雙組分聚氨酯發(fā)泡材料工藝研究

張 揚(yáng)，井龍卿，劉春良（長(zhǎng)城汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心，河北省汽車(chē)工程技術(shù)研究中心，河北保定 071000）

0 引言

隨著人民生活水平的提高，汽車(chē)在人們的日常生活中占據(jù)了很重要的地位，人們不僅對(duì)其操作性、安全性等提出了更高的要求，而且對(duì)其乘坐的舒適性也提出了越來(lái)越高的要求，整車(chē)NVH水平是體現(xiàn)其舒適性的一項(xiàng)重要指標(biāo)。NVH是噪聲（Noise）、振動(dòng)（Vibration）與舒適性（Harshness）的英文縮寫(xiě)，是汽車(chē)業(yè)各大整車(chē)制造企業(yè)和零部件企業(yè)最關(guān)注的問(wèn)題之一，也是衡量汽車(chē)制造質(zhì)量的一個(gè)綜合指標(biāo)。NVH性能的優(yōu)劣直接影響整車(chē)水準(zhǔn)，為達(dá)到降低車(chē)內(nèi)噪聲提升NVH水平而進(jìn)行的產(chǎn)品和技術(shù)開(kāi)發(fā)中，新興的雙組分聚氨酯發(fā)泡材料被普遍應(yīng)用。

1 雙組分聚氨酯發(fā)泡材料的作用機(jī)理

雙組分聚氨酯發(fā)泡材料由A組分和B組分在常溫下以固定比例混合后快速反應(yīng)、發(fā)泡并快速成型，如圖1所示，其應(yīng)用于側(cè)圍旁路空腔密封時(shí)，可非常有效地進(jìn)行氣流阻隔、抑制空氣傳播，在阻斷通道時(shí)，由于聚氨酯發(fā)泡材料具有多孔吸聲材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使聲波能量得到很大的吸收并衰減。

圖1 雙組分聚氨酯發(fā)泡原理Figure 1 Foaming principle of two-component polyurethane

2 白車(chē)身應(yīng)用部位

雙組分聚氨酯發(fā)泡材料主要注射部位為車(chē)身A柱、B柱、C柱、輪罩等部位。注膠位置設(shè)置原則如下：

（1） A柱前端：阻斷發(fā)動(dòng)機(jī)傳來(lái)的噪音；

（2） A柱、B柱上部：接近駕駛員耳朵部位；

（3） 前圍窗橫梁：隔斷發(fā)動(dòng)機(jī)、冷卻系統(tǒng)噪音；

（4） 輪罩：隔斷輪胎的噪音。

3 空腔注膠對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)的要求

車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接影響到注膠的效果，因此在車(chē)身設(shè)計(jì)初期，應(yīng)該組織注膠設(shè)備廠家、材料廠家以及NVH部門(mén)和工藝部門(mén)，對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)審，避免后期對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行變更。

3.1 注膠部位確定

空腔注膠對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)有特殊的要求，需要在車(chē)身研發(fā)階段進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。首先要求與NVH部門(mén)共同設(shè)計(jì)確定需要注膠的部位，研究發(fā)泡空腔大小以及發(fā)泡量，需發(fā)泡的空腔必須是半封閉空腔，敞開(kāi)式空腔會(huì)導(dǎo)致發(fā)泡形狀不統(tǒng)一。另外在設(shè)計(jì)注膠空腔時(shí)還需要考慮車(chē)身內(nèi)腔蠟的噴涂部位，二者之間不能有交叉，噴蠟部位需要與發(fā)泡部位分隔開(kāi)，防止噴蠟時(shí)霧化的蠟影響發(fā)泡效果，這些都是在白車(chē)身設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的因素。

3.2 注膠孔設(shè)計(jì)

注膠孔直徑最好保持一致，便于噴槍共用，注膠孔直徑依據(jù)噴槍嘴直徑大小設(shè)計(jì)，建議孔直徑比槍嘴直徑大1～1.5 mm，注膠孔周?chē)目字睆揭茸⒛z槍嘴直徑小，防止人員誤操作，如果需要封閉內(nèi)外兩個(gè)腔體，建議過(guò)孔直徑為?20～?28。由于注膠槍需要伸入到空腔中，因此，對(duì)注膠孔要留有至少10 mm的空間便于槍頭進(jìn)入。為了便于材料的流動(dòng)，還需要考慮原材料流道，對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的內(nèi)腔，建議設(shè)計(jì)2個(gè)或多個(gè)注膠孔，避免因原材料流動(dòng)障礙導(dǎo)致的質(zhì)量問(wèn)題發(fā)生。

3.3 注膠量確定

一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于長(zhǎng)度為4.8 m左右的轎車(chē)和SUV車(chē)來(lái)說(shuō)，注膠量一般為1～2.5 kg左右，單孔注膠量為50～200 g。發(fā)泡量太大，操作時(shí)間長(zhǎng)，影響生產(chǎn)節(jié)拍。

4 現(xiàn)場(chǎng)工藝與設(shè)備

4.1 工藝規(guī)劃

空腔注膠工藝在涂裝操作完成后轉(zhuǎn)總裝裝配之前進(jìn)行，一般設(shè)計(jì)在涂裝車(chē)間的最后1道工序或者是總裝車(chē)間的第1道工序。該工藝是在車(chē)身特定的注射孔里注射發(fā)泡原材料，發(fā)泡原材料由A、B兩種組分組成，A組分為多元醇，B組分為異氰酸酯。二者在混合前均為液體，在一定比例下進(jìn)行混合，混合時(shí)發(fā)生放熱的化學(xué)反應(yīng)，體積迅速膨脹，得到聚氨酯泡沫，其中混合比例由原材料廠商提供，如DOW發(fā)泡材料的配比為A、B組分的體積比24∶1。

注膠工位一般設(shè)置2個(gè)工位，1個(gè)高工位和1個(gè)正常工位，其中高工位對(duì)A柱上部、B柱及C柱上部等部位進(jìn)行灌注，低工位對(duì)A柱下部及后門(mén)輪罩部位進(jìn)行灌注。在進(jìn)行空腔注膠時(shí)需對(duì)除注膠孔以外的孔進(jìn)行人工遮蔽操作，防止泡沫材料膨脹后溢出。

在進(jìn)行注膠工藝時(shí)還需要考慮注膠與車(chē)身內(nèi)腔蠟之間的關(guān)系。如果鋼板上有蠟，導(dǎo)致泡沫不能與鋼板有效結(jié)合，兩者間附著力不好，影響降噪效果。因此在采取噴蠟工藝的情況下，需要避免蠟霧污染到需要注膠的部位。

4.2 注膠設(shè)備技術(shù)要求

空腔發(fā)泡設(shè)備主要由材料輸送系統(tǒng)、注射計(jì)量單元、注射槍?xiě)覓煅b置、槍頭清洗單元及電控系統(tǒng)等5部分組成。

材料輸送系統(tǒng)：包括A組分和B組分輸送系統(tǒng)，雙組分材料由輸送泵直接從材料商的材料桶內(nèi)抽取，經(jīng)過(guò)材料輸送管道送入發(fā)泡加注系統(tǒng)的緩沖槽。同時(shí)在此裝置中涉及加熱單元，材料溫度建議控制在40～50 ℃。材料溫度控制系統(tǒng)由溫控模塊來(lái)控制，材料循環(huán)系統(tǒng)可確保溫度穩(wěn)定、精確。溫度控制系統(tǒng)的PID程序可允許溫度在設(shè)定的范圍內(nèi)變化，如果超過(guò)設(shè)定的溫度范圍，設(shè)備會(huì)報(bào)警并停機(jī)。

注射計(jì)量單元：在循環(huán)模式下A、B組分分別由計(jì)量泵輸送到混合槍頭。注射量可以由操作者釋放扳機(jī)的時(shí)間來(lái)控制，或者給設(shè)備設(shè)定注射量，完全由設(shè)備自動(dòng)控制。

注射槍?xiě)覓煅b置：沿著生產(chǎn)線(xiàn)前進(jìn)的方向設(shè)置導(dǎo)軌，垂直方向也設(shè)有吊掛噴槍管的導(dǎo)軌，槍管路吊掛在彈簧平衡器上。可以非常方便地進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)。

槍頭清洗單元：在空腔發(fā)泡膠操作的每個(gè)工位配置一套槍頭清洗單元，便于槍頭經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間操作變臟時(shí)進(jìn)行清洗。不需要在每次注射后清洗。

在不注射的狀態(tài)下，材料通過(guò)注射槍保持高壓循環(huán)，這不僅能使注射槍保持清潔，也可保證流量、溫度的穩(wěn)定。在待機(jī)及注射間歇狀態(tài)下，保持低壓循環(huán)。

4.3 工藝參數(shù)設(shè)置

溫度控制：原料供應(yīng)間溫度設(shè)置在18～35 ℃；A組分主管循環(huán)溫度設(shè)置為（38±5）℃；B組分主管循環(huán)溫度設(shè)置為（25±5）℃；A組分加熱器溫度設(shè)置為82 ℃；B組分加熱器溫度設(shè)置為30 ℃；A組分線(xiàn)邊罐溫度設(shè)置為70 ℃；B組分線(xiàn)邊罐溫度設(shè)置為22～49 ℃；A組分槍口溫度設(shè)置為74～82 ℃；

壓縮空氣的壓力控制：線(xiàn)邊罐壓縮空氣壓力為0.2～0.3 MPa，需要線(xiàn)體員工開(kāi)線(xiàn)前進(jìn)行點(diǎn)檢；

注膠參數(shù)設(shè)置：在ET階段（設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段）利用側(cè)圍總成，將單件拆除后螺接，在需要注膠的位置涂上蠟，側(cè)圍件反復(fù)利用驗(yàn)證各腔體注膠量，車(chē)型量產(chǎn)后需要對(duì)各注膠參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，設(shè)置注膠量與實(shí)際測(cè)量值誤差在±5%，測(cè)量頻次1次/班。

以上參數(shù)設(shè)置僅作為參考，實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)需要根據(jù)注膠管路、注膠場(chǎng)地的規(guī)劃特點(diǎn)進(jìn)行最終參數(shù)的調(diào)整。

5 與傳統(tǒng)夾膠板的對(duì)比

發(fā)泡注膠與傳統(tǒng)夾膠板的對(duì)比見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)，聚氨酯發(fā)泡的充填效果更好，而且質(zhì)地均勻，不需要用單獨(dú)的模具進(jìn)行預(yù)制成型，注射量可以任意調(diào)整，特別適用于多種車(chē)型的混線(xiàn)生產(chǎn)。

傳統(tǒng)夾膠板需要烘烤后發(fā)泡，發(fā)泡效果因車(chē)型結(jié)構(gòu)和發(fā)泡材料性能不同會(huì)有較大差異，充填效果重復(fù)性差，導(dǎo)致車(chē)輛個(gè)體的降噪效果有差異，夾膠板依據(jù)車(chē)身內(nèi)腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，車(chē)型之間不通用，每款車(chē)型需要開(kāi)發(fā)一套模具，周期長(zhǎng)、成本高，夾膠板填材料芯部支架多為尼龍制造，雖然耐熱性可以滿(mǎn)足要求，但是對(duì)聲音的阻隔效果較差。

表1 發(fā)泡注膠與傳統(tǒng)夾膠板的對(duì)比Table 1 The comparison between foaming injection gel and the traditional binder plate

6 結(jié)語(yǔ)

對(duì)汽車(chē)的運(yùn)動(dòng)噪音控制能力直接反映了整車(chē)的質(zhì)量控制水平，在行業(yè)內(nèi)受到廣泛的關(guān)注?？涨蛔钄嗍强刂栖?chē)內(nèi)噪聲經(jīng)空氣傳播的重要方法，可以有效改善整車(chē)的NVH性能。其中，車(chē)身空腔阻斷位置設(shè)計(jì)和阻斷材料選用對(duì)空腔阻斷效果至關(guān)重要。雙組分聚氨酯發(fā)泡材料具有質(zhì)量輕、舒適性好、吸振性較高等特點(diǎn)，其優(yōu)越性是其他材料不能比擬的。