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硕士论文 长玻纤增强反应注射成型一体化工艺研究 摘要 长玻纤增强反应注射成型是一项应用前景广阔的聚氨酯塑料成型技术，但在我国尚 处于初级应用阶段，在实际生产中还存在许多问题。本文以扬子汽车内饰有限公司的实 际工程项目“1 6 4 0 型l f i 长玻纤增强反应注射成型生产线改造”为背景，针对现有生 产线存在的后铺入的表皮与模具不贴合以及人工操作部分耗时较多等问题，提出了一个 一体化解决方案，并对相关关键技术进行了研究。 对现行生产线的运行情况、结构特点以及工艺过程进行分析，指出现行生产线存在 的主要问题，并且分析了一体化成型工艺过程的关键技术。分析了真空吸塑成型的机理， 建立了描述表皮真空吸塑成型过程的理论模型，包括连续性方程、动量方程、能量方程 和本构方程在内的流体动力学基本方程。以某型客车电器盖板表皮零件为例，利用专业 的塑料热成型分析软件p o l y f l o w 进行真空吸塑成型工艺仿真的整个技术过程。数值 模拟结果表明：随着压力加载时间的增加以及吸塑压力的增加，制件各部分成型的速度 有快有慢，较深的部位和较细小的面成型较慢，为了使制件的厚度分布更均匀，质量更 高，可在这些部位增加吸塑孔的数量，加快该部位成型速度；在底部与侧壁之间加大圆 角半径，同时采用较大的脱模斜度能改善壁厚分布，在制品结构设计时应尽量对过渡处 的尖角进行倒圆，以使最终的成型制品壁厚分布更加均匀；对于深径比较大的制品，有 预拉伸的制品厚度分布明显较无预拉伸的更均匀。运用a n s y s 对片材辐射加热过程进 行了数值模拟，得到了塑料片材在辐射加热过程中不同时刻温度场的分布以及各节点温 度随时间的变化规律。模拟结果显示：在辐射加热的各个阶段片材截面的温度分布始终 是不均匀的，最高温度位于中间大部分区域，最低温度位于片材边缘区域；随着时间的 推移，不均匀度在加热阶段呈逐渐增大趋势；在辐射加热阶段片材沿厚度方向存在一个 的温度梯度，通过断开加热电源使片材适当自然冷却，可以改善该温度梯度。 最后对生产线改造的结构部分提出了一体化工艺解决的方案，并完成了系统各单元 的结构设计。通过对生产线的改造，将使表皮成型、浇注、反应成型达到一体化，进而 提高汽车内饰件产品的生产效率和产品质量。 关键词：长玻纤增强反应注射成型，真空吸塑成型，数值模拟，生产线改造，有限元 a b s t r a c t l o n gf i b e rr e i n f o r c e dr e a c t i o ni n j e c t i o nm o l d i n g ( l f i ) ，邪ap r o c e s sf o rp r o d u c i n g p o l y u r e t h a n e ( p u ) p r o d u c t s ，h a sj u s tb e e na p p l i e di no u rc o u n t r yf o rf e wy e a r s ，a n dm a n y t e c h n o l o g yi s s u e sh a v en o tb e e nr e s o l v e d t h et h e s i si sb a s e do nt h ea c t u a lp r o j e c t “y a n g t z e a u t o m o b i l ei n t e r i o rt r i mc o r p o r a t i o n16 4 0l f ip r o d u c t i o nl i n e a i m i n ga tt h ep r o b l e m s e x i s ti nt h ee x i s t i n gp r o d u c t i o nl i n e s ，s u c ha st h es k i nc a n n o tf i t 、析mt h em o l d ，a n dm a n u a l o p e r a t i o n sa r et i m e - c o n s u m i n g ，s o m ei n t e r r e l a t e dt h e o r e t i c a lr e s e a r c hw e r es t u d i e d ，t h e n c o m p l e t e dt h et r a n s f o r m a t i o no ft h i sp r o d u c t i o nl i n e t h em e c h a n i s mo fv a c u u mp l a s t i c - a b s o r b i n gm o l d i n gw e r es t u d i e d t h et h e o r e t i c a l m o d e li n c l u d i n gc o n t i n u i t ye q u a t i o n ，m o m e n t u me q u a t i o n ，e n e r g ye q u a t i o na n dc o n s t i t u t i v e e q u a t i o nw e r ee s t a b l i s h e d t a k eas k i np a r to fe l e c t r i c a lc o v e r i n go fo n ec a r r i a g ea sa n e x a m p l e ，t h ee n t i r ep r o c e s so fs i m u l a t i n gv a c u u mp l a s t i c - a b s o r b i n gm o l d i n gi np o l y f l o w w e r er e s e a r c h e d t h er e s u l t so ft h eh u m e r i c a ls i m u l a t i o ns h o w e dt h a t ：w i t ht h ep r e s s u r ea n d t h el o a dt i m ei n c r e a s e ，t h ef o r m i n gs p e e do fv a r i o u s p a r t sa r ed i f f e r e n t ，d e e pp a r t sa n ds m a l l p a r t sa r es l o w e rt h a no t h e rp a r t s i no r d e rt og e tu n i f o r mt h i c k n e s sd i s t r i b u t i o na n d h i g h e r - q u a l i t y ，t h en u m b e ro fb l i s t e rh o l e sc o u l db ei n c r e a s e dt oa c c e l e r a t et h ef o r m i n gs p e e d o ft h o s ep a r t s ；i n c r e a s i n gt h ef i l l e tr a d i u sb e t w e e nt h eb o t t o ma n ds i d ew a l la n de n l a r g i n gt h e d e m o u l d i n gg r a d i e n tc a l li m p r o v et h et h i c k n e s sd i s t r i b u t i o n ；t ot h ep r o d u c t sw i t hl a r g er a t i oo f d e p t h - r a d i a l ，t h ep r e s t r e t c h i n gp r o c e s sc o u l di m p r o v et h et h i c k n e s sd i s t r i b u t i o n t h e t e m p e r a t u r ef i e l do fp l a s t i cs h e e ti nr a d i a t i o nh e a tp r o c e s sw a sr e s e a r c h e dw i t ha n s y s t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a t ：t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no ft h es h e e tc r o s s s e c t i o ni s a l w a y su n e v e ni nt h ev a r i o u ss t a g e so fh e a tr a d i a t i o n ，t h em a x i m u mt e m p e r a t u r er e g i o ni sa t m i d d l e ，t h em i n i m u mt e m p e r a t u r er e g i o ni sa te d g e ；t h ed e g r e eo ft h eu n e v e n n e s sc o u l db e g r a d u a l l yi n c r e a s i n go v e rt i m e ；t h e r ei sat e m p e r a t u r eg r a d i e n ta l o n gt h et h i c k n e s sd i r e c t i o n ， t h r o u g hm a k i n gt h es h e e tn a t u r a lc o o l i n gp r o p e r l y , t h et e m p e r a t u r eg r a d i e n tc a nb ei m p r o v e d f i n a l l y , o nt h eb a s i so fa n a l y s i n gt h et h eo p e r a t i o na n dt h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so f t h ee x i s t i n gp r o d u c t i o nl i n e s ，a ni n t e g r a t i v ep r o c e s st r a n s f o r m a t i o ns o l u t i o nw a s p r o p o s e d t h r o u g ht r a n s f o r m a t i n gi tc a na c h i e v ei n t e g r a t i o no fs k i nf o r m i n g ，c a s t i n g ，r e a c t i o nf o r m i n g , a n di m p r o v ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n d p r o d u c tq u a l i t yo fi n t e r i o rp a r t s k e yw o r d s ：l f i ，v a c u u mp l a s t i c a b s o r b i n gm o l d i n g ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，p r o d u c t i o nl i n e t r a n s f o r m a t i o n ，f e m 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名： 日| 已商 钾年月玎日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：研年占月玎日 硕士论文长玻纤增强反应注射成型一体化工艺研究 1 绪论 1 1 课题的研究背景和意义 随着现代科学技术的发展，对产品的性能要求越来越高。如何更好地设计、制造产 品并降低成本、提高核心竞争力，快速将产品推向市场，是现代制造企业十分关注的问 题。在制造业中，由于生产线的设计缺陷而导致的生产效率低、成本高的现象非常普遍。 制造企业如何加强企业内部的物流管理、提高物资的流转效率、减少浪费、降低生产过 程中的运营成本，已经成为其生产管理活动中的重点任务之一。汽车工业属我国制造业 的支柱行业，我国汽车工业近年的快速发展，带动了配套行业的发展。在整车部件中， 汽车内饰件与驾驶员和乘客直接接触，其美观与舒适度以及力学性能要求不断提高，汽 车内饰件的生产受到了愈来愈多的关注。 增强反应注射成型是在反应注射用的原料浆中添加强化材料( 如各种纤维材料等) ， 然后将两种料连同添加材料一起送入高冲击混合装置混合后再以低压或高压注入模具 中，通过聚合反应制成复合材料制件。这是一种可以改善反应注射成型塑件的力学及电 学性能的有效成型技术。增强反应注射成型一经出现，就表现出很强的生命力。它不仅 可以用于制作装饰件，而且可以部分代替金属制作工业结构件。长玻璃纤维增强反应注 射成型( l o n gf i b e ri n j e e t i o n , 简称l f i ) i 艺是在结构反应注射成型( s t m c t u r a lr e a c t i o n i n j e c t i o nm o l d i n g ，简称s r i m ) 工艺基础上开发的一种新型增强反应注射成型生产技术， 该技术自9 0 年代由k r a u s s m a l l e i 与c a n n o n t e c h n o s 公司开发出来后，正以其高效性、 加工经济性和高自动化性等优势逐步取代传统的反应注射成型技术应用于汽车内饰件 的生产中。该技术的原理是在高压浇注机混合头附近将长玻璃纤维切割成可变长度的纤 维，聚氨酯物料注入模腔之前，在混合头内与直接添入的切碎纤维浸润、混合，经化学 反应固化成型，制得玻璃纤维增强p u 制品。由于组分和纤维含量的可调性，设计者可 以利用该技术开发汽车内部和外部构件以及结构件和非结构件。采用该技术生产的产品 有仪表板、车门板、行李箱托盘以及轻型卡车的外壳等【l 捌。 江苏扬子汽车内饰公司在2 0 0 7 年引进了由德国k r a u s s m a f f e i 公司制造的l f i 长玻 纤增强反应注射成套关键设备( 包括一套a b b 机械手及附件) ，且此生产线已经投入 使用，生产线由主机单元、小车单元和模架单元组成。模架单元由压力机及控制系统、 模架移动装置及控制系统、成型模具以及模具的温度控制系统组成。小车单元由直线导 轨和小车组成。主机单元通过原料的通道、控制信号线及电源线等与其他单元的连接。 负责机械手直线移动的小车及轨道位于中间，压力机分两列布置在轨道的两侧。由沿导 轨移动的小车搭载机械手及浇注装置( 混合头、玻纤输送、高压换热等) 根据各模架单 元的服务要求完成长玻纤增强聚氨酯的浇注任务，其工艺过程如下： 1 绪论 硕士论文 1 ) 操作人员按下模架启动按钮，模架动作，移动模具到浇注工位，然后进行清除 模具中的杂质，刷脱模剂，贴内饰件表皮等一系列前处理工作。 2 ) 待前处理工作完成后，手动按下模架旁的信号按钮，发出浇注申请信号给小车 控制柜，小车开始工作，同时发送浇注服务信号给主机单元。 3 ) 小车载着机械手和混合头等装置向指定工位移动，主机单元开始由周末循环状 态进入浇注状态，由低压循环进入高压循环，进行浇注前处理工作。 4 ) 待小车到达指定浇注工位，发送到达工位反馈信号给主机单元，主机的计量泵， 增压泵，玻纤切割装置，玻纤输送装置等设备开始按照主机控制柜中的浇注程序运转， a 料、b 料和玻纤按照比例进入高压混合腔，进行高压碰撞混合。载有混合头机械手在 模具上方按照机器人浇注轨迹进行浇注。 5 ) 待浇注完成后，主机进入周末循环状态和低压状态，控制压力机完成模具闭合、 锁模、保压、开模、脱件等动作，待到发泡成型时间过后，脱模取出制品，准备下一次 浇注任务。 从以上工艺过程可以看出，目前产品的表皮成型部分是在此生产线之外的热成型装 置中完成后再由工人铺到成型模具中，因此存在后铺入的表皮与模具不贴合以及人工操 作耗时过长等问题，需要对工艺流程中的相关关键技术进行研究，并对生产线进行改造， 使生产能够实现表皮成型、反应成型、浇注一体化的目的。 通过该项研究将使企业进入一个全新的生产运作环境，其产品将在工艺、质量等方 面处于国内领先水平，从而带领我国汽车内饰件生产领域迈上一个新的台阶。因此，对 l f i 一体化成型工艺关键技术的研究有着重要的科学意义和良好的应用前景。 1 2 国内外现状 表皮成型技术实质上是一种真空吸塑成型工艺。真空吸塑成型是塑料的热成型加工 工艺之一，它是将成型的塑料板材加热至软化温度后，密封放置在凸模( 或凹模) 上，利 用真空泵将密封模腔中的空气抽出，使模腔产生真空，在大气压作用下热塑板材与模具 完全贴合，冷却定型而成。其生产效率高，尤其对大型薄壁件，采取多工位加热成型， 上料、取件可实现自动化。该技术已广泛用于汽车内饰件、冰箱内衬壳体及其它熟塑性 合成橡胶制品零件的生产【3 1 。目前国内外对于真空吸塑成型的研究主要集中在工艺过程 控制、工艺方案及工艺参数的优化、以及成型机理研究等方面。随着计算机技术的发展， 通过计算机数值模拟来研究真空吸塑成型工艺也成为一个研究热点。 1 2 1 真空成型工艺及其工艺参数的研究 塑料板及热塑性合成橡胶的真空成型是在专用的设备上进行的其成型工艺为上 料、机械密封、加热软化、预拉伸、真空成型、冷却定型、取件。每一道工序都对成型 2 硕士论文长玻纤增强反应注射成型一体化工艺研究 质量产生影响，其中加热软化、预拉伸是关键工序。 真空吸塑成型工艺虽然具有模具费用低、产品开发周期短、改进方便、成型表面质 量好、材料密度均匀、成型工艺好、成品废品率低、设备投资小等优点，现已成为薄壳塑 料成型的最佳工艺，但同时也容易出现一些问题，比如整体厚薄不均匀、拉伸破裂、局 部棱角不清、孔隙和麻点，等等，这些缺陷的产生主要是受板材型坯的温度、成型时的 压力、板材的流变性能等诸多因素的影响，制品厚度不均匀对于注重外观装配质量的汽 车等行业来说影响是巨大的。目前，国内企业实际生产中合理的工艺参数往往凭经验和 反复试模来确定，这将会延长产品开发周期、增加产品开发成本，传统的设计方法已不能 满足市场竞争的需要瞰】。 广东三洋科龙有限公司的王超等探讨了原料、设备、模具对真空吸塑成型工艺的影 响及成型工艺条件的控制，以及成型制品的缺陷及对策【6 】。 中南林学院职业技术学院的张绍明等总结了真空吸塑产品常见的质量问题及产生 原因，从工件装饰线形设计、材料选择、工件毛坯处理等几个方面综合分析了提高产品 质量的方法【7 】。 武汉大学动力机械学院的于晓莉通过对软质p v c 制品的性能分析和三种加热元件加 热效果的对比，决定采用卤素管作为加热介质，从而满足了p v c 制品的工艺要求【8 】。 1 2 2 吸塑成型计算机模拟技术的研究 塑料成型加工过程的计算机模拟技术主要是利用高分子材料学、流变学、传热学、 计算力学和计算机图形学等基本理论，建立塑料成型过程的物理和数学模型，构造有效 的数值计算方法，实现成型过程的动态仿真分析，使人们对塑料成型过程的认识从宏观 进人微观、从定性进人定量、从静态进人动态，为优化模具设计和控制制品成型过程以 获得理想的最终产品提供科学依据和设计分析手段【9 】。 c a e 中的一个关键问题就是模拟要尽可能符合实际情况，聚合物加工过程的复杂性 容易造成模拟结果与实际情况之间较大的误差，这既与模拟过程中的假设和简化有关， 也与所选用的分析软件密切相关。多年来人们就模拟软件的开发进行了不懈的努力，目 前可用于或专用于聚合物加工过程的模拟软件有多种，如a n s y s 、p o l y f l o w 、 m o l d f l o w 、m a r c 、p l a n e t s 、f i d a p 等。这些软件在过程模拟的总体思路上具有 许多共同点，但在功能、结构和操作等方面各有差别，不同软件对解题对象有所侧重。 m o l d f l o w 主要用于注塑成型工艺的仿真，p o l y f l o w 可用于挤塑成型工艺仿真的 软件1 0 - 1 3 1 。 温州市材料成型工艺与模具技术重点实验室的高斌等利用适用于粘弹性流体的通 用模拟软件p o l y f l o w 建立了凸模吸塑成型过程完整的数值模拟方法【1 4 1 ，该方法可以 非常形象直观地预测吸塑制品成型过程中厚度的变化及分布情况，并且可以通过调整成 3 1 绪论硕士论文 型工艺参数较快地、经济地获得理想制品，为新材料吸塑成型及新吸塑产品研发设计合 理的吸塑成型工艺，提供可靠的理论计算数据；华东理工大学工业装备与控制工程学院 的邓艳红通过试验表征了红外发射灯管热源的特征及其与半透明p e t 片材之间的相互 作用，并采用红外摄像机测量热塑性塑料片材的表面温度分布，以确定透射热通量的表 面分布状况，此外，采用控制体积方法对温度分布进行了数值模拟，并将模拟结果与实 验数据进行了比较【1 5 】；哈尔滨工业大学锻压教研室的张凯锋等对塑料板材热成型过程的 三维温度场进行有限元分析时采用动态内部热源的方法对潜热进行了处理，在成型过程 中利用方程求解出型坯结晶时任意时刻结晶度的大小，求得各单元释放的潜能量，又利 用有限元公式求解温度场时采用动态内部热源的方法计算了潜热对温度的影响，对塑料 半球形件的温度场进行了计算，并对是否考虑潜热两种情形的温度场进行了比较【1 6 1 。 总的来说，对于真空吸塑成型过程的计算机数值模拟，虽然对片材加热过程的温度 场分析比较多，但是这方面的研究还不够充分，如针对整个成型过程的数值模拟就很少， 虽然提出了影响制品质量的因素和规律，但都是通过试验总结的定性结论，缺乏理论依 据。目前p o l y f l o w 软件是进行塑料制品和数值模拟、工艺参数优化的有利工具，但 是对于热成型尤其是真空吸塑成型过程的数值模拟，还没有应用的先例。因此，有必要 对真空吸塑成型工艺从理论和技术角度进行系统研究，对提高我国真空成型工艺技术水 平，进而对整个长玻纤增强反应注射成型生产技术的研究提供理论依据，从而对新工艺 的推广起到推动作用。 1 3 课题研究内容 课题以江苏扬子汽车内饰公司最新引进的德国k r a u s s m a f f e i1 6 4 0 型l f i 长玻纤增 强反应注射成型生产线为背景，针对目前表皮成型。反应注射成型过程中部分工序人工 操作耗时较多，生产效率低，还有后铺入的表皮与模具不贴合等质量问题，对表皮真空 吸塑成型工艺过程进行相关理论研究，并对现有生产线进行结构改进，使表皮成型、浇 注、反应成型达到一体化，最终达到提高生产效率和产品质量的目的。 本课题的研究主要包括以下几个方面内容： ( 1 ) 对现行生产线的运行情况、结构特点以及工艺过程进行分析，指出现行生产线 存在的主要问题，并且分析一体化成型工艺过程的关键技术。 ( 2 ) 对真空吸塑成型工艺的机理进行分析，建立吸塑成型过程的流体动力学基本方 程，为真空吸塑成型过程的数值模拟打下基础。 ( 3 ) 以某型客车电器盖板表皮零件为例，以专业的塑料成型仿真软件p o l y f l o w 为平台，对表皮零件真空吸塑成型过程进行数值模拟，得出成型过程中片材的变形动态 过程以及最终的零件厚度分布情况，研究不同工艺条件对表皮零件成型质量的影响规 律，为表皮成型模具设计和控制成型过程中的工艺参数提供科学依据。 4 硕士论文 长玻纤增强反应注射成型一体化工艺研究 ( 4 ) 对表皮成型的重要工艺阶段片材辐射加热进行理论分析。建立塑料片材辐 射加热的物理模型和数学模型，运用a n s y s 对片材辐射加热过程进行数值模拟。计算 出塑料片材在辐射加热过程中不同时刻温度场的分布以及各节点温度随时间的变化规 律，从而为生产线改进中加热装置的设计及加热工艺参数的选取奠定理论基础。 ( 5 ) 完成生产线的改进。针对目前生产线运行过程中存在的问题，在现有生产线的 基础上加入表皮成型装置，制定结构改进方案，并完成系统各单元的功能设计。最终使 表皮成型、浇注、反应成型达到一体化，提高生产效率和产品质量。 5 2 长玻纤增强反应注射成型一体化i 艺方案硕士论文 2 长玻纤增强反应注射成型一体化工艺方案 2 1 长玻纤增强反应注射成型生产线现状分析 2 1 1 生产线总体结构 如图21 所示为原有的l f i 长玻纤增强反应注射成型生产线，它由主机单元、小车 单元和模架单元组成。 导轨 蛆分管道 移动小车及机器冷水机懂愠机 电源 美泡成型工位 反应注射工倥真空秉统 压缩空气j ；统 图2 ll f i 生产线布局图 主机单元指1 6 4 0 型l f i 长玻纤增强反应注射成套设备。设备包括原料罐系统、泵 前低压抽吸管路、计量系统、高压管路系统、混合头系统、电器控制系统、液压系统、 a b b 机器人以及玻纤储存与输送装置。模架单元由且三力机及控制系统、模架移动装置 及控制系统、成型模具以及模具的温度控制系统组成。小车单元由直线导轨和小车组成。 主机单元与其他单元的连接仅仅是原料的通道、控制信号线及电源线等。负责机械手直 线移动的小车及轨道位于中间，压力机分两列布置在轨道的两侧。由沿导轨移动的小车 搭裁机械手及浇注装置( 混合头、玻纤输送、高压换热等) 根据各模架单元的服务要求 完成长玻纤增强聚氨酯的浇注任务。 2 1 2 各单元的功能及基本组成 2 i2 1 主机单元 1 1 主机单元的主要功能 硕士论文长玻纤增强反应注射成型一体化工艺研究 双组分原料的低压温度控制、搅拌、液位控制、自动补料、过滤、混合比例计 量、高压温度控制 反应注射的激光定位 混合头的温度控制 混合头的自动清洗 反应注射轨迹的编程控制 与小车单元的通信 2 ) 主机单元的构成模块 原料罐系统 泵前低压抽吸管路 计量系统 高压管路系统 混合头系统 电器控制系统 液压系统 机器人 玻纤储存与输送 如前所述，该部分的设备将自成一体，其中反应注射用混合头系统安装在机器人的 末端，由为其提供所需的空间位姿；机器人及混合头系统、玻纤储存与输送装置等将一 起安装在小车单元的移动平台上，完成对模架单元各工位的注射服务。 本单元由德国克劳斯玛菲公司成套引进，其功能及主要技术指标详见德国克劳斯玛 菲公司的供货说明技术协议。 2 1 2 2 模架单元 1 ) 模架单元的主要功能 为产品的反应注射成型提供混合头的浇注空间 为产品的反应注射成型提供模具安装、开合模动作、锁模、模具温度调节等保 证 与小车单元的通信 2 ) 模架单元的构成模块 压力机及控制系统 模架移动装置及控制系统 成型模具 模具的温度控制 2 1 2 3 小车单元 7 2 长玻纤增强反应注射成型一体化工艺方案硕士论文 1 ) 小车单元的主要功能 根据模架单元的服务需求，按照先申请先服务的原则将主机单元的机器人运送 到指定部位； 作为主机单元与模架单元之间的桥梁，负责有关作业信息的传输； 与主机单元、框架单元的通信控制。 2 ) 小车单元的构成模块 小车单元的构成模块包括轨道、小车、驱动、控制等部分。 2 1 3 控制系统 由构成系统的三个独立单元分别设置了控制系统，系统控制结构如图2 2 所示。 模架单元浇注服务 状态信息反馈信思 图2 2 系统控制结构 小车单元控制系统作为主机单元与模架单元之间的桥梁，实际上起着系统控制的功 能：接收模架单元的浇注服务请求、反馈浇注结束信息、控制小车单元自主运行；根据 模架单元的服务请求向主机单元发送模架单元服务申请信息、小车单元到位信息、接受 主机单元反馈的浇注服务状态信息等。 主机单元接收小车单元传达来的模架单元服务信息，控制反应注射成套设备完成对 指定单元的浇注服务，并向小车单元反馈浇注服务状态信息。 模架单元通过浇注服务申请按钮向小车单元发送服务请求信息，等待浇注服务；在 接收到小车单元反馈的浇注结束信息后，控制压力机完成模具闭合、锁模、保压、开模、 脱件等动作。 2 1 3 1 主机单元 a ) 主机单元基本控制功能 1 ) 反应注射设备的控制： 2 ) 计量系统的控制； 3 ) 液压系统的控制； 4 ) 混合头系统的控制； 5 ) 热交换机的控制； 6 ) 玻纤输送的控制； 7 ) 清洗装置的控制； 8 ) 机器人的控制。 8 硕士论文长玻纤增强反应注射成型一体化工艺研究 b ) 控制对象 1 ) 与小车单元的信息交互； 2 ) 自检与故障诊断功能； 3 ) 非正常状态的提示与报警功能。 2 1 3 2 模架单元 模架单元的基本控制功能 a ) 产品成型所需基本动作的自动控制； b ) 产品成型所需基本动作的手动控制； c ) 设备运行的安全控制； d ) 小车单元的信息交互； e ) 自检与故障诊断功能； f ) 非正常状态的提示与报警功能。 2 1 3 3 小车单元 小车单元的基本控制功能 8 ) 小车运行自动控制； b ) 小车运行手动控制； c ) 小车运行安全控制； d ) 与主机单元的信息交互； f 1 ) 与模架单元的信息交互； f ) 自检与故障诊断功能； g ) 非正常状态的提示与报警功能； h ) 具有独立的操作控制站，模架信号是集中到此站的，能显示模架的状态、主机 状态，并能在此站上完成正常的运行模式、位置、速度显示功能，液晶屏显； i ) 正常自动运行分两种，一种是模架发出操作命令；别一种是操作工直接在此站上 发出命令。 2 1 4 生产工艺流程 目前该生产线处于半自动化生产模式，图2 3 所示为工艺流程图。 可以看出，目前产品的表皮成型部分是在此生产线之外的热成型装置中完成后再由 工人铺到成型模具中，因此存在下面两方面的问题： 1 ) 由于表皮成型模具与发泡成型模具的差异，以及表皮成型以后的收缩作用，表 皮在铺入发泡成型模具时不可能很服贴，影响了表皮的铺设质量，进而影响产品质量。 9 2 长玻纤增强反应注射成型一体化工艺方案 硕士论文 塑竺堡墨兰壅i 囹 盯飘百习 图2 3l f i 工艺生产流程示意图 2 ) 铺设表皮耗时太长，操作麻烦。为了使表皮与模具贴合的比较好，经常需要使 用加热器对表皮进行局部加热，另外还要用胶带将表皮的边缘粘好以保证贴合质量并防 止渗料。因此，表皮的铺设时间有的长达十几分钟，造成生产率低下。 针对上述问题，扬子汽车内饰有限公司决定对现有生产线进行改造，把表皮成型过 程纳入长玻纤增强反应注射成型生产线中，使表皮成型、浇注、反应成型达到一体化， 可以彻底解决长玻纤增强反应注射成型生产线的生产效率问题和成型质量隐患。 2 2 一体化成型工艺过程 根据上述思想，所设计的长玻纤增强反应注射成型一体化工艺过程如下： 清模：反应成型过程中可能会有碎屑、杂物等残留在模具中，如果不清理干净， 将会影响下一次成型时零件的表面质量 上料：将成型所需的片材固定在凹模上，要求片材与凹模之间要密封。 辐射加热：对片材通过辐射进行加热。 表皮成型：采用真空成型或压缩空气成型方法进行表皮成型。 浇注：主机的计量泵、增压泵、玻纤切割装置等设备按照主机控制柜中的浇注 程序运转，a 料、b 料和玻纤按照比例进入高压混合腔，进行高压碰撞混合，载有混合 头的机械手在模具上方按照机器人浇注轨迹将混合料浇注入已成型的表皮上面。 合模进行反应成型：主机控制压力机完成模具闭合、锁模、保压等动作，使混 合料在闭合模具里发泡成型。 开模取件：等到发泡成型时间过后，开模取出制品，并且准备下一次的浇注任 务。 1 0 豢e兰筹磊矗磊罢王芸垂三矗 硕士论文 长玻纤增强反应注射成型一体化工艺研究 所设计的长玻纤增强反应注射成型一体化工艺过程有如下特点：将现行生产线中的 铺设表皮工序改成了上料、辐射加热和表皮成型三个工序，使生产能够实现表皮成型、 反应成型、浇注一体化的目标，解决了现行生产线的两个主要问题，即后铺入的表皮与 模具不贴合以及铺设表皮耗时太长操作麻烦，可改善现行生产线生产效率低下的问题， 同时也可改善产品的质量。 实施长玻纤增强反应注射成型一体化工艺的基本思路： ( 1 ) 、与现有工艺过程相同，不存在改造问题； ( 2 ) 不存在技术难点； ( 3 ) 、则是本次改造的重点，需要解决的关键问题也都集中在这几个工序 中，即上料、辐射加热和表皮成型。 2 3 体化成型工艺过程的关键技术分析 ( 1 ) 关键问题之一：表皮真空吸塑成型工艺 由于浇注需要在凹模上进行，所以采用一体化成型工艺时，表皮的成型只能采用凹 模成型的方法。直接抽真空或采用压缩空气成型时，由于片材与模具之间有很大的空腔， 所以不可避免的会出现以下缺陷：一是成型效率不高，二是片材的变形不好控制，变形 过大时容易造成壁厚不均匀，严重时还会出现破裂等缺陷。由于现行生产线是采用凸模 成型，所以有必要对一体化工艺中的凹模吸塑成型过程进行分析，通过观察片材变形过 程，可以改善上述变形不均匀等的问题，另外，零件的形状以及模具结构( 比如吸塑孔 的位置与数量) 对成型过程的影响，也可以通过分析变成过程来解决。 起伏较大的工件的凹模成型，会有较大的难度。所以先采用凸模拉伸，然后采用抽 真空或采用压缩空气成型则比较容易些，但需要设计拉伸凸模，结构比较复杂。 最好能采用c a e 等分析工具对表皮成型过程进行模拟，可以减少投入。应该尽量 避免使用成型凸模，因为拉伸时片材的温度下降过快，可以采用导热性较差的材料做拉 伸凸模，比如树脂或木模。 ( 2 ) 关键问题之二：片材的加热及定位 片材加热是真空吸塑成型过程中很重要的一道工序，所以在一体化成型工艺中也扮 演了很重要的角色。加热过程中片材的温度分布情况会对成型质量产生影响，什么样的 温度最适合成型，温度的分布会对成型质量产生什么样的影响，这些都要通过对片材加 热过程的分析才能得到。 片材的加热既可以固定在模具上通过辐射加热的方式进行加热，也可以将片材固定 在一个可以移动的框体上先送入加热区进行加热，然后再移至凹模上固定进行表皮成 型。加热方式不同，上料的方式、上料的要求以及上料的位置都可能不同。不管是采用 哪种加热方式，都需要解决片材在模具上的定位和密封问题。 2 长玻纤增强反应注射成型一体化工艺方案 硕士论文 片材在模具上的定位一般采用压边的方式解决，需要注意的是：如果是直接辐射加 热，压边装置可以直接与模具做在一起；如果设计有专门的加热区，片材加热以后需要 移动，所以压边装置则应与拉伸凸模设计在一起；对于异型分型面，密封问题的解决有 较大的难度。 ( 3 ) 关键问题之三：平面布置 采用一体化成型工艺时，从加工需求来说，应该设置四个工位：表皮加热、表皮成 型、浇注、反应成型等。如果采用凸模拉伸后再热成型，而且拉伸凸模和发泡成型凸模 不共用，上述四个工位缺一不可。 凹模至少将在表皮成型( 表皮加热设置在同一工位) 、浇注、发泡成型三个工位之 间交换，在表皮成型工位时需抽真空，在发泡成型工位时需压缩空气，因此，除工作台 其他管线以外，还必须有能与工作台一起交换的真空管道、压缩空气管道等。 如果拉伸凸模和发泡成型凸模共用时，表皮成型工位就可以与反应成型工位合并。 不管采用什么方案，都需要考虑加热装置的结构和布局，以及各个动作的协调。 2 4 本章小结 对现行的l f i 生产线的运行情况、结构特点以及工艺过程进行了分析，指出了现行 生产线存在的主要问题，从而提出了l f i 一体化成型工艺，并且分析了实现一体化成型 工艺过程需要解决的一些关键技术，为后文的展开研究奠定了基础。 1 2 硕士论文长玻纤增强反应注射成塑一体化工艺研究 3 真空吸塑成型的机理及理论模型 3 1 真空吸塑成型的机理 3 1 1 真空吸塑成型的基本原理 真空吸塑成型是塑料的热成型加工工艺之一，它是将成型的塑料板材加热至软化温 度后，密封放置在凸模( 或凹模) 上，利用真空泵将密封模腔中的空气抽出，使模腔产生 真空，在大气压作用下，热塑板材与模具完全贴合，冷却定型而成。对于真空吸塑成型， 受热的材料仅有面与成型模具接触，这样，材料与模具相接触的面就有与成型模具完 全相同的表面轮廓，而成型制件的未接触面的轮廓和尺寸就取决于材料的厚度。根据成 型材料与成型模具的接触面的不同，成型过程可分为凹模成型和凸模成型两种形式【l 。 凸模真空成型又称覆盖真空成型或包模真空成型，工艺过程如图3 1 所示。塑料片 材用夹持框夹紧后加热，抽真空的小孔开在凸模型面上，片材软化后，夹持框下移或凸 模上移，使片材被凸模拉伸，至夹持框与凸模周边接触面密封后，凸模抽真空，大气压 使片材贴附在凸模表面上成型，经冷却定型、吹起脱模、修整后得到制件。在电冰箱中 大量使用的a b s 板材、高抗冲聚苯乙烯板材的热成型基本上均是采用的凸模真空成型 方法。 绎释晕 ( a ) 加热 ( b ) 模具上升 ( c ) 由真空( d ) 制件 1 厚壁区：2 一潭壁区 图3 1 凸模真空成型 凹模真空成型又称直接成型或简易成型，工艺过程如图3 2 所示。片材夹持在凹模 的上表面，凹模底部型腔上开有抽真空的小孔，凹模既是真空室，又是成型腔。片材受 热软化后，凹模抽真空，大气压与真空的压力差使片材被拉伸而紧贴在凹模型腔上成型， 冷却定型后，吹气脱模，经修整后得到制件。 1 3 3 真空吸塑成型的机理及理论模型硕士论文 l 一片材：2 夹具；3 密封件；4 抽真空：5 厚壁区；6 一薄壁区 图3 2 凹模真空成型 用凹模成型法生产深腔型制件，即凹模成型比日：d 1 ：3 ( h 为制件垂直高度，d 为制件长度) 时，为了保证制件的质量，需要对片材进行预拉伸，采用柱塞辅助成型， 又称辅助模芯真空成型。成型时先用夹持框将片材夹紧在凹模模具上，并用加热器将片 材加热到足够的温度，塑料片材经加热软化后，柱塞开始工作，在封闭模底气门的情况 下，将柱塞压入模内。当柱塞向模内伸进时，由于片材下部的反压逐渐使片材包裹住柱 塞而不与模具接触，同时片材被柱塞拉伸并随柱塞下降，柱塞压入的程度以不使片材触 及模底为度。当片材下降至一定程度而停止下降，片材与凹模上部边缘完全接触而密封， 此时从模具底步抽真空，片材继续被拉伸紧贴凹模型面而成型。冷却定型后，柱塞上升， 取出毛坯，经修整后既得制件，此法可提高真空成型的速度以及成型制品的质量 8 - 2 0 。 辅助柱塞真空成型如图3 3 所示。 话母 邕雠 ( a ) 加热片材( b ) 柱塞下移( c ) 抽真空 图3 3 辅助柱塞真空成型 3 1 2 真空吸塑成型的基本工序 大部分真空成型都是在成型机上进行的，无论是哪一种成型机，采用哪种成型方式， 都包括以下基本工序，如图3 4 所示。 图3 4 真空成型工序图 ( 1 ) 材料的夹持 1 4 硕士论文长玻纤增强反应注射成型一体化工艺研究 材料的夹持是当使用塑料片材成型时，为了防止热收缩和自然下垂，对片材四周 进行夹持以保持脱模形状的措施。 夹持框通常由上、下两个机架组成，上机架受压缩空气操纵，可进行上、下移动， 以实现对片材的夹持。夹持系统主要是保证裁成一定尺寸的成型片材能均匀地压在下机 架上，保证物料均匀分布，不漏气；保证片材在成型过程中不出现滑动和弯扭现象。 ( 2 ) 加热 加热系统将片材定时、定温地加热到成型所需温度，成为高弹塑性状态，保证下一 步成型工序的顺利进行。 ( 3 ) 成型 通过模具和各种相关装置，将受热软化的片材塑制成所需要形状的过程。 ( 4 ) 冷却系统 将基本成型的、具有一定温度的制品冷却到热变形温度以下，使制品冷却定型，经 脱模装置脱离模具后，尺寸固定，制品不变形。 3 1 3 真空吸塑成型设备 真空成型设备包括成型机及其相应的加热系统、夹持系统、成型模具及其支承部件、 真空系统、空气压缩系统、电气控制系统等基本部分。前面简单介绍了真空成型的主要 工序及其作用，下面就成型设备的组成及其作用简述如下。 3 1 3 1 夹持系统 对于真空成型来说，夹持系统是很重要的，它必须保持所夹持的塑料片材不会滑动， 而且要有可靠的气密性。 夹持框由上、下两个机架组成，上机架受压缩空气操纵，均衡有力地将片材压在下 机架上，压力可在一定范围内调整，最大的总压力，随设备的大小而变化，可在0 5 5 吨之间。均衡的夹持是保证物料均匀分布的必要条件。被夹持的片材应有可靠的气密性， 否则成型时就有可能发生漏气、片材滑动和片材弯扭等现象。 夹持系统最好采用自动控制，以期动作迅速，可有助于提高制件质量。为满足生产 上的需要，夹持框架大多数做成垂直或水平方向上移动的。 3 1 3 2 加热系统 根据真空成型方法和制件的特点及操作场所的差异，可用不同的加热形式和设备。 因为成型片材的加热方法并无严格的限制，可以是传导加热，也可以是辐射加热。加热 介质可以是油、电、过热水和蒸汽等多种。对于一般片材，可用热板或辐射加热法，较 厚的片材通常先采用另外的烘箱进行预热，以减轻成型机的负荷并提高工作效率。 ( 1 ) 固体传导加热 固体传导加热可分别采用加热板、加热棒或热砂等。 1 5 3 真空吸塑成型的机理及理论模型硕士论文 ( a ) 加热板 加热板属固体传导加热的一种，是热成型机上用于直接加热、内藏加热元件的金属 板。加热板的加热部分，必须能调至规定温度的1 2o c 以内，最好1 0 c ，为此，最 好将加热板安装在不锈钢制造的支持台上，因不锈钢的导热性差，力