魔方

背景

魔方是 Erno Rubik 在 1970 年代中期设计的玩具拼图。它是一个立方体形状的装置，由具有六个不同颜色的面的较小立方体块组成。主要的制造方法涉及各种部件的注塑成型，然后是组装、贴标签和包装。立方体在 1980 年代非常受欢迎，在 1980 年至 1983 年的高峰期，全球销售了 2 亿个立方体。如今，全球每年的销量仍超过 500,000 个立方体。

魔方似乎由 26 个较小的立方体组成。在它的解决状态下，它有六个面，每个面由九个相同颜色的小方面组成。虽然看起来所有的小面都可以移动，但实际上只有角落和边缘可以移动。中心立方体都是固定的，只能在原地旋转。当立方体被拆开时，可以看到中心立方体每个都通过轴连接到内核。角落和边缘没有固定在任何东西上。这允许它们围绕中心立方体移动。立方体保持其形状，因为角和边缘相互固定并由中心立方体保留。每块都有一个内部标签，由中心立方体保留并被周围的块困住。这些标签的形状适合沿着由其他部件背面形成的弯曲轨道。中央立方体用弹簧和铆钉固定，并保留所有周围的部件。弹簧施加恰到好处的压力以将所有部件固定到位，同时提供足够的灵活性以实现平稳和宽容的功能。

历史

几个世纪以来，拼图制造商一直在制造问题供人们解决。一些最早的谜题可以追溯到古希腊和罗马时代。中国人有一个圆环拼图，被认为是在公元二世纪 这首先由意大利数学家 Girolamo Carolano (Cardan) 在 1550 年描述。当印刷机发明时，专门为消遣而设计的完整的数学和机械问题书籍得到了流通。

从这些早期的谜语和单词问题中，自然而然地开发出玩具拼图。 1857 年，爱尔兰数学家威廉·汉密尔顿爵士发明了 Icosian 谜题。大约在 1870 年的某个时候，著名的 15 Puzzle 被引入，据报道是 Sam Lloyd。这个难题涉及必须按顺序放置的数字瓷砖，并在 20 世纪初变得非常流行。 1883 年，法国数学家爱德华·卢卡斯 (Edouard Lucas) 创造了河内塔拼图。这个拼图由三个钉子和许多不同大小的圆盘组成。目标是以正确的顺序将圆盘放在钉子上。

有各种各样的拼图，涉及彩色方形瓷砖和彩色立方体。魔方的一些早期先驱包括 Katzenjammer 和 Mayblox 拼图等设备。 Mayblox 拼图是由英国数学家 Percy MacMahon 在 1920 年代初期创建的。在 1960 年代，Parker Bothers 推出了另一种名为 Instant Insanity 的立方体拼图玩具。这款玩具在美国取得了中等程度的受欢迎程度。 1970 年代初，Uwe Meffert 发明了一种名为 Pyraminx 的装置。这个玩具是一个金字塔，它有可移动的部分，可以根据颜色排列。

1974 年，布达佩斯大学的建筑师兼教授 Erno Rubik 开发出第一个魔方的工作原型。他于 1975 年获得了匈牙利专利。显然，它也是由来自日本的工程师 Terutoshi Ishige 独立设计的，他获得了1976 年获得日本专利。Rubik 教授创造了立方体作为他的学生的教具，帮助他们识别三维空间关系。当他向学生展示工作原型时，立即引起了轰动。

在接下来的几年里，Rubik 与一家制造商合作，允许大规模生产立方体。经过三年的开发，第一批立方体出现在布达佩斯的玩具店货架上。虽然魔方在《饥饿》中仍然很受欢迎，但当时的政治氛围使它很难在美国推出。使立方体在国际上取得成功的最重要的两个人是伦敦七镇有限公司的 Laczi Tibor 博士和 Tom Kremer。七镇从魔方教授那里获得魔方发明的许可，用于全球发行。 Tibor 博士在 Hungry 内部工作，说服官僚允许该技术出国。克雷默找到了一家美国玩具制造商 Ideal Toy 公司，该公司愿意帮助推销该产品。该产品立即大受欢迎，在 1980 年代，销售了超过 2 亿个立方体。 1983 年左右，魔方的疯狂流行开始减弱，销售急剧放缓。它一直保持小规模生产，直到七镇接管营销，并于 1995 年将魔方授权给 Oddzon 公司用于美国市场。从那时起，销售额稳步增长至每年超过 500,000 台。

设计

魔方制造过程中最重要的部分是为各种部件设计模具。模具是雕刻在钢上的空腔，其形状与将要生产的零件相反。当液态塑料被放入模具中时，它在冷却时呈现出模具的形状。模具的创建非常精确。腔体经过高度抛光以去除表面上的任何缺陷。任何缺陷都会在模具将生产的数百万件中重现。在立方体零件的制造中，通常使用两件式模具。在生产过程中，将两个模具件放在一起形成塑料部件，然后打开以释放它。该工具包括顶针，当工具打开时，顶针将模制零件从工具中释放出来。所有零件均使用自动浇口工具模制而成，可在浇道顶出时自动将零件从浇道上移除。模具也带有轻微的锥度，称为释放角，有助于拆卸。最后，在设计模具时，它们比最终将生产的零件稍大。这是因为随着塑料冷却，它们会收缩。不同的塑料会有不同的收缩率，每个工具都必须针对将要使用的材料专门设计。

商业立方体由6个固定立方体、8个角部可移动立方体和12个边缘可移动立方体组成。每个立方体都是六种颜色之一。魔方有红色、黄色、蓝色、绿色、白色和橙色。在其已解决状态下，每种颜色仅出现在一张面上。当立方体旋转时，边角移动，立方体变得混乱。拼图的挑战是将每个立方体恢复到原来的位置。立方体极具挑战性，因为有略多于 43 quintillion (4.3 × 10 ¹⁹ ) 可能的安排，并且只有一种解决方案。

标准魔方的边长约为每平方 2.2 英寸（5.7 厘米）。还生产了各种其他尺寸，例如 1.5 英寸（3.8 厘米）迷你立方体、0.8 英寸（2 厘米）钥匙链微型立方体和 3.5 英寸（9 厘米）巨型立方体。虽然标准立方体是 3 × 3 × 3 分割，但也引入了其他类型。一些更有趣的包括 2 × 2 × 2 立方体、4 × 4 × 4 立方体（称为魔方的复仇）和 5 × 5 × 5 立方体。形状也多种多样，四面体、金字塔和八面体形式的谜题是其中产生的类型。魔方还带动了游戏衍生品的开发，如魔方拼图和魔方橡皮擦。

原材料

组成魔方的各个部分通常由塑料制成。塑料是高分子量材料，可以通过称为聚合的各种化学反应生产。魔方中使用的大部分塑料都是热塑性塑料。这些化合物坚固耐用，可以永久成型为各种形状。魔方中使用的塑料是丙烯腈丁二烯苯乙烯 (ABS) 和尼龙。其他可能使用的塑料包括聚丙烯 (PP)、高抗冲聚苯乙烯 (HIPS) 和高密度聚乙烯 (HDPE)。

出于装饰目的，通常将着色剂添加到塑料中。魔方的碎片通常是黑色的。在制作过程中，在立方体的外面贴上彩色贴纸来表示一面的颜色。生产过程中使用的塑料以颗粒形式提供给制造商，并带有填料和着色剂。然后可以将这些颗粒直接装入成型机。

制造
过程

第一个魔方原型的制造是手工制作的。在 1970 年代后期，大规模生产的方法得到开发并在今天继续使用。通常，生产是一个循序渐进的过程，包括对零件进行注塑成型、将零件组装在一起、装饰魔方以及将成品放入包装中。

成型

• 1 开始生产时，塑料颗粒通过注塑成型转化为魔方部件。在这个过程中，颗粒被放入注塑机的料斗中。当它们通过液压控制的螺杆时会熔化。当螺杆转动时，熔化的塑料通过喷嘴穿梭并以物理方式强制或注射到模具中。就在熔化的塑料到达之前，模具的两半被组合在一起，形成一个与魔方部分具有相同形状的空腔。这可以是边缘、角落或中心部分。在模具内，塑料在压力下保持特定时间，然后冷却。冷却时，塑料在模具内硬化。经过足够长的时间后，打开半模，取出立方体块。然后模具再次关闭，过程再次开始。机器每成型一组零件就是机器的一个循环。魔方的魔方循环时间约为 20 秒。
• 2 立方体零件从模具中弹出后，将它们放入容器箱中并进行人工检查，以确保没有使用明显损坏的零件。废弃的浇道材料被留出以供重新使用或报废。废料可以磨碎并再次熔化以制造新零件，但是重新研磨的材料会降解并导致零件质量差。 Rubik 的魔方总是由原始材料制成，从不使用重新研磨的废塑料。

零件组装

• 3 魔方部件被带到装配线。在这个生产阶段，各个立方体块被放在一起。从尼龙芯开始，每个 ABS 中心立方体都用弹簧垫片铆接到芯上。铆钉由深度限位器小心控制，以确保弹簧被压缩到恰到好处的量。每个中心立方体都有一个塑料盖，粘在上面以隐藏铆钉。六个中心立方体中的一个留在装配的最后一部分。 ABS 边缘和角件单独堆叠在核心周围。立方体是自下而上建造的，最后组装的是最终的中心立方体，它再次用弹簧垫片铆接在核心上，最后的盖子被粘上。

标签

• 4 接下来，需要标记魔方的立方体面。标签由印有颜色的聚丙烯材料制成。然后将印刷的 PP 片与透明的 PP 保护层层压在一起。然后将材料模切，标签缠绕在卷上。标签是由每个面的所有九个正方形完全对齐而成的。这样，当标签应用于立方体时，标签可以完美对齐。

包装

• 5 完成所有标签后，将立方体放入最终包装中。这可以是一个带有说明书的小盒子，也可以是带有纸板背衬的塑料泡罩包装。该包装具有双重目的，即保护魔方免受因运输和产品广告而造成的损坏。魔方的魔方包裹被放入箱子并移到托盘上。然后将托盘装载到卡车上，并将产品运往世界各地。

质量控制

为确保每个玩具都是高质量的产品，质量控制检查员在生产的每个阶段检查产品。传入的塑料颗粒经过化学测试，以确定它们是否符合某些化学规格。这些包括检查外观、颜色、熔点、毒性和分子量。

在离开模具后，还会立即检查各个零件的质量。由于每天制造数千个零件，因此很难进行全面检查。因此，生产线检查员可能会以固定的时间间隔随机检查塑料零件，并检查以确保它们符合尺寸、形状和一致性规范。这种抽样方法很好地表明了整个魔方生产运行的质量。寻找的东西包括变形的零件、不正确的零件和不适当的标签。虽然目视检查是采用的主要测试方法，但也可以进行更严格的测量。测量设备用于检查每个零件的长度、宽度和厚度。通常，使用诸如游标卡尺、千分尺或显微镜之类的装置。就在将立方体放入包装之前，它可能会被扭曲以确保它保持在一起并处于正常工作状态。这可以用手或车床完成。如果发现玩具有缺陷，则将其放在一边以备日后返工。

未来

虽然魔方的极端流行在 1984 年左右消退了。 魔方以尼龙芯开始。然后将塑料方块从下往上贴上，最后贴上标签。最近取得了重大的回归。这是七镇令人印象深刻的营销努力的结果。未来，这种营销努力应该会继续增加魔方的销量。除了立方体，还引入了其他衍生拼图，包括魔方的蛇、魔方的三元组和魔方的折叠拼图。预计在不久的将来还会推出新的变体。

哪里可以了解更多

书籍

Chabot, J. F. 塑料加工机械和方法的发展。 布鲁克菲尔德：塑料工程师协会，1992 年。

奥特默，柯克。 化学技术百科全书。 卷。 1992 年 22 月。

Rubik, E. 魔方的立方纲要。 牛津大学出版社，1987 年。

Seymour, R. 和 C. Carraher。 高分子化学。 纽约：Marcel Dekker, Inc.，1992 年。

其他

Seven Towns Ltd. Rubik 的在线网页。 2001 年 9 月 27 日。。

美国专利号4378116。

美国专利号4471959。

虚拟拼图博物馆网页。 2001 年 9 月 27 日。。

佩里 罗曼诺夫斯基

史蒂文 佩兰