，还包括夹具和凹模，夹具安装于凹模，夹具上设有用于夹持纸板边沿的夹持部，多层纸板沿厚度方向上依次交错叠放。

本发明的第二目的是提供一种纸板冲压成形方法，包括：

夹持纸板边沿，对纸板施加预作用力，使纸板产生与冲压变形相反方向的预变形；

保持预作用力，对纸板进行冲压，克服预作用力使纸板产生冲压变形。

进一步地，沿纸板厚度方向上，将多层纸板依次交错叠放，叠放后的纸板共同变形。

进一步地，施加预作用力时，控制作用于纸板的压力、温度和/或湿度。

进一步地，通过预作用力使纸板产生塑性变形，对纸板在预作用力和冲压作用下进行第一变形过程，然后调节预作用力，继续冲压进行第二变形过程，冲压压力使纸板产生塑性变形。

进一步地，调节纸板边沿夹持区域的温度，在冲压成形后，利用预作用力进行脱模。

与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：

(1)针对目前纸板成形纸容器受限于纸板变形能力导致成形深度难以满足需求的问题，通过使纸板进行两次相反方向的变形，发挥纸板全区域变形能力，提高纸板的可变形量，减少成形过程中的裂纹、破损等问题，提高纸容器的成形深度。

(2)施压组件能够通过流体介质作用于纸板，使得纸板能够朝向冲压成形的反方向产生塑性胀形，充分发挥出纸板中心区域的变形能力，同时在凸模冲压过程中，使纸板产生拉深成形，进一步发挥纸板中心区域之外的周边区域的变形能力，提高纸容器在冲压成形时的变形能力。

(3)利用流体介质作用于纸板，能够稳定施加预作用力，同时，能够避免刚体接触纸板的摩擦作用限制纸板在纸面方向的流动，流体介质通过对纸板施加预作用力能够使纸板中心区域充分变形，在冲压成形过程中，利用流体介质保持一定的与冲压变形方向相反的预作用力，在中心区域受冲压力时，预作用力带动纸板周边区域进行变形，进一步提高其变形量，满足成形的深度需求。

(4)在凸模下移过程中，施压组件提供背压，使纸板紧紧贴合在凸模上，既能有效防止成形过程中纸板滑动造成破裂，进一步提高变形能力，又能通过凸模更加精确地保证成形件的形状。

(5)将多层纸板的纵向和横向交错排列叠放，在变形过程中各层纸板相互制约，使每一层各向异性的纸板，在叠放后近似表现为各向同性，利于提高成形深度和成形质量，解决了单层纸板非常脆弱并在大变形时容易破损的问题，也解决了单层纸板与压缩空气直接接触时容易渗透的问题，同时也解决了凸模下移时的背压问题。

(6)通过施压组件对纸板成形时的压力、温度、湿度条件中的一项或多项进行控制，调节纸板温度和湿度利于改善纸板塑性，特别是最易产生破裂的最下层纸板的塑性，使其整体保持良好的可变形能力。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例1或2中对纸板施加预作用力时的示意图。

图2为本发明实施例1或2中预作用力与冲压力同时作用纸板时的示意图。

图3为本发明实施例1或2中纸板冲压成形过程的示意图。

图中，1.凸模；2.夹具；3.纸板；4.施压组件；5.凹模。

具体实施方式

实施例1

本发明的一个典型实施例中，如图1-图3所示，给出一种纸板冲压成形装置。

如图1所示纸板冲压成形装置，用于对纸基材料进行冲压成形获取纸容器，尤其是对于纸板3进行冲压成形，通过使纸板3进行两次相反方向的变形，发挥纸板3全区域变形能力，提高纸板3的可变形量，减少成形过程中的裂纹、破损等问题，提高纸容器的成形深度。

纸板冲压成形装置主要包括用于提供冲压作用的冲压元件和用于提供预变形作用的施压组件4，在对纸板3进行冲压成形前，先通过施压组件4对纸板3施加压力，使得纸板3产生预变形，且该预变形的方向与所需的冲压成形方向相反，然后利用施压组件4对纸板3维持一定作用下，冲压元件对纸板3进行冲压使纸板3发生冲压变形，使纸板3的变形量增加并满足成形后获取纸容器的深度需求。

对于冲压元件，可以选用凸模1，也可以采用凸模1配合凹模5的结构。凸模1可以配置为所需成形纸容器的内部结构，在施压元件作用下，纸容器外部接受流体介质压力，内部接受凸模1压力作用，从而实现对纸板3的成形。

结合图1、图2，施压组件4包括施压腔，施压腔开口朝向凸模1，流体介质填充施压腔并形成用于接触纸板3的预作用面。

对于施压组件4，其施压腔可以通过设置容器提供，也可以通过外部结构来形成，比如图1中的凹模5形成的空心凹陷区域可以作为施压腔；施压腔连通流体介质供应元件，可以通过流体介质泵结合管道的方式来进行输送，将流体介质充入施压腔内，纸板3一侧朝向施压腔开口，纸板3接受施压腔内填充流体介质的压力作用。

通过改变施压腔内的流体介质的体积，可以对纸板3施加作用力，调节流体介质的压力改变对纸板3施加的预作用力，调节纸板3的预变形状态，如图1所示，通过向施压腔内充入流体介质使纸板3产生与冲压方向相反的塑性胀形。

需要特别指出的是，流体介质可以采用空气，通过向施压腔内充入空气作为流体介质，压缩空气作用于纸板3使纸板3预变形；由于部分纸容器需要盛放液体或固液混合态的物品，会采用不易被液体浸湿的纸板3材料，此时流体介质也可以采用不损伤纸板3的液体，比如水等。

当然，可以理解的是，为了避免纸板3成形时受到流体介质的影响，也可以在纸板3与施压腔之间设置薄膜材料进行隔离，薄膜材料能够随纸板3产生变形，同时不会限制纸板3的变形，此时可以采用便于控制压力的油等有机流体介质或水等无机流体介质，来实现纸板3的预变形。

在本实施例中，以空气作为流体介质为例进行介绍。施压组件4通过空气对纸板3施加作用力使纸板3预变形，能够稳定施加预作用力，同时，能够避免刚体接触纸板3的摩擦作用限制纸板3在纸面方向的流动，从而保证了纸板3的塑性变形，充分发挥纸板3受到流体介质压力区域的变形能力。

在采用流体介质时，可以对作用于纸板3的压力、温度和湿度中的一项参数或多项参数进行调节。施压组件4包括调节机构，调节机构可以改变输送的流体介质压力，也能够改变输送流体介质的温度，也能够改变所输送流体介质的湿度，通过改变压力、温度或湿度，或是同时改变其中的两项参数或三项参数，使得纸板3能够处于合适的状态，提高其变形能力。

如图2、图3所示，纸板冲压成形装置还包括夹具2和凹模5，夹具2安装于凹模5，夹具2上设有用于夹持纸板3边沿的夹持部。

夹具2沿纸板3周向夹持纸板3的边沿位置，纸板3中部区域接受流体介质作用和凸模1作用产生塑性变形；如图1所示，凹模5的空心凹陷区域也作为施压组件4的施压腔，通过凹模5上的通孔连通流体介质源，可以在通孔与流体介质源之间的输送管路上配置调节组件，也可以直接对流体介质源输出的流体介质进行参数调节。

在本实施例中，夹具2可以采用现有纸板3冲压加工设备的现有夹具2，实现对单层或多层纸板3的稳定夹持。

为了避免在成形过程中对纸板3的损伤，凸模1施加冲压力的接触面为圆滑面，对于部分特征，可以将棱线位置做圆角处理，减少棱线位置成形时的划伤。同时，凹模5以及夹具2接触纸板3的位置也采用圆角处理。

施压组件4能够通过流体介质作用于纸板3，使得纸板3能够朝向冲压成形的反方向产生塑性胀形，充分发挥出纸板3中心区域的变形能力，同时在凸模1冲压过程中，使纸板3产生拉深成形，发挥纸板3中心区域与边沿夹持区域之间区域的变形能力，提高纸容器在冲压成形时的变形能力。

流体介质通过对纸板3施加预作用力能够使纸板3中心区域充分变形，在冲压成形过程中，利用流体介质保持一定的与冲压变形方向相反的预作用力，在中心区域受冲压力时，预作用力带动纸板3周边区域进行变形，并使纸板3包裹在凸模1上，增强纸板3的稳定性，并进一步满足成形的深度和精度需求。

为了满足加工效率需求，夹具2可以同时夹持多层叠放的纸板3，同时实现多层叠放纸板3的冲压变形；可以理解的是，由于纸板3成形纸容器时，对形变量精度要求较金属加工成形要求低，因此，通过多层叠放共同冲压的方式，能够获取满足需求的纸容器。

另外，需要指出的是，在对多层纸板3进行叠放共同成形时，多层纸板3的纵向和横向交错排列叠放，使相邻层纸板3的纤维走向呈夹角分布，在变形过程中各层纸板3相互制约，使每一层各向异性的纸板3，在叠放后近似表现为各向同性，利于提高成形深度和成形质量。

实施例2

本发明的另一典型实施方式中，如图1-图3所示，给出一种纸板冲压成形方法。

纸板冲压成形方法，包括：

沿纸板3厚度方向上，将多层纸板3依次交错叠放，叠放后的纸板3共同变形；

夹持纸板3边沿，对纸板3施加预作用力，使纸板3产生与冲压变形相反方向的预变形；

保持预作用力，对纸板3进行冲压，克服预作用力使纸板3产生冲压变形。

为了使纸板3处于合适的变形状态，在施加预作用力时，控制作用于纸板3的压力、温度和湿度中的一项或多项参数。

另外，也需要对纸板3边沿夹持区域的温度进行调节，保证夹持位置纸板3的性能，避免撕裂等问题。

具体的，纸板冲压成形方法可以利用如实施例1中的纸板冲压成形装置，凸模1安装于压力机滑块上，凹模5安装于压力机工作台上。压力机工作时，凸模1与凹模5产生相对运动。

通过夹具2对纸板3边沿进行夹持，同时在夹持纸板3后封闭施压腔，使得施压腔可以保持一定压力，所夹持的纸板3与凹模5的底部保持间隙。施压腔通过凹模5的型腔形成，施压组件4以空气作为流体介质对纸板3施加作用力，施压腔与供气系统相通。供气系统提供一定压力、一定温度和湿度的压缩空气，并能按工艺要求进行适时加压和卸压。

一定温度和湿度的压缩空气利于改善纸板3的塑性，特别是最易产生破裂的最下层(与凹模5直接接触)纸板3的塑性。

结合图1、图2和图3，对纸板冲压成形方法进行介绍，包括以下步骤：

(1)将多层纸板3，按纵向(MD,Machine direction)和横向(CD,Cross Direction)交错排列的方式叠放在一起，并放置到凸模1和凹模5之间；

(2)将凸模1和凹模5保持一定距离；

(3)用夹具2将多层纸板3压在凹模5上；

(4)通过供气系统，往凹模5型腔中通入一定压力、一定温度和一定湿度的压缩空气；

(5)在夹具2与凹模5的夹持以及压缩空气的压力作用下，多层纸板3共同向上拱起并产生塑性变形，直至触碰到凸模1底部；

(6)供气系统继续提供压缩空气，凸模1向下移动，纸板3继续向上发生塑性变形，直至纸板3包裹凸模1底部及凸模1圆角区域，形成双拱形结构，如图2所示；

(7)供气系统卸压，但仍保持一定压力，同时凸模1继续往下移动；

(8)在凸模1、夹具2、凹模5、供气系统提供的背压的共同作用下，多层纸板3紧贴凸模1，并共同往下产生塑性变形，同时形成多个纸容器，如图3所示；

(9)凸模1和夹具2上移，在凸模1的带动以及供气系统提供的背压的共同作用下，多个纸容器同时上移并脱模；

(10)从模具中取出纸容器，完成纸容器叠层冲压成形工艺。

在叠放多层纸板3时，如图1所示的四层纸板3为例，按纵向和横向交错排列的方式叠放在一起，即第一层纸板3的纵向与第二层纸板3的横向重合，以此类推，并在叠加后放置到凸模1和凹模5之间。

在凸模1的一次行程中，将多层纸板3同时成形为多个纸容器，大大提高了生产效率；同时，采用向上和向下(即正向和反向)两次成形方式，发挥纸板3全区域变形能力，大大提高了纸板3的可变形量，提高了纸容器成形深度。

本实施例中，通过供气系统，往凹模5型腔中通入压力为1.5MPa、温度为80℃、相对湿度为40％的压缩空气。

首先通过压缩空气使多层纸板3向上产生塑性胀形，充分发挥出纸板3中心区域的变形能力，然后再通过凸模1下移(此时可根据工艺需求减小压边力)使纸板3向下产生拉深成形，进一步发挥出纸板3周边区域的变形能力。

可以理解的是，如现有技术中仅通过凸模1下移的一次成形方式，纸板3一开始就接触凸模1底部，凸模1底部会因摩擦作用限制材料的径向流动，使纸板3中心区域的变形能力得不到发挥。

在凸模1下移过程中，供气系统提供背压，使纸板3紧紧贴合在凸模1上，有效防止拉深成形过程中纸板3滑动造成破裂，提高变形能力和成形质量。

多层纸板3交错叠放在一起，既解决了单层纸板3非常脆弱并在大变形时容易破损的问题，也解决了单层纸板3与压缩空气直接接触时容易渗透的问题，同时也解决了凸模1下移时的背压问题，还解决了单层纸板的各向异性造成的成形困难问题。供气系统提供的压缩空气还直接用于将多个纸容器从凹模5型腔中脱模，进一步提高了生产效率和操作便捷性。

纸板冲压成形方法整体简单可靠，简化生产工序，缩短了生产流程。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。