（机械电子工程专业论文）真空辊技术在铝板带纵剪机组中的应用与研究.pdf

沈阳理工大学硕士学位论文 摘要 真空辊技术是近年来国外开发的应用于纵剪机组的一种高效张力设备，可应 用于铝板、带、箔材，塑料，薄膜，p v c 等卷绕精度较高的行业。与传统的张力 设备相比，真空辊运行平稳，操作、维护简单，对每卷带材提供相等的张力，减 少带材的表面擦伤，进而提高了带材的表面质量，因此，对真空辊的设计与研究 受到工程界和学术界广泛的关注。 本文重点在于实际应用，即针对用户需求开发，直接应用于铝板带纵剪机组 中。以真空辊为研究对象，本文主要工作有以下几个方面： l ，推导出真空辊形成铝板带材的张力公式，应用o r i g i n 软件对公式中重要参 数的影响进行分析。重点对真空度参数进行了分析与计算，提出控制真空度大小 的方法，得出真空辊形成铝板带材张力大小的控制方式变频调速。 2 ，引入现代设计思想。基于虚拟样机技术，利用s o l i d w b r k s 软件，进行真空 辊零部件的三维实体建模和虚拟装配并进行干涉与碰撞检查，同时对重要零部件 进行了f e a 分析。基于绿色设计思想，解决真空辊工作时产生气动噪声问题，并 应用c f d 软件进行了模拟仿真；基于优化设计方法，应用m a t l a b 软件对真空辊壳 体进行优化； 3 ，根据用户需求，设计一套能在铝板带纵剪机组中实际应用的真空辊，针对 实际应用，设计一套完整的真空辊图纸。最后形成一套完善的从理论到实践的真 空辊应用技术。 真空辊在铝板带纵剪机组中的运用，特别是有关真空度与真空辊形成张力间 的公式，国内尚属空白。因此，本文的研究过程和结果可以为我国真空辊行业的 研制提供一条行之有效的途径，对其它类似的行业也有参考价值。 关键词：真空辊，纵剪机组，张力控制，虚拟设计，优化设计 沈阳理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t 7 1 1 1 es u c t i o nr o l l e rw 1 1 i c hi su s e di ns l i t t i n gm a c h i n ei sa 1 1e m c i e n tt e n s i o nd e v i c e ， i ti sd e v e l o p e da b r o a di nr e c e n ty e a r s i tc a nb e 印p l i e dt ot h eh i g hp r e c i s i o ni n d u s t r i e s ， s u c ha sa l u m i n u i nf o i l ，p l a s t i c ，f i l m ，p v ca n ds oo n t h es u c t i o nr o l l ，n o to n l yc a nb e m i u l i n gs m o o t h ，e a l s yt oo p e r a t ea i l dm a i n t a i n ，b u ta l s oc a np m v i d ee q u a l t e n s i o nt ot h e e a c hs t r i p i tc a nr e d u c em es u r f a c ea b r a s i o na n d i m p r o v et h es u r f a c eq u a l 时o fs t r i p a sw e l l t h e r e f o r e ，t h ed e s i g na n dr e s e a r c ho ft h es u c t i o nr o l l e ra r ew i d e s p r e a d c o n c e m e di nt h ee n g i n e e r i n ga n da c a d e m i cc o m 脚u n i t y t l l i sp a p e ri sf o c u so nm ep r a c t i c a jp r o j e c t t h ed e s i 印i sb a s e do nu s e rn e e d s ， a p p l i e dt ot h ea l m n i n u ms t r i ps l i t t i n gu 1 1 i td i r e c t l y t l l i sp 印e rc h o o s es u c t i o nr o l l e ra s t h er e s e a r c ho b j e c t t h em a i nw o r k so ft h er e s e a r c hi n c l u d et h ef o l l o w i i l ga s p e c t s 1 ，t l l ef o 册u l ai sd e r i v e db e 觚e e nt h ev a c u u md e g r e ea n dt h et e n s i o n t h e i m p o r t a n tp a r a m e t e ra b o u tf o m l u l ai sa n a l y z e d e s p e c i a l l yi nv a c u u md e g r e e ，h o wt o c o m lt h es i z eo fv a c u u md e g r e ei sp r 叩o s e d t h em e t h o do fc o n t r o lt e n s i o ni sf o u l l d ， i ti sf r e q u e n c yc o n _ t r o lo fm o t o rs p e e d 2 ，w i t hm em o d e md e s i g nt h o u 曲，m ep a r ta 1 1 da s s e m b l yi sb u i l d 谢t l ls o i l d w 6 r k s ， m ei n t e 疵r e n c ea i l dc o l l i s i o ni sc h e c h n g ，t l l ei m p o r t a i l tc o m p o n e n t si sa 1 1 a l y z e dw i m f e ab a s e do nv i n i l a lp r o t o t ) ，p i n gt e c l u l o l o g y ；t l l ea e r o d y n 锄i cn o i s eo fs u c t i o nr o l l e r i ss o l v e db a s e do ng r e e nd e s i g l l ；t h es h e ui so p t i m i z e d 而t hm a t l a bb a s e do n o p t 证l i z a t i o nm e 廿l o d 3 ，i nm ea c t u 2 l l ，t h es u c t i o nm l l e rw a sd e s i g n e dw l l i c hi su s e di i la i la l 啪i n u m s t r i ps l i t t i i l g 疵t ac o m p e t es e to f 捌n g so fs u c t i o ni sd e s i 印e da 1 1 dac o i n p l e t e s u c t i o nm 1 1 e rt e c l m o l o g i c a l 印p l i c a t i o n mt 1 1 e o d ，t op r a c t i c ei sb u i l tf i n a l l y t h es u c t i o nr o l l e ru s e di nt l l e 灿u i l l i n u ms t r i ps l i t t i n g 砌ti sab l a n ki nd o m e s t i c ， e s p e c i a l l yt h ef o m u l ab e 撕e e nm e v a c u u md e 伊e ea 1 1 dt h et e n s i o n t h er e s e a r c h p r o c e s sa 1 1 dr e s u l t sp r o v i d eag o o dm e m o da n ds c h e m ef o rt l l ep r o d u c t i o na i l ds m l c t u r e d e s i g no f s u c t i o nr o l l e r i th a sr e f e r e n c ev a l u e sf o rt l l ep r o b l e m sr e s e m b l ew h j c hu s et 1 1 e 沈阳理工大学硕士学位论文 s u c t i o nr o l l e ra l s o k e yw o r d s ：s u c t i o nr 0 1 l e r ，s l i t t i n gm a c h i n e ，t e n s i o nc o n t r o l ，v i n l l a ld e s i g n ，o p t i m i z e d d e s i 印 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究背景与可行性分析 1 1 1 研究背景意义 随着人民生活水平的日益提高，人们对金属带材的表面质量要求日益提高， 具体的说，对经过金属带材精整机组处理过的带材不许有擦划伤。对传统的张力 形成设备( 张力垫，张力辊) 来说，这样的缺陷不可避免。真空辊技术正是为提 ? 高带材表面质量，避免擦划伤而引入的新兴的技术。 真空辊技术的开发及在板带精整设备中的应用，对提高板带产品的质量，提 高板带精整设备的技术水平，具有重要意义。 在金属带材精整机组中，速度控制和张力控制是两项核心技术。 张力形成设备主要包括张力垫，张力辊及真空辊等，真空辊是近年来新兴的 技术。目前，进口设备中，真空辊己普遍应用；国内尚处于研究开发阶段。 通过本课题，开发真空辊技术，对提高金属带材精整机组性能，提高带材表 面质量有实际意义；同时，通过真空度与真空辊形成的张力间的关系式的推导， 对真空辊的设计，具有指导意义。 1 1 2 可行性分析 本课题针对于企业，前期导师所在课题组已进行较长时间的相关课题的研究， 如“铝板带纵剪机组、“铝板带横切机组”等课题的研究都取得了成果，并已被 企业应用。此外，有从国外引进的设备可以参照，为课题的顺利研究提供了较好 的物质条件和基础。 在技术可行性方面，本课题研究涉及的理论本身已相当成熟，如真空理论、 力学理论；带材精整中的张力形成设备及张力控制理论。本课题研究的主要工作 是将这些技术融合到一起，从理论到实践地，研究设计一种适合带材精整设备使 用的真空辊。 所以，无论从理论上还是实践上看，课题的研究是可行。 沈阳理工大学硕士学位论文 1 2 纵剪机组 、 纵剪机组又叫纵剪线、分条机、切条机、剪子，主要用于马口铁、镀锌铁、 硅钢片、冷轧带钢、不锈钢带、铝带、钢带等卷料分条剪切。是将金属卷料裁剪 成所需各种宽度的条料，再将条料收成小卷供下道工序使用，是变压器、电机行 业及其它金属带材精密剪切的必需设备。 纵剪机组用于将轧制后的铝板带箔材纵向剪切成条，再卷取成成品宽度的卷 材，供下游用户使用。它是铝、铜加工厂的关键、终端设备，直接影响产品质量 和对用户的供货状态。 图1 1 轧制后铝箔卷料图1 2 纵剪机组加工后的铝箔卷料 1 2 1 纵剪机组总成 图1 3 、1 4 所示为某公司研制开发的1 4 5 0 n u n 纵剪机组，最大剪切速度6 0 0 一8 0 0 m ，m i n ，剪切条数4 0 一8 0 条，剪切厚度范围o 0 8 0 5 m m ，最小剪切极限宽 度可以达到1 0 m m 。具体设备组成如下： 1 、料卷存放架 2 、上料小车 3 、开卷机 4 、摆动辊 5 、圆盘剪入口导向装置 6 、圆盘剪及换刀装置 7 、废边夹送装置 第1 章绪论 8 、废边卷取机 9 、废边提升装置 l o 、圆盘剪出口真空辊 1 1 、活套装置及活套真空辊 1 2 、张力真空辊 1 3 、卷取机及卷取辅助支撑 1 4 、卸料小车 1 5 、一字卸料转塔 1 6 、出料小车 1 7 、液压，气动控制系统 1 8 、电器及电气自动控制系统。 图1 3 某公司1 4 5 0 m m 纵剪机组主视图 沈阳理工大学硕士学位论文 图1 4 某公司1 4 5 0 m m 纵剪机组俯视图 1 2 2 纵剪机组的分类 纵剪机列按有无活套可分为活套式纵剪机和无活套式纵剪机两种类型。无活 套纵剪机相当于厚箔剪切机，因为没有活套装置，其机列长度相对较小，机组速 度可以更高一些，带材剪切厚度一般s 0 4 n u i l 。由于机组长度短，相对来讲导辊与 带材的不必要的接触减少，因而主要用于生产表面质量要求较高的带材。但是， 由于没有活套部分，因此不能对因板形的缺陷而带来的剪切后带材长度不一进行 调整补偿，因而对来料带材的板形有严格的要求，通常要求来料的板形凸度墨1 ， 平直度q 5 i ，现代先进的热轧机能够完全满足其对板形凸度要求，而现代先进冷轧 机具有板形闭环控制系统，能够满足对板形平直度的要求。 活套式纵剪机分为单活套和双活套两种，单、双活套的选用主要取决于卷取 带材板形凸度，带材卷径大小等。如卷径为1 8 5 0 n u l l 时，活套深度约2 4 3 0 米，。 当然有时现场基础、地质条件的限制不能挖过深的活套坑，就必须采用双活套方 案。活套式纵剪机可以最大程度的消除不良板形对卷取的影响，对来料板形适应 范围宽，适合于大卷径、高精度带材的生产。 第l 章绪论 1 开卷机，2 一活套坑，3 卷取机，4 纵剪机，5 张力装置 图1 5 纵剪机组的生产方式 纵剪机组的作用是提供一种连续转动的剪切方式，将卷材切成宽度精确、毛 边少的带条。带材通过机列的一个道次即可在转动剪切的作用下单边剪切或剪切 成若干条，并将带条卷成紧而齐整的卷，无边部和表面损伤。纵剪机组一般由开 卷机、纵剪机、张力装置和卷取机组成。 1 2 3 张力控制装置 在纵剪机组中，张力控制和速度控制是两项核心技术。张力控制是通过张力 设备来实现的。纵剪机组张力设备包括张力垫、张力辊及真空张力装置等。 l 、张力垫装置是利用两块表面固定有毛毡的平直木板将铝板带夹紧，有毛毡 的一面接触铝材表面。成产时靠气缸控制木板间的开口度及压力大小。该张力方 式比较适合剖条条数较多的产品生产，易于保持各条张力的稳定。但是，该方式 不适合于产品的表面质量控制，容易产生划伤及表面发黑。张力垫主要使带材在 活套坑出口建立张力。 2 、张力辊装置是利用辊面之间的相互摩擦来建立张力的，张力辊的材质、粗 糙度、圆度和锥度等都影响张力的大小和稳定性。夹送辊在直流电机驱动下，通 过液压缸驱动并夹紧带材，带材在其张力辊上形成包角，形成初始张力。根据纵 剪带材材质和厚度改变带材在张力辊上的包角，调整张力。该张力方式有利于表 面质量的控制，但不利于多条产品的生产。 3 、真空张力装置对每卷带材提供相等的后张力。这种装置使用一个钢制的箱， 顶部有一块穿孔的薄板，用布或者毛毡覆盖着，一台交流电机把干净的布送到带 材表面，一台无极变速直流电机驱动一台风机产生真空，根据带材来料的厚度和 沈阳理工大学硕士学位论文 宽度，改变真空设备运转的速度和宽度等条件使其提供适当的真空度，依据纵剪 机组带材张力大小，改变真空张力装置的真空度大小，达到调整张力大小的目的， 并给以供给最佳的张力。真空张力装置使纵剪带材条吸附其表面，防止带材条漂 移，实际纵剪过程对每卷带材提供相等的张力，减少带材表面产生擦划伤。 选择何种张力设备要根据带材材质、状态、厚度、剪切条数作出相应选择。 张力辊容易控制带材表面质量，但是对于多条带材的纵剪生产，真空辊装置并不 适合。尤其是当带材厚度薄，条数多时，应尽量使用张力垫装置，这种张力装置 能够保持带条张力的稳定。但是张力垫的不足之处是带材表面与张力垫相互接触， 工作时残留的铝粉和产生油污难以避免，在条件允许的情况下，尽量不用张力垫， 避免在带材表面产生的不规则的条状黑道，使带材的表面质量得以保证。当剪切 厚度较薄，对表面质量要求较高的带材时，建议采用真空张力装置。 此外，在实际生产中，根据需求需要进行多种组合与调整。如活套有双活套 生产方式，张力装置有靠辊面摩擦力建立张力的，有利用张力垫的，也有利用真 空吸附来建立张力的。 真空辊技术的开发及在板带精整设备中的应用，对提高板带产品的质量，提 高板带精整设备的技术水平，具有重要意义。 1 3 现代设计方法 现代设计方法是随着当代科学技术的飞速发展和计算机技术的广泛应用而在 设计领域发展起来的一门新兴的多元交叉学科。以满足市场产品的质量、性能、 时间、成本、价格综合效益最优为目的，以计算机辅助设计技术为主体，以知识为依 托，以多种科学方法及技术为手段，研究、改进、创造产品和工艺等活动过程所用到 的技术和知识群体的总称。现代机械设计方法就是研究设计过程中能够更加高效、 高质量、快速地完成机械产品设计的方法。 现代设计方法包括：绿色设计、优化设计、有限元分析设计、虚拟设计、相 似设计、可靠性设计、模块化设计和疲劳设计人机学设计等。 第l 章绪论 表1 1 现代设计与传统设计方法的对比 传统设计现代设计 凭经验，功能原理分析少，过早 进入具体方案。 自然优化，“设计评定再设计”， 从各种设计方案中选取较好方 案，凭经验、判断力。 凭经验或自发性地考虑人、机、 环境之间的关系，很难达到三者 的协调。 往往强调产品性能，忽视或不能 全面考虑精神因素。 计算机绘图、修改不方便，设计 效率低。 从抽象思维方法出发，用计算机 获得各种方案，优化选出最佳。 重视系统综合，在各种约束条件 下用计算机在最短时间内寻求最 优参数。 从人的生理、心理特征出发，通 过功能分析、系统综合，发挥协 调潜力、提高效率。 强调产品适用性同时，考虑产品 的美观性、艺术性和时代性。 计算机绘图，提高设计效率，修 改方便。 1 3 1 绿色设计 随着经济节奏日趋加快和工业化的不断深入，市场上出现了各式各样的商品 来满足人们的消费需求。这些商品出现，由于未考虑对环境的影响，消耗了大量 的自然资源，并造成了大量的污染，使生态环境遭到了前所未有的破坏。日益严 重的环境污染正威胁着人类的生存，废气、污水的排放直接对人体健康产生影响。 因此，保护环境、有效利用资源，已是制造企业的责任。 绿色设计是指以环境资源保护为核心概念的设计过程，总而言之，基本思想 就是产品的设计要在最初阶段就要将环境因素以及预防污染的措施纳入其中，即 将环境性能作为产品的设计出发点和最终目标，力求使产品对环境的影响降为最 低。 绿色设计在产品整个生命周期内，着重考虑产品对自然资源、环境影响，将 可拆除性、可回收性、可重复利用性等要素融入到产品设计的各个环节中去。在 沈阳理工大学硕士学位论文 满足环境要求的同时，兼顾产品应有的基本功能、使用寿命、经济性和质量等瞳1 。 实现绿色设计至少需要满足以下三个方面的要素： 强。，一一7 图1 6 绿色设计三要素图1 7 纸质办公桌 1 、二次利用 要求产品及其零部件和附件外包装能够被反复使用。这就要求设计师在对产 品进行设计建模的过程中，零部件结构要尽可能的简单化和标准化，这样，其用 料不但少，节约了资源，而且由于是标准件，还可以对其进行回收再利用。制造 商应该尽量延长产品的使用期，而不是非常快地更新换代。 2 、循环回收 要求生产出来的物品在完成其功能后能重新变成可以利用的资源，而不是不 可恢复的垃圾b 1 。再循环有两种情况，一是原级再循环，即废品被循环用来产生同 种类型的新产品；另一种是次级再循环，即将废物资源转化为其他产品的原料。 从对这两种循环的定义来看，原级再循环能够更好的节省自然资源，也是绿色设 计中提倡的方式。 3 、节约资源 要求用较少的原料和能源投入来达到既定的生产或消费目的，进而从源头就 注意节约资源和减少污染。 以上三种原则都着重注意了产品对环境的影响，那么在产品设计中实施并运 用在绿色设计，这其中就包括重要方法有：绿色材料设计、产品绿色结构设计、 绿色能耗设计、绿色包装设计、绿色制造过程设计等。 一8 第1 章绪论 1 3 2 优化设计 机械优化设计是最优化技术在机械设计领域的移植和应用，其基本思想是根 据机械设计的理论，方法和标准规范等建立反映工程设计问题和符合数学规划要 求的数学模型，然后采用数学规划方法和计算机计算技术自动找出设计问题的最 优方案h 1 。 一般传统设计的方法为，先设计，然后评定，之后再设计，从多种方案中选 取较好方案。而优化设计则更重视系统综合，在各种约束条件下用计算机求解在 最短时间内寻求最佳设计方案。关于最优化问题的解法，软件开发者开发出了各 种最优化计算软件，供工程设计人员使用。 机械优化设计首先要把机械设计问题转化为优化设计的数学模型，该数学模 型一般由设计变量、目标函数和约束条件3 个要素构成。优化设计步骤主要有： 1 将设计问题的物理模型转化为数学模型； 2 选用适当的优化方法和计算机程序； 3 通过计算机求解得到最佳设计方案。 一项设计常常在一定的技术条件下，要求取得一个技术指标的最佳的设计方 案，以达到最佳的设计目标，如重量、成本、性能、承载能力等。 1 3 3 有限元分析设计 有限元法是以计算机为工具的一种现代数值计算方法。有限元法的计算过程 首先是进行结构离散化，其次进行单元特性分析与计算，最后进行单元组集求解 方程。主要应用于以下几个方面： 1 进行复杂结构的静态和动态分析； 2 计算复杂零件的应力分布和变形； 3 零件强度和刚度计算； 4 求解工程中复杂的非线性问题、非稳态问题。 常用的有限元分析计算软件有i d e a s 、a n s y s 、m a r c 、a b a q u s 等。可以 分析应力、变形、温度场、磁场、振动、冲击、随机响应等。 9 沈阳理工大学硕士学位论文 害差飞雾 商鬈 冒 图1 8 转台结构的有限元分析 扣戛卜 阶甄率蕞硼二酐唾翠曩硼一 囊蚤 曩 炉一和_ 雹 鲨 三瞬嚷宰曩吝圈四研舞奉l 嚼旧一， 图1 9 转台主轴轴系及台面有限元分析 1 3 4 虚拟设计 为了使产品一次设计成功，减少反复，往往会采用仿真技术，而对产品模型 的建立和仿真又属于是虚拟设计的范畴。虚拟设计能实现在产品加工制造之前， 建立产品的功能、结构模型，并能对其进行修改和评审，以满足不同客户的要求。 它不仅继承了传统c a d 设计的优点也具备了仿真技术可视化的特点，更能支持协 同工作和并行设计，从而缩短了产品开发周期并通过各先进技术的利用和补充， 使产品保持技术上的优势陆1 。 虚拟设计的过程，首先进行功能设计，选择合适的科学原理或构造原理，然 后进行产品总图的初步设计、产品选型和外型的初步设计；从总图派生出零件， 对零件的造型、尺寸、色彩等进行设计，对零件进行有限元分析，使其结构及尺 寸与应力状态相适应；对零件进行加工模拟，对其性能做出评价、分析和优化， 最终完成零件的工作图；在计算机上制定零件制造工艺，在相应的设备上制造出 零件阳。7 1 。 1 3 5 相似设计 相似设计又称对标设计，是相似性理论在工程领域的具体应用，相似设计是 工业产品开发的重要环节。相似设计具体过程： 1 先选定某一档型号的产品为模型； 2 对它进行最佳方案的设计； 3 定出其材料参数和结构尺寸； 4 再通过相似性原理求出系列中其他产品的参数和尺寸。 第l 章绪论 o 图1 1 0 相似设计产品 以模、夹具的开发为例，运用并行工程，其与车身工程设计几乎同时进行， 从整个计划第4 个月开始介入，在整个开发周期的第2 2 个月完成。而运用串行工 程，其在车身工程设计完成后进行，从整个计划第1 5 个月才介入，在整个开发周 期的第3 4 个月才完成哺1 。运用并行工程开发时间上节约近3 6 ，整个产品开发周 期可以缩短4 0 5 0 。 1 4 本课题的研究内容及方案 1 4 1 本课题研究的主要内容 首先，在查阅相关国内外大量参考文献的基础上，对如真空理论、力学理论、 带材精整设备中的张力形成设备及张力控制理论进行深入学习研究，在此基础上 形成研究和设计方案。其次，对与真空辊相近的真空技术进行研究，如真空度的 概念，真空原理等。再次，对和真空辊相似的设备进行结构设计、分析、优化， 最后针对用户的需求，设计一套能在铝箔纵剪机组中实际应用的真空辊。 根据用户需求，先进行真空张力辊的总体设计，进行理论分析计算，实际应 用检验的技术路线。然后再根据真空理论、力学理论及带材精整设备中的张力形 成及张力控制理论，对真空辊的设计，形成一套理论；再将该理论应用到为用户 开发的设备中，进行实际验证。最后，形成一套完善的从理论到实践的真空辊应 用的技术。 沈阳理工大学硕士学位论文 1 4 2 本课题的特点与创新之处 本课题的特点： 1 、实际应用。即针对用户需要开发，直接应用在铝板带纵剪机组中，实际效 果及相关研究可以得到验证； 2 、综合运用现代设计方法，对真空辊进行虚拟结构设计、优化设计、绿色设 计、相似设计等，保证结构强度与刚度的同时，大大地缩短研发设计阶段的周期。 本课题的创新点： 1 、真空辊在铝板带纵剪机组中运用，在国内尚属空白； 2 、有关真空度与真空辊形成张力间的公式，国内目前亦未见报道。同时，通 过对张力公式的分析，能够得出影响带材张力大小的具体因素。并且重点对真空 度的影响进行分析与计算，并且首次推导出控制真空度大小的因素。 第2 章真空技术理论 第2 章真空技术理论 2 1 真空定义 英文“、k u 啪，表示“e m 】啊”或“n o 曲g ”，空无一物，但在真空技术里， 真空系针对大气而言，表示一特定空间内的部份气体被排出，其压力小于一大气 压，通常称此空间为真空或真空状态。我们知道在海面上标准的状态下，1 m o l 气 体占有2 2 4 升的体积，气体对气壁碰撞会产生压力，其大小为7 6 0 毫米汞柱或 称7 6 0t o m 当容器内之气体被抽除，气体分子数目减少而处于真空状态。在真空 技术中，一密闭容器虽保持真空，但并非“真正的空”，也就是说真空并不表示里 面全无气体分子，事实上以目前技术所及的超高真空状态，其中仍有为数可观的 气体分子存在。 在真空科学中，真空的定义是指在给定的空间内，低于一个大气压力的气体 状态，人们通常把这种稀薄的气体状态称为真空状态 2 2 绝对压力和真空度的概念 2 2 1 绝对压力 包围在地球表面一层很厚的大气层对地球表面或表面物体所造成的压力称为 “大气压”，符号为b ；直接作用于容器或物体表面的压力，称为“绝对压力”，绝 对压力值以绝对真空作为起点，符号为p a b s 。 用压力表、真空表、u 形管等检测仪器测出来的压力叫“表压力”( 又叫相对 压力) ，“表压力”以大气压力为起点，符号为p 。 三者之间的关系是： = 曰+ 忍( 2 1 ) 压力的法定单位是帕( p a ) ，另外还有单位兆帕( 1 脱p 口= 1 0 6 尸口) 1 标准大气压= 0 1 0 1 3 m 砌 在旧的单位制中，压力用k g c m 2 ( 公斤平方厘米) 作单位 l 堙c 聊2 = o 0 9 8 脚口 13 沈阳理工大学硕士学位论文 表压( 相对压力) 单位：脚口( g ) 绝对压力单位：膨阮( 彳) 绝对压力量测使用的压力仪表叫做绝压表，在大气中，不加任何压力时，仪 表指示仪表所在地的大气压，根据仪表所在地的海拔决定指示的数值，当压力值 为绝对真空时仪表的读数为零，绝对压力不存在负值。 2 2 2 真空度 所谓“真空”是指在给定的空间内，其压强低于1 0 1 3 2 5 帕斯卡( 也即一个标准 大气压强约1 0 1 k p a ) 的气体状态。在真空状态下，气体的稀薄程度常常用压力值来 表示，该压力值越小则表示气体越稀薄。 真空状态下的气体稀簿程度，用“真空度高”和“真空度低”来衡量。真空度高表 示真空度“好 ，真空度低则表示真空度“差 的意思。 若所测设备内的压强低于大气压强，其压力需要用真空表测量。从真空表中 所测出的数值叫做真空度。真空度数值是表示系统压强实际数值低于大气压强的 数值，即： 真空度= 大气压强绝对压强 真空度的大小可以用两种方式进行标识。一是用“绝对压力”又称“绝对真 空度( 即比“理论真空”高多少压力) 标识；二是用“相对压力”又称“相对真空 度”( 即比“大气压”低多少压力) 来标识。 国际真空行业通用的，也是最科学的是用“绝对压力”标识；但因为测量相对 压力的方法简便、测量仪器普遍( 如一般的真空表都是相对压力表) ，所以国内习 惯用“相对压力”来标识。 2 3 真空之分类 在常温时，地球表面之气体以高速作随意方向的运动，因此在密闭容器内， 气体分子与气体分子问及气体分子与器壁问随时有碰撞作用发生，其与器壁碰撞 所造成的动量改变，使器璧承受一压力，在大气的情况下，压力的大小为1 4 7 p s i 或者7 6 0 t o 玎，就是我们通称的一大气压( 1a t m ) 真空技术中，将真空压力大小分为四个区域如表2 1 所示： 1 4 第2 章真空技术理论 表2 1 真空分类 真空等级真空数值 粗真空( r o u 曲v a c u u m ) 中度真空( m e d i u mv a c u 啪) 高真空( h i 曲v a c u 啪) 超高真空( u l t r a - l l i 曲v a c u u i l l ) 7 6 0 lt b r r l 1 0 3 t o r r 1 0 - 3 1 0 。7 t o r r 1 0 。7 t i o r r 常见的所谓标准大气压，其定义为：在o 时，大气施于7 6 0 毫米水银柱的压 力，水银柱之密度为1 3 5 9 5 9 c m 3 。一标准大气压值随应用场合之不同而使用不同 的压力单位，如下示： 1 标准大气压力= l a t i i l = 7 6 0 m m h g = 7 6 0 t 0 r r = 1 0 1 3 1 0 5 p a = 1 0 1 3 m b a r ( 毫巴，气象学常用单位) = 1 4 7 p s i = 1 0 3 3 2 7 k 眺d = 7 6 1 0 5 m i c r o n 在真空技术中，压力单位以t o mm b a r ，p a 的使用较为普遍。大气压力7 6 0 t o r r 的产生是由于大气( 或谓空气) 的存在，大气是各种气体的混合，其中百分之九 十九以上是氮气与氧气，而其他各种气体的总和还不到百分之一。 2 4 真空原理 2 4 1 真空基本理论 “气态”是物质的分子间影响力最为微弱的一种状态。假如我们不考虑分子 间的作用力，这些气体分子在一个体积为v 的容器内的行为，可以视为是理想气 体，且可以( 2 - 2 ) 式来表示 p v = r l i 汀 ( 2 - 2 ) 沈阳理工大学硕士学位论文 其中n 为气体分子数量，t 为温度，r 为气体常数，而p 则为容器的压力。我 们可以将( 2 2 ) 式进一步的写为 p = 号r t ( 2 - 3 ) 其中( ，功项指的是容器内的气体分子浓度，或称为密度，单位为个米3 。当 气体分子在容器内的浓度下降时，容器内的压力也就跟随着降低。这里所指的压 力，是指容器壁表面因分子的撞击，在每个单位面积所承受的垂直力。其m k s 制 的单位为“牛顿米2 ”。在真空工程上，我们通常以地球水平面的大气压力为参考 压力来定义“1 大气压( 1 a t m ) ”，这相当于7 6 0 毫米水银柱( m m h g ) 。而在半导体工 业上，我们习惯以托耳( t o 仃) 来做为压力的量测单位，1 大气压当于7 6 0 t o r r 。 气体分子在容器内的行径是非常繁乱的，且彼此互相撞击。我们将气体分子 与另一个气体分子产生撞击前所移动的距离称为“自由径”。因每个气体分子的自 由径略有不同，我们取其平均值，因此称气体分子产生撞击前所移动的平均距离 为“平均自由径”。以室温下的空气为例，空气分子间的平均自由径入与压力p 的 关系可以写为 入= 0 0 5 p( 2 - 4 ) 也就是说，当容器内的压力下降，因为气体分子的浓度降低，参见( 2 4 ) 式， 气体分子的“平均自由径”也就增长了。 当气体分子所处的压力颇高时，气体分子的平均自由径入将很短。且当入极 小于容器壁的直径d n 时，因为分子间将经历多次的碰撞，因此气体分子的运动或 流动，与其他气体分子有很大的关系。这种气体流动的形式称为“黏性流动”。而 黏性流体亦可依此时气体流动的方式而分为“层流 与“扰流”等两种。当容器 内的压力降低，并使得分子的平均自由径大于容器壁的尺寸时( 砭d n ) ，分子间的碰 撞频率将下降，而取代之的将是气体分子与容器壁的接触。这种流体则称为“分 子流动”。假如气体分子的平均自由径与容器的尺寸相当( 瑚n ) ，这种处于黏性流 动与分子流动问的过渡性流动则称为“奴得森流动”。c v d 通常把容器内的反应压 力控制在“层流的区间，使分子问的碰撞得以发生，而产生反应以进行薄膜沉 积，但又不会发生“扰流”特有的漩涡而影响沉积层的均匀度；至于溅镀与干蚀 刻，为了防止杂质对制程的影响，两者通常维持在非常低的基准压力下a s e p r e s s u r e ) 。但在进行反应时，为了利用电浆内分子与电子间的碰撞而产生离子，其 1 6 第2 章真空技术理论 操作的环境，将在“层流流动”及“奴得森流动”的区间内；而离子植入及电子 显微镜等，为了预防离子束与电子束遭受碰撞而分散，其压力的操作便处于“分 子流动”的范围。换句话说，为了使这些设备在较低分子浓度下操作，我们需要 真空系统来降低反应器内的压力，使反应气体分子在合宜的流动方式下进行。 2 4 2 真空的抽气方程 真空系统的任务就是抽除被抽容器中的各种气体。我们可以把被抽容器中所 产生的各种气体的流量称为真空系统的气体负荷。真空系统的气体负荷来源可以 归纳为下述几个方面： 1 、被抽容器内原有的空间大气，若容器的容积为v ( m 3 ) ，抽气初始压强为 p o ( p a ) ，则容器内原有的大气量为v p 0 ( p a m 3 ) 。 2 、被抽容器内一旦被抽空，暴露于真空下的各种材料构件的表面就将把原来 在大气压下所吸收和吸附的气体解析出来，这部分气体来源我们称之为放气，单 位时间内的放气流量可以用q ，( p a m 3 s ) 来示； 实验表明，材料表面单位时间内单位表面积的放气率q 可以用式的经验公式 来计算。 真空室内暴露于真空下的构件表面，可能有多种材料。所以总的表面放气流 量q f 为 q f = q 。t 一6 + q 。( 2 5 ) 式中： q 。是抽空l 厅后的放气速率，p a m 3 ( m 2 s ) q 。是抽空时间无限长之后材料表面的放气速率，p a m 3 ( m 2 s ) t 是抽空时间，h p 是材料的种类及其预处理状况有关的放气时间指数。 抽气开始时，p 值较大，但不太长时间之后p 值就渐近一个常数。 根据材料种类不同，b 值在0 5 2 之间变化。 i q f = a i q 6 t 唯+ q 。 一般来说， ( 2 6 ) 沈阳理工大学硕士学位论文 式中： a ；是第f 种材料暴露在空气下的表面积，m 2 q 6 是第f 种材料在抽空1 j i z 后的表面放气速率，p a m 3 “m 2 s ) p ；是第f 种材料的放气时间指数 q 。是抽气时间无限长后总得放气流量，p a m 3 s t 是抽气时间，h 3 、大气通过容器壁结构材料向真空室内渗透的气体流量，以q 。p a m 3 s 表示。 渗透的气流量即是大气通过容器壁结构材料扩散到容器中的气体流量。气体的这 种渗透是有选择性的，例如：氢只有分离为原子才能透过钢、铁、镍和铝；氢对 钢的渗透将随钢中含碳量的增加而增加。氦分子能透过玻璃。氢、氮、氧和氩、 氖、氦能透过透明的石英。一切气体都能透过有机聚合物，如橡胶、塑料等。但 是所有的隋性气体都不能透过金属。除了有选择性之外，渗透气流量q 。还与温度、 气体的分压强有关。在材料种类、温度和气体分压强确定时，渗透气流量q 。是个 微小的定值。 、 4 、液体或固体蒸发的气体流量q z p a m 3 s 。空气中水分或工艺中的液体在真 空状态下蒸发出来，这是在低真空范围内常常发生的现象。在高真空条件下，特 别是在高温装置中，固体和液体都有一定的饱和蒸气压。当温度一定时，材料的 饱和蒸气压是一定的，因而蒸发的气流量也是个常量。 5 、大气通过各种真空密封的连接处，通过各种漏隙通道泄漏进入真空室的漏 气流量q l p a m 3 s 。对于确定的真空装置，漏气流量q l 是个常数。漏气流量通常 可通过所说的压升率，即单位时间内容器中的压强增长率p x 来计算式( 2 - 7 ) 。 q l = v p x( 2 - 7 ) 式中： v 是容器的容积，m ： p x 是容器中的升压率，p “s 一1r 第2 章真空技术理论 当真空泵启动之后，真空系统即对被抽容器抽气。此时，真空系统对容器的 有效抽速若以s 。表示，容器中的压力以p 表示，则单位时间内系统所排出的气体 流量即是s 。p 。容器中的压强变化率为票，容器内的气体减少量即是v 票。根据 d tq t 动态平衡，可列出如下方程( 2 8 ) 阳1 。 v 票：s 。p + q f + q 。+ q ：+ q l ( 2 - 8 ) 这个方程称为真空系统抽气方程。式中y 是被抽容器的容积，由于随着抽气 时间t 的增长，容器内的压力p 降低，所以容器内的压强变化率譬是个负值。因 而v 票是个负值，这表示容器内的气体减少量。放气流量q ，渗透气流量q 。， 蒸发的气流量q z 和漏气流量q l 都是使容器内气体量增多的气流量。s 。尸则是真空 系统将容器内气体抽出的气流量，所以方程中记为s 。p n 0 。 对于一个设计、加工制造良好的真空系统，抽气方程( 2 - 8 ) 中的放气q ，渗气q 。、 漏气q l 和蒸气q z 的气流量都是微小的。因此抽气初期( 粗真空和低真空阶段) 真空 系统的气体负荷主要是容器内原有的空间大气。随着容器中压强的降低，原有的 大气迅速减少，当抽空至1 1 0 1 砌时，容器中残存的气体主要是漏放气，而且主 要的气体成分是水蒸汽。 2 4 3 真空系统的重要参数计算 对容器的有效抽速和其所能获得的极限真空度是真空系统中最重要的性能参 数。其极限真空度是指在没有外加负载的情况下，抽气满足一定时间后，真空系 统能达到的最小压力。 在容器出口处的压力下，规定单位时间内真空系统从被抽容器中所抽除的气 体体积称为真空系统对容器的有效抽速。有效抽速取决于两点：l 真空泵的抽气速 度；2 真空系统的管路对气体的导通性能，即所说的流导。而流导就是在单位压差 下的条件下，流经管路的流量的大小n 。用一个公式来表示，即为式( 2 9 ) 所示， c ：j l p 1 一p 2 - 1 9 一 ( 2 - 9 ) 沈阳理工大学硕士学位论文 式中：q 一流经管路的气流量，p a 州s c 一管路的流导，m 3 s ； p 1 ，p 2 一管路入口压力和出口压力，p a 。 用s 。表示真空系统对容器的有效抽速，用s p 表示真空泵的抽速，c 表示真空 泵入口与真空容器出口之间管路的流导，则有式( 2 1 0 ) ，( 2 1 1 ) 、( 2 1 2 ) 、和( 2 1 3 ) 酉2 石+ i 2 1 0 ) 或者写为 s - 暴 ( 2 - 1 1 ) s _ 彘 ( 2 1 2 ) s - 蠢 ( 2 - 1 3 ) s p 方程( 2 1 0 ) 、( 2 1 1 ) 、( 2 - 1 2 ) 、和( 2 - 1 3 ) 本质上是一个方程，只不过写法不同， 这个方程在真空系统设计中是一个非常重要的方程，如果知道泵的抽速和s p 管路 的流导c ，可计算出系统对容器有效抽速，此方程就是真空技术基本方程3 。 从方程( 2 - 1 2 ) 可以看出：当的流导c 远大于真空泵的抽气速度s p ，则s p c 的 值远小于1 ，此时容器的有效抽速s p s c 。为了充分发挥真空泵对容器的抽气作 用，在真空系统管路的设计时，应使管路上的的流导尽可能大，真空管路应该短 而粗，不能细长。这是连接管道设计时的一条重要原则。相反，当管路的流导c 远远小于真空泵的抽速s p 时，则c s p 值远远小于1 ，从方程( 2 - 1 3 ) 可以看出，此时 真空系统对容器的有效抽速s p c ，这就是说，在这种情况下，选择多大的真空 泵都没有用，都不能提高真空泵对容器的有效抽速口引。 第2 章真空技术理论 2 5 完整的真空系统组成 尽管真空设备种类繁多，但真空设备都有一套排除被抽容器内气体的抽气系 统，以便在真空容器内获得所需要的真空条件。例如：一个真空处理用的容器， 将管道和阀门与真空泵连接起来，当真空泵对容器进行抽空时，容器上要有真空 的测量的装置，这样就构成了一个最简单的真空抽气系统n 引，如图2 1 。 1 被抽容器，2 真空表，3 连接管道，4 真空阀门，5 真空泵 图2 1 最简单的真空系统 图2 1 所示的最简单的真空系统只能在被抽容器内获得低真空范围内的真空 度，当需要获得高真空范围内的真空度时，通常在图2 1 所示的真空系统中串联一 个高真空泵。当串联一个高真空泵之后，通常要在高真空泵的入口和出口分别加 上阀门，以便高真空泵能单独保持真空。 2 6 真空技术的应用的领域 真空技术的应用范围极为广泛，种类繁多，其应用涵盖各种工业领域，如机 械、电子、食品、化学、冶金等等，从较低层次的真空包装、文件或货物的输送、 物品的干燥、浓缩储藏，到材料的精炼、烧结、熔接、热处理以及电子显微镜等 分析仪器的使用，乃至高科技之粒子加速器与半导体电子工业等，不可尽数