發泡海綿管自動卷圓接合機研究

李 力 顏 勇

（三峽大學 水電機械設備設計與維護湖北重點實驗室，湖北 宜昌 443002）

聚醚聚氨酯發泡海綿由于具有保溫、隔熱、吸音、減震、阻燃、防靜電、透氣性能好等特性［1］，被廣泛應用于各種行業.汽車用發泡海綿管是一種以聚醚聚氨酯發泡海綿板為原料，通過卷圓接合成型成為無縫發泡海綿管，隨著汽車工業的發展，對發泡海綿產品的需求量日益增加.然而，目前發泡海綿管仍主要依靠手工生產，生產效率低，已不能滿足市場的需求，急需研發加工成型機械.同時，由于發泡海綿具有較高的回彈性，在外力作用下產生的變形中約95%形變為彈性形變［2］，在外力撤銷后將恢復到受力前的狀態，目前對板料的加工成型多屬于塑性成型的范疇，因此，發泡海綿的成型加工需要開發特別功能的機械.

基于此，設計一種發泡海綿自動卷圓接合機（以下簡稱卷圓接合機），以實現發泡海綿的自動卷圓成型，解決發泡海綿管成型和產量不足的問題.開發的卷圓接合機主要由卷圓機構、送料組件、接合裝置以及控制系統組成，設計中考慮到柔性材料特點，采用了幾何約束卷圓的方法來實現卷圓成型，以及以熱接合方式加工無縫海綿管.整個加工過程采用自動控制系統一次成型，解決了柔性高回彈材料的成型問題.

1 卷圓接合機方案設計

所設計的卷圓接合機能將規格為l×w×t＝300mm×45mm×5mm的小尺寸聚醚聚氨酯發泡海綿板經卷圓、接合成無縫海綿管發泡海綿卷圓.發泡海綿板物理化學性質見表1［3］.

表1 聚醚聚氨酯發泡海綿板的物理化學性質

為實現卷圓接合成型功能，要求所設計機械應滿足如下3點要求：1）鑒于發泡海綿的高回彈性，成型約束力須貫穿于整個加工過程；2）在接合階段，為提高熱接合質量，應使焊縫成V型，以使接合面充分加熱；3）在接合完成后，應保壓一段時間，以使焊縫充分接合，提高接合質量.

圖1為卷圓接合機功能樹，反映了卷圓接合機的功能元.

圖1 卷圓接合機功能樹

結合圖1為卷圓接合成型裝置總體方案設計提供可行的功能原理選擇方案，這些功能原理方案構成卷圓接合成型裝置的形態學矩陣見表2.

表2 卷圓接合成型機形態學矩陣

1.1 卷圓方案設計

卷圓成型的目的是將發泡海綿卷圓成待接合發泡海綿管，為后續的接合建立接合工位即接合焊縫.發泡海綿經卷圓后所達到的效果是將胚料兩側面相對旋轉360°使兩側面貼合形成接合焊縫.發泡海綿屬于柔性材料，據有較高的回彈性，故而不能夠通過使其產生塑性變形的方式來改變其形狀.發泡海綿的這一性能使得在卷圓成形加工過程中約束發泡海綿成型的外力必須始終存在.

卷圓成型時可通過幾何約束和力約束兩種方式施加外力.圖2（a）為幾何約束卷圓示意圖，它是以一定形狀的幾何體約束發泡海綿，使發泡海綿卷圓成型.幾何體為圓形，其內腔直徑為發泡海綿卷圓成型后海綿管外徑.圖2（b）為力約束卷圓示意圖，它是在加工過程中通過夾持體直接對發泡海綿施加夾持力，通過夾持力的作用使發泡海綿卷圓成型.由圖2可以看到在卷圓完成后有部分夾持體被無縫發泡海綿管所包覆，那么在加工過程中必然存在夾持體夾緊、松開、退讓卸料的動作以實現卷圓接合機的連續加工.這就使得夾持體須做大量的輔助運動，降低了裝置單位時間內的加工效率.而幾何約束卷圓中只需要完成幾何體的封閉與打開動作，其輔助動作少，相應的單位時間內的加工效率高.因而采用幾何約束卷圓為卷圓方案.

圖2 施加外力的方式

根據平面曲桿理論［4］，對于大曲率的彈性彎曲，其應力應變中性層與曲桿截面形心不重合，而是隨著變形程度的增加逐漸向內移動，其應力應變中性層曲率半徑為

式中，ρ0為板料彈性彎曲應力應變中性層曲率半徑；t為板料原始厚度；r為板料內彎曲半徑.

同時，由于中性層纖維長度不變則對于胚料寬度w以及發泡海綿板內彎曲半徑ρ0有

綜上所述，由發泡海綿板料卷圓接合成型所得的無縫發泡海綿管規格為：內直徑10mm、外直徑20 mm、長度300mm、厚度5mm.

1.2 接合方案比選

把塑料件接合起來的方法有焊接和粘接［5］.焊接法包括有熱板焊接、激光焊接、超聲焊接、以及熱氣焊等.粘接法可按所用的膠粘劑，分為熔劑、樹脂溶液和熱熔膠粘接.熱接合的方式可分為接觸式和非接觸式兩種.在該裝置中選用熱接合方式焊接.此外，熱板焊接會造成熱板粘附材料且成本高、焊接靈活性差；激光焊接雖然有著較高的焊接速度和較高的焊接精度，但設備成本高，焊接靈活性差；超聲波焊接能獲得高焊接強度但噪音大，設備體積較大、成本高；熱氣焊的設備結構簡單，焊接靈活性好，焊接外觀良好，焊接強度強但存在加熱不均勻的現象.考慮到所需的發泡海綿管需要有良好的焊接外觀以及較高的焊接強度，同時根據經濟性原則，選用熱氣焊為卷圓接合機的接合方式.

2 整機設計

為完成發泡海綿卷圓接合成發泡海綿管，所設計的卷圓接合機需完成的功能動作有卷圓、送料、接合，各功能動作分別通過卷圓機構，送料組件和接合裝置來完成.

2.1 卷圓機構設計

卷圓機構結構示意圖及機構示意圖如圖3所示，其中圖3（a）為結構示意圖，圖3（b）為機構示意圖.包括有用于將海綿板壓入殼體的壓桿5，約束海綿板卷圓成形的左壓蓋4、右壓蓋6以及圓弧殼體.卷圓機構中壓桿、左壓蓋、右壓蓋的運動形式為間歇直線往復運動，且運動行程短，因而采用電磁驅動為其驅動方式，以便于實現自動化控制.此外，左壓蓋、右壓蓋靠攏后合成完整圓孔，作為熱接合的工作位置，同時圓孔也在胚料到達此處時減小壓蓋對該處胚料的約束，使發泡海綿兩端面在所述圓孔處在胚料自身彈力作用下成V型打開，以便于在熱接合時對卷圓成型時胚料內層的加熱，提高熱接合的質量.

圖3 卷圓機構

2.2 送料組件設計

送進組件的作用是引導送料以及驅動待接合發泡海綿管相對于接合裝置軸向進給，以完成接合成型，其結構如圖4所示.在送進機構中設計有送進輪9，利用送進輪與待接合海綿管間的摩擦力驅動軸向進給.送進機構的工作位置設在卷圓機構中圓弧殼體的側面.

圖4 送進組件結構

3 控制系統設計

控制系統旨在控制各執行元件的運動，以實現卷圓、接合功能.控制系統包括硬件電路和軟件程序.控制系統的輸入端為各機構構件的位置，輸出端為卷圓機構中驅動電磁鐵的線圈以及送進機構的原動件.所設計的機械機構確定了該裝置的成型控制流程圖如圖4所示.本裝置中控制系統使用PLC控制器，以保證控制系統的穩定性和可靠性.根據圖5所示的卷圓接合過程采用步進指令編寫PLC控制程序.

圖5 成型控制流程圖

4 工作過程與仿真運動

由上述成型系統和控制系統所組成的卷圓接合機的工作過程為：1）接合機初始狀態為，封閉幾何體處于打開狀態，表現為卷圓機構中左壓蓋、右壓蓋、壓桿在復位彈簧作用下處于最高位置，如圖6（a）所示；2）發泡海綿經送料組件送入，此時發泡海綿位于壓桿的正下方，如圖6（b）所示；3）壓桿下壓，將發泡海綿壓入圓弧殼體.此時，發泡海綿從進料引導裝置脫離，并且由于圓弧殼體內腔成曲面，發泡海綿在殼體約束下卷曲，然后壓桿回到初始位置，如圖6（c）所示；4）左壓蓋、右壓蓋下壓至與圓弧殼體形成約束幾何體，此時發泡海綿兩側面接觸，胚料在左壓蓋、右壓蓋、殼體所形成的封閉幾何體的作用下卷圓成型，如圖6（d）所示；5）送進組件啟動，熱接合裝置啟動，胚料繼續送進，完成接合的胚料進入左壓蓋、右壓蓋以及圓弧殼體所構成的位于熱接合工作窗口之后的封閉區域，該段區域內繼續保持對胚料的擠壓，以完成對胚料的保壓處理；6）卷圓接合完成后，卷圓機構中左壓蓋、右壓蓋回到初始位置，緊接著加工第2個將重復上述過程.

在結構設計完成后，利用三維建模軟件對該裝置進行運動仿真并對裝配體進行干涉檢查.在仿真過程中隱藏對仿真影響不大的零部件如螺母、支撐架等.圖7為卷圓接合機的三維示意圖.

5 結 論

圖6 加工過程示意圖

圖7 卷圓接合機三維示意圖

本文針對汽車工業使用的小尺寸發泡海綿管生產設備缺乏，產量不足等問題，設計了一種發泡海綿自動卷圓與熱接合機械，以實現發泡海綿柔性材料的卷圓成型.該卷圓接合機主要由卷圓機構、送料組件、接合裝置以及控制系統等組成.設計采用了幾何約束卷圓的方法實現發泡海綿原料的卷圓成型，同時采用熱氣焊方法將卷圓成型的海綿管接合加工成無縫海綿管.整個加工過程采用自動控制一次成型，解決了柔性高回彈材料的成型問題.

通過Solidworks仿真分析，結果表明：所設計的卷圓接合機能夠完成發泡海綿卷圓接合成型所需的功能動作，滿足發泡海綿的卷圓接合成型.本文所設計的卷圓接合機已獲得實用新型專利授權.

［1］ 何繼敏.聚合物發泡材料及技術［M］.北京：化學工業出版社，2007.

［2］ 石安福，龔云表.工程塑料手冊［M］.上海：上海科學技術出版社，2005.

［3］ 黃 銳.塑料工業手冊：塑料熱成型和二次加工［M］.北京：化學工業出版社，2005.

［4］ 于永泗，齊 民.機械工程材料［M］.大連：大連理工大學出版社，2006.

［5］ 劉鴻文.材料力學：下冊［M］.2版.北京：高等教育出版社，1991.

［6］ 喬丹·羅泰澤爾.塑料連接技術設計師和工程師手冊［M］.丁玉梅，楊衛民，陳衛紅，等譯.北京：化學工業出版社，2006.