（机械工程专业论文）实现大型热压机平行度精度的研究.pdf

实现大型热压机平行度精度的研究 摘要 本论文通过理论分析、实验研究、有限元分析a n s y s 软件等方 法，提出了实现特定尺寸的大型热压机平行度精度的关键途径和方 法，并通过大型热压机的成功试制加以验证。 世界范围内的能源危机，导致了新型产业一合成制品的出现。 合成制品的大型化催生了大型热压机的迅速发展。制品的高精度化 要求大型热压机的制造精度。热板平行度精度是衡量热压机制造精 度的重要数据。由于大型热压机相对于小型热压机的制造精度、装 配精度更加难以控制，如果仅是对小型热压机进行简单的放大，许 多性能参数将不能满足制品要求。研究发现，随着金属平面的尺寸 加大，金属的热变形对平行度精度己构成了很大的影响。大型热压 机的主要结构必须进行有效的调整，才能保证热板平行度精度要求， 从而满足制品精度要求。 影响热板平行精度的因素很多。本课题通过热压机的基本构成， 确定影响热板的平行度的主要因素，并应用理论、试验、分析等手 段，提出了适合于大型热压机的加热方式、工艺路线、驱动系统的 设计。经试制特定尺寸的大型热压机通过验证切实可行。 关键词：大型热压机，热板，平行度精度，热变形 s t u d yo na c h l e v i n gg r a d eo f p r e c i s i o no f p a r a l l e l i s mo fl a r g e - s c a l eh o t p r e s s a b s t r a c t a b s t r c t b a s e do na c a d e m i ca n a l y s i sa n de p er i m e n t a is t u d ya n df i n i t e e i e m e n tm e t h o da n s y ss o f t w a r e ，t h ea p p r o a c ha n dt h em e t h o dt o a c h i e v eg r a d e0 fp r e c i s i o no fp a r a i l e i i s m0 fi a r g e s c a i eh o tp r e s s w e r ep r o p o s e da n dv er i f l e db yw h i c hw a str a l pr i ) d u c e d s u c c e s s f u y _ m 0 n d i a ic r i s i so fe n e r g ys o u r c e ss p u r sd e v e l o p m e n to fn e w t y p ei n d u s t 吖一- m a n m a d ep r o d u c e l a r g em a n m a d ep r o d u c en e e d i a r g e s c a i eh o tp r e s s f i n ep r e c i s i o no fm a n m a d ep r o d u c en e e d f i n em a c h i n i n gp r e c i s i o no fai o to f l a r g e s c a i eh o tp r e s s g r a d eo f p r e c i s i o no fp a r a e i i s m0 fl a r g e s c a i eh o tf r e s s i st h em o s t i m p o r t a n tp a r a m e t e r i ti sm o r ed 怖c u i tt oc o n t r o lm a c h i n i n g p r e c j s i o na n dp r e c i s i o n0 fi n s t a 0 fl a r g e s c a l eh o tp r e s st h a n s m a | i _ s c a i eh o tp r e s s 1 fs m a | i - s c a i eh o tp r e s sm e r e i yi sb l o w e d upp r o r a t a ，ai o to fp a r a m e t e ro fl a r g e s c a i eh o tp r e s sd o n t s a t i s f yt h ep r o d u c e。sn e e d s i ta 仟e c tg r a d eo fp r e c i s i o no f p a 阳i i e i i s mb e c a u s es i z eo fh e a td i s t o r t i o n0 fm e t a i b e c o m eb i g g e r a l o n gw i t hs i z eo fh e a t i n gf l a tt o g e t h e rb ys t u dy _ m a i nc o n s t i t u t e0 f i a r g e s c a l eh 0 tp r e s sn e e du p d a t es ot h a ts a t i s f yt h ep r o d u c e s n e e d so fp r e c i s i o n a1 0 to fr e a s o na 仟e c tg r a d eo fp r e c i s i o n0 fp a r a e l i s m m a i n r e a s o no fg r a d eo fp r e c i s i o no fp a r a l l e i i s mw a sc o n f i r mb yb a s l c c o n s t i t u t eo fh o tp r e s s 。i ti sp u tf o n ，a r dd e s i g no f t h em o d eo fh e a t a n dt e c h n i c a ia p p r o a c ha n dd r i v eu n i tt os u i tl a 阉es c a l eh 0 t p r e s s b yt h e o r y a n de x p e m e n t a i s t u d y a n d a n a l y s i s ， t h e f e a s _ b i i i t yw a sp r 0 v e dt ob yt r i a l p r o d u c e ds u c c e s s f u l i y k e yw o r d s ： l a r g e - s c a l eh 0 tp r e s s ，h e a t i n gf l a t ，p r e c i s i o no f p a r a i i e | s m ，h e a td i s t o r t l o n 北京化工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的 指导下，独立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，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或 撰写过的作品成果。对本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。本人完全意识到本声明的 法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 2 0 0 6 年4 月9 目 受季 f j 匕京化工夫掌工程硕士研究生沦文 第一章绪论 1 1 前言 科学技术的发展和上程应用的需求，每年都开发和研制山数以千计的各种 新型材料，并且迅速在各领域得到推广应用。其中大多数是高分子材料，所以 也带动了高分了塑料加工业的迅速发展。 全世界所生产出来的塑料中，约有4 0 先是制成板材、片材以及厚膜 ”， 然后再用柬代替各种金属材料，制造各种化工容器、贮存罐、汽车构件、以及 航空航天等工、i k 的结构制品叫，也可以用来制造浴缸，冰箱、洗衣机等家用电 器的内胆以及各种食品的包装器皿。 这种以热塑性扳剃、片材、膜和胶片为坯料，根据所需制品的厚度和规格， 采用挤出、压延、层合、浇注、流延等工岂，形成各种热塑性颦料和热固性塑 料的板材及橡胶片，或者采取热成型技术，直接生产出成型制品的方法，被称 模压成型工艺，也称为塑料制品的二次成型方法”。 由十不需要像注塑或挤出生产工艺中的加热、塑化、熔融、冷却等系列 过程直接用塑料扳材、片材和薄膜利用模具压制成型制品，所以设各相对比 较简单，模具和工艺装备投入少，生产过程容易实现自动化控制，模压成型工 艺比注塑或挤出的生产周期缩短1 ，2 3 “，生产效率明显提高【4 而且解决了大 型薄壁制品充型困难的问题，所以很快得以广泛应用。 模压成型工艺的关键设备是热压机，其在工作过程中对坯料加热并施加 定压力，使原料胶合或者变形，从而形成所需要的制品。根据具体工艺和生产 规模的需要，热压机具有很多种类和规格。 模艋生产热固性塑料、橡胶、玻璃钢、绝缘村剁、多层材料等制品所用热 压机的热板面积相对比较小”，属于小型热压机，常用的有3 6 0 n l n l 4 0 0 m ， 6 0 0 m m 6 ( ) ( 】m m ，7 5 0 i r 】i n 8 5 0 m m ，8 0 0 m m 1 0 0 0 i i l 【1 1 等几种规格：而生产各 种塑料板材的热压机热板面积都比较大，通常都在1 2 2 0 2 4 4 0 n l m 以上，属于 大型热压机。热压机上热压板面积直接关系到所能加工制品的尺寸，足表征其 大型热乐机。热压机上热压板面积直接关系到所能加工制品的尺寸，是表征其 1 j 匕京化工大掌工程司e 士研究生论文 工作能力的主要参数。 随着在整个世界范围内保护自然林木资源的环保意识逐渐提高，推动了国 际上合成木材工业的迅速发展。所谓合成木材是将木材或其他本质材料加工成 各种形态后，施加胶粘剂和其他添加剂按纹理交错重叠，通过热压成型制成复 合板、刨花板、高密度板、中高密度板、胶合板等不同类型的人造板。由于人 造板材料资源丰富，成本低廉，并且具有幅面大，结构性好，尺寸稳定、不易 变形、施工方便等特点，被广泛地应用在家具及建筑等行业f 6 】。目前人造板的 常用规格为1 2 2 0 2 “o i l l i n ，所以在生产过程中也需要使用大型热压机。 热成型机械技术的发展与产品需求息息相关，j 下是随着塑料制品体积和人 造板材幅面的日趋大型化，才出现了大型热压机，并促进其迅速发展。在现代 塑料工业中，合理的加工工艺、高效的设备和先进模具是必不可少的三项重要 因素，尤其是塑料模具对实现塑料加工工艺要求、塑料制件使用要求和制品精 度起着重要作用i ”。随着热压机不断向大型化发展，如何保证在加压和加热状 态下工作热板的平行度问题已成为热压成型机械的关键技术。 1 2 国际大型热压机的发展 虽然国内塑料机械的品种和生产规模发展很快，基本上能满足目前塑料加 工和制品成型工艺需求，其中有些塑料机械产品也已经占领了一些国际市场份 额，但是与德国、日本、意大利等世界工业发达国家相比，仍然存在有相当的 差距，主要表现在品种少、能耗高、精度差、控制水平低、性能和质量不稳定 等方面。目前中国塑料机械产品主要集中在通用的中小型设备上，技术含量比 较低。由于在上世纪八九十年代向市场绎济转轨过程中，受到原有计划经济所 遗留下产品供大于求现象的影响，低水平的机械制造能力过剩，导致企业效益 大幅度下滑，所以在有些加工设备方面处于空白状态，特别是对于一些高精度 超大型的塑料加工设备，仍然依赖从国外引进【8 】。 一2 j 匕京化工大学工程硕士研究生论文 表1 - 1国外生产人型热压机的生产厂家及热板规格 热板规格 生产厂家公司简介 ( 宽长) m m 该为一大t 业集团公司，主要生产塑 美国约翰布朗塑料机械公司 1 1 0 0 1 2 7 0 料片、板挤山、热成型及回收设备和注 j o h nb r o w np l a s t i cm a c h i n e r y 塑机成套加工设备等”。 成立于1 9 2 3 年，总部设在俄亥俄州， 美国斯图尔波林公司 1 7 7 8 2 7 4 3 主要生产密炼机，二辊压延机，造粒机 s t e w a r tb o i l i n gc o m p a n y 和热压机。 日本光荣自动机株式会社 1 8 5 0 3 3 5 0 各种人小规格热压机“1 j 意大利黑特公司主要生产p s 、a b s 、p p 、p v c 片 1 0 0 0 2 0 0 0 r i e ts p a 材的单工位、多工位、热成型机”】。 对于大型热压机来说，热成型过程中对板材厚薄公差的控制精度是决定制 品质量的重要关键技术13 1 。随着对制品成型精度要求的日益提高，以及要适应 更多难成型材料的各种苛刻成型工艺条件，近几年发达国家大型热压机的生产 厂商把更多的研发注意力集中在提高大型热压机热板平行度，尤其是热板在加 压加热工作状态下平行度的控制精度，直接影响到所生产的制品质量，成为衡 量产品技术含量的主要技术指标，这些生产厂家如表l - 1 所示。 这些厂家的产品代表了大型热压机代表的发展趋势，一方面不断在原有设 备基础上改进提高，另一方面借助现代科学分析技术和自动控制手段，对热板 平行度精度采用动态监控，取得了比较好的效果。 这些大型热压机在运动形式都采用全液压驱动，靠油缸强制开模来取代过 去白重开模的方式，使得工作效率大幅度提高：利用电加热方式取代过去的循 环水或蒸汽加热，提高加热效率和加热温控精度：采用带滑道侧板的整体结构， 增强机体框架刚度，也提高运动部件的位移精度。以单层多腔取代了过去的多 层模具结构，尽量减少运动部件数量，便于对合模精度的控制；在操纵方式上 也由手动操作发展到半自动操作，以及利用程序控制的全自动控制方式。 大型热压机还在向以f 几个方面发展： 3 j 匕京化工大掌工程硕士研究生论- 文 进一步增强机架刚性，以适应更大的加工能力 提高运动和几何精度，保证制品质量。 简化运动机构并缩短运动行程，提高生产效率 应用各种节能技术，降低生产消耗。 提高自动化程度，保证设备运行的可靠性。 1 3 松下电工大型热压机技术要求 大连冰山橡塑股份有限公司是国内橡胶塑料机械主要生产厂家， 松下电工订购的大型热压机主要用于多层制品的热压成型生产1 4 】。该 设计为2 3 0 0 1 1 1 m 2 9 0 0 m m 平板，工作时在加热工作压力作用下，上、 接与制品接触，就相当于制品成型模具” 。 图l 一1 压铅法检测平面度示意图 日本 热板 板直 该台设备要求上、下热板之间的平 行度精度符合同本j i s6 5 4 8 1 9 7 5 标准 所规定的1 级精度等级【1 6 】。日本j i s b 6 5 4 8 19 7 5 标准规定，热压机热板之 间平行度精度是采用压铅法检测，检测 时将一定直径和硬度的铅丝或相同性 能材料的金属丝如图1 1 所示布置在下 热板上，然后启动热压机使上热板压上 铅丝，直到所有的铅丝都被压扁后，取 下铅丝用外径干分尺测量被压扁后铅 丝的厚度，以这些被压扁后铅丝中最大 厚度差为两板间的平行度误差。 日本j i sb 6 5 4 8 1 9 7 5 标准规定平行度等级如表1 - 2 所示 1 7 】： 4 次备热本设下 j 匕京化工大掌工程硕士研究生。论文 1 4 论文实施进度 论文计划实施进度如下： 0 0 2 年1 月2 月： 0 0 2 年2 月6 月： 0 0 2 年6 月9 月： 0 0 2 年9 月1 0 月： 搜集大型热压机设计和制造的相关资料。 完成大型热压机的结构和工艺设计。 进行热压机零部件生产及组装。 进行试车并完成平行度调整与测试。 2 0 0 2 年1 0 月1 2 月：收集用户厂使用效果反馈。 2 0 0 5 年1 月2 0 0 6 年2 月：收集数据和资料，撰写论文，准备答辩。 1 5 小结 讨论世界范围内塑料工业的发展趋势，研究了塑料二次成型加工关键设备 热压机的分类和工作特点，明确了热压机向超高精度和超大型发展的主要技术 特征，为了提高制品质量如何保证大型热压机热板之间的平行度精度已成为需 要解决的关键技术问题。 结合本企业为国外用户生产大型热压机装备的过程，充分利用现有基础理 论知识和设计加工技术积累，探讨对热压机设计和加工过程所涉及的一些基础 理论问题，将对大型热压机进行优化设计，提出比较合理的设计结构和具体切 实可行的工艺方案，并通过实际生产的结果加以验证。 由于该台热压机热板面积比国内现有类似设备要大，各方面技术精度要求 也比较高，给对热板之问平行度的控制增加了难度。为了实现对热板之间平行 精度的控制，论文计划比较深入地开展一系列的准备和研究工作，并制定出实 现目标的具体实验研究路线和进度安排。 j 匕京化工大掌工程硕士研究生论文 第二章热压机的基本结构及工作原理 随着塑料加工技术和装备的发展，热压机在基本结构和工作原理上也发生 了很大的变化，了解和研究基本结构和工作原理是设计热压机的基础。 2 1 日本松下电工订购设备技术参数 曰本松下电工向大连冰山橡塑股份有限公司定制的大型热压机主要技术性 能要求如表2 一l 所示： 表2 1 日本松下电t 热压机主要技术性能参数表 序号项目名称 主要技术要求和指标 1热板规格( m m ) 2 3 0 0 2 9 0 0 4 2 2制品最大规格( m m ) 2 2 0 0 f r l m 2 7 0 0 3单位压力( m p a ) o 0 5 o 1 5 4 热板行程( 】1 1 1 ) 5 0 0 6 上、下热板加热要求 同时加热 7 温度可调范围( ) 7 0 2 2 0 8预热时间( h ) 1 2 9上、下热板平行度1 4 0 温度压铅检查，日本j i b6 5 4 8 1 9 7 5 的1 级标准 1 0 加热层数 l 层 1 1用途用于多层制品的压合 1 2 熟板升降速度( “s ) 上升速度o 4 4 ，加压速度o 3 5 ，f 降速度o 4 5 2 2 热压机基本结构 根据加工需要热压机结构有很多形式，各自都具有特点，所以可以按照不 同的分类方法加以区分。 按照加热平板的加热层区分，可以分为单层式和多层式热压机， 1 8 1 国外热 8 j 匕京化工大掌工程硕士研冤生论文 压机设备多采用单层自动加热控制形式。 按照工作驱动传动方式可以分为机械式和液压式热压机，机械式热压机主 要靠连杆机构或螺旋丝杠驱动，压力不易控制和调整，运动精度和效率低而噪 音大，零部件磨损快，目前仅在一些小型热压机七采用，而中型或大型热压机 已经广泛采用液压驱动方式。 按照热板运动形式液压式热压机 可以分为上压式液压机、下压式液压 机以及带有两个互相垂直液压缸的角 式液压机和压制板材的层压机。为了 在送进坯料和取出制品时比较方便， 生产塑料制品时大多采用下工作台固 定不动的上压式热压机2 ”。 图2 2 侧板式热压机结构示意图 图2 1 立柱式热压机结构示意图 在机架结构上主要有立柱式和侧 板式两种形式2 ”，立柱式热压机结构如 图2 1 所示，横梁上有滑套可以沿着立 柱滑动，由液压驱动横梁带动上热板沿 着立柱运动进行工作，为了提高机架刚 度，大型热压机一般采用四根立柱结 构；而侧板式热压机的活动梁沿着侧板 内导向槽运动，在液压驱动缸推动下带 动热板进行工作，两种形式各有特点。 立柱式尤其是四柱热压机机架刚 度高稳定性好，是大型压力机械经常采用的一种结构，但是结构比较复杂，为 了保证运动精度，对设计和制造有很高的要求。 9 ：l 匕京化工大掌工程硕士研究生论文 速定位，最后停止在工作位置上。 制品压制：上热板快速下降接近制品，然后慢速加压下降压合制品，保压 数十秒钟使制品胶合定型。 制品取出：上热板快速上提，制品辅机将制导引出工作位置，并快速送出， 从而完成一个工作循环。 2 4 影响热板平行度因素分析 为了保证使大型热压机制品的质 量，必须保证上下热板在加热工作状态 时的平行度精度。控制热板平行度与单 个热板本身的平面度、热板在机械安装 后之间的平行度、热板在加热工作状态 下的变形都有关系。 上下热板都是机械加工后再装配 图2 4 热板平面度公差示意图 在一起来工作，加工和装配后的上下热 板的实际几何尺寸参数不可避免地会存在误差，这些误差包括热板本身的尺寸、 表面形状，以及装配后上下热板之间的位置误差【2 7 1 ，这些误差越大，零件几何 参数的质量越低，因而对这些误差都要加以控制。 对于单件热板的加工和制造精度控制而言，主要是热板工作表面的平面度 误差，g b l l 8 4 8 0 国家标准形状和位置公差规定，主参数l 尺寸在2 5 0 0 m m 4 0 0 0 m m 平面度公差如表2 - 2 所示2 8 1 ： 表2 - 2 主参数l 尺寸在2 5 0 0 m m 4 0 0 0 m m 平面度公差 f 公差等级( i t ) 7891 0 l l 控制范围( r n m ) o 1 0o 1 5o 2 50 4 0 综合考虑热板实际面积、制造工艺上可行性、本单位具体加工能力等方面 j 匕京化工大掌工程硕士研究生论文 的因素，论文认为将热板制造的平面度公差控制在o 1 5 m m ( 公差等级8 级) 范围 内比较适宜。 平行度公差属于位置公 差，用以控制被测要素相对于 基准要素的方向成0 。的要求。 平行度误差值就是按与基准平 行的基础要素方向包容被测要 素所构成的最小区域的宽度或 直径【2 9 】。 热压机热板平行度问题是 两个热板工作面之间的平行度 问题。如图2 - 5 所示平行度公差 t 是以下热板作为基准要素，上 图2 - 5 热板平行度公差示意图 热板相对于下热板的平行度。 g b l l 8 4 8 0 国家标准形状和位置公差规定t 3 0 】，主参数l 尺寸在2 5 0 0 衄 4 0 0 0 m m 之间的平面度公差如表2 - 3 所示： 表2 2 主参数l 尺寸在2 5 0 0 m m 平行度公差 l 公差等级( )78 91 0 i 控制范同( m m )o 2 50 4 0o 6 0 1 o o 值得注意的是，热板之间的平行度公差将包容热板本身的平面度公差，如 果用压铅法检测，热板最大平面度公差为o 1 5 m m ，仪最大平面度误差就有可能 导致累计平行度误差达到o 3 0 m m 。所以考虑到安装精度及热板自身平面度的影 响，论文认为处于室温状态下两块热板之f 叫的平行度应该控制在o 4 0 n m ( 公差 等级8 级) 范围之内比较适宜。 l2 j 匕京化工大掌工程硕士研究生论文 由于热板与制品接触，也相当于制品模 具，根据定货要求，这台热压机的热板在 2 2 0 0 m m 2 7 0 0 m m 制品有效面积内是完全的 平面，甚至不允许有任何小螺钉孔的存在。而 且要求热板是整板均匀加热，不允许有局部加 热不到的地方。 基于以上两方面原因，热板与活动梁或固 定梁的连接只能在热板的外围，即2 2 0 0 m m 2 7 0 0 r a m 制品有效面积之外。否则在制品有效图2 - 6 上下热板变形示意图 面积内安装螺栓，会影响局部点的加热。 由于下热板因为整体作用在下梁上，支撑面积大，在重力作用下不会产生 比较大的变形。而上热板是吊挂在活动梁上，由于本身自重原因，热板中部会 会出现鼓肚变形，当工作受热时还会使这种变形加剧。 上下热板的变形状念如图2 - 6 所示，论文计划利用a n s y s 软件来分析重力 和加热所导致的变形状态，并求解变形量的数值，为安装时采用预变形手段调 整热板之间平行度精度提供技术依据。 2 5 控制热板平行度途径分析 对大型热压机热板平行度精度进行控制可以通过以下几个途径。 加热方式：热板受变形是源于材料的受热膨胀，所以选择合适的加热方式， 不仅会简化热板形状和结构，便于加工制造，并能够实现对热板的热变形量进 行控制，保证热板本身的刚度和热板之间的平行度精度要求。 驱动方式：上下热板间的平行度精度体现在工作压合过程之中，所以上热 板在运行时应该平稳，不出现振动、爬行、偏斜，力求上下热板在制品表面压 力分布均匀，确保压制胶合效果和制品质量。 加工工艺：由于热板体积很大，在成型过程中不可避免地会有应力存在， 这些应力的释放直接会导致热板的变形。采用合理的加j 二工艺措施，可以充分 消除热板的内应力，提高热板制造精度。 】3 j 匕京化工大掌工程硕士研究生论文 变形补偿：重力变形和热变形都属于系统误差，对于系统误差可以通过补 偿措旋来予以抵消，以保证热板工作状态下的平行度精度。 2 6 小结 根据日本松下电工所订购大型热压机的主要技术性能要求，通过对热压机 基本结构的分类与比较，设计选取侧板式机架结构，单层加热方式，液压驱动 横梁带动上热板下压工作的总体方案。 针对这种热压机的工作原理，论文分析了可能影响热板平行度精度的各种 因素，其中主要是热板本身加工制造的平面度和安装后热板之问的平行度问题。 考虑到实际热板面积很大，而且受到安装固定方式的限制论文选取了比较合 适的公差控制指标。 论文分析了大型热压机热板平行度精度进行控制的途径，认为可以通过采 取合适的加热方式、精确的驱动控制、有效的变形补偿来实现精度控制。 j 匕京化工大掌工程硕士研究生论文 第三章大型热压机关键技术分析与设计 根据日本松下电工向大连冰山橡塑股份有限公司定制的大型热压机主要技 术性能要求，论文进行了关键技术分析与设计。 3 。1 加热系统设计 用户要求热压机热板的工作温度在7 肚2 2 0 c 内可以调节，所以需要具有加 热功能。热板加热温度的精确程度、均匀程度、稳定程度都直接影响到制品的 质量和热压机的工作效率3 1 】，必须经过仔细分析和论证设计。 3 1 1 加热方式分析 按加热源区分常用的加热方式有：蒸汽加热【3 2 1 、过热水加热、高温油等介 质加热、电阻加热和电感应加热【3 3 】。 蒸汽加热：利用过热蒸汽流经模具通道换热，具有加热速度快的特点，特 别适用于还要冷却的压制工艺，在管路中更换冷却水就可以实现冷却。 蒸汽加热具有热板温度恒定、加热均匀、不会过热的优点，可以利用压力 来调节饱和蒸汽的温度。 但是水蒸汽在模具内容易形成冷凝，如果不能及时排除，会影响加热效果。 需要专门设置蒸汽锅炉和铺设管路，而且蒸汽管路热损失大。加热系统处于高 压条件下工作，对活动管件与密封件耐压性要求高，设备投资和维修量大。 过热水加热：利用过热水强制流经模具通道换热，具有加热均匀的优点， 调节进水温度就可以实现对不同机台模具温度控制。 但是系统工作压力高，因此设备比较复杂，投资大，维修费用高。由于压 力较大，因此通道和接头必须牢固可靠，以免泄漏。 热油加热：利用热油流经模具通道换热，具有加热速度快、效率高、加热 均匀的优点。 由于需要配备专门设备来对循环介质加热，投资大，能耗和维修费用高。 热油容易在衬挚和接头处渗出，有可能对制品形成污染。热油泄露喷出容易造 l5 j 匕京化工大掌工程硕士研究生论文 用户没有提出对制品的冷却功能要求，而且也不具备有现成的蒸汽及过热 水资源，从这些角度考虑，论文认为采用电加热方法比较适宜。 随着材料科学基础理论和工程应用技术的发展，新型电加热技术r 趋成熟， 其元件的效率和可靠性有了很大提高，极大地满足了实际应用的需要。 虽然电加热温升速度比较慢，但是利用热效率比较高的电热元件，合理布 置电热元件的位置，仔细设计电热功率匹配，完全可以保证用户对热板预热升 温时间在2 小时之内的要求。 加热元件选择：根据相关资料提供的数据，同本才1 厶株式会社自1 9 8 9 年就有一种新型加热片进入市场”i ，其技术参数如表3 1 所示m ： 表3 - 1 日本 ；厶株式会社加热片性能参数 序号性能参数 1 温度调节范同 6 0 2 0 0 2耐热温度 2 5 0 3耐压 1 5 k g d e m 2 4最大面积 4 0 0 x 3 0 0 0l , i l l r l l 5最小面积 2 5 5 0 m m 6厚度规格 1 5 r a m 、2 m m 、8 m m 、 7绝缘抵抗值1 0 0 0 mq 以上d c 5 0 0 v 除加热温度、绝缘程度和元件体积比较合适以外，这种加热片的耐压参数 高于热压机热板工作面压强要求，所以可以将加热元件直接布置在制品成型有 效面积之内，使热板温度分布比较均匀。这种加热片具有单向加热功能，面 用于加热，而另一面具有绝热效果，可以减少加热能量损失，论文认为比较适 宜在设计中使用这种加热元件。 加热元件温度分布测试：由于加热元件是平板形状，在加热过程中各点温 升速度会对热板工作状态形成影响，所以论文对日本7 1 - 一1 厶株式会社提供的某 - - - - - - - - - - 17 - - - - - - - - - ：l 匕京化工大掌工程硕士研究生论文 表3 - 2 加热元件升温过程温度分布实验结果 时间测点温度( ) 序号 ( r a i n ) l2345温差范围 lo1 61 6l616 1 61 6 o 252 32 32 82 42 42 4 4 31 03 4 3 44 03 53 63 7 3 4 1 54 44 35 04 74 64 6 5 3 5 52 05 55 66 05 75 7 5 7 5 2 5 6 2 56 66 77 16 86 86 8 ，5 2 5 73 07 87 88 37 9 7 88 0 5 2 5 83 58 88 79 28 98 9 8 9 5 2 5 94 09 79 71 0 29 89 79 9 5 2 5 1 04 51 0 31 0 4】0 91 0 51 0 5 1 0 6 3 1 15 0 1 0 81 0 9l l51 1 01 l o1 1 1 5 3 5 1 25 51 1 31 1 412 01 1 51 15 1 1 75 35 13 6 01 161 1 6l2 61 2 21 2 11 2 1 5 1 46 51 2 11 2 2i2 91 2 21 2 2 1 2 5 4 15 7 01 2 61 2 613 31 2 81 2 81 2 9 5 3 ，5 167 51 3 01 3 1l3 6 13 l1 3 21 3 3 3 17 8 013 l1 3 2l3 813 21 3 21 3 3 5 35 19 ：i 匕京化工大掌工程司e 士研究生论文 利用热板连接螺钉实现热板部件在活动梁或下梁上的定位，热电偶座通过 活动梁或下梁、加热片、压板等连接到热板上，热电偶安装在热电偶座上，热 电偶头部嵌入热板底部，以便对热板工作温度进行测量。 图3 3 热板结构示意图 3 2 驱动系统设计 传动系统是热压机提供工作压力和完成主要运动的系统，在热压机上广泛 采用气动和液压驱动方式，以完成开合模具和压紧等各种往复运动h ”，为了保 证热压制品的质量，不仅要能提供足够而均匀的压紧力，而且要求在合模和压 制过程中上下热板之间始终保持一定平行度精度，并且希望热板上升或下降要 尽可能平稳，无爬行、振动，在保证制品质量的前提下，力求提高工作效率， 降低能源损耗。 气压驱动具有气源丰富、动作快、压力平稳、对元件精度要求不高，设备 投资少，泄漏污染比较小等特点，在小型热压机上得以广泛应用。液压驱动具 有传递功率大、单位体积效率高、速度相对容易控制、设 x 、 j 匕京化工大掌工程硕士研冤生论文 己知制品单位压力：0 5 1 5 k c m 2 ； p z = 2 2 0 c m 2 7 0 c m 1 _ 5k c m 2 = 8 9 0 0 0 k g 估计升降部分自重g ：热板4 0 0 0 k g ；活动梁4 0 0 0 k g ；导柱及其它1 0 0 0 k g 所以： g ：4 0 0 0 + 4 0 0 0 + 1 0 0 0 = 9 0 0 0 k g pm a x = p 一g = 8 9 0 0 0 k g 一9 0 0 0k g = 8 0 0 0 0k g 。 由4 x d 2 4 = p m a ) 【p = d 2 = 8 0 0 0 1 2 5 解得d = 1 4 2 7 4 i i l l 根据具体工作需要，从油缸样本选择双作用单活塞杆液压缸，标准油缸参 数为： 活塞直径：中1 6 0 m m ； 活塞杆直径：中9 0 i 】衄； 行程待定。 系统流量设计： 根据松下电工提出的工作参数，可知热板工作各个动作行程的运行速度， 在满足各个工作行程的条件下设计液压系统流量。 压制加压时热板速度v 。： v 1 _ 3 5 m m s e c = 2 1 m m i n ， 所以加压流量q l 为： q 1 = 4 n 4 d 2 v l = 4 “1 6 2 2 1 = 1 6 8 升分。( 3 2 ) 热板上升时速度v 2 ： 7 2 = 4 5 m m s e c = 2 7 m m i n 所以提升流量q ：为： q 2 = 4 4 ( d 2 一d 2 ) v 2 = 4 4 ( 1 6 2 一o 9 2 ) 2 7 = 1 4 8 升分 热板下降时速度v ，： v 3 ：4 5 m “s e c = 2 7 m m i n 所以下降时流量为0 3 ： q 3 = 4 4 d 2 v 3 = 4 4 1 6 2 2 7 = 2 1 7 升分 25 j 匕京化工大掌工程硕士研究生。论文 活塞下降活塞上升 图3 - 4 差动供液示意图 上述计算结果显示，系统最大流量为f 降时流量q 3 = 2 1 7 升分，如果以此设计系统 流量偏大，所以论文计划在液压系统中采用 差动驱动方案，【j 丁以降低系统流量，节省元 件和设备投资。 差动驱动原理如图3 4 所示，活塞上升 时以q ：流量供液满足运动速度要求，活塞 下降时以q e 流量供液，由于无杆腔面积大 于有杆腔，而且其上还有热板与活动梁的重力作用，所以活塞下行，且q b 远小 于q 3 ，系统流量只要满足q 2 需要即可。 差动流量q b 设计f 4 2 】： q b 6 k ( a l a 2 ) v 一1 0 4 ( 3 3 ) k 一泄露系数；k _ 1 1 3 a l 油缸无杆腔面积 a 2 一油缸有杆腔面积 v 仃m 。活塞最大运行速度 所以： q b 6 1 3 ( a 1 _ a 2 ) o 0 4 5 - 2 2 升分 系统设计流量为q 2 = 1 4 8 升分 3 2 2 液压系统整体设计 在热压机工作过程中，热板先快速接近制品，然后转换成慢速压制，其问 存在速度变化，速比高达j - 4 5 3 5 = 1 2 8 7 5 ，这个速度变化仅是比较简单的速度 转换，无需要大范围的无级调速，所以设计采用不同排量的两个定量油泵并联 供油，压制时利用一个小排量高压泵单独供油，提升和快速下降时，该泵与另 一个大排量低压泵共同向系统供油。与采用单油泵供油系统相比，元件成本低， 功率利用率高，减少系统发热f 4 6 1 。 为了实现自动循环控制，采用电液换向阀实现方向控制。电液换向阀换向 过程比较平稳，适用于流量大的场合，其换向和停【 = 的位置精度高，能满足设 26 j 匕京化工大掌工程硕士研究生论文 备并联多油缸油路系统的工作需要1 4 ”。 采用带电接点的压力表对工作压力进行监测，当系统压力达到设定值，发 出控制信号，使油路处于保压状态。 热板提升过程系统自动切换成差动增速驱动方式，液压缸有杆腔排出的低 压油被导向无杆腔供油，实现快速运动4 8 1 。 根据以上计算，选择高压油泵的流量大于1 6 8 升分，低压油泵的流量大于 2 2 升分。选定大泵流量为1 1 1u m i n ，主要供油缸快速向上与向下所用，小泵流 量为1 7 5 u m i n ，供高压慢速供油。 热板在原位状态时，高、低油泵全部处于卸荷状态，减小了液体阻力，降 低能耗，避免了发热现象，延长了油泵的使用寿命。 实现全自动控制，通过接近开关发出行程信号，改变热板运动速度及是否 到位，通过电气时间控制，发出热板上升信号。 3 2 3 液压元件设计 液压系统设计是实现系统工作的重要步骤【4 9 ，在满足系统工作性能和使用 功能的前提下，应该选用标准液压元件，尽量避免白行设计的专用液压元件， 图3 5 液压系统示意图 27 ：i 匕京化工大掌工程硕士研究生论文 可以缩短设计和制造周期，降低制造成本，可靠性及稳定性好。 根据用户要求和以往使用经验，设计液压元件主要从国内优质产品选取， 关键元件采用进口国际知名品牌产品，以保证液压系统工作的稳定性，降低同 常维护工作量。 为了提高系统操作的安全程度，设计系统控制电磁铁采用d c 2 4 v 安全电压 供电，专门配备有变压器供电。 设计征求专业液压制造厂家意见，对液压系统原理图进行设计、计算以及 反复修改后，热压机液压系统工作原理图如图3 5 所示，具体各液压元件参数 明细如表3 1 所示。 表3 1 液压系统元件明细表 序号名称备注 1电液换向阀d c2 4 v ；国产优质产品 2 单向节流阀国产优质产品 3多联底板块自制 4 电磁溢流阀 调压3 1 1 m p a ；进口 5多联底板块自制 6电液换向阀 d c2 4 v ；国产优质产品 7电磁单向节流阀d c2 4 v ；国产优质产品 8过渡板自制 9液控单向阀进口 l o单向节流阀国产优质产品 1 l多联底板块 7 自制 1 2液控单向阀 进口 1 3多联底板块自制 1 4 电磁溢流阀 调压3 1 l m p a ，；进口 1 5多联底板块自制 28 j 匕京化工大掌工程司e 士研究生论文 1 6单向阀国产优质产品 1 7单向阀国产优质产品 1 8电磁换向阀 d c2 4 v ；国产优质产品 1 9压力表2 5 m p a ：国产优质产品 2 0 压力表 1 0 m p a ；国产优质产品 2 l 电接点压力表2 5 m p a ；国产优质产品 2 2油泵国产优质产品 2 3电机1 1 k w1 4 6 0 r i i l i n 2 4 滤油器国产优质产品 2 5回油滤油器国产优质产品 2 6油箱自制 液压系统工作控制顺序如表3 2 的电磁阀工作顺序表所示，大泵主要供油 缸快速向上与向下所用，压力调整为3 m p a 。，小泵根据制品的压制工艺需要， 压力在3 1 1 m p a 之间调整。 表3 _ 2 电磁控制阀t 作顺序表 电磁铁 y v s p l 工步1234567 原位 油缸快速下降+ 滤 油 堵 油缸慢速下压+ 塞 发 油缸保压 出 信 号 油缸卸压+ 油缸快速上升+ 29 j 匕京化工大掌工程硕士研究生论文 原位：所有电磁铁都断电，低压复出油经电磁溢流阀1 4 卸荷。高压泵出油 经电磁溢流阀4 回油箱。为保证油缸原位时在重力作用下不下移，在油缸后腔 加装液控单向阀9 。 油缸快速下降：电磁铁w 2 、y v 3 、w 5 、w 7 通电，低压泵出油经单向 阀1 7 与高j e 泵出油合在一起通过换向阀6 的p 口，通过a 口和液控单向阀9 和电磁换向阀6 、电磁节流阀7 回油箱。油缸运行速度由单向节流阀2 、1 0 来联 合调整，单向节流阀1 0 调整油缸出口流量实现调速，单向节流阀2 调整快进速 度，使大部分油经单向阀1 6 回油缸无杆腔参与差动。当单向节流阀2 开口完全 关闭时，油缸速度最快。 油缸慢速压制：当w 5 断电时，低压泵出油经溢流阀1 4 卸荷回油箱，只 有高压泵出油经换向阀6 的p 口和a 口、液控单向阀1 2 进入油缸的无杆腔， 推动油缸慢速向下实现压制运动。油缸有杆腔的油经单向节流阀1 0 和液控单向 阀9 、电磁单向节流阀7 进入换向阀6 的b 口和t 口，再经换向阀1 的p 口a 口回油箱，油缸速度由电磁节流阀7 调整。 油缸保压：油缸慢速向下到头以后，系统压力逐渐升高，到达电接点压力 表的预设调整值时切断所有电磁铁信号，油缸无杆腔压力由液控单向阀9 封闭 实现保压。 油缸卸压：油缸快速返回之前，先接通电磁铁w 4 ，使无杆腔油经电磁换 向阀1 8 卸压以保证向快返平稳过渡。 油缸快速返回：电磁铁y v l 、y v 5 和y v 7 通电，两泵出油合流一起进入 电液换向阀6 的p 口和b 口，再经液控单向阀9 和单向节流阀1 0 的单向阀进入 油缸有杆腔，推动油缸向上运动，油缸无杆腔的油经液控单向阀1 2 和电液换向 阀6 和电液换向阀1 回油箱，快退速度由泵的流量确定。 3 2 4 液压管路的设计 因为液压系统是向四个油缸同时工作，为了保证油缸的同步： 作，设计时 采用对称布置管路，使总的进出油 j 到各油缸接口距离相等。 根据系统工作最高压力选择管道的材料和管壁厚度，以及管路连接方式【5 0 】。 设计在管路局部采用一段高压耐油软管，用以吸收液压系统内的冲击。设计力 30 j 匕京化工大掌工程硕士研究生论文 求布管整齐，尽量避免直角转弯，减小流体阻力。在装配前，采用酸洗对系统 管路进行彻底清洁，防止残留机械杂质污染系统。 3 2 5 升降同步设计 在多液压缸驱动系统中，为了实现多液压缸的同步运动，通常采用同步阀 来保证各缸供液流量相同，但是如果同步阀调整不好，反而收不到预期的同步 效果。 设计考虑到热压机的工作特点，为了避免同步阀调整不良带来的种种问题， 在机械部分加设了导向装置、齿轮齿条等辅助措旌，来保证了热板升降运动的 平稳性能，以实现在压制过程中制品的受压均匀。 由于热板在工作时有可能局部先接触被压制品，导致热板瞬间处于偏载状 态，致使液压系统受到冲击。利用机械装置实现同步而不采用同步阀，就是为 了避免偏载冲击引起阀件受损，提高液压系统的可靠性，也增加了整机的抗偏 载能力。与此同时，在油缸、导向装置的底部与活