孫紅杰,李建云
(1.西安航天動力試驗技術(shù)研究所,陜西 西安 710100; 2.西安航天弘發(fā)實業(yè)有限公司,陜西 西安 710100)
熱壓機是一種常見的工業(yè)設(shè)備,廣泛應(yīng)用于橡膠、電力、電子、高鐵等多個行業(yè)。每個行業(yè)對產(chǎn)品尺寸、材質(zhì)、性能及要求不同,對熱壓機設(shè)備的要求也有所不同。在電子及高鐵行業(yè)中,由于產(chǎn)品的特殊性,對熱壓機設(shè)備也提出了更高的要求。例如高鐵行業(yè)中生產(chǎn)復合母排用的熱壓機。
復合母排是由多層材料疊加而成,基層為厚度1~6 mm的導電材料(紫銅、黃銅或鋁合金),兩面覆蓋絕緣材料(薄膜、絕緣紙或環(huán)氧材料),將這些絕緣材料逐層疊合在導電材料上,就構(gòu)成了一個多層復合結(jié)構(gòu)的連接電路(如圖1所示)。
圖1 復合母排產(chǎn)品
復合母排熱壓機是復合母排行業(yè)的核心設(shè)備,其主要功能是將復合母排產(chǎn)品按工藝要求在設(shè)備上進行溫度和壓力的精確控制,使產(chǎn)品各層均勻粘接,性能達到產(chǎn)品規(guī)定的使用要求。
相比其他行業(yè)產(chǎn)品,復合母排行業(yè)產(chǎn)品不但尺寸較大,性能優(yōu)良,而且對熱壓機設(shè)備的技術(shù)要求也更高,一般要求設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)為
工作臺面粗糙度≤1.6 μm;
工作臺面平行度≤0.05 mm;
壓力控制精度≤2%;
壓力均勻度≤1%;
溫度控制精度±3 ℃;
溫度均勻度≤2 ℃。
隨著熱壓機工作臺面(熱板)尺寸的增大,這些技術(shù)參數(shù)越來越難以保證。當熱板長度尺寸超過1.5 m時,就必須在設(shè)計上采取有效的技術(shù)措施來保證技術(shù)參數(shù)。
當熱壓機熱板長度超過1.5 m時,一般熱壓機的熱板平面度、平行度、立柱導向精度等機械精度已不能滿足復合母排的工藝要求。為提高熱壓機的機械精度,移動工作臺和四個導向柱的強度需要同步加強。根據(jù)熱壓機的最大壓力,計算移動工作臺的最大變形量,原則上應(yīng)控制在0.02 mm以內(nèi)。導柱導套之間導向精度控制在0.02~0.05 mm。熱板安裝面平面度保證在0.02~0.03 mm,熱板上下面用大型平面磨床磨平,平面度0.01~0.02 mm。機械設(shè)計精度和加工工藝按有關(guān)標準執(zhí)行,這里不再贅述。設(shè)備機械精度的提高,有利于保證產(chǎn)品熱壓時表面壓力均勻,溫度均勻,這是生產(chǎn)合格產(chǎn)品的基礎(chǔ)條件。
由于工作臺面較大,如果采用一個液壓缸推舉工作臺,不但液壓缸直徑較大,而且會造成工作臺面受力不均勻,阻力大、易變形等問題。為保證工作臺受力均勻,減少變形,因此設(shè)計采用三個液壓缸,中間采用活塞雙作用液壓缸,兩邊采用柱塞單作用液壓缸(如圖2所示)。三個液壓缸缸徑相同,行程相同,采用同步閥控制,保證三個液壓缸同步升降。采用三個液壓缸能保證工作臺受力均勻,運行平穩(wěn),降低設(shè)備高度,減少機械變形,從而延長設(shè)備使用壽命。
圖2 多缸推舉工作臺
對于長度超過1.5 m的熱板,整個板面溫度的均勻度也不易保證。如果將加熱通道制作成單一通道,則通道較長,流阻較大,進油口和出油口距離較遠,會造成進油口和出油口溫差較大,不能滿足溫度均勻度的要求。為保證熱板溫度均勻,因此加熱通道采用雙進雙出密集流道結(jié)構(gòu)(如圖3所示),兩個進油口設(shè)計在熱板中間,兩個出油口設(shè)計在熱板兩端,采用此種設(shè)計結(jié)構(gòu)可大幅縮短加熱通道長度,減小進出油口的溫差。
圖3 雙進雙出密集流道結(jié)構(gòu)熱板
復合母排熱壓機對壓力精度要求較高,在熱壓過程中要求壓力波動范圍≤2%。為了實現(xiàn)對壓力的精確控制,建議采用高精度的流量比例溢流閥控制壓力精度。當油缸壓力掉壓達到設(shè)定壓力的2%時,高壓油泵和比例溢流閥啟動對油缸微量補壓,到達設(shè)定壓力值時,高壓油泵和比例溢流閥停止工作。可事先設(shè)定比例溢流閥的百分比,按設(shè)備要求的最小壓力流量比例來設(shè)定,保證小壓力工作時補壓過程中不會超壓。采用比例溢流閥,可精確控制熱壓機工作時的壓力精度,保證產(chǎn)品在恒壓下完成熱壓工藝。采用伺服液壓系統(tǒng)也可達到同樣的效果。
在熱壓機工作過程中存在一個現(xiàn)象:熱板升溫時,由于熱板和工件受熱發(fā)生體積膨脹,油缸壓力會出現(xiàn)不降反升的現(xiàn)象。如圖4所示,在升溫過程中,壓力出現(xiàn)超壓現(xiàn)象,隨著溫度逐漸穩(wěn)定,壓力也會變得穩(wěn)定。隨著熱板溫度的升高,油缸壓力會升高并超過設(shè)定壓力的2%,壓力設(shè)定越低這個現(xiàn)象就越嚴重。為解決這一問題,需要在液壓系統(tǒng)中增加超壓卸荷系統(tǒng),當油缸壓力超過設(shè)定壓力的2%時,卸荷系統(tǒng)啟動工作并微量泄壓,到達設(shè)定壓力值時,卸荷系統(tǒng)停止工作。保證油缸壓力不會超過產(chǎn)品要求的使用壓力。
圖4 熱板膨脹引起壓力變化圖
目前熱壓機熱板常用的加熱方式有電加熱和導熱油加熱。
電加熱方式是直接將電熱管插入熱板上預先加工的孔中,電熱管通電對熱板直接加熱。電加熱方式優(yōu)點是成本較低,缺點是加熱速度較慢,溫度精度及平穩(wěn)性不易控制,且大功率加熱管的使用壽命較短,頻繁更換加熱管會影響生產(chǎn)效率和增加成本,因此電加熱方式在溫度精度要求較高的設(shè)備上不建議采用。
導熱油加熱是目前已知比較理想的加熱方式。導熱油加熱采用封閉式加熱循環(huán)系統(tǒng),熱量損失小,熱效率較高,節(jié)能效果顯著。導熱油傳熱均勻,加熱時溫度變化小,可精確控制運行溫度,一般溫度可控制在±2 ℃以內(nèi),甚至可以達到±1 ℃。如圖5所示,中間線條為熱板溫度變化圖,直線部分表示溫度恒定,變化極小。導熱油具有良好的熱穩(wěn)定性,不易揮發(fā),不會腐蝕加熱系統(tǒng),可以在規(guī)定的穩(wěn)定內(nèi)長期使用。導熱油加熱系統(tǒng)的運行費用和維修費用較低,可節(jié)約生產(chǎn)成本。
圖5 導熱油加熱 油溫及板溫變化圖
導熱油的溫度控制方式采用PID運算,可控硅控制,可控硅按百分比控制加熱功率,通過實時采集工作臺溫度不斷調(diào)節(jié)加熱功率,在接近目標溫度時按比例逐漸減小加熱功率,從而精確控制熱板的溫度。
工作臺長度尺寸1.5 m以上的熱壓機通過采取以上控溫控壓技術(shù)措施,可以實現(xiàn)對產(chǎn)品溫度和壓力更為精確的控制,工作臺面的壓力和溫度也更加均勻。由此種設(shè)備熱壓成型的產(chǎn)品表面均勻平整度高,一致性好,產(chǎn)品合格率顯著提高。圖6及圖7是專門為復合母排產(chǎn)品研制的高精度熱壓機外觀圖。
圖6 大尺寸熱壓機外觀圖1
圖7 大尺寸熱壓機外觀圖2