双组分聚氨酯发泡材料工艺研究

张 扬，井龙卿，刘春良（长城汽车股份有限公司技术中心，河北省汽车工程技术研究中心，河北保定 071000）

0 引言

随着人民生活水平的提高，汽车在人们的日常生活中占据了很重要的地位，人们不仅对其操作性、安全性等提出了更高的要求，而且对其乘坐的舒适性也提出了越来越高的要求，整车NVH水平是体现其舒适性的一项重要指标。NVH是噪声（Noise）、振动（Vibration）与舒适性（Harshness）的英文缩写，是汽车业各大整车制造企业和零部件企业最关注的问题之一，也是衡量汽车制造质量的一个综合指标。NVH性能的优劣直接影响整车水准，为达到降低车内噪声提升NVH水平而进行的产品和技术开发中，新兴的双组分聚氨酯发泡材料被普遍应用。

1 双组分聚氨酯发泡材料的作用机理

双组分聚氨酯发泡材料由A组分和B组分在常温下以固定比例混合后快速反应、发泡并快速成型，如图1所示，其应用于侧围旁路空腔密封时，可非常有效地进行气流阻隔、抑制空气传播，在阻断通道时，由于聚氨酯发泡材料具有多孔吸声材料的内部结构，使声波能量得到很大的吸收并衰减。

图1 双组分聚氨酯发泡原理Figure 1 Foaming principle of two-component polyurethane

2 白车身应用部位

双组分聚氨酯发泡材料主要注射部位为车身A柱、B柱、C柱、轮罩等部位。注胶位置设置原则如下：

（1） A柱前端：阻断发动机传来的噪音；

（2） A柱、B柱上部：接近驾驶员耳朵部位；

（3） 前围窗横梁：隔断发动机、冷却系统噪音；

（4） 轮罩：隔断轮胎的噪音。

3 空腔注胶对车身结构的要求

车身结构设计直接影响到注胶的效果，因此在车身设计初期，应该组织注胶设备厂家、材料厂家以及NVH部门和工艺部门，对车身结构设计进行评审，避免后期对车身结构进行变更。

3.1 注胶部位确定

空腔注胶对车身结构有特殊的要求，需要在车身研发阶段进行特殊设计。首先要求与NVH部门共同设计确定需要注胶的部位，研究发泡空腔大小以及发泡量，需发泡的空腔必须是半封闭空腔，敞开式空腔会导致发泡形状不统一。另外在设计注胶空腔时还需要考虑车身内腔蜡的喷涂部位，二者之间不能有交叉，喷蜡部位需要与发泡部位分隔开，防止喷蜡时雾化的蜡影响发泡效果，这些都是在白车身设计时需要考虑的因素。

3.2 注胶孔设计

注胶孔直径最好保持一致，便于喷枪共用，注胶孔直径依据喷枪嘴直径大小设计，建议孔直径比枪嘴直径大1～1.5 mm，注胶孔周围的孔直径要比注胶枪嘴直径小，防止人员误操作，如果需要封闭内外两个腔体，建议过孔直径为ø20～ø28。由于注胶枪需要伸入到空腔中，因此，对注胶孔要留有至少10 mm的空间便于枪头进入。为了便于材料的流动，还需要考虑原材料流道，对于复杂结构的内腔，建议设计2个或多个注胶孔，避免因原材料流动障碍导致的质量问题发生。

3.3 注胶量确定

一般来说，对于长度为4.8 m左右的轿车和SUV车来说，注胶量一般为1～2.5 kg左右，单孔注胶量为50～200 g。发泡量太大，操作时间长，影响生产节拍。

4 现场工艺与设备

4.1 工艺规划

空腔注胶工艺在涂装操作完成后转总装装配之前进行，一般设计在涂装车间的最后1道工序或者是总装车间的第1道工序。该工艺是在车身特定的注射孔里注射发泡原材料，发泡原材料由A、B两种组分组成，A组分为多元醇，B组分为异氰酸酯。二者在混合前均为液体，在一定比例下进行混合，混合时发生放热的化学反应，体积迅速膨胀，得到聚氨酯泡沫，其中混合比例由原材料厂商提供，如DOW发泡材料的配比为A、B组分的体积比24∶1。

注胶工位一般设置2个工位，1个高工位和1个正常工位，其中高工位对A柱上部、B柱及C柱上部等部位进行灌注，低工位对A柱下部及后门轮罩部位进行灌注。在进行空腔注胶时需对除注胶孔以外的孔进行人工遮蔽操作，防止泡沫材料膨胀后溢出。

在进行注胶工艺时还需要考虑注胶与车身内腔蜡之间的关系。如果钢板上有蜡，导致泡沫不能与钢板有效结合，两者间附着力不好，影响降噪效果。因此在采取喷蜡工艺的情况下，需要避免蜡雾污染到需要注胶的部位。

4.2 注胶设备技术要求

空腔发泡设备主要由材料输送系统、注射计量单元、注射枪悬挂装置、枪头清洗单元及电控系统等5部分组成。

材料输送系统：包括A组分和B组分输送系统，双组分材料由输送泵直接从材料商的材料桶内抽取，经过材料输送管道送入发泡加注系统的缓冲槽。同时在此装置中涉及加热单元，材料温度建议控制在40～50 ℃。材料温度控制系统由温控模块来控制，材料循环系统可确保温度稳定、精确。温度控制系统的PID程序可允许温度在设定的范围内变化，如果超过设定的温度范围，设备会报警并停机。

注射计量单元：在循环模式下A、B组分分别由计量泵输送到混合枪头。注射量可以由操作者释放扳机的时间来控制，或者给设备设定注射量，完全由设备自动控制。

注射枪悬挂装置：沿着生产线前进的方向设置导轨，垂直方向也设有吊挂喷枪管的导轨，枪管路吊挂在弹簧平衡器上。可以非常方便地进行生产作业。

枪头清洗单元：在空腔发泡胶操作的每个工位配置一套枪头清洗单元，便于枪头经长时间操作变脏时进行清洗。不需要在每次注射后清洗。

在不注射的状态下，材料通过注射枪保持高压循环，这不仅能使注射枪保持清洁，也可保证流量、温度的稳定。在待机及注射间歇状态下，保持低压循环。

4.3 工艺参数设置

温度控制：原料供应间温度设置在18～35 ℃；A组分主管循环温度设置为（38±5）℃；B组分主管循环温度设置为（25±5）℃；A组分加热器温度设置为82 ℃；B组分加热器温度设置为30 ℃；A组分线边罐温度设置为70 ℃；B组分线边罐温度设置为22～49 ℃；A组分枪口温度设置为74～82 ℃；

压缩空气的压力控制：线边罐压缩空气压力为0.2～0.3 MPa，需要线体员工开线前进行点检；

注胶参数设置：在ET阶段（设计验证阶段）利用侧围总成，将单件拆除后螺接，在需要注胶的位置涂上蜡，侧围件反复利用验证各腔体注胶量，车型量产后需要对各注胶参数进行测量，设置注胶量与实际测量值误差在±5%，测量频次1次/班。

以上参数设置仅作为参考，实际现场需要根据注胶管路、注胶场地的规划特点进行最终参数的调整。

5 与传统夹胶板的对比

发泡注胶与传统夹胶板的对比见表1。由表1可见，聚氨酯发泡的充填效果更好，而且质地均匀，不需要用单独的模具进行预制成型，注射量可以任意调整，特别适用于多种车型的混线生产。

传统夹胶板需要烘烤后发泡，发泡效果因车型结构和发泡材料性能不同会有较大差异，充填效果重复性差，导致车辆个体的降噪效果有差异，夹胶板依据车身内腔结构设计，车型之间不通用，每款车型需要开发一套模具，周期长、成本高，夹胶板填材料芯部支架多为尼龙制造，虽然耐热性可以满足要求，但是对声音的阻隔效果较差。

表1 发泡注胶与传统夹胶板的对比Table 1 The comparison between foaming injection gel and the traditional binder plate

6 结语

对汽车的运动噪音控制能力直接反映了整车的质量控制水平，在行业内受到广泛的关注。空腔阻断是控制车内噪声经空气传播的重要方法，可以有效改善整车的NVH性能。其中，车身空腔阻断位置设计和阻断材料选用对空腔阻断效果至关重要。双组分聚氨酯发泡材料具有质量轻、舒适性好、吸振性较高等特点，其优越性是其他材料不能比拟的。