1. 引言
近年来，卷烟市场的激烈竞争给研发者们创造了良好的市场环境和机遇，形状、包装各异的卷烟产品纷纷进入消费者的视野，细支“前圆后方”产品更是受到了市场与消费者的青睐 [1] [2]。一则是其“降焦减害”的特性充分迎合市场消费大趋势，二则是其新奇时尚的外观满足了消费者购买需求 [3]。由于“前圆后方”细支卷烟产品相较于常规烟包更为纤细，导致其生产工艺的改进显得尤为重要 [4]。内框纸在成型过程中，两侧圆弧角的成型质量，直接决定了后续商标圆弧面的成型质量，因此，对内框纸成型组件在适应性上提出了更高要求 [5] [6]。
2. 问题分析
2.1. 内框纸组件成型原理
内框纸成型主要是通过内框纸压板、内框纸预成型块和内框纸支撑块三者的相互作用而成，如图1所示，其过程主要为：通过内框纸压板的向下推力与内框纸支撑块的支撑作用力，将内框纸送入盒模，与此同时，内框纸预成型块将内框纸两侧固定住，使其形成圆弧角状，从而完成内框纸定型。
2.2. 原因分析
2.2.1. 预成型块成型面间距对折角质量的影响
通过上机试验，对比不同预成型块成型面间距对烟包折角质量系数的影响。
试验设备：ZB45B超细支包装机
试验方法：通过更换不同的内框纸预成型块，从而实现内框纸预成型块成型面间距的变化，从成型面间距54 mm开始，每次递增2 mm，进行上机试验，每一个间距下上机试验10次，每次试验30分钟，统计设备中内框纸成型组件处造成的烟包折角质量缺陷数量，将结果换算为烟包折角质量系数，如表1所示：
1、压板；2、预成型块；3、模盒；4、内框纸支撑块；5、连杆；6、凸轮；7、凸轮从动杆；8、压板连杆
Figure 1. Inside frame paper assembly diagram
图1. 内框纸组件图
Table 1. Effect of different surface spacing on mass coefficient of chimney
表1. 不同成型面间距对烟包折角质量系数的影响统计
对试验结果进行方差分析：
单因子方差分析：烟包折角质量系数与成型面间距
来源自由度 SS MS F P
成型面间距 5 46.8219.36491.140.000
误差 54 5.5480.103
合计 59 52.369
S = 0.3205 R-Sq = 89.41% R-Sq(调整) = 88.42%
均值(基于合并标准差)的单组95%置信区间
水平 N 均值标准---------+---------+---------+---------+
54 mm104.28550.3043 (--*--)
56 mm104.43200.3525 (--*--)
58 mm103.62840.1703 (--*--)
60 mm102.43480.3293 (--*--)
62 mm102.46440.3363 (--*--)
64 mm102.36140.3861(--*--)
---------+---------+---------+---------+
2.80 3.50 4.20 4.90
合并标准差 = 0.3205
Figure 2. Residual diagram of mass coefficient of smoke angle
图2. 烟包折角质量系数残差图
Figure 3. Case diagram of cigarette pack dumping coefficient
图3. 烟包倾倒系数箱线图
试验小结：如图2所示，不同预成型块成型面间距对烟包折角质量系数进行方差分析，得到P值小于0.05，说明不同预成型块成型面间距对烟包折角质量系数存在显著影响。如图3所示，通过统计数据可以发现，当预成型块成型面间距为60 mm、62 mm、64 mm时，折角质量系数较小，质量较为稳定。
2.2.2. 不同压痕数量对折角质量的影响
通过上机试验，使用ZB45包装机，通过更换不同的内框纸压痕辊对设置不同的压痕数量，运用上述方差分析方法，对比不同压痕数量对烟包折角质量系数的影响发现：不同压痕数量对烟包折角质量系数进行方差分析，得到P值小于0.05，说明不同压痕数量对烟包折角质量系数存在显著影响。通过统计数据可以发现，当压痕数量为5条、6条、7条时，折角质量系数较小，质量较为稳定。
2.2.3. 不同牌号对折角质量的影响
通过上机试验，使用ZB45包装机对红塔山(细支传奇)内框纸、玉溪(细支初心)内框纸、玉溪(细支清香世家)内框纸、玉溪(创客)内框纸、玉溪(细支庄园)内框纸进行比对实验，运用方差分析发现，不同牌号内框纸对烟包折角质量系数无显著影响。
3. 方案设计
3.1. 烟包折角质量的多因子交互影响分析
通过前期分析可以发现，内框纸的压痕数量与预成型块的成型面间距均对烟包的折角质量产生显著的影响，接下来，将通过DOE实验，找当两者之间的最优组合。
设计DOE实验并记录结果，结果如图4所示：
Figure 4. The DOE experimental results presented in figure
图4. DOE实验结果图
方差分析结果，如图5、图6所示：
小结：通过分析因子设计可以看出，压痕数量、成型面间距和两者之间的交互作用P值均为0.000，小于0.005，说明此三项影响效果显著。通过主效应图可以看出，压痕数量越小，烟包折角质量系数越小，但压痕数量对烟包折角质量系数影响较小；成型面间距越小，烟包折角质量系数越小，且成型面间距对烟包折角质量系数影响较大。
小结：通过交互作用图(如图7所示)可以看出，压痕数量及成型面间距对于烟包折角质量系数的大小有交互作用，但交互作用不大，综上所述，选择最优解为压痕数量5，成型面间距为60 mm。
Figure 5. Residual diagram of mass coefficient of smoke angle
图5. 烟包折角质量系数残差图
Figure 6. Main effect diagram of smoke fold angle mass coefficient
图6. 烟包折角质量系数主效应图
Figure 7. Interaction diagram of smoke fold angle mass coefficient
图7. 烟包折角质量系数交互作用图
3.2. 内框纸预成型块的力学模型分析与设计
对内框纸预成型块的仿真，本次采用Solid Works进行三维实体模型创建，并利用Midas软件进行力学仿真分析。构建三维实体模型的过程如下：
考虑压板零件为均匀质材料，故而所有模型采用摩尔–库仑本构模型。为保证网格质量及计算的精确度，本次采用较小的网格尺寸，以确保所有网格节点耦合，构建好的压板三维实体模型、预成型块实体模型如图8所示。
Figure 8. 3D frame diagram of front (left), back (right) preformed block and pressing plate
图8. 改进前(左)、后(右)预成型块、压板三维框架图
本次改进研究主要应用Midas GTS三维数值模拟软件分析压块在作用于改进前、后预成型块的力学变化特征，以模拟压块作用于内框纸时的力学变化：在获得压板及改进前、后预成型块初始应力场的基础上，进行压板作用于改进前预成型块、改进后预成型块的过程，模拟内框纸整个预制过程中的力学三维动态模拟，分析该受力发展过程，以确定内框纸在受力过程中的最大应力增量，以确定、分析改进后压板对于内框纸压制的作用。
本次模拟，将三维实体模型划分为104,394个网格进行模拟，通过对预成型块的位移约束，对压板施加应力荷载，将改进后内框纸压板作用于改进前、后预成型块的整个过程进行三维动态模拟，如图9所示。从最大主应力云图、最小主应力云图(如图10、图11所示)可看出，压板作用于改进预成型块时，最大主应力、最小主应力均集中于压板前端及预成型块两侧，但改进前的预成型块最大主应力、最小主应力明显高于改进后的预成型块，不利于荷载作用于预成型块时的力有效集中。
Figure 9. Front (left) and rear (right) preformed block and plate stress load
图9. 改进前(左)、后(右)预成型块、压板应力荷载
Figure 10. Cloud map of maximum main stress distribution of front (left) and back (right) preformed blocks
图10. 改进前(左)、后(右)预成型块最大主应力分布云图
Figure 11. Cloud map of minimum main stress distribution of front (left) and back (right) preformed blocks
图11. 改进前(左)、后(右)预成型块最小主应力分布云图
从剪应力云图中可看出，整个压板在作用于预成型块过程中，剪应力主要集中于压板两侧，预成型块剪应力亦集中于两侧，即为内框纸主要受力部位，而预成型块中部则剪应力最小，扭矩则集中于预成型块两侧转折端部，符合压板作用于内框纸时，内框纸整体受力分布规律。此外，通过对比可看出，改进后的预成型块所受剪应力较之改进前预成型块更为集中，且剪应力值显著大于改进前预成型块，扭矩则显著小于改进前的预成型块。结合综合应力云图(图12、图13所示)，应力分布规律与剪应力类似，且改进后预成型块应力值显著大于改进前应力值，且应力以压板两侧、预成型块两侧，对于内框纸成型极为有利。
Figure 12. Cloud map of integrated main stress distribution of front (left) and rear (right) preformed blocks
图12. 改进前(左)、后(右)预成型块综合主应力分布云图
Figure 13. Cloud map of integrated main stress distribution of front (left) and rear (right) preformed blocks
图13. 改进前(左)、后(右)预成型块综合主应力分布云图
综上可知，改进后的预成型块对于压板作用于内框纸成型更为有利。
4. 应用效果
项目人员对烟包折角质量的适应性设计进行上机适应性验证，统计设备在内框纸成型组件处造成的烟包折角质量缺陷数量，将结果换算成烟包折角质量系数，用以表征烟包在内框纸成型组件中对烟包折角质量的可靠性，烟包折角质量系数越小，说明适应性越强。每天统计10次，每次统计30分钟的数据，共进行十个工作日的统计，并进行换算，如表2、图14所示：
Figure 14. Adaptive validation diagram of fold angle mass of cigarette packs
图14. 烟包折角质量的适应性验证图
Table 2. Adaptive verification table of cigarette pack fold angle mass
表2. 烟包折角质量的适应性验证表
5. 结论
本文充分研究了内框纸组件对“前圆后方”卷烟产品内框纸折角质量的影响因素，并针对相关因素进行了设计改进与整合，从而提升生产效率，产量平均提升5.81%；降低生产废品率，废品率平均降低4.7%，满足了设备高效率运行的要求。本文设计改进较为简单，便于调整与维护，生产效果良好，适合在卷烟生产中大规模推广。