长玻纤增强反应注射成型生产线开题报告

南 京 理 工 大 学毕业设计(论文)开题报告学 生 姓 名：学 号：专 业 ： 机械工程及自动化设计 (论文 )题目 ： 长玻纤增强反应注射成型生产线控制系 统 设 计指 导 教 师 :开题报告填写要求1开题报告（含“文献综述” ）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效；2开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见；3 “文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于15 篇（不包括辞典、手册） ；4有关年月日等日期的填写，应当按照国标 GB/T 74082005数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2007 年 3 月 15 日”或“2007-03-15”。 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2000 字左右的文献综述：文献综述摘要：本文介绍了反应成型和长玻纤增强反应成型原理和工艺，讨论了长玻纤增强反应成型材料的增强和破坏机理，论述了长玻纤增强反应成型特点及其主要应用领域。关键词：反应注射成型（RIM） ；长玻纤增强反应注射成型（ PULFI） ；长玻纤一、引言反应注射成型工艺(RIM)是从 70 年代发展起来的一项新型高分子加工技术，反应注射成型具有工艺简单、设备能耗低、生产周期短、劳动强度低、易于实现自动化连续生产等诸多特点,适合结构复杂、薄壁、大型制品的成型等优点,目前在汽车、仪表、机电产品、建筑、制鞋、印刷、印染等行业等领域应用十分广泛,使用的树脂有聚氨酯、环氧树脂、聚酯甲基丙烯酸系共聚物、有机硅等。增强反应注射成型（RRIM）聚氨酯，是在 RIM 聚氨酯基础上完善发展起来的，它是在 RIM 聚氨酯中加入增强剂，使之在保持 RIM 工艺的基本优点基础上，又赋予RIM-PU 更多的优异性能。RRIM 制品具有模量高、耐热性能好、线膨胀系数小等特点，因而特别适合替代钢材做汽车车体和各种结构部件。RRIM-PU 所用的增强剂一般有玻璃纤维、碳纤维、尼龙纤维及不锈钢纤维等，而用量最大的为玻璃纤维。玻纤 RRIM-PU 是在 RIM-PU 基础体系中添加玻璃纤维，以提高和改善复合材料的刚性和热稳定性能，同时亦可以降低制品成本，因此，自 80 年代以来，玻纤 RIM-PU得到迅速发展和应用，美国目前 RRIM-PU 产量已占 RIM-PU 的 55%以上。而我国的玻纤 RRIM 起步较晚，也相对较落后，因此对玻纤 RRIM-PU 研究具有重要的现实意义和应用价值。二、反应注射成型原理和工艺所谓“反应注射成型 RIM (Reaction Injection Moulding)”是一种成型热固性树脂的特殊注射成型方法。它是由低粘度高活性的原料,经过高压碰撞混合,在模腔中发生聚合反应,直接固化成型为塑件的特殊注射成型方法。因为热固性树脂液态单体的聚合、聚合物的造型、定型是在一个流程中完成的,所以也称为“一步法”注射技术。1.1 反应注射成型（RIM）工艺反应注射成型（RIM）用两种主液体,使用不同的催化剂、发泡剂和改性剂 ,可得到硬质或软质、密度不同的发泡体制品。反应注射设备一般都包括两组液料的供给系统和液料泵出、混合及注射系统。RIM 材料的固化时间一般少于 1 min,通常是 20 s,与大多数塑料加工过程不同,周期时间同制品壁厚相对无关。目前大多数 RIM 材料皆以聚氨酯树脂为基础,聚氨酯反应注射的两种主浆料是多元醇和二异氰酸酯,每种原料浆中除树脂外,还常加入填料和其它添加剂。其成型过程通常由成型物料准备、充模造型和固化定型三个阶段组成。首先将异氰酸酯和多元醇两种原料分别放入两只容器内,精确控制桶内物料的温度,两种原料分别通过各自的加热系统及定量泵进入混合注射器内混合,材料混合后发生化学反应,然后迅速、完全被注射入模具型腔内,待固化后即可启模。反应注射成型工艺流程见图 1。图 1反应注射成型工艺流程图三、长玻纤增强反应注射成型法（PU-LFI）长玻璃纤维增强聚氨酯反应注射成型工艺(PU-LFI)是在聚氨酯反应注射成型工艺基础上开发的一种新型增强 PU-RIM 生产技术。该技术是在高压浇注机混合头附近将长玻璃纤维切割成长度为 1.0-10cm 的长纤维，PU 物料注入模腔之前，在混料腔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。（一） 、玻纤增强和破坏的机理当聚氨酯材料与长玻纤通过 PU-LFI 复合成纤维增强聚氨酯泡沫塑料后，材料的模量与其强度都得到了提高，这是什么原因呢？这可以从纤维增强和破坏的机理的过程来理解。在拉伸应力作用下,基体的薄弱部位首先产生裂纹,当裂纹遇到纤维时,可能出现终止、偏转、纤维脱粘拉出、纤维带树脂外壳拉出、纤维断裂等几种情形。当玻璃纤维长度小于临界纤维长度时,在拉伸载荷作用下,泡沫内的裂纹扩展,裂纹遇到玻璃纤维时发生终止或转向,最终玻璃纤维被拔出、树脂被拉断破坏,此时增强效果较差。而当玻璃纤维长度大于临界纤维长度时,玻璃纤维被拉断,起到的增强效果较好。在压缩应力作用下, 增强反应成型塑料的破坏主要是由树脂支柱的弯曲、扭转变形引起的。在纤维增强泡沫塑料体系中,纤维贯穿于若干个泡孔,使其周围一定范围内的泡孔以其为核心联成一个较大的柱体,承受压缩应力时纤维的存在减少了树脂细杆及薄膜的弯曲扭转变形,相应提高了其破坏应力及压缩模量。（二）、与传统的反应成型工艺比较的特点为 ：A 、PU 原料与长纤维在混合头处开始混合，一直到进入模具。 在进入模具之前就二者就已混合良好，使纤维的分布非常的均匀，可以大大提高原料的充模性能，同时可以显著提高材料的机械性能。 材料机械性能的提高为减少原料的用量提供可能，尤其是一些大型薄壁制件，在引入 LFI 工艺后可以大大减少材料的用量， 同时降低了制件本身的重量。B、由于纤维长短和浇注数量的可调节性，工件不同部分的纤维含量和长度可以根据负载（使用要求）的不同来调整， 从而达到最佳的性能成本比（性能重量比） 。C、完全省略预成型工艺，相应的工艺成本可以百分之百地去除， （预成型或编织的纤维和普通长纤维的价格相差很多） ，从而大大降低生产成本。D、LFI 工艺加工的材料强度高， 重量轻， 在汽车行业的应用前景非常好。现在， 各大原料公司都在对其进行研究， 包括 BAYER， HICI， DOW，BASF 等公司， 有相当数量的设备被他们应用在实验室中做研究开发。预计在不久的将来， 该工艺可获得大规模的应用。 （目前德国宝马汽车公司、江森内饰件公司等已经将该工艺应用于大批量生产） 。E、 天然纤维也可以替代玻璃纤维应用于这种设备中， 从而进一步降低成本。拓展应用领域。F、在大型部件的制造方面，LFI 工艺的优势尤为明显：密度（强度）可以根据需要调整，可以省略大型予成型或编织件的搬运装模、以及在模具内的均匀排布， 可大大提高生产效率并节省了原料。三、应用领域近年来，国内外对注射反应成型又作了较大改进，采用长玻纤增强材料预置于模具中强化制品的物理性能，使其刚性和强度甚至赶上钢材，但质量却只有钢材的55。LIF-PU 是一种很有发展前途的聚氨酯制品，该类聚氨酯制品在汽车上可以制作方向盘、保险杠、车身壁板、发动机罩、行李箱盖、散热器格栅、挡泥板、扰流板门内板、仪表台、保险杠、皮卡车的货柜挡板、顶棚，以及其他增强结构件等多种部件。下面我们举例介绍在汽车方面的三个应用。1、方向盘方向盘是汽车安全件之一，为保证驾驶员的行车安全，要求方向盘在发生碰撞时能吸收大部分冲击能量，满足这一要求的最佳材料就是聚氨酯注射反应成型泡沫塑料。汽车方向盘一般采用 RIM 工艺一次成型制成，其外表是一层坚韧致密的聚氨酯皮层、内部是具有高回弹性的聚氨酯泡沫，从内芯到表皮密度逐渐增大，中间预置钢骨架，从而保证了方向盘既有牢固的强度，又有较好的弹性；现在基于轻量化考虑，出现了一种采用玻璃纤维增强尼龙 PA 代替钢骨架的趋势。在制作聚氨酯方向盘工艺过程中，调整原料配比和模具温度，特别是使模具温度与化学发泡反应达到精确平衡，是制得优良成品质量的关键。2、保险杠保险杠是汽车部件中最早采用塑料制作的大型部件，当前中低档轿车普遍采用改性聚丙烯，高档轿车则采用聚氨酯制造。聚氨酯保险杠是通过 RIM 工艺在模具中注入聚氨酯反应物制作而成，内部一般嵌有钢质加强筋。近年来，开始出现采用微孔聚氨酯弹性体制作新型悬架结构保险杠。由于微孔弹性体硬度低、压缩率高，通过变形能够吸收 80的冲击能量，其余的冲击能量可转移到底架上，这种保险杠具有质轻、安全、平稳、消音的功效。3、车身壁板聚氨酯车身壁板通常采用 RRIM 工艺制造，通过长玻璃纤维的增强作用，使聚氨酯制品的弹性模量大大提高，在高、低温条件下均有很好的抗冲击性。采用 RRIM 制造的车身壁板，进一步提高了制品的综合性能，具有优异的耐热性和尺寸稳定性。聚氨酯车身壁板与钢板车身相比，质量轻、耐腐蚀、汽车在低速碰撞时更不易变形。四、结束语随着玻璃纤维制品制造技术的发展和PULFI工艺技术的成熟, 纤维增强泡沫塑料作为一种性能优良的工程塑料品种在合成枕木、汽车制造、管道建设等诸多领域将会大量投入使用,市场需求不断增长,潜力巨大,并出现了生物聚醚型和新型纤维、天然纤维增强聚氨酯泡沫塑料等新的发展动向。LFI-PU市场的急剧扩大将为国内聚氨酯产品研究、开发和制造企业与机构提供发展良机。参考文献1、张晓明 ,刘雄亚 编著.纤维增强热塑性复合材料及其应用 . 化学工业出版社 .2007年1月第1版2、毛孟进 .PU生产车间自控方案设计及应用宁波化工 .2006年第1、2期3、张惠敏,姜法治.旋转注射反应成型机的研制与特点.橡胶技术与装备.2000年第26卷 第1期4、李光耀,姜胜远.聚氨酯塑料在汽车中的应用及发展前景 .汽车与配件.2006 325、冯小军.反应注射成型固化和冷却的数值模拟. 模具制造.2004年第4期6、曹长兴，李睃.反应注射成型设备混合系统的类型与性能 .塑料科技.2004年第2期7、申长雨,陈静波,刘春太, 李菁.反应注射成型技术 . 工程塑料应用 .1999年第27卷，第10期8、胡海青.热固性塑料注射成型专题讲座. 热固性树脂. 2001年7月 第16卷第4期9、梁书恩 ,田春蓉, 王建华, 周秋明.纤维增强聚氨酯泡沫塑料技术及应用. 聚氨酯工业. 2006年第21卷第6期10、杜俊超，孙海欧，于文杰.低密度长玻璃纤维增强PU-RIM 材料制备研究. 化学推进剂与高分子材料.2007年第5卷第1期11、陈长青, 郦华兴.反应注射成型工艺进展 . 湖北工学院学报.1994年6月第9卷第2期12、Mapleston P PUR Pro(essing Goes an Natu with FiJrs HasticsTechnology，1999，45(10)：613、刘益军 译.长纤维增强聚氨酯的新方法.现代加工技术.1996年第4期15、王士才 ,李宝霞.玻璃纤维增强聚氨酯反应注射成型. 现代塑料加工应用.1997年10月第9卷第5期15、丁祥勇.聚氨酯发泡在客车上的应用. 客车技术与研究.2003年第25卷第1期16、卢子兴,田常津,王仁.玻璃纤维增强聚氨酯泡沫塑料的压缩力学性能研究.实验力学, 1995年 10月17、李国忠,于衍真.玻璃纤维对硬质聚氨酯泡沫塑料增强机理的探讨.高分子材料科学于工程 1997年8月18、Zwinselnmn J 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更换产品时，系统只需要更换产品成型用模具、改变产品配方、更改机械手喷涂方案（预先设定）即可满足生产需要； 操作简单、调整维护方便。C可靠性要求平均无故障时间大于 200 小时（不包括在线排出的小故障） ；2、所设计的小车单元的基本要求小车单元是整个系统的物料自动化输送部分，其主要功能包括： 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。（三）、进行系统和功能分解，拟定多个总体方案。根据内饰件制品特点和生产批量大小,相应的生产线配置也有所区别,一般按工艺要求分为转台式模塑发泡生产线和椭圆环形式模塑发泡生产线还有我们对于本课题所采用的直线式生产线。1、转台式模塑发泡生产线图 1 转台式模塑发泡生产线。从图 1 可以看出,该生产线主要由回转转台、模架、温控装置及开泡输送部分组成。转台回转速度根据生产节拍自动调节,模架根据制品不同,有气动式、液压式,分别采用气囊和液压锁模。该类生产线由于占地面积小,工艺布局简单,适合于大批量、同品种制品生产,如生产高回弹汽车坐垫、垫及头枕、方向盘、仪表盘、保险扛、摩托车坐垫等冷熟化工艺制品。2、椭圆环形式模塑发泡生产线1高压发泡机; 2机器人; 3传动装置; 4模架;5开模取件工位; 6电控系统图图 2 椭圆环形式模塑发泡生产线。图 2 所示的椭圆环形式模塑发泡生产线采用椭圆轨道布局,模架沿环形轨道连续运行,生产线采用电机传动,链条牵引模架移动,线速度根据生产节拍自动调节,采用机器人(Robat)带动混合头,自动识别模具号移动轨迹浇注。该类生产线结构复杂,控制先进,自动化程度高,多用于单硬度和多硬度汽车坐垫的批量生产。生产线根据需要可配置远程监控系统,进行生产现场实时监控,并将生产线当前运行状态按顺序记录,将相关工艺参数,如发泡料温度、压力、组分流量、原料用量等保存和输出。3、系统采用直线排列方式的生产线。根据公司的实际情况，我们采用直线式排列方式生产线，该生产线设备简单。16/40 型 LFI 长玻纤增强反应注射成套设备（不包括 ABB 机械手机混合头等注射设备）自成一体可以根据车间的工作空间灵活设置。该成套设备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载机械手及注射装置（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树脂的注射。目前生产系统的总体是按照十个工位（沿导轨长度方向的两侧各设计五个模架工位）进行规划的，系统实施时小车单元（直线移动轨道、驱动及控制）部分一步到位；模架单元先按照八个工位建设，剩余的两个工位目前用于小车单元的维护、保养以及玻纤输送装置的调整等，如果生产任务需要，再将剩余的两个工位用于生产（需补充这两个工位的相关设施，控制系统预留接口） 。（四）小车单元设计根据小车单元的功能需求以及总体对小车单元的考虑，小车组成如下：（1） 、车体系统车体系统运动轨道、移动小车、驱动装置等构成，此外，其上还将直接安装有克劳斯玛菲提供的组分管道、坦克链及托架、ABB 机械手及混合头、玻纤储存及输送装置、高压换热装置等设施。（2） 、驱动/导向装置i. 驱动装置采用德国 SEW 摆线针轮减速机直联变频电机，可以减少传动环节误差。动力传递采用齿轮齿条，可以保证传动精度。ii. 导向系统若采用电磁引导系统，导向标志与传感器一般有两种组合形式a、 磁条加霍尔传感器 如果采用这种形式就需要在期望路径上贴磁条，同时在车底对称安装霍尔传感器b、导线加检波传感器 在预定的路线上埋设导线，通以低频低压