高溫真空鍍膜夾具的設計

周斌

（信華精機有限公司，廣東　惠州　516001）

高溫真空鍍膜夾具的設計

周斌

（信華精機有限公司，廣東惠州516001）

對于要求整面鍍膜的大規格玻璃面板，鍍膜環境為高溫的情況下，采用傳統夾子夾持的方法，不能滿足大規格玻璃整面鍍膜的需要。提出一種新的思路，并設計了新夾具解決此問題。應用玻璃基片及金屬材料熱膨脹系數不同的特性，設計鋁合金與耐熱鋼組合的夾具抵消高溫引起的變形，利用玻璃基片的倒邊來支承玻璃。

熱脹冷縮；高溫真空鍍膜；大規格基片

0　引言

為了達到理想的鍍膜效果，比如較好的防水、防刮性能，較高的膜強度以及預想的鍍膜顏色等，有些膜必須要在高真空及高溫環境下完成，兩者缺一不可。另外，一般的濾光片、透鏡等在鍍膜時都會考慮到鍍膜有效面積問題，因為在鍍膜時玻璃基片放在鍍膜夾具上，玻璃基片與夾具接觸的部分必然無法鍍到膜料，因此在鍍膜前必須規定鍍膜有效面積。

在生產中，有很多基片要求全有效面，即整個基片表面為有效鍍膜面。此時，對于較小尺寸的基片，一般都是用夾子夾住基片兩側。但是對于尺寸較大的基片，特別是質量較大的基片，這種方法不再適用。

如果既是大尺寸的玻璃基片，不僅要求全有效面，又要求在高溫環境中鍍膜，需要設計新的夾具。具體需要解決的問題是：（1）基片：觸摸屏面板，600 mm×400 mm×3 mm，長寬高公差均為±0.1 mm，鍍膜面倒角為0.5°，材料為國產青板，要求整個面為鍍膜有效面；（2）鍍膜環境：300℃高溫鍍膜，時間為4 h。

1　夾具設計

使用夾子夾持玻璃基片的方法，對于如此大規格的基片并不適用。因為基片質量較大，需要夾緊力很大的夾子才能夾住基片，就可能夾傷玻璃基片。同時，快速旋轉的傘盤具有很大的離心力，此種夾具穩定性差，所以不宜采用。

另外一種思路就是利用玻璃鍍膜面上0.5°的倒角來支承玻璃，如圖1所示。

此時要注意擋邊寬度不能大于0.3 mm，因為由擋邊邊緣往內約有0.15 mm的鍍膜不完整，不允許出現在鍍膜有效區域。若是常溫下鍍膜，這種夾具就完全滿足生產要求，但是前面已經提到，鍍膜環境為高溫300℃，此時問題便出現了。

圖1　利用玻璃鍍膜面上的倒角來支承玻璃示意圖

所有的工程材料及玻璃，都有熱脹冷縮的性質，即溫度的變化引起材料體積和長度的變化。各種材料結構長度變化與溫度的關系為：

式中：L為材料長度；α為材料熱膨脹系數；△T為工作溫度減去室溫值。

常用耐高溫材料中熱膨脹系數最小的是馬氏體不銹鋼1Cr13，熱膨脹系數為0.000 011 5，國產青板玻璃的熱膨脹系數為0.000 008。熱膨脹系數的不同導致兩種材料在溫度變化時長度變化并不同。溫度升高時，不銹鋼長度增加多，玻璃長度增加少，兩者之間出現間隙，當間隙大于擋邊寬度0.3 mm時，玻璃就會掉落。假設常溫時玻璃與夾具緊密接觸，間隙為零，經計算玻璃基片長度大于310 mm時玻璃就不能這樣設計。

由于材料熱脹冷縮的性質，不能使用單純的不銹鋼夾具來支承玻璃。但是可以利用材料的熱脹冷縮性質，設計互補的夾具來抵消溫度帶來的變形。這種夾具由三部分組成，如圖2所示。

夾具主體為1Cr13耐熱鋼材質，其內框長度為L1。鋁合金擋條寬度為L2，玻璃寬度為L3。

玻璃由鋁合金上的擋邊支撐，擋邊寬0.3 mm。由圖2可看出，玻璃是靠左右2個鋁合金上的0.3 mm擋邊托起玻璃，而鋁合金的位置由耐熱鋼尺寸L1決定，L1、L2、L3的關系如式（2）：

式（2）是三者在常溫下的關系，高溫時L1、L2、L3都發生變化，記做L′1、L′2、L′3。

圖2　適應溫度變形的夾具示意圖

已知鋁合金的熱膨脹系數α1=0.000 025；耐熱鋼3Cr13的熱膨脹系數α2=0.000 011 5；玻璃的熱膨脹系數α3=0.000 008。設L1、L2、L3在高溫時的變形量分別為△L1、△L2、△L3，溫度變化為△T，則有式（3）、（4）、（5）：

與式（2）類似，高溫時L′1、L′2、L′3的關系如式（6）：

式（2）、（6）為夾具與玻璃在室溫及高溫下的關系。夾具與玻璃在常溫環境下間隙為零，在高溫環境下，只要間隙小于0.3 mm，就滿足要求。但是在工程應用中，批量生產的玻璃以及夾具都有公差，特別是如此大規格的夾具，加工難度及成本是一個不得不考慮的因素。玻璃公差為±0.1，夾具要適應所有規格的玻璃，所以常溫環境下玻璃與夾具最大的間隙為0.2 mm。在考慮公差的情況下，可以簡單的歸納為兩種情況：（1）夾具尺寸處在下限（夾具最小時），玻璃尺寸處于上限（玻璃最大時），室溫時玻璃與夾具間隙為零，高溫下玻璃不會被夾具夾破，即間隙大于零，如式（2）；（2）夾具尺寸處在上限（夾具最大時），玻璃尺寸處于下限（玻璃最小時），室溫時玻璃與治具間隙為0.2，高溫時玻璃不會從夾具上掉落，即間隙小于0.3 mm，得到式（7）。

根據L3來設計鍍膜治具，所以L3為輸入條件，加上ΔT和α均為已知條件，所以，聯立兩個方程式可以求解L1和L2。將ΔT、α1、α2、α3的值代入式（2）可以求解得到：

為簡化計算，對于第（2）種情況可以這樣理解：常溫下玻璃與治具間隙為0.2，高溫下玻璃與治具間隙為0.3，等同于常溫下玻璃與治具間隙為0，高溫下玻璃與治具間隙為0.1mm。

所以可以得到式（10）：

求解得到：

所以，L1的范圍為1.185L3-26.155～1.185L3之間，L2的范圍為0.0926L3-13.23～0.0926L3之間。只要夾具尺寸在上述計算范圍內就可以有效抵消熱脹冷縮引起的變形。L2偏大可能導致觸摸面板被治具夾碎，L2偏小可能導致觸摸面板從治具上掉落，兩種情況都需要避免。

3　結論

通過不同線膨脹系數的金屬材料的組合，可以有效地抵消溫差引起的配合間隙。玻璃的線膨脹系數跨幅較大，但是基本都小于金屬的線膨脹系數，所有的玻璃基板都可以采用這樣的夾具來解決此類問題。只是這種夾具精度要求較高，特別是夾具尺寸較大，加工難度及成本較大，在設計夾具時就要考慮加工問題，最好的方法就是采用墊片來調整夾具尺寸。實際應用中采用這種夾具有效地解決了大規格玻璃的整面鍍膜問題。

［1］楊文彬.符合熱脹冷縮性質的結構設計準則［J］.機械設計，1998（11）：4-5.

［2］宋述穩，陳勇.利用熱脹冷縮修復鋁合金零件［J］.機械制造，2003，4（10）：54-55.

HIGH TEMPERATURE COATING JIG

ZHOU Bin
（Xinhua Precision-Machined Electronic Company，GuangdongHuizhou516001）

For the surface coating is large size glass panel，and in the case of deposition environment is high temperature，the traditional clip clamping method is not applicable.In this paper，a new way has been provided and a new fixture has been disigned to solve this problem.Using the diffrent characteristics of glass substrate and metal material thermal expansion coefficient，the fixture has been disigned by alumiunm alloy and heat resistant combinational steel，and it counteracted deformation caused by high temperature.Inverse side of the glass substrate was used to support the glass.

heat dilatation cold shrinkage；high temperature coating；large-plane substrate

TB742

A

1006-7086（2014）06-0059-03

10.3969/j.issn.1006-7086.2014.06.014

2014-07-15

周斌（1989-），男，陜西咸陽人，助理工程師，主要從事真空設備設計和真空鍍膜的相關工作。E-mail：13542765320@ qq.com