脈沖式熱封機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

曹 恒，何立冬，陳 誠(chéng)

（華東理工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200237）

0 引言

目前，我國(guó)塑料軟包裝行業(yè)的技術(shù)裝備水平和研發(fā)能力有了很大的發(fā)展和提高。多層共擠技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，有效地提高了功能性薄膜的產(chǎn)品性能。但是國(guó)內(nèi)熱封機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)達(dá)國(guó)家相比較，例如與美國(guó)、德國(guó)和日本相比仍然有很大差距。美國(guó)在包裝機(jī)械的研究生產(chǎn)中一直居世界領(lǐng)先地位，在脈沖熱封機(jī)的設(shè)計(jì)方面也不例外。其研制的加工尺寸4m長(zhǎng)的脈沖熱封機(jī)，整個(gè)設(shè)備結(jié)構(gòu)具有較好的剛度，通過(guò)溫度等參數(shù)的液晶面板顯示，能夠使操作者直接觀察工作過(guò)程時(shí)的狀態(tài)，易于控制工藝質(zhì)量。美國(guó)某公司熱封機(jī)產(chǎn)品外觀照片參見圖1。德國(guó)作為傳統(tǒng)的機(jī)械制造強(qiáng)國(guó)，其設(shè)計(jì)制造的熱封機(jī)，操作方便、工作效率高、穩(wěn)定可靠，但是由于其采用的是下壓條向上加壓的工作方式，在其動(dòng)作時(shí)會(huì)導(dǎo)致待熱封塑料件的移位，易于產(chǎn)生系統(tǒng)移動(dòng)中的不穩(wěn)定性。德國(guó)熱封機(jī)結(jié)構(gòu)參見圖2。

有些國(guó)家例如日本等，為了提高壓合質(zhì)量，在小型脈沖式熱封機(jī)采用下壓條充氣式方案。由于其上下壓條的控制特點(diǎn)，對(duì)于控制系統(tǒng)精度要求較高，對(duì)設(shè)備維修的技術(shù)水平也較苛刻，目前日本的下壓條充氣式脈沖熱封機(jī)單次單邊熱封長(zhǎng)度只能做到2500mm，并且只能實(shí)現(xiàn)單邊加熱方式。日本單邊充氣式熱封機(jī)照片與原理參見圖3、圖4。

圖1 美國(guó)4m脈沖熱封機(jī) 圖2 德國(guó)脈沖熱封機(jī)

圖3 日本脈沖式熱封機(jī) 圖4 大尺寸熱封原理圖

迄今為止，無(wú)論是大直線尺寸的脈沖熱封機(jī)還是一般用途的脈沖熱封機(jī)，國(guó)外產(chǎn)品僅僅有幾家大公司產(chǎn)品有溫度傳感器，而國(guó)內(nèi)產(chǎn)品基本均不安裝溫度傳感器。這是因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)熱封材料加工應(yīng)用場(chǎng)合都不需要熱封溫度監(jiān)測(cè)。只有在某些重要應(yīng)用場(chǎng)合，才需要監(jiān)測(cè)熱封材料溫度，精確控制對(duì)熱封質(zhì)量起著重要影響因素的熱封溫度。在大尺寸熱封工藝中，為了控制封口質(zhì)量，需要在整個(gè)長(zhǎng)度上的壓合面受力均勻，因此在設(shè)計(jì)制造中，控制好大尺寸型號(hào)脈沖熱封機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的剛度變形也非常重要。另外，在設(shè)計(jì)中，還需要考慮提高加熱零部件更換維修的便捷性。

本文針對(duì)國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品的不足，設(shè)計(jì)了一臺(tái)溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、上下壓條同時(shí)加熱的脈沖式熱封機(jī)，為國(guó)內(nèi)某型號(hào)大飛機(jī)隔音棉的制造提供了技術(shù)保障。

1 總體方案設(shè)計(jì)

總體方案設(shè)計(jì)步驟如圖5所示。

圖5 總體方案設(shè)計(jì)步驟圖

1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

1)外形尺寸要求4500mm×1000mm×2000mm，工作臺(tái)面寬500mm，臺(tái)面高度950mm。底座要有調(diào)平裝置。要求最終設(shè)備在外形上具有獨(dú)創(chuàng)性；

2)工作電壓220V/50HZ；

3)采用雙面熱封形式，但必需分路可控，即上下可單獨(dú)或同時(shí)加熱；

4)有效直線熱封長(zhǎng)度4000mm，熱封條寬度38-40mm，熱封條4000mm長(zhǎng)邊平行度誤差最多不超過(guò)2mm；

5)上下壓條應(yīng)平行且采用剛性較好的結(jié)構(gòu)，保證工作時(shí)壓條之間的壓力分布均勻。上下壓條寬度范圍為50mm。熱封工作時(shí)，上下加熱條應(yīng)能重合，無(wú)錯(cuò)位。加熱條兩端應(yīng)設(shè)拉緊裝置，保證加熱條在工作狀態(tài)都處于繃緊狀態(tài)。熱封條外面應(yīng)設(shè)有防粘層；

6)對(duì)隔音棉面料進(jìn)行熱封后，有效熱封長(zhǎng)度上不存在拼接縫，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)（粘合劑剝離阻力的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法（T型剝離））做熱封性能（T型剝離）試驗(yàn)，每一英寸為一個(gè)點(diǎn)位。各點(diǎn)位的最小熱封性能（T型剝離）誤差不能大于0.5磅/英寸。此要求不能受熱封時(shí)間或使用次數(shù)影響。

1.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

外形脈沖式熱封機(jī)整個(gè)外形尺寸為4500mm×1000mm×2000mm，工作臺(tái)面寬500mm，臺(tái)面高度950mm，底座有調(diào)平裝置，該設(shè)備結(jié)構(gòu)在外形上具有良好的剛度和穩(wěn)定性，開放式的上罩板便于維修操作，腳踩開關(guān)位置設(shè)置符合操作工習(xí)慣。建模模型如圖6所示。

圖6 熱封機(jī)三維模型圖

外形脈沖式熱封機(jī)的上護(hù)罩為了便于維修，擬采用可拆卸式設(shè)計(jì)方案。內(nèi)部采用筋板連接，使其可以放置在裝有氣缸懸臂梁的主梁上。為了安裝方便，外罩的前面板是由3塊可拆面板組成，側(cè)面是由1塊可拆卸面板組成，后面由4塊面板組成，利于現(xiàn)場(chǎng)操作工的安裝維護(hù)和修理。并且側(cè)面板、后面板上均開有散熱孔，方便機(jī)器工作時(shí)散熱。可拆卸外罩結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 可拆卸外罩結(jié)構(gòu)圖

脈沖式熱封機(jī)由于其工作面長(zhǎng)度長(zhǎng)，整個(gè)工作過(guò)程需要5個(gè)氣缸同時(shí)向下動(dòng)作共同完成。因此，需要在最邊上兩側(cè)的懸臂梁上各設(shè)計(jì)一個(gè)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)是由長(zhǎng)法蘭套筒、導(dǎo)向桿、固定裝置組成，將長(zhǎng)法蘭套筒裝在配有氣缸的懸臂梁內(nèi)部固定住，裝上導(dǎo)向桿，通過(guò)固定裝置將導(dǎo)向桿末端與上壓條固定起來(lái)，從而左右兩側(cè)的導(dǎo)向桿對(duì)整個(gè)上壓條的動(dòng)作起到了導(dǎo)向的作用，將輸出力與導(dǎo)向分開。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)安裝位置如圖8所示。

圖8 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)示意圖

脈沖式熱封機(jī)工作面長(zhǎng)達(dá)4000mm，且熱封寬度為40mm。根據(jù)鎳鉻合金的熱膨脹系數(shù)，受熱后會(huì)有較大的變形量，因此在上下壓條兩側(cè)設(shè)計(jì)有拉伸裝置，拉伸裝置與壓條相對(duì)，僅固定留有一個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)自由度。拉伸裝置與壓條間有一個(gè)保持壓力的壓縮彈簧，一直處于壓縮狀態(tài)，當(dāng)溫度升高時(shí)，通過(guò)其補(bǔ)償鎳鉻合金受熱的變形量，從而保證在整個(gè)操作過(guò)程中鎳鉻合金處于張緊的狀態(tài)。拉伸裝置示意圖如圖9所示。

圖9 鎳鉻合金熱膨脹彈性拉伸裝置圖

1.3 熱封機(jī)機(jī)架變形FEA有限元分析

由于熱封機(jī)長(zhǎng)度較長(zhǎng)，工作時(shí)機(jī)架會(huì)產(chǎn)生變形，為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的可靠性，對(duì)機(jī)架進(jìn)行ANSYS仿真計(jì)算。

設(shè)計(jì)對(duì)象主要由Q235和1060鋁合金制造，仿真相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 相關(guān)材料的參數(shù)

采用ANSYS軟件，計(jì)算結(jié)果如圖10所示。

圖10 FEA分析結(jié)果

本次設(shè)計(jì)不斷對(duì)方案進(jìn)行修改，并對(duì)改進(jìn)的模型加以FEA分析，比較各方案，最終得到較優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案。最終選定方案為壓頭汽缸兩端固定，后面有3米加強(qiáng)板，異型槽鋼翼緣寬150mm，槽鋼板厚為10mm。此時(shí)的最大變形處變形量為0.55mm，最大應(yīng)力處應(yīng)力為281MPa，總體應(yīng)力為218MPa，完全滿足設(shè)計(jì)要求。

2 電氣系統(tǒng)控制方案

熱封機(jī)電氣系統(tǒng)主要有三大系統(tǒng)構(gòu)成，溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、時(shí)間控制系統(tǒng)。溫度控制系統(tǒng)主要由溫度傳感器、溫度控制器等組成，利用溫度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)熱封溫度，通過(guò)溫度控制器對(duì)熱封溫度進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)；壓力控制系統(tǒng)主要由氣缸、空氣壓縮機(jī)、電磁閥、調(diào)壓閥、截止閥等組成，主要通過(guò)壓力調(diào)節(jié)控制熱封壓力和熱封頭運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力；時(shí)間控制系統(tǒng)主要由控制電路和繼電器組成，主要對(duì)熱封時(shí)間進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，同時(shí)在熱封機(jī)工作時(shí)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)工作

進(jìn)行控制。

熱封機(jī)的電氣控制系統(tǒng)的技術(shù)要求如下：

1）整個(gè)熱封過(guò)程中，通過(guò)高精度溫度傳感器，對(duì)上下壓條的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)PLC顯示于彩色觸摸屏上，方便操作人員管理，以保證其熱封時(shí)的溫度穩(wěn)定在0～300℃之間，不受使用時(shí)間和使用次數(shù)的影響，在有效加熱范圍內(nèi)測(cè)量到的溫度值與實(shí)際溫度的誤差不超過(guò)1℃；

2）整個(gè)熱封過(guò)程時(shí)間為0～30S，按秒可調(diào)；

3） 設(shè)備操作面板帶有10寸液晶顯示屏，實(shí)時(shí)顯示溫度、壓力、時(shí)間，單位英制和公制可切換。采用數(shù)字顯示方法，可直接讀數(shù)；

設(shè)計(jì)方案如圖11所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

影響熱封強(qiáng)度的三大工藝參數(shù)是：熱封溫度、熱封時(shí)間和熱封壓力。這三個(gè)參數(shù)決定了最后熱封的質(zhì)量，因此必須通過(guò)試驗(yàn)來(lái)選擇最優(yōu)的熱封參數(shù)組合，已達(dá)到最佳的熱封效果。

壓頭的平均工作壓力受到外部供給氣壓的直接影響。熱封機(jī)壓頭的平均壓力設(shè)計(jì)值選用1.25kgf/cm2～2kgf/cm2，經(jīng)試驗(yàn)完全符合設(shè)計(jì)要求。

熱封時(shí)間決定熱封溫度，所以首先需對(duì)熱封時(shí)間和熱封時(shí)間關(guān)系進(jìn)行試驗(yàn)。得到結(jié)果如圖12所示。

3.1 試驗(yàn)過(guò)程

1） 試驗(yàn)設(shè)備。微機(jī)控制電子拉力試驗(yàn)機(jī)，用于測(cè)試材料剝離強(qiáng)度，如圖13所示。

2） 試驗(yàn)樣品。本試驗(yàn)采用高溫耐火材料PL-908和PL-909，將熱封試樣沿膠合方向垂直的方向，裁剪成25.4mm(1英寸)寬的試樣，如圖14所示。

3） 試驗(yàn)方法。以試樣的熱合部位為中心線，展開成180°。 把試樣的兩端夾在拉伸試驗(yàn)機(jī)的兩夾具上，應(yīng)使試樣縱軸與上下夾具中心線相重合，并要松緊適宜，以防止試樣滑脫和斷在夾具內(nèi)。調(diào)整夾具距離，以150mm/min的實(shí)驗(yàn)速度拉伸。不斷加大拉伸負(fù)荷，直到熱封處剝離為止，讀取試樣剝離時(shí)的最大載荷，即為試樣的熱封強(qiáng)度。如果熱封處未剝離或試樣斷在夾具內(nèi)，則要重新測(cè)試。

圖11 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案總圖

圖12 熱封時(shí)間與熱封溫度關(guān)系圖

圖13 微機(jī)控制電子拉力試驗(yàn)機(jī)

圖14 試驗(yàn)樣品

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

各溫度下試樣的破壞模式皆為界面剝離，所得的熱封數(shù)據(jù)如表2所示，熱封強(qiáng)度與熱封溫度關(guān)系如圖15所示。

表2 PL-908和PL-909熱封強(qiáng)度

圖15 熱封強(qiáng)度與熱封溫度關(guān)系圖

由圖可見，PL-908材料在150℃左右基本達(dá)到穩(wěn)定，PL-909材料在170℃左右基本達(dá)到穩(wěn)定，同時(shí)在達(dá)到穩(wěn)定溫度以后，隨著溫度的上升，熱封區(qū)域的變形逐漸嚴(yán)重，進(jìn)而影響了熱封的強(qiáng)度和外觀。所以這兩種材料的最佳熱封溫度分別為150℃±5℃和170℃±5℃。

綜上所述,PL-908材料的最佳熱封參數(shù)可以選擇為熱封時(shí)間8s,熱封壓力0.2MPa，熱封溫度150℃±5℃；PL-909材料的最佳熱封參數(shù)可以選擇為熱封時(shí)間10s,熱封壓力0.2MPa,熱封溫度170℃±5℃。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的某型號(hào)大飛機(jī)隔音棉脈沖式熱封機(jī)，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及調(diào)試，各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合企業(yè)的設(shè)計(jì)參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)，并制訂了一套合理的熱封時(shí)間、壓力和溫度的熱封參數(shù)，在生產(chǎn)過(guò)程中大大提高了熱封的工作效率和強(qiáng)度，有效的避免了熱封過(guò)程中的封口破裂、熱封強(qiáng)度差、封口不美觀等情況。

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