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        CFD 仿真技術(shù)在涂裝質(zhì)量管理中的應(yīng)用

        2021-04-26 07:44:58徐洪鵬王景帥董濤王曉鵬李丁丁龐茂飛劉海莉
        電鍍與涂飾 2021年6期

        徐洪鵬 ,王景帥,董濤,王曉鵬,李丁丁,龐茂飛,劉海莉

        (1.重汽(濟(jì)南)輕卡有限公司制造部,山東 濟(jì)南 250200;2.山東嘉泰涂料有限公司,山東 濟(jì)南 250200)

        經(jīng)濟(jì)發(fā)展極大地帶動(dòng)了人們對(duì)汽車的需求,汽車制造業(yè)因此得以高速發(fā)展。相比以往,人們?cè)谥匾暺噷?shí)用性的同時(shí),也對(duì)汽車美觀提出了更高的要求,在汽車涂裝方面要求涂層具有更加多元化的色彩、更高的光澤以及更加均勻的厚度。傳統(tǒng)人工噴涂作業(yè)的方式具有偶然性,講求經(jīng)驗(yàn),不能保證涂裝質(zhì)量的穩(wěn)定性。為解決這一問(wèn)題,越來(lái)越多的主機(jī)廠選擇了自動(dòng)噴涂工藝,在提升效率、降低成本的同時(shí),極大提升了涂裝質(zhì)量[1]。

        在市場(chǎng)需求的帶動(dòng)下,筆者所在公司在行業(yè)內(nèi)率先在輕卡車型的涂裝工作中采用自動(dòng)噴涂工藝,引進(jìn)了一條溶劑型面漆生產(chǎn)線,采用2C1B 免中涂“濕碰濕”工藝,以自動(dòng)噴涂機(jī)器人為主、人工預(yù)補(bǔ)為輔的噴涂方式進(jìn)行生產(chǎn)。閃光底色漆采用4 臺(tái)YASKAW A EPX-2700 型機(jī)器人分兩組進(jìn)行兩遍成膜,機(jī)器人配套使用SAMES PPH707 型霧化器和SAMES EX 65 Hi-TE 型旋杯。整條涂裝線工藝先進(jìn)、設(shè)計(jì)合理、布局緊湊、自動(dòng)化程度高,整體水平處于行業(yè)領(lǐng)先[1-3]。

        1 問(wèn)題描述

        近期根據(jù)輕卡市場(chǎng)需求,著手開(kāi)發(fā)了一款新配色方案,其中涉及某閃光底色漆(以下簡(jiǎn)稱“A 漆”)。首次試噴效果顯示其在駕駛室車門(mén)表面形成的漆膜不均勻,呈現(xiàn)出間隔有規(guī)律性的色差條紋(見(jiàn)圖1)。

        為查明此質(zhì)量問(wèn)題發(fā)生的原因,從人、機(jī)、料、法、環(huán)五要素出發(fā)對(duì)整個(gè)噴涂過(guò)程進(jìn)行梳理排查。最終將原因歸結(jié)為:首次試噴A 漆時(shí)采用了以往普通閃光底色漆的通用噴涂參數(shù),機(jī)器人噴涂車門(mén)位置時(shí)將成型空氣系數(shù)設(shè)置為100%(流速約為3.0 m/s),致使漆霧散幅略窄,所形成的漆膜的均勻性不佳,加之A 漆遮蓋力稍弱,最終導(dǎo)致噴槍軌跡位置與軌跡間隙位置呈現(xiàn)出色差條紋。為消除上述缺陷,需適當(dāng)修正機(jī)器人的噴涂參數(shù),其中旋杯轉(zhuǎn)速、噴槍與工件之間的距離、走槍速率、出漆量等對(duì)漆膜均勻性影響較小,而成型空氣的作用在于防止漆霧飛散、調(diào)整漆霧幅寬[4],對(duì)漆膜均勻性的影響最大。為突出研究重點(diǎn),本文僅探究成型空氣系數(shù)對(duì)漆膜均勻性的影響。

        圖1 某閃光底色漆在車門(mén)上形成的間隔型色差條紋Figure 1 Stripes different in color alternately formed by a sparkling color primer at the car door

        調(diào)低成型空氣系數(shù)可增加漆霧幅寬,從而獲得更加均勻的漆膜,但若以試驗(yàn)的方式探究調(diào)整效果會(huì)增加驗(yàn)證次數(shù),既增加成本又耗時(shí)。為了節(jié)約成本,同時(shí)高效、準(zhǔn)確地確定成型空氣系數(shù),采用CFD(計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))技術(shù)對(duì)噴涂過(guò)程進(jìn)行仿真,為成型空氣系數(shù)的設(shè)定提供理論支持。

        2 問(wèn)題的分析與解決

        2.1 計(jì)算過(guò)程

        影響靜電涂裝效果的因素較多,極性帶電漆粒在電場(chǎng)中除受到重力、庫(kù)侖力、洛倫茲力的影響外,還受周邊法拉第電磁屏蔽效應(yīng)的影響,復(fù)雜的受力情況使漆粒的運(yùn)動(dòng)變得復(fù)雜[5]。為突出成型空氣系數(shù)對(duì)漆膜均勻性的影響,按需對(duì)部分要素作簡(jiǎn)化處理,具體如下:

        (1) 由于漆霧是包含漆粒的空氣,為方便處理,仿真過(guò)程中流體均設(shè)置為空氣(Air)。此外仿真過(guò)程中壓力變化較小,流體狀態(tài)基本不變,因此仿真流體被視為不可壓縮流體。

        (2) 仿真過(guò)程適當(dāng)考慮了重力及電場(chǎng)力對(duì)漆霧的作用。

        (3) 仿真過(guò)程適當(dāng)考慮了涂裝室內(nèi)為排出溶劑蒸汽而營(yíng)造的正壓氣流對(duì)漆霧的作用[6]。

        (4) 根據(jù)傳熱傳質(zhì)理論中的熱質(zhì)交換類比律,當(dāng)劉易斯準(zhǔn)則Le = 1 時(shí)熱交換和質(zhì)交換過(guò)程的狀態(tài)分布曲線相同,而對(duì)于噴涂過(guò)程中氣體混合物的傳熱傳質(zhì)過(guò)程通??烧J(rèn)為L(zhǎng)e ≈ 1,即此過(guò)程中熱交換和質(zhì)交換的狀態(tài)分布曲線近乎相同[7]?;谶@一事實(shí),仿真過(guò)程通過(guò)分析模型的溫度場(chǎng)(傳熱過(guò)程)分布來(lái)間接反映漆霧濃度(傳質(zhì)過(guò)程)的分布狀態(tài)。

        本次仿真分析以現(xiàn)場(chǎng)采集到的A 漆原始噴涂參數(shù)為基礎(chǔ),按旋杯噴槍的實(shí)際形狀和尺寸(如圖2a 所示)在Gambit 軟件中建立簡(jiǎn)化3D 模型(如圖2b 所示)。

        圖2 現(xiàn)場(chǎng)旋杯噴槍的實(shí)際形狀以及噴涂過(guò)程的三維模型Figure 2 Actual shape of electrostatic bell-cup sprayer in the production line and 3D model of the spraying process

        在Gambit 軟件中對(duì)模型進(jìn)行體網(wǎng)格劃分,而為保證較低的扭曲率,采用錢(qián)幣劃分法[8-10]對(duì)圓柱體進(jìn)行網(wǎng)格處理,扭曲率不高于0.85。然后設(shè)定邊界條件,將模型下部圓柱體的底面及側(cè)面設(shè)置為壓力出口,以模擬漆霧流體的狀態(tài)。最后保存模型并導(dǎo)出網(wǎng)格。

        將完成參數(shù)設(shè)定的模型導(dǎo)入Fluent 軟件中,再次檢查網(wǎng)格質(zhì)量,并根據(jù)噴涂過(guò)程的原理屬性選擇相應(yīng)的計(jì)算模型、流體類型,定義相應(yīng)的操作條件、邊界條件;然后選擇差分格式并進(jìn)行初始化設(shè)置;最終開(kāi)始迭代計(jì)算。

        本此設(shè)置迭代次數(shù)為300 次,采用Fluent 默認(rèn)的收斂標(biāo)準(zhǔn):能量殘差值收斂至10-6以下,其余變量殘差值收斂至10-3以下。本次迭代過(guò)程中能量殘差值始終未能滿足默認(rèn)條件,但通過(guò)觀察殘差曲線發(fā)現(xiàn)能量殘差值在約150 次迭代后已趨于穩(wěn)定,其值不隨迭代的繼續(xù)進(jìn)行而發(fā)生變化,因此同樣可認(rèn)為計(jì)算收斂結(jié)果有效[11]。

        2.2 結(jié)果分析

        通過(guò)Display 選項(xiàng)中的Pathlines 進(jìn)行工作流體流動(dòng)狀態(tài)的分析(見(jiàn)圖3)。在實(shí)際噴涂過(guò)程中,油漆經(jīng)輸漆管進(jìn)入旋杯內(nèi)壁,旋杯高速旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的巨大離心力使油漆形成液膜,并在旋杯邊緣位置被甩出,液膜破裂形成漆霧[12],漆霧在復(fù)雜受力狀態(tài)下基本保持向工件表面的定向流動(dòng),但部分漆霧會(huì)明顯受到成型空氣的約束,在旋杯附近形成環(huán)形回流區(qū),在這一區(qū)域內(nèi)漆粒運(yùn)動(dòng)速率較快,漆霧流動(dòng)狀態(tài)如圖3a所示。成型空氣的流動(dòng)狀態(tài)如圖3b 所示,成型空氣首先沿旋杯外壁流動(dòng),從旋杯外壁被噴射出之后對(duì)漆霧產(chǎn)生約束,在形成的層流中對(duì)內(nèi)部的漆霧起限幅作用。工作流體(復(fù)合流體)由漆霧和成型空氣共同組成,其流動(dòng)狀態(tài)如圖3c 所示,流體流速沿著噴射方向逐漸下降。同時(shí)分析噴涂空間流體的流動(dòng)狀態(tài),包括周圍空氣受噴涂過(guò)程影響產(chǎn)生的流動(dòng)。從圖4a 可見(jiàn),周圍空氣受到噴涂氣流的影響而受迫流動(dòng);圖4b 則反映出流體的速度矢量分布狀態(tài)。

        圖3 工作流體的流線形狀及速度分布Figure 3 Streamline shape and velocity distribution of working fluids

        圖4 噴涂空間全部流體的流動(dòng)狀態(tài)Figure 4 Flow state of all fluids in the spray space

        本次出現(xiàn)的色差問(wèn)題是因?yàn)槠崮げ痪鶆驅(qū)е碌?,為保證色彩均一的同時(shí)節(jié)約漆料,需要涂層最終膜厚控制在15 ~ 18 μm。根據(jù)前述流線分析可知,噴槍中心軸線處漆霧中的油漆濃度最高,并沿法線方向朝四周逐漸降低。根據(jù)圖5 給出的2 條噴槍軌跡形成的涂層部分重疊的示意圖(其中的參數(shù)均為實(shí)際工藝要求),噴槍軌跡間距為100 mm,為保證2 條軌跡之間位置的膜厚不低于15 μm,要求單一噴涂軌跡在距離軌跡中心位置50 mm 處形成的涂層達(dá)到7.5 μm 以上,即此處漆霧濃度起碼要達(dá)到中心位置的41.7%(通過(guò)7.5 μm 除以允許最大膜厚18.0 μm 求得)。換言之,當(dāng)距離軌跡中心位置50 mm 處的漆霧濃度為中心位置的41.7%以上時(shí),漆膜能夠達(dá)到預(yù)期效果。

        圖5 兩條噴涂軌跡產(chǎn)生部分重疊的示意圖Figure 5 Schematic diagram of partial overlap produced by two spraying tracks

        基于以上分析,為探究成型空氣系數(shù)對(duì)漆霧濃度場(chǎng)分布的影響,通過(guò)控制變量法(變量為成型空氣系數(shù))對(duì)漆霧濃度進(jìn)行間接的仿真計(jì)算:分別設(shè)置成型空氣系數(shù)為100%、80%、60%,對(duì)應(yīng)空氣流速為3.0、2.4 和1.8 m/s。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,對(duì)通過(guò)噴槍中心軸線的平面(如z= 0 平面)和代表工件表面的y= -0.23 平面進(jìn)行切面分析,以評(píng)估變量對(duì)漆霧濃度分布的影響。

        根據(jù)熱質(zhì)交換類比律,以現(xiàn)場(chǎng)采集到的初始溫度數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),對(duì)噴涂過(guò)程的溫度場(chǎng)分布進(jìn)行仿真計(jì)算,以此間接反映漆霧濃度的分布狀態(tài)。從圖6 可知,漆霧從旋杯中形成后朝向噴射方向遷移,并在遷移過(guò)程中向四周擴(kuò)散,漆霧濃度逐漸下降,但中心軸線上始終處于較高濃度,形成近似旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的漆霧濃度分布狀態(tài);另外,隨著成型空氣系數(shù)降低,漆霧幅寬略有增加。而在工件表面形成的漆霧中心位置濃度最高,并朝離心方向濃度逐漸降低,形成近似軸對(duì)稱濃度分布狀態(tài);且隨著成型空氣系數(shù)降低,漆霧的形狀受涂裝室內(nèi)為排出溶劑蒸汽而營(yíng)造的正壓氣流的影響越來(lái)越大,當(dāng)成型空氣系數(shù)為80%和60%時(shí),漆霧濃度的軸對(duì)稱性受到不同程度的破壞。

        圖6 不同成型空氣系數(shù)影響下的漆霧溫度場(chǎng)分布Figure 6 Paint mist temperature field distribution under the influence of different shaping air coefficients

        為了量化距離中心位置50 mm 處的漆霧濃度,在模型中對(duì)應(yīng)位置提取溫度仿真數(shù)據(jù),并以傳熱傳質(zhì)理論為基礎(chǔ)計(jì)算得出該處的漆霧濃度。從表1可知,成型空氣系數(shù)為80%時(shí)對(duì)應(yīng)位置的漆霧濃度略低于41.7%,根據(jù)計(jì)算結(jié)果判斷當(dāng)成型空氣系數(shù)下調(diào)至70%時(shí)能夠解決出現(xiàn)的色差問(wèn)題。

        表1 不同成型空氣系數(shù)下漆霧邊界的濃度Table 1 Concentration of paint mist boundary under different shaping air coefficients

        2.3 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

        在保證其余工序及參數(shù)不變的前提下,將成型空氣系數(shù)調(diào)整至70%進(jìn)行試裝驗(yàn)證,從圖7 可見(jiàn),最初的色差問(wèn)題得到了很好的解決,車門(mén)漆膜45°色差波動(dòng)控制在0.3 以內(nèi),表明仿真分析提供的結(jié)論有效。

        圖7 成型空氣系數(shù)為70%時(shí)車門(mén)漆膜的外觀Figure 7 Appearance of coating at car door with a shaping air coefficient of 70%

        3 結(jié)語(yǔ)

        CFD 仿真技術(shù)作為一種新興技術(shù)正逐漸走近現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)。相對(duì)于以試驗(yàn)為主的傳統(tǒng)驗(yàn)證手段,CFD 仿真技術(shù)具有節(jié)約成本、準(zhǔn)確高效等特點(diǎn),為諸如新漆涂裝等過(guò)程提供前期的理論支持,特別適用于成本昂貴、驗(yàn)證機(jī)會(huì)稀少的工業(yè)過(guò)程。

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