电阻蒸发镀膜机构设计及有限元仿真.docx

摘要目前电镀机构的功能比较有限，一般只能使用原材料的镀膜固定设计和尺寸的零件，如果需要镀膜的其他尺寸和材料的零件，需要重新设计特殊的模型。不使用特殊型号，加工材料相同，但如果所需尺寸小于加工前的原材料，切割过程中可能会浪费部分原材料。因此，本课题除了对电阻蒸发镀膜机真空系统的设计和转架结构的设计外，还进行了夹具的创新设计，使电阻蒸发镀膜机具有通用化的功能。通过提出简单的设计理念来设计实现了电阻真空蒸发镀膜机，具体为真空室为主体，真空泵抽真空，可调换式蒸发源镀膜，以及转架结构旋转实现均匀镀膜等的主要设计。然后对某些零件进行有限元分析。此外，我还创新设计了一个镀件尺寸与镀材蒸发温度的调节机构，主要目的是实现自定义且灵活地生产和降低生产成本，同时能节约部分材料，以响应绿色生产与节能减排。关键词：电阻蒸发镀膜；创新设计；调节机构；有限元分析ABSTRACTAtpresent,thefunctionsofelectroplatinginstitutionsarerelativelylimited,andtheycanonlyusethecoatingofrawmaterialstofixthedesignandsizeofparts.Ifothersizesandmaterialsofpartsneedtobecoated,specialmodelsneedtoberedesigned.Nospecialmodelsareused,andtheprocessingmaterialsarethesame.However,iftherequireddimensionsaresmallerthantherawmaterialsbeforeprocessing,somerawmaterialsmaybewastedduringthecuttingprocess.Therefore,inadditiontodesigningthevacuumsystemandrotatingframestructureoftheresistanceevaporationcoatingmachine,thisprojectalsoinnovativelydesignedthefixturetomaketheresistanceevaporationcoatingmachineuniversal.Byproposingasimpledesignconcept,aresistancevacuumevaporationcoatingmachinewasdesignedandimplemented,withavacuumchamberasthemainbody,avacuumpumpforvacuumpumping,anadjustableevaporationsourceforcoating,andarotatingframestructuretoachieveuniformcoating.Thenperformfiniteelementanalysisoncertainparts.Inaddition,Ihavealsoinnovativelydesignedaregulatingmechanismforthesizeofplatingpartsandtheevaporationtemperatureofplatingmaterials,withthemainpurposeofachievingcustomizedandflexibleproductionandreducingproductioncosts,whilesavingsomematerialstorespondtogreenproductionandenergyconservationandemissionreduction.Keyword：Resistanceevaporationcoating;Innovativedesign;Regulatingmechanism;Finiteelementanalysis第1章绪论1.l课题的研究背景及意义电阻真空蒸发镀膜法，简称真空蒸镀，是一种在真空室里，加热电阻蒸发容器中待形成薄膜的原材料，使其原子或分子从表面气化逸出，形成蒸气流，入射到固体（称为衬底或基片）表面，凝结形成固态薄膜的方法。4镀膜目的一般可以分为3种：一种是强化性镀膜，主要用于工件表面的强化，如刀具耐磨性的强化镀膜;一种是保护性镀膜,主要用于工件表面防止腐蚀的保护镀膜;还有一种是装饰性镀膜，对产品进行表面镀膜，如对金属表带、手机壳和眼镜架等镀金银等来提升外观价值。根据不同材料镀不同的膜从而实现不同运用目的，如非金属透明材料的话是主要是获得某些光学特性比如偏光，反光等，一般用光学镀膜材料镀膜，要么就是玻璃的强化镀膜。不透明非金属材料主要就是强度和表面光滑度方面，主要是镀一些氧化物材料膜，或是一些消光树脂。金属材料主要是强度和防氧化防腐蚀方面，主要镀一些合金膜或者氧化材料膜，当然也能镀一些惰性金属单质膜。其次就是镀贵金属膜的目的主要是为了美观和价值如镀金钳等，也有些是为了良好的物理化学性能如银钏等。本次电阻蒸发镀膜的课题研究的方向是想建立一套可调节式的电阻蒸发镀膜机。意义如下：本课题研究的意义：为解决工业生产对真空镀膜设备的功能单一，材料浪费，操作不便等问题，因此需要研究设计一款通用性的蒸发镀膜机构。电阻蒸发镀膜新技术的发展可以在改进蒸发源结构和材料、通用设计等方面为节约资源，保护环境，提升镀膜效率、降低成本等方面做出贡献，一机多用同时也能节省大量专用加工设备的制造。1.2 电阻蒸发镀膜机国内外研究现状及发展趋势1.2.1 国内外研究现状在国外，经过半个世纪的沉淀和发展，真空蒸镀膜技术的许多子技术在许多工业领域能较为成熟地应用，逐渐形成了一个大型的薄膜制备和涂层产业链。改进了以电阻蒸发镀膜技术、真空磁控溅射镀膜技术和化学镀膜技术为代表的镀膜工业技术体系;不同涂层技术的技术相互交叉、融合，形成了一种多样、集成的涂层工艺，衍生出了与其他工业技术的融合技术。这些技术在能源领域如电力、石油、煤炭等行业，以及汽车零部件加工、废水处理、机械模具制造等领域的技术，在创新设计和工艺改进中发挥着重要作用。现目前，国外精密电阻蒸发镀膜技术和设备有其独特之处。我们必须相互学习，从本质是丰富学识，为国家镀膜领域添砖加瓦。国内设备在自动化、膜厚度控制的准确性和设备的可靠性方面都有所提高。国内工业中用于蒸发涂层的蒸发源材料受蒸发温度的限制，难以使用高熔点的蒸发原料。电阻蒸镀机在真空蒸镀过程中，不能使用其他粘合剂，因此蒸镀涂层的附着力较差。为了确保电阻蒸汽涂层的附着力，随后必须进行特殊的喷涂和油处理。为了提高散热器的使用寿命，由氮化硼合成的使用寿命更长的导电陶瓷材料已被国内外用作加热器。因此，有必要在中国设计一种电阻蒸发涂层系统，该系统可以使用高端控制材料，可以控制涂层精度并具有良好的附着力，并可以应用于生产实践，以降低生产成本，提高生产效率。1.2.2 发展电阻蒸发镀膜技术的目标电阻蒸发镀膜技术的发展目标：目前电阻蒸发镀膜成本较高的原因有很大一部分主要就是蒸发源材料的消耗太快，且熔点也比较高，导致通电加热的能耗较大。此外就是板材边料切除浪费以及尺寸不合需定制专用夹具这些方面都会造成成本上升。需要解决这类研发创新问题，可与企业和各大高校的进行合作，理论知识与实践制作进行完美结合，进行优化设计和创新设计以及选择合适蒸发源的材料。来降低生产成本的同时能提高生产水平，也可提高学校学生们的就业率和培养创新性人才。1.3 课题研究的主要内容首先通过查阅资料寻找目前电阻蒸发镀膜机的局限性或缺点。再根据这些问题尝试通过创新设计和优化设计来补足这些问题。确定好方向后，再查阅相关的设计手册和书籍确定各个结构的功能参数和外形参数，这个过程还包括参数的查阅、计算以及修改校核等然后根据外形参数使用SolidWorks,和中望3D两种建模软件，双开对镀膜机进行模型搭建，这次3维就建模主要集中于通用化创新设计，包括箱体。合页，升降压夹机构、尺寸调节机构、转架结构等。搭建好的装配体及相关零件后对这些进行装配图、零件图、啮合图等的标注出图，本次出图为3张A0；最后从所有零件里选择几个重要的零部件进行有限元分析，比如箱体、承重杆等零部件进行加有限元分析，分析其结构是否设计合理以及可承受的加载范围等待，然后对整体设计进行总结，以完成本次课题设计。1.4 课题需要解决的主要内容本次需要解决的主要内容是根据现目前电阻蒸发镀膜机的缺点进行创新设计，即设计一个方便实用且通用化的电阻蒸发镀膜机模型，来补足部分电阻蒸发镀膜机的缺点。而此次创新设计需要解决的问题是现目前电阻蒸发镀膜机功能单一，材料浪费等问题。材料浪费主要在于镀膜完成后对未镀膜部分的修剪，而功能单一的问题较多，如被镀件形状尺寸固定，蒸发源固定，及每种镀件都需要设计和使用与之相配合的专用电阻蒸发镀膜机，虽然目前电阻蒸发镀膜机从单一镀到批量镀件逐步成熟，但还是不能满足工业生产需求。为此，我将设计一个具有镀件尺寸电动调节功能、电动压夹功能、以及蒸发源镀材自定义的电阻蒸发镀膜机设计，同时还满足批量镀膜和3D异形镀膜。尺寸调节的目的是实现尺寸、外形自定义镀膜的同时减少修剪浪费，电动结构设计是为了操作方便，可通过PLC和位移角位移传感器对电机实现自动化控制，蒸发发源自定义功能可实现镀膜尺寸加厚加大的处理以及不同镀膜材料复合镀膜的处理，为此蒸发源的调节、更换、添减操作需设计得都比较方便。这次通用化创新设计能补足现目前电阻蒸发镀膜机存在的大多数问题，这个设计对其他形式的镀膜机也适用。1.5 本章小结本次课题需设计电阻蒸发镀膜机方向，通过结合现有的真空镀膜机的真空系统设计进行学习，学明白其中的工作原理，进而设计真空室内部创新夹具以及夹具相关的转架结构，实现被镀膜件跟随尺寸调节和压夹结构共同旋转，从而使镀膜层能较为均匀地制作。然后合理选用各个机械泵，罗茨泵，扩散泵等各级抽气泵，再将选用好的抽气泵参数带入公式计算各部分的抽气速度，可通过合理搭配一台或多台泵提高抽真空的速率，提升产品质量。本次课题设计对我来说，是一次熟悉和学习电阻蒸发镀膜机原理以及设计制造过程，为后续创新设计以及专业能力的综合训练提供一个参考和体验的机会。第2章电阻蒸发镀膜技术相关概论2.1 电阻蒸发镀膜工作原理电阻蒸汽涂层的功能原理：.在恒定真空度的镀膜仓中，通过电加热蒸发镀膜材料。蒸发的材料原子扩散到真空室，然后冷却蒸汽原子并附着到涂被镀件的表面，而吸附在涂覆工件表面上的蒸发原子又通过表面扩散扩散到工件的表面扩散，蒸发冷却后在形成的团簇原子间发生二维碰撞，其中的一部分原子在蒸发前在表面停留与扩散的蒸发原子碰撞，吸附或释放单个原子，当原子数超过一定临界值时，成为稳定的核，连续吸附其他扩散原子，逐渐生长，最终与相邻的稳定核熔融，形成工件的连续表面膜；电阻蒸发镀膜是指在特定要求条件的真空度下，将蒸发源材料与被镀件同时放在真空室中，然后通过加热蒸发源材料让其挥发，当蒸发的气体镀膜材料与被镀件表面接触后便在镀件表面上聚积形成具有一定厚度的膜层。（如图2-1所示为电阻蒸发镀膜简易原理示意图）：图电阻延拓信厢原理示童图2.2 蒸发镀膜的方法本节主要介绍两种蒸发镀膜的方法，电阻真空蒸发镀膜法和电子束真空蒸发镀膜法，其中电阻真空蒸发镀膜法是课题必选方法，而电子束真空蒸发镀膜法是对蒸发镀膜相关知识的拓展学习，电阻真空蒸发镀膜法：该涂层工艺采用铝丝等材料，这些材料具有较高的熔融温度，可用于高电阻加热镀膜原材料蒸发或使用其它容器储存用于电阻加热镀膜的蒸发源材料。该镀膜方法的优缺点：真空度要求较低，使用的蒸发原料成本相对较低，因此镀膜机成本也相对较低。但镀层精度低，仅适用于大面积和粗镀行业。另外，电阻加热的温度有限，材料损率也较高。电子束真空蒸发镀膜法：该涂覆过程控制直接利用电子来加速高能电子束的形成,使放置在特定材料上的加热的蒸发源材料照射、蒸发和扩散。蒸发的原子落在涂层工件的表面上，形成涂层膜。电子束电阻蒸发涂层的优点是：电子束的能量高于上述电阻，可以提高蒸发材料的蒸发速度，提高涂层效率。而且，可以在更高的温度下使材料熔融，使膜材料的选择更加多样化。这样涂布方法可以使用更高强度的材料配置蒸发源材料，避免非消耗材料在涂布机中的损失，节约成本，防止蒸发原子与涂布部分的反应，防止涂布质量的降低，电子束实现正确的控制，直接加热蒸发源材料可以避免热能的浪费，提高能源效率。发a桐M(l镀膜室机泉博I塞除慵殷基田先基线永青图在以上方法中，由于本课题为电阻蒸发镀膜机结构设计及有限元仿真，故本次设计选择电阻真空蒸发镀法进行设计。2.3 电阻蒸发镀膜设备组成此次设计的电阻蒸发镀膜机的组成包括：夹具压夹系统、真空室箱体和箱盖、尺寸调节系统、真空抽气系统、转架系统，可调换试蒸发系统，成膜测量监控系统等。本节主要先介绍真空室及其抽气系统以及蒸发系统，而夹具压夹系统、尺寸调节系统和转架系统为后续设计。真空室：由于镀膜室温度和外部压差较高，且室内材料不能于蒸发源材料发生反应，使用真空室设计需保障结构上坚固稳定，材料上相对惰性。此外真空室还需设计监测装置，如观察窗或光学传感器等。抽气系统：抽气系统是真空系统的重要部分，是维持一定真空度是真空镀膜的前提。本次真空抽气系统的设计主要包括“前级泵+罗茨泵+扩散泵+维持泵”四部分。抽气过程需先打开机械泵，先将真空室内气压抽至小于0.2Pa左右，达到预定压强后，罗茨泵将会自动开启，抽气一段时间后使真空室达到较高真空度，最后再打开油扩散泵，使真空室达到理想真空度。可调换蒸发系统：该蒸发系统具有可更换调节的特点，同时能配合多套蒸发源实现大面积大厚度的镀膜或多蒸发材料的复合镀膜，而镀膜原理主要指利用物理或者化学方式使蒸发源材料蒸发。本次设计将采用电阻加热蒸发的方式进行镀膜，其中多个蒸发电阻采用并联并串联一个变阻器的方式，只能作用于大面积大厚度的镀膜；而多个蒸发电阻采用分别串联多个变阻器的方式便能运用在多蒸发材料的复合镀膜上。监控系统；镀膜成型的监控方法较多，本次设计将采用两种观察方法进行监控，首先是目视监控法，通过真空室的观察窗进行查看镀膜的大致情况，虽然此方法便捷快速，成本较低，但不足之处在于目视误差较大，需要依靠实践经验。然后是定值检测法，使用光传感器检测镀膜层的对光射线的强度和折射率，再将检测到的信息经过计算机进行计算，得到的计算值与镀膜的标定值相等后就会自动提醒并反馈到电阻蒸发系统。通过以光定值检测和目测观察相结合的方法实现镀膜的实时监测与人工监测,以保障镀膜厚度的准确性。2.4 不同真空镀膜方式优势与缺陷的总结表2-1不同真空镀膜方式的优缺点镀膜方式I优势缺点电阻蒸发镀膜蒸发源材料多，技术先进对真空度要求高，镀件局限真空溅射镀膜二级溅射操作性强，结构简单膜容易受损，无法镀绝缘膜磁控溅射膜质量高，可调性高镀膜不均匀，无法溅射磁性材料射频溅射被镀件范围广质量较低，难以大面积镀膜真空离子镀膜速率快，膜厚度大，性能好成本高，经济效益较低化学镀膜应用范围广，可镀材料更多容易与镀膜机内部材料反应升华镀膜所需真空度底，成膜快成膜不均匀由于电阻蒸发镀膜的缺点相对其他方法而言，能通过设计优化与材料选择来补足缺点,故本次设计以电阻蒸发镀膜的缺点为突破口进行创新设计，以补足目前电阻蒸发镀膜的缺点。2.5 本章小结此章的撰写了电阻蒸发镀膜的工作原理的一些简单的说明，同时并配有图片和表格能对其了解更为深刻，然后再对电阻蒸发镀膜的方法和电阻蒸发镀膜机的组成进行了简易概述，最后再总结现目前工业生产运用的各种镀膜方式以及其优势和缺陷，不同点比较等，通过总结有利于后续本课题的电阻蒸发镀膜方法研究和镀膜机结构的设计，能为下面镀膜机的设计提供较好的理论支撑。第3章电阻蒸发镀膜机结构设计3.1 电阻蒸发镀膜机设计的原则和考虑的因素3.1.1 电阻蒸发镀膜机设计的原则为了设计电阻蒸发镀膜机的结构，需要将整个涂布机的实际设计作为一体来考虑。在满足给定的指标参数、生产要求和必须完成的设计功能的情况下，需要根据实际情况选择合适的材料使用，不仅需要满足电阻蒸发镀膜机对材料的强度和刚度要求，而且还需尽量节约成本，最大限度地提高镀膜机的重量在节约运输和安装成本的基础上,需要对所设计的镀膜机结构的合理性、零件加工的难度、镀膜机的整体尺寸、维护的便利性和形状的美观性建立一定的规划，故设计需遵循以下原则。顺序设计原则：设计要优先功能而不是结构，首先是核心，然后是辅助。从内到外，首先是局部的，然后是整体的。从整体到最后，先设计，然后验证。从粗到细。要具有整体性和整体性，选择理想的设计和施工方案，在设计过程中不断进行调整和优化，最终形成涂装机设计方案。实用设计原则：创新设计的目的主要还是追寻更高的经济效益。设计应选择最简单的结构和最经济的方法完成设计工作，同时尽量确保工作效益和材质质量。像这样，你需要设想使用尽可能多的简单结构和标准房间。由此，能够降低对零件加工工艺的要求，缩短零件的生产周期，降低安装成本，使所设计的镀膜机具有一定的价值。可靠设计原则：改原则是设计最重要的原则，设计时需要考虑机构的稳定性和可靠性，各个零部件之间的配合协调性。以及各个零件之间相对运动是否稳定等，如果存在不可靠不稳定的设计，那么整个设计就是不合格的设计。而这些一般和标准件的选择和非标准件的设计是否合理有关，所以在设计和选择零件时需再三思考。3.1.2 镀膜机设计中的考虑因素电阻蒸发镀膜机是集机械、控制、真空技术于一体的加工类器械，是真空行业的典型代表，由于结构简易具有较大的创新和研发空间，必将在未来的表面技术中占有重要地位。作为一种比较传统的真空装置，在设计电阻性蒸汽镀膜机时，必须考虑以下影响因素。密封性能：本设计中的箱体开孔较小且较少，箱体与箱盖之间有磁封条，该设计能初步保障箱体的密封性，而且电机均设置在箱体内，主要的外伸部分是悬挂杆和电机的电源线，而悬挂杆部分通过磁封头密封，因此只需将电机的电源线的外伸部分使用热熔胶或其他密封胶与箱体固定和密封就能达到密封性能的要求、镀膜均匀性：镀层厚度是衡量涂层机械性能的重要参数，镀层机械的整体设计性能应接近镀膜厚度的均匀性。许多因素影响电阻蒸发涂层，例如蒸发源的安装位置、齿盘与旋转齿轮箱之间的中心-中心传递比、电动机转速、真空腔内的真空度。需注意这些问题来进行设计。其他相关因素：从经济性上考虑，要确保电阻蒸发镀膜机的强度和刚度，并使机构尽可能简单，消耗最少的材料，来确保工作正常进行。由于真空分离，真空室必须承受更大的压力，对材料有较高的要求，因此真空箱体壁和封头需要更高强度的材料。镀膜空间外部的材料可以由普通铸铁制成，这不仅节约了成本、降低了能耗，而且能适当降低了镀膜机的整体重量，降低了内部零件的转动惯量，实现相对稳定性。此外还必须考虑转架结构的运动方式和速率等，理论上设计的传动链越短，传动系统的精度越保证，传动效率就越高。同时以要考虑工件压夹部分的旋转与尺寸调节部分的旋转之间的干涉与相关性，并选择更合适的传动比以来提高工件涂层的效率。3.2 真空室参数的确定3.2.1 箱体壁厚的确定箱体是是真空镀膜室的重要组成部分。由于真空室需要进行抽真空，因此对箱体的壁厚要求很高，且必须保障箱体足够坚固，同时也要求能够承受一个大气压差。为满足以上要求，真空室壁厚的强度计算应基于薄壁理论。薄壁理论指出，圆柱体的壁厚必须大于其曲率半径。则它应该满足的公式条件为：告004(3.1)Db在3.1式中：S是箱体壳体的壁厚，单位mm；DB为箱体的内经，单位mm。1.箱体的壁厚附加量：c=C1+C2+C3(3.2)C为箱体壁厚的附加量；。为最大负公差的附加量，一般取0.5mm；C2为材料的腐蚀裕度；C3为封头冲压时的拉伸减薄量，不耐冲压的元件拉伸减薄量为Oo表3-1碳钢及低合金钢板的最大负公差附加量钢板厚度mm2.5344.5682526-31323536-40最大负公差mm0.20.220.40.50.60.80.91.01.1名称数值由于存在大气腐蚀，查表得单面腐蚀附加量为C2=Imm,双面腐蚀附加量为C2=2mm°由于圆筒箱体是不耐冲压的元件，故取C3=0。然后根据壁厚的附加量公式(3.2)带入参数计算得：C=0.5+1+0=1.5mm。2.材料许用应力的选择(单位MPa)mi=三=V=219(3.3)2=205(3.4)lj2ns31.5'J3=209.69(3.5)Hd1.6选用W2=205MPa.其中为材料的许用应力；5为常温下材料的抗拉强度；5；为材料的屈服限；力为材料的持久限；内为材料的蠕变限。3.参照现有的电阻蒸发镀膜机，本课题将选用最常用的圆柱形壳体作为箱体外形进行计算：圆筒真空室壳体因为内部抽真空，在这里只考虑外部大气压的作用可以按照稳定条件计算。其中So是箱体圆筒计算壁厚；DB为圆筒内壁直径2m；P为大气压0.1MPa,L是箱体圆筒的设计长度1.6m；Et为材料在温度为t时的弹性模量，这里查表选用2.1XIO5MPao则壁厚计算式为：SO=1.25%(7X)°4=1.25X2000QX黑)"=6.89865mn(3.6)圆筒的实际壁厚为把数值代入公式(3.2)和(3.6)得：S=S0+C=6.90+1.5=7.4(3.7)这里我们按照薄壳理论进行验算，把数值代入公式(3.1)得：S74=0.00370.04(3.8)Db2000I,验算结果符合薄壳原理，实际壁厚计算正确，S=7.4mm.考虑安全系数取S=9mm322封头(平盖)计算由O中参数得：S=DX%+C(3.9)KP=浊g(l+1)2(31°)由3.1.1中选用的许用应力为205MPa,本封头需要在箱体端面上开孔，开孔造成的应力集中会影响封头强度，故需要进行封头补强校核，计算如下：Db=2000>1500(3.11)开孔最大直径d=300mm,且d<1000,故满足要求。平盖开孔直径d=20mm0.5Db=1000mmA=O.5dSo=0.5×20×36.4=5460mm(3.12)=Sorl600+5460=188426.356mm(3.13)S厚=188426.356 ÷ 1600r = 37.486nm(3.14)考虑安全系数以及设计方便，取封头(平盖)厚度为38mm。表3-2圆形、非圆形平盖结构特征系数KS厚=188426.356÷1600r=37.486mm(3.14)考虑安全系数以及设计方便，取封头(平盖)厚度为38mm。表3-2圆形、非圆形平盖结构特征系数K固定法结构特征系数K适应范围和筒体成一体或对焊Kp=41(1+D,KN016矩形和椭圆形为0.15,上图为锻制平盖下图为冲压平盖圆形平盖GStr13St3.3真空抽气系统的设计与选型粗低真空条件下，装置的总气体负荷与来自真空装置本身的内表面的气体释放量都很大，可忽略不计。因此，在粗低真空条件下，抽气的时间或速率不必考虑装置内部空气性能的影响。其抽气系统组成：真空室、管道、真空泵。该简单的真空泵其原理图如下图3-1所示：P是真空室中始终存在的压力，U是真空吸管的流体，S是空气泵的有效泵速，SP是空气泵的标称泵送速度，PO是真空室的极限压力。真空泵是使用机械压力、温度变化、其他方法从真空室排出各种气体来维持一定真空度的装置。通过改变内外压差、温差或化学反应来获得真空以从需要排气的密封环境中提取空气的设备或装置。图，1*中油气系统厘理即电阻蒸汽镀膜机的真空泵组部分：将油扩散泵（可以有维护泵）连接到拧紧的容器（电阻蒸汽镀膜机器）后，打开罗茨泵和水冷，然后打开前级泵，再慢慢打开主阀。再然后打开维护阀，当容器的真空度达到102或103Pa的水平时，使用扩散泵直到达到所需的真空水平。1.机械泵的选型及其抽真空时间的计算设计时需优先考虑机械泵，该粗级泵需从真空室的初始压力开始抽真空。机械泵低真空范围内的泵送速度会随着真空度的增加而逐渐降低。初始大气压为0.1MPa,机械泵应将真空室从大气压降至至500Pa左右。所以抽气时间可以选用抽真空公式:t=234（三）O*）上述公式中：t为机械泵的抽气时间，单位s；SP为机械泵的名义抽气速率，单位为L/s;V为真空室的容积，单位山；P为抽气t时间后的压强，单位Pa;P0为真空室的极限压力，单位Pa；Pi为设备进行抽气时的压力，单位Pa；Kq是各个抽气终止时的压强范围下的对应修正系数，具体系数如下表33所示。表3-3修正系数Kp系数数值p/paIO5-IO4IO4-IO3IO3-IO2IO-IO2101Kp11.251.524结合上述叙述通过查真空设计手册可得：真空抽气泵的前级可选用2X-70旋片式真空机械泵进行粗抽，该机械泵的抽气速率为70Ls-l,为满足的极限压力为P«6×IO2Pa,则需要前级粗抽泵将真空室抽真空到5OOPa,通过分析选用2X-70型机械泵较为合理。将上述真空公式带入选用的前级机械泵参数，数值代入公式(3.15)后计算得:t=2.3×2×ITXFlgQ-=760.084(三)(3.16)由于机械泵的抽气速率较慢，旦抽真空的效果不太理想，为节约抽气时间成本，本次设计选用4台2X-70机械泵用来做前级粗抽，则代入数值计算得4台机械泵抽气时间为：t乩=760.084s÷4=190.021So一般粗抽时间不大于Iomin30min。故从抽气时间来看，选择2X-70型机械泵是可以的。2 .罗茨泵的选型及其抽气时间计算。罗茨真空泵也被称为罗茨泵或根泵，它是一种继承了以前的机械泵来进一步抽真空的过渡装置。罗茨泵抽吸过程中振动小，体积大，抽吸量大。提取的气体通常含有少量的水蒸气或微量的灰尘，这对罗茨泵的影响也很小。图3-2罗茨真空泵示意图I-100Pa的压力范围内该泵具有较大的真空泵速度，其中机械泵必须将真空室从500Pa抽至5Pa的真空。该工作压力类别位于骨架密封机械装置的真空泵和扩散泵之间。因此，它总是串联在骨架密封机械设备的扩散泵和真空泵之间，用于在中心的工作压力范围内增加泵的体积。此时，它又被称为机械设备增压真空泵。查阅真空设计手册，根据泵所需的抽真空的压力极限以及泵的工作效率等要求，故本次设计的罗茨泵将选用ZJY-300型罗茨泵，该泵的抽气速率为300(Ls-l),且ZJY-300型罗茨泵极限压力为3XlO-2Pa0罗茨泵能将真空室的真空压力从5(X)Pa到5Pa,在低真空范畴内，故将真空公式(3.15)代入上述数值进行计算得：t=2.3×4××12l6×1°3Ig(5000°3)=308.694(s)(3.17)300815-0.03Jk7由于该泵的真空泵速度高于机械真空泵的速率，因此在设计时可少安装几个泵。因此，本次设计选用ZJY-300型罗茨泵2台。£总=308.64s+2=154.347s,及可满足工作要求。3 .扩散泵选型及其抽气时间的计算。扩散泵是抽真空高低的最后关键，起到至关重要的作用，而前级泵将真空室抽真空到一定程度时，可将真空室的真空数量级逐步提升至IXlO-3级，满足大多数工程被镀件的电阻蒸发镀膜要求。通过查阅真空设计手册，依据真空度要求，然后合理选择K-800型油扩散泵，抽气速率为210(Ls-1),K-800油扩散真空泵的极限压力为PW6.7*107Pa,将真空室抽真空后压力大约为IOZMPa左右，满足要求。根据上述论点并对真空设计手册进行查阅，可以得出在高真空区域可以忽略真空设备内材料的排气的结论。高真空室中的真空泵的计算与低真空室中的相同。这是因为高真空室的泵效率比较高，泵时间太短。真空泵送的实际时间主要由真空室材料和涂层材料的气体释放量决定，其中真空室材料厚度高,材料致密。可以忽略气体输出。因此，真空泵式仍然可以用于计算扩散泵泵时间。将上述数值代入公式(3.15)计算所得时间如下：lC-×l2xl.6×1031(10-6.7×105c,-zoot=2.3×4×Ig；=12.071s(3.18)21000IlO-4-6.7X10-5/'j由于K-800油扩散泵抽气速率较快，故本次设计只需选用一台扩散泵，真空效率足够。则所有的泵加起来抽真空时间为：机械泵(抽气时何)=190.021s罗次泵(抽气时间)=154.347s扩散泵(抽气时间)=12.07IST(总抽气时何)=190.021+154347+12.071=356.439s5.94min计算结果符合行业内现有水平，合理。3.4 箱体内部结构创新设计构想3D异型镀膜板材批量茎件镀膜板材本次创新设计主要目的是为了实现镀膜通用化,减少镀膜浪费，节约生产成本等,为此需根据被镀膜零件形状来进行设计。因为矩形板材方便装夹以及结构简单，方便尺寸调节等优点，故本次的创新结构设计以矩形镀膜板材为被镀膜零件。但由于矩形板材结构太过简单运用不广泛，为此先设计了矩形镀膜板材的其他拓展，包括批量镀膜，3D形状镀膜等，如下图3-3所示普通矩形镀膜板材此外，镀膜板材还需满足通用化设计，也就是设计夹具需适合多种尺寸的板材,故在设计时夹具需要满足可夹3D异型镀膜板材和尺寸调节的功能，同时不同镀材的蒸发温度不同，故还需蒸发源温度（电流）调节的功能和蒸发舟方便更换的设计。为此，本次创新设计需设计的机构有尺寸调节机构，压夹机构，转架机构，温度调节设计，蒸发源位置调节设计。其中温度调节设计较为简单，直接与蒸发舟串联一个圆环式滑动变阻器即可，圆环式滑动变阻器方便用电机或手动控制，而尺寸调节机构，压夹机构，转架机构，蒸发源位置调节机构均需要建模设计。尺寸调节机构：采用一个主锥齿轮带动4个锥齿轮和丝杆驱动丝杆套做直线运动进而带动夹具运动调节尺寸范围；压夹机构：需满足与尺寸调节机构共转和相对滑动的同时，还需满足上下夹紧和放松的功能，当然此功能也可满足被镀膜板材厚度的调节；转架机构：采用直齿轮内啮合传动，齿轮组使尺寸调节机构和压夹机构转动进而使板材旋转使其镀膜均匀；蒸发源位置调节机构：结构相对简单，可手动更换和调节蒸发舟位置，一般采用套杆和螺纹松紧结合的方式来移动或固定蒸发舟位置。3.5 电机参数选择本次机构设计需要选择电机参数的是尺寸调节机构，压夹机构和转架机构，由于电机选用较多，为控制方便，统一采用同类型直流电机，通过PLA进行控制。这里选择N20电机的原因是此电机具有价格便宜，控制方便，节省空间，运行稳定，力矩较大，同类型电机参数较多方便选择等优点，参数如表3-4,电机外形和尺寸如图3-4所示。表3-4N20电机参数电压DC/V空载转速rpm/min负载转速rpm/min额定力矩kg/cm额定电流MA堵转力矩kg/cm堵转电流MA减速比1:0065004000.151601.201003063002400.201601.601005061501200.301602.401001006100800.401603.20200150674700.601203.20200200660481.001207.00200250650401.5012010.002002981210008000.303002.4030030126004800.403003.2030050123002400.503004.00300100122001601.003007.00300150121481181.203009.0030020012120962.0030016.0030025012100802.0030016.00300298转架机构:为满足转架转速在130rpm/min,本次设计齿轮组齿数为Z30和Z320,模数m2,电机选择12v负载转速160rpm/min,则转速为：n=瑞x160rmin=15rmin在l30rpmmin范围内，符合设计要求，故转架机构电机选择12v负载转速96rmio压夹机构：电机驱动直齿轮组，齿数为Z20和Z40,模数ml.5,大齿轮造型包括螺距2.5,直径20mm的孔，大齿轮旋转驱动动直径20mm螺距2.5的丝杆升降进而带动其他部分运动。升降距离设计为40mm,电机选择12v负载转速96rmin,则升降速度V=96rmin÷60s××2.5mmr=2mms,最大升降时间t=竽=20s,速度合适，时间相对节省，符合设计要求，故压夹机构电机选择12v负载转速96rmi11o尺寸调节机构：电机驱动锥齿轮组，齿数为Z20和Z12,模数ml.5,4个小锥齿驱动4个螺距为5的丝杆,此结构需要大力矩驱动,故选用堵转力矩为16.00kgcm,尺寸调节范围设计为1m,故丝杆调节范围为5002mm,电机选择12v负载转速96rmin,则调节速度为V=96rmin÷60sXljX6mmr=16mms,最大调节时间为t=31.25s,速度合适，时间相对节省，符合设计要求，故尺寸调节机构电机选择12v负载转速96rmino3.6 本章小结本章对电阻蒸发镀膜机进行功能模块的大致设计以及3个机构电机的选择，通过查阅真空设计手册、机械设计、机械原理和材料力学等方面的书籍，对设计的参数和结构进行验算与校核，以及对选用的部件是否合适进行评估确定。最后大致定下镀膜机的整体雏形，为后续的实体三维设计与分析提供参数和理论上的支持。其中，3个机构电机的选择都是同型号但转速和扭矩不相同的电机，目的是方便后续电机的建模。第4章实体三维设计综上，本次设计进度已经完成对电阻蒸发镀膜机各个结构和各个重要零件的尺寸等的参数设计，本章就需要根据以上设计参数通过各种制图软件，如SolidWorks,中望3D等进行三维实体模型的建模与装配，然后进行装配爆炸图的设计，最后通过中望3D和CAD机械版进行二维图纸的制作。4.1 三维建模软件简介本次设计主要使用两种建模软件，即中望3D和SolidWOrks,主要原因是SolidWorkS标准件生成方便，部分结构也能正常设计，如螺纹，丝杆等，但SOlidWOrkS草图繁琐，建模文件大小也大于中望3D,故大多非标准设计通过中望3D设计。以下是对两种软件的基本介绍。SolidWorks:可以轻松实现复杂三维零件的实体建模、复杂装配和工程图生成。该软件可应用于以规则几何形状为主的机