350 t高溫多層真空壓機(jī)的研制*

王士鵬，張凱軍

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

350 t高溫多層真空壓機(jī)的研制*

王士鵬，張凱軍

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

文中簡要地介紹了微波復(fù)合介質(zhì)板基本性能及成型工藝技術(shù)特點，根據(jù)陶瓷粉填充聚四氟乙烯復(fù)合介質(zhì)板制備對壓機(jī)的需求，詳細(xì)介紹了350 t高溫多層真空壓機(jī)的自主研制情況，對結(jié)構(gòu)形式、工作方式、控制原理等進(jìn)行了系統(tǒng)地闡述。該壓機(jī)較好地解決了現(xiàn)有設(shè)備存在的精度不高、工作范圍小、工作壓力不足等問題，有效地提高了微波復(fù)合介質(zhì)板的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

高溫多層壓機(jī)；陶瓷粉；微波復(fù)合介質(zhì)板

引 言

微波復(fù)合介質(zhì)基板包括玻纖增強聚四氟乙烯(PTFE)復(fù)合介質(zhì)板、陶瓷粉填充復(fù)合介質(zhì)板和玻璃布陶瓷粉混合填充復(fù)合介質(zhì)板等。以聚四氟乙烯樹脂為基體復(fù)合纖維，加入陶瓷粉等制成的系列復(fù)合介質(zhì)基板，具有介電常數(shù)易調(diào)節(jié)、高頻損耗小、金屬化成本低、電路加工與安裝方便以及在振動場合使用不會碎裂等一系列優(yōu)點[1]。因此自問世以來深受微波電路設(shè)計專家們的青睞，并獲得了廣泛的應(yīng)用。

聚四氟乙烯樹脂流動度低，在層壓過程中，需要施以較高溫度和壓力，讓樹脂與填充材料充分結(jié)合，同時排出小分子添加劑，使基板介質(zhì)間粘接緊密，無孔洞、氣隙等缺陷，從而提高產(chǎn)品的機(jī)械性能、電性能等。傳統(tǒng)的非真空壓機(jī)工作中主要依靠提高層壓壓力來實現(xiàn)排出小分子物質(zhì)的目的，但是過高的層壓壓力會增加層壓制品內(nèi)應(yīng)力，增加基板翹曲度。采用真空層壓機(jī)來壓制介質(zhì)板時，在真空腔內(nèi)，成型壓制壓力可以大大降低，小分子物質(zhì)也易于排出，而且隨著層壓壓力降低，基板內(nèi)應(yīng)力也相應(yīng)下降，提高了基板的平整度。在恒溫態(tài)下保壓，制品性能更穩(wěn)定。因此，國內(nèi)不少生產(chǎn)廠將非真空層壓機(jī)改裝成真空層壓機(jī)。

我們原有的層壓設(shè)備工作臺面范圍小，不能滿足生產(chǎn)需要。而目前國內(nèi)大型真空層壓機(jī)的生產(chǎn)廠家較少，特別是工作溫度高達(dá)410 ℃的高溫真空壓機(jī)沒有成熟產(chǎn)品，定制價格非常昂貴。為了降低成本，促進(jìn)產(chǎn)品的工程化生產(chǎn)進(jìn)程，我們進(jìn)行了高溫多層真空壓機(jī)的自主研制。

1 工作原理

該設(shè)備主要分為壓機(jī)、控制系統(tǒng)以及操作系統(tǒng)3個部分，圖1為高溫真空壓機(jī)的工作示意圖。壓機(jī)工作時，操作人員點擊觸摸屏輸入指令，通過PLC電路實現(xiàn)對熱壓板溫度及壓力的有效調(diào)節(jié)與控制，采用液壓頂升的方式對熱壓板加壓，實現(xiàn)介質(zhì)板在高溫真空腔內(nèi)模壓成型。

圖1 高溫真空壓機(jī)工作示意圖

2 壓機(jī)

壓機(jī)是產(chǎn)品制造成型的主體，具有密閉、加壓、保溫、保壓、冷卻等功能。壓機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示。壓機(jī)采用4根導(dǎo)柱導(dǎo)向、單個油缸頂升的方式工作，既保證了熱壓板運動過程的平穩(wěn)又消除了多柱塞壓機(jī)在產(chǎn)品板面上形成的壓力不勻的問題，有效地提高了產(chǎn)品平整度。油缸固定在機(jī)架底板上，油缸活塞桿與移動板之間通過球面墊過渡，實現(xiàn)浮動連接，有效地消除了活塞桿運動過程中的干涉現(xiàn)象，降低了設(shè)備裝配難度。真空罩為帶有網(wǎng)格結(jié)構(gòu)加強筋的腔體，在真空罩的前、后門以及接口處均配有密封圈，門上配以鎖緊機(jī)構(gòu)，電氣控制管線由接插件進(jìn)行轉(zhuǎn)接傳輸，整體密封性能良好，保證抽真空時真空罩具有良好的氣密性。工作腔頂端安裝電磁充氣閥，需要為腔體充氣時接通電源，而抽真空過程則將其關(guān)閉。

圖2 壓機(jī)結(jié)構(gòu)

熱壓板材料選用HT350，該材料具有良好的耐熱性、吸振性、耐磨性和切削性，并具有很高的平面度與平行度，這兩項指標(biāo)直接關(guān)系到所壓制產(chǎn)品的平整度。熱壓板內(nèi)部均勻開有電熱管安裝孔、熱電偶安裝孔、雙層冷卻流道，以保證熱壓板溫度均勻性、升溫速率、有效工作室溫等。由于使用頻繁，熱壓板工作表面很容易受到破壞或磨損，從而降低熱壓板工作面的平面度，為避免該現(xiàn)象，一般在熱壓板表面加裝一張厚度均勻、耐磨的薄不銹鋼板。在升溫過程中，為了減少熱量損失，分別在熱壓板與移動板及熱壓板與定板之間安裝隔熱層，隔熱層為2塊5 mm厚紫銅板夾1塊50 mm厚石棉預(yù)制板的夾層結(jié)構(gòu)，因為石棉預(yù)制板具有良好的抗壓性、耐熱性、隔熱性和切削加工性能，而紫銅板具有良好的塑性，可起到良好的緩沖作用。為了防止移動板溫度過高造成液壓缸損壞，在移動板內(nèi)部設(shè)有冷卻流道，通過循環(huán)冷卻水進(jìn)行冷卻。循環(huán)冷卻水管選用不銹鋼波紋管，它具有良好的彎曲性能，能夠隨著熱壓板上下自由運動。導(dǎo)柱既是動作機(jī)構(gòu)的導(dǎo)向件，同時也是成型載荷的受力件，必須具有足夠的剛度、強度，零件裝配后，必須保證熱壓板間的平行度。機(jī)架為壓機(jī)的主要支撐機(jī)構(gòu)，支撐了壓機(jī)的自重，該部件必須具有足夠的剛度、強度，保證零件在自重作用下不變形，進(jìn)而保證設(shè)備工作中的安全性、可靠性。

該壓機(jī)具體技術(shù)參數(shù)如下：

1)工作壓力：350 t；壓力控制精度≤±1%；

2)工作尺寸：650mm×650mm；平行度≤±0.05mm；平面度≤±0.05mm；

3)開口數(shù)量：4；開口尺寸：100 mm；

4)工作溫度：約410 ℃；控溫精度≤±1%；升溫速率1～7 ℃/min，可調(diào)；

5)真空度：最高真空度> - 0.09 MPa。

3 控制系統(tǒng)

高溫多層真空壓機(jī)控制系統(tǒng)主要由電氣控制、真空控制、液壓控制、溫度控制等組成。

3.1 電氣控制

電氣控制系統(tǒng)以PLC(可編程邏輯控制器)及溫控模塊、模擬輸入輸出模塊和觸摸屏為控制核心，配備開關(guān)電源、固態(tài)繼電器、交流接觸器、中間繼電器、電流互感器、比例放大器、數(shù)字電流表、數(shù)字電壓表等低壓控制電器[2-3]。圖3為電氣控制系統(tǒng)原理圖。當(dāng)在計算機(jī)上完成對PLC的控制編程和對觸摸屏的人機(jī)界面組態(tài)編程后，用數(shù)據(jù)線將控制及組態(tài)軟件下載到PLC和觸摸屏中。當(dāng)整個系統(tǒng)的現(xiàn)場電氣連接調(diào)試完畢后，系統(tǒng)運行時，通過觸摸屏與PLC之間傳輸線的實時通訊可對設(shè)備進(jìn)行實時操作和控制。觸摸屏為人機(jī)交互界面，對設(shè)備的操作指令通過點擊屏幕相應(yīng)開關(guān)按鈕即可實現(xiàn)，數(shù)據(jù)設(shè)置可通過點擊數(shù)據(jù)輸入?yún)^(qū)域，在彈出的數(shù)字小鍵盤上點擊進(jìn)行數(shù)字輸入。系統(tǒng)動作狀態(tài)在界面上有動態(tài)顯示，具有動畫效果，直觀形象，整個系統(tǒng)操作簡單，性能可靠。

圖3 電氣控制系統(tǒng)原理圖

3.2 真空控制

真空控制系統(tǒng)由真空管路系統(tǒng)、電磁真空帶抽氣閥、真空泵組、油霧過濾器、電磁充氣閥、真空壓力變送器等組成。圖4為真空控制系統(tǒng)原理圖。大排量高性能真空泵抽氣速度快，能迅速將腔內(nèi)氣體抽出，配合真空壓力變送器采集腔體真空度值傳輸至PLC模擬輸入輸出模塊中，經(jīng)過程序計算并在觸摸屏上動態(tài)顯示。

圖4 真空控制系統(tǒng)原理圖

3.3 液壓控制

液壓控制系統(tǒng)由流量變量泵、小流量泵、散熱器、安全閥、電液比例電磁閥、方向控制閥、單向閥、壓力表、壓力變送器、大小泵電機(jī)、閥塊等組成[4-6]。圖5為液壓控制系統(tǒng)原理圖。系統(tǒng)油壓壓力控制采用2套泵控系統(tǒng)，2套液壓流量控制系統(tǒng)根據(jù)實際需要可靈活切換和自由選擇。

圖5 液壓控制系統(tǒng)原理圖

3.4 溫度控制

溫控系統(tǒng)是高溫多層真空壓機(jī)的關(guān)鍵部分，溫度控制的精度直接影響設(shè)備的使用效果。圖6為溫度控制系統(tǒng)原理圖。根據(jù)熱壓板面積大小及厚度、升溫速率、溫度曲線趨勢以及熱損失等對加熱功率進(jìn)行分析計算，確定加熱管的規(guī)格。每塊熱壓板3個加熱區(qū)，每個加熱區(qū)由3只加熱管組成，綜合考慮后，選擇每根加熱管的功率為2.5 kW，此功率能滿足升溫速率要求，又能滿足熱壓板高溫要求。由于設(shè)備要求的溫度比較高，選擇的加熱管功率較大，溫控難度加大，溫度升高不宜過快，到達(dá)溫度目標(biāo)值附近就必須進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，接近目標(biāo)值時降低升溫速率，最終使溫度穩(wěn)定在目標(biāo)值的動態(tài)范圍之內(nèi)。

圖6 溫度控制系統(tǒng)原理圖

4 操作系統(tǒng)

操作系統(tǒng)是人機(jī)交互的平臺，采用點擊式觸摸屏作為操作界面，界面組態(tài)軟件豐富多彩、功能強大。操作控制界面可對各動作過程單獨進(jìn)行控制，并可進(jìn)行熱壓板溫度的自由設(shè)定，界面中還對控制與選擇的動作過程進(jìn)行動態(tài)指示，界面中設(shè)定不同的控制切換按鈕，可進(jìn)行不同控制界面的自由切換。圖7為系統(tǒng)操作主界面示意圖。該系統(tǒng)操作簡便，動作指示燈顏色豐富，可以靈活自由組合，系統(tǒng)部分控制按鈕設(shè)有互鎖程序，可避免誤動作帶來隱患。

圖7 系統(tǒng)操作主界面示意圖

5 結(jié)束語

350 t高溫多層真空壓機(jī)是一臺技術(shù)難度大、工作要求高、涉及專業(yè)面廣的綜合性設(shè)備。相比于一般真空壓機(jī)，該設(shè)備具有工作溫度高、測溫點數(shù)多、熱壓板壓力高、制造裝配難度大等技術(shù)特點。該設(shè)備現(xiàn)已投入使用，為介質(zhì)板的工程化生產(chǎn)提供了一個重要的技術(shù)平臺，由于可4層同時壓制，生產(chǎn)效率高，自動化控制系統(tǒng)保證了產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、操作方便。由于研制周期短、安裝調(diào)試時間倉促等客觀影響因素，該設(shè)備還有許多需要改進(jìn)的地方。但是使用結(jié)果表明，該設(shè)備已能滿足微波復(fù)合介質(zhì)基板試制生產(chǎn)的基本需要。

[1] 關(guān)振鐸, 張中太. 無機(jī)材料物理性能[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 1992: 15-17.

[2] 周美蘭. PLC電氣控制與組態(tài)設(shè)計[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2003.

[3] 金續(xù)曾. 電機(jī)電氣控制線路圖冊[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 1999.

[4] 官忠范. 液壓傳動系統(tǒng)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, l997.

[5] 關(guān)肇勛, 黃奕振. 實用液壓回路[M]. 上海: 上海科技文獻(xiàn)出版社, 1982.

[6] 雷天覺. 新編液壓工程手冊[M]. 北京: 北京理工大學(xué)出版社, 1998.

王士鵬(1974-)，男，工程師，主要從事工裝、設(shè)備的設(shè)計與研究。

Design of 350 t High Temperature Multilayer Vacuum Press Machine

WANG Shi-peng，ZHANG Kai-jun

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology，Nanjing210039,China)

The basic performance and forming process of microwave laminates are briefly introduced in this paper. According to the demands of the ceramic powder filled PTFE laminates to press machine, a 350 t high temperature multilayer vacuum press machine is designed independently. The structure, working mode and control principle of the press machine are systematically expounded. The problems of low accuracy, small working range and low working pressure of existing machine are better solved. The quality and production efficiency of microwave laminates are improved effectively.

high temperature multilayer press machine; ceramic powder; microwave laminate

2012-11-16

TH;TP271+.4

A

1008-5300(2013)02-0041-03