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大连海事大学 硕士学位论文 新型节能塑封设备的系统设计与研究 姓名:鞠德宝 申请学位级别:硕士 专业:轮机工程 指导教师:李成求 20100601 中文摘要 摘要 随着半导体封装技术的发展,半导体元件塑封技术水平也得到了进一步的提 高,作为推动塑封产业发展的另一个重要组成部分,塑封机的性能的改进越来越 受到人们的重视。在塑封行业人们渴望有一种价格低廉、耗能少、工作性能可靠、 使用管理方便的塑封机,这种新型节能半导体塑封机的创新设计不仅有理论意义 更具有实用价值。 本文通过对现有塑封机的性能和工况分析,得出现有塑封机在实际工作过程 中,合模保压过程耗能最大,整个系统的工作压力较高,液压回路复杂,这些问 题主要是由于目前塑封机采用纯液压缸作为执行机构造成的,且特制的执行液压 缸增加了整机的制造成本。因此本文提出了一种以连杆机构与液压相结合的执行 机构,在此基础上设计出了一种新型的节能塑封设备。具体工作如下: 1 概括了半导体元件塑封机的工作原理,以及目前现有塑封设备几种节能方 法,总结了这些方法的优点和不足。并以载重2 0 0 吨的塑封机为例,分析该设备 的耗能情况,以及该设备经过传统变频节能改造后的节能效率。 2 提出了一种新型的液压与连杆相结合的合模机构。运用S o l i d W o r k s 软件对 其主要受力部件( 连杆和平台) 进行了有关应力、位移、形变的数学建模和仿真, 使设计的结构更加的合理。针对新的执行机构笔者为其设计了与之相适应的液压 系统,并对系统中涉及的液压组件( 液压泵、液压阀件、蓄能器等) 进行了选型。 3 对新设计塑封设备的性能进行了的分析得到以下结论:( 1 ) 新设备的工作 压力减少了一半,这使得在保压过程中因压力降低而减少了液压油的泄漏量;( 2 ) 通过计算得到了新系统在一个工作循环过程中的能量消耗量减少了4 5 以上,达 到了节能目的;( 3 ) 通过对新设备液压系统发热功率和散热功率的计算,得出系 统本身的散热量高于系统的发热量,系统不需外加冷却设备即可达到散热要求; ( 4 ) 由于新型塑封设备本身具有结构和性能上的优越性,使其制造成本大大降低, 这对于整个塑封产业来说意义重大。 关键词:塑封机;变频器;节能;液压;连杆结构 英文摘要 A b s t r a c t A l o n g w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs e m i c o n d u c t o r p a c k a g i n gt e c h n o l o g y , t h e s e m i c o n d u c t o r s e n c a p s u l a t i o nt e c h n o l o g yl e v e lh a sb e e nf u r t h e ri m p r o v e m e n t , t h e p l a s t i cp a c k a g ee q u i p m e n ta sa n o t h e ri m p o r t a n tc o m p o n e n tp r o m o t e st h ed e v e l o p m e n t o fe n c a p s u l a t i o ni n d u s t r i e s ,t h ep e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n to ft h ee n c a p s u l a t i o nm a c h i n e h a sb e e na t t e n t i o nb yp e o p l e I nt h ep l a s t i ci n d u s t r yp e o p l ee a g e rt oh a v eak i n do f p l a s t i c m a c h i n et h a ti s c h e a p ,l o we n e r g yc o n s u m p t i o n , r e l i a b l ep e r f o r m a n c e , c o n v e n i e n tu s i n ga n dm a n a g e m e n t ,t h i st h en e we n e r g y - s a v i n gp l a s t i ce q u i p m e n tn o t o n l yh a st h et h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c eb u ta l s oh a s t h eu s i n gv a l u e B a s e do nt h ee x i s t i n gp l a s t i cm a c h i n ep e r f o r m a n c ea n dw o r k i n gc o n d i t i o na n a l y s i s , t h a te x i s t i n gp l a s t i cm a c h i n ei na c t u a lw o r k i n gp r o c e s s ,t h em o s te n e r g yl o s ti nt h e c l o s i n gm o u l da n dk e e p i n gp r e s s u r ep r o c e s s T h ee x i s t i n gp l a s t i cm a c h i n es y s t e mh a s l l i g l lp r e s s u r e ,c o m p l e xh y d r a u l i el o o p ,t h ec u r r e n tp l a s t i c m a c h i n ea d o p t sp u r e h y d r a u l i cc y l i n d e ra s a c t u a t o r st od u et ot h e s ep r o b l e m s ,a n dt h es p e c i a lh y d r a u l i c c y l i n d e ri n c r e a s e dc o s t T h i sp a p e rp u tf o r w a r dan e w k i n do fc o m p o u n dd i em e c h a n i s m w h i c hi sac o m b i n a t i o no ft h el i n km e c h a n i s ma n dh y d r a u l i c ,a n dd e s i g no fan e w e n e r g y - s a v i n gp l a s t i ce q u i p m e n t T h es p e c i f i cw o r ki sa sf o l l o w s : F i r s t l y , t h ep a p e rg e n e r a l i z e dt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h es e m i c o n d u c t o r s e n c a p s u l a t i o nm a c h i n ea n ds e v e r a le x i s t i n gs a v i n g - e n e r g ym e t h o d , s u m m a r i z e dt h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h e s em e t h o d s T a k e nc o m p o u n dd i ep r e s s u r e2 0 0 t s e m i c o n d u c t o rp l a s t i cp a c k a g ee q u i p m e n tf o re x a m p l e ,a n da n a l y s e di t s e n e r g y c o n s u m p t i o na n dt h es a v i n ge n e r g ye f f i c i e n c yo ft h et r a d i t i o n a le q u i p m e n tw i t ht h e i n v e r t e r S e c o n d l y , p u tf o r w a r dan e wl 【i n do fc o m p o u n dd i em e c h a n i s mw h i c hi sa c o m b i n a t i o no ft h ec o n n e c t i n gr o dm e c h a n i s ma n dh y d r a u l i c U s e dS o l i d W o r k st o e s t a b l i s ht h em a t h e m a t i c a lm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o na n dt o a n a l y s et h es t r e s s , d i s p l a c e m e n ta n dd e f o r m a t i o nf o ri t sm a i nf o r c ep a r t s ( p l a t f o r m ,c o n n e c t i n gr o d s ) T h e a u t h o rd e s i g n e dt h eh y d r a u l i cs y s t e mf o rt h en e wa c t u a t o r s ,a n dc h o o s et h eh y d r a u l i c c o m p o n e n t s ( h y d r a u l i cp u m p ,h y d r a u l i cv a l v e sa n da c c u m u l a t o r , e t e ) f o rt h eh y d r a u l i c s y s t e m F i n a l l y ,T h a n k st ot h en e wd e s i g no ft h es y s t e mp e r f o r m a n c ea n a l y s i so ft h e f o l l o w i n gc o n c l u s i o n sa r eo b t a i n e d :( 1 ) T h en e we q u i p m e n ts y s t e mw o r k i n gp r e s s u r e d e c r e a s e di nh a l f T h i sm a k e st h el e a k a g eo fh y d r a u l i co i lg r e a t l yr e d u c e ;( 2 ) T h r o u g h t h ec a l c u l a t i o nt h ea u t h o rg o tt h ee n e r g yc o n s u m p t i o nl e s st h a n4 5 ,a c h i e v et h e p u r p o s eo fs a v i n ge n e r g y ;( 3 ) T h r o u g ht h ec a l c u l a t i o nf o rt h ec a l o r i f i cc a p a c i t ya n dt h e h e a td i s s i p a t i n gc a p a c i t yo ft h eh y d r a u l i cs y s t e m ,d r a wt h es y s t e m Sc a l o r i f i cv a l u e b e l o wt h eh e a te m i s s i o nv a l u e ;( 4 ) B e c a u s eo ft h en e w p l a s t i ce q u i p m e n ti t s e l fh a st h e s u p e r i o r i t yo ft h ei n s t i t u t i o n sa n dt h ep e r f o r m a n c e ,i tm a k et h em a n u f a c t u r i n gc o s ti s r e d u c e dg r e a t l y , i th a st h eg r e a ts i g n i f i c a n c ef o rt h ep l a s t i ci n d u s t r y K e y w o r d s :P l a s t i c e n v e l o pm a c h i n e ;I n v e r t e r ;E n e r g y - s a v i n g ;H y d r a u l i c ;L i n k m e c h a n i s m 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明:本论文是在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果, 撰写成博士硕士学位论文“堑型苴能塑越遮备数丕统逡让皇婴究:。除论文中已经 注明引用的内容外,对论文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明 确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表 或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名:霸魄Z o l o 年6 H :o 同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”,同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口,在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于:保密口 不保密以锫在以上方框内打“寸,) 论文作者签名:鞠铉导师签名:赫 日期:2 - 0 1 0 年月3 0 日 新型节能塑封设备的系统设计与研究 第1 章绪论 1 1 半导体元件封装概述及塑封的意义 半导体元件在当今世界上的各个领域都得到了广泛的应用。从日常的家用电 器到航空、航天等高端领域,从民用到军用,半导体元件都是必不可少的组成部 分,单是船舶的集控室和控制台应用的半导体元件数目就数不胜数。伴随着电子 信息技术的进一步的发展,半导体元件的作用更加突出,现代经济发展的数据表 明,G N P 每增长1 0 0 到3 0 0 元,需要l O 元左右的电子工业产值的支撑,而其中就 包含l 元的集成电路产品。同时越来越多的新型半导体元件在实际需求牵引和理 论推动的共同作用下应运而生,从最初的电阻、电感元件、到后来的晶体管、集 成电路,再到目前的S O C ,它的应用之广,发展之快是史无前例的。 1 1 1 半导体元件封装概述 “封装”这一名词出现的历史并不久远,它的诞生是伴随着二极管、三极管 及其芯片等半导体的出现。由于半导体元件的尺寸微小且结构脆弱,为防止在取 置和输送过程中由于外力或环境因素造成芯片破坏,使芯片的功能遭到损坏,所 以人们便设法将它们单独“包装起来,同时由于这些半导体元件具有特殊的性 能和规格等要求,为了方便充分发挥其功能,并实现同外电路可靠的电气连接, 必须对这些元器件进行有效的密封,这便出现了“封装”这一概念。 从半导体到电子器件再到电子机械设备,封装工艺都融入其中。半导体元件 在制造过程中,包括前工程和后工程,在前工程中,将硅圆片经过划片、制膜、 氧化、扩散、光刻等工序制成二极管、集成电路等半导体元件,使材料具有电子 功能,实现所需的元器件特性。在后工程中,对经过前工程加工后具有电子功能 的芯片进行装片、固定、键合、封装、引出接线端子、按印、检查等工序,完成 器件和部件的封装,狭义的封装就是指此过程。采用基板互连技术把经过后工程 封装的器件和部件同基板连接在一起并固定,最终装配成完整的系统和电子设备, 确保整个系统的综合性能,这一过程称为实装工程【1 】【2 】。 半导体封装技术是半导体元件制造中的重要一环,通过封装技术不仅能在运 输和取置过程中保护器件,还能与电容、电阻等无缘器件组合成一个系统并发挥 第1 章绪论 特定的功能。根据密封材料不同半导体封装可以分为塑料、金属和陶瓷三种封装 类型。陶瓷和金属封装热传导性质优良,可靠度佳,塑料的热性质与可靠度不如 陶瓷和金属封装,但塑料封装具有工艺自动化高、低成本、薄型化等优点,而且 随着工艺技术与塑封材料的改进,塑料封装在性能上有了较大的提高,使其逐渐 取代了金属和陶瓷封装,占有越来越多的市场。 塑封技术的方法与原理 塑料封装的流程图如图1 1 所示,先将电子芯片粘接于用脚架的芯片承载座 上,然后将其移入铸模机中灌入树脂原料将整个I C 芯片密封,经烘烤硬化与引脚 截断后即可得到所需的成品。 塑料封装的化学原理可以通过它的主要材料性能与结构来了解。常用塑料封 装材料有环氧树脂、硅氧型高聚物、聚酰亚胺等。环氧树脂是在其分子结构中两 个或两个以上环氧基团的有机高分子化合物。其线性聚合物具有稳定性,经过长 时间的存储也不会变质固化,所以要想让其交联固化成热固性塑料需要在其中添 加固化剂。硅氧型高聚物的基本结构是硅氧交替的共价键和连接在硅原子上的羟 基。因此硅氧型高聚物既具有一般有机高聚物的可塑性、弹性及可溶性等性质, 又具有类似于无机高聚物石英的耐热性与绝缘性等优点。被称为高温下的“万 能塑料的聚酰亚胺,具有耐高温、低温,耐高剂量的辐射,以及强度高的特点【3 1 1 4 1 1 5 1 。 1 1 2 半导体封装的目的 对半导体进行封装的目的主要体现在以下五个方面: ( 1 ) 接通半导体芯片的电流通路半导体元件作为电子元件首先要与电源 接通,在电路和半导体芯片之间有电流经过,根据芯片所接电源的要求对其进行 合理的线路分配,这样有利于电源的有效利用。 ( 2 ) 为半导体芯片提供信号的输入和输出在设计芯片的布线时,尽量缩 短信号线和芯片的连通路径,使通过封装的I O 引出的路径达到最短,这样可以减 少电信号的延迟。除此以外对于高频信号,还应考虑信号间的串扰问题,所以芯 片封装可以对信号进行合理的分配布线。 2 新型节能塑封设备的系统设计与研究 芯片粘接 打线键合 图1 1 塑料封装的流程图 F i g 1 1P l a s t i cp a c k a g i n gf l o w c h a r t s ( 3 ) 对半导体芯片所产生的热量提供散热通路各种电子产品内的元器件、 部件因长期工作将产生大量的热量。热量的聚集不仅会影响芯片的各项性能更严 重的会造成芯片的破坏,特别对于那些集成度高的芯片,芯片的热量同时也会随 着引脚数目的增加而急剧上升,每个芯片上每秒产生的热量高达l O 焦耳以上。加 强半导体芯片的散热,使电路在正常的温度下工作,对于芯片的使用性能和使用 寿命来说是十分必要的。封装结构与封装材料的差异使其具有相异的散热效果, 对于发热量大的半导体元件封装来说,增加外部冷却器( 风冷、水冷等) 来保证 电子器件正常工作,是生产中的常用的办法。因此,提高半导体芯片的散热是封 装的又一个目的。 第l 章绪论 ( 4 ) 提供机械支撑通过封装将芯片同其它部件可靠的连接在一起并加以 固定,使其能适应各种工作环境和条件。 ( 5 ) 对芯片提供环境保护没有经过封装的芯片在工作过程中会面临腐蚀、 氧化、辐射、振动等环境威胁,这样使得半导体元件及电路的参数、性能发生变 化,使其不能可靠工作。所以采用封装技术,将芯片密封在一个良好的工作环境 中,使其不受外部恶劣环境的影响,使其能正常的工作,是对半导体进行封装的 主要目的 6 】。 1 2 半导体元件塑封技术的发展现状 塑封是以塑料代替金属、玻璃、陶瓷等封装介质来包装半导体元件的一种技 术。国外是在1 9 4 7 年第一只晶体管问世后,便出现了塑封技术。由于当时塑封的 耐湿性和高可靠性等问题没有得到很好的解决,使塑封技术几近夭折。但是它特 有的诸多优点使人们没有停下继续研究的脚步:采用塑封后的半导体元件可大大 地降低其制造成本,节约大量的贵重金属和合金;它又能减轻器件的重量,缩小 体积;半导体元件采用塑封后不但提高了生产效率:且有一定的可靠性,可满足 一般的使用要求。因此塑封再一次受到重视,许多科学家都致力于塑封材料的合 成及塑封技术的研究。特别是到了7 0 年代,钝化材料和钝化技术的发展,使塑料 封装电子元器件越来越普遍。目前,国外大约9 0 以上的半导体元器件,尤其是 民用的器件大部份采用塑料封装。七十年代后期美国对某些型号的集成电路和晶 体管按军用8 8 3 标准考核全部通过,塑封的元器件已开始深人到军品。“塑封热” 的产生,是由于塑封模压工艺简单,生产效率高,应用方便,价格低廉,尤其是 晶体管和集成电路采用塑封后,使价格出现了戏剧性的降低。 我国半导体元件封装经过多年的发展,取得了一定的进步,其中封装测试产 业正在崛起,但与我国对半导体元件封装巨大需求相比仍相差甚远。在I C 封装行 业,目前国内只满足需求量的1 5 ,封装能力严重不足,封装产品的档次也是中、 低档,因此国家出台了一系列的发展I C 产业的优惠政策,使我国的I C 产业正在 跨越式发展,国外各大公司和台资纷纷到我国投资建厂,发展I C 产业。我国的塑 料封装起步于2 0 世纪7 0 年代,最初封装的产品是双列直插式( P D I P ) 。在2 0 世纪 4 新型节能塑封设备的系统设计与研究 8 0 年代末期,开发了塑料4 边引线扁平封装( P Q F P ) 、塑料小外形封装( P S O P ) 和塑 料有引线片式载体( P L C C ) ,到9 0 年代又继续开发了T P Q F P 、T S O P 、以及I C 卡的 封装。引线节距从P D I P 的2 5 4 m m 减小到P S O P 的1 2 7 r a m 和0 6 5 m m ,封装的厚 度也从P D I P 的3 6 m m 减小到P Q F P 的2 0 m m ,进而减小到T P Q F P 的1 4 m m 以下, 从而使封装密度大大提高。随着改革开放,一些合资企业和独资企业在我国纷纷 建立集成电路封装厂,加速了我国封装产业的发展速度,提高了集成电路的出口 份额。目前我国己开发了P D I P ( 8 5 2 ) 系列,P S O P ( 1 4 - - 4 4 ) 系列,P Q F P ( 4 4 - - 1 6 0 ) 系列,P L C C ( 2 8 - - 8 4 ) 系列等集成电路封装品种。 封装技术作为信息产业的重要基础,在产品中发挥着很大的作用。具体来说 封装技术的发展状况直接影响着产品的性能、可靠性、寿命、成本等。现代电子 信息产业的竞争在某种意义上主要就是电子封装业的竞争,它也是现代工业化水 平的一个标志。而作为封装技术的主流塑料封装技术的发展更加至关重要,每年 都有大量的资金投入到塑料封装技术的改进与研发中,可以预见在将来塑料封装 技术将以更加完美的姿态应用在我们生活的方方面面。 半导体元件塑封技术的发展主要指封装技术发展和塑封机的发展。封装技术 的发展趋势:封装外形上向小、薄、轻、高密度方向发展;规模上由单芯片向多 芯片发展;结构上由两维向三维组装发展;封装材料由陶封向塑封发展;价格上 成本呈下降趋势。塑封机是影响半导体元件塑封技术的发展另一个因素,塑封机 性能的提升,不仅提高了塑封元件整体性能同时又降低了元件制造成本,对半导 体元件塑封技术的发展的推进作用是显而易见的。塑封机的发展趋势:轻、小( 可 携带性) ;高速化;增加功能;提高可靠性;降低成本;对环境污染少【7 1 。 1 3 论文的研究背景及主要研究内容 1 3 1 论文的研究背景 半导体元件塑封设备是用于制造半导体元件( 如二极管、三极管等) 的设备。 随着半导体元件的广泛应用及其产量的迅速增长,对高效、节能的塑封机械的需 求量也与日俱增。其中半导体塑封机由于对各种塑料的加工具有良好的适应性, 能对外形复杂、尺寸精确且对有金属嵌件质地密致的塑料制品一次成型,其生产 5 第1 章绪论 能力较高,易于实现自动化,因此成为塑料机械中增长最快,生产数量最多的机 种之一。据统计,目前塑封机的生产总数占整个塑料成型设备的2 0 “ 3 0 。在半 导体元件制造行业飞速发展的同时,行业内的竞争也同趋激烈,如何有效降低成 本,提高产品竞争力成了业内企业共同关注的问题。塑封机的工作原理与注塑机 相同,是注塑机的一种,主要靠液压传动完成合模和注塑的,但目前市场上的大 部分塑封机在工作过程中系统压力高,液压控制回路复杂,阀件多,油温上升快, 这给设备的日常维护和管理带来不便,同时保压阶段液压油泄漏量大,定量泵的 使用与执行机构的工作要求匹配不当,使得能量损失严重。虽然近年来国内外一 些厂家推出了变量泵塑封机、全电动塑封机等节能型产品,但是由于设备价格昂 贵、维护成本高、使用要求高及整体性能不佳等原因,在国内市场上销量不大。 所以,伴随着半导体元件塑封技术的发展和封装技术的进步,设计一种系统压力 低,维护管理方便,能量消耗少、制造成本低的塑封设备更具有实际意义。 1 3 2 论文的主要研究内容 本论文的主要研究内容如下: ( 1 ) 以载重2 0 0 吨的塑封机为例分析其工作原理及其目前几种节能方法,阐 释现有节能方法的优缺点并计算出变频节能改造塑封机的能量消耗情况。 ( 2 ) 设计出一种新型的塑封设备,对其新设备进行了包括执行机构,液压控 制回路在内的系统设计,对其控制系统进行了概念性设计。 ( 3 ) 利用S o l i d w o r k s 软件对新型塑封机执行机构的主要部件进行了受力分析, 验证并改善其尺寸结构。对新型塑封设备的性能进行了验算,其中包括耗能、发 热等计算,以便进一步完善设计。 ( 4 ) 通过新设计的塑封设备与现有设备的性能比较,得出新设备在性能上的 优越性,从而验证了设计的正确性。 6 新型节能塑封设备的系统设计与研究 第2 章塑封机的工作原理及其节能方法 半导体元件塑封技术的发展不仅依赖封装技术发展,同时塑封机结构和性能 的改进也是至关重要的。在对塑封机的结构和性能进行改进时,首先要了解塑封 机的工作原理,即了解塑封机是如何进行半导体元件封装的;然后再对现有的塑 封节能方法进行分析和总结,找出其节能方法的优点和缺陷;最后提出一种新的 设计方案。 2 1 塑封机的工作原理 2 1 1 简述塑封机的系统组成 分析塑封机的工作原理,首先要知道塑封机的基本结构及其系统的组成,塑 封机是一种液压机械其结构同注塑机相似,主要完成合模和注塑两个动作过程。 塑封机的组成按其性能主要分为三部分:执行机构、液压控制回路和动力源。 半导体元件塑封机系统结构如图2 1 所示,包括以下几个部分:1 模具( 上模 和下模) 2 合模液压缸3 液压控制回路4 注塑机构5 注塑液压控制回路6 动力源 7 油箱。上模固定在上支架的下端,而下模一般放置在可移动的工作平台上,随着 工作平台的上下移动完成合模与脱模。液压缸2 的移动受到液压控制回路的控制, 其动力由动力源提供,动力源一般是定量泵,也有变量泵但成本相对较高,动力 源除了向合模液压缸供油外,还向注塑部分供油,这里液压油的压力都是比较高 的。 半导体元件塑封机动作过程与注塑机相似,其过程一般分为以下步骤:合模冲 压一注塑保压一熔胶加料一冷却定型一开模一取出塑封件。首先由动力源的液压 泵供油,在控制液压回路3 的控制下,合模液压缸2 向上顶起平台完成合模动作; 然后冲压是上下模具之间产生一定的高压大约在2 0 M P a 左右,此时注塑缸4 动作, 将溶胶注入的磨具内完成注塑:经一段时间的冷却后,注塑的塑料由液体凝结为 固体并定型,注塑液压缸回退完成整个注塑过程;此时合模液压缸回退,将封装 好的半导体元件取出切割,完成一个工作循环。其中每一动作的完成都有时间、 压力、速度、位置等几个参数的精妙配合,也就是说在某一位置的位移都有相应 7 第2 章塑封机的I 作原理及其节能方法 的压力和速度与之对应,且在不同的位置和时间内其压力和速度是变化的。正因 为这种变化的存在,使其在工作和控制上带来了麻烦。如在保压阶段系统对液压 油流量要求不大,但却要保持很高的保压压力,这使得定量液压泵的动作处于尴 尬的境地,长期处于高压并卸荷的状态。在控制方面,每一动作完成后发出终止 信号传送给控制器,程序控制器收到信号才发出执行下一动作的指令,使其动作 准确连续的进行,完成一个个工作循环H 目。 注塑机构一 、 土塑! 尘垫2 | 下模( 上下可动) J 广厂一T T 爿I 一 、- 一J 一_ _, j 注塑液压 控制回路 动力源 卜五i ;L o , 路甜箱 卜模具2 一台模液压缸3 一液压控制同路4 _ 注塑机构 5 注塑液压拄制闸路6 动力源7 油箱 图21 塑封机系统幽 F i g 2 1P l a s t i c m a c h i n es 3 ,s t e m 212 塑封机的液压工作原理 塑封机作为以液压缸,液压阀件和液压泵为主要组成的液压机械,能量转换 过程主要靠液压传动来完成的控制也是由电力控制和液压控制共同来实现的。 其液压工作原理和其他液压机械原理相同,首先介绍一下什么是液压传动和液压 控制,但电力控制就不过多赘述了。 液压传动:它是以液压油为工作介质,通过动力元件( 油泵潜原动机的机械能 变为液压油的压力能,再通过控制元件,然后借助执行元件( 油缸或油马达) 将压力 能转抉为机械能,驱动负载实现直线或回转运动,且通过对控制元件遥控操纵和 新型节能塑封设备的系统设计与研究 对流量的调节,调定执行元件的力和速度。当外界对上述系统有扰动时,执行元 件的输出量一般要偏离原有调定值,产生一定的误差。 液压控N - 和液压传动一样,系统中也包括动力元件、控制元件和执行元件, 也是通过油液传递功率。二者不同之处是液压控制具有反馈装置,反馈装置的作 用是执行元件的输出量( 位移、速度、力等机械量) 反馈回去与输入量( 可以是变化 的,也可以是恒定的) 进行比较,用比较后的偏差来控制系统,使执行元件的输 出随输入量的变化而变化或保持恒定。它是一种构成闭环回路的液压传动系统, 也叫液压随动系统或液压伺服系统。液压控制系统中用的是伺服控制元件,具有 反馈结构,并用电气装置进行控制,有较高的控制精度和响应速度,所控制的压 力和流量常连续变化。输出功率可放大。比例控制是介于上述二者之间的一种控 制,所用比例控制阀是在通断式控制元件和伺服控制元件的基础上发展起来的一 种新型的电液控制元件,兼备了上述两类元件的一些特点,由于用手调的通断式 控制不能满足要求,但也不需要伺服阀对液压系统那样严格的污染控制要求的场 厶【l O 】 口0 以某载重2 0 0 吨半导体元件塑封设备为例,参看系统的液压系统图,如图所 示系统包括两个部分:一个是执行机构由合模部分和注塑部分组成;另一个是动 力源部分由电动机,油泵以及各辅助阀件组成。整个液压控制系统主要负责对执 行机构的压力、速度、流量进行控制和液压泵的卸荷,以及安全控制。 塑封机的液压控制部分是整个液压系统的主要部分,其控制性能的优劣也影 响着整个系统的性能好坏,对整个过程实现简单、迅速、准确的控制是液压控制 回路设计追求的目标。 现有的塑封机都能够完成规定的动作,同时塑封的半导体元件都能够达到设 计的要求,但塑封系统本身还存在一些弱点:第一,塑封机动作内部有着十分剧 烈的突变过程:如合模过程中,快速合模一慢速软合模一合模冲压的工况突变就 很剧烈的;又如注射过程中,快速注射一变速一慢上一快上一慢上的注塑过程工 况也很剧烈的,对机器的冲击十分的大,影响了整个塑封系统的寿命。第二,动 作油路制动达不到设计的精度,油路制动的开闭取决于电磁阀,而电磁阀的动作 又取决于过程控制器提供的电压和电流,因大多数塑封机都没有死循环控制,阀 9 第2 章塑封机的工作原理及其节能方法 的开闭精度就会大打折扣尤其是阀的丌闭程度在1 0 以下和9 0 以上时,动作 的重复精度和稳定性都是极差的,某一动作在此状态下被执行很难保证其稳定性 和精度。第三,执行机构动作的油缸本身有油封破损,有内泄现象,执行动作的 可靠性和稳定性不高。这是由于多数时问内。负载的实际耗油量均小于油泵的供 油量,造成高压状态下的液压油部分经溢流阀,比例阀等液压元件溢出。该溢流 部分不仅未作任何有用功,而且产生热量,造成液压油发热,既耗能,又有害。 所以就有必要对现有的塑封设备进行节能改造设计,这既能很好的解决这些问题, 又提高了整个系统的稳定性和精度,减少了巨大的机械冲击,延长了系统的使用 寿命,同时节约大量电能I l ”。 F T 争h 斗 一 e 缚卜 图22 原系统全图 F i g2 2 T h eor i g i n a ls y s t e m 2 2 目前的几种节能方法 0 22 1 变频节能改造 目前绝大多数塑封机都是采用液压传动,定量泵塑封机就是通过电动机带动 定量泵供油来提供液压传动系统中的动力。但由于在实际工作过程中,塑封机液 压缸的速度和压力随时间的改变而改变,而设计的电动机和定量泵功率是按其最 r 基 虱篷 新型:1 了能塑封设备的系统设计与研究 大输出功率设计的是不可改变的。这样势必造成了能量的过多消耗,其能量耗费 主要表现在保压阶段,在该阶段所需的能量较少,但动力源提供的仍是较高的能 量输出且不可调节。所以就有了对塑封机的动力源进行变频改造,即不改变定量 泵的基础上安装一个变频器调节电动机转速,达到变量供油的效果,即实现了液 压系统需要多少油量供应多少。变频节能现在应用比较广泛,而且效果不错【1 2 】【1 3 】。 2 2 2 加装蓄能器改造 除了在动力源进行节能改造外,又有了针对其液压控制系统进行的改造,比 如在液压控制回路中加上个蓄能器,主要在注塑液压控制回路和合模液压控制回 路加装蓄能器。当机构合模完成后,在保持一定的合模压力情况下系统开始注塑 并进入一定时间的注塑保压阶段,此时关闭相应的可控单向阀,并停止油泵的供 油,这时蓄能器开始工作并向系统提供能量,来保持合模压力和注塑压力的稳定, 达到节能的目的。 加装蓄能器改造能够节约系统的耗能且方法简单容易实现,但同样也存在着 不足之处:1 蓄能器的节能效果不如变频节能有效,蓄能器只能在保压阶段节能, 不能在工作循环的其他过程中节能;2 由于保压时系统的压力较高,对蓄能器要求 较高,也增加了设备的制造成本。3 增加蓄能器使液压回路变得复杂维护管理不便 1 4 1 1 5 1 。 2 3 变频节能的应用及其耗能分析 2 3 1 变频节能的应用 在实际的生产过程中,采用变频器对现有设备进行变频改造的应用己相当普 遍,技术上也相对成熟。以前液压马达直接接市电一直以工频运行,泵的输出流 量也就无法随着负荷的变化而改变,始终保持恒定的流量。塑封机的设计长期以 来追求精密化和高速化,设计时电动机的功率通常又是按照各个动作的最大消耗 功率来设计的。但实际生产中,由于产品的表面精度的要求,往往产品不适合高 速高压成型,因此导致塑封机的设计功率偏大。实际使用时电动机的平均负载往 往只有设计容量的4 0 - 一6 0 ,个别情况甚至更低。这也造成了电动机工频运行电 能的大量浪费。对定量泵塑封机的变频改造正是基于以上两方面的原因。改造后 第2 章塑封机的工作雁理及其节能方 去 的系统,能够自动跟踪塑封机本身的工作状态、工作压力和流量信号,通过变频 器适时适量地控制液压马达的转速柬调节泵的输出流量,使泵的实际供油量与塑 封机的工作流量需求在任一工作阶段均能保持一致。这就使电动机在整个负荷变 化过程中的能量消耗降到最小程度,基本消除了溢流现象。另外在非动作状态时 让电动机停止下来,也能进一步地增大节能空间。再有,应用变频器还能提高系 统的功率因数,减小液压马达的无功损耗,并提高了工厂的供电效率和电网质量。 综上所述,不难看出,对定量泵塑封机进行变频节能改造能够带来巨大的节能效 果。 同样以某载重2 0 0 吨半导体元件塑封设备为例简述其变频节能的方法。具体 改造方法如图2 3 和2 4 所示。 幽23 原系统传动方案 F i g2 3 T h e o 哟i n a ls y s t e m t r a n s m i s s i o ns c h e m e 新型节能塑封设备的系统设计与研究 圈24 改造后系统传动方案 F i g2 4 T h e m o d I f l c a t J o ns y s t e m t r a n s m i s s i o n s c h e m e 从图2 3 和2 4 可以看出在改造前塑封系统的动力源是由一个双联泵和和一个 中压泵组成的定量泵供油系统。系统的液压油的调节主要靠卸荷的方式来完成而 且液压组件较多,能量损失加大;改后的系统由两个变频罂分别控制两个液压泵f _ - 个高压泵,另一个是低压泵) 来实现系统的供油,系统的液压组件减少,液压油的 流量调节,主要靠变频电机改变转速来调节液压泵的转速来实现。而不是通过溢 流的方式来实现。这样大大减少了在系统液压油流量变化较大的情况下溢流能量 的损失,控制上也更加方便旧。 232 变频节能的耗能分析 在计算变频节能的耗能损失之前,首先要对原有的塑封设备的液压系统进行 工况分析,然后得出原有系统的能量损失情况这样便于与变频改造后的节能效 果相比对。 ( 1 ) 原系统的实际能量消耗 以某载重2 0 0 吨半导体元件塑封设备为例,按照实际的工作要求对执行机构 进行工况分析和相关计算,得出系统工况分析图表,如表2 1 所示。 第2 章塑封机的工作原理及其节能方法 表2 1 系统工况分析 T a b 2 IT h es y s t e mw o r k i n ga n a l y s i s T A N M 合模部分注塑部分 压力流量时间功率压力流越 时间 功率 时刻过程 过程 M 【P am l sSk WM P am l sSk W 快速合 0 257 0 8 423 5 4 2 无 模 2 4软合模 8 1 8 4 121 4 7 3无 、 合模冲 、 4 62 04 9 5 920 9 9 2 无 压 6 6 5过渡2 07 8 3 3O 5O 1 5 7无 6 5 注塑 8 5 保压2 07 8 3 320 1 5 7 头快 56 2 8 023 1 4 降 8 5 变速 一l O 5 保压2 07 8 3 320 1 5 771 0 5 520 7 3 8 l 1 0 5 变速 1 2 5 保压 2 07 8 3 320 1 5 775 0 2 42 0 3 5 2 2 1 2 5 保压2 07 8 3 330 1 5 7 变速 7 2 5 1 230 1 7 6 1 5 5 3 1 5 5 保压2 07 8 3 31 1 30 1 5 7 注塑 71 0 81 1 30 0 7 6 1 2 8 5保压 1 2 8 5 注塑 保压 2 07 8 3 3l0 1 5 71 5Ol0 1 2 9 5 减压 1 2 9 5注塑 保压2 07 8 3 3l0 1 5 7 头慢 72 2 3 2l0 1 5 6 1 3 0 5 上 1 3 0 5注塑 保压 2 07 8 3 32 0 1 5 7头快 5 5 3 9 222 6 9 6 1 3 2 5 上 1 3 2 5注塑 保压 2 07 8 3 3l0 1 5 7 头慢 7 2 2 3 2l0 1 5 6 1 3 3 5 回 1 3 3 5 保压 2 07 8 3 30 5 0 1 5 7过渡 7 1 0 8O 50 0 7 6 1 3 4 1 3 4 一合模减 1 5030 无 1 3 7 压 1 3 7 合模慢 1 21 4 3 321 7 1 9 无 1 3 9 降 1 3 9 一合模快 、 1 4 1 降 56 7 3 623 3 6 8 无 1 4 1 合模慢 、 1 4 3同 1 21 4 3 321 7 1 9 无 注:表l 中,注塑头第一速度按2 1 m m s ,第_ 二速度1 0 m m s ,第三速度5 m m s ;系统保压时间 内的泄漏量按相应泵排量的1 1 0 计算;合模与注塑转换过渡过程按O 5 s 计算。 1 4 新型。肖能塑封设备的系统设计与研究 通过工况分析图表我们可以大致了解了系统工作时的耗能情况,不难看出两 个保压阶段系统需要得能量较少。但系统却提供了较多能量,大量的能量浪费掉 了,这也是由于原系统的动力源是由定量泵供油,不能自行调节输出流量的结果。 由表中的数据我们可以得到一个工作循环系统所耗费的能量。原系统经过实际测 得在一个工作循环过程中的耗能为4 5 k W 。 ( 2 ) 变频后系统总耗能计算 W = Z P , t f ( 2 1 ) i m l 形= 彬 ( 2 2 ) 扣I 由公式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 可得变频节能后的合模液压缸耗能为: 乃k = 3 2 6 2 + 8 4 7 2 + 2 5 2 2 + 2 0 8 6 4 + O + 3 6 7 4 + 7 8 8 + 3 6 7 4 = 5 0 3 4 8 ( 1 【J ) 可得变频节能后的注塑液压缸耗能为: 阿k = 6 4 6 8 + 1 4 9 2 + 0 7 1 0 + O 5 3 1 + 8 5 8 8 +

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