（机械制造及其自动化专业论文）提高单层热压机贴面质量的关键问题研究.pdf

摘要 摘要 本论文对提高单层热压机贴面质量的关键问题进行研究，主要采用理论分 析、实验测试和有限元仿真相结合的方法，分析研究影响加工板材质量的关键 因素。首先从理论的角度出发，找出影响热压机加工板材质量的因素，比如热 压工艺、压机中的机械设备以及生产管理的影响等；然后，分析传递压力和温 度的上、下热压板，其热压板中的压力、温度差异将直接关系到人造板的质量。 主要从压板的加工工艺、钻孔方向的选取和强度、刚度的校核去分析：接着针 对加工不同贴面板，利用a n s y s 中的优化模块优化w d t 7 9 一1 8 0 0 0 热压机加工 7 9 和6 8 贴面板的应力场和温度场，得到油缸位置的合理布置，及其每个 油缸压力大小的比例，使板材表面尽量压的都比较的均匀，无凸凹不平的现象。 另外论文对框架板进行有限元分析，计算框架板的应力场、位移场，并对 拐角处的结构尺寸修正，同时对框架板进行了结构优化和模态分析，为生产制 造节约材料，了解现结构的动力性能以及避免结构的共振奠定了基础。 关键词：单层热压机，加工质量，热压板，油缸布置，有限元仿真，优化设计 a b s t r a c t t h ep a p e rf o c u s e so nt h ek e yr e s e a r c ho ni m p r o v i n gt h ev e n e e rq u a l i t yo f m o n o l a y e rh o t p r e s s ，w h i c ha n a l y s i st h ek e yf a c t o r si nt h eq u a l i t yo fp l a t ep r o c e s s i n g t h em a i nm e t h o da l et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，e x p e r i m e n t a lt e s t i n gc o m b i n i n gw i t hf i n i t e d e m e n ts i m u l a t i o n f i r s to fa l l ，t h eq u a l i t yf a c t o r sa l ef o u n df r o mat h e o r e t i c a lp o i n t o fv i e w , s u c ha sh o t - p r e s s i n gp r o c e s s ，p r e s st h em e c h a n i c a le q u i p m e n ta sw e l la st h e i m p a c to fp r o d u c t i o nm a n a g e m e n t s e c o n d l y , t h ep a p e ra n a l y s i st h eu p p e ra n dl o w e r h o tp l a t ew h i c hc a nt r a n s f e rt h ep r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r e t h ed i f f e r e n c ei np r e s s u r e a n dt e m p e r a t u r ew i l lb ed i r e c t l yr e l a t e dt ot h eq u a l i t yo fw o o d b a s e dp a n e l w e r e s e a r c hm a i n l yf r o mt h ep l a t ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , d r i l l i n gd i r e c t i o na n dt h e i n t e n s i t ya n ds t i f f n e s so ft h eh o tp l a t e t h i r d l y , t h eu s eo fa n s y so p t i m i z a t i o n m o d u l e o p t i m i z e s t h e m o n o l a y e rh o t - p r e s sp r o c e s s i n g 蹄d 丌7 x9 一18 0 0 0o f 7 9 ra n d6 8 s h e e t sp r e s s i n go ft h es t r e s sf i e l da n dt e m p e r a t u r ef i e l d w ew a n tt o g e tar e a s o n a b l el o c a t i o no ft h ef u e lt a n ka n de a c ho fi t sp r o p o r t i o no ft h ef u e lt a n k p r e s s u r e ，w h i c hm a k em a tt h ep r e s s u r ep l a t es u r f a c ea r er e l a t i v e l yu n i f o r m ，w i t h o u t t h ep h e n o m e n o no fu n e v e n b e s i d e st h ea r t i c l ec a l c u l a t e st h ef r a m e w o r ko fp l a t es t r e s sf i e l d ，d i s p l a c e m e n t f i e l da n da m e n d st h ec o m e ro ft h es t r u c t u r es i z e a tt h es a m et i m e ，t h ep l a t e s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o na n dm o d a la n a l y s i sc a ns a v em a n u f a c t u r i n gm a t e r i a l sa n d k n o wa b o u tt h es t r u c t u r eo fp o w e rp e r f o r m a n c et oa v o i dr e s o n a n c es t r u c t u r el a y i n g t h ef o u n d a t i o n k e yw o r d s ：m o n o l a y e rh o t p r e s s ，p r o c e s s i n gq u a l i t y , h o tp l a t e ，t h el a y o u to ff u e l t a n k ，f e ms i m u l a t i o n ，o p t i m i z i n gd e s i g n i i 学位论文版权使用授权书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位 论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开 发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的 法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 苏多工药 。7 年多月2 0 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位 论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开 发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的 法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 级；上药 。7 年岁月2 。e t 第1 章绪论 1 1 选题背景和课题来源 第1 章绪论 人造板是木材工业中技术最密集、用途最广泛、最具发展潜力的产品，是 衡量一个国家木材工业、木材科技水平和综合国力的重要标志【。近年来国内各 个行业对人造板的需求急剧增长，对质量的要求也日益提高。为尽快在人造板 产品质量上缩小与国外先进水平的差距，我国大量引进了各种人造板生产设备 与生产工艺技术，进口各类人造板生产线均有四、五十套之多。引进先进设备 与生产工艺技术不仅极大地促进了我国人造板工业的发展，推动了我国人造板 生产设备制造业的技术进步，也大大提高了我国人造板的产品质量。但由于激 烈的市场竞争，影响了企业间的相互交流，造成对引进设备和工艺技术吸收较 差，缺少进行改进和创新【2 】。 一般来说每台压机都是对应具体的生产线具体的加工板材规格来设计的， 加工的板材规格不同，若原样照搬国外热压机的尺寸结构，结果并不一定适合 我们这条生产线的需要，有可能造成要么浪费大量材料、增加大量成本，要么达 不到使用要求的极端结果。再说一般企业不可能只生产一种规格的幅面板，应 该满足不同的客户需求，生产出不同种类不同规格的幅面板。但是生产每种幅 面板都需要一定的热压生产线，企业也不可能购买每种相对应的生产线，这是 企业承受不起的，同时也造成了很大的经济浪费。最近几年我国的人造板生产 设备制造企业对引进设备进行消化、吸收、博采众长，遵循一学二用三改四创 新的原则，结合我国的国情设计制造出了具有中国特色的各种人造板生产设备， 大大提高了国产设备的技术水平【2 j 。 本课题就是与苏州某人造板设备公司进行合作，用w d 7 7 9 一1 8 0 0 0 大型 热压机对贴面板进行加工，提高加工不同贴面板质量的研究。依托高校较雄厚 的科研实力并结合公司在该领域的经验积累，对人造板设备进行研究分析，解 决新产品开发中存在的一些关键技术问题，进而将设计开发提高到科学理论层 次，实现规范高效系统的新产品开发。在本文中我们通过对单层热压机加工不 同幅面板关键问题的分析研究，将有力地促进企业在设计、分析水平上实现较 大的提高，同时借助该公司这支生产人造板设备的新军，可以将研究结果推而 第1 章绪论 广之，促进相关行业进行技术革新和改造，提高产品竞争力。 1 2 单层热压机系统概况 1 2 1 单层热压机的特点 世界上第一台人造板单层压机由德国的比松公司制造，是一种主要用于刨 花板生产的半自动系统，于1 9 5 7 年正式交付使用【3 】。 单层压机的最大特点是使用一条循环的钢带，通过钢带牵引铺装好的板坯 进入压机进行热压，热压完成后板坯被牵引出压机。由于钢带的使用减少了下 压板与板坯的直接接触，避免压板受到湿热蒸气的腐蚀，提高了热压板的使用 寿命。 单层压机的另一特点是辅助热压时间的降低。与多层压机相比，由于省去 了压机装板、卸板装置，单层压机的辅助热压时间有较大的缩短，因此在一定 程度上提高了劳动生产率。同时单层压机也没有多层压机复杂的装卸板系统， 结构比较简单，易于操作，而且由于不受压机开档的限制，在理论上可以生产 任意规格厚度的产品。钢带的使用在人造板压机史上具有重要的意义。 钢带的使用一方面保护了热压板，一方面使得热压时压力比较均匀，生产 的产品尺寸比较稳定，减少了砂光余量和锯切余量。随着钢带技术的进步，在 一定程度上使得后来连续压机的出现成为了可能。随着生产规模的不断扩大和 客户需求的不断提高，单层压机的产能也在不断提高。单层压机产能的提高依 靠压机长度和宽度的增大。目前单层压机热压幅面宽度在7 - 9 英尺可调，压机 的有效长度可达5 2 m 。 目前，全世界共有6 0 0 多台单层压机在世界各个角落运转。制造商包括比松 公司、辛北尔康普公司、贝克一冯赫伦公司、迪芬巴赫公司、顺智公司以及其 他的一些设备厂商。我国的部分人造板设备供应商虽然也能生产单层压机，但 是由于在热压板制造、加热系统等方面技术不成熟，与世界的先进水平差距很 大。由于单层压机的优点，使得其与多层压机相比具有一定的优势。在世界人 造板工业生产特别是刨花板工业生产中，单层压机有替代多层压机的趋势【j j 。 2 第1 章绪论 1 2 2w d t 系列单层热压机工作参数 本论文采用的板材自动贴面系统生产加工的板材幅面是7 9 和6 7 8 7 ，换算 成公制为2 0 7 0x2 8 0 0 m m 2 和1 8 3 0x2 4 4 0 m m 2 热压机工作中的技术参数如下所示：公称压力1 8 0 0 0 k n 闭合时间( s ) 2 5 开启时间( s ) 2 5 层间距( 姗) 3 0 0 主油缸( 直径行程) ( 岫) 巾3 2 0 x 3 0 0 x 9 提升缸( 直径行程) ( 姗) 由1 0 0 5 0 3 工作油压( m p a ) 2 5 热压板温度( ) 2 1 0 装板速度( m m in ) 7 0 - - 9 0 跑车速度( m m i n ) 7 0 - - 9 0 采用9 个主油缸作为热压动力源。 1 3 国内外对提高人造板质量机械设备研究的概况 1 3 1 国内人造板机械设备加工质量存在的主要问题 目前人造板生产的机械化、自动化、数控化程度要求越来越高，与国外产 品相比，人造板机械单机和生产线相对差距较大，无法完全实现自动化管理， 更难于实现精准化工艺和生产，大大降低了机械设备的生产能力，从而严重影 响劳动生产率、机械设备利用率和产品质量。 基础件不过关也是国内影响人造板加工质量的机械设备问题。我国一些机电 基础件的技术水平还比较落后，“跑、冒、漏”现象严重，尤其是液压、气动元 件，电气元器件，阀门、管接头，自动控制次、二次仪表，减速、变速机等 机电产品的可靠性和使用寿命已不同程度影响了个国产人造板机械的技术水平 的提高，也直接影响了人造产业劳动生产率及产品档次的提耐4 1 。 工艺理论研究滞后，跟国外相比差距较大，没有深人的理论研究，只是参 照国外同类板种制定工艺，没能结合我国国情建立相应的旋切工艺、热磨工艺、 3 第1 章绪论 干燥工艺铺装工艺和热压工艺等埋论，严重影响了人造板工业设备自动控制水 平的提高。目前国内人造板工业设备的控制水平只停留在单机设备控制或某一 工段控制上，在生产过程中工艺参数的设定不能实现整体同步性调整或相关参 数的同步调整，工艺理论曲线建立不够完善，不能辅以多种工艺菜单，不能选 择变化的生产过程，这也制约了人造板工业设备自动控制水平的提高，使产品 质量不够稳定 4 1 。 基于以上考虑，现今要强化主机设备，加强对人造板工艺的研究，完善机 械的设计制造，重点开发有中国特色和自主知识产权的人造板生产工业化技术 与设备。同时还要广泛开展国际配套，提高国产机械的内在质量和工作可靠性， 提高生产线的开工率和产品质量。采用与国外先进人造板机械制造企业同水平 的外配套件，在线检测装置，加上高水平制造加工专业零部件，提高人造板生 产线整体技术水平，降低设备投资，推动人造板产业升级，增强国际竞争能力。 1 3 2 国外人造板机械工业设备发展的现状 国外人造板机械工业正向大型化、自动化、数控化和高新技术的广泛应用， 研究和开发新工艺、新设备，以及注重环境保护的方向发展。世界人造板生产 装备技术水平不断提高，代表国外先进发展水平的新技术主要表现在以下几个 方面： 自动控制技术高。国外应用在人造板生产上的先进自动化过程控制技术， 采用分布式智能开放式系统、数据联网和中心数据库等先进技术，把一次控制 与基础自动化控制完全分离，使生产线不受过程管理配置的影响和约束，具有 过程及质量数据管理、生产数据管理和报告、自动更换产品、带有配方和订货 管理的全自动生产和企业范围的信息口等先进功能【5 1 。先进的人造板生产线大都 装备有高度自动化的计算机控制系统，操作人员非常少，如法国i s o r o y 公司的 u s s e l 中密度纤维板厂，日产量为2 3 0 m 3 ，整条生产线由计算机控制，只有7 名人员 监视全部生产过程【6 j 。 检测技术先进。国外在人造板生产线中的关键工序、关键设备上建立若干 质量控制点，定点定时对质量控制点进行监控，使工序和设备始终处于受控状 态。采用v d c 网屏( 视频显示装置) 对生产过程实施动态监控，不仅可以显示工 艺参数，也可以发挥控制作用，代表了人造板生产过程控制的发展趋势。另外， 4 第1 章绪论 发达国家对人造板设备的安全性能要求很高、在生产线上容易产生起火、爆炸 和不安全的工序都设置有防火、防爆设备及防上人身事故的安全系统。 热处理技术的进步。迪芬巴赫公司成功开发了一种新的板坯预热系统，通 过控制饱和蒸汽加热板坯表面，用来预热定向刨花板、纤维板或刨花板板坯表 面达至1 11 0 0 ，热压时间比过去减少很多【5 】；喷蒸热压技术【7 】【8 】是将高温水蒸汽靠 外部压力注入板坯内部，使板坯整体均匀和迅速加热，可在短时间内制板。采 用喷蒸热压法的热压时间仅为传统压机热压时间的l 5 1 6 ；以及现在促进人 造板工业向大规模方向发展的连续热压技术【9 】，它具有生产连续、产量高、幅面 大、规格灵活等特点，有效地促进了人造板工艺技术、生产线其他相关设备与 控制检测技术的长足发展，可以说，连续压机的出现是人造板工业的一场革命。 1 4 课题研究的目的和意义 目前我国连续压机的生产能力还不强，单层热压机和多层热压机在国内还 处于主导地位，向国外先进设备看起的同时，也要注重研发符合中国特色的人 造板机械设备。与苏卅i 某人造板设备有限公司的联合项目一提高 w d t 7 x 9 一1 8 0 0 0 单层热压机加工贴面质量的关键性分析研究就是其中的一个 例子。 本文研究的是提高单层热压机w d t 7 9 一1 8 0 0 0 的贴面质量，同时对 7 t x 9 和6 8 的两种规格幅面板加工中九个的优化油缸布置所引起的温度场和应力 场的分析与研究，目的就是要使板材表面尽量压的都比较的均匀，无凸凹不平 的现象( 无正应变) ，提高同一热压机加工不同幅面板的质量。它能够使企业的 资产得到合理的转移，节约大量的资金，同时为企业抓住市场机遇，及时调整 产品结构，满足市场的需求，具有一定的实际应用价值。对提高人造板的性能， 进而减少林木采伐量，维持生态的可持续发展具有重大影响。也有利于提高我 国人造板生产设备的技术水平，缩小与发达国家先进生产设备的差距；提高我 国人造板生产企业的生产能力，降低生产成本，更好地参与国内和国际竞争。 研究涉及到了机械设计与机械原理，材料学，液压学，热力学等理论知识， 并运用到了一些机械分析方法比如：有限元分析方法。通过本课题能够把多个 门课的知识贯通到一起，运用到设计实践中。同时利用有限元软件，比如f l u e n t 和a n s y s 等对其结构进行分析和优化，与传统的方法进行比较，更清楚地认识 5 第l 章绪论 到分析内容的深层含义，达到优化结构、提升板材加工性能、提高板材加工效 率和质量等目的，并积极探索运用基础理论和现代技术手段解决关键技术问题 的方式和途径。 1 5 论文研究内容 主要内容：首先找出影响加工幅板表面质量的因素，然后对其上下热压板 进行有限元分析和优化；其次在上热压板上进行加工7 x 9 贴面板油缸布置的有 限元分析，接下来进行对6 x 8 规格贴面板和同时加工两种板材时油缸位移布置 的应力场和温度场研究；最后对框架板进行分析。具体内容如下： 第1 章引出本文选题的背景与课题来源，介绍了单层热压机的概况以及本 论文采用的综述了国内外对提高人造板质量机械设备研究的状况，提出问题， 进而确定了本文的研究内容。 第2 章分析找出影响热压机加工板材质量的因素。首先从热压加工工艺的 主要影响因素压力和温度上分析，建立应力场和温度场的数学模型，其次从热 压设备的外在影响上进行研究，介绍影响质量的几种情况，比如：热压表面板、 框架板、油缸的布置等。 第3 章首先对热压板的加工工艺进行分析，然后以从传热学的角度分析不 同钻孔方向对热压板传热和能耗的影响，最后用有限元的方法对已设计的热压 板进行强度和刚度分析，看是否与设计相一致。 第4 章本章研究w d t 77 9 一1 8 0 0 0 热压机加工7 9 和6 8 板材油缸合理 位置的布置，及其每个油缸压力大小的控制。也是用有限元优化的方法使得在 压制好7 9 板材的前提下，用同一压机加工6 7 8 的板材，主要是考虑成型板 材的应力场和温度场，加工出高质量的板材，能为公司带来可观的经济效益。 第5 章对框架板进行有限元分析，先用理论计算的方法校核关键处的应力 集中系数，然后用有限平面单元的方法分析框架板的应力应变并优化框架板的 结构，使得在材料屈服应力预需的情况下应力集中系数最小以及质量最小化。 最后对热压机机架进行模态分析，了解框架在不同频率下的振型，使结构设计 避免共振。 第6 章结论和展望，总结了本文的研究工作，并指出需进一步研究的方向。 6 第2 章影响热压机加i 扳材质量的紊 第2 章影响热压机加工板材质量的因素 板村的热压是指带胶粘剂的板坯在一定的温度、眶力、时间内，完成板r 的过程。这一过程基本上是决定人造板产品内在性能的最后工段，足复杂的物 理化学过程。本章主要介绍影响热且 机加j 板材质量的各种因素，从热压工 圭三和热压机q 啪设备设计j 布置的角度出发，分析各种保证不同规格板材质量 的主要方法， 21 人造板的规格与分类 人边板是以术材或其它植物纤维为原料，通过专的工艺上栏加工，施加 胶粘剂或不加胶粘剂，在一定的条件f 压制而成的板材或型材。人造扳品种繁 多、应川场所不h 、产品性能差别极大、功能不同，我们主要介绍咀下几种类 别： aj 脞合舨 圹!遂 d 1 纤维板 第2 章影响热压机加工板材质量的因素 胶合板是由木段旋切成单板或由木方刨切成薄木，再用胶粘剂胶合而成的三 层或多层的板状材料，通常用奇数层单板，并使相邻层单板的纤维方向互相垂 直胶合而成，如图2 1 ( a ) 。贴面板也叫饰面板材，是装饰单板贴面胶合板( 简 称装饰板) 的俗称。它是家庭装修中一种主要的面层装饰材料，属胶合板系列， 是以胶合板为基础，表面贴各种天然及人造板材贴面。它具有各种木材的自然 纹理和色泽，广泛应用于家庭及公共空间的面层装饰。 刨花板是将木材加工过程中的边角料、木屑等切削成一定规格的碎片，经过 干燥，拌以胶粘剂、硬化剂、防水剂，在一定的温度下压制而成的一种人造板 材，如图2 1 ( b ) 。因为刨花板结构比较均匀，加工性能好，可以根据需要加工 成大幅面的板材，是制作不同规格、样式的家具较好的原材料。 纤维板是用木材或植物纤维作主要原料，经机械分离成单体纤维，加入添 加剂制成板坯，通过热压或胶粘剂组合成人造板，如图2 1 ( d ) 。纤维板很容易进 行涂饰加工，本身又是一种美观的装饰板材，可覆贴在被装饰或需要保温的结 构件上，也可用各种花样的胶纸薄膜及塑料贴面，单板或轻金属薄板等材料胶 贴在纤维板表面上。 胶合板、刨花板和纤维板三者中，以胶合板的强度及体积稳定性最好， 加工工艺性能也优于刨花板和纤维板，因此使用最广。硬质纤维板有可以 不用胶或少用胶的优点，但环境污染是纤维板工业的严重问题。刨花板的 制造工艺最简，能源消耗最少，但需用大量胶粘剂。 2 2 热压参数的影响 热压参数包括压压力、热压温度和热压时问，它是热压工艺的三要素。具 体指通过合理地安排热压时的温度、压力和时间关系等，使板坯经过热压胶合 成板，并达到预期的物理力学性能指标。 2 2 1 热压压力的影响 板坯热压的目的是使板坯中木材一胶层一木材紧密结合，胶料部分渗入木 材细胞中为胶合创造必要的条件。给予板坯压力大小用板坯单位面积所受力的 大小表示。板坯在热压时，所用压力的大小影响物料之间的接触面积、板的密 8 第2 章影响热压机加工板材质量的因素 度、板坯压缩特性、板的厚度、胶层厚度和物料之间胶的传递能力。物料之间 接触好的板的强度高。从加压初期到压力逐渐升高到最高值，接触也逐渐增多 到最大值。下图2 2 就是在加压时期压力和时间的典型关系即热压曲线【l o l 。 名 厶 兰 、_ ， r 幽 图2 2 典型的热压曲线 互一板坯送入压机的时间，在互的末了，整个压机都装上了板坯，这时板还没 有受到压力。 乃一热压板从开始闭合，到全部闭合上，板坯上仍未受到压力。 乃一上下热压板都压紧板坯后，压力升到工作压力p 瑚。 瓦一压力保持时间( 加压时间) ，板坯被压紧，胶粘剂固化。这段时间占整个加 压时间的大部分；正一胶结剂固化后，压力下降到零；疋一从压力为零到 热压板完全张开的时问；z 一卸板时间。 从互弓为一个热压周期，从乃正称为热压时间。通常，工艺上称的热 压压力是指板坯单位面积的最大压力。板坯压力( p ) 计算公式如下： p ：毗钐4 ( m p a ) ( 2 1 ) 式中d 一热压机油缸直径( c m ) ；m 一热压机油缸数目；只一热压机表 压力( m p a ) ；a 一板坯面积( c m 2 ) ；k 一压力损失系数，0 9 - - 0 9 2 。 在生产上，工艺条件常会稍有变动。除了上图人造板生产典型的热压曲线外， 下面介绍几种变化的热压曲线【1 0 】： 9 第2 章影响热压机加工板材质量的因素 p 压 力 p 压 力 ( a ) 三段降压曲线 时 时 p 压 力 p 压 力 ( b ) 厚板热压曲线 ( c ) 零段保压曲线( d ) 高含水率热压曲线 图2 2 典型的热压曲线 表2 1 不同热压曲线的比较 时 时 序号名称特点 适合板犁 在降压过程中热压压力与热压曲线均为等段，胶合板、刨花板 1三段降压曲线生产中易制定，利用二三段压力减少段释放板中和巾密度纤维 图2 2 ( a )的蒸汽压力，可有效地防d ：鼓泡现象。板 厚板热压曲线 无保压段，利用厚板在热压过程巾板身的自然 2 图2 3 ( b )收缩导致板坯压力逐渐减少，从而有助于蒸汽厚胶合板 乐力渐渐减少。 零段保压曲线当热压压力降到接近丁零时，压板不张开，而含水率较高的 3图2 4 ( c )是保留一段时问，以释放板坯内部的蒸汽，防板 l i ：热乐缺陷产生。 高含水率热曲 热压过程通常采取三段加压的形式一挤水段、 湿法纤维板 4 线图2 5 ( d )干燥段、固化段。 1 0 第2 章影响热压机加工板材质量的因素 2 2 2 热压温度的影响 热量是经过热压板板面传递给板坯表面的，然后再逐步传递到板坯中央， 促使胶粘剂固化。通常热压温度是指热压板温度，且被视为恒热源。选择热压 温度应主要考虑胶粘剂的类型、板种、设备能力、树种、板坯含水率和板的厚 度等因素。通常，酚醛树脂胶需要的温度大于1 3 9 ，不宜超过1 5 0 ；脲醛树 脂胶温度理论上1 0 0 时2 0 一- - 3 0 s 便固化。然而，板种不同，温度差异性很大， 主要取决于板内水分的易排出程度、温度传递速度、板表层可塑性和胶合性能 左盘 守o 板坯热压时间温度特性曲线直接影响到加压时间和生产率。下图2 3 是板 坯加热时间和板坯表层与芯层温度的关系。 温 度 t it 2t 3t 4 时间r e i n 图2 3 板坯加热时间和板坯表层与芯层温度的关系 z 一加热时，靠近热压板的板坯表层温度迅速上升，芯层温度没有上升。 正一板坯芯层温度开始上升，并继续上升到蒸发以前为止。温度上升很快。 正一开始蒸发，并继续蒸发，直至芯层温度达到水的沸点。这一段温度上升缓 慢，如蒸汽不日 - 匕h ，z , k e 快逸出，沸点会上升。 正一芯层保持恒温，水变为蒸汽，并从板中蒸发出来。如果蒸汽不能排出，芯 层就不能保持恒温。 正一继续加热，芯层温度缓慢上升，高于沸点温度，并接近热压板温度，直至 热压结束。 第2 章影响热压机加工板材质量的因素 从上图可以看出，采取相应的措施，可以缩短板坯的热压时间。经一些实 验论证，高温和高压同时作用能有效地缩短热压时间。原料的尺寸和形状对板 坯内热量传递效果也有影响。了解了其规律，便于接下来充分利用板内的余热， 解决生产实际问题。如缩短热压时间，利用合适的时间进行胶粘剂后期固化； 控制或减少板内游离甲醛；合理地安排凉板时间和工序等【1 0 1 。 p 、 艇 键 醚 诤 每 葛 馨 图2 4 不同热压温度时板坯中心层的温度变化规律 板材在达到规定的胶合强度下，不宜选择较高的温度。温度愈高，板内的 水蒸气压力愈高，易产生鼓泡等工艺缺陷，又使板内温度在板堆放过程中难以 释放，造成胶层热分解。对于新型的刨花板，压机一般采用较高的温度，不同 热压温度时板坯中心层的温度变化规律如图2 4 所示【1 2 】。在热压机中，热量除使 胶粘剂固化外，高温还可增加木材塑性，便于压紧板坯。 2 3 热压设备的影响 图2 5 热压板的变形示意图 1 2 如嬲抛 !，l 第2 章影响热压机加工板材质量的因素 热压表面板：板材的外观质量主要取决于表面板的粗糙度( 图2 5 ) f 1 3 l 。表 面板如有凹痕、擦纹及缺陷都会反映在加工板材的表面上，胶也容易粘在这些 缺陷上，时间一长即产生焦化，严重影响产品表面质量。因此，热压表面板的质 量要求很高，一般每月要卸下清洗2 , - - - , 3 次。清洗时，严禁使用金属刮板或刷子刷 洗表面板1 1 4 1 。 框架板：框架板是热压机的本体结构，它的设计应考虑以下基本原则：尽 可能地满足工艺要求、便于操作；具有合理的强度与刚度，使用可靠；具有很 好的经济性，重量轻，制造维修方便。如果设计不好，强度不够的话框架板就 容易损坏，这对于热压机整体结构来说是比较危险的；刚度不够则框架板容易 变形，会影响加工板的平行度和平面度，严重影响了表面质量。 油缸的布置：热压板平压在板材表面进行热压加工，理论上板材表面受完 全均匀载荷的话，板材的受力状态最好，整个板材表面质量统一，但实际在生 产中发现，由于通过连接在上压板上的油缸提供压力，造成在热压时板材表面 的受力并不是完全均匀的，油缸布置位置附近的压力将大于边缘些地方的压 力，这样很容易造成板材表面受力不均匀，有的地方受力大压得很实，而有的 地方所受压力小表面质量不好。更严重的是若热压机布置位置出现较大偏差如 布置过分靠中心区域，将造成板材因中心部分受力大而边缘部分受力小，从而 在边缘产生相对翘曲，这对板材质量的影响是巨大的【”】。同时，本课题是同一 热压机加工两种不同规格的幅面板，油缸怎么布置，压力大小如何控制是一个 关键点，也是一个难点。 板坯铺装机：如果铺装机调整不当，就会产生上、下表层距芯层料的中心 距离不相等，从而使板坯结构产生不对称。这样的板坯经热压制成板材后，由 于上下两个表层料不对称，上下两个表层的强度大小就不一样，使板材结构不 平衡，产生不同的内应力，导致板材的翘曲变形。如果铺装后板坯表面出现“凸”、 “凹”不平，热压成型后的板材就会产生结构不均匀现象。这样的板材在使用 过程中，当环境温度和湿度发生变化时，由于板材各部分的膨胀和收缩不一致， 就会产生应力不均现象，同样造成板材的翘曲变形。在实际生产中要注意观察 板坯的铺装质量，发现问题及时进行分析，找出原因、排除隐患，确保铺装出 厚度均匀、表面平整的板坯【l 引。下表2 2 为常用人造板生产热压工艺参数。实际 当中应根据生产状况，有所修改。 1 3 第2 章影响热压机加工板材质量的因素 表2 2 常用人造板生产热压工艺参数 板种 胶粘剂类型板坯压力热压温度热压时间板坯含备注 ( 肝a )( ) ( m i n 衄)水率( ) 3 n 胶合板脲醛树脂 0 5 i 59 5 1 2 0 0 5 o 8 1 8建议 酚醛树脂 1 2 5 1 4 01 0 1 5 采用 多段 多胶合板脲醛树脂 0 8 1 59 5 1 1 00 7 i i 1 5 热压 多层胶合板酚醛树脂0 8 i 51 2 5 1 3 61 1 1 8 1 5 曲线 干法中密度脲醛树脂2 5 3 5 1 6 0 1 9 0 0 4 - - - 0 6 6 纤维板建议 干法中密度酚醛树脂 2 5 3 5 1 8 5 1 9 50 5 0 7 8 采用 纤维板 三段 降压 刨花板脲醛树脂 2 2 3 51 4 0 1 9 00 3 1 0 如。 再根据导热公式： q = k s a t ( 3 5 ) 式中：k 一热压板的传热系数；s 一管道的换热面积；丁温差。 在丁和s 不变的前提条件下，q 也与k 成线性正比关系，所以q 1 q 2 ，即横 向压板中蒸气释放热量比纵向压板的大，升温快，表面温度也比较均匀，其加 工性能较优越【1 8 】。从热压板两种钻孔方向的温度和能耗对比分析中初选横向钻 孔。在此基础上，采用热介质两端分成多路同时运行的横向结构，其实际应用 模型如图3 4 所示，这样更能减少温差和快速传热。 。? ? ： 、 ： i l i 一 一一 砌 一一 一 图3 4 热压板内部横向钻孔布置 3 3 热压板选用钻孑l 的加热温度测试 对热压板横向砖孔的加热温度进行测试，主要是为了考察热压板横向钻孔 在通有饱和蒸汽的情况下，不同时问段内热压板温度场的分布情况，以及需要 多长时问热压板能够达到稳定状态。 1 9 第3 章上、下热压板的分析与研究 5 0 m m 图3 5 试验测温点示意图 实验【1 3 1 条件： 热压板材料：q 2 3 5 一a 热压板规格：2 9 5 0 m mx2 2 2 0 m m l8 0 r a m 饱和蒸汽压力：o 3 m p a 压力表：o 1 o 肱阮 数显温度计：0 - - - 3 0 0 * c 环境温度：室温2 5 ，压板2 0 实验准备： 将热压板平铺在框架板上，使下端完全约束；再使压力泵通入饱和蒸汽【2 0 】 的管道连接好，准确放置压力表以确保通入热压板的压力值为0 3 m p a 。 实验过程： 在热压板的上表面选取5 个测温点，接通电源，启动压力泵向热压板管道内 通入饱和蒸汽，用数显温度计对测温点进行温度测试，每隔5 分钟对5 个测温点 分别进行一次测试，纪录下各点温度的数值。在实验数据处理上，计算出了温 度分布误差，检测到了通入饱和蒸汽的实际效果以及温度场分布均匀程度。具 体数据如下表： 2 0 第3 章上、下热压板的分析与研究 表3 3 热压板升温过程温度分布实验结果 序号时间测点温度( ) ( m i n )l 2345 温差范围 1o2 02 02 02 02 0 2 0 如 25 3 l3 03 02 83 23 0 5 1 5 31 04 14 23 94 04 24 0 5 1 5 41 54 95 05 0 5 25 3 5 l 2 52 06 26 16 15 9 6 3 6 l 2 6 3 07 67 47 37 57 87 5 5 2 5 7 3 58 38 08 28 48 68 3 3 8 4 09 l9 09 09 09 39 1 5 1 5 94 5 1 0 31 0 41 0 21 0 51 0 61 0 4 2 1 0 5 01 0 91 l ol l o1 0 91 1 3l l o 5 1 5 1 1 5 51 1 61 1 41 1 31 1 61 1 8l1 5 5 2 5 1 26 01 2 11 2 l1 2 21 2 31 2 41 2 2 5 1 5 1 36 5 1 3 01 3 11 2 91 3 01 3 21 3 0 5 1 5 1 47 01 3 21 3 31 3 l1 3 21 3 41 3 2 5 1 5 1 57 51 3 51 3 61 3 51 3 51 3 71 3 6 l 1 68 01 3 51 3 61 3 61 3 71 3 81 3 6 5 1 5 从热压板升温实验所得到的数据中了解到热压板温升随时问的变化规律， 以及具体的时间使压板上升到我们所需要的温度。同时，通饱和蒸汽的温度误 差控制在3 以内，加热均匀程度满足热压机热压板作业的使用要求。 一般刚装配在一起的压机，上下压板有一定的内应力，如果加热过快会使 压板受热不均而导致局部变形集中，将对平行度造成很大的影响。所以首次加 热要缓慢进行。升高到一定温度时，并保温几个小时，使热压板膨胀变形充分 2 1 第3 章上、下热压板的分析与研究 发挥，尽量消除不均匀变形部位。然后使上下热压板在自然状态下冷却室温， 再进行多次预热( 一般用素板进行预压5 1 0 张) ，热压板就基本可以适应受热 过程。接下来我们做热压板稳态测温点的实验，即在预热多次后进行的。同样 是以压力为0 3 m p a 的饱和蒸汽加热热压板，至各进口温度保持稳定以数显温度 计按图示9 点测量。以温度计最大与最小读数差为测定值。 表3 4 热压板稳态测温点实验结果 测试一 l2345 上热压板温度1 3 61 3 71 3 61 3 71 3 8 6789温差 1 3 61 3 71 3 81 3 92 12345 下热压板温度1 3 61 3 81 3 41 3 61 3 7 67 8 9 温差 1 3 61 3 51 3 61 3 53 测试二 1 01 11 21 31 4 上热压板温度。1 3 61 3 51 3 8 1 3 7 1 3 6 1 51 61 71 8 温差 1 3 61 3 51 3 61 3 83 1 01 11 21 31 4 下热压板温度1 3 5 1 3 61 3 7 1 3 5 1 3 6 1 51 61 71 8 温差 1 3 51 3 51 3 61 3 62 从上表的数据中可知，热压板在稳态下上下压板的温度分布情况，温差控制 在3 。c 内，满足了用户所规定允差的温度要求。 2 2 第3 章上、下热压板的分析与研究 3 4 热压板强度的理论校核 图3 6 热压板受力简化图 热压板的强度和刚度也对板材的质量有很大的影响。假设热压板支承在刚 性支座上，即忽略框架横梁和动梁的变形；热压板面的压力均匀分布；忽略热 压板内存的热应力和板宽引起的应力，用材料力学的方法进行计算，纵向看热 压板受力可简化如图3 6 。 以苏州某人造板设备有限公司生产的w d t 77 x 9 一1 8 0 0 0 短周期贴面生产线 为例：工作单位压力q = 3 1 始c m 2 ，l = 2 9 5 c m ，b = 2 2 2 c m ，= 2 8 0 c m ，热压 板厚度t = 1 6 c m ，横向导热孔直径d = 2 8 c m ，板坯面积 s = ，b = 2 8 0 2 2 2 = 6 2 1 6 0 e m 2 总压力p = q s = 1 9 2 6 9 6 t ，板面承受线压力q = 形= 6 8 8 2 始c m 。经验表明， 框架等距比不等距布置好即b = c 优于b c ，l = 翻一1 ) 6 + 2 a 则 6 = c = 以1 8 3 0 5 6 = 2 _ 0 1 8 3 0 5 6 5 0 7 c m ，a = o 4 0 8 2 4 7 b 2 0 7 5 c m 。 热压板受力问题可是看作是4 次连续超静定问题，由于是对称的，所以可 简化为2 次超静定来计算，建立三弯矩方程如下： 2 3 第3 章上、下热压板的分析与研究 m 月6 + 2 m 口( 6 + c ) + m c c = - q q ( b 3 + c 3 ) m 矗c + 2 邺+ c ) + m o b = - 4 ( 6 3 + c 3 、 ( 3 6 ) m c 6 + 2 m 。( 6 + c ) + m e c = - q ( b 3 十c 3 ) m 。6 + 2 m e ( 6 + c ) + m ，6 一q 4 ( b 3 + c 3 ) 把( 3 6 ) 转化为矩阵的形式： f2(6c)2(6c)2。6；c，2。6曼c，匡妻 ( 3 7 ) 其中m = m ，= 一去g 口2 一1 4 8 2 x 1 0 6 堙c m ，b = c = 5 0 7 c m ，可用数值分 析中的追赶法，记做口k 】_ p 】，利用m a t l a b 编程求解方程中的四个变量 m 口= m e = 一1 4 7 3 x 1 0 6 堙c m ；m c = m 。= 一1 4 7 4 x 1 0 6 堙c m 。 取m 。= m = 一1 4 8 2 x 1 0 6 k g c m ，热压板屈服极限盯，= 2 4 2 8 6 k g c m 2 ， 安全系数胛= 1 5 ，则许用应力p 】：旦：1 6 1 9 k g c m 2 。 n 对于横向导热孔来说，抗弯截面系数为= b ( t 3 - d 3 6 , = 9 4 2 1 2 3 6 c m 3 仃一：笔笋：丝：生堡垒旦磐：1573kgl硎z(b】，所以热压板的强度w r = 一= 一= 一= ，：，咒、_ r 1 一l 以w ，、1 7 x 口j 1 唯j 重 。哟! 9 4 2 1 2 3 6 c m 3 。7 满足要求。 2 4 6 石 4 ， m m 一 一 、-、-、 3 3 3 3 c c c c + + + + 3 3 3 3 6 6 6 6 g 一4 g 一4 g 一4 g 一4 一 一 一 一 第3 章上、下热压板的分析与研究 热压板横向导热孔的横截面惯性矩，= b ( t 3 一d 3 ) 1 2 = 7 5 3 6 9 8 9 c m 3 ，对于 0 2 3 5 e = 2 i o g p a = 2 1 x 1 0 6 k g c m 2 ，则： 外伸端扰度： 跨中间扰度： 外= q b 3 a + 4 口b m 口一q a 3 ( 3 口+ 4 6 ) j 2 4 彤= _ o 0 0 4 3 1 c m ( 3 8 ) 矗- - i ( m c + m 。) ，2 v 1 6 e 1 5 q 1 2 3 8 4 日= 一0 0 9