多功能毛巾架的設(shè)計及生產(chǎn)

余錦波

（佛山市南海區(qū)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(jié)構(gòu)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(cè)設(shè)有第一豎管，置物架的兩端設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)有連接管，第一豎管的底部設(shè)有操控面板，操控面板連接設(shè)有溫控元件，溫控元件的一端連接設(shè)有發(fā)熱絲，發(fā)熱絲呈S 型分布。整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 帶置物架的電熱毛巾架結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 結(jié)構(gòu)特點

該款電熱毛巾架的結(jié)構(gòu)特點如下：1）主體結(jié)構(gòu)兩側(cè)設(shè)有第一豎管，置物架的兩端設(shè)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(jié)構(gòu)輕度高，對尖銳端部也進(jìn)行了包裹，防止安裝或使用時劃傷，而且拆卸維護(hù)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(nèi)部進(jìn)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(dá)到隱藏螺絲的效果，提高整體美觀度。而且，隱藏螺絲的設(shè)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(fā)熱絲產(chǎn)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(tài)，避免因不清楚工作狀態(tài)誤觸而受傷，具有較高的安全性。

2 毛巾架電加熱系統(tǒng)的設(shè)計方案

2.1 電氣設(shè)計

2.1.1 功能目標(biāo)

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(shè)計功率為50W，功能目標(biāo)如下：1）采用高低功耗模式。正常工況下，該電加熱系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)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(jī)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(tài)。2）安全保護(hù)。毛巾架使用過程中會接觸濕毛巾，為避免出現(xiàn)電路安全問題，必須做好用電設(shè)備的安全防護(hù)設(shè)計[2]。一是電源與毛巾架分體設(shè)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(hù)電路系統(tǒng)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(yè)規(guī)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(jìn)行密封，防止水分進(jìn)入桿體內(nèi)部。四是電路系統(tǒng)設(shè)計采用過電流、過電壓保護(hù)方案，一旦電流值或電壓值超過安全設(shè)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(tǒng)設(shè)置一定的加熱時間如4h，通電后即可自動加熱烘干，達(dá)到設(shè)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(jìn)行操作，通過點按按鈕選擇工作時長，例如5h、6h，達(dá)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(jù)不同大小、不同材質(zhì)的毛巾進(jìn)行加熱烘干，應(yīng)用范圍更廣泛。

2.1.3 工作電壓

電加熱系統(tǒng)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(jìn)行快速加熱烘干，主要用在普通住宅和商業(yè)酒店中。2）低功率模式。DC 電壓為5V，電流為2A，由手機(jī)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(xué)生宿舍。

2.2 元件選型

電加熱系統(tǒng)中的主要原件包括開發(fā)板、高電平觸發(fā)繼電器、可調(diào)降壓模塊和電熱絲。以電熱絲為例，它的選型是關(guān)鍵，會直接影響加熱烘干效率和質(zhì)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(wěn)定[4]。其中，22Ω/m、28Ω/m 電熱絲的主要參數(shù)指標(biāo)見表1。

表1 22Ω/m 與28Ω/m 電熱絲的主要參數(shù)指標(biāo)

2.3 軟硬件設(shè)計

2.3.1 硬件設(shè)計

硬件設(shè)計如圖2 所示，主要包括如下設(shè)計：1）Arduino nano 開發(fā)板。采用USB 接口，開發(fā)板的體積小，容易實現(xiàn)產(chǎn)品的小型化，在成本方面具有優(yōu)勢，因此選擇Arduino nano開發(fā)板作為控制板。2）5V 高電平觸發(fā)繼電器。采用繼電器進(jìn)行控制，實現(xiàn)電氣隔離的目標(biāo)，以確保系統(tǒng)穩(wěn)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(fù)極連接；IN 是繼電器模組的信號觸發(fā)端；NO、NC、COM 分別是繼電器的常開端、常閉端、公共端。3）DC24V轉(zhuǎn)5V 可調(diào)降壓模塊。使用云輝MP1584EN 產(chǎn)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(guān)鍵，會直接影響加熱烘干效率和質(zhì)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(tǒng)的硬件接線示意圖

2.3.2 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計能滿足靈活控制的要求。1）通電后，默認(rèn)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(diào)整為6h；按第二次按鈕，加熱時間調(diào)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(tǒng)的軟件控制流程圖

3 毛巾架不銹鋼材料的生產(chǎn)技術(shù)

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(zhì)材料，而且導(dǎo)熱率低、親和性大，會降低表面加工精度，對生產(chǎn)技術(shù)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(jìn)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(qiáng)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(zhì)合金刀具，硬度、韌性、耐磨性、耐熱性均滿足切削要求，能實現(xiàn)精準(zhǔn)加工的目標(biāo)。

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(chǎn)效率、工件表面粗糙度、加工硬化、刀具耐用度等指標(biāo)。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(qiáng)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(fēng)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(qiáng)度，增加刀具磨損；過小會導(dǎo)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(fù)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(dāng)進(jìn)給量、切削深度一定時，適當(dāng)降低Kr值能提高切削穩(wěn)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(chǎn)生振動現(xiàn)象，因此一般取值45°～90°，并根據(jù)機(jī)床、刀具系統(tǒng)和工件特點進(jìn)行調(diào)整[6]。

3.1.3 切削用量選擇

切削用量指標(biāo)，會影響加工效率和質(zhì)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(zhì)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(zhì)合金刀具加工，技術(shù)要點如下：1）切削用量應(yīng)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(jìn)給量控制在0.1mm/r～0.5mm/r，防止工件表面擦傷，保證排屑穩(wěn)定性。5）對奧氏體不銹鋼進(jìn)行切削時，因塑性好切屑難以折斷，應(yīng)適當(dāng)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(jié)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(jī)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(jīng)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(chǎn)中，使用不銹鋼電解拋光液進(jìn)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(xué)氧化著色技術(shù)，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?yōu)榉陆鹕?。另外，因著色膜疏松多孔、耐磨性差，還需要進(jìn)行固膜處理，使用重鉻酸鉀+氫氧化鈉+硫酸，設(shè)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(jié)語

綜上所述，隨著人們生活質(zhì)量的提升，對毛巾架提出了更多的功能需求，設(shè)計一款多功能、使用方便、價格低廉的毛巾架，成為相關(guān)企業(yè)的研究重點。該文以帶置物架的電熱毛巾架為例，從電氣設(shè)計、元件選型、軟硬件設(shè)計3 個方面介紹了設(shè)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(chǎn)加工技術(shù)。該多功能毛巾架在使用時不僅拆卸維護(hù)簡單、使用方便，而且產(chǎn)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(yīng)用前景。