（机械电子工程专业论文）基于fluent对汽车门内板的真空吸附特性分析与研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 中文摘要 在过去的5 年期间，我国的汽车产量平均增长达到2 4 。2 0 0 6 年全国的汽车销 售达7 0 0 余万辆；2 0 0 7 年全国汽车销售达8 7 9 1 5 余万辆、生产8 8 8 2 4 余万辆，同 比增长2 2 0 2 ；2 0 0 8 年全国汽车生产9 3 4 5 万辆，同比增长了5 2 ，2 0 0 9 年全国 汽车生产更是突破千万大关，达到1 3 6 4 5 万辆，同比增长了4 6 。汽车工业行业 具有明显的技术密集、资金密集、综合性能高及高附加值、经济效益好等特点，汽 车生产的发展可以带动大量汽车零部件生产企业以及相关原材料工业的发展，也带 动了汽车内饰行业的飞速发展。 本文首先对真空吸附工艺的工作机理进行了阐述，然后结合项目来源的实际生 产情况，对其关键部件真空泵进行了选型和校验，并通过数值计算和理论分析， 对真空吸附机在工作时的状态进行了模拟和研究，以解决真空吸附时常见的褶皱缺 陷，主要完成了以下几个方面的工作： 1 p v c 表皮加热温度是整个真空吸附过程的关键。p v c 表皮加热的适宜温度 是由p v c ( 聚氯乙烯) 表皮的性质和粘接剂的性质共同决定的。p v c 表皮温度应 高于热熔胶的熔融温度，这个温度下表皮粘流态的拉伸性能良好，热熔胶流动性良 好。通过分析胶水及p v c 表皮特性和火焰处理工艺要求，选择合适的加热温度。 2 参考现有真空发生器，真空发生器进行了校验，确保现有真空发生器产生的 真空能够达到生产要求，可以消除连续生产时产生的真空度的波动。 3 结合真空吸附区域内的湍流特性，建立合适的气体抽真空湍流模型，并利用 f l u e n t 软件对真空吸附区域内流场进行模拟分析。通过对辅助成型深度的控制，分 别进行模拟分析，比较模拟结果找到结构参数对流场的影响，为真空吸附优化设计 提供理论依据。 关键字：内饰，真空吸附，p v c ，f l u e n t ，流场 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h ep a s t5y e a r s ，t h ep r o d u c t i o no fa m o m o t i v e s r i s i n g 舔2 4 e a c hy e a r t h es a l e s o fa u t o m o t i v e sr e a c ha t7m i l l i o ni n2 0 0 6o ft h ew h o l en a t i o n ；砀es a l e so fa u t o m o t i v e s r e a c h ea t8 7 9m i l l i o na n dt h ep r o d u c t i o ni s8 8 8m i l l i o ni n2 0 0 7o ft h ew h o l en a t i o n , r i s i n ga s2 2 0 2 ；i nt h ey e a ro f2 0 0 8 ，t h ep r o d u c t i o no fa u t o m o t i v e sr e a c h e sa t9 3 4 m i l l i o n , r i s i n ga s5 2 c o m p a r ew i t hl a s ty e a r i nt h ey e a r2 0 0 9 t h ep r o d u c t i o no f a u t o m o t i v e sr e a c h e sa t13 6 4m i l l i o n , r i s i n ga s4 6 ，am i l e s t o n eo f10 m i l l i o n t h e c h a r a c t e ro fa u t o m o t i v e si n d u s t r yi st e c h n o l o g y - i n t e n s i v e 、m o n e t a r y - i n t e n s i v e 、g o o d c o m b i n a t i o np r o p e r t y 、h i g ha d d e dv a l u e ，t h ed e v e l o p m e n to fa u t o m o t i v e si n d u s t r y d r i v e st h er a p i dd e v e l o p m e n to fr e l e v a n ti n d u s t r y , a n dd e r i v e st h ei n t e r i o ri n d u s t r yt o o i nt h i st h e s i s ，t h eo p e r a t i o n a lp r i n c i p l eo fl a m i n a t i o np r o c e s sw e r ef i r s t l yd i s c u s s e d ， t h e nc o m b i n e dw i t ht h ep r o j e c tc o m p a n y sa c t u a lp r o d u c t i o ne n v i r o n m e n t s e l e c t e da n d v e n f yt h ek e yc o m p o n e n t s v a c u u mp u m p ，w h a t sm o r e ，i tc a r r i e do u tav e r y c o m p r e h e n s i v es t u d yo ft h ei n t e r n a lf l u i df l o wo fl a m i n a t i o np r o c e s s ，t os l o v et h e c o m m o nd e f e c t - p v cf o l d ，t h em a i nc o n t e n t so ft h ew o r k sc a l lb es u m m a r i z e da s f o l l o w s ： 1 t h ek e yp r o c e s so fl a m i n a t i o ni st h et e m p e r a t u r eo fp v cs k i n t h eh e a t i n g t e m p e r a t u r eo fp v c s k i ni sd e c i d e db yt h ec h a r a c t e ro ft h es k i na n dt h ea d h e s i v e s t h e t e m p e r a t u r eo ft h ep v cs k i ns h o u l dh i g e rt h a nt h em e l tt e m p e r a t u r eo fg l u e ，i nt h i s s i t u a t i o n ，t h ep v cs k i nk e e p sag o o dt e n s i l ep r o p e r t i e sa n df l o wp r o p e r t y 2 v e n f yt h ec a p a c i t yo ft h ev a c u u mp u m pb yr e f e r r i n gt ot h ee x i s t i n gv a c u u mp u m p ， t oe n s u r et h ec a p a c i t yi se n o u g ht oe l i m i n a t et h ef l u c t u a t eo fv a c u u md e g r e ew h e n s e q u e n t i a lm a n u f a c t u r e 3 e s t a b l i s h e das u i t a b l et u r b u l e n c em o d e lf o rv a c u u m - p u m p i n gr e f e r r i n gt ot h e t u r b u l e n tc h a r a c t e r i s t i c si nt h el a m i n a t i o nf i e l d ，a n dc a r r i e do u tas i m u l a t i o no ft h e l a m i n a t i o nf i e l db yu s i n gt h ef l u e n t t h r o u g ht h ed e p t h so ft h ea s s o c i a t es h a p i n gb a rt o s i m u l a t et h ep r o c e s so fl a m i n a t i o n ，a n dc o m p a r et h ee f f e c to nd e p t ho fa s s o c i a t es h a p i n g b a r , p r o v i d i n gat h e o r ye v i d e n c eo fo p t i m u md e s i g nf o rl a m i n a t i o n k e yw o r d s ：i n t e r i o r , l a m i n a t i o n ，p v c ，f l u e n t ，f l u i df i e l d i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 期：竺! 里鱼塑堂矽 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授 权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文， 并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：导师( 签名日期 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 汽车作为一种“流动空间，在当前社会具有不可替代的作用，对于这种“空间 的理解，大部分人还是是从汽车的外部造型特点来获得的，这与现代汽车的外观造 型多姿多彩展现给人的强烈视觉冲击有关，但对于驾驶员及乘客来说，更关心的还 是围绕在他们周围的内部空间设计t 这一空间对他们来说是否安全、舒适，以及这 个空间能为乘员所营造出的是一个怎样的环境氛围，正是在这种“以人为本”的观 念作用下，汽车内饰件的设计发生了一些新的变化。 据相关专家分析，随着汽车制造技术的不断进步以及人们对汽车内饰件要求的 不断提高，未来汽车内饰件的发展一定会出现以下“五化。 安全化：为确保行车安全，各种新型的通讯设备、路况自动识别的超声波传感 器、g p s 导航系统等将应用的更加广泛。 舒适化：会采用微型控制器自动调节座椅前后及高低位置，以便始终保持在行 车时座椅的平衡，并能自动调节空调风力大小和车内温度，真正做到贴心舒适。 便利化：增加录像机及小型冰柜等装置。座椅靠背上装上搁板、托板和茶杯座 等，充分利用座椅背后的每一寸空间。 经济实用化：广泛使用新型复合塑料，从而减轻汽车的自身重量，增加可利用 空间，降低油耗。同时，使各种内饰配置更加美观、协调。 产品多样化：内饰件的等级差别增大，款式增多，既能满足一般需求，又能照 顾较高的需要。但目i j 的汽车的内饰件仍以中低档为主，随着社会发展，人民生活 水平不断提高，汽车内饰件会逐步过渡到高档阶段。据了解，汽车内饰件有高科技 化的趋势，已逐渐成为未来汽车工业的主要增值途径。 汽车内饰件包括车门内板、座椅、顶棚、方向盘、仪表板、后围等在内的汽车 内部的所有装饰物( 见图1 1 ) 。从造型设计角度来说，在整车设计时，内饰件的设 计所占比率约一半以上。因为相对于外形设计而言，内饰件的设计所涉及的组成部 分相对较多。从近几年内饰件的发展趋势来看，国际上流行的趋势是越来越趋向于 高科技和数字化，造型设计方面趋于工整、简洁，更加注重多种新材料的应用、搭 配。 武汉理工大学硕士学位论文 围阉 图1 - 1b 5 3 凯旋汽车内饰件 随着汽车工业的发展不同品牌汽车问的总体质量差距在不断缩小，汽车内 饰件成了竞争的新战场。这场战争的最终目标是让汽车内饰件各部分之间充分贴 合，甚至达到零距离接触。如今，这些微小的细节己成为衡量汽车内饰件质量好坏 一个非常重要的指标。 其中本课题中涉及的汽车门内板简称为d p ( d o o r p a n e l ) ，是汽车内饰件的重要 组成部件。它是集安全性、舒适性、装饰性及功能性于一身的特殊部件，门内板采 用p p 塑料基材取代金属材料可有效降低成本、减轻重量、改善设计的柔韧性和各 零部件的集成度。随着汽车工业的迅猛发展，客户对汽车产品的要求也越来越高， 同时汽车门内板属于外观件，客观上就要求其具有良好的视觉效果、出色的表面触 感和高度的耐磨擦性。为了达到这些目的，需要使用粘结剂在车门内板基材上黏贴 柔软的p v c 表皮( 真空吸附工艺) ，实现其视觉、触感和耐磨擦性等方面的要求。 目前用于制作车门内板的塑料基材主要采用a b s 塑料( 丙烯腈一丁二烯一苯乙烯 共聚物) 及p p 塑料( 聚丙烯复合物) ，其中p p 塑料由于其性价比较高正逐渐成为 汽车内饰行业的不= 酋选。然而这两种材料的性质都不满足真空吸附工艺的要求。 为了便于真空吸附p v c 表皮与p p 基材的贴合，p p 塑料表面的张力值需要达到生 产的要求，一般要求表面张力超过3 8 达困。而p p 塑料自身的表面张力值仅3 l 达 因，无法达到生产要求的表面张力值。因而需要通过火焰处理技术进行改善，增加 其表面张力值，使其表面张力超过3 8 达因，在真空吸附时才能更好的粘结p v c 表 皮。 真空吸附的过程是将车门内板的基材p p 通过火焰处理，使其表面张力达到3 8 武汉理工太学硕士学位论文 达因阻上，在火焰处理后的车门内板上喷涂胶术、放入3 0 4 0 c 的烘箱内烘2 0 4 0 分钟取出，将车门内板骨架放入真空吸附机内的模具上，真空吸附机的上部加 热单元对p v c 表皮进行加热，使之变热、变较，模具与p v c 表皮之间形成密闭空 间，然后在模具与p v c 表皮之间吹热风，对p v c 进行预拉伸消除其弹性变形， 使之选塑性变形阶段，横具上升、辅助成型工具下降，使p v c 预成型，然后抽真 空，使p v c 表皮贴到车门内板的骨架上，然后欢冷风冷却p v c 表皮，切断p v c 表 皮，然后进行包切边工序，车门内板即加工完成，但在此过程中很容易出现褶皱、 自斑、气泡等缺陷。 造成这些缺陷的原因多种多样，主要与以下因素有关 1 p v c 表皮的加热温度及加热时间 2 车门内板基材的加热温度 3 真空压力真空度的大小 4 保压冷却时间 5 环境温度 6 p v c 表皮在抽真空过程中密闭空间内气压降低不均匀 1 2 汽车内饰件真空吸附技术及国内外研究现状 1 2 1 真空吸附技术原理及特点 一个完整的真空吸附工艺包含4 个步骤火焰处理( 见圈1 2 ) 、喷胶( 见图1 - 3 ) 、 烘干( 见图1 4 ) 、吸附( 见圈1 - 5 ) 。 黼蒯 图1 - 2 火焰处理图1 - 3 喷胶 武汉理工大学硕士学位论文 图1 _ 4 烘干图1 - 5 吸附 1 、火焰处理：火焰处理是一种用强氧化火焰使塑料件表面氧化产生氧化膜进 而达到提高塑科件表面张力的工艺。由于其可靠性高、节能、污染小、高教等优势， 在汽车内饰件行业应用的越来越广泛，尤其是在车门内板、汽车保险杠、汽车仪表 板等含有可见外观面的汽车零部件上。火焰处理技术通常与工业机器人配台使用， 在机械手手臂上安装火焰喷枪，调整喷枪运动轨迹及火焰距离p p 基材之间的距离， 使p p 基材经过火焰处理后表面张力达到3 8 达因以上。 2 、喷胶：喷胶是在火焰处理后的p p 基材表面喷涂一层西卡胶( s i k a 9 5 3 9 ) ，西 卡腔9 5 3 9 属于水基型胶，它以水为介质，属环保型胶黏剂。其优质产品的初牯性能 较高，但因为水的表面张力犬，对p p 基材润湿性不好，影响吸驸制品质量；此外水 的比热容较大，干燥的速度慢，限制了生产节拍，降低了生产率，间接提高了能耗 和产品的成本。在基材上喷涂的胶水要成点状分布( 见图1 - 6 ) ，以免影响对p v c 表皮 的粘结效果。 图1 - 6 喷胶的点状分布 3 、烘干：胶水的烘干过程是在恒温烘箱中进行的，温度控制在3 0 4 0 之问， 烘干主要有两个作用，其一：对胶水中东分起到蒸发作用使胶水初步发挥粘接性 能，以便胶水达到话化温度是可阻对p v c 表皮起到初步的粘接作用；其二：对p p 基材起到保温的作用，使p p 基材在烘箱中始终保持3 0 4 0 c ，当把p p 基材冲烘 箱内取出，放到真空吸附模具上时，不会损耗太多热量。 4 、吸附：吸甜是整个真空吸附过程的核心，是生产软质车门内扳的必备工艺， 武汉理工大学硕士学位论文 是一种将p v c 表皮通过胶水粘结在车门内板的p p 基材上的一种工艺。吸附过程较 为复杂，分为以下几步 、放料：将p p 塑料基材放入模具，下模开始上升( 见图1 7 ) ，直至上升到 p v c 表皮位置( 见图1 8 ) 口 巳y 塞廛 影夹头 下 上 ， 、 下模 模 行 图1 7 放入p p 基材，下模上行 夹头 下模 图1 8 下模上行到p v c 表皮位置 、加热：上模下行，与下模贴合，将p v c 表皮压在下模上，使下模与p v c 表皮之间形成密闭的空腔，上模的加热板对p v c 表皮进行加热( 见图1 9 ) 5 武汉理工大学硕士学位论文 夹头 下模 图1 - 9 上摸下行，下模与p v c 表皮间形成密闭空腔 、预吹：在p v c 表皮与下模形成的密闭空间内吹入热空气，使p v c 表皮进 行预拉伸，将其从弹性变形状态拉伸至塑性变形的临界点 夹头 图1 1 0 预吹p v c 表皮 、抽真空：将空气从p v c 表皮与下模形成的密闭空腔中抽出，保持o 0 9 p a 以上的负压，使p v c 表皮紧贴p p 基材表面( 见图1 1 1 ) 6 武汉理工大学硕士学位论文 夹头 夹头 夹头 下模 图1 1 1 抽真空 、切表皮：将正在生产的p p 基材上吸附用的p v c 表皮从整捆p v c 表皮上 切下，链轮带动p v c 表皮向前走一个工位，为下一个零件做准备 、取件：下模下降到低位，取出零件，开始下一轮的循环 1 2 2 国内外研究现状 国内现状分析： 2 0 世纪5 0 年代后期，我国制造出了自己的汽车。随之诞生的车门内饰板造型 单一，功能也很简单，仅仅安装了车锁、车窗这些最基本的配置。由于内饰件制造 工艺的限制，材质和色彩单一，材质多为钢板，且几乎没有流线性外观，色彩多采 用黑色和灰色，比较平淡、乏味甚至沉闷，视觉效果、外观及功能都比较差。在2 0 世纪8 0 年代，随着我国塑料工业及注塑工艺的迅速发展，我国的汽车车门内饰板 7 武汉理工大学硕士学位论文 开始大规模使用塑料材料，并且由于塑料件的设计灵活性，车门内饰板外观有了极 大改善，并且在功能上增加了烟灰缸、储物盒、音箱等功能，提高了乘坐舒适度以 及外观的耐看性。 近年来，随着塑料工业的蓬勃发展p e 、p p 、a b s 等聚合塑料材料在我国的广 泛应用和迅速发展，同时随着现代汽车工业的发展及生活水平的提高，人们越来越 追求安全、舒适、美观，软质车门内饰板的应用也越来越广泛，在中高档轿车中已 取代全硬塑车门内饰板，如神龙公司的凯旋汽车，以及即将推出的标志3 0 8 、4 0 8 等。真空吸附工艺是生产软质车门内板的必备工艺，是将p v c 表皮通过胶水粘结 在车门内板的塑料件上的一种工艺。 因为真空吸附过程复杂，各个过程联系紧密、参数多、难度高，且出现缺陷多， 缺陷过程分析复杂，不易把控，目前国内的低端轿车仍采用全硬塑车门内板，部分 中、高端车采用单件的真空吸附工艺，即先将p v c 表皮裁剪成车门内饰板的大小， 人工放在真空吸附的模具上，手动启动抽真空按钮，生产效率低下，且质量不稳定， 很难适应大批量的汽车生产。 国外现状分析 国外汽车行业发展时间较长、技术装备及自主研发能力都比较强，新材料、新 工艺应用的较多。目前国外轿车车门内饰板朝着美观、绿色、智能的方向发展。国 外中高档车，以奥迪轿车为例，车门内饰板的基材部分由a b s 注塑而成，再其上 衬有p u 发泡材料的针织涤纶表皮以及采用真空吸附的方法，复合在a b s 基材上形 成一体。最近还研制成功了低压注射压缩成型方法，把表皮材料放在还未凝固的聚 丙烯基材毛坯上，经过压缩层压技术成为门内饰板，采用的表皮材料为衬有p p 软 泡层的t p o ，这类门板可以回收再生。中低档轿车的门内饰板，采用木粉填充改性 的p p 板材或者废纤维层压板材表面复合针织物的简单结构，即没有发泡缓冲结构。 在车门内饰板p v c 表皮真空吸附方面，国外目前普遍采用的是不间断流水线式 生产，产品可追溯性强、质量的一致性好，能够满足大批量、高质量生产车门内饰 板的生产要求，直接真空吸附p v c 表皮到车门内饰板的技术也越来越成熟，目前 国外生产的车门内饰板已经开始采用了发泡技术，即在车门内饰板基材与p v c 表 皮之间，填充一层p u 泡沫，使手感摸起来更好，更有质感。 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 本文研究的主要内容 本文以计算流体力学基本理论为支撑，以汽车真空吸附工艺要求为基础，再结 合佛吉亚项目的具体情况，研究并对真空吸附的流场做了分析，研究内容主要包括： 1 充分了解真空吸附技术国内外研究现状，对汽车内饰板用p v c 表皮的加热 特性做了有效分析。 2 对真空吸附连续生产时产生的真空度的波动进行了有效分析，并对现有的 真空进行了校核； 3 结合b 5 3 门板项目来源公司对此工艺的具体要求及流体力学基础知识，对 真空吸附模具进行了合理简化后建立几何模型； 4 选择合适的计算模型对真空吸附时流体的流动进行了数值模拟； 1 4 课题来源 本课题来源于佛吉亚( 长春) 汽车部件系统有限公司武汉分公司b 5 3 凯旋汽车 门内饰板项目。 9 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章真空吸附工艺参数及常见缺陷 2 1 真空吸附工艺参数 真空吸附工艺过程复杂，在生产过程中涉及的工艺参数繁多，且各种工芑参数 相互影响。真空吸复过程的主要影响因素有胶水活化温度、表皮温度、真空压力、 缳压冷却对间4 个参数。 2 1 1 胶水活化温度 胶水的粘接性能直接影响到粘结效果的好坏，在实际生产中选用的是选用的是 西卡9 5 3 9 胶水( s i k a 9 5 3 9 ) 。将车门内饰板基材凹材料) 通过火焰处理，使其表面 张力达3 8 达因以上，再将西卡靛均匀喷涂在基材上，使胶承成点状分稚。根据胶 水活化温度图( 魁图2 - i ) ，可知胶水活化温度在7 0 ( 2 ，即西卡胶水在7 0 ( 2 时粘接 力最好，所以在实际生产中对于放置p p 基材的下模模温控制应当为7 0 c 。 2 1 2 p v c 表皮温度 图2 - 1 理想活化温度曲线图 p v c 表皮温度是整个真空吸附过程的关键园素。p v c 表皮的适宜温度是由聚氯 武汉理工太学硕士学位论文 乙烯压延膜的性质和粘接剂的性质共同决定的。由p v c 表皮性质可知p v c 表皮的 烘烤温度不能太高，高于1 6 0 c p v c 表皮会发生分解，产生刺激性气味；也不能 太低，太低则i v c 表皮不会有足够的软化变形，选不到成型要求，合理的加热温 度应该接近它的塑化温度。但不超过塑化温度。此外，由于p v c 表皮的热稳定性 较差，要在烘烤中让p v c 表皮以较快的速度达到变形温度，在较短的时间内成型、 冷却，对p v c 表皮保持其原有的特性有好处。 2 1 3 真空压力 真空压力越大p v c 表皮与p p 基材的粘接效果越好，目前的真空泵很容易提供 负压为00 9p a 以上的真空度，但由于连续生产过程的不连续性真空度会有很大波 动，经验值是真空度不小于负压为o 0 8p a ，且采用两个真空泵抽真空( 见图2 2 ) ， 且增加真空罐进行储气，以减小连续生产时真空度的波动。 2 1 4 保压冷却时间 图2 - 2 真空泵及储气罐 p v c 表皮与p p 基材粘接需在一定压力下保持段时间后才能有比较高的初始 粘接力，因此真空吸附必须经过保压冷却才能出模。由于此过程是在模具上完成的， 武汉理工大学硕士学位论文 保压冷却时间过长就会影响生产效率，过短又会影响粘接效果，易产生表皮与基材 分离的缺陷 2 2 真空吸附常见缺陷及原因 2 2 1 开胶 开胶是真空吸附常见的缺陷之一，p v c 表皮与p p 基材在真空吸附后，p v c 表 皮的内应力在冷却保压时间内释放不足，在存放和使用中有收缩的趋向，在拉伸变 形较大的凹陷区收缩应力拉脱粘接界面形成开胶缺陷。开胶缺陷产生的原因主要为 火焰处理不好。 基材p p 是一种广泛使用的聚合物，p v c 表皮通过西卡胶水与之粘结。p p 材 料价格便宜，且耐腐蚀，具有较高的强度。p p 是一种半结晶结构，且其中的晶体通 常是圆球形。通过原子显微镜测量显示，p p 塑料表面粗糙度一般分布在7 1 5 n m 之 间。火焰处理是采高温( 1 0 0 0 以上) 气体火焰，使空气中的各种粒子离子化，其 中等离子体中的高能粒子( 尤其是电子) 撞击p p 材料表面引起塑料表面的刻蚀，再加 上等离子体火焰处理后产生的杂质和自由基的迁移造成p p 表面结晶成分的生长， 使得p p 材料表面粗糙度变大( 一般大于4 0 n m ) ，增加材料表面附着力。另外，通 过介质阻挡放电产生的空气等离子体中含有的大量高能粒子( 如中子、电子等) 和活 性基团，如n 2 、旷、o h 。和h 2 0 等。其中，由于电子质量小，在电场中具有很高的 速度，对打断高聚物分子链，产生断键具有很重要作用。通常，介质阻挡放电中的 电子平均能量大于聚丙烯中的c h 键和c c 键的键能。因此，高能电子能断开聚 丙烯的分子键，在其表面产生不饱和键。这些不饱和键除了会与等离子体中的活性 基团发生各种化学反应之外，还会在火焰处理后的一段时间内吸附空气中的水和氧 气。这些都会在p p 基材的表面生成各种含氧的极性亲水基团，如羟基、羧基等， 从而大大增加了材料的表面张力，使p v c 表皮更牢固的粘结在基材p p 上。 因为p p 为非极性材料，吸附力很差，所以必须进行火焰处理，且要用达因笔 进行测试，使其表面张力达3 8 达因以上( 见图2 3 、图2 - 4 ) 。若表面张力低于3 8 1 2 武汉理工大学碗士学位论文 达因，则很容易产生开胶缺陷。 糜 图2 - 3 基材p p 火焰魁理前选因笔耐试结果圉2 4 基材p p 火焰处理后达因笔测试结果 2 2 2 表皮破裂 表皮破裂即在真空吸附过程中，p v c 表皮突然破裂的情况，会造成零件的报废 及生产中断，设备会由于真空负压的突然消先而出现锁死。其原因主要有2 个，其 一：模具温度过高；其二：p v c 表皮加热不均匀 ：模具温度过高： 表皮破裂的原因之一是模具温度过高，模具温度通过热传导使p p 基材的温度 过高，p p 基材的尖角处烫伤了p v c 表皮在真空吸附的0 0 9 p a 负压的作用下，p v c 表皮内应力不断增大，最终在p p 基村尖角周围的内应力作用下拉破表皮，这种破 口一般较大且收缩成圆形，拉伸较多的一侧，很多伴随粘接不赶。这种缺陷可以通 过调节模具温度，从而降低基板的温度得以解决。 ：p v c 表皮加热不均匀 表皮破裂的另一个原因是p v c 表皮加热不均匀。p v c 表皮加热为石英管加热， 且为多块石英管拼装而成，在加热时，由于p v c 表皮在预吹时凸起部距热源较近， 加热最为充分，温度会高于其他地区，因此使用这种加热箱时，必须调整好加热时 基材的摆放位置，调整好p v c 表皮对应各处适应加热管热传感器的温度。 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 3 气泡 气泡缺陷，即p v c 表皮与p p 基材局部未贴合，导致空气夹杂其中。产生气泡 的原因较多，主要有局部火焰处理不良、胶水未达活化温度、真空吸附力不够、p v c 未充分预拉伸等原因造成。 ：局部火焰处理不良 局部火焰处理不良，因为p p 基材门内饰板形状较为复杂，多为曲面造型且沟槽 较多，在火焰处理调整其表面张力时，局部凹陷部位或沟槽部位火焰处理的不够， 致使局部表面张力未达到3 8 达因，从而粘结力较差，导致真空吸附后气泡产生。 ：胶水未达活化温度 胶水未达活化温度或超过活化温度，胶水活化温度为7 0 。c ，依据胶水活化曲线 可以看出胶水温度低于6 5 c 或高于7 5 ( 2 时，其活性都明显不足，所以当温度不合 适时，其粘结力不足，从而容易导致气泡缺陷产生。 ：真空吸附力不够 真空吸附力不够，在一个吸附循环中，真空负压产生的力相当重要，当漏气或 p p 基材上的真空孔不够多时都会导致真空负压达不到0 0 9 p a ，从而即使胶水达到活 化温度，但贴合力度不够，导致气泡缺陷产生。 ：p v c 表皮未充分预拉伸 p v c 表皮未充分预拉伸，p v c 表皮预拉伸的目的即在于使p v c 表皮拉伸到弹性 变形转向塑性变形的临界点，若p v c 表皮未充分预拉伸，在真空吸附的一个循环 完成后，p v c 表皮内部残存的张紧力会渐渐释放，在胶水还未完全干时，导致p v c 表皮与p p 基材的分离，从而导致气泡产生。 2 2 4 褶皱 褶皱缺陷( 见图2 5 ) ，即p v c 表皮在吸附到p p 基材上时，p v c 表皮有重叠 的部分，造成这种缺陷的原因主要有预吹气泡过大、p v c 加热不均匀所导致。 1 4 武汉理工丈学硕士学位论文 图2 - 5 裙皱缺陷 ：预吹气泡过大 预吹即使p v c 表皮预拉伸的方法，将p v c 表皮及模具组合成密闭空腔，向该 空腔内注入一定压力的热空气，使p v c 表皮拉伸到弹性变形转向塑性变形的临界 点，着预吹的气泡过大或加热时间过长，则可能导致p v c 表皮完全处于塑性变形 状态，不具有任何弹性，不具弹性的p v c 表皮很难完全贴合在形状复杂的p p 基材 上从而导致褶皱缺陷的出现。 ：p v c 表皮加热不均匀 p v c 表皮加热不均匀是造成褶皱缺陷的另一个原因，其本质是因为在预吹过 后，p v c 表皮与加热板的距离有所不同，导致离加热扳近的p v c 表皮加热充分， 这部分表皮已经达到塑性变形阶段，其延展性有所丧失，而距离加热板较远的p v c 表皮还处于弹性变形阶段，延展性窿好。当真空吸附后，p v c 表皮与p p 基材贴合， 离加热板较近区域的p v c 表皮丧失了弹性不能自动收缩，此处表皮会按照吸附 瞬间的形状保留下来，因此就形成了褶皱。 ：内部流场不均匀 在放置p p 基材的模具上有真空孔，作为真空吸附时气体的进出通道。真空孔 的大小厦位置布置对内部流场影响较大( 下模与p v c 表皮之间形成的封闭空腔) ， 会导致p v c 表皮不均匀的与p p 基材相贴合，从而导致褶皱，在吸附时希望内部压 力均匀减小，直至p v c 表皮与p p 基材完全贴合，尽量减小压力释放不均匀的情况。 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 本章小结 本章介绍了真空吸附的几个重要工艺参数，胶水活化温度、p v c 表皮温度、真 空压力及保压冷却时间；并介绍了真空吸附过程中常见的开胶、表皮破裂、气泡、 褶皱等缺陷及这些缺陷与各重要参数之间的联系。此外，通过对褶皱缺陷的分析， 可以看出对内部流场对该缺陷的影响，说明了流场的优化的必要性。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章真空泵的校验 3 1 真空吸附真空系统介绍 生产凯旋门板的b 5 3 真空吸附真空系统组成主要有真空泵、真空罐、真空压力 表、真空阀、真空过滤网等几大部分组成，为模具内提供0 0 9 p a 的负压，使p v c 表皮吸附到p p 基材上( 见图3 1 ) 。 模 图3 1凯旋汽车b 5 3 门板真空吸附系统组成 真空表 1 、真空泵： 真空泵可以定义为利用机械、物理、化学或物理化学的方法对被抽容器进行抽 气而获得真空的器件或设备。真空泵是整个真空吸附的核心部件，其作用就是从真 空罐中抽除气体分子，降低真空罐内的气体压力，使之达到真空吸附要求的真空度。 概括地说，从大气到极高真空是一个很大的范围，迄今为止还没有一种真空系 统能覆盖这个范围。因此，为达到各种不同产品的工艺指标、工作效率和设备工作 寿命要求、不同的真空区段需要选择不同的真空系统配置。为达到最佳配置，在选 择真空泵时，应考虑下以下几个各方面：确定工作真空范围、确定极限真空度、被 抽气体种类与抽气量。 2 、真空罐： 在真空吸附系统中，用来改变气流方向，调节气流量大小，接通或切断管路的 真空系统元件称为真空罐，也叫负压罐，为一密封容器，其作用是当连续生产导致 武汉理工大学硕士学位论文 真空度的波动时，真空泵转速也会产生波动，真空罐可稳定真空系统压力，缓冲系 统压力波动对连续生产的影响，真空罐的容积越大，缓冲和稳压作用越好。但是真 空罐容积过大，系统从启动到达稳定状态的时间则会过长，动力消耗大，占地面积 也大，所以真空罐的容积应根据工作需要适当选择，一般以从真空泵启动至系统达 到的真空度可以进行生产的时间为3 0 秒左右即可。 3 、真空压力表 真空压力表是压力表的一种，一般用于有负压的地方，在真空吸附系统中有2 块真空压力表，一块用于检测真空罐内的负压，另一块用于检测模具内的负压。真 空压力表工作原理有很多，常用的主要有有2 种，静态液位真空计：利用u 型 管两端液面差来测量压力。弹性元件真空计：利用与真空相连的容器表面受到 压力的作用而产生弹性变形来测量压力值的大小。在b 5 3 真空吸附系统中选用的是 后者。 4 、真空阀 真空阀是真空系统的重要元件。作为构成真空气路的阀门，其作用之一就是控 制气体流量，其流导大小是一个重要的性能参数；作用之二就是开关气路，对于主 要用来起开关气路作用的阀门，真空阀的关闭的密封性能是重要的性能参数之一， 密封性能是用真空阀漏气率来衡量的，对于主要用来调节气流大小的阀门，能够调 节气流量的精度及范围，是一项重要的性能参数。对于某些全金属超高真空阀门， 每次关闭时的稳定性、使用寿命、都是真空阀主要的性能指标。 5 、真空过滤网 真空过滤网的作用过滤真空吸附系统中的杂质、灰尘及少量的水，防止有较大 的或者使用长时间后集成大的杂质，从而影响真空泵的品质，或是为了防止杂质损 坏真空泵叶片。 3 2 真空泵的选型及相关计算 3 2 1 真空泵的发展 真空，通常是指在一个密闭空间内利用外力将气体分子排除所形成的物理状 态，或者指在一定空间内气体分子所产生的压力低于一个标准大气压的状态。标准 大气压指的是在海平面上，在标准状态下( 2 7 3 2 开，7 6 0 毫米汞柱的压强) 大气的压 力。空气主要成分为氧分子和氮分子，而且这些气体分子总是在特定空间不停的做 无规律的振动。通常在一个标准大气压下，大气中每立方厘米的空间内有2 6 9 1 0 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 个气体分子。因此就有了真空的另一个定义，即每立方厘米的气体分子密度小于2 6 9 1 0 1 9 个气体分子空间就称真空。 真空泵从十七、十八世纪发展至今已经历了3 0 0 多年的历史。近1 0 0 年以来， 真空泵的研究设计、机械性能、抽速等方面的研究工作发展迅速，有了很大的进步。 特别真空蒸馏、真空管、白炽灯、真空仪器( 质谱仪、粒子加速器、电子显微镜和阴 极射线管) 、空间模拟、核物理、薄膜沉积、表面分析、真空冶金等方面的真空应用 促进了真空技术获得飞速发展，使真空泵从最开始的水泵发展成到现有的机械泵、 分子泵、扩散泵、低温泵、升华泵、离子戮射泵等数十种。真空获得能力从最初的 几百帕发展到现有的高真空、超高真空等领域。可靠性、抽真空速度和机械性能等 都得到迅速提高。现在，真空泵已广泛应用到原子核工业、航天工业、冶金工业、 化学工业等各行各业，起着越来越重要的作用。 本世纪初，1 9 0 5 年科学家w g a e d e 发明了旋转式汞泵、1 9 2 5 年发明了双柱塞 泵，1 9 3 2 年发明了带气镇的旋转式柱塞泵，其罗茨泵和后油封式转动泵作为获得低 真空的设备对真空工业的发展起了非常重要的作用。 在蒸汽流泵方面，wg a e d e 在1 9 1 3 年就认识到高速汞蒸汽对通过小缝扩散进 来的气体具有抽气的作用，因此，1 9 1 5 年i 。l a n g m u i r 提出了玻璃的直式汞扩散泵( 当 时叫做“凝结泵 ) 。1 9 3 5 年c r b u r c h 在长期研究真空油脂的基础之上，提出了 用油代替汞的扩散泵，且取得巨大成功。从1 9 3 7 年开始就出现了全金属的直式油 分馏扩散泵。第二次世界大战时，则发展为常用的大抽速高真空泵。在研制扩散泵 的过程中，我国科学家何增禄作了很多研究，至今扩散泵的抽气效率仍被叫做“何 氏系数( h of a c t o r ) ”。在实验室用真空系统方面，k h i c k m a n 设计出了全玻璃的双级 及三级横式自分馏油扩散泵，从而使极限压强达到超高真空的范围内。我国在5 0 年代，因为研究和制造真空电子器材的需要，设计并生产了大量全玻璃的直式油分 馏扩散泵，在此之后，还产生了参考预调节泵设计的玻壳金属芯直式油扩散泵，在 真空系统或者器件外壳突然破裂冲入大气的时候，热油液可自动回流至壳体夹层中 防止被氧化破坏。 分子泵是我国在真空技术领域获得的最有特色的产品。我国从事分子泵方面研 究的4 个单位分别为中国科学院北京真空物理实验室、东北大学、深圳大学及复旦 大学，已经取得国际专利3 项、国内发明专利1 3 项。中国科学院北京科学仪器厂 作为分子泵主要生产单位之一，其产品已远销国外。为了提高分子泵的f j i 级耐压值， l m a u r i c e 在1 9 7 4 年提出了在涡轮分子泵的前面加上柱式螺线式的分子拖动泵作为 前级的复合泵，它既利用前者在分子流时的高压缩比和大抽速，又利用了后者在粘 滞流时的高压缩比，因此可以在比较高的前级压强下工作。然而，在拖动泵的转子 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 和定子之间的工作间隙只有0 1 m m ，很难保证安全运转。在使用统计物理研究涡轮 分子泵工作原理的基础之上，储继国提出复合分子泵的高压强一侧可以采用串联工 作方式的多级盘式拖动泵，这种串联方式中，泄漏通道的长度与串联叶轮的级数成 正比，也就是说在多级情况下总长度也明显增加，于是转子和定子的工作间隙可增 大至l m m 左右。排气口的压强比涡轮分子泵提高l o 倍以上，排气的流量也大约提 高了1 0 倍。此后又有多种叶片结构的分子泵以及复合分子泵相继研制成功。近年 来又成功研制了没有任何叶片的多拖动面盘式分子泵，它结构并不复杂，并且抽气 速度已经接近涡轮分子泵的水平。 目前由我国自行生产的各种真空产品，抽气速度速、极限真空度等主要技术指 标与国外同类型产品相比差距不算大，但是其综合性能指标尤其是可靠性与国外同 类产品相比有较大差距。滑阀泵和旋片泵普遍存在噪声大、振动大还有轴封漏油等 问题，尤其是大型的直连泵在技术上还没有过关，可靠性差。罗茨泵同样亦存在噪 声大、振动大等问题并且故障率比较高，而国外生产的罗茨泵可以用十几年而不用 检修。 3 2 2 真空泵的分类、工作范围 真空泵的分类： 真空泵是用各种方法在选定封闭空间内产生、改善和维持真空的装置，按其工 作原理来分，基本上可以分为气体输送型和气体捕集型两大类。 气体输送型真空泵用于压缩和输送气体。在工业行业的应用极为广泛。主要有 以下两种用途：1 、将气体由一处输送到另一处，气体的初始和最终压力都不改变 如：用送风机；2 、用来降低气体或蒸气的压力。气体输送型真空泵有主要分为往 复泵和动力传输泵 气体捕集式真空泵是一种使气体分子被吸附或者凝聚在泵内表面上的真空泵， 可分以下几种型式。气体捕集式真空泵主要有分子筛吸附泵、吸气剂泵、钛升华泵、 溅射离子泵、低温泵、冷凝泵 各种真空泵以图表的形式罗列如下： 武汉理工大学硕士学位论文 真空泵的工作范围： 各种不同功用的真空泵都有其独特的压力工作范围，低真空( 压强为1 0 2 , - - - , 1 0 3 p a 之间) 及中真空( 压强为1 0 1 - - 一1 0 2 p a 之间) 的真空度比较容易实现，因此低真空 真空泵选择性较多；高真空及超高真空多用于真空要求较高的精密仪器，此类泵的 价格也比较高。各种泵的工作范围详见表3 1 ： 超高真空 高真空中真空低真空 s 口时，则s u ，这 种情况下，有效抽速s 只受泵的限制：倘若u 2 0 ，对于2 0 的空气，则： u = i 3 4 p d 4 l 公式( 3 1 1 ) 上式中d 一圆管内径，单位为c n l 卜管长，单位为c l t i p 管中气体平均压力，单位为p a ：分子流时，圆截面长导管流导计算：l d 2 0 ，对于2 0 空气，则 u = 1 2 1 d 3 l公式( 3 1 2 ) 实际上在真空管路中都含有弯头阀门等，因此在计算通导u 时，