（机械制造及其自动化专业论文）可变玻璃纤维增强反应注射成型工艺研究.pdf

硕士论文 可变玻璃纤维增强反应注射成型工艺研究 摘要 可变玻璃纤维增强反应注射成型是一项被广泛用于汽车 家电 建筑等多个领域 的聚氨酯塑料成型技术 该项技术有着广阔的应用前景 在我国 该技术有比较广泛 的应用 但在实际生产过程中仍然存在诸多问题 需要解决 本文结合国内某汽车内饰件有限公司的实际生产过程 对制品成型工艺进行了研 究 分析了成型的基本原理 生产的实际流程 成型过程中发生的复杂化学反应 确 定了成型过程几个重要的工艺参数 并从原材料和工艺参数两个方面对成型过程及制 品质量的影响进行了分析 在选择相同工艺参数和相同原料配方 除玻璃纤维外 的条件下 对选择不同含 量和长度的玻璃纤维增强制品从制品的密度 拉伸强度 弯曲强度 冲击强度 压缩 强度 热下垂 热线膨胀系数等指标进行了性能测试 对测试结果进行了理论分析 利用m o l d f l o w 2 0 1 0 模拟流动分析软件对可变玻璃纤维增强反应成型充填过程进 行了有限元仿真 并用正交试验的方法安排了成型仿真实验 得到在不同工艺条件下 制品的总翘曲变形量 通过级差分析 研究了不同工艺参数对制品翘曲变形程度的影 响 获得最佳的工艺参数组合 关键词 可变玻璃纤维增强 聚氨酯 模流分析 正交试验 垒坚竺 一 硕士论文 a b s t r a c t v a r i a b l eg l a s sf i b e rr e i n f o r c e d r e a c t i o ni n j e c t i o nm o l d i n g i s w i d e i y u s e dm a u t o m o b i l e s h o m ea p p l i a n c e s b u i l d i n g a n do t h e rf i e l d so ft h ep o l y u r e t h a n ep l a s t l c m o l d i n gt e c h n 0 1 0 9 y a l t h o u g ht h i st e c h n o l o g yi sw i d e l yu s e di nm a n yf i e l d s t h e r e a r es t l 儿 m a n yp r o b l e m ss t i l le x i s ti nt h ea c t u a lp r o d u c t i o np r o c e s s t h i sp a p e rc o m b i n e dt h ea c t u a lp r o d u c t i o np r o c e s so f ad o m e s t i cc a rm n e rd e c o r a t l o n c o l t d s t u d i e dt h ep r o c e s so fp r o d u c t sm o l d i n g t h em o l d i n gp r i n c i p l e a n dt h e t u a l p r o d u c t i o np r o c e s s t h ef o m i n gp r o c e s so fc o m p l e x c h e m i c a lr e a c t i o n sw a sa n a l y z e d lh e t e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e f so fs e v e r a li m p o r t a n tm o l d i n gp r o c e s sw a sd e t e n n i n e d a n d t h e i n f l u e n c eo nt h ef o m i n gp r o c e s sa n dp r o d u c t sq u a l i t yw a sa n a l y z e dt h r o u 曲r a w m a t e n a l a n dp r o c e s sp a r a m e t e r s i nt h es a m es e l e c t i o np r o c e s sp a r a m e t e r sa n d t h es a m er a wm a t e r i a l sc o n d i t i o n s w e c o n d u c t e ds o m ep e r f o r m a n c et e s tw i t hd i f f e r e n tl e n g t ha n d c o n t e n t fg l a s sf i b e rp r o d u c t s f r o md i 胁e n ti n d e x s s u c ha s t h ed e n s i t y t e n s i l es t r e n g t h b e n d i n gs t r e n g t h i m p a c s t r e n g t h c o m p r e s s i ns t r e n g t ha n dt h e r m a ls a g g i n g h o t l i n ee x p a n s i nc o e f f i c i e n t a n d s o n f i n a l l y t h et e s tr e s u l t sw e r ea n a l y z e di nt h e o r y u s e dt h es i m u l a t i o na n a l y s i ss o f t w a r em o l d f l o w f o rt h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o no f v a r i a b l e9 1 a s s 袖e rr e i n f o r e e dr e a c t i ni n j e c t i nm o l d i n g a n du s e d r t h g n a le x p e r i m e n m e t h dt 0a f r a n g et h em l d i n gs i m u l a t i ne x p e r i m e n t t h r u g h t h ee x p e r i m e n t w eg o tt h e t o t a lb u c k l i n gd e f o r m a t i o n u n d e rd i f f e r e n tp r c e s s c o n d i t i o n s s t u d i e dt h ew 呻i n g d e f o r m a t i nd e g r e e fm e i n f l u e n c eo fd i f f e r e n tp r o c e s sp a r a m e t e r so n t h ep r o d u c t s g e tt h e b e s tp r o c e s sp a r a m e t e rc o m b i n a t i o nt h r u g ht h ed i f f e r e n t i a la n a l y s i s k e yw r d v a r i a b l ef i b e rr e i n f o r c e p l y u r e t h a n e m o l df l o w a n a l y s i s o n h g o n a l e x p e r i m e n t a l l i 硕士论文 可变玻璃纤维增强反应注射成型工艺研究 目录 摘要孽 i a b s t r a c t i i 1 绪论 1 1 1 课题研究的意义 l 1 2 可变玻璃纤维增强反应注射成型技术的研究概况 3 1 3 存在问题 5 1 4 论文主要研究内容 5 2 可变玻璃纤维增强反应注射成型工艺 7 2 1 可变玻璃纤维增强反应注射成型技术加工的产品 7 2 2 可变玻璃纤维增强反应注射成型原理 加工工艺流程及生产线 8 2 2 1 可变玻璃纤维增强反应注射成型原理 8 2 2 2 可变玻璃纤维增强反应注射成型工艺流程 1 0 2 2 3 可变纤维增强聚氨酯反应注射成型生产线及工艺装备 11 2 3 可变玻璃纤维增强反应注射成型基本化学反应 1 4 2 4 聚氨酯泡沫塑料定型原理 l5 2 5 影响可变玻璃纤维增强反应注射成型的主要因素 16 2 5 1 原材料对可变玻璃纤维增强反应注射成型的影响 1 6 2 5 2 主要工艺参数对可变玻璃纤维增强反应注射成型的影响 1 8 2 6 本章小结 2 1 3 玻璃纤维对其增强聚氨酯复合材料性能的影响 2 2 3 1 玻璃纤维增强聚氨酯复合材料的制备及测试方法 2 2 3 1 1 制备试样的原材料 2 2 3 1 2 制备试样的工艺条件 2 2 3 1 3 实验仪器设备 2 3 3 1 4 性能测试方法 2 3 3 1 5 试样母体制备 2 3 3 2 玻璃纤维含量和长度对其增强聚氨酯复合材料密度的影响 2 4 3 2 1 制品密度评价指标 2 4 3 2 2 实验试样 2 4 3 2 3 实验数据 2 4 目录 硕士论文 3 2 4 结果与讨论 2 5 3 3 玻璃纤维含量和长度对其增强聚氨酯复合材料拉伸强度的影响 2 6 3 3 1 拉伸性能评价指标 2 6 3 3 2 实验试样 2 6 3 3 3 实验数据 2 7 3 3 4 结果与讨论 2 7 3 4 玻璃纤维含量和长度对其增强聚氨酯复合材料弯曲性能的影响 2 9 3 4 1 弯曲性能评价指标 2 9 3 4 2 实验试样 2 9 3 4 3 实验数据 2 9 3 4 4 结果与讨论 3 0 3 5 玻璃纤维含量和长度对其增强聚氨酯复合材料冲击性能的影响 3 1 3 5 1 冲击性能评价指标 3 l 3 5 2 实验试样 31 3 5 3 实验数据 3 2 3 5 4 结果与讨论 3 3 3 6 玻璃纤维含量对玻璃纤维增强聚氨酯复合材料压缩性能的影响 3 4 3 6 1 压缩性能评价指标 3 4 3 6 2 实验试样 3 5 3 6 3 实验数据 3 5 3 6 4 结果与讨论 3 6 3 7 玻璃纤维含量对其增强聚氨酯复合材料热下垂的影响 3 7 3 7 1 热下垂评价指标 3 7 3 7 2 实验试样 3 7 3 7 3 实验数据 3 7 3 7 4 结果与讨论 3 8 3 8 玻璃纤维含量对玻璃纤维增强聚氨酯复合材料热线膨胀系数的影响 3 8 3 8 1 制品热线膨胀系数评价指标 3 8 3 8 2 实验试样 3 9 3 8 3 实验数据 3 9 3 8 4 结果与讨论 4 0 3 9 本章小结 4 0 4 基于c a e 仿真与正交实验结合的多工艺参数优化 4 0 硕士论文 可变玻璃纤维增强反应注射成型工艺研究 4 1 模拟实验基础知识 4 l 4 1 1m o l df l o w 2 0 1 0 软件简介 4 l 4 1 2 正交实验概述 4 3 4 2 可变玻璃纤维增强反应注射成型过程的c a e 仿真 4 4 4 2 1 仿真试验流程 4 4 4 2 2 制品建模 4 4 4 2 3 制品c a e 仿真实验 4 8 4 3 基于正交试验多工艺参数优化 5 0 4 3 1 试验设计与仿真试验 5 0 4 3 2 参数的优化 5 1 4 4 本章小结 5 3 5 总结与展望 5 4 5 1 总结 5 4 5 2 展望 5 4 致谢 5 6 参考文献 5 7 附录 6 0 硕士论文 可变玻璃纤维增强反应注射成型工艺研究 1 绪论 1 1 课题研究的意义 塑料工业是国民经济中的一个重要的行业 由于塑料具备优良的机械和加工性 能 质量轻 电绝缘性能好 耐腐蚀等优点 引起了人们的广泛关注 获得了迅速的 发展 在家电 汽车 仪器仪表 建筑等领域得到了广泛应用 并有以塑代木 以塑 代钢的趋势 热固性塑料作为塑料工业的一项重要分支 近年来也得到了快速的发展 玻璃纤维增强聚氨酯 p u 塑料与普通塑料相比 具有较好耐热性能 较高的 模量 较小的线膨胀系数等许多明显的优点 在汽车塑料部件生产方面得到广泛的应 用 反应注射成型 r e a c t i o ni n j e c t i o nm o l d i n g 简称r i m 工艺是聚氨酯成型的主要 方法 其成型原理是将两种及以上的液态单体或预聚物 在压力作用下 按一定比例 均匀混合后 注射到模具型腔中 快速固化 定型 r i m 工艺流程如图1 1 所示 m p u 该工艺是无增强材料的反应注射成型过程 因此所得的制品存在表面质量 力学性能差等方面的问题 a 组分c 计量 b 组分c 令计量 高压碰 撞混合 付 机械能 图1 1r i m 工艺流程 为了提高制品质量 在其成型过程中加入增强材料 玻璃纤维等 从而衍化出 结构反应注射成型 s t r u c t u r a lr e a c t i o ni n j e c t i o nm o l d i n g 简称s r i m 和增强反应注 射成型 r 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 简称r r i m 两种新工艺 结构反应注 射成型工艺流程如图1 2 所示 增强反应注射成型如图1 3 所示 利用这两种成型技术生产出来的玻璃纤维增强聚氨酯复合塑料制品 基本上能够 满足汽车部件的性能要求 但在实际生产过程中 都存在一些很难克服的缺点 结构 反应注射成型技术生产成本较高 且生产效率低下 增强反应注射成型技术在增强材 料的尺寸和填充用量方面受到很大限制 而且设备使用寿命较短 正因为这些缺点的 存在 严重限制和影响了玻璃纤维增强聚氨酯复合塑料的应用和发展 楔脱 合联化n能 聚交固 执 日 射模注充 嗡 l 绪论 硕士论文 a 组分l 计量 b 组分c 计量 a 组分亡专计量 黧争娶c 计量 增强纤 董 维 言 工崔呈雾 聚合 妻罂日鐾 蓑嚼脱模 撞胃圄器崤日脱1 吴 r 胥 的模 一搽 u i a i 图1 2s r i m 工艺流程 高压碰 撞混合 g 机械能 图1 3r r i m 工艺流程 可变玻璃纤维增强反应注射成型 v a r i a b l ef 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 n m o l d i n g 简称v f i 是在结构反应注射成型工艺的基础上 开发的一种新型增强反应 成型生产技术 德国克劳斯玛菲 意大利佳能等公司成功开发该项成型技术 它是一 项在混合头内添加不同玻璃纤维用量和长度的增强反应注射成型技术 它正以其高效 性 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 而广泛应用于热 固性塑料制品的生产中 该项技术的原理是利用切碎机将连续玻璃纤维按 定长度切 断后 按照一定的质量分数在压力作用下与料液在混料腔中充分混合 最后注入模具 型腔内经过反应 固化后成型 因为该技术加入的玻璃纤维长度要比增强反应注射成 型技术中的长 因此又可称之为长玻璃纤维增强反应注射成型技术 v f i i 艺与s r i m 工艺相比有明显优点 1 不需在模腔内预置玻璃纤维毡 降低了劳动强度 缩短了生产周期 还可 根据需要调整产品中纤维含量 2 制品成本明显降低 据统计 v f i i 艺和s r i m 工艺相比 一般可节省费用 15 2 0 3 控制精确高 较高的控制精度 不仅减少废料 而且避免了结构反应注射 成型工艺中 因浸润不良而产生空隙 更有利于生产形状复杂的大型制品 4 制品密度相对均匀 力学性能较高 采用该技术生产的产品有 行李箱托盘 车门板 导流板 车身护板 扰流板 以及轻型卡车的外壳等等 目前 国内大部分汽车内饰件的生产企业仍然采用传统的 聚氨酯反应注射成型工艺方法 这样不仅生产效率低下 而且造成了人力 物力的浪 2 楔脱j 合联化口能 聚交固 热 曹 射模注充 日 硕士论文 可变玻璃纤维增强反应注射成型工艺研究 费 2 0 0 7 年 国内某汽车内饰件有限公司从德国引进了可变玻璃纤维增强反应注射 成型技术 在实际生产过程中 存在生产效率较低 制品的质量难以控制等问题 导 致产品质量出现较大的波动 制品质量的好坏和生产效率的高低直接影响成型工艺技 术的应用和推广 因此 对可变玻璃纤维增强反应注射成型生产工艺进行研究是非常 必要的 也是必须的 通过研究 对可变玻璃纤维增强反应注射的成型机理将有更透 彻的理解的同时 大大的提高现有的生产效率和制品的质量 对于提高我国的可变玻 璃纤维增强反应注射成型技术水平和技术的推广都将产生巨大的作用 总而言之 系 统地研究可变玻璃纤维增强反应注射成型工艺有着重要的科学意义 1 2 可变玻璃纤维增强反应注射成型技术的研究概况 对于1 9 9 5 年新开发出来的可变玻璃纤维增强反应注射成型技术 国内 并没有 太多有针对性的研究 多数的研究集中在玻璃纤维增强聚氨酯材料的增强机理和破坏 机理方面 仅有少数学者通过试验研究了工艺参数对玻璃纤维增强反应注射成型塑料 制品的表面质量和力学性能的影响 缺少机理分析 针对反应成型技术的研究相对较 多 因此 在进行可变玻璃纤维增强反应注射成型技术的研究时 应充分的应用反应 注射成型的研究成果 在国内 黎明化工研究院李俊贤院士较早地开展了对m 方面的研究 取得了比较 丰硕的成果 其研究发现了异氰酸脂的各类特性 聚合多元醇的化学结构特性以及 m 的反应活性等因素对刚m 制品材料力学性能方面的基本影响规律 闻狄江刚 杨振国 引 卢子兴 4 李国忠 5 李再新 6 等开展了短切玻璃纤维增强材料对聚氨酯流 变特性 微观结构和力学性能的影响等方面的研究 其研究表明玻璃纤维的形状 含 量 和长度等都对聚氨酯复合材料各项性能有重要影响 同时玻璃纤维的表面处理有 助于改善纤维与树脂的结合效果 从而提高复合材料的强度 武汉理工大学的唐红艳 等对结构反应注射成型工艺和制品性能进行了较为深入的研究 综合运用d m t a t g d s c t e m s e m c o n f o c a l l s m 以及绝热温升等多种手段系统研究了s r i m 制品的材料体系 工艺参数 以及s r i m 制品的形态和性能 建立了p u 类复合材料 的工艺 形态和性能的关系 7 j 黎明化工研究院杜俊超等 8 对低密度长玻璃纤维增强 反应注射成型在聚氨酯材料的配方 工艺条件和制品性能等方面进行了研究 在没有 考虑工艺参数和模具结构的综合影响因素下 确定了较为合适的配方和工艺条件 刘帅在分析长玻璃纤维增强反应注射成型工艺的基础上 对于长玻璃纤维增强反 应注射成型聚氨酯制品质量进行了研剜9 杜俊超等人通过单因素试验方法 对物料 温度 模具温度等工艺参数对制品的外观性能的影响进行了研究 认为工艺参数对于 制品外观性能影响较突出 10 1 王士才等对增强反应注射成型聚氨酯及其性能进行了研 3 1 绪论硕士论文 究 1 1 1 蔡洪能等在玻璃纤维增强树脂基复合材料性能的研究中提出 聚氨酯复合材料 的力学性能具有时间 温度相关性 也就是说 其力学性能不仅是时间的函数 也是 温度的函数i l 引 李国忠等在玻璃纤维对硬质聚氨酯泡沫塑料增强机理方面进行了研究 13 1 卢子兴等针对玻璃纤维增强聚氨酯泡沫塑料的压缩力学性能和冲击力学性能进行 了研究 1 4 1 5 在国外 s i e g m a n na 和r e m i l l a r db 等对增强p u 材料的力学性能与密度的关系 的研究中 表明增强p u 材料的拉伸强度和压缩模量基本与泡沫基体的密度成线性关 系 1 6 1 7 g e r k i ngm 等研究了用硅烷偶联剂经过表面处理的玻璃纤维对增强p u 材 料的拉伸和压缩性能的影响 研究表明 经过表面处理的玻璃纤维的增强效果明显好 于未经表面处理的玻璃纤维 18 1 g a s s a nj 等的研究发现 当p u 基体与纤维之间的截 面粘结强度过大时 复合材料的冲击强度和韧性反而会下斛 j 一个影响砌m p u 制品性能的重要因素就是玻璃纤维的长度 c o t g r e a v et 等根据断裂发生在远离纤维 界面的破坏机理 提出泡沫塑料密度和基体材料的剪切强度决定增强聚氨酯泡沫材料 的临界纤维长度幽j 国内外学者对r i m 过程中的料液的流动状况进行了大量的研究 在国内 任世 杰等对砌m 充模过程中气泡的卷入情况进行了分析 认为对气泡缺陷的分析应分为 大气泡和小气泡两类进行 2 1 1 俞鸿斌等利用m p i 技术对于注射成型流动过程进行了 数值模拟研究 2 2 1 冯小军等对反应注射成型过程进行了研究 2 3 1 申长雨等对r i m 充 模数值模拟提出研究的方向 认为可以通过d a r c y 定律对树脂流过纤维毡片的复杂机 理来进行理论性的描述 型腔内的压力分布可以用控制体积有限元进行计算 2 4 1 郑州 工业大学的刘春太等人在注塑熔体数学模型的基础上 利用有限元分析方法对注塑熔 体的流动过程进行了数值模拟 2 5 任世杰等采用混合数值方法进行了三维r i m 充模 过程数值模拟 显示模拟结果是相对于模腔中部而言 模具型腔两侧壁面对温度和转 化率的影响较大 2 6 1 国外 ajm a t eu s 对r i m 中流体的温度与流动状态进行了模拟 分析与验证 2 7 d o n gi i n 建立了p u 的r i m 数值模拟模型与流动填充理论模型 模拟 结果显示初始流入部分的密度与热传导率相对较低 2 8 j n i t i nr 对r i m 过程中流体 的压力 温度 速率分布等进行了全面的有限元模拟分析 2 9 1 r i c a r d oj 则从r i m 过 程中流体的混合过程 动态特性及化学反应三个方面进行了模拟分析 j 国内外学者通过对聚氨酯成型机理的研究 在化学反应对制品质量的影响方面 也取得了显著成绩 刘剑洪等对聚氨酯合成反应动力学进行了研究 利采用化学方 法 提出了研究聚氨酯合成反应动力学的两种理论模型 3 1 潘碧莲等结合传统反应 成型工艺的开发 研究对m 聚氨酯体系快速反应动力学 采用绝热法 为r i m 工 艺的开发提供了必要的动力学数据 3 2 1 王伟力等建立了聚氨酯发泡过程的模型 模拟 发泡全过程 探讨了影响发泡过程的相关因素 从理论上获得预期聚氨酯模塑体的密 4 硕士论文 可变玻璃纤维增强反应注射成型工艺研究 度及分布 3 3 总而言之 国内对于可变玻璃纤维增强反应注射成型工艺的研究尚处于理论研究 的初始阶段 反应成型技术水平与国外发达国家相比较 要落后近2 0 年 国外经济 发达国家对r i m 技术的研究比较成熟 但不充分 对于可变玻璃纤维增强反应注射 成型新工艺 在成型机理方面的研究存在不足 因此 对可变玻璃纤维增强反应注射 成型工艺进行系统研究是有必要 1 3 存在问题 尽管目前在国内外对对m 的研究比较多 但是作为新工艺的可变玻璃纤维增强 反应注射成型在成型机理方面研究却相对较少 尚未系统全面确定p u 材料 增强材 料和工艺参数等因素对其发泡过程的影响程度 针对玻璃纤维长度 含量等参数对玻 璃纤维增强反应注射成型制品的密度 力学性能 热性能的影响情况 缺少系统的实 验研究 在对r i m 充模过程进行模拟的较多 但针对v f i 充模流动过程分析较少 大多 利用模流分析软件对于制品成型过程进行充模流动过程进行分析 从而进一步分析预 测成型制品的外观质量 如对制品是否存在气穴 表皮气泡多 填充不足 溢料等进 行预测 对于成型过程中 工艺参数对于成型过程及成型制品的质量 翘曲变形量 分析甚少 而且在分析过程中 存在缺陷 表现在 在充模过程中 忽略了p u 熔 体为固 液两相的混合物 将充模过程的数值模拟视为二维或两维半的模拟过程 在充值模拟过程中 将v f i 工艺中的浇注过程 忽略为注模过程 不能真正反映其 充模过程 1 4 论文主要研究内容 本文研究以国内某汽车内饰件有限公司从德国引进的德国可变玻璃纤维增强反 应注射成型技术 k r a u s s m a f f e i 生产线 为依托 以可变玻璃纤维增强反应注射成型 聚氨酯复合材料为对象 对可变玻璃纤维增强反应注射成型工艺进行研究 以达到合 理选择工艺参数 提高制品质量和生产效率的目的 因此 本论文主要研究以下内容 1 在可变玻璃纤维增强反应注射成型工艺及发泡机理研究的基础上 进一步 研究原材料和工艺参数对于成型过程的影响 对p u 材料的可变玻璃纤维增强反应注射成型原理 成型工艺及发泡机理进行系 统的研究分析 并在实验中进一步观察比较 着重研究了原材料及物料温度 模具温 度 合模时间 脱模时间等工艺参数对发泡过程产生的影响 根据上述条件 拟订实验方案 对各个影响因素采用单因素变量比较实验来确定 单因素对p u 发泡的影响程度 气 1 绪论硕士论文 2 玻璃纤维对制品性能影响的研究 玻璃纤维的加入是可变玻璃纤维增强反应注射成型工艺的鲜明特点 在成型过程 中 玻璃纤维的含量和长度均可以根据需要进行设置 而且对同一制品的不同位置可 以设置不同的玻璃纤维含量和长度 选择合理的实验方案和测试方法 在相同原料组 分配比和工艺环境下 分别研究不同玻璃纤维长度和不同玻璃纤维含量对制品各项性 能的影响 使得在实际生产中能够根据制品质量要求来把握对玻璃纤维长度和含量的 控制 制品材料的性能主要从其密度 力学性能和热性能三个方面进行研究 着重研 究玻璃纤维长度和含量对产品力学性能产生的影响 3 基于c a e 仿真与正交实验结合的多工艺参数优化 由于可变玻璃纤维增强反应注射成型的p u 熔体为固 液两相的混合物 实质上 与传统的牛顿流体有很大的区别 但可以通过借鉴牛顿流体和非牛顿流体的粘度模型 来比较分析 通过上述建立的模型 利用a m i 技术 结合控制体积法 确定p u 熔 体在各个空间网格的物理特性 通过边界条件确定p u 熔体前沿在模腔中的位置 从 而模拟出任意时刻模腔中熔体前沿位置的等值线图 就可以直观地模拟出充模过程状 态 用正交试验的方法安排了成型仿真实验 进行制品成型翘曲分析 得到在不同工 艺条件下制品的最大翘曲变形量 通过级差分析 得到了不同工艺参数影响制品翘曲 变形的程度 最后分析出最佳的工艺参数组合 从而优化模具设计及工艺参数设置 以获得高质量的制品 6 硕士论文可变玻璃纤维增强反应注射成型工艺研究 2 可变玻璃纤维增强反应注射成型工艺 2 1 可变玻璃纤维增强反应注射成型技术生产的产品 利用可变玻璃纤维增强反应注射成型技术生产成型的部分产品如图2 1 所示 a m c cr o a d s t e r 顶部模块 b 福特f a l c o n 轿车保险杠 鬻 鱼 激 c 大众d l 的侧护板 d 奔驰车的车身部件 e j e e p 引擎盖 f s m a r t 轿车的顶部模 图2 1v f i 技术加工的产品 7 2 可变玻璃纤维增强反应注射成型工艺硕士论文 可变玻璃纤维增强反应注射成型技术不仅可以生产以上产品 还可以生产导流 板 车身护板 扰流板 仪表盘等各类汽车内 外饰件 2 2 可变玻璃纤维增强反应注射成型原理 加工工艺流程及生产线 2 2 1 可变玻璃纤维增强反应注射成型原理 可变玻璃纤维增强反应注射成型工艺是一种可在混合头处将玻璃纤维与聚 氨酯材料浸润的特殊聚氨酯 p u 增强成形技术 成型的基本原理如图2 2 所示 液体状态的p u 原料经过计量泵按一定配比送入混合头与经切碎机定长切断的长玻璃 纤维绵纱混合 混合均匀 注射入模具 在模具内经反应 固化 冷却 脱模后即为 泡沫塑料制品 图2 2 可变玻璃纤维增强反应注射成型原理 其成型过程包括8 个重要环节 具体如下 1 原液的贮存 可变玻璃纤维增强反应注射成型主要的原液有两种 异氰酸酯和多元醇 均储存在的原液贮槽内 原液温度一般要求保持在2 0 4 0 c 之间 控制精度在 士l 之内 因此必需对原液贮槽进行适当的加热或冷却 通常通过对原液的搅 拌来防止原液在贮槽内冷却结晶 2 原液的计量 原液的计量用液压计量泵进行计量输出 计量泵采用活塞式或螺杆式 计量泵在 吸入原液时存在压力 所以原液一般控制在0 2 珈 3 m p a 的低压状态下进行循环 注 模时 经低高压转换装置转换后注入模具 两种原液的正确配比 对成型过程有着很 大的影响 因此计量精度要求较高 至少达到士1 5 3 原液的混合 在反应成型过程中 混合质量直接影响产品的质量 因此原液的混合充填是反应 8 硕士论文 可变玻璃纤维增强反应注射成型工艺研究 注射成型中一个重要环节 而可变玻璃纤维增强反应注射成型工艺 v f i 在原液 混合的同时加入一定数量和长度的玻璃纤维 这样要达到均匀混合的要求 就 更难保证 因此原液和玻璃纤维混合环节更是确保产品质量的重要和关键环节 可变玻璃纤维增强反应注射成型原液的混合采用高压撞击混合方式 原液高压 注入时 原液的压力使各组分以高速相互撞击 达到混合 浸润的目的 可变 玻璃纤维增强反应注射成型在原液混合时 玻璃纤维在混合头中直接与原液混 合物相混合 浸润 采用的混合方式为连续的玻璃纤维经纤维切碎机定长切断 后 进入接在混合头内中心管 玻璃纤维在出料口被泵入的反应混合物浸渍 混合 4 充模 可变玻璃纤维增强反应注射成型充模方式不同于传统 m 成型注模方式 在 模具设计时不需要浇口 流道等结构 注模采用开口浇注法 即直接控制机械手将原 料浇注到开启的模具内 固定着混合头机械手受电脑程序控制在模腔上方按规律移 动 将玻璃纤维与p u 物料混合物体浇注到模具型腔内表面 这种浇注方式与传统的 相比较存在着明显的优势 控制精确 避免了因浸润不良而产生的空隙 这种浇注 方式适用于形状复杂的大型塑料制品的加工 而且可减少废料 降低加工成本 1o 闭合模具前 原料以分散在模具的各个部位 因此闭合模具时原料的流动距离不可能 过长 理想状态下可以避免玻璃纤维分布均的现象 反应注射成型过程并非简单 的物理变化过程 且存在复杂的化学反应 因此制品成型后不会出现明显的熔接痕 相对而言 这种浇注方式也存在明显的缺陷 当混合料液粘度较低或模具内腔型面起 伏变化较大时 混合料液不可能按照设想的状态停留在模具型腔内壁的各个部位 而 会向下滑落 在闭合模具时 原料仍然需要流动较长距离充满模具型腔 成型原料粘 度较低 还可能导致空气进入模具型腔 5 反应固化 反应固化过程是可变玻璃纤维增强反应注射成型中的又一个重要环节 原料不 仅发生着单纯的物理变化 而且进行着复杂的化学变化 其中包括 聚合反应 发泡 反应 交联反应等 在反应过程中产生的气体 经成核 膨胀后被物料包围 逐渐冷 却成型 形成聚氨酯泡沫塑料 在反应固化阶段 不仅整个体系的温度发生了较大的 变化 而且对制品质量影响也非常关键 因此 对反应固化阶段的研究是很有价值的 6 冷却 反应固化结束后 制品还需在模具内保存一定时间 这段时间称之为冷却时间 冷却的目的是为了制品能够达到脱模的强度及实现应力均衡 冷却时间的长短由物料 的特性所决定 不同配比原料制成的玻璃纤维增强聚氨酯复合材料所需要的冷却时间 不尽相同 玻璃纤维增强聚氨酯复合材料与传统的对m 制品相比较 冷却时间较短 9 2 可变玻璃纤维增强反应注射成型工艺硕士论文 一般仅需几分钟 7 脱模 聚合物冷却 压力下降 即可脱模 借助于脱模机构完成脱模过程 形状复杂的 大型制品大多借用机械顶出机构完成脱模工序 3 引 中小型制品 通常采用机械或手工 脱模 脱模过程分三步 第一步开模 将上部半膜与制品表面脱离 此部要求聚合物 玻璃纤维增强聚氨酯复合材料 的撕裂强度及锁模装置的压力均大于开模的应力 第二步取出制品 若聚合物为高模量体系时可用顶出销 脱模时制品应具有足够的初 始强度来承受弯曲应力 第三步制品取出后应立即放置与形状相似的托架上 保持制 品的形状不变 防止发生翘曲 8 修饰 制品在脱模后必须进行一些后处理 修饰就是其中重要的一环 比如因模具密封 问题而产生的制品飞边 通过修饰将其去除 如果塑料制品的性能要求较高时 还需 通过热处理对制品进行修饰 2 2 2 可变玻璃纤维增强反应注射成型工艺流程 在塑料制品实际生产过程中 为满足制品的某些性能指标要求 还需在充模前做 一些准备工作 1 为达到制品表面美观的要求 紧贴凹模型腔壁铺设由真空吸皮成型机加工 的表皮 聚氨酯发泡成型后 表皮与塑料制品粘接在一起 成为制品的完整结构 2 用以加强局部强度和形成螺纹结构的金属嵌件通过磁力吸附在凸模指定位 置 可变玻璃纤维增强反应注射成型的生产流程示意图如图2 3 所示 1 0 图2 3 可变玻璃纤维增强反映注射成型生产流程示意图 硕士论文可变玻璃纤维增强反应注射成型工艺研究 2 2 3 可变纤维增强聚氨酯反应注射成型生产线及工艺装备 2 2 3 1 生产线总体布局 可变纤维增强反应注射成型自动生产线的总体布局如图2 4 所示 采用直线排列 的方式 由主机 模架 小车三个单元组成 主要设备包括1 6 4 0 型可变纤维增强反 应注射成套关键设备 物料输送 压力机及模具等配套设备等 该生产线如图2 5 所 示 主要用于生产一些汽车内饰件制品 如汽车仪表台等 下面介绍该生产线的基本 组成 图2 4 可变纤维增强反应注射成型生产线总体布局图 2 2 3 2 各单元功能及组成 1 主机单元 玻璃纤维增强聚氨酯 s t a r l 6 4 0 型聚氨酯注射成型成套加工设备是该生产线的主 机单元 其主要功能模块如图2 6 所示 其中浇注机器人是其主要模块之一如图2 7 所示 图2 5 可变纤维增强反应注射成型生产线 一嘎稍韶一瑁州盎 2 可变玻璃纤维增强反应注射成型工艺 硕士论文 主机单元主要功能 1 控制双组分原料的低压温度 混合比例 高压温度 2 物料的搅拌 过滤 补料等 3 控制混合头的温度 4 注射位置的激光定位 5 1 反应注射成型轨迹编程与控制 6 自动清洗混合头 图2 6 主机单元的功能模块 图2 7 浇注机器人 2 模架单元 模架单元是生产线的成型单元 主要功能模块如图2 8 所示 压力机是该单元的 主要设备如图2 9 所示 模架单元主要功能 1 提供浇注空间 2 模具安装 完成开模 合模动作 3 调节模具温度 压缩空气及真空系统 1 2 硕士论文 可变玻璃纤维增强反应注射成型工艺研究 图2 8 模架单元功能模块 图2 9 压力机 3 小车单元 小车单元是整个生产线的物料自动输送单元 沿导轨移动搭载机械手及浇注装置 的小车根据各模架单元的要求完成聚氨酯的浇注任务 其主要功能模块如图2 1 0 所 示 其中的坦克链轨道如图2 1 l 所示 小车单元主要功能 1 接收运送指令 将主机单元中的机器人运送到压力机指定位置 2 主机单元与压力机之间的桥梁 负责相关作业信息的输送 3 控制与主机单元 压力机之间的通信 图2 1 0 小车单元功能模块 1 3 2 可变玻璃纤维增强反应注射成型工艺硕士论文 图2 1 1 坦克链轨道 2 3 可变玻璃纤维增强反应注射成型基本化学反应 可变玻璃纤维增强反应注射成型在成型过程中发生着复杂的化学反应 其中包 括 聚合反应 发泡反应 交联反应等 在成型过程中 原材料及模具温度 原料温 度等工艺参数直接影响成型过程中的各种化学反应程度和速度 最终将影响制品的成 型时间和成型质量 可见正确地分析成型过程中的各种化学反应对于分析成型机理意 义很大 可变玻璃纤维增强反应注射成型后的产物为聚氨酯 它是一类主链含有较 d 多氨基甲酸酯基 一n h c 一0 一 的高分子化合物 全称聚氨基甲酸酯 简称p u 聚氨酯泡沫塑料的成型是一个非常复杂的过程 涉及多个化学反应和热传导问题 2 2 1 主要发生的化学反应有 1 异氰酸酯同多元醇及二醇扩链剂生成氨酯 2 异氰酸酯与二醇或二胺扩链剂生成氨酯或脲 3 异氰酸酯同端氨基聚醚 二胺扩链剂生成脲 4 异氰酸酯三聚 除了上述四种主要反应外 还可能发生 异氰酸酯同氨酯基团发生反应生成脲基 甲酸酯 异氰酸酯同脲基化合物反应生成缩二脲化合物 有水存在时会发生放出二氧 化碳 生成含脲化合物的反应 在这些反应过程中 有的放出热量 有的吸收热量 比如 凝胶反应就是一个放热反应 而发泡反应是一个吸热反应 在设计制品成型工 艺时 更好的运用和控制两项反应的热平衡问题 对于保证或提高制品的质量十分重 要 反应注射成型的机理可以理解为 无机化学中酸和碱发生中和反应生成盐和水 而有机化学中 酸和醇进行酯化反应生成聚氨酯 氨基甲酸酯 和二氧化碳气体 c 0 2 异氰酸酯 n c o 显弱酸性 聚酯多元醇或聚醚多元醇 o h 显弱碱性 1 4 硕士论文 可变玻璃纤维增强反应注射成型工艺研究 各种化学反应速度可以通过催化剂来调节控制 也可以通过调节原料温度 模具温度 环境温度等进行控制 同时 可以通过加入发泡剂控制泡孔的大小和多少 通过泡沫 稳定剂调节泡孔的均匀度 3 5 由化学发泡剂 水 与异氰酸酯反应生成c 0 2 气体和 低沸点物理发泡剂 如氟利昂 受热气化是泡孔生长所需气体的两种主要来源 物理 发泡剂中氟利昂有着良好的发泡效果 但因对大气臭氧层严重的破坏性 而被禁止使 用 因此目前开发了全水发泡 变压真空发泡 二氧化碳发泡等无氟发泡技术 在实 际成型过程中 聚氨酯泡沫塑料采用的原料配方如表2 1 所示 3 6 o 为增强聚氨酯塑 料制品的各项力学性能 在玻璃纤维增强聚氨酯泡沫塑料成型时 还需加入一定长度 和质量分数的玻璃纤维 表2 1 聚氨酯泡沫塑料发泡配方原料及作用 原料名称主要作用 异氰酸酯 多元醇 交联剂 催化剂 发泡剂 水 阻燃剂 防老剂 颜料 主要反应原料 主要反应原料 提高泡沫的机械性能 如弹性等 催化发泡及凝胶反应 气泡的主要来源 转移反应热 避免产生 焦烧 链增长剂 产生二氧化碳气泡的原料来源 使泡沫塑料具有阻燃性 提高抗热 氧 湿老化性能 提供各种色泽 2 4 聚氨酯泡沫塑料定型原理 在聚氨酯泡沫塑料成型过程中 成型初期是一个气液并存的体系 在模具型腔内 均匀混合的液体中会出现大量均匀的气泡 这些气泡极不稳定 可能塌陷 也可能膨 胀 因此在成型过程中必须经过膨胀和固化定型的过程 影响气泡出现 塌陷和膨胀 的原因很多 其中最主要的影响因素是成型工艺 这些因素之间也相互交叉影响 因 此 与传统不发泡塑料成型相比较聚氨酯泡沫塑料成型的难度更大 聚氨酯泡沫塑料 成型必需经历三个阶段 气泡核的形成 决定了泡体中泡孔的分布和密度情况 气泡核的膨胀 直接影响泡体的几何形状和结构 泡体的固化定型 固化定型的时 机和速度直接影响膨胀结果的巩固 对于各阶段其成型机理不同 从而对塑料的成型 定型过程的影响也不相同 因此 对发泡成型机理进行分析研究时必须分段进行 3 7 1 1 气泡核的形成阶段 聚氨酯泡沫塑料成型过程中 气泡核的形成是因为发泡反应和缩聚反应的结果 15 2 可变玻璃纤维增强反应注射成型工艺硕士论文 包括发泡剂在内的原材料均匀混合物发生发泡反应产生二氧化碳气体 使气泡的形成 成为可能 同时 因缩聚反应使液体粘弹性逐渐增加 液体具有了包住二氧化碳气体 的足够强度 从而形成大量的气泡 随着发泡反应的继续深入 二氧化碳气体的生成 将会更多 这些气体不仅会形成新的气泡 而且会使原来的气泡核逐渐膨胀 形成较 大的泡体 随着缩聚反应的继续深入 产生的树脂溶液将逐渐失去流动性 使泡体固 化成型 2 气泡核的膨胀阶段 气泡核形成之后 因发泡反应的继续 二氧化碳气体的增加 使气泡核开始膨胀 气泡内气体的压力是膨胀的主要动力来源 聚合物熔体或液体的粘弹性是气泡膨胀的 阻力 因此聚合物熔体或液体的粘弹性和发泡反应的程度都是影响膨胀阶段的重要因 素 发泡反应产生的气体越多气泡核内的气体压力越大 越有利于气体的膨胀 粘弹 性过大 气泡膨胀阻力增大 不利用气泡核的膨胀 粘弹性过小又不具备包住气体的 足够强度 造成气泡核的破裂 因此 只有了解了影响气泡膨胀动力和阻力的各因素 和各因素之间的关系 才能有效控制气泡的膨胀阶段 3 气泡核的固化定型阶段 在可变玻璃纤维增强反应注射成型初期 反应混和物是一个气 液 固三相并存 的体系 已形成的气泡核可能继续膨胀或合并 也可能塌陷或破裂 这样的体系极其 不稳定 气泡所处的动力学状态决定了泡核的最终走向 引起这些情况的原因很多 但主要原因是气泡核在熔体中的平衡关系 当熔体中气体大于气泡核内气体的压力 时 气体就会向气泡核中扩散 气泡核膨胀 当熔体中气压比气泡核内压力的多时 气体向气泡核中扩散的速度会过快 气泡核膨胀过快 如果熔体的粘弹性不能支撑膨 胀的负载 就会导致气泡破裂 聚氨酯泡沫塑料是一种热固性塑料 在成型过程中 缩聚反应和发泡反应同时进 行 随着缩聚反应的继续深入 增长的分子链逐步网状化 液体的粘弹性逐渐增加 最终失去流动性 各种反应完全结束后 塑料制品固化成型 分子结构发生变化是泡 体固化的主要原因 因此 想通过提高固化速度 缩短固化时间来提高生产效率 就 必须加速缩聚反应速度 分子结构交联的程度决定了聚氨酯泡沫塑料的粘弹性和流动 性 因此气泡核膨胀和固化的速度必须适应聚合物缩聚反应的程度 2 5 影响可变玻璃纤维增强反应注射成型的主要因素 2 5 1 原材料对可变玻璃纤维增强反应注射成型的影响 1 聚醚多元醇 聚醚多元醇是影响原液和制品性能的主要因素之一 其反应活性 官能度 分子 1 6 硕士论文可变玻璃纤维增强反应注射成型工艺研究 量和粘度等都是聚醚多元醇影响制品性能的主要因素 反应活性对可变玻璃纤维增强 反应注射成型工艺有重要作用 聚醚多元醇具有越高的反应活性 在成型过程中 反 应速度就会越快 相应制品的生产速度就会加快 从而 达到缩短生产周期 满足大 批量生产的需要 聚醚多元醇的粘度影响与异氰酸酯碰撞混合的效果 粘度越小 越 容易混合均匀 制品的质量就越好 聚醚多元醇的粘度同其官能度和分子量有着密切 的关系 一般官能度高的粘度也高 分子量增加其粘度也会升高 由于聚氨酯材料的 耐热性能较低 长玻璃纤维加入后 制品的导热更不均匀 在高温下容易起泡 因此 选择羟值较大 官能度较高的聚醚多元醇 可改善制品的耐热性能 然而这类聚醚多 元醇粘度较大 流动性差 与长玻璃纤维浸润不良 将影响制品的表面性能和制品的 物理性能 因此应该适量加入羟值较大 官能度和粘度较小的聚醚多元醇 达到改善 原液的流动性及制品韧性的目的 2 异氰酸酯 异氰酸酯是形成聚氨酯的主要组分之一 制备玻璃纤维增强聚氨酯材料常用多亚 甲基多苯基异氰酸酯 p a p i 含有较高的苯环 活性大 耐热性好 制品交联度高 异氰酸酯的对称