CFD 仿真技術(shù)在涂裝質(zhì)量管理中的應(yīng)用

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)展極大地帶動了人們對汽車的需求，汽車制造業(yè)因此得以高速發(fā)展。相比以往，人們在重視汽車實用性的同時，也對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，不能保證涂裝質(zhì)量的穩(wěn)定性。為解決這一問題，越來越多的主機(jī)廠選擇了自動噴涂工藝，在提升效率、降低成本的同時，極大提升了涂裝質(zhì)量[1]。

在市場需求的帶動下，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)計合理、布局緊湊、自動化程度高，整體水平處于行業(yè)領(lǐng)先[1-3]。

1 問題描述

近期根據(jù)輕卡市場需求，著手開發(fā)了一款新配色方案，其中涉及某閃光底色漆(以下簡稱“A 漆”)。首次試噴效果顯示其在駕駛室車門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(見圖1)。

為查明此質(zhì)量問題發(fā)生的原因，從人、機(jī)、料、法、環(huán)五要素出發(fā)對整個噴涂過程進(jìn)行梳理排查。最終將原因歸結(jié)為：首次試噴A 漆時采用了以往普通閃光底色漆的通用噴涂參數(shù)，機(jī)器人噴涂車門位置時將成型空氣系數(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)對漆膜均勻性的影響。

圖1 某閃光底色漆在車門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，但若以試驗的方式探究調(diào)整效果會增加驗證次數(shù)，既增加成本又耗時。為了節(jié)約成本，同時高效、準(zhǔn)確地確定成型空氣系數(shù)，采用CFD(計算流體動力學(xué))技術(shù)對噴涂過程進(jìn)行仿真，為成型空氣系數(shù)的設(shè)定提供理論支持。

2 問題的分析與解決

2.1 計算過程

影響靜電涂裝效果的因素較多，極性帶電漆粒在電場中除受到重力、庫侖力、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)動變得復(fù)雜[5]。為突出成型空氣系數(shù)對漆膜均勻性的影響，按需對部分要素作簡化處理，具體如下：

(1) 由于漆霧是包含漆粒的空氣，為方便處理，仿真過程中流體均設(shè)置為空氣(Air)。此外仿真過程中壓力變化較小，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) 仿真過程適當(dāng)考慮了重力及電場力對漆霧的作用。

(3) 仿真過程適當(dāng)考慮了涂裝室內(nèi)為排出溶劑蒸汽而營造的正壓氣流對漆霧的作用[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 時熱交換和質(zhì)交換過程的狀態(tài)分布曲線相同，而對于噴涂過程中氣體混合物的傳熱傳質(zhì)過程通?？烧J(rèn)為Le ≈ 1，即此過程中熱交換和質(zhì)交換的狀態(tài)分布曲線近乎相同[7]?；谶@一事實，仿真過程通過分析模型的溫度場(傳熱過程)分布來間接反映漆霧濃度(傳質(zhì)過程)的分布狀態(tài)。

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

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

在Gambit 軟件中對模型進(jìn)行體網(wǎng)格劃分，而為保證較低的扭曲率，采用錢幣劃分法[8-10]對圓柱體進(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)噴涂過程的原理屬性選擇相應(yīng)的計算模型、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；最終開始迭代計算。

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。本次迭代過程中能量殘差值始終未能滿足默認(rèn)條件，但通過觀察殘差曲線發(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)為計算收斂結(jié)果有效[11]。

2.2 結(jié)果分析

通過Display 選項中的Pathlines 進(jìn)行工作流體流動狀態(tài)的分析(見圖3)。在實際噴涂過程中，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，但部分漆霧會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)動速率較快，漆霧流動狀態(tài)如圖3a所示。成型空氣的流動狀態(tài)如圖3b 所示，成型空氣首先沿旋杯外壁流動，從旋杯外壁被噴射出之后對漆霧產(chǎn)生約束，在形成的層流中對內(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，其流動狀態(tài)如圖3c 所示，流體流速沿著噴射方向逐漸下降。同時分析噴涂空間流體的流動狀態(tài)，包括周圍空氣受噴涂過程影響產(chǎn)生的流動。從圖4a 可見，周圍空氣受到噴涂氣流的影響而受迫流動；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狀態(tài)Figure 4 Flow state of all fluids in the spray space

本次出現(xiàn)的色差問題是因為漆膜不均勻?qū)е碌?，為保證色彩均一的同時節(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，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)對漆霧濃度場分布的影響，通過控制變量法(變量為成型空氣系數(shù))對漆霧濃度進(jìn)行間接的仿真計算：分別設(shè)置成型空氣系數(shù)為100%、80%、60%，對應(yīng)空氣流速為3.0、2.4 和1.8 m/s。根據(jù)計算結(jié)果，對通過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，以評估變量對漆霧濃度分布的影響。

根據(jù)熱質(zhì)交換類比律，以現(xiàn)場采集到的初始溫度數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對噴涂過程的溫度場分布進(jìn)行仿真計算，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造的正壓氣流的影響越來越大，當(dāng)成型空氣系數(shù)為80%和60%時，漆霧濃度的軸對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%時對應(yīng)位置的漆霧濃度略低于41.7%，根據(jù)計算結(jié)果判斷當(dāng)成型空氣系數(shù)下調(diào)至70%時能夠解決出現(xiàn)的色差問題。

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)場驗證

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)行試裝驗證，從圖7 可見，最初的色差問題得到了很好的解決，車門漆膜45°色差波動控制在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%時車門漆膜的外觀Figure 7 Appearance of coating at car door with a shaping air coefficient of 70%

3 結(jié)語

CFD 仿真技術(shù)作為一種新興技術(shù)正逐漸走近現(xiàn)場生產(chǎn)。相對于以試驗為主的傳統(tǒng)驗證手段，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程提供前期的理論支持，特別適用于成本昂貴、驗證機(jī)會稀少的工業(yè)過程。