大尺寸熱壓機(jī)溫度和壓力的精確控制

孫紅杰，李建云

(1.西安航天動力試驗技術(shù)研究所，陜西 西安 710100； 2.西安航天弘發(fā)實業(yè)有限公司，陜西 西安 710100)

熱壓機(jī)是一種常見的工業(yè)設(shè)備，廣泛應(yīng)用于橡膠、電力、電子、高鐵等多個行業(yè)。每個行業(yè)對產(chǎn)品尺寸、材質(zhì)、性能及要求不同，對熱壓機(jī)設(shè)備的要求也有所不同。在電子及高鐵行業(yè)中，由于產(chǎn)品的特殊性，對熱壓機(jī)設(shè)備也提出了更高的要求。例如高鐵行業(yè)中生產(chǎn)復(fù)合母排用的熱壓機(jī)。

復(fù)合母排是由多層材料疊加而成，基層為厚度1～6 mm的導(dǎo)電材料(紫銅、黃銅或鋁合金)，兩面覆蓋絕緣材料(薄膜、絕緣紙或環(huán)氧材料)，將這些絕緣材料逐層疊合在導(dǎo)電材料上，就構(gòu)成了一個多層復(fù)合結(jié)構(gòu)的連接電路(如圖1所示)。

圖1 復(fù)合母排產(chǎn)品

1 設(shè)備簡介

復(fù)合母排熱壓機(jī)是復(fù)合母排行業(yè)的核心設(shè)備，其主要功能是將復(fù)合母排產(chǎn)品按工藝要求在設(shè)備上進(jìn)行溫度和壓力的精確控制，使產(chǎn)品各層均勻粘接，性能達(dá)到產(chǎn)品規(guī)定的使用要求。

相比其他行業(yè)產(chǎn)品，復(fù)合母排行業(yè)產(chǎn)品不但尺寸較大，性能優(yōu)良，而且對熱壓機(jī)設(shè)備的技術(shù)要求也更高，一般要求設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)為

工作臺面粗糙度≤1.6 μm；

工作臺面平行度≤0.05 mm；

壓力控制精度≤2%；

壓力均勻度≤1%；

溫度控制精度±3 ℃；

溫度均勻度≤2 ℃。

隨著熱壓機(jī)工作臺面(熱板)尺寸的增大，這些技術(shù)參數(shù)越來越難以保證。當(dāng)熱板長度尺寸超過1.5 m時，就必須在設(shè)計上采取有效的技術(shù)措施來保證技術(shù)參數(shù)。

2 技術(shù)措施

2.1 提高機(jī)械加工精度

當(dāng)熱壓機(jī)熱板長度超過1.5 m時，一般熱壓機(jī)的熱板平面度、平行度、立柱導(dǎo)向精度等機(jī)械精度已不能滿足復(fù)合母排的工藝要求。為提高熱壓機(jī)的機(jī)械精度，移動工作臺和四個導(dǎo)向柱的強(qiáng)度需要同步加強(qiáng)。根據(jù)熱壓機(jī)的最大壓力，計算移動工作臺的最大變形量，原則上應(yīng)控制在0.02 mm以內(nèi)。導(dǎo)柱導(dǎo)套之間導(dǎo)向精度控制在0.02～0.05 mm。熱板安裝面平面度保證在0.02～0.03 mm，熱板上下面用大型平面磨床磨平，平面度0.01～0.02 mm。機(jī)械設(shè)計精度和加工工藝按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，這里不再贅述。設(shè)備機(jī)械精度的提高，有利于保證產(chǎn)品熱壓時表面壓力均勻，溫度均勻，這是生產(chǎn)合格產(chǎn)品的基礎(chǔ)條件。

2.2 采用多個液壓缸同時推舉工作臺

由于工作臺面較大，如果采用一個液壓缸推舉工作臺，不但液壓缸直徑較大，而且會造成工作臺面受力不均勻，阻力大、易變形等問題。為保證工作臺受力均勻，減少變形，因此設(shè)計采用三個液壓缸，中間采用活塞雙作用液壓缸，兩邊采用柱塞單作用液壓缸(如圖2所示)。三個液壓缸缸徑相同，行程相同，采用同步閥控制，保證三個液壓缸同步升降。采用三個液壓缸能保證工作臺受力均勻，運行平穩(wěn)，降低設(shè)備高度，減少機(jī)械變形，從而延長設(shè)備使用壽命。

圖2 多缸推舉工作臺

2.3 采用雙進(jìn)雙出密集流道結(jié)構(gòu)

對于長度超過1.5 m的熱板，整個板面溫度的均勻度也不易保證。如果將加熱通道制作成單一通道，則通道較長，流阻較大，進(jìn)油口和出油口距離較遠(yuǎn)，會造成進(jìn)油口和出油口溫差較大，不能滿足溫度均勻度的要求。為保證熱板溫度均勻，因此加熱通道采用雙進(jìn)雙出密集流道結(jié)構(gòu)(如圖3所示)，兩個進(jìn)油口設(shè)計在熱板中間，兩個出油口設(shè)計在熱板兩端，采用此種設(shè)計結(jié)構(gòu)可大幅縮短加熱通道長度，減小進(jìn)出油口的溫差。

圖3 雙進(jìn)雙出密集流道結(jié)構(gòu)熱板

2.4 采用高精度比例溢流閥或伺服液壓系統(tǒng)

復(fù)合母排熱壓機(jī)對壓力精度要求較高，在熱壓過程中要求壓力波動范圍≤2%。為了實現(xiàn)對壓力的精確控制，建議采用高精度的流量比例溢流閥控制壓力精度。當(dāng)油缸壓力掉壓達(dá)到設(shè)定壓力的2%時，高壓油泵和比例溢流閥啟動對油缸微量補(bǔ)壓，到達(dá)設(shè)定壓力值時，高壓油泵和比例溢流閥停止工作?？墒孪仍O(shè)定比例溢流閥的百分比，按設(shè)備要求的最小壓力流量比例來設(shè)定，保證小壓力工作時補(bǔ)壓過程中不會超壓。采用比例溢流閥，可精確控制熱壓機(jī)工作時的壓力精度，保證產(chǎn)品在恒壓下完成熱壓工藝。采用伺服液壓系統(tǒng)也可達(dá)到同樣的效果。

2.5 增加超壓卸荷系統(tǒng)

在熱壓機(jī)工作過程中存在一個現(xiàn)象：熱板升溫時，由于熱板和工件受熱發(fā)生體積膨脹，油缸壓力會出現(xiàn)不降反升的現(xiàn)象。如圖4所示，在升溫過程中，壓力出現(xiàn)超壓現(xiàn)象，隨著溫度逐漸穩(wěn)定，壓力也會變得穩(wěn)定。隨著熱板溫度的升高，油缸壓力會升高并超過設(shè)定壓力的2%，壓力設(shè)定越低這個現(xiàn)象就越嚴(yán)重。為解決這一問題，需要在液壓系統(tǒng)中增加超壓卸荷系統(tǒng)，當(dāng)油缸壓力超過設(shè)定壓力的2%時，卸荷系統(tǒng)啟動工作并微量泄壓，到達(dá)設(shè)定壓力值時，卸荷系統(tǒng)停止工作。保證油缸壓力不會超過產(chǎn)品要求的使用壓力。

圖4 熱板膨脹引起壓力變化圖

2.6 采用加熱油間接加熱，可控硅控制油溫

目前熱壓機(jī)熱板常用的加熱方式有電加熱和導(dǎo)熱油加熱。

電加熱方式是直接將電熱管插入熱板上預(yù)先加工的孔中，電熱管通電對熱板直接加熱。電加熱方式優(yōu)點是成本較低，缺點是加熱速度較慢，溫度精度及平穩(wěn)性不易控制，且大功率加熱管的使用壽命較短，頻繁更換加熱管會影響生產(chǎn)效率和增加成本，因此電加熱方式在溫度精度要求較高的設(shè)備上不建議采用。

導(dǎo)熱油加熱是目前已知比較理想的加熱方式。導(dǎo)熱油加熱采用封閉式加熱循環(huán)系統(tǒng)，熱量損失小，熱效率較高，節(jié)能效果顯著。導(dǎo)熱油傳熱均勻，加熱時溫度變化小，可精確控制運行溫度，一般溫度可控制在±2 ℃以內(nèi)，甚至可以達(dá)到±1 ℃。如圖5所示，中間線條為熱板溫度變化圖，直線部分表示溫度恒定，變化極小。導(dǎo)熱油具有良好的熱穩(wěn)定性，不易揮發(fā)，不會腐蝕加熱系統(tǒng)，可以在規(guī)定的穩(wěn)定內(nèi)長期使用。導(dǎo)熱油加熱系統(tǒng)的運行費用和維修費用較低，可節(jié)約生產(chǎn)成本。

圖5 導(dǎo)熱油加熱 油溫及板溫變化圖

導(dǎo)熱油的溫度控制方式采用PID運算，可控硅控制，可控硅按百分比控制加熱功率，通過實時采集工作臺溫度不斷調(diào)節(jié)加熱功率，在接近目標(biāo)溫度時按比例逐漸減小加熱功率，從而精確控制熱板的溫度。

3 小 結(jié)

工作臺長度尺寸1.5 m以上的熱壓機(jī)通過采取以上控溫控壓技術(shù)措施，可以實現(xiàn)對產(chǎn)品溫度和壓力更為精確的控制，工作臺面的壓力和溫度也更加均勻。由此種設(shè)備熱壓成型的產(chǎn)品表面均勻平整度高，一致性好，產(chǎn)品合格率顯著提高。圖6及圖7是專門為復(fù)合母排產(chǎn)品研制的高精度熱壓機(jī)外觀圖。

圖6 大尺寸熱壓機(jī)外觀圖1

圖7 大尺寸熱壓機(jī)外觀圖2