长玻纤增强反应注射成型生产线

1引言1.1 课题的来源及研究意义本研究课题是以扬子丽华汽车内饰有限公司的长玻纤增强反应注射成型生产线设计为依托。

由于生产线结构复杂，出于设计与管理的需要，项目将对生产线分单元进行设计。

设计的内容之一，就是增加直线移动的自动导引小车单元，要实现小车单元到十个浇注工位的自动化运行。

本设计将根据企业的自身要求,以现有的传感检测及控制理论为基础，设计一个PLC控制系统，并结合小车单元的控制系统，设计合适的人机界面，用于安装在生产线上，实现人机之间交互。

本设计的原则是在满足生产要求的基础上提高生产率，并尽量节约成本。

总的来说，我国的长玻纤增强反应注射成型技术起步比较晚，并且受到国内外市场需求的影响而发展缓慢，国内许多工业场合的反应注射成型仍然由人工借助简单的机械装置来完成，自动化程度低，生产效率低下，且一些作业环境对身体也会造成一定的伤害。

由于反应注射成型核心技术掌握在国外公司，而且进口设备的价格高，而无法进行更深层次的开发，严重制约了公司的发展和产品竞争力的提高。

为了适应国民经济发展的需要，扬子丽华汽车内饰有限公司成套引进了德国克劳斯玛菲的长玻纤增强反应注射成型设备，将长玻纤反应注射成型技术运用于汽车内饰的生产，在国内还是第二家。

由于生产线自动化程度高，结构复杂，因此对生产线的设计有着十分重要的地位。

对于生产线自动化生产过程中起着纽带作用的自动导引小车也有着越来越高的要求，因此对生产线小车单元的控制系统设计有着十分重要的现实意义。

1.2 反应注射成型概述1.2.1 反应注射成型概念反应注射成型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[1]。

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。

反应注射成型过程示意见图1.1[2]。

图1.1 反应注射成型(RIM)过程示意图1.2.2 反应注射成型工艺反应注射成型用两种主液体,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，设备组成见图1.2[3]。

图1.2 反应注射成型（RIM）设备目前大多数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[4]。

反应注射成型工艺流程见图1.3。

图1.3 反应注射成型工艺流程图1.2.3 应用领域目前,反应注射成型(RIM)的应用领域已十分广泛,由于设备的投资低,所以特别适合于成型汽车外覆盖件等大型塑件,许多汽车的保险杠、车门、前挡泥板、后挡泥板等都用该成型工艺[5]。

如用RIM成型的聚氨酯零部件,在汽车制造业用来作为驾驶盘、坐垫、头部靠垫、手臂靠垫、阻流板、缓冲器、防震垫、遮光板、卡车身、冷藏车、冷藏库等的夹芯板；在电器中用来成型电视机、扩音器、计算机、控制台外壳等；在民用建筑方面用来成型家具、仿木制品以及管道、冷藏器、热水锅炉、冰箱等的隔热材料[6,7]。

1.3 反应注射成型工艺现状及发展反应注射成型(RIM)最初是德国在1964年开发的聚氨酯材料成型工艺,因为该成型工艺经济价值高,美国的汽车行业进行实用化研究,并成功地制造了聚氨酯汽车保险杠。

此后,在不断改进反应注射成型机的基础上,开发了许多反应注射成型的材料,如不饱和聚酯、环氧树脂等快速固化类树脂,而且也可以用强化材料进行增强。

由于RIM成型的原料为液体，因此他具有成型快、节能、对产品适应性强、成本低，易于增强等优点[8,9]。

自1972年，美国开始用RIM生产汽车的各种部件，如今几乎每辆汽车都有RIM聚氨酯制品,而且RIM已经扩展到电工和电子技术，家具工业和建筑业等领域[10,11]。

随着技术的发展和应用的推广，早先的反应成型聚氨酯材料因其无法克服的缺点：有毒性、电性能差和机械性能差、不能作为结构材料等，因此自扩大研究和发展了其他反应注射成型方法，譬如增强反应注射成型已经成为广泛使用的工艺方法，其中长玻纤增强反应注射成型成为研究的热点[12]。

1.3.1 增强反应注射成型（RRIM）增强反应注射成型是将纤维增强技术与RIM工艺结合起来的新技术。

成型时将增强材料作为原材料的一个组分加入到A组分（或B组分中）通过高压计量装置进入成型机的混合头，使混合均匀后注入模具内成型，脱模后即可得到RRIM制品。

其成型设备与反应注射成型设备相似（如图1.2），由于原料中掺入了增强材料、材料的粘度增高，增加了对计量泵的磨损，需要增加某些辅助设备，如在高压计量泵后增加高压计量缸，物料管线的压力也相应提高，混合头的孔径也要相应扩大。

用于RRIM的增强材料有磨料玻纤、不锈钢纤维、碳纤、尼龙纤维、木质素纤维、玻纤短纤维、玻纤长纤维等等[12,13]。

由于增强反应注射成型（RRIM），是在RIM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[14]。

1.3.2 长玻纤增强反应注射成型（LFI）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[15]。

长玻璃纤维增强聚氨酯反应注射成型工艺（Long Fiber Injection简称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。

LFI是Krauss-Maffei及Cannon等公司近年来成功开发的在混合头上添加长纤维的增强反应注射成型技术[16]。

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1cm～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。

LFI制品的强度与相同密度和玻璃纤维填充量的结构反应注射成型（SRIM）制品基本相当，表皮光洁度优于SRIM制品，并且可以生产厚度仅1.5mm的薄件部件，其强度与30mm厚的SRIM制件相当，而且质量更轻[17]。

1.3.3 长玻纤增强反应注射成型优点长玻纤增强反应注射成型与传统反应注射成型比较主要有下面几方面的优点：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。

随着玻璃纤维制品制造技术的发展和PU—LFI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[18]。

1.4 本设计主要研究内容本设计研究内容主要包括以下几个方面：a)生产线总体结构设计b)自动导引小车控制系统的硬件设计及选型c)自动导引小车控制系统的软件设计d)人机界面的设计2 生产线总体设计方案制定2.1 生产线总体设计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,我们共设计了三种供选择的方案，并根据方案的优劣选择适合该公司生产线要求的最佳方案。

三种设计方案分别为：转台式模塑发泡生产线、椭圆环形式模塑发泡生产线和直线式生产线。

2.1.1 方案1：转台式模塑发泡生产线转台式模塑发泡生产线主要由回转转台、模架、温控装置及开泡输送等部分组成。

转台回转速度可以根据生产节拍自动调节；模架可以根据制品不同,分为气动式、液压式,分别采用气压和液压锁模。

转台式模塑发泡生产线布局图如图2.1。

图2.1 转台式模塑发泡生产线2.1.2 方案2：椭圆环形式模塑发泡生产线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,线速度可以根据生产节拍自动调节,采用机器人带动混合头,自动识别模具号移动轨迹浇注。

椭圆环形式模塑发泡生产线如图2.2。

图2.2 椭圆环形式模塑发泡生产线2.1.3 方案3：直线式生产线该生产线系统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。