汽车顶篷内饰生产线的研究与开发

汽车顶篷内饰生产线的研究与开发
课题意义的说明
汽车内饰件主要是指安装于汽车内的仪表板、座椅、方向盘、门内板、顶篷、扶手、行李箱内衬以及发动机罩盖内衬等由塑料制造的零部件。

汽车内顶篷，又称汽车顶篷内饰，它是汽车内饰装饰件中大型的、处于显著位置的装饰件之一。

顶篷内饰是汽车整车内饰的重要组成部分，它的主要作用是提高车内的装饰性，同时还可以提高与车外的隔热、绝热效果，降低车内噪音，提高吸声效果，提高乘员乘坐的舒适性和安全性。

由于太阳直射车顶，汽车顶部温度较高，因此顶篷内饰的耐热性和耐候性指标要求较严。

对不同档次的顶篷内饰在材料上、结构上有多不同，为提高隔声、隔热、降低噪声等效果，多采用各种纤维毡、聚氨酯泡沫、聚乙烯泡沫等于其他材质粘合在一起的结果作为衬垫，并于蒙皮材料（如无纺布、针织物等）通过一定得方式粘合行程一体。

汽车顶篷内饰主要有软顶和硬顶两种。

汽车顶篷内饰材料的发展趋势是高强度模塑基材。

顶篷按其加工方法分为成型顶篷、粘接顶篷和吊装顶篷。

硬质的一般是玻璃钢压制再喷涂上面漆而成，或PVC板材吸塑成型。

这类顶篷、后围一般隔热、隔音效果较差，但强度、刚性较好。

软质的一般由基材和表皮构成，基材要求轻量、高刚性、尺寸稳定，易成形等特点，为此一般使用热塑性聚氨酯发泡内材、PP发泡内材、热塑性毡类内材、玻璃纤维瓦楞纸、蜂窝状塑料带等。

表皮材料可用织物、无纺布、TPO、PVC等，我国轿车顶篷一般使用TPO发泡片材、玻璃纤维、无纺涤纶布材料层压成形。

汽车顶篷中成形顶篷占70%以上，成型顶篷基材一般用浸树脂的再生棉或玻璃纤维。

聚苯乙烯泡沫材料板，填充材一般用聚氨酯或聚烯烃树脂发泡体。

表皮材主要是PVC片材，同时逐渐增加织物。

填充材和表皮材一起层压后贴在基材上。

吊装型衬层是用钢上网吊起来的一种结构，表皮材料是PVC片材或PVC人造革、织物等。

为了隔热和隔音，把绝缘材料放到顶板和衬层之间。

粘贴型是把填充材料和表皮材层，直接贴到顶篷上，填充材主要是聚氨酯发泡体、PVC发泡体，表皮材主要是PVC片织物等。

客车、卡车也主要用成型顶篷，基材采用热固性或热塑性毡类，压制成型，表皮材料选用针织面料、无纺布、PVC等。

目前各汽车工业大国已经开始大量使用天然纤维复合材料, 生产的产品有: 轿车的门内板、行李厢、顶篷、座椅背板、衣帽架、仪表盘; 以及卡、客车的车厢内衬板、门板、顶篷、座椅背板等。

目前，汽车顶篷成型工艺的加工工艺步骤为：第一步将麻纤维毡烘烤加热;第二步将烘烤加热后的毛麻纤维板复面料模压成型;第三步裁剪模压成型后毛麻纤维板的多余边角料。

在第一步骤中所述烘烤加热的温度控制在180℃～260℃之间,所述烘烤加热的时间控制在140秒～180秒之间。

该工艺流程具有易于加工,易于操作,加工工艺成本低廉,无毒、可再生、可降解、环保、重量轻、吸湿性好、可吸收噪音,节能且环保的型天然麻纤维汽车顶篷复合基材的加工。

随着我国汽车工业的发展，对汽车顶篷的要求也不断增加，在我国乘用车顶篷线自动化程度较高，但是其生产线大多都依靠国外进口，在商用车顶篷内饰的生产上自动化低，生产设备落后，大多依靠人工操作，危险性大，而且成品品质差，因此，研制开发新的商用车顶棚内饰件自动模压生产线，将是十分必要的。

第一章汽车顶棚内饰件压制成型工艺
一、片状模塑料概述
片状模塑料—Sheet Molding Compound，工业上简称为SMC;是一种纤维增强塑料材料，由热固性树脂、玻璃纤维增强体和其它填料组成，经过加工后呈片状或板状的热固性模塑材料;通常采用在模具内热压的方法使之固化成型。

同所有的塑料一样，对于某一应用，可以调节SMC的配方以满足特定的性能要求。

1953年美国的Rubber公司首先发明不饱和聚酷树脂的化学增稠，1960年前联邦德国B ayer公司实现了SMC的工业化生产，1970年开始在全世界迅速发展。

随着SMC生产及成型过程自动化的发展及低波纹度树脂配方的日趋完善，SMC在世界模塑料市场上发展迅速，年增长率达20%^'25%o SMC的发展已经成为近30年来纤维增强塑料工业的成就之一。

由于SMC制品可设计性好，生产效率高，因而广泛应用于国民经济的各个领域。

世界各国都根据本国国情形成了一系列适合于不同场合及性能要求的产品，目前SMC仍在不断发展中。

近几年来国外片状模塑料的研究工作主要致力于以下几个方面,
(1)多品种、专用等级SMC配方的研究;
(2)树脂糊系统的快速增稠技术;
(3) SMC系统的表面涂装性;
(4)树脂糊各组分的自动连续计量、混合、供料设备的研究;
(5)连续稠化系统的研究;
(6) SMC成型过程自动化研究;
(7) SMC专用成型设备的研究。

由于SMC具有加工能耗低、成本低、设计自由度大、成型工艺性好、制品的力学性能好、不锈蚀等特点，且目前汽车工业正处在限制燃油消耗而要求使用轻质高强度的复合材料的时代，因此SMC成为汽车工业以塑代钢的理想材料。

目前，汽车上用的SMC零部件主要有:门内板、座椅、顶篷、侧后围护板等内饰件以及保险杠总成、车身前围侧板、水箱面罩、行李箱、备轮仓、通气阀总成等汽车外饰件。

汽车内饰件压制成型生产线的构成
汽车内饰生产线主要用于生产汽车顶篷、乘客舱地毯、行李箱地毯、座椅后地毯、帽架、帽架覆盖面、行李箱内盖板、前左右门板、后左右门板、门板中部装饰等汽车内。

加料完毕后合模，当上模尚未接触物料之前，应尽量使合模速度加快，而在接触物料后，速度应该放慢。

这样可相对地缩短压制周期，也有利于空气的顺利排放，避免物料被空气带出模外而缺料。

合模时间一般为几秒到几十秒不等。

(3)排气
压制成型汽车内饰件时，成型物料在模腔中会放出相当数量的水蒸气、低分子挥发物气体，以及交联反应和体积收缩所产生的气体。

如果这些气体不能充分排出，它们除了影响压制成型过程中的物料传热和延长制件固化时间外，制件表面很容易出现烧糊、烧焦、气泡和分层显现，同时表面光泽度亦不好。

为了能够充分排出模腔中的气体，必须在模具中设计合理的排气结构。

但有时单靠排气结构排气仍不理想，于是在压制成型过程中还需对压机进行短暂卸压，以便使正在闭合的模腔可以短暂得到松开进行排气。

卸压排气操作应尽量快捷，并需要在物料进入熔融状态后进行。

卸压排气操作和排气时间根据生产实际情况而定。

(3)交联固化
压制成型热固性塑料时，制件依靠交联反应固化定型，生产中常将这一过程成为硬化。

制件硬化程度的高低与塑料品种、模具温度及成型压力等因素有关。

当这些因素一定时，硬化程度主要取决于硬化时间。

时间过短，制件的力学强度、耐蠕变性、耐热性、耐化学稳定性、电气绝缘性能等均下降，热膨胀、后收缩增加，有时还会产生裂纹;时间过长、塑件力学强度不高、脆性大、变色、表面出现密集小泡等。

硬化时间一般由30s到几分钟不等。

(4)脱模
压制成型制件完成交联固化过程后，压机将卸载回程，并将模具开启，用推出机构把塑料制件推出模外。

脱模方法有机动、手动、液动和气动等不同形式。

无论采用何种(3)翘曲变形产生的主要原因是模压料固化不均匀和脱模后产品的收缩。

其产生机理是:在树脂固化反应过程中化学结构发生变化，引起体积收缩，固化的不均匀使得产品有向首先固化的一侧翘曲的趋势。

为此，采用如下方法加以解决:减少凹、凸模成型面的温差，使温度分布尽可能均匀;使用冷却夹具限制变形;适当提高成型压力，增加制品的结构密实性，降低制品的收缩率;适当延长成型时间，消除内应力。

(5)制品尺寸一致性差
引起制品尺寸稳定性差的主要原因有:a各批量制品间成型工艺条件的变化，人工操作造成工艺参数难以控制;b在成型过程中，由于模具的刚性不足或模腔内的压力过高，导致模具变形;c空气的湿度变化;d脱模过早，后固化时间不足，制品在脱模后仍有位置发生反应。

改善制品尺寸稳定性的主要措施有:A、物料方面。

在选择材料的时候，应考虑材料的流动性、线膨胀系数及其对湿度的敏感性，具体应该选用对湿度不敏感和线膨胀系数小的材料。

B、工艺条件方面。

在工艺的控制上，要延长模压料在模具中的固化时间，并采用适当的模具温度。

C、模具设计方面。

在模压成型过程中，制品尺寸稳定性差往往是由于模具刚性不足引起的，因此应提高模具的刚性。

通过对汽车内饰生产线的实地调研，以上所提及的几种制品缺陷是实际生产过程中最常见也是最难以控制的，要克服以上缺陷生产出合格的产品往往需要一个较长的周期。

二、汽车内饰压制成型工艺参数分析
模压料在压制成型过程中发生的各种变化，只有在一定的温度和压力以及二者作用一定时间的条件下才能发生[[9]。

同时，根据对汽车内饰压制成型制品缺陷的分析，也可以看出汽车内饰压制成型过程的主要工艺参数包括:成型压力、成型温度和成型时间的成型周期和提高制品质量都有利。

但过高的成型温度，会因交联反应过早开始和反应速率过高，使熔融料的流动性急剧下降，这将导致模腔不能完全填满。

另一方面，若成型温度过低，不仅熔融后的物料粘度高、流动性差，而且由于交联反应难于进行，常导致所得制品强度低、外观无光泽和脱模时出现粘模及顶出变形。

成型时间
成型时间也称模压时间或压缩模塑保压时间，是指模具完全闭合或最后一次卸压排气合模后，到模具开启之间物料在模腔内受热进行固化的时间。

在压制成型过程中成型时间的主要作用是，使己取得模腔形状的模压料有足够的时间完成固化定型。

固化有时也称硬化、熟化或变定，从化学反应的本质来看，固化过程就是交联反应进行的过程，但成型工艺上的“固化完全”并不意味着交联反应已经进行到底，即并不是指物料中所有可参加交联反应的活性基团已全部参加了反应。

“固化完全”这一术语在成型工艺中是指交联反应的程度已使制品的综合物理力学性能或特别制定的使用性能达到了预期的指标。

显然，制品的交联度不可能达到100%，而固化程度却可以超过100%，通常将交联反应超过完全固化所要求程度的现象称为“过熟”，反之则称为“欠熟”。

合适的成型时间与塑料的类型和组成、制品的形状和壁厚、模具的结构、成型温度和成型压力的高低、预压和预热条件以及成型时是否安排有卸压等多方面的因素有关。

在所有这些因素中，以成型温度、制品厚度和预热条件对成型时间的影响最为显著。

合适的预热条件，由于可加快物料在模腔内的升温过程和充模过程，因而有利于缩短成型时间。

一般而言，提高成型温度时，成型时间随之缩短;而增大制品厚度时，需相应延长成型时间。

三、合模过程模压料充模模拟的理论基础
汽车内饰件压制成型时，由于模具的闭合，使得模压料在一定的压力和温度下流动并充满模腔。

但是铺料时模压料的温度低于模具的温度，所以在合模过程中将在模具和模压料之间发生热传递，即模压料的温度会升高，进而引起模压料粘度(流动性)的变化;这在模拟模压料流动时是必须考虑到的，因此有必要了解模压料在模具闭合过程中
的热量传递、流动性及其在模腔中流动的理论模型。

四、模压料在模腔内流动的理论模型—广义Hele-Shaw模型
由于大多数压制成型制品都是薄件，所谓薄件是指其厚度远小于周边尺寸的制件，此时即可将三维流动问题转化为二维流动来处理。

根据这个特征，Heiber C A和Shen SF提出了一个模拟模压料流动的简化模型[22,23,24]。

该模型做了如下几个假设:
(1)模压料为不可压缩流体，各向同性，其粘度仅依赖于应变速率、温度和固化度;
(2)充模过程的温度场已知;
(3)模具边界无物料溢出。

由此可得到模具闭合过程中模压料压力分布的控制方程—广义Hele-Shaw模型:是同时求解的。

另一方面假设在模压料充满模腔前未与模具型腔的四周接触，因此只考虑制品厚度方向的热量传递，则传热方程可表示为:
式中P—模压料温度;
Cp—模压料的比热容;
t—合模时间;
T—时间t时的温度;
K—导热率。

五、合模过程模压料充模模拟
以某型号汽车顶篷内饰成型为例，模拟模具闭合过程中模压料的充模流动过程，并获得充模过程中模压料的速度和压力分布。

1、几何模型的建立与网格划分
如图3.3.1所示的汽车顶篷模型，其表面造型为复杂曲面，因此模具型腔也为复杂曲面，本文采用PRONE建立顶篷内饰的实体模型，然后在PRO/E的模具模块中建立顶篷内饰的凹、凸模[t2}1。

但是我们发现由于模型较大且曲面比较复杂，而POLYFLOW在求解时会占用非常多的资源，在求解计算的过程中程序总是出现资源不够的错误，导致模拟无法进行。

虽然我们对模具进行了简化，省去了模具的附属结构(加热元件安装装置、定位装置、吊耳吊环等)，如图3.2所示，但是数据量还是太大，还是出现资源不足导致计算中断。

六、汽车内饰压制成型固化定型阶段的数值模拟与分析
“固化定型”是汽车内饰件压制成型时模压料在模具中的最后阶段，它直接影响到制品的质量和力学性能。

同大多数压制成型的热固性树脂一样，汽车内饰模压料(SMC )也是通过热引发交联反应进行固化的，而且固化反应过程是放热的。

固化反应的这两个
特点使得热传递具有双重作用，即模具上的热量必须传给聚合物使之开始固化，而固化反应过程产生的热量必须在其破坏制品前散发掉。

许多热固性模压料(包括SMC)在固化反应过程中会释放出大量的热，若固化条件控制不当，这些释放出的大量固化反应热会使模压料自身“燃烧”起来(热分解)。

选择适当的固化工艺，使固化反应能缓慢均匀地进行，那么上述现象可以完全避免。

但是，这又可能带来成型周期长，经济效益低的问题。

在制品固化定型的过程中，对制品质量起决定作用的是模具与模压料之间的热传递及模压料在这种热传递下所进行的固化反应的程度(固化度)。

然而，目前企业的生产工艺参数皆根据经验或穷举试探性试验确定，这种工艺参数确定方法具有周期长、耗资费力或科学性不足的缺点。

因此，为了实现快速生产高质量的汽车内饰制品，有必要弄清模压料在固化定型阶段的热传递及固化过程;建立其热传递和固化的数学模型，对汽车内饰模压料在压制成型过程中温度场和固化度的动态变化进行数值模拟，为模压生产工艺的优化提供科学的理论依据，并研究不同条件下模压料的温度和固化度变化历程，为科学地设计和优化压制成型工艺提供依据。

目前有许多编程语言可以进行数值模拟计算，如Visual Basic, Fortran. Pascal,C/C++, MATLAB等，本文选用易学、易用且功能强大的MATLAB作为数值模拟和分析的工具。

七、MATLAB简介
MATLAB是由MathWorks公司于1984年推出的一套科学计算软件，分为总包和若干个工具箱。

它具有强大的矩阵计算和数据可视化能力，一方面可以实现数值分析、优化、统计、偏微分方程数值解、自动控制、信号处理等若干个领域的数学计算，另一方面可以实现二维、三维图形绘制，三维场景创建和渲染、科学计算可视化、图像处理、虚拟现实和地图制作等图形图像方面的处理。

该软件具有简单易学、代码短小高效、计算功能强大、图形表达功能强大、可扩展性能等优点，被广泛地应用于教学和科研。

在我国，MATLAB已经拥有许多用户，很多高校已经开设了这方面的课程，很多的计算机论坛上都设有MATLAB讨论专区。

借助于MATLAB，人们可以更快、更准确地完成计算方案的设计，在必要时可用图形图像表示计算结果和描述运行机制。

第二章加热压机导热油加热系统的结构设计和仿真分析
热压是汽车内饰生产过程中的一道重要工序，而在板坯热压过程中，加热又是一个重要的工艺条件。

目前，对板坯加热的常用方法是利用热压板进行接触加热，即高温热载体流过热压板内部的蛇形通道，对钢制热压板进行加热，热压板升温后再对与之紧密接触的板坯加热，使板坯温度升高。

过去，我国汽车内饰企业大多采用蒸汽作为热载体，蒸汽作为热载体具有物理化学性质稳定、来源广泛、价格低廉、无毒无味无污染等特点，但蒸汽用于热压工序时也有几个不易克服的缺点：一是热压工序通常需要较高的温度，一般在160——220℃之间，与此相对应的蒸汽压力为1.6——2.5MPa,因此，需要整个供热系统（包括锅炉、管道及其附件与接头等）具有较高的耐压强度，这就使供热系统结构复杂，投资增大，运行管理不便;二是为了保证热压质量，要求热压板面温度尽可能均匀一致，一般要求同一块压板板面上的温差小于3`C，各层热压板之间的温差小于5°C，这就要求载热体在进出热压板时的温度差要尽可能小。

采用蒸汽加热时，往往会由于凝结水排故不及时，使热压质量降低;三是蒸汽在热压机中放热后排出的凝结水具有较高的温度(一般在160℃以上)，其回收难度较大，若处理不当，则可能造成严重的能源浪费。

由于蒸汽加热具有这些不易克服的缺点，所以，近年来越来越多的汽车内饰生产热压机都采用了高温热油供热系统。

一、热油供热的特点
热油又称为导热油，属于一种高温有机热载体，热压机采用热油供热时具有以下主要优点：
（1）高温低压。

热油供热系统采用的是液相封闭循环，导热油在常压下温度可以升高到300以上而不发生气化，例如，HD系列导热油在常压(0. 098MPa)下即可获得330℃的高温，如考虑系统的压力损失及一定的安全系数，热油系统中的最高压力(热油循环泵的出口压力)一般也仅在0.6MPa左右，比具有同样供热温度的蒸汽供热系统的压力低得多。

由于具有高温低压的特点，加之热油系统不需要复杂的水处理设施，因此，相对于蒸汽供热系统而言，热油系统结构比较简单，运行、管理也比较方便。

这是热油系统的最大的优点。

（2）温度均匀。

在设计热油系统时，通常在热压机处设置“二次循环”，一方面，可以通过改变二次循环油量调节热油进人热压板时的温度，另一方面，二次循环油量的加人，使通过热压板的油量成倍增加，根据下式可知：
在放热量Q一定的情况下，大幅增加流量m，可以使热油进出热压板时的温差△t降至很小，加之大多数热压板中的热载体流动孔道都采用了均温化设计，所以，目前采用热油加热的热压机，同一块压板板面上的温差已可以<1.590，明显提高热压质量。

(3)节约能源。

热油供热系统由于采用液相封闭循环，热压机使用过的热油全部回流至热油炉，重新加热循环使用，系统无泄漏，也没有类似于蒸汽供热系统的凝结水及二次蒸汽的热损失。

但与蒸汽供热系统相比，热油供热系统也具有
如下缺点:
（1）导热油的物理化学性质不如水稳定，与空气接触时会发生氧化，在80`C 以上时氧化速度加快高温情况下，导热油会发生降解和炭化，每种导热油都有一个最高使用温度，超过该温度后，导热油降解和炭化速度加快，导致导热油迅速劣化变质，并会堵塞管道，使热油炉中炉管过热、鼓泡、甚至破裂发生事故。

（2）导热油价格比水高得多，加上导热油需要经常添加和定期更换，因此系统运行成本较高。

（3）与水相比，导热油具有一定的毒性，而且更换下来的废油有可能造成一定的环境污染;导热油为可燃物，热油系统如发生泄漏，极易造成火灾事故。

（4）热油炉的余热利用系统不如主汽锅炉完备，不采取措施，则热油炉的排烟温度较高，既浪费能，也污染环境。

（二）导热油供热系统的工艺优化
1导热油供热系统的工艺设计
导热油供热系统的工艺设计并不复杂,在确定了工艺用热条件的连续性或间歇性、各热用户的热负荷、加热温度、用热点位置等之后,其主要供热设备,如加热炉和循环油泵的参数就基本确定下来,只要操作过程中注意控制加热炉的传热强度以降低导热油的裂解率,同时控制循环油泵的流量以保证提供各用户所需的热量,就可保证可靠、精确地为各用户供给热量。

2、导热油供热系统的整体优化
导热油供热系统一般有两种基本类型,即生产供热型和综合供热型。

生产供热型由导热油加热炉、供热管网、用热设备组成,通过循环油泵将热能经供热管网输送至各热用户,并构成一闭路循环系统;综合供热型则包括生产供热系统、生活供热系统或采暖空调供热系统,其导热油加热炉可与其它装置(如图1 所示的蒸汽发生器) 组成生产、生活、采暖、空调等综合热力系统,使工艺过程、能量回收系统及公用工程系统有机地组合起来,从而达到提高热能利用率、降低运行费用和减少环境污染的目的,最终得到整体设计的优化。

3、膨胀槽单元的优化设计
虽然在选定了主要供热设备后，导热油供热统的工艺过程已基本确定，并通过将工艺过程与能量回收及公用工程系统有机地组合，从而达到整体设计的优化，但要保证该系统长期稳定、高效、安全地为各用户供热，还需对膨胀槽单元进行优化设计。

使用导热油的液相供热系统，其膨胀槽的单元设计是整个系统成功运行的一个重要因素，设计合理的膨胀槽单元能解决供热系统从开车到正常操作过程中的许多问题，如低沸物及空气的排除，导热油的氧化和热能的损失等。

（1）膨胀槽的容积计算
容积计算应考虑当整个系统充满导热油时，在环境温度下膨胀槽内泞热油装填到25%，而在正常操作温度下膨胀槽的液位达到75%。

这样的容积将保证系统开车时对循环油泵吸入侧施加一定的静压强，避兔油泵出现汽蚀;而目在正常操作时使槽内留有最低限度的气相空间，保证低沸物、水蒸气及空气的有效排除。

（2）膨胀槽的降液管设计
降液管设计必须允许导热油以系统全流量通过，同时还要限制高温导热油将热量带入膨胀槽，液相循环管及旁路小流量管的设计可满足上述要求。

首先，将液相循环管管径设计成与主管线一致，保证在开车或排气操作时系统全流量通过膨胀槽，从而有效地排除系统内的低沸物和空气;其次，将旁路热。