快速冷热成形范文

快速冷热成形范文（精选4篇）

快速冷热成形 第1篇

快速冷热成形(rapid heat cycling molding,RHCM)技术[1],又称高光无流痕注射成形技术,是近年来新兴的一种注射成形技术,其原理主要是利用三维无汇线模具及温控设备,令模具内的温度急速升高及降低,从而使得产品表观质量得到明显改善。当前有关RHCM技术的研究大多集中于提高模具传热效率和模具温度对制品成形性能的影响,工艺研究则主要涉及制件对模具型腔的复制能力方面,且基本集中于微注射成形领域。Saito等[2]使用红外线照射加热直接对注射成形阶段的塑料熔体温度进行控制,以达到提高制品对模具型腔复原能力的目的。Despa等[3]采用电热棒加热技术,对具有高宽深比特征的微结构制品的成形工艺进行了研究,选用PE塑料进行试验,发现当模具温度超过塑料熔融温度132℃之后,制品将不会出现因过早凝固而无法填充的问题。Piotter等[4,5]认为要成形非结晶性塑料的微结构制品,必须使模具温度高于塑料的玻璃化转变温度,而对半结晶性塑料,则模具温度必须达到微晶熔点。Kim等[6]利用自主研制的瞬间加热法(momentary mold surface heating process,MMSH)极大提高了成形品质,而且可以使制品强度比普通成形方法的强度提高40%左右。Lee等[7]研究了注射成形工艺对微透镜阵列复制度的影响,实验结果表明,保压压力和流动速率对微透镜阵列的最终表面轮廓影响最大。Li 等[8]研究了生物微机电系统产品中微尺度薄板的注射成形,2D仿真和实验结果都表明注射速度和模具温度对微结构的复制度影响最大。张宏超[9]利用田口方法对注射成形参数对制件微特征孔洞填充性能的影响进行了研究,得出了模具温度的提升对改善微特征孔洞的填充具有显著影响的结论。林晃业[10]则研究了各成形参数对制件表面微结构填充性能的影响,结果表明模具温度、熔体温度和注射压力对制件表面微结构填充的影响最为显著。游茗景[11]从研究各成形参数对微结构填充性能的影响入手,得出微注射成形模具温度必须高于塑料的玻璃化转变温度,才能保证制件填充完整的结论。

本研究从工艺角度入手,利用Taguchi方法研究RHCM成形品质的主要影响工艺因素;综合利用响应曲面法、CAE分析及数据处理技术,建立可以适当描述RHCM成形制品品质评价指标与主要成形工艺影响因素关系的多目标综合评价模型;结合改进遗传算法对RHCM成形主要工艺参数进行有效的预测与优化,并以LCD电视机前面壳为例验证该优化理论的可行性。

1 综合品质评价指标及评价变量

RHCM成形制品多为高光制品,因而制品品质评价指标可以产品表观质量指标来确定,这里以翘曲变形量、降沉指数和成形收缩率作为指标加以综合考察(之所以排除熔接痕、凹痕、流纹等表观质量因素,是因为RHCM成形在消除上述缺陷方面具有显著效果),且假设各指标影响权重相当。根据田口方法,综合品质评价指标可表示如下:

式中,Y1、Y2、Y3分别为翘曲变形量(mm)、降沉指数(%)和成形收缩率(%);Y为制件成形品质综合评价指标。

RHCM成形过程鱼骨图(图1)形象地表示了影响制品最终成形品质的有关工艺因素。通过对RHCM成形工艺过程的研究,初步确定模具温度(℃)、熔体温度(℃)、注射压力(MPa)、注射时间(s)、注射机由速度控制转换为压力控制时的注射压力(v/p转换压力,MPa)、保压压力(MPa)、保压时间(s)和冷却时间(s)等8个成形参数作为考核因素,各参数取值范围可用推荐值或实际经验值。值得注意的是,这里的保压时间应该包括实际保压时间和实际吹气总时间两部分。当然,在具体实施过程中,对这么多的成形因素同时进行优化是非常困难的,也是没有必要的,首先需要确定对产品品质影响显著的因素,并以之作为评价变量,对于影响不显著的因素可据实际经验确定为恒量。

2 综合品质评价模型及优化策略

2.1 评价模型

本研究引入响应曲面法理论建立评价模型,有关该方法的建模理论可参考文献[12,13],这里仅列出有关数学模型。假设影响反应值Y的反应变量为X1,X2,,Xk,则二阶无偏差估计响应曲面模型可表示为

式中,k为独立变量数目;β0、βi、βii、βij为系数,可由实验经数据拟合求得。

曲面模型的矩阵方程形式为

$\mathit{X}=\left[\begin{array}{ccccc}\begin{array}{l}\\ 1\end{array}& \begin{array}{l}\\ X{}_{11}\end{array}& \begin{array}{l}\\ X{}_{12}\end{array}& \begin{array}{l}\\ \cdots \end{array}& \begin{array}{l}\\ X{}_{1k}\end{array}\\ 1& X{}_{21}& X{}_{22}& \cdots & X{}_{2k}\\ 1& X{}_{31}& X{}_{32}& \cdots & X{}_{3k}\\ ⋮& ⋮& ⋮& & ⋮\\ 1& X{}_{n1}& X{}_{n2}& \cdots & X{}_{nk}\end{array}\right]$

式中,Y为反应曲面;X为反应变量矩阵;n为实验数;β为回归系数向量。

β以最小平方法求得:

β=(XTX)-1XTY (4)

模型适配性检测可将多重拟合系数R2和修正多重拟合系数R${}_{\text{a}\text{d}\text{j}}^2$作为检测标准。R2、R${}_{\text{a}\text{d}\text{j}}^2$分别表示如下:

2.2 数据规整化

在利用RSM理论建立评价模型的过程中,考虑到后续回归分析系数矩阵的性态,除了采用对某一个或几个反应变量取倒数(X′i=1/Xi,i=1,2,,k)的方式消除可能存在的病态矩阵之外,笔者采用对实验数据的均值化处理来实现这一目的,该数据处理过程同样还考虑到了各指标权重因素的影响,实践证明该方法是切实可行的。这里初步提出了均值基的概念,引入如下处理模型。

(1)假设t为实验次数,t=1,2,,n;p为考核变量X1,X2,,Xk(共k个)的指引数,p=1,2,,k。若以Xtp表示第t次实验中第p个考核变量Xp的值,则有

式中,$\overline{X}{}_p$为所有n次实验考核变量Xp的平均值。

定义$\overline{\mathit{X}}{}_{\text{b}}$为考核变量X1,X2,,Xk的均值基,$\overline{\mathit{X}}{}_{\text{b}}=[\overline{X}{}_1\overline{X}{}_2\cdots \overline{X}{}_k]{}^{\text{Τ}}$。

(2)假设q为考核指标Y1,Y2,,Yl(共l个)的指引数,q=1,2,,l。若以Ytq表示第t次实验考核指标Yq的值,则有

式中,$\overline{Y}{}_q$为n次实验考核指标Yq的平均值。

定义$\overline{\mathit{Y}}{}_{\text{b}}$为考核指标Y1,Y2,,Yl的均值基,$\overline{\mathit{Y}}{}_{\text{b}}=[\overline{Y}\overline{Y}{}_2\cdots \overline{Y}{}_l]{}^{\text{Τ}}$。

有了均值基的概念之后,即可对实验数据进行均值化处理:

相应的响应曲面模型转化为

2.3 寻优策略

本研究的优化过程如图2所示,实验数据可由MODFLOW模拟获取,而寻优策略的实施由遗传算法来实现。在具体实施过程中,针对传统遗传算法在处理薄壁件注射工艺参数优化问题时存在的全局搜索和局部搜索之间的矛盾以及局部搜索能力不足等问题,提出改进算法,有关理论见文献[14]。

3 运行实例

某高光LCD电视机前面壳包容尺寸为386mm257mm22mm,主体壁厚1.8mm,采用RHCM技术成形。材料ABS(Lustran ABS 680)由美国Bayer公司生产,该材料推荐成形参数见表1。

3.1 确定主要成形因素

对8个成形参数以等差数列方式在3个水平取值(表2),选用L27(313)直交表进行实验安排,剩余5列(该正交表的第3、4、7、10、11列)设定为误差列,MODFLOW模拟结果如图3所示。

通过对实验数据进行极差分析,结果见表3,表中Kij(i=1,2,3;j=1,2,,8)代表产品综合品质评价指标Y在第i个水平的第j个参数级位和;Rj代表第 j个参数的极差。由表3可知,模具温度、熔体温度、注射压力、v/p转换压力和保压压力极差值较大,影响明显,而其他参数则影响较小。

进一步方差分析结果见表4,表中SY为各参数偏差平方和;SE为实验误差平方和;ST为总偏差平方和。由表4可知,注射压力和保压压力的F值均大于F0.05(2,10)(F0.05(2,10)=4.10),说明二者对产品品质具有显著影响;另外从因子影响效应来看,v/p转换压力、熔体温度和模具温度虽然影响不显著,但也具有较高的影响因子(分别为19.42%、6.64%和5.53%),初步确定上述5个参数为评价变量。

3.2 实验设计

在上述实验设计的基础上,将其他3个影响不显著参数固定于最佳水平(注射时间为3s、保压时间为40s、冷却时间为15s),模具温度、熔体温度、注射压力、v/p转换压力和保压压力等5个主要参数的设计方案不变,依次由X1、X2、X3、X4、X5表示,并将MODFLOW分析结果分为两部分:实验样本数据和模型检测数据,分别列于表5、表6,其中$\overline{X}{}_1~\overline{X}{}_5$依次为与X1～X5对应的均值化处理结果;$\overline{Y}{}_1$、$\overline{Y}{}_2$、$\overline{Y}{}_3$依次代产品翘曲变形量(mm)、降沉指数(%)、成形收缩率(%)等的均值化处理结果;$\overline{Y}$为综合评价指标值。相应的均值基:$\overline{\mathit{X}}{}_{\text{b}}=[90236.2591.8759575]{}^{\text{Τ}},\overline{\mathit{Y}}{}_{\text{b}}=[1.50522.32744.1445]{}^{\text{Τ}}$。

3.3 模型检测及优化

本研究分别采用一阶和二阶来建立评价模型,回归系数向量$\overline{\mathit{\beta }}$可由式(4)求解,以MATLAB语言编程实现。通过对各RS模型进行方差分析(表7)可确定最佳模式如式(14)所示,该模式组合(x1～x5)为“[1 1 0 1 1]”(数字“1”表示变量不取倒数,数字“0”表示变量取倒数),且检测结果(表8)显示最大相对误差值为9.92%,足以保证该工程问题的精度要求,可作为该问题的评价模型来进行后续研究。

$\begin{array}{l}\overline{Y}=5.5725-25.1408\overline{X}{}_1+17.5328\overline{X}{}_2-26.2688\overline{X}{}_3-\\ 12.1082\overline{X}{}_4+42.9510\overline{X}{}_5+6.1392\overline{X}{}_1^2+21.0138\overline{X}{}_2^2-\\ 0.5387\overline{X}{}_3^2-5.7028\overline{X}{}_4^2+0.2034\overline{X}{}_5^2-7.2972\overline{X}{}_1\overline{X}{}_2+2.6159\overline{X}{}_1\overline{X}{}_3-2.9707\overline{X}{}_1\overline{X}{}_4+20.7734\overline{X}{}_1\overline{X}{}_5-\\ 7.2220\overline{X}{}_2\overline{X}{}_3+25.6820\overline{X}{}_2\overline{X}{}_4-70.8928\overline{X}{}_2\overline{X}{}_5+\\ 10.7168\overline{X}{}_3\overline{X}{}_4+21.4219\overline{X}{}_3\overline{X}{}_5-16.8124\overline{X}{}_4\overline{X}{}_5(14)\end{array}$

遗传算法寻优过程相对简单,初始种群规模取为50,中止代数取500,全局搜索杂交概率设为0.5、变异概率设为0.1,局部搜索杂交概率设为0.8、变异概率设为0.01;当遗传操作经历3/4中止代数时进入局部搜索阶段。优化过程产品品质综合评价指标及适应度值变化曲线如图4所示。最终优化结果显示,当模具温度为106.8℃、熔体温度为218.1℃、注射压力为89.5MPa、v/p转换压力为119.8MPa、保压压力为89.8MPa时,该产品综合品质评价指标值为-3.7811。以该参数组合为初始设置,MODFLOW模拟结果如图5所示,3个品质评价指标如下:翘曲变形量为0.8740mm、降沉指数为1.641%、成形收缩率为3.401%,综合评价指标值为-3.4481。二者相较误差值为9.66%,说明该模型的高适配性。该产品已经在某企业里进行了实际生产,取得了比较好的效果。

4 结语

在整个评价模型构建过程中,首度引入均值基的概念,实现了对实验数据的量纲一及规范化处理,保证了回归模型的高适配性。该模型具有以下特点:

(1)多目标问题单目标化。

在保证各评价指标权重因素得以很好体现的同时,从工程应用角度大大简化了注射成形制品品质评价模型的构建复杂性,该建模思想同样适应于类似工程优化问题。

(2)均值基的唯一性。

对于具体工程问题,在实验设计确定的情况下,均值基具有唯一性,在其基础上进行数据处理,可在保证回归模型的高适配性的同时,有效保证模型对问题描述的客观不变性。

摘要：综合Taguchi理论、响应曲面法、遗传算法及数据处理技术,对快速冷热成形工艺进行了优化研究。研究确定了对快速冷热成形制品品质影响显著的工艺因素,采用响应曲面法建立了制品品质预测模型,首度引入均值基的概念,实现了对实验数据的量纲一及规整化处理,在确保评价模型高适配性的同时,保证了对问题描述的客观不变性,进而采用改进遗传算法实现了对预测模型的求解。以LCD电视机前面壳为例,验证了该优化技术的可行性。

数控单元冲压模具的快速成形技术 第2篇

摘 要: 介绍了基于简单图形元素的单元冲模快速成形的数字化编码,给出了数控单元冲压模具的结构示意图,详细地介绍了用AT89C52单片机构成的冲模控制系统,用VB6.0编制的系统程序框图和上位机与单片机的通信程序框图，

关键词: 数控;单元图形;冲压模;快速成形;单片机

1 前 言

随着经济的快速发展和市场需求的多样化,人们对产品生产周期的要求越来越短,尤其在小批量甚至单件生产方面,要求现代制造技术不仅要有较高的柔性,还要有更新的、更能满足市场要求迅速变化的生产模式。数控单元冲压模具快速成形技术,就是为适应此种状态而产生的。

2 单元冲模快速成形的数字化编码钣

钣件的形状可分割成一些简单的图形元素,然后合成所需图形。例如:矩形是4个直角的合成;波浪形是一些曲线的合成等。因此,对于一些精度要求较高的小批量甚至单件生产的钣金件,可以用一些通用件迅速组装成单元冲压模具,采用数控技术,使之快速成形。将被加工钣金件看成一个可被分割的平面图形,对分割出来的简单图形元素进行数字化处理。即按其方位进行定位编码。如图1所示的非等距简单图形零件的数字化,缺口1、2、3、4的(Δx,Δy)均相等,方孔5的(Δx,Δy)均等于2倍的(Δx,Δy),设现有通用冲头的宽等于Δx,长等于Δy,则按如图1所示进行编号。缺口1由位置(2,0)以及位置(3,0)合成,缺口2、3、4同样由两个位置合成,方孔由8个位置合成。如果采用矩形单元快速成形,可以获得如图2所示的二维编码,由于划分过细使得到的编码较长。如果采用正方形单元快速成形,则可以获得如图3所示的二维编码,其编码减小一半。

矩形单元二维编码如下：

对于等距简单图形零件如钥匙齿形的快速成形由于齿距相等河以进一步简化编码。钥匙齿形编码示意图，如图2所示。图中采用三角形单元，实际应用采用的是梯形单元编码可以降为一维数组。

参数定义:

齿数--冲压的次数，现假使为5。

齿距--冲压时，Y方向的每次移动的距离。

级差值冲压时X方向移动一个单位时的距离。

级差数--冲压时，X方向的移动单位。

当选定齿距和级差值后，钥匙的齿形加工位置可以转换为级差数最后齿形编码为一维数组((2 1 3 2 1)。由以上可知数字化编码是单元冲模快速成形的关键，合适的编码不仅可以提高生产效率，而且可以节省存储内存。

3 快速成形的结构设计

目前，大部分中小型企业尚不具备购买高档数控冲床的经济实力，数控单元冲压模具可以直接安装在普通冲床上作为简易数控冲床来使用。

快速成形模具机构示意图如图3所示。上模为凸模机构。光电头安装在上模板下方以检测凸模的起落。坯料的装夹要根据不同的需要进行设计。料板由步进电机控制丝杠分X,Y方向驱动。下模为凹模机构，直接安装在工作台上。

4 快速成形的控制系统设计

4.1 电机驱动及选用

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构，

共有3种:永磁式、反应式和混合式。混合式集中了前二种的优点，从性价比方面进行综合考虑，拟选用步进角1.8º的两相混合式步进电机。

驱动器的型号、种类较多，细分型为考虑对象。因为细分型可消除电机的低频振荡，可提高电机的输出转矩及分辨率。顾及速度和精度细分系数定为4。

4.2 系统硬件设计

数控单元冲模是安装在曲轴式压力机上的，机床的冲压原理不变。需要控制的是两方面内容:首先要确定零点以及各工位点的位置;其次在上冲模往复动作的启停间被加工件的按编码所得的X,Y方向的快速进给送料运动以及这两个动作的协调。即实现冲压和送料动作的同步控制。控制系统框图，如图4所示。光电信号检测电路图，如图5所示。

数控系统的人机界面采用键盘输入LED显示键盘具有数字键、设定、修改、查寻、X及Y方向的调整、执行等的功能键，可用来完成加工程序的输入、修改及对控制的操作和调整等。操作人员根据被加工件的形状在计算机上进行编码，自动生成加工程序，通过串行口将加工程序下载给单片机并且保存在FLASH ROM中。工模安装后手动调整零位。进入执行后单片机从FLASH ROM中取得加工程序，并计算X,Y方向的步进距离后再将其转换成相应的步进脉冲数控制X,Y方向的步进电机的转动步数。当光电信号检测到上模位于开启位置时数控系统迅速将待加工件定位到加工位置，并且启动冲床上冲模下压，实现一次冲压。在冲床带动上冲模开启时数控系统迅速地将待加工件移动到下一加工位置等待下次冲压，直到完成加工停止冲床运动。

4.3 系统软件设计

整个系统由上位机来管理。系统软件语言采用Visual Basic 6 .0编制其集成开发环境(IDE)集设计、修改、调试、生成等功能于一体，人机交互界面十分友好。它是功能强大的Windows环境下的编程语言简单易学可视化程度高。

系统软件结构采用模块化结构，共有5个功能模块:系统开机后进入Windows界面双击“数控单元冲模”图标，即弹出应用界面，可选择功能模块。系统软件功能模块图如图6所示。

编辑模块用来完成用户对所设定的参数组进行操作的程序的编辑、修改、生成。

参数设定模块将输入的参数组制成数据表，送入数据库以备程序的调用。

运行管理模块负责程序的运行、中断。

通信模块负责上、下位机之间的通信管理，就是将控制程序段及调用的参数组使用MSCOMM控件，通过RS232串行口送入单片机使单片机执行控制工作。

查询模块。方便用户对已存文件的查看与调用。

单片机的程序也采用模块化结构，与上位机一样共有5个功能模块通过通信接口接受上位机的输入指令，控制X,Y方向步进电机的运动。也可以脱离上位机直接控制运行。上位机通信程序流程图，如图7所示。下位机通信程序流程图，如图8所示。

5 结束语

垂柳快速成形栽培技术 第3篇

关键词：垂柳；栽培种植

中图分类号： S763.7 文献标识码：A 文章编号： 1674-0432（2014）-10-81-1

随着我国社会主义市场经济的不断发展，人们生活水平不断提高，人们对生活环境的要求也越来越高，这在一定程度上给城市绿化带来了新的挑战。垂柳作为杨柳科柳属落叶乔木，在城市的绿化园林工程中被得到广泛地应用。因此，在了解垂柳的基本生活习性之后，探索垂柳快速成形栽培技术，对进一步加快城市园林绿化脚步有着极其重要的意义。

1 垂柳的形态特征和主要用途

1.1 垂柳的形态特征

垂柳属于杨柳科柳属落叶乔木，具有抗病虫、喜水、萌芽率较高、喜温、环境适应性较强、喜肥、成枝率较高以及耐涝的特点，树冠一般为广卵形，枝叶比较细长，容易下垂，树叶呈淡黄褐色，从当前我国垂柳的种植现状来看，主要分布于华北、长江流域、东北以及南方各省的平原地区。一般在种植垂柳时，会选择潮湿深厚的酸性或者中性土壤，pH值应该保持在6～8，在这样的环境中，垂柳的生长速度较快。

1.2 垂柳的主要用途

垂柳具有姿态优美、柔软下垂以及枝条细长的特点，自古以来就作为重要的庭院观赏树，垂柳的应用主要有以下方面：城市行道树。在城市的绿化中，垂柳由于环境适应性较强、姿态优美，可以用作固岸护堤树、行道树、平原造林树种以及庭阴树等；垂柳具有较强的抗毒气体能力，还可以吸收二氧化硫，工厂进行绿化建设时，通常会将垂柳作为首选树种，种植垂柳，不仅可以美化环境，在一定程度上还能净化空气；在人们的日常生活中，会经常接触到柳树，柳树不仅可以作为城市行道树，工厂绿化树，还具有各种各样的用途。比如，柳树可以作为接骨的夹板材料；可以编制柳箱、柳篮等生活必需品。总的来说，柳树具有广泛地用途，在一定程度上与人们的日常生活有着密不可分的联系。

2 垂柳快速成形栽培技术

从当前我国垂柳的种植现状来看，虽然垂柳比较容易种植，存活率较高，但是，传统的垂柳种植技术，柳树的生长周期较长，无法满足城市绿化建设的要求，所以，在江苏盐城地区进行垂柳种植时，运用垂柳快速成形栽培种植技术，可以在2～3年的时间内让垂柳的小冠和中冠成形，4年时间大冠成形，在一定程度上大大缩短了垂柳的成形周期，一般来说，可以从以下几个方面入手：

2.1 培土

在完成垂柳种植以后，一定要做好后期的培土工作，通常在苗木期间时，培土的次数可以定在2～3次，当苗木长到15厘米时，可以第一次进行培土，并且覆盖插条的顶部，在进行第二次培土时，一定要在苗木生长高度达到30厘米之后，而苗木在生长到50厘米之后，就可以进行第三次培土，这样一来，就可以为苗木创造良好的生长环境。

2.2 追肥

所谓追肥，主要指的是在完成垂柳苗木的种植之后，一定要将所施底肥作为基本前提，再次对苗木进行施肥，这在一定程度上可以培育出茁壮的苗木。一般来说，在垂柳的生长期间，应该适当施一些硫酸铵、尿素等氮肥，在树苗的生长后期，应该适当追施一些过磷酸钙、草木灰等钾肥。通常在对垂柳进行施肥时，会采用集中施肥的方法，即穴施或者条施，在苗木的根部施适当的肥料，一般来说，在施肥的过程中，一定要牢牢控制肥料的数量，并且尽量避免与垂柳的叶子接触，只有这样，才能既达到施肥的目的，又为苗木的茁壮成长提供了有效地保障。

2.3 摘芽

在培植垂柳的过程中，为了垂柳生长茂盛，一定要进行摘芽，在幼苗长到一定阶段之后，就需要让每一株苗木只保留一个比较健壮的幼芽，并且对多余的枝条进行清除，将一条比较健壮的枝条培育成主干，这样一来，柳树苗就不会因为多余的枝条分散养分而生长缓慢，在一定程度上有助于缩短柳树的生长周期。

2.4 灌水

一般来说，适时灌水在一定程度上可以为柳树的快速生长提供有效地保障。通常在进行灌水时，主要分为两次，第一次是在完成垂柳的种植工作之后，要立即进行灌水，确保土壤与垂柳苗木紧密结合在一起，在进行第二次灌水时，一定要根据苗木的实际需求，只有这样，才能收获较好的灌溉效果。

2.5 松土除草

杂草的存在在一定程度上也会影响垂柳的生长周期。所以，在完成垂柳的栽培工作之后，一定要做好后期处理工作，定期进行除草，确保垂柳生长养分的充足。

2.6 病虫害防治

柳树苗在生长的过程中，比较容易受到金花虫、象鼻虫以及蚜虫的侵害，所以一定要定期开展病虫防治工作，一方面可以确保垂柳的茁壮成长，另一方面还能缩短垂柳的生长周期，使垂柳快速长成。

3 结语

总而言之，垂柳作为一种乔木风景树，在一定程度上与我国城市绿化建设有着密不可分的联系。因此，在进行垂柳种植时，一定要在了解垂柳生长习性的基础上，对栽培技术进行不断地改进和创新，只有这样，才能有效缩短垂柳的生长周期，为人们营造良好的生活环境。

参考文献

[1] 张芝秀.垂柳快速成形栽培技术[J].科学种养,2013(7):15.

快速冷热循环仪的研制 第4篇

关键词：金属薄膜,快速冷热,冷热循环仪,温度控制

0前言

半导体技术和微电子技术是电子信息产业的核心技术, 然而相对于国外微电子技术的发展[1], 国内半导体器件产品制造的固有质量和应用可靠性仍有待提高, 尤其在温度、电流密度等条件频繁变化的环境下故障率较高[2]。集成电路的稳定及可靠性是指在规定条件下, 电路完成指定任务的能力, 通常称其为使用寿命。当集成电路的工作条件或者工作环境超出其额定值时, 器件将无法正常工作, 进而影响到整个系统的工作稳定性。通常工作温度被认为是影响集成电路寿命的重要因素, 该领域已有较多的研究报道。另一方面, 当集成电路在频繁开/关过程中, 电路中焦耳热会引起的温度循环变化, 这对集成电路寿命也会产生不可忽视的影响[3]。D.Gerth等人[4]对集成电路中的铝膜进行了研究, 发现了铝膜上小丘的生长, 并分析了相应机理, 取得了有益的进展。欧阳斯可等人[5]采用微波等离子体加热方法对金属薄膜进行热处理, 但此类研究都是仅以恒温加热作为研究方法, 忽视了快速冷热循环变化对薄膜材料影响的研究。日本的Shien Ri和Masumi Saka[6]制作了能够实现温度快速变化的装置, 但设计复杂、制作成本较高, 且操作难度较大。目前通用的高温加热炉加热速率低, 不能实现快速冷热循环。因此, 针对半导体材料发展研究的需要, 本文设计了一种能够实现快速冷热循环的试验装置。

1总体结构设计

利用陶瓷加热片作为加热源, 将陶瓷加热片安装固定于快速升降位移机构之上。通过伺服电机的驱动, 使快速移动台带动加热片实现上下往复运动, 进而使金属薄膜材料的环境温度发生快速冷热循环的变化, 从而达到试验目的。快速冷热循环试验装置如图1所示, 由快速移动台、伸出臂、试验台、温度控制器、水泵等几部分组成。该装置通过操作软件的控制实现快速移动台的上下移动速度、循环次数、停留时间等;温度控制器实时检测控制加热片温度;通过水泵、热排等组成的冷却系统保证承载试验台表面温度在非加热状态时始终维持在室温;温度控制器实时显示试验台温度以保证冷却系统的可靠性。

2加热系统的设计

加热系统是该装置设计的重要部分, 其组成包括伸出臂、温度控制器、陶瓷加热片、快速移动台等 (如图1所示) , 电路接线示意图如图2所示, 工作原理为:温度控制器与陶瓷加热片相连接, 通过控制器的控制作用使陶瓷加热片稳定于某一设定温度, 当伸出臂上的加热片靠近试验台上的金属薄膜材料时, 金属薄膜材料受热温度升高。

加热系统中, 伸出臂要承受力的载荷, 同时受高温的影响, 通过校核计算设计采用304不锈钢作为伸出臂材料, 以保证伸出臂的平稳性。伸出臂的规格为178×50×3.5mm, 上面加工出槽用于放置陶瓷加热片, 温度控制器的传感器导线采用正方体铁块固定;陶瓷加热片作为加热系统中的直接加热体, 属脆性材料, 规格为48×26×2mm, 额定电压和功率分别为220V、242W, 以保证试验中规格较小的加热体能达到200~300℃的高温, 为考虑安全性, 加热片用小片长方形钢条压盖, 通过螺栓连接固定于伸出臂铣出的槽内;在钢条与加热片之间加入了弹簧机构, 以固定传感器探头, 同时避免加热片在加热过程中因钢板的压迫而爆裂;温度控制器通过控制BT稳压装置来实现温度的可靠控制;快速移动台利用滚珠丝杠传动来实现, 将伺服电机的圆周运动转变为滑台的直线运动, 其软件系统是MPC08系统, 移动台最大行程为600mm, 最大速率可达50mm/s。

3冷却系统的设计

冷却系统的组成包括试验台、温度控制器、水泵、冷却液等部分, 工作原理为:当位移机构开始上升时, 陶瓷加热片随之远离试验台, 试验台上的试样迅速冷却, 为加快试样冷却速度, 保证仪器的冷却效果, 设计的试验台增设冷却循环系统。该系统通过水管连接各个冷却装置, 使冷却液在其中快速流动从而达到较好的冷却效果。

系统中, 试验台应具有良好的导热性, 以保证试样在冷却状态下可以尽量与室温一致, 同时避免试样温度的累积。本装置设计采用导热性较好的铜作为试验台材料, 并将试验台上的冷却液进出口设计为宝塔型, 使之能紧密的与水管相接, 避免冷却液的渗漏, 利用工字钢和长方形钢条固定试验台于导柱上;循环泵规格为1206型12伏45瓦直流微型水泵;温度控制器作用仅显示试验台表面的温度。

4仪器测试分析

集成电路承受的温度一般为80℃左右, 超过该极限温度就易导致电子产品出现故障。快速冷热循环装置可在一定范围内任意设置加热温度, 通过控制伸出臂的位置, 可实现试验台上金属薄膜材料温度变化, 以达到不同试验的要求。

装置搭建完成后, 本文对加热效果进行了检测分析, 利用移动台驱动伺服电机使加热片靠近/远离试验台表面, 并借助传感器及温度控制器, 初步检测记录了试验台表面的加热温度的相关数据, 如图3所示。加热片与试验台最短距离控制在10mm左右, 此时, 陶瓷加热片温度为250℃, 试验台表面温度113℃ (能量损失主要在于空气流通) , 随着加热片与试验台距离的增大, 试验台表面温度迅速降低, 当间距达到100mm时, 其表面温度进入稳定状态, 此时可认为试验台降至室温。综合考虑行程运行速度、安全等因素, 设置试验中最大行程为120mm。

通过此装置对铝膜进行了初步的冷热循环试验, 试验结果表明快速冷热循环会使铝膜表面出现大量的小丘。在之前的研究中[7], 经过恒温加热的试样表面出现小丘较少, 因此, 在加热时间和加热温度相同的条件下, 快速冷热对试样的破坏性更大。

目前温度快速变化对半导体材料影响研究的相关报道较少, 主要原因在于测试仪器的缺乏, 本仪器的设计及制作为相关研究提供了可行性, 将促进对半导体电路材料失效机理的研究。

5结语

本文设计制作了一种快速冷热循环仪, 进行了应用试验, 并取得预期成果。实验过程中, 该系统加热稳定, 温度变化迅速, 能够有效地控制试验循环次数。该试验仪器不仅可应用于Al薄膜的测试研究, 还可用于研究性能要求较高的其它金属薄膜材料, 如Ag、Cu等材料, 通过研究温度变化对薄膜材料的影响, 可改善其在半导体电路中的应用, 推进半导体电子行业的发展。

参考文献

[1]V.Yu.Kireev, A.S.Rapid Thermal Processing:A New Step Forward in Microelectronics Technologies[J].Russian Microelectronics, 2001, 30 (4) :225-235.

[2]许居衍.我国半导体工业发展前景分析[J].半导体技术, 1995, 95 (5) :1-8.

[3]詹郁生, 郑学仁.集成电路金属互连焦耳热效应的测试与修正[J].华南理工大学学报:自然科学版, 2004, 32 (5) :34-37.

[4]D.Gerth, D.Katzer, M.Krohn D.Study of the thermal behaviour of thin aluminium alloy films[J].Thin Solid Films, 1992, 208 (1) :67-75.

[5]欧阳斯可, 汪涛, 戴永兵, 等.微波等离子加热实现金属薄膜固相反应[J].新技术新工艺, 2004 (6) :36-38.

[6]S.Ri, M.Saka.Diffusion–fatigue interaction effect on hillock formation in aluminum thin films under thermal cycle testing[J].Materials Letters, 2012, 79 (15) :139-141.