馮 云，梁敏依，王 威，范琴琴

（寧波海關(guān)技術(shù)中心，浙江 寧波 315000）

橡塑材料作為常見(jiàn)的工業(yè)品和消費(fèi)品生產(chǎn)原材料，其種類繁多，相應(yīng)制品的加工工藝包括塑煉、混煉、擠出、壓延、成型和硫化等。加工成型的制品在后續(xù)進(jìn)行性能（如拉伸性能、壓縮永久變形、耐屈撓性能、耐磨性能等）檢測(cè)[1-5]時(shí)，需將試樣磨制，以去除制品表面花紋或使試樣達(dá)到指定厚度[6-13]。

磨制橡塑試樣的傳統(tǒng)方法是使用砂輪磨樣機(jī)進(jìn)行手動(dòng)打磨，這種完全依賴人工的制樣方式存在以下不足。

（1）試樣厚度的準(zhǔn)確度低，難以達(dá)到檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試樣厚度的要求。如HG/T 2876—2009《橡塑鞋微孔材料壓縮變形試驗(yàn)方法》中要求試樣厚度為（10.0±0.2） mm，HG/T 2873—2008《膠鞋鞋底屈撓試驗(yàn)方法》中要求試樣厚度為（5.0±0.5）mm，GB/T 1689—2014《硫化橡膠 耐磨性能的測(cè)定（用阿克隆磨耗試驗(yàn)機(jī)）》中要求試樣厚度為（3.2±0.2） mm，這些標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試樣厚度的準(zhǔn)確度要求較高，而手動(dòng)打磨試樣費(fèi)時(shí)費(fèi)力，短時(shí)間很難達(dá)到試樣厚度的準(zhǔn)確度要求。

（2）試樣厚度的均勻性不佳。打磨后的試樣要求無(wú)花紋、無(wú)雜質(zhì)或表面致密且平整。由于試樣多從成品上取下，又依靠手工操作，而手動(dòng)打磨試樣存在受力不均的情況，試樣厚度難以達(dá)到均勻一致。

（3）制樣效率低。由于打磨試樣完全依靠人工操作，需時(shí)刻關(guān)注試樣厚度的變化，且要制備多個(gè)平行試樣，因此打磨試樣的制樣效率低，無(wú)法滿足高檢測(cè)效率的要求。

（4）制樣安全性及環(huán)保性有待提高。傳統(tǒng)磨樣機(jī)的砂輪外露，且高速旋轉(zhuǎn)，極易造成操作人員受傷；磨樣過(guò)程中產(chǎn)生的粉塵較多，且這些粉塵易飛揚(yáng)，從而造成室內(nèi)空氣污染，損害操作人員的健康。

本文介紹全自動(dòng)橡塑材料磨樣試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)原理、結(jié)構(gòu)和測(cè)試方法，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證該試驗(yàn)機(jī)磨制的橡塑材料試樣厚度的準(zhǔn)確性和制樣的高效性。

1 設(shè)計(jì)原理和結(jié)構(gòu)

1.1 傳統(tǒng)砂輪磨樣機(jī)手工打磨法

橡塑制品經(jīng)氣動(dòng)切試片機(jī)裁切后得到試樣，用鋼直尺在試樣側(cè)面按設(shè)定厚度手動(dòng)劃點(diǎn)，將多點(diǎn)連線確定打磨厚度標(biāo)記線。先將試樣一端厚度磨至可裝入普通磨樣機(jī)試樣輪夾具（開口為36 mm×6 mm），打磨面朝外，再手動(dòng)調(diào)節(jié)夾具與磨輪距離，分多次將試樣磨至設(shè)定厚度標(biāo)記線，再換試樣另一端重復(fù)上述操作。

1.2 全自動(dòng)橡塑材料磨樣試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)打磨法

1.2.1 設(shè)計(jì)原理

全自動(dòng)橡塑材料磨樣試驗(yàn)機(jī)采用可編程控制器（PLC）控制試樣打磨，具體過(guò)程為：在人機(jī)接口界面（HMI）中輸入所需試樣厚度，先將試樣一端安裝在試樣輪上，PLC指令試樣輪接近高速旋轉(zhuǎn)的磨輪（包括粗磨磨輪和細(xì)磨磨輪），通過(guò)粗磨與細(xì)磨的自動(dòng)切換對(duì)試樣進(jìn)行打磨，當(dāng)試樣輪與磨輪距離達(dá)到設(shè)定厚度值時(shí)停止打磨，再換試樣另一端重復(fù)上述操作。

1.2.2 結(jié)構(gòu)

全自動(dòng)橡塑材料磨樣機(jī)主要由軟件控制系統(tǒng)（PLC＋HMI）、試樣給進(jìn)磨削系統(tǒng)和安全防護(hù)系統(tǒng)三部分構(gòu)成，其外觀如圖1所示。

圖1 全自動(dòng)橡塑材料磨樣試驗(yàn)機(jī)外觀Fig.1 Appearance of automatic rubber and plastic material grinding sample testing machine

軟件控制系統(tǒng)中設(shè)有磨樣控制程序，可控制機(jī)臺(tái)的前后左右移動(dòng)和砂輪啟停；通過(guò)HMI可編輯輸入試樣厚度、目標(biāo)厚度、磨耗參數(shù)（粗磨與細(xì)磨的占比及次數(shù)）和磨耗速度，同時(shí)還可設(shè)定自動(dòng)或手動(dòng)磨樣模式。

磨削系統(tǒng)（見(jiàn)圖2）包括試樣輪、粗磨磨輪和細(xì)磨磨輪以及移動(dòng)平臺(tái)。試樣輪設(shè)計(jì)安裝在移動(dòng)平臺(tái)上，將試樣手動(dòng)安裝至試樣輪上后，由程序控制試樣輪的給進(jìn)、后退和平移，以實(shí)現(xiàn)試樣的粗磨和細(xì)磨，當(dāng)試樣厚度達(dá)到設(shè)定厚度后自動(dòng)停止打磨。

圖2 磨削系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of grinding system

安全防護(hù)系統(tǒng)由防護(hù)罩和吸塵裝置構(gòu)成。透明亞克力防護(hù)罩將高速運(yùn)轉(zhuǎn)的磨輪與操作人員隔離，形成完全密閉的磨樣區(qū)域，同時(shí)防護(hù)罩與電源開關(guān)相聯(lián)，如遇防護(hù)罩開啟，設(shè)備自動(dòng)停機(jī)。設(shè)備內(nèi)置專用吸塵裝置，可將磨耗的粉塵最大限度吸除，減少操作人員吸入粉塵的風(fēng)險(xiǎn)，提高了環(huán)保性。

1.2.3 技術(shù)參數(shù)

磨輪尺寸為Φ160 mm×40 mm，粗磨磨輪和細(xì)磨磨輪砂料號(hào)分別為36#和80#。磨輪線速度設(shè)定為12～18 m·s-1，能夠滿足大部分橡塑材料試樣的磨制需求。試樣輪與磨輪間距設(shè)計(jì)為1～20 mm，基本可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)行國(guó)家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求的橡塑材料試樣厚度。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 目的

為驗(yàn)證全自動(dòng)橡塑材料磨樣試驗(yàn)機(jī)的準(zhǔn)確性、高效性和安全環(huán)保性，取相同批次的聚氯乙烯（PVC）、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EVA）和三元乙丙橡膠（EPDM）試樣，依據(jù)HG/T 2876—2009，HG/T 2873—2008和GB/T 1618—2014中 的 試樣厚度要求，采用研制的全自動(dòng)橡塑材料磨樣試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)與砂輪磨樣機(jī)手動(dòng)打磨試樣至所需的10.0，5.0和3.2 mm厚度，比較兩種方法處理試樣的精度、外觀、所耗時(shí)間以及環(huán)保表現(xiàn)。

2.2 試樣及設(shè)備

取PVC，EVA和EPDM試片各3份，預(yù)先裁切尺寸為150 mm×25 mm的試樣。

試驗(yàn)設(shè)備為全自動(dòng)橡塑材料磨樣試驗(yàn)機(jī)與砂輪磨樣機(jī)。

2.3 試驗(yàn)方法

對(duì)于自動(dòng)打磨法的全制動(dòng)橡塑材料磨樣機(jī)，直接將試樣一端固定在試樣輪上，輸入試樣厚度及設(shè)定厚度，設(shè)置磨耗分配（單面，粗磨占比80%/40次，細(xì)磨占比20%/10次），蓋上防護(hù)罩后開啟設(shè)備，將試樣打磨至目標(biāo)厚度，再換試樣另一端重復(fù)上述步驟，得到符合標(biāo)準(zhǔn)要求厚度的試樣。

對(duì)于手動(dòng)打磨法的砂輪磨樣機(jī)，采用鋼直尺先在試樣側(cè)面標(biāo)記目標(biāo)厚度線以確定打磨界線，然后將試樣一端打磨至可裝入試樣輪夾具的厚度，并將打磨面朝外，將試樣裝入試樣輪夾具，再手動(dòng)調(diào)節(jié)夾具與磨輪距離，分多次將試樣打磨至目標(biāo)厚度，再換試樣另一端重復(fù)上述步驟，得到符合標(biāo)準(zhǔn)要求厚度的試樣。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果

2.4.1 準(zhǔn)確性與精密性

對(duì)于采用全自動(dòng)橡塑材料磨樣試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)和砂輪磨樣機(jī)手動(dòng)打磨的每類材料試樣各取2個(gè)，在試樣上各取5個(gè)點(diǎn)并用游標(biāo)卡尺測(cè)量厚度，測(cè)量結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出，相比于手動(dòng)打磨法試樣，自動(dòng)打磨法試樣平均厚度更接近設(shè)定值，而且厚度變異系數(shù)（CV）更小，表明厚度數(shù)據(jù)離散程度更小，均勻性更好。此外，由于PVC和EVA試樣容易磨耗，單次磨耗量較大，因此在手工打磨時(shí)單次磨耗量可調(diào)整空間較小，打磨均勻性很難保證，無(wú)法像自動(dòng)打磨時(shí)一樣進(jìn)行粗磨與細(xì)磨以精準(zhǔn)控制單次磨耗厚度。

表1 采用兩種方法打磨的不同材質(zhì)試樣厚度對(duì)比Tab.1 Comparison of thicknesses of different material samples after grinding by two methods

采用兩種方法打磨的不同材質(zhì)試樣外觀如圖3所示。

從圖3可以看出：與自動(dòng)打磨法PVC試樣相比，手動(dòng)打磨法PVC試樣表面粗糙，平整度差，細(xì)膩程度低；手動(dòng)打磨法EVA試樣甚至出現(xiàn)卷邊和撕裂的現(xiàn)象。這是因?yàn)镻VC和EVA試樣除材料本身的耐磨性較差從而導(dǎo)致手動(dòng)操作調(diào)整空間小，打磨均勻性不好控制外，打磨速度難以控制，即如果打磨速度過(guò)快，材料會(huì)受熱融化，導(dǎo)致卷邊現(xiàn)象出現(xiàn)，嚴(yán)重時(shí)在磨輪旋轉(zhuǎn)拉扯下甚至?xí)霈F(xiàn)撕裂現(xiàn)象，影響試樣厚度的均勻性。而自動(dòng)打磨法由于試樣靠近磨輪的速度可控且均勻，制備的試樣表面因此更加規(guī)整，厚度更均勻，準(zhǔn)確性更高。EPDM由于熱穩(wěn)定性好，因此在手動(dòng)打磨過(guò)程中尺寸穩(wěn)定性和容錯(cuò)性較好，經(jīng)多次操作可實(shí)現(xiàn)與自動(dòng)打磨接近的磨制效果。

圖3 采用兩種方法打磨的不同材質(zhì)試樣外觀對(duì)比Fig.3 Comparison of appearances of different material samples after grinding by two methods

2.4.2 制樣效率

試樣磨制的常規(guī)流程如圖4所示。

圖4 試樣磨制全過(guò)程Fig.4 Process of sample grinding

以單次試驗(yàn)?zāi)ブ?個(gè)試樣為例，單次試驗(yàn)的手動(dòng)打磨法耗時(shí)為

由于自動(dòng)打磨法不需要人工干預(yù)，自動(dòng)打磨時(shí)操作人員可以進(jìn)行取樣和裁樣，因此單次試驗(yàn)的自動(dòng)打磨法（單套磨頭）耗時(shí)為

從單次磨制試樣的耗時(shí)可以看出，自動(dòng)打磨法較手動(dòng)打磨法省時(shí)15 min，且自動(dòng)打磨僅試驗(yàn)前30 min需要操作人員看守，其他時(shí)間操作人員可從事其他工作，因此實(shí)際省時(shí)45 min，效率提高了1.5倍，同時(shí)大幅度降低了操作人員的工作強(qiáng)度。

如果自動(dòng)打磨法采用多套磨頭系統(tǒng)，效率還將成倍增加，同時(shí)可更大幅度降低工作強(qiáng)度，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

2.4.3 安全環(huán)保性

采用自動(dòng)打磨法磨制試樣，安裝試樣時(shí)試樣輪處于靜止?fàn)顟B(tài)；防護(hù)罩將人體與高速磨輪隔離，同時(shí)與其電源開關(guān)相聯(lián)，實(shí)現(xiàn)罩體打開的同時(shí)設(shè)備斷電，徹底避免了手動(dòng)打磨法傷到手指或其他物品卷入磨輪等安全事故的發(fā)生。因此，自動(dòng)打磨法的安全性遠(yuǎn)優(yōu)于手動(dòng)打磨法。此外，防護(hù)罩和吸塵裝置能杜絕磨樣時(shí)粉塵的四處擴(kuò)散，大幅改善實(shí)驗(yàn)室的工作環(huán)境，解決了手工打磨法對(duì)環(huán)境的污染，具有更好的環(huán)保性。

3 結(jié)論

（1）與采用手動(dòng)打磨法制得的試樣相比，采用自動(dòng)打磨法制得的試樣表面無(wú)毛刺、平整、均勻，厚度的準(zhǔn)確度和精密度更高。

（2）采用自動(dòng)打磨法進(jìn)行橡塑材料試樣磨制，制樣效率大幅提升。與手動(dòng)打磨法相比，采用單套磨頭時(shí)自動(dòng)打磨法可以提升效率1.5倍，同時(shí)大幅度降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

（3）全自動(dòng)橡塑材料試樣磨樣機(jī)的防護(hù)系統(tǒng)同時(shí)具有安全防護(hù)與防塵效果，提升了人員操作安全性，杜絕了粉塵的擴(kuò)散，環(huán)保性顯著。