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JX18-67 【JX18-67】桌面式真空压膜机的设计二维+三维+论文

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目录目录1摘要3Abstract41绪论51.1课题研究背景：51.2热压机与真空压机发展现状：61.3伺服电机在压机上的应用现状91.4软件介绍101.5课题设想、内容与突破111.5.1方案和技术路线111.5.2目的与意义121.5.3本章小结122.真空压机整体结构设计132.1框架结构设计142.2上下压力模块设计152.3各处重要连接设计182.3.1压机与上压力模块的连接182.3.2压机与下压力模块的连接202.4框架结构安全性计算203.加热冷却系统设计223.1加热系统设计223.1.1加热棒的选用223.1.2加热板设计233.1.3 加热温度计算243.2冷却系统设计243.2.1冷却水道设计253.2.2隔水片设计253.3温度传感器263.3.1温度传感器的选用263.3.2温度传感器的位置放置274.真空系统设计284.1密封系统设计284.1.1上真空罩处密封284.1.2真空罩之间密封294.2真空系统管路设计29结论30致谢31参考文献32 32 / 32摘要真空压膜机适用于各种厚度的高分子薄膜和制件制备，在高分子材料力学性能测试，流变性能测试等方面具有重要应用。目前实验室使用的真空压机大多采用液压系统，结构设计过于粗糙，本课题拟设计一台小型真空热压设备，采用伺服电机作为驱动，使其具有清洁，小型，操作方便等优点。主要设计内容如下：使用Solidworks设计并绘制桌面压机主体框架，进行了框架的安全性计算和仿真模拟分析，压机的机械部分总质量为120.6kg，所占空间为0.06m3，可放于桌面使用。采用伺服电机作为压力系统和进给系统驱动，选用伺服电动缸并设计了其与上模块的连接机构。将真空系统、加热冷却系统主体部分模块化设计于上下模腔之中，缩小压机体积。将上下模块中加热冷却系统设计相同，使其加热和冷却控制更为精密。计算分析加热和冷却功率，仿真分析了加热及冷却时的温度场分布。设计了具有多种密封形式的密封系统，计算分析了传动轴和上模腔之间动密封产生的摩擦力以及上下模腔之间的压力对压力系统的影响。设计了热台总体形状，并设计了传感器安放位置使其测量温度更为真实。关键词：热压；真空；伺服电机：结构分析；密封AbstractVacuum pressing machine is suitable for various thickness of the polymer film and parts , it has important application on mechanical properties of polymer materials testing and rheological performance test. Hydraulic system is currently used in laboratory vacuum pressing machine, making the structure design too rough, this project intends to design a small vacuum hot pressing equipment, servo motor as the drive, which is clean, small, easy operation. The main design contents are as follows: Using SolidWorks to design and draw the main frame of the desktop machine, and the security calculation and simulation analysis of the framework are carried out. The total quality of the mechanical part of the vacuum press is 120.6kg, the space of it is 0.06m3, and it can be put on the desktop. The servo motor is used in the pressure system and the feed system. Servo electric cylinder is selected and the connection mechanism between the servo motor and the upper module is designed. Designing the main part of vacuum system, heating system and cooling system unified in the upper and lower mold cavity, with modularity, making the machine volume reduced. The design of the heating system is the same as the cooling system in the upper and lower modular, so that the heating and cooling control is more precise. Calculated and analyzed the heating and cooling power, analyzing the heating and cooling temperature field distribution. A sealing system with many kinds of seals is designed, calculating and analyzing the influence on the pressure system of friction force of the dynamic seal between the drive shaft and the upper die cavity and the pressure between the upper and the lower cavity. The overall shape of the hot stage was designed, and the position of the sensor was designed to make the measuring temperature more realistic. Key words: hot pressing; vacuum; servo motor; structure analysis; seal1绪论1.1课题研究背景：由于用热压成型方法复制聚合物复合材料具有成本低廉、可并行操作、快速高效等显著优点,已成为聚合物加工的一项主要技术1，广泛应用于聚合物制品的制作。热压成型工艺是在一定的温度下（一般大于聚合物的熔融温度）通过上下模板对聚合物施加较大的压力,从而给予聚合物以一定形态的工艺过程。其工艺示意图如图1.1所示，图1. 1热压成形法制作聚合物样片Fig.l .1 Schematic drawing of hot embossing process将聚合物粒料放置在上下模板和中间模板组成的空腔中，加热略高于熔融温度使其转化为粘流态,保压一定的时间,然后在加压的条件下,将模具和聚合物熔体一起冷却到玻璃化温度以下，最后脱模,得到所需的聚合物样片。热压过程中温度、压力随时间变化的典型曲线如图1.2所示2。图1. 2 热压成形过程中温度、压力随时间变化曲线Fig. 1.2 the curves of temperature and pressure in the process of hot press forming由于热压成型具有操作方便、节省物料有点，所以实验室制作流变圆片，拉伸样条等用于高分子材料性能测试的制件多采用热压工艺。目前大多数热压设备为平板硫化机或者热压机，但使用这些设备进行压片时，样片易出现孔洞、凹陷、表面花纹等外观不良现象以及尺寸不精确等质量问题3，并且样品内部残留气泡周围会聚集大量热量导致材料高温氧化降解使得高分子材料力学强度严重下降。热压设备配备真空系统，能够提供真空热压环境，将熔融物料中的气泡抽出，对于提高样片质量具有重要的促进作用4。1.2热压机与真空压机发展现状：作为现阶段来讲，热压设备的开发多集中在微纳热压印设备。国外的研究机构较早开始了热压印的研究，并由此开发了多种热压设备。新加坡制造技术研究所开发了一款热压设备5，如图所示1.2所示。其主要组成部分包括上下压头、校准装置和空气冷却装置等组成，起工作的温度上限为350，最大的输出压力为25KN。国内对热压设备的开发起步较晚，并且所开发的设备大多结构简单粗糙，毫无优化设计，在使用过程中，每次压片所耗费时间较长，并且在温度和压力控制方面不精确。近些年来，国内的一些科研院校对热压设备有了一定的研究进展。浙江大学的贺永等人针对热压机的控制系统设计模糊PID控制器，研制了数控热压机，如图1.3所示。这种数控压机可以保证温度的控制精度在 0.2范围内。在加热及冷却系统上，他们采用了辅助热源以及辅助散热装置，由此可提高压机的升降温速率，其压机的升降温速率 1/s6。 图1. 2新加坡制造技术研究所开发的热压机5Fig. 1.2 The hot embossing of Singapore Institute of Manufacturing Technology 5图1. 3浙江大学研制的热压机Fig. 1.3 Hot embossing machine of Zhejiang University大连理工大学微系统研究中心对热压机具有较为深入和完整的研究，图1.4和图1.5由大连理工大学自主研制的热压成形机，其设计采用典型的四柱式框架结构。其面板的升温速率大于0.5/s，降温速率大于0.3/s，温控精度为0.2/s，压力控制精度在20N以内；位移控制范围为120mm，控制精度为3m789。图1.4 微通道热压成形机 Figure 1.4 micro channel hot embossing machine图1.5 RYJ一型热压成形机Figure 1.5 RYJ一hot embossing machine大连理工大学根据RYJ-I型热压机研制了一种热压真空装置，如图1.6所示。图1.6热压真空装置模型图Fig. 1.6 The model of vacuum device主要更改了原热压机的加热冷却系统，并增加了密封系统，可在在热压过程中构成密闭环境，便于抽真空。他们对制作好的真空热压装置进行了实验，在温控系统上，该装置的升温速率大于0.20/s，降温速率大于0.15/s，基本达到预定要求，装置的温度控制精度为0.40，达到较为精密的要求。对于装置的真空系统，装置在工作过程中真空室内气压可以达到600Pa。他们将该热压真空装置所制作的成品与没有真空装置的热压机成品进行了对比实验，结果表明：真空环境能够使熔融状态下物料中的气泡溢出，避免气泡对热压制品的不良影响10。1.3伺服电机在压机上的应用现状交流伺服电动机是一种受输入信号控制，并能够快速响应的电动机11。目前，交流伺服电机广泛应用于机械自动化装置、制造装备以及日常家用设备之中，它主要作为这些装置的执行元件使用12。伺服电动机可根据传感器输入端信号，进行闭环调节，即采用伺服电机驱动的装置可迅速而精确的调节其转速等运动参数。采用伺服电机做驱动的压力机的工作原理是：伺服电机转动，直接或通过传送带驱动滚珠丝杠转动，进而使与滚珠丝杆相连的推杆向前移动施加压力，达到将转矩转换为压力的目的。因此，与传统机械压力机和液压压力机相比，选用伺服电机作为驱动机构的压力机具有响应迅速、运转平稳、控制精度高和过载能力强等优势1314，具体如下：(1) 可实现压力和位移的全闭环控制，相对于其他类型压力机具有高精度特性 (2) 压力、压入深度、保压时间、压装速度等条件可以实现准确设置，同时可根据成形精度调节能量和控制打击力，成形精度高，制件公差小；(3) 可自行定制、调用、存储压装程序；可以将压装数据存储在计算机中，保证产品加工数据的可追溯性，便于生产质量控制管理；(4) 由于伺服电机和滚珠丝杆采用模块化封装，所以其结构简单，操作便捷，易于维护； (5) 压力机空载时无能耗，电效率高，相比相对于传统的气动、液压压机节能效果可达80%以上，且更加环保，安全，可以保证实验环境的无尘无油污。关于采用伺服驱动系统控制压机方面的研究，美国俄亥俄州立大学工程研究中心在上世纪90年代首先将交流伺服电机应用于机械压机。该中心的Yossifon和Shivpuri将交流伺服电机转轴通过齿轮或传送带连接使滚珠丝杠或曲柄连杆转动，通过滚之丝杠或多杆机构将电机的旋转运动转化为直线运动。他们对其压机的参数进行了优化设计，并制造了木质的模型装置和最大输出压力为300KN的双动机械压力机151617。日本会田公司于1999年开始研制大容量、大扭矩、低转速交流伺服电机1819，其采用交流伺服驱动技术开发了螺旋精密压力机，如图1.7所示。该设备具有加工精度高、智能化、节能和柔性化水平高等优点。 图1.7会田伺服螺旋精密压力机 图1.8 CNC电动螺旋压力机Figl.7 Servo screw coining press Figl.8 CNC electric press国内的高校和研究机构在使用交流伺服技术驱动压机方面也具有较深入的研究。华中科技大学基于该技术，采用伺服电机研制了CNC电动螺旋压力机，如图1.8所示。该设备具有成形精度高，制件公差小；精确调节能量和控制打击力；结构简单，操作便捷，易于维护等特点20。1.4软件介绍SolidWorks三维建模软件是一个基于特征的参数化实体建模软件，其是一套基于Windows的CA D/CAE/CAM/PDM桌面集成系统21。 Solidworks有三个基本的功能模块：零件图、装配体、工程图，在此基础上，solidworks还拥有钣金、曲面、routing等丰富的建模功能，以及SolidWorks simulation、质量分析等分析功能。本节将对真空压机设计中所用到的solidworks模块进行依次阐述。(1)零件设计： SolidWorks三维建模开始于零件模型的建立。设计时根据产品要求和零件功能创建零件三维模型。针对零件模型可进行以下操作： 生成工程图纸；进行力学分析和强度校核（CAE）；根据零件图编写数控加工代码，进行零件加工（CAM）； (2) 装配体设计： Solidworks可将各个零件模型进行虚拟装配，将多个零件模型按一定的约束关系（宽度、距离、同轴等）进行装配，针对装配体模型可进行以下操作：通过干涉检查和间隙验证分析产品结构是否完善并进行修正。 对产品进行动态仿真分析，描绘部件运动轨迹。可生成渲染图、爆炸图、演示动画，用于展示产品。(3)工程图：Solidworks可直接根据三维模型生成工程图文件。在工程图绘制过程中，只需选定需要绘制工程图的模型，指定其透视方向、比例尺寸以及插入位置等其他工程图细节，再进行尺寸标注和注释就可以完成工程图的生成。(4)钣金：钣金工艺是指将金属薄板通过弯折等加工工序产生塑性变形，形成整体形状，并通过钻孔、线切割等工序成为更复杂的零件。其加工工序包括工件落料及后道工序两大部分，有时还需要做表面处理。Solidworks钣金功能便是根据钣金工艺创建，其主要功能包括边线法兰、闭合角、折弯、展开等，其最特色的功能在于展开图的呈现。(5)routing：(6)simulation：solidworks simulation是基于有限元分析的设计分析软件，有限元分析的思路是将连续的域分解为有限个单元进行单独求解分析，然后再根据条件将各个单元组合起来求出综合解22。Solidworks simulation 进行分析时做了如下假设：材料是线性的、小变形、静态载荷。1.5课题设想、内容与突破1.5.1方案和技术路线 本课题的主要方案是将伺服电机和真空系统运用到压机上，通过设计主体框架结构、加热冷却系统、真空系统、面板和模板、电路与控制系统，开发一款基于伺服电机驱动的小型桌面式真空压机。本论文各章节目录安排如下： 第一章：绪论，介绍了真空压机伺服电机的发展和应用现状，并介绍了本课题的方案与技术路线。 第二章：真空压机整体结构设计，提出了整体框架结构和上下模腔的设计，并对整体框架的安全性进行力学分析，验证其可行性。 第三章：加热冷却系统设计，对加热板和冷却水道进行设计，同时选用合适的加热棒，并设计冷却水路，最后对面板进行进行温度仿真模拟。第四章：真空系统设计，首先是密封垫和密封圈的选用，然后针对静密封和动密封做出不同的设计，最后对真空系统的管路搭建进行设计 第五章：面板和模板设计，针对不同的需要（流变圆片、拉伸样条等）设计不同的模板，并根据模板设计面板的形状和表面图案。 第六章：电路与控制系统设计，选用适当的伺服电机，并根据伺服驱动系统、加热系统、温度传感系统设计适当的电路，然后根据压机控制系统要求，进行控制系统软件的总体设计。 结论：综合性的阐述真空压机的设计，并讨论设计中的主要问题及对本设计下一步的展望。 1.5.2目的与意义真空压膜机适用于各种厚度的高分子薄膜和制件（流变圆片，拉伸样条，抗冲样条，阻燃样条）制备，在高分子材料力学性能测试，流变性能测试等方面具有重要应用。目前实验室使用的真空压机大多采用液压系统，且结构设计过于粗糙，本课题拟采用solidworks设计并绘制完成桌面压机，使其具有完整地压力系统和进给系统驱动，、真空系统，加热冷却系统统以及控制系统。相对于目前的大多数真空压机，本课题设计的真空压机采用伺服电机驱动，避免了液压所带来的油污问题，并采用PLC编程，并且设计模块化，体积较小，同时噪声较小，控制自动化，所占空间小，使用方便，具有较大的应用和商业价值。1.5.3本章小结 本章介绍了课题的研究背景及意义，概述了真空压机和伺服电机国内外在相关领域的研究状况，最后指出了本论文的主要研究内容和各章节内容安排。2.真空压机整体结构设计真空热压装置由机架、加热冷却系统、真空系统、控制系统组成，其整体外观如图2.1所示。压机的整体尺寸为：长350mm、宽230mm、高753.5mm，通过solidworks质量检测得：压机的机械部分总质量120.6kg，所占空间为0.02m3，因此从整体尺寸和重量上看可达到小型的要求，并可以放置桌面使用。真空压机总体外观采用三种颜色，固定电机的上半部分为黑色，下半部分的主体框架为白色，上压模块和下亚模块为银白色，并将大部分零件用钣金封装起来，初步达到美观的要求。图2.1 真空压机整体外观设计图Figure 2.1 the overall appearance of the design of vacuum press machine真空压膜机的整体结构设计思路如下: (1)压机采用伺服电动缸作为压力系统和进给系统驱动，采用由上向下施加压力，这种思路可将压力系统模块化，并且达到整洁大方的设计要求。(2)将真空系统，加热冷却系统主体部分统一模块化与上下模块之中，使其体积缩小，拆卸简单；上下模块中的加热冷却部分采用相同设计，使压机的温度控制更为精密。(3)伺服电动缸由上向下施加压力，上模块悬挂于伺服电动缸推杆之上，因此设计了较为精巧的连接机构使上模块在运动过程中平稳无误。(4)由于是桌面式真空压膜机，所以在能够稳定实现基本功能的情况下应尽量减轻重量和缩小体积，使各处更为紧凑，图2.2为真空压机隐藏了外部封装的结构图。图2.2 真空压机结构图Fig. 2.2 structure diagram of vacuum press2.1框架结构设计 真空压机采用C字形框架作为整体框架，主要由左右侧板、前后板和底板组成，如图2.3所示。真空压机在设计时选用了力姆泰克DMB30型伺服电动缸，其通过推杆可向下施加最大12KN的力，在施加压力的过程中会对推杆产生一个反作用力，因此应对电机进行固定。首先将伺服电动缸下部法兰通过固定件固定于左右侧板，其次在伺服电动缸与前后板之间设计电机固定件，这样通过固定件可将反作用于电动缸推杆的力传递到压机框架上。此外设计的固定件可克服伺服电机在旋转过程中可能产生的扭矩。图2.3真空压机框架图Figure 2.3 the framework vacuum press machine组成整体框架零件的材料为45#钢，其中侧板采用C字形，几个板之间的连接采用螺纹连接，图2.4为各支撑板的设计图纸，从左上至右下依次是：前板、后板、侧板、底板。考虑到固定压机美观的要求，将前板与上板的上半部分相对下半部分设计相对较窄，并将上半部分的颜色设计为不同于下半部分的黑色。图2.4支撑板设计图Fig. 2.4 the designment of supporting plate2.2上下压力模块设计 真空压膜机的上下两个模块均采用外部的真空罩包裹内部加热冷却装置的设计。上模块的真空罩与内部模块是分开的，真空罩的四壁与内部模块相距0.5mm左右。当真空压膜机启动时，上模块整体下移，其真空腔会先与镶嵌在下模块上的密封垫接触，由此上下真空腔构成密闭空间。启动抽真空装置启动，整个腔体的内部构成真空氛围。之后上模块的内部会继续下移与料板接触，上下压头板对模板进行挤压，对高温中的聚合物构成压力。图2.5 上下压力模块设计图Figure 2.5 the designment top and bottom pressure module图2.6 上模块爆炸图Fig. 2.6 the explosion diagram of module上模块的组成大致可以分为三个部分，第一部分是连接部分，这部分在下节重点介绍，第二部分是真空腔，在真空腔上需要打孔以放置导套，并需要在上部打部分凹槽，以便固定连接部分，真空腔采用铝合金加工，在一整块铝块上铣出凹槽部分，并做热处理，由于这部分对配合精度要求较高，因此对加工要求很高；第三部分是加热冷却模块，这部分主要是加热板和冷却板所在。如图2.6为上模块的设计图，从上到下依次是连接部分，真空腔，加热冷却模块。下模块真空罩与加热冷却模块采用过盈配合，设计为外部的钢板包裹内部的加热冷却模块，使下模块作为一个整体。需要在下面的钢板上设计安放导套和通过线路的孔以及固定弹簧的凹槽。下模块的设计图如图2.7所示。图2.7 下模块爆炸图Fig. 2.7 the explosion diagram of module加热冷却模块主要由三部分组成，第一部分是隔热模块，包括外部的隔热板，这部分隔热板主要是将热量集中在加热模块内部，以便提高加热速率，同时还可以防止在加热温度过高时烧坏压机的其余部。另一部分隔热板主要将冷却水道接头与加热板隔开，防止对接头的硅胶管的烧坏。隔热板采用常州市永诚新材料科技有限公司生产的YC400型隔热板。第二部分为冷却板和加热板，这部分主要是加热棒和冷却水道的存放部位，是加热冷却系统的核心部分。第三部分是压头板，这部分与上模板直接接触，面板的受热均匀与否直接取决着压出样条的好坏，因此这部分的设计尤为重要。图2.8为加热冷却模块的爆炸图。图2.8 加热冷却模块爆炸图Fig. 2.8 explosion diagram of heating and cooling module2.3各处重要连接设计通过连接装置，上下压力模块与真空压机的各处相连，本节将重点介绍各处的连接设计，并说明连接机构在压机压力传动过程中所起的作用。2.3.1压机与上压力模块的连接本节介绍上模块与伺服电动缸推杆的连接部分，这部分所起的作用是将上模块与伺服电动缸的推杆相连。如图2.9所示，各部分从上到下依次是法兰、连接板1、连接柱（传动轴）、弹簧、导柱导套、连接板2。图2.9 上部连接部分图示Figure 2.9 the diagram of the upper connection section各个零件介绍如下：(1) 法兰采用米思米生产的C-MTSFR32型丝杠用法兰，该法兰内孔打有内螺纹，其材料采用CAC406C铜合金。将伺服电机的推杆外部打为M33的外螺纹，则该法兰可通过螺纹配合与伺服电机的推杆相连。(2) 连接板1由两块板组成，主要是为固定导柱，法兰通过螺钉与连接板1相连。传动轴为一个内部打有M10螺纹下部伸出有法兰盘的零件，其主要起着传递力的作用。传动轴上部通过M10螺钉与连接板1相连，下部通过法兰盘与连接板2相连。连接板和传动轴均采用45#钢加工。(3) 连接板2上打有通过传动轴与线路管的孔，打有置放法兰盘的凹槽，与其他连接零件不同的是，连接板2 的位置是在真空腔内，当压机工作挤压物料时其不起传力作用，在上模块向上运动时，其主要起着将上真空腔向上提的作用。连接板2的材料也是45#钢。(4) 在连接板1的上面固定有四根带肩导柱其固定部和滑动部的直径都为8mm导柱整体长度为70mm，在上真空腔上相对于的固定有四个导套，导柱和导套的作用主要是保证整个上模块的垂直度，并防止在运动过程中上模块左右摆动。导柱和导套可均在米思米上订购，其型号分别为，导柱导套的材料为GCR15钢。(5) 弹簧的作用主要是在施压过程中弹簧对真空腔有一个向下的力，使上下真空腔紧密相连，使真空腔内保持密闭环境。另外在连接板1和真空腔上相对应的各打有四个直径为10的凹槽，这些凹槽是为了固定弹簧。(6) 压机在工作过程中的最大压力为12KN，连接件各部分之间需要承受较大的相互作用力，各连接件需要具有较大的连接刚度，因此连接板1的两个板除了与法兰相连的四个螺钉外还需要在四个角出在有四个螺钉连接。在传动轴与连接板1、连接板2相连处都打有凹槽以保证连接的可靠性。图2.10 上模块连接部分剖视图Fig. 2.10 the section view of module connecting part如图2.10为连接部分的剖视图，可以看出上部连接机构在运动过程中主要分为两部分。，首先是传动轴与连接板2，这部分直接与加热模块相连，在热压过程中起着将主要的力向下传递至面板指着模板，第二部分为弹簧，导柱导套，这部分主要起着在热压过程中通过弹簧对真空腔施加一个力使真空腔闭合。将热压过程中连接部分的运动情况描述如下：伺服电动缸压杆下压，通过弹簧和传动轴的传动迫使整个上模块向下运动，在下压过程中，上下真空腔会首先接触，构成密封环境，由于上真空腔靠弹簧与连接板1相连，所以弹簧压缩，连接板1可继续下压，同时通过传动轴带动内部模块继续下压，直至面板接触模板。这时整个运动完成一半，下半部分需在下节与下连接机构一同介绍。2.3.2压机与下压力模块的连接下部连接机构较为简洁，整体结构如图2.11所示：从上至下依次是下模块、导柱导套、弹簧、压力传感器、底板，但能够称得上连接机构零件的也就只有弹簧和导柱导套，其中弹簧的外径为20mm，总长为40mm，该弹簧的杨氏模量较大，其主要作用是支撑下模块，下模块与压力传感器间隔大约3mm左右。弹簧固定在下模块底板与底板所对应的凹槽处。导柱和导套与上部连接机构所用导柱导套的尺寸规格大致相同，不过导柱为直导柱，而上部连接机构所用的导柱为带肩导柱。其主要作用也是使下模块在运动过程中不偏离和旋转，其中导柱通过过盈配合固定在底板中，导套固定在下模块的底板与侧板之间。图2.11 下部连接部分图示Figure 2.11 the diagram of the lower connection section 主要运动过程如下：当上模块与下模块完全接触后，由于下模块与压力传感器之间仍有一定距离，所以在压力达到一定值得情况下，固定在下模块与底板之间的弹簧压缩，上下模块继续下行，当下模块底板与压力传感器接触时，整个运动完成，此时由压力传感器所传输的压力值即大约等于物料所承受的压力。2.4框架结构安全性计算本课题设计的真空压机框架结构稍许复杂，但大体上仍可算为C形单柱式框架，因此本小结将按照C字形框架进行安全性计算和分析。由于本课题所设计的压机左右对称，所以将其按照对称面简化，其整个工作过程中的受力简图可看做如图2.12所示12，的平面曲杆和直杆的组合。图2.12 C形单柱式机架受力简图Figure 2.12 the force diagram of C shaped single column frame3.加热冷却系统设计加热冷却系统总体上分为两部分，即机械部分的设计和控制部分的设计，由于加热冷却控制部分与压力控制部分和真空度控制部分集成在一起，所以放在控制部分统一讲解，本章重点介绍加热冷却系统的机械设计部分。为提供加热冷却系统的精确性，防止在加热和冷却过程中上下压头板温差过大，所以将上下模块的加热冷却部分设计相同，采用统一的加热冷却模块。在机械结构上讲，加热冷却模块大致可分为三部分：加热部分、冷却部分、温度传感部分，章分为三节依次介绍。3.1加热系统设计传统的真空压机的整体压力模块形状都为圆柱形，这样的设计非常有利于真空环境的形成，但这种做法会造成加热冷却系统设计难度增加，并且会造成上下压头板在加热冷却是温差过大。考虑到简化加热冷却模块设计的复杂性，本课题将压力模块做为长方形，所以加热板板的形状也设计为长方形，并采用加热棒作为加热元件，图3.1为加热部分的爆炸图。图3.1 加热部分爆炸图Fig. 3.1 explosion diagram of heating part3.1.1加热棒的选用本设计选用由米思米精密机械贸易有限公司生产的C-MSCHN10-90-V220-W300型无凸缘加热棒，其加热器长度为90mm，加热棒直径为10mm，额定电压220V，额定功率300W。如图3.2所示，加热棒由外部的不锈钢护套包裹着内部的电热丝组成，其尾部由瓷头通过接线端子连接表皮玻璃纤维式导线组成。由于组成部分均为无机非和金属材料组成，所以其可在较高温度下工作，可满足本设计预定最高使用温度300的要求。图3.2 加热棒图示Fig. 3.2 diagram of heating rod3.1.2加热板设计如图3.3为加热板的后视图和俯视图，加热板的厚度为15mm，长和宽分别为110mm和80mm，采用间隙配合。需要打3个相隔27mm，直径10mm的孔用于放置加热棒，孔的深度为95mm，孔采用过盈配合。加热板的材料为45#钢。图3.3 加热板工程图Fig. 3.3 engineering drawing of heating plate3.1.3 加热温度计算在加热过程中加热棒产生的热量会分别向加热板、冷却板、压头板传输，由于这三块板的外部是隔热板，所以可假设隔热板传递热量忽略不计。三块板的材料均为45#钢，质量m=3.70kg，比热容cp=450J/kg。所以其热容为： (3.1)计算得热容为C=1665J/，加热速率为： (3.2)其中Q为加热功率，三根加热棒的功率共为900W，计算得加热速率为0.54/s，加热速率较快，在忽略热辐射的情况下，假设常温25，加热到200，需要5.4min。3.2冷却系统设计冷却系统包括包括冷却板的设计和冷却水路的设计，冷却水路采用硅胶软管连接，选用外径10mm，内径8mm的硅胶管，由于其方法比较简单，所以不再做特备介绍。如图3.4为冷却板的示意图，其主要有三种零件构成：冷却水道接头，冷却水道板，隔水片。图3.4 冷却板示意图Fig. 3.4 schematic diagram of cooling plate冷却水道接头采用由米思米生产的M-NKL12-02型耐热冷却水用紧固接头，其主要由金属主体和软管锁紧螺母两部分组成，整体材质为黄铜，连接软管外径为12mm。其安装示意图如图3.5所示。图3.5 冷却水道接头示意图Figure 3.5 schematic diagram of the cooling water channel connector3.2.1冷却水道设计冷却水道的剖视图和水流流向图如图3.6所示,冷却板的厚度为25mm，长宽分别为110mm和80mm，有四条冷却水道成“井”字形排布，其中横着的两条为进出口冷却水路，直径为10mm，深度为100mm，在进出口处打有1/4管型锥螺纹用于连接冷却水道接头。纵向的两条为直径14mm，深度70mm的水道，其作用主要在于增加冷却水道表面积，使冷却更为均匀和快速。在纵向冷却水道的末端为3/8的管型锥螺纹孔，在其上拧上缠有生胶带的堵头，防止水的泄露。图3.6 冷却水道剖视图及水流流向图Fig. 3.6 cooling channel section view and water flow direction map3.2.2隔水片设计在图3.6中可以看到，在较粗的水道当中放有隔水片，其主要作用在于将一个水道分为两部分，这样可以改变水的流向，增加冷却水的接触面积。同时，隔水片可使运水流量均匀，这样可以保证冷却速度和 产品质量。由于这两个隔水片的位置不同，所以其设计略有差异，示意图如图3.7所示。隔水片的下部为长10mm的3/8管螺纹，在其上通过锡焊连接隔离板，在隔离板下部打有圆孔，上部打有半圆孔，这是为控制水路流向设计。在隔离板上部焊有间隔部，两个隔水片的不同就在于间隔部的形状一个为圆形，一个为半圆。这样的设计可使水流安图3.6所示方向流动。图3.7 隔水片示意图Fig. 3.7 schematic diagram of water partition sheet3.3温度传感器本课题所设计压机在上下压头板处各有一温度传感器，以控制和显示上下两块压头板的温度。3.3.1温度传感器的选用温度传感器选用米思米生产的K型热电偶，型号为SSM1-50，其示意图如图3.8所示。热电偶具体规格如下：电线电阻值52/m，最高工作温度500，护套直径D=1mm，护套长度L=100mm，金属保护衬套直径E=6mm，导线长度2000mm。图3.8 温度传感器示意图Fig. 3.8 schematic diagram of temperature sensor3.3.2温度传感器的位置放置温度传感器应位于上下压头板之中这样能够保证所测试温度的准确性。由于本设计所选用的K型热电偶前段的护套可任意弯折，所以本设计在加热板上打有半径为1.2mm的半圆槽，将温度传感器至于槽中，正好夹在加热板与上下压头板之间，然后在压头板中部打孔，将传感器弯折插于孔中，如图3.9所示，这样可保证传感器离物料的距离足够近，保证温度的准确性。图3.9 传感器位置示意图Fig. 3.9 schematic diagram of sensor position4.真空系统设计本课题所设计的热压机真空装置的主题部分即为上下真空腔及与之相配合的密封装置，当上下真空腔闭合且密封装置良好时，整个真空腔内形成密闭环境，这时真空泵通过抽真空管路将密闭环境内的空气抽出，构成热压需要的真空环境。4.1密封系统设计本设计所涉及的密封装置主要分为两部分，第一部分是上连接机构的传动轴与真空腔之间的密封以及冷却水道及线路出口处的密封，由于这两种密封采用一种密封方式，故在一起介绍。第二部分为上下真空罩之间的密封这部分的密封较为简单。4.1.1上真空罩处密封由于上连接机构的传动轴-真空罩之间的密封与冷却水道-线路出口处的密封原理相同，所以在这里只做关于传动轴-真空腔之间密封的介绍。如图4.1所示：上模腔的密封部分主要包括三个零件，在这里依次称之为法兰、密封圈、连接柱（传动轴）。图4.1 上真空罩密封Fig. 4.1 seal of the upper module在上模块下压过程中，不可避免的，传动轴与真空罩之间会产生相对滑动，进而破坏真空氛围，所以在传动轴与真空罩之间设计拉杆式动密封。将传动轴通过的孔设计为阶梯型，使O型圈固定其上，在O型圈上固定法兰盘。在法兰盘与上模腔上打有相对应的螺纹孔用来压紧密封圈，当上紧的时候，会对密封圈产生挤压变形填充传动轴与真空腔之间的间隙，形成良好的动密封，同时能够提高传动轴的准直性，当密封圈略有松动时，也可采用拧紧密连接法兰和上模腔之间的螺钉，迫使密封圈变形，这样可增加密封圈的使用周期。关于密封圈的选用，密封圈的材料选用FFKV全氟橡胶，其工作温度在-15至+315，符合本压机设计需求。密封方式采用拉杆式动密封，需要两种型号的密封圈，所选型号规格如表4.1所示。表4.1 密封圈规格Table 4.1 sealing ring specifications型号规格密封圈内径密封圈直径安装内径安装外径21729.743.533036.522237.693.533844.54.1.2真空罩之间密封上下真空罩闭合才能构成密闭环境，而上下真空罩的材料是铝合金，所以必须在下真空罩上嵌入聚四氟乙烯密封垫其