曹 恒，何立冬，陳 誠

（華東理工大學 機械與動力工程學院，上海 200237）

0 引言

目前，我國塑料軟包裝行業(yè)的技術裝備水平和研發(fā)能力有了很大的發(fā)展和提高。多層共擠技術得到了廣泛的應用，有效地提高了功能性薄膜的產品性能。但是國內熱封機的關鍵技術與發(fā)達國家相比較，例如與美國、德國和日本相比仍然有很大差距。美國在包裝機械的研究生產中一直居世界領先地位，在脈沖熱封機的設計方面也不例外。其研制的加工尺寸4m長的脈沖熱封機，整個設備結構具有較好的剛度，通過溫度等參數的液晶面板顯示，能夠使操作者直接觀察工作過程時的狀態(tài)，易于控制工藝質量。美國某公司熱封機產品外觀照片參見圖1。德國作為傳統(tǒng)的機械制造強國，其設計制造的熱封機，操作方便、工作效率高、穩(wěn)定可靠，但是由于其采用的是下壓條向上加壓的工作方式，在其動作時會導致待熱封塑料件的移位，易于產生系統(tǒng)移動中的不穩(wěn)定性。德國熱封機結構參見圖2。

有些國家例如日本等，為了提高壓合質量，在小型脈沖式熱封機采用下壓條充氣式方案。由于其上下壓條的控制特點，對于控制系統(tǒng)精度要求較高，對設備維修的技術水平也較苛刻，目前日本的下壓條充氣式脈沖熱封機單次單邊熱封長度只能做到2500mm，并且只能實現單邊加熱方式。日本單邊充氣式熱封機照片與原理參見圖3、圖4。

圖1 美國4m脈沖熱封機 圖2 德國脈沖熱封機

圖3 日本脈沖式熱封機 圖4 大尺寸熱封原理圖

迄今為止，無論是大直線尺寸的脈沖熱封機還是一般用途的脈沖熱封機，國外產品僅僅有幾家大公司產品有溫度傳感器，而國內產品基本均不安裝溫度傳感器。這是因為在大多數熱封材料加工應用場合都不需要熱封溫度監(jiān)測。只有在某些重要應用場合，才需要監(jiān)測熱封材料溫度，精確控制對熱封質量起著重要影響因素的熱封溫度。在大尺寸熱封工藝中，為了控制封口質量，需要在整個長度上的壓合面受力均勻，因此在設計制造中，控制好大尺寸型號脈沖熱封機機械結構的剛度變形也非常重要。另外，在設計中，還需要考慮提高加熱零部件更換維修的便捷性。

本文針對國內外同類產品的不足，設計了一臺溫度實時監(jiān)測、上下壓條同時加熱的脈沖式熱封機，為國內某型號大飛機隔音棉的制造提供了技術保障。

1 總體方案設計

總體方案設計步驟如圖5所示。

圖5 總體方案設計步驟圖

1.1 設計參數

1)外形尺寸要求4500mm×1000mm×2000mm，工作臺面寬500mm，臺面高度950mm。底座要有調平裝置。要求最終設備在外形上具有獨創(chuàng)性；

2)工作電壓220V/50HZ；

3)采用雙面熱封形式，但必需分路可控，即上下可單獨或同時加熱；

4)有效直線熱封長度4000mm，熱封條寬度38-40mm，熱封條4000mm長邊平行度誤差最多不超過2mm；

5)上下壓條應平行且采用剛性較好的結構，保證工作時壓條之間的壓力分布均勻。上下壓條寬度范圍為50mm。熱封工作時，上下加熱條應能重合，無錯位。加熱條兩端應設拉緊裝置，保證加熱條在工作狀態(tài)都處于繃緊狀態(tài)。熱封條外面應設有防粘層；

6)對隔音棉面料進行熱封后，有效熱封長度上不存在拼接縫，并根據標準（粘合劑剝離阻力的標準試驗方法（T型剝離））做熱封性能（T型剝離）試驗，每一英寸為一個點位。各點位的最小熱封性能（T型剝離）誤差不能大于0.5磅/英寸。此要求不能受熱封時間或使用次數影響。

1.2 機械結構設計

外形脈沖式熱封機整個外形尺寸為4500mm×1000mm×2000mm，工作臺面寬500mm，臺面高度950mm，底座有調平裝置，該設備結構在外形上具有良好的剛度和穩(wěn)定性，開放式的上罩板便于維修操作，腳踩開關位置設置符合操作工習慣。建模模型如圖6所示。

圖6 熱封機三維模型圖

外形脈沖式熱封機的上護罩為了便于維修，擬采用可拆卸式設計方案。內部采用筋板連接，使其可以放置在裝有氣缸懸臂梁的主梁上。為了安裝方便，外罩的前面板是由3塊可拆面板組成，側面是由1塊可拆卸面板組成，后面由4塊面板組成，利于現場操作工的安裝維護和修理。并且側面板、后面板上均開有散熱孔，方便機器工作時散熱?？刹鹦锻庹纸Y構如圖7所示。

圖7 可拆卸外罩結構圖

脈沖式熱封機由于其工作面長度長，整個工作過程需要5個氣缸同時向下動作共同完成。因此，需要在最邊上兩側的懸臂梁上各設計一個導向機構，導向機構是由長法蘭套筒、導向桿、固定裝置組成，將長法蘭套筒裝在配有氣缸的懸臂梁內部固定住，裝上導向桿，通過固定裝置將導向桿末端與上壓條固定起來，從而左右兩側的導向桿對整個上壓條的動作起到了導向的作用，將輸出力與導向分開。導向機構安裝位置如圖8所示。

圖8 導向機構示意圖

脈沖式熱封機工作面長達4000mm，且熱封寬度為40mm。根據鎳鉻合金的熱膨脹系數，受熱后會有較大的變形量，因此在上下壓條兩側設計有拉伸裝置，拉伸裝置與壓條相對，僅固定留有一個方向的旋轉自由度。拉伸裝置與壓條間有一個保持壓力的壓縮彈簧，一直處于壓縮狀態(tài)，當溫度升高時，通過其補償鎳鉻合金受熱的變形量，從而保證在整個操作過程中鎳鉻合金處于張緊的狀態(tài)。拉伸裝置示意圖如圖9所示。

圖9 鎳鉻合金熱膨脹彈性拉伸裝置圖

1.3 熱封機機架變形FEA有限元分析

由于熱封機長度較長，工作時機架會產生變形，為了驗證設計結構的可靠性，對機架進行ANSYS仿真計算。

設計對象主要由Q235和1060鋁合金制造，仿真相關參數如表1所示。

表1 相關材料的參數

采用ANSYS軟件，計算結果如圖10所示。

圖10 FEA分析結果

本次設計不斷對方案進行修改，并對改進的模型加以FEA分析，比較各方案，最終得到較優(yōu)化的設計方案。最終選定方案為壓頭汽缸兩端固定，后面有3米加強板，異型槽鋼翼緣寬150mm，槽鋼板厚為10mm。此時的最大變形處變形量為0.55mm，最大應力處應力為281MPa，總體應力為218MPa，完全滿足設計要求。

2 電氣系統(tǒng)控制方案

熱封機電氣系統(tǒng)主要有三大系統(tǒng)構成，溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、時間控制系統(tǒng)。溫度控制系統(tǒng)主要由溫度傳感器、溫度控制器等組成，利用溫度傳感器實時檢測熱封溫度，通過溫度控制器對熱封溫度進行控制和調節(jié)；壓力控制系統(tǒng)主要由氣缸、空氣壓縮機、電磁閥、調壓閥、截止閥等組成，主要通過壓力調節(jié)控制熱封壓力和熱封頭運動的動力；時間控制系統(tǒng)主要由控制電路和繼電器組成，主要對熱封時間進行控制和調節(jié)，同時在熱封機工作時對整個系統(tǒng)工作

進行控制。

熱封機的電氣控制系統(tǒng)的技術要求如下：

1）整個熱封過程中，通過高精度溫度傳感器，對上下壓條的溫度進行實時監(jiān)測，通過PLC顯示于彩色觸摸屏上，方便操作人員管理，以保證其熱封時的溫度穩(wěn)定在0～300℃之間，不受使用時間和使用次數的影響，在有效加熱范圍內測量到的溫度值與實際溫度的誤差不超過1℃；

2）整個熱封過程時間為0～30S，按秒可調；

3） 設備操作面板帶有10寸液晶顯示屏，實時顯示溫度、壓力、時間，單位英制和公制可切換。采用數字顯示方法，可直接讀數；

設計方案如圖11所示。

3 試驗結果及分析

影響熱封強度的三大工藝參數是：熱封溫度、熱封時間和熱封壓力。這三個參數決定了最后熱封的質量，因此必須通過試驗來選擇最優(yōu)的熱封參數組合，已達到最佳的熱封效果。

壓頭的平均工作壓力受到外部供給氣壓的直接影響。熱封機壓頭的平均壓力設計值選用1.25kgf/cm2～2kgf/cm2，經試驗完全符合設計要求。

熱封時間決定熱封溫度，所以首先需對熱封時間和熱封時間關系進行試驗。得到結果如圖12所示。

3.1 試驗過程

1） 試驗設備。微機控制電子拉力試驗機，用于測試材料剝離強度，如圖13所示。

2） 試驗樣品。本試驗采用高溫耐火材料PL-908和PL-909，將熱封試樣沿膠合方向垂直的方向，裁剪成25.4mm(1英寸)寬的試樣，如圖14所示。

3） 試驗方法。以試樣的熱合部位為中心線，展開成180°。 把試樣的兩端夾在拉伸試驗機的兩夾具上，應使試樣縱軸與上下夾具中心線相重合，并要松緊適宜，以防止試樣滑脫和斷在夾具內。調整夾具距離，以150mm/min的實驗速度拉伸。不斷加大拉伸負荷，直到熱封處剝離為止，讀取試樣剝離時的最大載荷，即為試樣的熱封強度。如果熱封處未剝離或試樣斷在夾具內，則要重新測試。

圖11 電氣控制系統(tǒng)設計方案總圖

圖12 熱封時間與熱封溫度關系圖

圖13 微機控制電子拉力試驗機

圖14 試驗樣品

3.2 試驗結果及結論

各溫度下試樣的破壞模式皆為界面剝離，所得的熱封數據如表2所示，熱封強度與熱封溫度關系如圖15所示。

表2 PL-908和PL-909熱封強度

圖15 熱封強度與熱封溫度關系圖

由圖可見，PL-908材料在150℃左右基本達到穩(wěn)定，PL-909材料在170℃左右基本達到穩(wěn)定，同時在達到穩(wěn)定溫度以后，隨著溫度的上升，熱封區(qū)域的變形逐漸嚴重，進而影響了熱封的強度和外觀。所以這兩種材料的最佳熱封溫度分別為150℃±5℃和170℃±5℃。

綜上所述,PL-908材料的最佳熱封參數可以選擇為熱封時間8s,熱封壓力0.2MPa，熱封溫度150℃±5℃；PL-909材料的最佳熱封參數可以選擇為熱封時間10s,熱封壓力0.2MPa,熱封溫度170℃±5℃。

4 結束語

本文設計的某型號大飛機隔音棉脈沖式熱封機，經過現場試驗及調試，各項性能指標均符合企業(yè)的設計參數和技術指標，并制訂了一套合理的熱封時間、壓力和溫度的熱封參數，在生產過程中大大提高了熱封的工作效率和強度，有效的避免了熱封過程中的封口破裂、熱封強度差、封口不美觀等情況。

[1] 王連杰,蔡建,黎明.現代武器裝備對軍品包裝的要求及質量控制[J].包裝工程,2005,(06):196-197.

[2] 趙美寧,王闖,王佳.塑料盒封口機自動控制系統(tǒng)設計[J].西安工業(yè)大學學報,2008,(1):18 -20.

[3] 何南至.發(fā)展進步的技術[J].包裝縱橫,2002(1):23-25.

[4] 梁艷娟.易爆物品盒封包裝機的研究與設計[J].制造業(yè)自動化:2011(33).

[5] 杜玉寶,駱光林.淺談包裝材料熱封性能的影響因素[J].塑料包裝,2007,17(4):29-32.

[6] 馬平東.塑料復合包裝的熱封性能和熱封質量淺析[N].中國包裝報,2004-12-27(6).