聚氨酯发泡设备及其在汽车内饰件生产中的应用

在汽车零部件特别是内饰件中，有相当一部分是聚氨酯发泡产品。本文较为全面地介绍了当今用于聚氨酯发泡汽车内饰件生产的聚氨酯原料储存系统、聚氨酯原料预混系统、高压发泡机以及模塑发泡生产线，同时还介绍了近年来在汽车内饰用聚氨酯模塑发泡设备方面所取得的突破性成果。前言
        随着当今汽车工业的迅猛发展，聚氨酯发泡制品在汽车行业中得到了越来越广泛的应用，汽车的顶篷、地毯、方向盘、仪表板、座椅和保险杠等产品都离不开聚氨酯发泡。同时，发泡工艺的不断更新以及产量的不断递增，也对聚氨酯发泡设备提出了更高的要求。因此说，自动化程度高、环保和节能的新一代聚氨酯发泡机械的开发研制及其在汽车行业的具体应用，是当前汽车行业尤为关心的问题。
        应用在汽车行业中的聚氨酯发泡设备，主要包括聚氨酯原料储存系统、聚氨酯原料预混系统、高压发泡机以及模塑发泡生产线等，下面将结合汽车内饰件的生产对它们逐一进行介绍。

聚氨酯原料储存系统
        普通聚氨酯泡沫制品厂所用的异氰酸酯和多元醇均由专业原料供应商提供。对于小型工厂，原料多采用桶装供应，而在大、中型制品厂，由于原料用量大，多采用集中供料，即配置大型贮罐区，用于贮存散装聚氨酯原料（如图1所示）。这种贮罐配置温控装置，可实现从卸料、供料到输料全部自动化，从而大幅提高了生产效率，并降低了工人的劳动强度。
        如图2所示，根据原料用量的多少，贮罐的容积为5~70m3不等；储罐设置有加热、制冷温控装置，可对料温进行自动控制；罐外壁有保温层，可保持罐内原料的温度恒定；在储罐出口配有自循环功能的泵组，用于罐内原料循环及向预混室（发泡机）自动供料。

1.聚氨酯原料储存系统的特点和优点
        聚氨酯原料采用槽车罐装运输，直接泵至大储罐中，可减少中间环节及原料浪费，并解决了原料桶回收难等问题；系统采用先进的温控、电控系统，确保了自动工作；储存系统实现了从卸料、供料、温控和输料全部自动化，因而可降低工人的劳动强度，并大幅提高生产效率；原料储存系统符合环保要求，改善了工人的劳动环境，并减少了环境污染。

2.聚氨酯原料储存系统的经济效益分析
        如果聚氨酯原料采用200kg的桶装，按每天消耗5 t原料（25桶）计算，夏天每桶挂壁及残余料为2~3kg，冬天每桶挂壁及残余料为4~5kg，平均每桶挂壁及残余料为3~4kg，25桶的挂壁及残余料总计为75~100kg。
        按每吨原料现在的市场平均价格（2万元）计算，每天在原料桶上挂壁损失的原料价值为1500~2000元；按每只原料空桶折旧，25只空桶的价值为1000元。因此，在储存系统上采用槽车供料每天可节约近3000元的成本。

        从上述聚氨酯原料储存系统的经济效益分析可知，对于原料用量大的汽车内饰件生产厂来说，采用储罐集中供料，能够更好地适应当前汽车行业的发展需求。
聚氨酯原料预混系统
        聚氨酯原料预混系统主要用于多元醇组合料的制备，通过计量装置将主料和多种辅料按比例进行计量，然后搅拌、混合。汽车内饰件行业的原料用量大，且工艺要求复杂。而通过采用该预混系统，不仅可灵活调节原料配方，而且相较于购成品组合料可大大降低成本。目前，国内许多软泡生产厂家已逐步掌握原料的工艺配方，添置预混系统进行自配料。基于高回弹软泡用组合聚醚工艺配方的复杂性（通常由2种主料和多种助剂混合而成，生产中助剂的计量精度需被控制在±5‰以内），计量系统还需要具备自诊断和闭环监测功能。

        图3、图4所示的聚氨酯全自动多组份预混系统专为2种聚醚和5种助剂混合而设计，可配制多种不同配方的组合聚醚原料。该套系统采用HMI人机界面控制，可事先在控制面板中将配料工艺配方进行设置，然后设置每种原料的混料重量，系统将自动计算主料及辅料的加料量。启动混料开始后，系统将自动依次向辅料混合罐和主混合罐加料，同时开始计量，加料至预置量后，系统将自动启动搅拌及循环，辅料搅拌混合完毕后，自动放入主混合罐。混合时间可在控制面板上设置。同时，系统还具备过程中断记忆功能，当称量超时或过程中断时，系统将自动保存各项参数。当过程恢复时，对比记忆状态与当前状态的差异，系统会给出提示。为保证混料系统运行可靠，在控制面板上还可设置操作工和工艺员两级口令密码。混合好的物料自动从预混罐转入存料罐，并进行温控以及自动向发泡机的工作料罐供料。
此预混系统由武汉正为机械有限公司根据汽车行业所需的高回弹软泡工艺而开发，已在国内数家大型汽车内饰件厂家正式使用，其各项技术指标均达到世界先进水平，从而填补了国内技术空白。

聚氨酯高压发泡机
        随着聚氨酯工业的迅速发展，汽车内饰件行业对发泡工艺和质量的要求越来越高，传统式低压计量、混合装置已远远不能满足内饰制品的发泡要求。目前，聚氨酯高压发泡机在汽车内饰件行业中正得到广泛使用，它利用原料高压冲击混合原理，将混合后的原料注射反应成型，非常适合大规模的工业化生产（如图5所示）。该设备具有以下特点：
1.混合室小，液体组分依靠高压输送和小口径喷嘴产生高能量冲击，使压力能转化成动能，达到充分混合目的。
2.具有自清洁功能，不需任何溶剂清洗，减少原料浪费和环境污染。
3.采用高精度、高压力计量装置，并具备高压注射混合、低压循环物料的自动切换功能，能量消耗低。
4.加工方便，生产周期短。高压发泡机使用液体计量，混合物料在模具中快速反应，快速成型脱模。一台高压发泡机可同时连接多个混合头，适宜生产大批量产品，生产效率高。
        如图6所示，高压发泡机主要由以下部分组成：料罐单元、组份过滤单元、计量单元、高低压切换单元（KK切换单元）、回流测试单元、混合头、液压单元、温控单元及电控系统。高压发泡机的主要核心部件是计量系统和混合头，计量系统必须确保原料组分输入计量的高度准确性，而混合头是确保物料获得优良混合效果的关键。
        计量系统采用多柱塞轴向（或径向）柱塞泵（如图7所示），通过调节手轮，改变柱塞缸体与传动轴形成一定角度，因缸体组件的偏转改变了柱塞往复运动的冲程，从而可实现流量的调节和计量。
        高压混合头（如图8所示）利用高压冲击混合，使物料经喷嘴以极高的流速通过，并在惯性力的作用下，使压力转化成动能，从而使组分受到高速撞击而发生反应。要想获得良好的混合效果，混合物必须达到紊流状态，并且产生紊流的雷诺数(Re)必须大于临界雷诺值(Rc)，一般当Re＞Rc=50~200的紊流状态下，混合效果最佳。
聚氨酯模塑发泡生产线
        根据汽车内饰件制品的特点和生产批量的大小，相应的聚氨酯模塑发泡生产线配置也有所区别，一般按工艺要求分为固定式多工位发泡线、转台式发泡生产线及椭圆环形发泡生产线。
1.固定式多工位模塑发泡生产线
        固定式多工位模塑发泡生产线主要由高压发泡机、模架、混合头移动支架和温控系统等组成。
        固定式多工位发泡生产线通常采用多台模架直线排列，高压发泡机混合头在模架之间来回移动灌注；每台模架独立工作，模架载模板上直接固定模具，而模架采用气缸或液压油缸开合模。此种生产线设备的占地面积小，投资较少，工艺布局比较灵活，适合于新产品试制及生产批量不大、产品品种单一的汽车内饰件生产。图9显示的是一套双混合头4工位发泡生产线。
2.转台式模塑发泡生产线
        转台式发泡生产线采用水平地面圆形布局，主要由回转转台、模架、温控装置及输送部分组成（如图10所示）。转台采用链条或齿圈传动，转台的回转速度可根据生产节拍自动调节。由于制品品种不同，模架有气动、液压式两种类型，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、多品种制品的生产，比如高回弹汽车座垫、靠垫及头枕、方向盘、仪表盘、保险扛和摩托车座垫等冷熟化发泡产品。
3.椭圆环形模塑发泡生产线
        椭圆环形发泡生产线采用水平地面椭圆布局（如图11所示），模架小车沿环形轨道连续运行；生产线采用带刹车的变频减速电动机通过链轮带动线体整体运行，链条牵引模架小车移动，线速度可根据生产节拍自动调节，生产线采用机器人自动识别模具号并跟踪轨迹浇注。该类生产线结构复杂、控制先进，且自动化程度高，多用于单硬度和多硬度汽车座垫、靠背产品的批量生产。椭圆环形发泡线主要由环形输送线、模架、温控装置、多组分高压发泡机、机器人、换模站、电控系统及泡沫开孔机等组成。
结束语
        随着我国汽车工业水平的不断提高和汽车内饰件行业的发展，环保、节能和自动化程度高的新一代聚氨酯发泡设备越来越受到汽车行业的关注。近几年通过技术引进、吸收消化和自主创新相结合，已先后开发出一系列具有自主知识产权的聚氨酯发泡设备，广泛应用于汽车内饰件行业。该类产品已在美国江森公司和李尔公司、法国泰氟公司、日本泰极公司及NHK公司等国内外知名内饰件厂家中使用。