用于陶瓷絕緣環(huán)的錫絲熱熔填孔裝置設(shè)計(jì)

劉珊，徐杰，秦源

用于陶瓷絕緣環(huán)的錫絲熱熔填孔裝置設(shè)計(jì)

劉珊，徐杰*，秦源

（江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122）

介紹了一種以熱熔的方式將金屬純錫填充至陶瓷絕緣環(huán)上小孔中的裝置以及其工作原理。該裝置主要包括三自由度移動機(jī)構(gòu)、中心操作臺、待加工工件固定裝置等，各部分機(jī)構(gòu)可以自動調(diào)節(jié)以適應(yīng)多種型號、尺寸的產(chǎn)品，分別完成控制中心操作臺移動、四工位集中式加工處理工件、裝夾工件的工作過程。根據(jù)材料的不同特性，初步篩選市面上常見的幾種填孔材料，結(jié)合加工要求，進(jìn)行試驗(yàn)分析對比，選擇金屬純錫作為填充物質(zhì)。通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)用錫絲填孔的全自動化。

陶瓷絕緣環(huán)；純錫；錫絲熱熔；填孔

陶瓷零部件因其良好的絕緣、耐熱性能，在半導(dǎo)體、航空、原子能等產(chǎn)業(yè)中被廣泛使用。此外，陶瓷材料由于具有高溫強(qiáng)度好、耐磨性高、膨脹系數(shù)低及密度低等優(yōu)點(diǎn)[1]，用它代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬材料可以降低耗材，節(jié)約資源。

陶瓷零部件在投入使用前通常要進(jìn)行燒釉處理，使其具有更好的表面光潔度以及更低的摩擦系數(shù)。如圖1所示，用于高鐵高壓電路中的某型陶瓷絕緣環(huán)，其周向上存在用于穿線及錫焊的微小孔，后續(xù)加工過程中，若使其隨整個零件一同被上釉，則會令其內(nèi)壁表面過于光滑影響錫焊加工的質(zhì)量。因此，在零件噴釉[2]前需要將環(huán)上的小孔用合適的材料進(jìn)行填充。掛鈾（真空爐220℃烘烤2 h）完成后，再將小孔的填充物質(zhì)剝離，同時，需要確保小孔內(nèi)壁上沒有填充物殘留。

圖1 陶瓷絕緣環(huán)模型圖

目前，針對陶瓷絕緣環(huán)上微小孔的填充以及填充物的剝離工作，主要是人工利用棉絮進(jìn)行填充的方式完成，效率低、工作環(huán)境較為惡劣。隨著加工環(huán)節(jié)上其他生產(chǎn)設(shè)備的升級與優(yōu)化，為了提高陶瓷絕緣環(huán)的總生產(chǎn)效率、減少勞動成本，設(shè)計(jì)了錫絲熱熔自動化填孔設(shè)備。

本文將研究錫絲熱熔填孔技術(shù)，對陶瓷絕緣環(huán)上微小孔的填充過程以及機(jī)構(gòu)的工作原理進(jìn)行探討。

1 總體方案

錫絲熱熔填孔機(jī)構(gòu)針對處理的陶瓷絕緣環(huán)直徑范圍為50～150 mm，厚度最大值為35 mm。整個機(jī)構(gòu)主要由待加工零件固定裝置[3]、三自由度移動機(jī)構(gòu)[4]和中心操作臺這三部分組成，如圖2所示。

待加工工件固定裝置主要包括送料機(jī)構(gòu)、周向固定機(jī)構(gòu)、厚度方向調(diào)距機(jī)構(gòu)、同步帶機(jī)構(gòu)等部分，完成對陶瓷絕緣環(huán)的送料和固定。裝置可以根據(jù)陶瓷絕緣環(huán)的不同直徑調(diào)整固定部分的寬度與厚度，保證后續(xù)加工過程中絕緣環(huán)的穩(wěn)定性。

三自由度移動機(jī)構(gòu)采用直線滑臺堆疊組成，為中心操作臺的移動提供條件，可以實(shí)現(xiàn)、、軸三個方向上的移動。

中心操作臺分為四個加工工位，分別為小孔識別、剪斷錫絲、熱熔錫絲、擠壓填充。

將中心操作臺固定在三自由度移動機(jī)構(gòu)上，加工時可以根據(jù)零部件的位置調(diào)整操作臺的方位，并完成后續(xù)的所有加工過程，作為加工操作中心。

1.待加工工件固定裝置 2.中心操作臺 3.三自由度移動機(jī)構(gòu)

2 試驗(yàn)分析

為了確定填充物質(zhì)，對多種材料進(jìn)行了物理特性分析和試驗(yàn)對比，如表1所示。

比較試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，利用特氟龍、金屬鋁、石蠟等材料進(jìn)行填充時存在的問題將會導(dǎo)致加工過程難以實(shí)現(xiàn)或加工后的產(chǎn)品無法達(dá)到加工要求，利用金屬錫完成這一系列試驗(yàn)過程，最大程度上符合試驗(yàn)預(yù)期，因此最終選擇金屬錫作為填充材料。

加工過程中選擇市面上較普遍的高純錫絲（99.9%）作為填充原材料。市售錫絲規(guī)格齊全，價(jià)格低廉，在加工過程中，一卷錫絲的使用周期較長，適合作為填充物質(zhì)被生產(chǎn)廠家使用。

3 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)

整個裝置主要包含三個部分，對各部分關(guān)鍵結(jié)構(gòu)分析如下。

待加工工件固定裝置主要包括進(jìn)料機(jī)構(gòu)，周向固定機(jī)構(gòu)和厚度方向調(diào)距機(jī)構(gòu)，如圖3所示，三個部分的配合工作完成了對待加工工件的固定。

（1）進(jìn)料機(jī)構(gòu)

進(jìn)料過程主要依靠具有一定傾斜角度的傳送帶完成，陶瓷絕緣環(huán)在完成上一個部分的加工后被運(yùn)送到傾斜傳送帶上，由于傳送帶具有2.5°斜角，絕緣環(huán)將自主滾動落在滾筒上，完成進(jìn)料。

表1 填充材料試驗(yàn)結(jié)果分析

1.進(jìn)料機(jī)構(gòu) 2.周向固定機(jī)構(gòu) 3.厚度方向調(diào)距機(jī)構(gòu)

（2）周向固定機(jī)構(gòu)

陶瓷絕緣環(huán)的周向固定依靠雙滾筒實(shí)現(xiàn)，其中一個為驅(qū)動滾筒，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，位置固定；另一個滾筒安裝在直線滑臺上，可平移調(diào)整兩滾筒間距，以適應(yīng)不同直徑的工件。雙滾筒由同步帶輪進(jìn)行傳動[6]，同步帶輪與漲緊輪利用同步帶傳動構(gòu)成三角結(jié)構(gòu)，根據(jù)待加工工件的直徑調(diào)整滾筒間距時，漲緊輪上下移動，保證整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，完成對零件的周向固定，如圖4所示。

1.同步帶輪2.滾筒3.漲緊輪4.同步帶5.直線滑臺6.步進(jìn)電機(jī)

（3）厚度方向調(diào)距機(jī)構(gòu)

陶瓷絕緣環(huán)厚度方向上的控制由兩塊平行平板實(shí)現(xiàn)，其中較大的平板起支撐作用，位置不變，小平板由直線滑臺控制移動，從而根據(jù)不同厚度的待加工工件調(diào)整厚度方向上工件與平板之間的距離，保證加工過程中厚度方向上的穩(wěn)定性。

中心操作臺為四工位集中加工機(jī)構(gòu)，每個工位根據(jù)需要完成的工序不同結(jié)構(gòu)有差異。

（1）第一工位

小孔識別。攝像頭組件[7]對陶瓷絕緣環(huán)上的小孔進(jìn)行較精準(zhǔn)的識別，如圖5所示。完成固定后的絕緣環(huán)可在可旋轉(zhuǎn)滾筒的帶動下進(jìn)行周向轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動過程中當(dāng)攝像頭識別到小孔時，工件停止轉(zhuǎn)動，此時，待處理小孔保持在豎直方向上，孔的中心軸線垂直于操作臺下底面。

圖5 第一工位

（2）第二工位

剪斷錫絲。主要由錫絲卷、送絲機(jī)構(gòu)、氣動剪刀[9]和不銹鋼毛細(xì)管等部分組成。送絲機(jī)構(gòu)由步進(jìn)電機(jī)提供動力，帶動齒輪旋轉(zhuǎn)，主動輪和從動輪配合工作，保證錫絲在傳遞過程中處于豎直繃緊狀態(tài)[8]。錫絲從錫絲卷上被拉出，通過送絲機(jī)構(gòu)傳遞到下方不銹鋼毛細(xì)管中靠近小孔，當(dāng)錫絲伸出長度達(dá)到要求時，氣動剪刀剪斷錫絲，使剪斷后的錫絲落入待處理小孔內(nèi)。整體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

1.錫絲卷2.送絲機(jī)構(gòu)3.不銹鋼毛細(xì)管4.氣動剪刀

（3）第三工位

錫絲熱熔。對落入小孔內(nèi)的短錫絲進(jìn)行加熱，使之成為熔化的液態(tài)金屬錫。執(zhí)行部件主要包括氣缸和熱風(fēng)發(fā)生結(jié)構(gòu)。熱風(fēng)發(fā)生結(jié)構(gòu)包括陶瓷發(fā)熱芯、導(dǎo)熱風(fēng)扇、導(dǎo)風(fēng)管和儲風(fēng)箱。整個裝置由氣缸控制出風(fēng)口與小孔間的垂直距離，加工時，氣缸將整個裝置下推至合適高度，陶瓷發(fā)熱芯發(fā)熱使儲風(fēng)箱中空氣達(dá)到一定溫度，導(dǎo)熱風(fēng)扇將高溫?zé)犸L(fēng)通過導(dǎo)風(fēng)管排出到小孔中使錫絲熔化，完成熱熔工作。整體結(jié)構(gòu)如圖7所示。

（4）第四工位

擠壓填充。利用氣缸和沖壓頭對熱熔的錫絲進(jìn)行擠壓，使之凝固。沖壓頭直徑與小孔孔徑大小相適應(yīng)，氣缸推動沖壓頭，沖壓頭使液態(tài)金屬錫與小孔內(nèi)壁完全貼合，保持一定時間，金屬錫冷卻凝固，完成填充。整體結(jié)構(gòu)如圖8。

1.氣缸 2.熱風(fēng)發(fā)生機(jī)構(gòu)

三自由度移動機(jī)構(gòu)由直線滑臺組成[10]，可以完成、、軸三個方向上的平移，為中心操作臺的移動提供條件。根據(jù)節(jié)約空間的原則，選擇了電機(jī)轉(zhuǎn)折和電機(jī)直連兩種形式的直線滑臺，進(jìn)行合理的堆疊，實(shí)現(xiàn)集成式設(shè)計(jì)，如圖9所示。

4 控制系統(tǒng)

裝置采用了電、氣結(jié)合的控制方式。

電控系統(tǒng)主要涉及各組成部件的平移、部分結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)，以及整體裝置各部分的相互配合。平移主要采用直線滑臺，由匹配的步進(jìn)電機(jī)提供動力，利用螺紋結(jié)構(gòu)將周向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為平行移動。旋轉(zhuǎn)則是根據(jù)需要的轉(zhuǎn)速直接選擇合適的步進(jìn)電機(jī)提供動力。裝置各部分的相互配合是利用主控板進(jìn)行編程，系統(tǒng)化地調(diào)配和控制整個加工過程。

1.氣缸 2.沖壓頭

氣動控制主要完成中心操作臺的第二、三、四工位的相關(guān)工作。第二工位中的氣動剪刀連接三位五通電磁閥，當(dāng)錫絲伸出到合適長度時，由電磁閥控制氣動剪刀剪斷錫絲。第三、四工位由氣缸控制裝置的整體上下移動，也借助三位五通電磁閥控制氣缸的伸與縮，從而完成在該工位上對待加工工件的加工。

5 結(jié)論

該裝置采用集成式設(shè)計(jì)，可以完成對待加工工件的傳送、固定和加工。占地空間小，加工過程全自動化，能夠完成對多種型號、尺寸的陶瓷絕緣環(huán)小孔的填充。

該裝置及加工過程具有以下特點(diǎn)：

（1）裝置根據(jù)陶瓷絕緣環(huán)直徑與厚度的不同，可以通過滾筒和平行平板分別在周向和厚度方向上固定陶瓷環(huán)，使得裝置可以適應(yīng)多規(guī)格多尺寸絕緣環(huán)的加工，實(shí)現(xiàn)多模式化應(yīng)用。

（2）中心操作臺依靠三自由度移動機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)位置移動，使得工件的固定和加工過程互不影響，提高生產(chǎn)效率。

（3）中心操作臺以方形布置四工位加工裝置，用氣動的方式控制各工位裝置的操作過程，最大程度減少了操作臺的體積以及各工位之間轉(zhuǎn)換的時間。

整個裝置的設(shè)計(jì)從生產(chǎn)需求出發(fā)，根據(jù)加工要求選擇合適的填充材料，由材料的特性確定加工方式。最終確定以熱熔的方式用錫絲對陶瓷絕緣環(huán)小孔進(jìn)行無縫填充；整個加工過程全自動化，大大提高了加工效率；設(shè)備適用于多種型號、尺寸產(chǎn)品的批量生產(chǎn)過程，具有較好的兼容性。

1.電機(jī)轉(zhuǎn)折式直線滑臺 2.電機(jī)直連式直線滑臺

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Design of Hole Filling Device for Ceramic Insulating Ring by the Use of Molten Tin

LIU Shan，XU Jie，QIN Yuan

( School of Mechanical Engineering, Jiangnan University Wuxi 214122, China)

This paper introduces a mechanical device which uses molten tin to fill the tiny hole of ceramic insulating ring and its working principle. The device mainly consists of a 3-DOF moving mechanism, a central operating platform and a fixed machine for workpiece to be processed. Each part of the mechanism can be automatically adjusted to adapt to a variety of models and sizes of products, respectively completing the work process of moving the central operating platform, centralized workpieces processing in four-station processor, and clamping workpieces. According to the different characteristics of the materials, several kinds of common filling materials on the market are selected. Combined with the processing requirements, experimental analysis and comparison of the filling materials are carried out, and pure tin is selected as the filling material. Through the optimization of structure design, the full automation of filling holes with tin wire is realized.

ceramic insulating ring；pure tin；molten tin；filling holes

TM281

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.09.007

1006－0316 (2020) 09－0044－06

2020－03－21

江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（BK20160182）

劉珊（1999－），女，湖南湘鄉(xiāng)人，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械工程；秦源（1999－），女，重慶人，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械工程。

徐杰（1987－），男，江蘇淮安人，博士，講師，主要研究方向?yàn)橹悄苤圃?，E-mail：xujie@jiangnan.edu.cn。