用于陶瓷绝缘环的锡丝热熔填孔装置设计

刘珊，徐杰，秦源

用于陶瓷绝缘环的锡丝热熔填孔装置设计

刘珊，徐杰*，秦源

（江南大学 机械工程学院，江苏 无锡 214122）

介绍了一种以热熔的方式将金属纯锡填充至陶瓷绝缘环上小孔中的装置以及其工作原理。该装置主要包括三自由度移动机构、中心操作台、待加工工件固定装置等，各部分机构可以自动调节以适应多种型号、尺寸的产品，分别完成控制中心操作台移动、四工位集中式加工处理工件、装夹工件的工作过程。根据材料的不同特性，初步筛选市面上常见的几种填孔材料，结合加工要求，进行试验分析对比，选择金属纯锡作为填充物质。通过结构设计优化，实现用锡丝填孔的全自动化。

陶瓷绝缘环；纯锡；锡丝热熔；填孔

陶瓷零部件因其良好的绝缘、耐热性能，在半导体、航空、原子能等产业中被广泛使用。此外，陶瓷材料由于具有高温强度好、耐磨性高、膨胀系数低及密度低等优点[1]，用它代替传统的金属材料可以降低耗材，节约资源。

陶瓷零部件在投入使用前通常要进行烧釉处理，使其具有更好的表面光洁度以及更低的摩擦系数。如图1所示，用于高铁高压电路中的某型陶瓷绝缘环，其周向上存在用于穿线及锡焊的微小孔，后续加工过程中，若使其随整个零件一同被上釉，则会令其内壁表面过于光滑影响锡焊加工的质量。因此，在零件喷釉[2]前需要将环上的小孔用合适的材料进行填充。挂铀（真空炉220℃烘烤2 h）完成后，再将小孔的填充物质剥离，同时，需要确保小孔内壁上没有填充物残留。

图1 陶瓷绝缘环模型图

目前，针对陶瓷绝缘环上微小孔的填充以及填充物的剥离工作，主要是人工利用棉絮进行填充的方式完成，效率低、工作环境较为恶劣。随着加工环节上其他生产设备的升级与优化，为了提高陶瓷绝缘环的总生产效率、减少劳动成本，设计了锡丝热熔自动化填孔设备。

本文将研究锡丝热熔填孔技术，对陶瓷绝缘环上微小孔的填充过程以及机构的工作原理进行探讨。

1 总体方案

锡丝热熔填孔机构针对处理的陶瓷绝缘环直径范围为50～150 mm，厚度最大值为35 mm。整个机构主要由待加工零件固定装置[3]、三自由度移动机构[4]和中心操作台这三部分组成，如图2所示。

待加工工件固定装置主要包括送料机构、周向固定机构、厚度方向调距机构、同步带机构等部分，完成对陶瓷绝缘环的送料和固定。装置可以根据陶瓷绝缘环的不同直径调整固定部分的宽度与厚度，保证后续加工过程中绝缘环的稳定性。

三自由度移动机构采用直线滑台堆叠组成，为中心操作台的移动提供条件，可以实现、、轴三个方向上的移动。

中心操作台分为四个加工工位，分别为小孔识别、剪断锡丝、热熔锡丝、挤压填充。

将中心操作台固定在三自由度移动机构上，加工时可以根据零部件的位置调整操作台的方位，并完成后续的所有加工过程，作为加工操作中心。

1.待加工工件固定装置 2.中心操作台 3.三自由度移动机构

2 试验分析

为了确定填充物质，对多种材料进行了物理特性分析和试验对比，如表1所示。

比较试验结果发现，利用特氟龙、金属铝、石蜡等材料进行填充时存在的问题将会导致加工过程难以实现或加工后的产品无法达到加工要求，利用金属锡完成这一系列试验过程，最大程度上符合试验预期，因此最终选择金属锡作为填充材料。

加工过程中选择市面上较普遍的高纯锡丝（99.9%）作为填充原材料。市售锡丝规格齐全，价格低廉，在加工过程中，一卷锡丝的使用周期较长，适合作为填充物质被生产厂家使用。

3 关键结构

整个装置主要包含三个部分，对各部分关键结构分析如下。

待加工工件固定装置主要包括进料机构，周向固定机构和厚度方向调距机构，如图3所示，三个部分的配合工作完成了对待加工工件的固定。

（1）进料机构

进料过程主要依靠具有一定倾斜角度的传送带完成，陶瓷绝缘环在完成上一个部分的加工后被运送到倾斜传送带上，由于传送带具有2.5°斜角，绝缘环将自主滚动落在滚筒上，完成进料。

表1 填充材料试验结果分析

1.进料机构 2.周向固定机构 3.厚度方向调距机构

（2）周向固定机构

陶瓷绝缘环的周向固定依靠双滚筒实现，其中一个为驱动滚筒，由步进电机驱动旋转，位置固定；另一个滚筒安装在直线滑台上，可平移调整两滚筒间距，以适应不同直径的工件。双滚筒由同步带轮进行传动[6]，同步带轮与涨紧轮利用同步带传动构成三角结构，根据待加工工件的直径调整滚筒间距时，涨紧轮上下移动，保证整体结构的稳定性，完成对零件的周向固定，如图4所示。

1.同步带轮2.滚筒3.涨紧轮4.同步带5.直线滑台6.步进电机

（3）厚度方向调距机构

陶瓷绝缘环厚度方向上的控制由两块平行平板实现，其中较大的平板起支撑作用，位置不变，小平板由直线滑台控制移动，从而根据不同厚度的待加工工件调整厚度方向上工件与平板之间的距离，保证加工过程中厚度方向上的稳定性。

中心操作台为四工位集中加工机构，每个工位根据需要完成的工序不同结构有差异。

（1）第一工位

小孔识别。摄像头组件[7]对陶瓷绝缘环上的小孔进行较精准的识别，如图5所示。完成固定后的绝缘环可在可旋转滚筒的带动下进行周向转动，转动过程中当摄像头识别到小孔时，工件停止转动，此时，待处理小孔保持在竖直方向上，孔的中心轴线垂直于操作台下底面。

图5 第一工位

（2）第二工位

剪断锡丝。主要由锡丝卷、送丝机构、气动剪刀[9]和不锈钢毛细管等部分组成。送丝机构由步进电机提供动力，带动齿轮旋转，主动轮和从动轮配合工作，保证锡丝在传递过程中处于竖直绷紧状态[8]。锡丝从锡丝卷上被拉出，通过送丝机构传递到下方不锈钢毛细管中靠近小孔，当锡丝伸出长度达到要求时，气动剪刀剪断锡丝，使剪断后的锡丝落入待处理小孔内。整体结构如图6所示。

1.锡丝卷2.送丝机构3.不锈钢毛细管4.气动剪刀

（3）第三工位

锡丝热熔。对落入小孔内的短锡丝进行加热，使之成为熔化的液态金属锡。执行部件主要包括气缸和热风发生结构。热风发生结构包括陶瓷发热芯、导热风扇、导风管和储风箱。整个装置由气缸控制出风口与小孔间的垂直距离，加工时，气缸将整个装置下推至合适高度，陶瓷发热芯发热使储风箱中空气达到一定温度，导热风扇将高温热风通过导风管排出到小孔中使锡丝熔化，完成热熔工作。整体结构如图7所示。

（4）第四工位

挤压填充。利用气缸和冲压头对热熔的锡丝进行挤压，使之凝固。冲压头直径与小孔孔径大小相适应，气缸推动冲压头，冲压头使液态金属锡与小孔内壁完全贴合，保持一定时间，金属锡冷却凝固，完成填充。整体结构如图8。

1.气缸 2.热风发生机构

三自由度移动机构由直线滑台组成[10]，可以完成、、轴三个方向上的平移，为中心操作台的移动提供条件。根据节约空间的原则，选择了电机转折和电机直连两种形式的直线滑台，进行合理的堆叠，实现集成式设计，如图9所示。

4 控制系统

装置采用了电、气结合的控制方式。

电控系统主要涉及各组成部件的平移、部分结构的旋转，以及整体装置各部分的相互配合。平移主要采用直线滑台，由匹配的步进电机提供动力，利用螺纹结构将周向的旋转运动转换为平行移动。旋转则是根据需要的转速直接选择合适的步进电机提供动力。装置各部分的相互配合是利用主控板进行编程，系统化地调配和控制整个加工过程。

1.气缸 2.冲压头

气动控制主要完成中心操作台的第二、三、四工位的相关工作。第二工位中的气动剪刀连接三位五通电磁阀，当锡丝伸出到合适长度时，由电磁阀控制气动剪刀剪断锡丝。第三、四工位由气缸控制装置的整体上下移动，也借助三位五通电磁阀控制气缸的伸与缩，从而完成在该工位上对待加工工件的加工。

5 结论

该装置采用集成式设计，可以完成对待加工工件的传送、固定和加工。占地空间小，加工过程全自动化，能够完成对多种型号、尺寸的陶瓷绝缘环小孔的填充。

该装置及加工过程具有以下特点：

（1）装置根据陶瓷绝缘环直径与厚度的不同，可以通过滚筒和平行平板分别在周向和厚度方向上固定陶瓷环，使得装置可以适应多规格多尺寸绝缘环的加工，实现多模式化应用。

（2）中心操作台依靠三自由度移动机构实现位置移动，使得工件的固定和加工过程互不影响，提高生产效率。

（3）中心操作台以方形布置四工位加工装置，用气动的方式控制各工位装置的操作过程，最大程度减少了操作台的体积以及各工位之间转换的时间。

整个装置的设计从生产需求出发，根据加工要求选择合适的填充材料，由材料的特性确定加工方式。最终确定以热熔的方式用锡丝对陶瓷绝缘环小孔进行无缝填充；整个加工过程全自动化，大大提高了加工效率；设备适用于多种型号、尺寸产品的批量生产过程，具有较好的兼容性。

1.电机转折式直线滑台 2.电机直连式直线滑台

[1]张铭华，李同舟，周媛. 可加工陶瓷材料的发展现状研究[J].四川有色金属，2019（4）：50-51.

[2]韩复兴，李小雷，李永林，等. 陶瓷工业废渣生产一次烧釉面砖的试验[J]. 佛山陶瓷，2002（10）：21-23.

[3]范玉龙，游小凤，徐万里，等. 用于复杂结构氧化铝陶瓷零件三维尺寸检测的弹性工装夹具研制[J]. 机械，2019，46（11）：71-74.

[4]李杨民，李祥春，徐洪业，等. 新型三自由度微操作平台的动力学性能研究[J]. 机械设计与制造，2019（12）：255-258.

[5]吕显成，孙航，曹磊，等. 使用温度对特氟龙食品接触用不粘涂层摩擦学性能的影响[J]. 表面技术，2020（3）：155-161.

[6]张凯凯. 同步带传动的动态性能研究[D]. 西安：陕西科技大学，2012.

[7]冀勇钢，张彦朋，郑汉明. 摄像头识别的智能车硬件系统设计[J]. 现代电子技术，2013（10）：144-146.

[8]马志刚，王会良. 熔融沉积3D打印机的送丝机构优化设计[J].现代信息科技，2019，3（24）：160-162，164.

[9]钟以波. 复合传动剪板机驱动装置研究与设计[D]. 苏州：苏州大学，2012.

[10]陆超，李涛，袁泉. 新型工艺转向架支撑定位装置的结构设计与强度分析[J]. 机械，2019，46（8）：8-12.

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

江苏省自然科学基金项目（BK20160182）

刘珊（1999－），女，湖南湘乡人，主要研究方向为机械工程；秦源（1999－），女，重庆人，主要研究方向为机械工程。

徐杰（1987－），男，江苏淮安人，博士，讲师，主要研究方向为智能制造，E-mail：xujie@jiangnan.edu.cn。