多功能毛巾架的設計及生產

余錦波

（佛山市南海區居鼎五金制品有限公司，廣東 佛山 528000）

1 帶置物架的電熱毛巾架基本介紹

1.1 結構組成

該款帶置物架的電熱毛巾架，包括置物架、主體兩個部分，主體兩側設有第一豎管，置物架的兩端設有垂直放置的第二豎管。第一、第二豎管由兩根相互扣接的連接條組成，截面形狀為L 型。接條上設有豎直的第一基體和帶有彎曲弧度的第二基體，主體頂端設有置物架，置物架和主體呈T 型連接固定。置物架的前端和后端均設有連接管，第一豎管的底部設有操控面板，操控面板連接設有溫控元件，溫控元件的一端連接設有發熱絲，發熱絲呈S 型分布。整體結構如圖1 所示。

圖1 帶置物架的電熱毛巾架結構示意圖

1.2 結構特點

該款電熱毛巾架的結構特點如下：1）主體結構兩側設有第一豎管，置物架的兩端設有第二豎管，第一豎管與第二豎管由兩根相互扣接的連接條組成。安裝時可以直接將兩條連接條上的卡件和卡槽相互對齊，用力一扣即可，不僅結構輕度高，對尖銳端部也進行了包裹，防止安裝或使用時劃傷，而且拆卸維護簡單、使用方便。2）連接管的兩端分別連接兩根第一豎管，連接管的端部抵觸在基體的外部端面上，通過螺絲在基體內部進行直接固定，然后將另一塊連接條扣接固定，從外部看不見螺絲痕跡，可以達到隱藏螺絲的效果，提高整體美觀度。而且，隱藏螺絲的設計能使固定螺絲生銹后不會接觸到置物架上的衣物或毛巾，不會在衣物或毛巾上留下銹跡[1]。3）使用加熱烘干功能時，可點擊操控面板，溫控元件控制發熱絲產生熱量，整個操作非常簡單。而且操控面板上有LED 燈光，不論外界照明條件如何，均可以看清電熱毛巾架的工作狀態，避免因不清楚工作狀態誤觸而受傷，具有較高的安全性。

2 毛巾架電加熱系統的設計方案

2.1 電氣設計

2.1.1 功能目標

該毛巾架用于日常生活，為了滿足安全、高效、成本低廉的要求，設計功率為50W，功能目標如下：1）采用高低功耗模式。正常工況下，該電加熱系統的標準功耗是24V，此時加熱烘干功率高，毛巾的烘干速度快。如果用電功率有限制，可利用充電寶、手機變壓器等提供5V 低功耗，此時加熱烘干功率低，更接近于保溫狀態。2）安全保護。毛巾架使用過程中會接觸濕毛巾，為避免出現電路安全問題，必須做好用電設備的安全防護設計[2]。一是電源與毛巾架分體設計，電源獨立存在，并與毛巾架保持一定距離，可降低濺水概率，保護電路系統的安全。二是毛巾架主體電源的電壓等級最高為24V，符合安全電壓不高于36V 的行業規定。三是不銹鋼橫桿長期與濕毛巾接觸，組裝時會使用膠水對端部進行密封，防止水分進入桿體內部。四是電路系統設計采用過電流、過電壓保護方案，一旦電流值或電壓值超過安全設定值，就會自動斷電[3]。

2.1.2 加熱模式

該毛巾架的加熱烘干功能分為兩種模式：1）自動模式。系統設置一定的加熱時間如4h，通電后即可自動加熱烘干，達到設定時間后自動停止。自動模式方便操作，接通電源后不需要其他操作。2）限時模式。在操控面板上進行操作，通過點按按鈕選擇工作時長，例如5h、6h，達到該時間后才停止。限時模式為人們提供了更多選擇，能根據不同大小、不同材質的毛巾進行加熱烘干，應用范圍更廣泛。

2.1.3 工作電壓

電加熱系統的工作電壓分為兩種模式：1）高功率模式。DC 電壓為24V，電流為2A，由高功率的變壓器提供電能，可對濕毛巾進行快速加熱烘干，主要用在普通住宅和商業酒店中。2）低功率模式。DC 電壓為5V，電流為2A，由手機充電器、充電寶等提供電能，主要用于有用電功率限制的場所，如學生宿舍。

2.2 元件選型

電加熱系統中的主要原件包括開發板、高電平觸發繼電器、可調降壓模塊和電熱絲。以電熱絲為例，它的選型是關鍵，會直接影響加熱烘干效率和質量。該文選用特氟龍電熱絲，其耐高溫性好，通電加熱時安全穩定[4]。其中，22Ω/m、28Ω/m 電熱絲的主要參數指標見表1。

表1 22Ω/m 與28Ω/m 電熱絲的主要參數指標

2.3 軟硬件設計

2.3.1 硬件設計

硬件設計如圖2 所示，主要包括如下設計：1）Arduino nano 開發板。采用USB 接口，開發板的體積小，容易實現產品的小型化，在成本方面具有優勢，因此選擇Arduino nano開發板作為控制板。2）5V 高電平觸發繼電器。采用繼電器進行控制，實現電氣隔離的目標，以確保系統穩定運行，具備一定抗干擾能力。其中，VCC 與電源正極連接，GND 與電源負極連接；IN 是繼電器模組的信號觸發端；NO、NC、COM 分別是繼電器的常開端、常閉端、公共端。3）DC24V轉5V 可調降壓模塊。使用云輝MP1584EN 產品。該模塊屬于貼片模塊，特點是體積小、功率大，能滿足使用要求。其中，輸入電壓為4.5V～28V，輸出電壓為0.8V～20V；輸出電流最大為3A；工作溫度在-45℃～+85℃。4）特氟龍電熱絲。電熱絲的選型是關鍵，會直接影響加熱烘干效率和質量，本次選用5 種電熱絲，分別是15Ω/m、22Ω/m、28Ω/m、40Ω/m、150Ω/m。

圖2 電加熱系統的硬件接線示意圖

2.3.2 軟件設計

軟件設計能滿足靈活控制的要求。1）通電后，默認為加熱4h，不需要其他操作。2）在操控面板上按第一次按鈕，加熱時間調整為6h；按第二次按鈕，加熱時間調整為8h；按第三次按鈕，加熱即可停止。3）按第四次按鈕，自動返回步驟1。軟件控制流程如圖3 所示。

圖3 電加熱系統的軟件控制流程圖

3 毛巾架不銹鋼材料的生產技術

該毛巾架的主體和置物架部分均使用不銹鋼材料。不銹鋼材料的硬度、韌性明顯高于銅質材料，而且導熱率低、親和性大，會降低表面加工精度，對生產技術提出了更高要求[5]。下面對毛巾架不銹鋼材料的切削、拋光、著色工藝進行介紹。

3.1 切削工藝

3.1.1 刀具選擇

對刀具的要求如下：具有足夠強度、硬度和韌性，耐磨性良好，與不銹鋼之間的黏附性小。切削毛巾架不銹鋼材料時，采用YW2 硬質合金刀具，硬度、韌性、耐磨性、耐熱性均滿足切削要求，能實現精準加工的目標。

3.1.2 刀具幾何角度選擇

刀具切削時的幾何角度影響生產效率、工件表面粗糙度、加工硬化、刀具耐用度等指標。以車刀為例，幾何角度的選擇要點如下：1）車刀前角γ0，影響刀刃的強度、鋒利度。增大γ0值能減少切削變形，降低熱量和溫度值，延長刀具的使用壽命，但也會提高崩刃風險，一般取值12°～20°。2）車刀后角α0，過大會影響散熱，降低刀刃強度，增加刀具磨損；過小會導致刀刃變鈍，需要增加切削力度，一般取值6°～10°。3）車刀刃傾角γs，角度為正時切削碎屑流向待加工工件的表面，容易造成刀刃損壞；角度為負時切削碎屑流向完成加工的工件表面，能提高刀刃的耐沖擊力，一般取值0°～20°。4）車刀主偏角Kr，當進給量、切削深度一定時，適當降低Kr值能提高切削穩定性，避免刀具損壞。切削不銹鋼材料時，由于不銹鋼的硬度大，易產生振動現象，因此一般取值45°～90°，并根據機床、刀具系統和工件特點進行調整[6]。

3.1.3 切削用量選擇

切削用量指標，會影響加工效率和質量，需要考慮的因素如下：毛坯、不銹鋼材料的硬度；刀具類型、車刀刃磨條件、焊接質量要求；工件的直徑、加工余量等。該毛巾架不銹鋼材料采用YW2 硬質合金刀具加工，技術要點如下：1）切削用量應低于一般碳鋼類工件，避免形成鱗刺、積屑瘤。2）切削速度不宜太快，控制在50m/min～80m/min。3）切削深度不能太小，控制在0.4mm～4mm 之間，避免刀刃、刀尖劃到硬化層。4）進給量控制在0.1mm/r～0.5mm/r，防止工件表面擦傷，保證排屑穩定性。5）對奧氏體不銹鋼進行切削時，因塑性好切屑難以折斷，應適當增大切削力。

3.1.4 切削液選擇

在本次不銹鋼材料切削中，結合本毛巾架不銹鋼材料的特點，使用的切削液是四氯化碳與機油的混合物，兩者的比例為1 ∶9，前者的滲透性好，后者的潤滑性好，能滿足精加工要求。

3.2 拋光工藝

不銹鋼材料經切削后，工件表面有大量的油跡難以清洗，而且光亮度較低。為此，不銹鋼毛巾架在生產中，使用不銹鋼電解拋光液進行拋光處理，工藝流程為除油→過水→電解拋光→過水→中和→烘干。操作溫度和時間見表2。

表2 不銹鋼毛巾架的電解拋光工藝方法

3.3 著色工藝

不銹鋼毛巾架采用化學氧化著色技術，著色液使用偏釩酸鈉+硫酸，在80℃～90℃條件下維持5min～10min，最終不銹鋼元件變為仿金色。另外，因著色膜疏松多孔、耐磨性差，還需要進行固膜處理，使用重鉻酸鉀+氫氧化鈉+硫酸，設置pH 值為6.5～7.5，在60℃～80℃條件下固化3min，最后用硅酸鈉封閉，即可改善著色膜的硬度、耐磨性和抗腐蝕性。

4 結語

綜上所述，隨著人們生活質量的提升，對毛巾架提出了更多的功能需求，設計一款多功能、使用方便、價格低廉的毛巾架，成為相關企業的研究重點。該文以帶置物架的電熱毛巾架為例，從電氣設計、元件選型、軟硬件設計3 個方面介紹了設計方案；從切削、拋光、著色3 個方面介紹了不銹鋼毛巾架的生產加工技術。該多功能毛巾架在使用時不僅拆卸維護簡單、使用方便，而且產品整體美觀度高、安全性高，能滿足人們的實際需求，具有良好的應用前景。