商用車水性3C1B涂裝線自主工藝節(jié)拍提升

吳有高，劉金萱

（東風(fēng)柳州汽車有限公司，廣西 柳州 545005）

眾所周知，由于整車涂裝線的建設(shè)成本及運(yùn)行成本較高，因此新建涂裝線需根據(jù)生產(chǎn)設(shè)計綱要輸入的車型產(chǎn)品及產(chǎn)能，進(jìn)行整車涂裝線的工藝規(guī)劃、布局及設(shè)備選型。涂裝線的生產(chǎn)節(jié)拍在設(shè)備安裝及工藝調(diào)試完成后，無法像總裝生產(chǎn)線一樣，通過增加人員、提升鏈速等方式進(jìn)行生產(chǎn)節(jié)拍及產(chǎn)能的提升，一般通過延時生產(chǎn)、提高庫存量等方式來消除節(jié)拍差異的影響并完成生產(chǎn)任務(wù)。

2020年到2021年，隨著國內(nèi)疫情得到控制，經(jīng)濟(jì)迅速復(fù)蘇，國內(nèi)商用車市場迎來高速發(fā)展的機(jī)遇。筆者所在公司為應(yīng)對市場急速增加的需求，進(jìn)行了生產(chǎn)基地整體生產(chǎn)節(jié)拍提升?？傃b線裝配節(jié)拍從設(shè)計的雙線24 JPH提升至雙線38 JPH，而筆者所在的涂裝車間的設(shè)計節(jié)拍為30 JPH，但受面漆線生產(chǎn)鐵質(zhì)小件占比12%、設(shè)備故障1%、涂裝直行率2%、溶劑顏色噴涂隔車位等影響，實際車身節(jié)拍僅為25 JPH，即使延時生產(chǎn)、增加庫存，也滿足不了總裝線提速后的產(chǎn)能需求。

為緩解涂裝產(chǎn)能瓶頸，筆者組織車間工藝和設(shè)備的技術(shù)骨干，探索了涂裝工藝節(jié)拍提升的可行性。針對設(shè)備通過性、關(guān)鍵工序的工藝時間和工藝參數(shù)、質(zhì)量風(fēng)險、環(huán)保排放等逐一分析，逐項驗證，通過自主改善，實現(xiàn)了將涂裝線節(jié)拍提升至36 JPH的目標(biāo)。

1 前處理電泳段工藝節(jié)拍提升

車間前處理電泳段(簡稱底涂段)的設(shè)計節(jié)拍為28 JPH，采用水平雙擺桿輸送方式。因雙擺桿節(jié)距及滑撬長度固定，故只能通過提高鏈速進(jìn)行節(jié)拍提升。于是組織了設(shè)備、工藝和材料供應(yīng)商對底涂段進(jìn)行分析，總結(jié)出影響節(jié)拍提升的因素主要有：(1)電泳烘干室的烘烤窗口影響漆膜固化；(2)工藝槽的工藝時間縮短影響上膜質(zhì)量；(3)瀝液時間不足導(dǎo)致槽液竄槽。

為減少對生產(chǎn)過程、產(chǎn)品質(zhì)量的影響，采取分段、小批次、多次重復(fù)驗證的方式對上述影響因素逐項進(jìn)行工藝驗證。

1.1 電泳烘干室烘烤窗口工藝驗證

電泳烘干室采用滑撬積放的方式，需要通過提高鏈速來提升節(jié)拍，因此需對電泳烘干室的溫度設(shè)置、風(fēng)速等進(jìn)行調(diào)整，以確保電泳漆完全固化。先收集焊裝用膠的固化條件(固化窗口：150 ～ 180 °C，30 ～ 90 min)，確認(rèn)烘烤溫度調(diào)整對其性能的影響，鎖定烘烤溫度可調(diào)整的范圍后，再根據(jù)涂料廠家提供的電泳漆烘烤工藝窗口(見圖1)，設(shè)計相應(yīng)的工藝驗證方案。

圖1 電泳烘烤窗口Figure 1 Baking window for electrophoretic coating

首先利用過線首批電泳車身，調(diào)整烘干室的鏈速，提高烘干室的溫度設(shè)置和各段送風(fēng)量、送風(fēng)頻率；在滿爐的情況下，測試烘干室爐溫曲線，并用丙酮擦拭的方法確認(rèn)電泳漆的固化效果。每個節(jié)拍進(jìn)行3次爐溫驗證，確保各車型覆蓋，并根據(jù)每次的爐溫測試結(jié)果進(jìn)行烘烤參數(shù)調(diào)整，具體驗證情況匯總于表1。

表1 電泳烘干爐調(diào)整方案及結(jié)果Table 1 Adjustment scheme and effectiveness of drying furnace for electrophoretic coating

上述驗證結(jié)果顯示，在現(xiàn)有工藝設(shè)備條件下，通過調(diào)整電泳烘干爐鏈速、提高烘干室各段的溫度，電泳烘干爐節(jié)拍可提升至35 JPH，電泳漆烘烤固化可達(dá)成產(chǎn)品質(zhì)量要求。

1.2 前處理各工藝槽的工藝時間及槽液參數(shù)的調(diào)整驗證

在節(jié)拍驗證過程中，設(shè)備參數(shù)調(diào)整隨時可以復(fù)原且風(fēng)險可控，但槽液工藝參數(shù)調(diào)整影響較大，需謹(jǐn)慎對待。先根據(jù)節(jié)拍計算出各工藝槽的工藝時間(見表2)，在實驗室模擬槽液處理效果，確認(rèn)工藝控制要項，評估相應(yīng)風(fēng)險，以便在后續(xù)工藝驗證中制定有效對策。

表2 前處理電泳工藝節(jié)拍計算Table 2 Calculation of takt time for pretreatment and electrophoresis processes

在實驗室按照不同節(jié)拍的工藝時間進(jìn)行掛板驗證對比，主要針對磷化膜及電泳涂層進(jìn)行驗證。從表3可知，在35 JPH的節(jié)拍下，磷化膜滿足工藝要求；從表4可知，節(jié)拍提升至35 JPH后，電壓不變時，泳透力略有下降，而提高電壓后，膜厚可達(dá)到正常工藝水平。

表3 磷化槽液的調(diào)整及結(jié)果Table 3 Phosphating bath adjustment and effectiveness

表4 不同電泳電壓下膜厚的實驗室測試結(jié)果Table 4 Laboratory test result of coating thickness at different electrophoresis voltages

綜合以上結(jié)果，節(jié)拍提升至35 JPH后，漆膜狀態(tài)及性能可滿足工藝質(zhì)量要求。在整個驗證過程中跟蹤記錄了產(chǎn)品質(zhì)量情況和槽液的參數(shù)變化，尤其是觀察竄槽及瀝液情況，質(zhì)量表現(xiàn)如下：

(1) 電泳漆膜無明顯電泳縮孔增加，除油效果良好；隨車所掛磷化板的晶相和膜重均符合工藝要求。

(2) 如圖2所示，超濾液固體分雖在生產(chǎn)過程中略有上升，但在工藝范圍內(nèi)(≤ 2%)，因此判斷無影響。

圖2 超濾液固體份的變化趨勢Figure 2 Variation trend of solid content of ultrafiltrate

(3) 電泳外觀效果有劣化，主要表現(xiàn)為高頂車后圍和側(cè)圍電泳二次流痕有所增加(增加3 ～ 4個打磨點(diǎn))，風(fēng)險可控。

(4) 為確保產(chǎn)品質(zhì)量并維持工藝穩(wěn)定，對相關(guān)工藝參數(shù)的實際值進(jìn)行上調(diào)(見表5)，因此前處理段及電泳段藥劑的用量略微上漲。

表5 前處理電泳參數(shù)實際值調(diào)整下限Table 5 Adjustment of lower limit of process parameters for pretreatment and electrophoresis

2 面漆段工藝節(jié)拍提升

面漆段采用水性3C1B工藝，設(shè)計節(jié)拍30 JPH，連續(xù)式輸送，外表面采用旋杯自動噴涂，內(nèi)表面采用人工空氣噴涂和靜電噴涂。面漆線節(jié)拍提升主要面臨的風(fēng)險有：(1)水性漆閃干脫水率低；(2)面漆烘干室的烘烤窗口不能滿足；(3)機(jī)器人噴涂提速及軌跡調(diào)整；(4)漆膜外觀質(zhì)量下降。

2.1 閃干爐節(jié)拍提升驗證

閃干爐工藝驗證方案：利用過線的首批車身，采取小幅節(jié)拍提升，逐步探索閃干爐節(jié)拍的極限。為降低質(zhì)量風(fēng)險且保證試驗前后數(shù)據(jù)的可比性，爐溫測試及脫水率測試用同一臺車且放在第四臺車進(jìn)面漆線(確保車輛進(jìn)入光漆自動噴涂站前，測試車出完閃干室)，同時將閃干爐鏈速和清漆段鏈速調(diào)整到驗證節(jié)拍，每個節(jié)拍驗證重復(fù)3次。測試車出閃干爐后，立即將清漆鏈速恢復(fù)到正常生產(chǎn)節(jié)拍。驗證數(shù)據(jù)見表6。

表6 閃干爐工藝參數(shù)調(diào)整記錄Table 6 Datasheet recording the adjustment of process parameters of flash drying furnace

閃干爐節(jié)拍可達(dá)性主要通過爐溫曲線、水性漆復(fù)合涂層脫水率以及試驗車外觀數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷。從不同節(jié)拍下驗證車的漆膜質(zhì)量表現(xiàn)(見表7)可以得出結(jié)論：在當(dāng)前設(shè)備條件下，閃干爐極限生產(chǎn)節(jié)拍為38 JPH。

表7 閃干爐在不同節(jié)拍下的質(zhì)量表現(xiàn)Table 7 Quality of coating at different takt time of flash drying furnace

2.2 面漆烘干室節(jié)拍提升驗證

面漆烘干爐的極限工藝節(jié)拍驗證采用與閃干爐一樣的方式：從32 JPH逐步驗證，每個節(jié)拍重復(fù)2 ～ 3次，根據(jù)每次面漆質(zhì)量表現(xiàn)進(jìn)行參數(shù)微調(diào)。驗證數(shù)據(jù)及調(diào)整記錄見表8。

表8 面漆烘干工藝參數(shù)調(diào)整記錄Table 8 Record of adjustment of topcoat drying process parameters

面漆烘干的節(jié)拍可達(dá)性主要考察漆膜固化情況、爐溫窗口(見圖3)、面漆外觀數(shù)據(jù)、整車漆膜外觀數(shù)據(jù)等是否滿足工藝及產(chǎn)品要求。

圖3 面漆烘烤窗口Figure 3 Baking window for topcoat

按上述驗證方案，跟蹤統(tǒng)計了不同節(jié)拍下驗證車的漆膜質(zhì)量表現(xiàn)，見表9。

表9 面漆烘干爐不同節(jié)拍的質(zhì)量表現(xiàn)Table 9 Quality of topcoat after being dried at different takt time

根據(jù)多次不同工藝節(jié)拍下驗證的質(zhì)量表現(xiàn)，確定在當(dāng)前設(shè)備條件下，面漆烘干爐極限生產(chǎn)節(jié)拍為36 JPH(車頂漆裂采取臨時修補(bǔ)的方式及另做專項課題進(jìn)行改善)。

2.3 機(jī)器人噴涂提速及軌跡調(diào)整

面漆線采用ABB IRB5500型機(jī)器人，設(shè)計節(jié)拍30 JPH，鏈速2.25 m/min，節(jié)距4.5 m，機(jī)器人站為對稱布局(4臺中涂 + 8臺色漆 + 4臺清漆)。面漆線節(jié)拍提升需進(jìn)行鏈速和節(jié)距調(diào)整，因此機(jī)器人噴涂軌跡必須全部重編。

小組討論了關(guān)于面漆噴涂節(jié)拍提升的兩個方向：一是縮短節(jié)距及噴涂時間，二是提高輸送鏈速及縮短噴涂時間。經(jīng)過節(jié)拍測算，主要采取第二種方式。

2.3.1 面漆噴涂節(jié)拍的確定

根據(jù)前述面漆烘干爐和閃干爐的工藝節(jié)拍極限，將面漆的節(jié)拍提升目標(biāo)設(shè)定為36 JPH。同時考慮到卡車車型較高，為規(guī)避提升噴涂速率后機(jī)器人手臂發(fā)生碰撞的風(fēng)險，將清漆噴涂截距設(shè)定為4.2 m。

根據(jù)表10，參照筆者所在公司乘用車同型號機(jī)器人的噴涂參數(shù)分析：在36 JPH下，中涂、色漆、清漆各站通過提高流量可確保膜厚滿足要求；在40 JPH(未來的節(jié)拍提升目標(biāo))下，中涂、色漆還可以通過流量提升來滿足節(jié)拍，但清漆因上漆率降低而無法上膜。因而確定機(jī)器人噴涂軌跡節(jié)拍方案為：中涂站、色漆站按照40 JPH編輯程序，清漆站按照36 JPH編輯程序。

表10 面漆噴涂節(jié)拍的計算Table 10 Calculation of topcoat spraying process parameters at different takt time

2.3.2 機(jī)器人噴涂軌跡編輯

整個節(jié)拍提升項目中，最大的挑戰(zhàn)就是面漆軌跡的重編，且項目開展時處于車間生產(chǎn)的高峰期(雙班生產(chǎn))，無法在線逐個車型進(jìn)行對點(diǎn)調(diào)試，因此對離線仿真模擬與現(xiàn)場實車噴涂對應(yīng)關(guān)系的準(zhǔn)確性要求非常高。而前期涂裝線投產(chǎn)調(diào)試時，機(jī)器人廠家交付的離線仿真站編輯的軌跡姿態(tài)角度與現(xiàn)場運(yùn)行差異較大而無法使用。為此，面漆調(diào)試小組深入研究了ABB機(jī)器人的安裝方式，解讀了RobotStudio軟件底層代碼及各項功能，用RobotStudio軟件按照現(xiàn)場的機(jī)器人布局新建了離線仿真站，新仿真的軌跡各軸姿態(tài)角度與現(xiàn)場基本一致(見表11)。在仿真站中不僅增加了噴漆室體的壁板模型，使離線仿真噴涂時便于觀察機(jī)器人各軸對室體的干涉，還增加了更新等待點(diǎn)和極限檢測等功能(見圖4)，早一步規(guī)避“關(guān)節(jié)超出范圍”和“靠近奇異點(diǎn)”的報警，提高軌跡仿真成功率及調(diào)試效率。

表11 新舊仿真站6軸姿態(tài)角度對比Table 11 Comparison of attitude angles of 6 axes between old and new simulation stations [單位：(°)]

圖4 某車型在R11機(jī)器人上噴涂軌跡的極限檢測結(jié)果Figure 4 Limit detection results of spraying trajectory for R11 robot on a model of vehicle

2.3.3 提升面漆調(diào)試效率

由于生產(chǎn)節(jié)拍提升驗證階段同時也是公司產(chǎn)量高峰期，生產(chǎn)任務(wù)繁重，為提高調(diào)試效率，根據(jù)車型大小分組，選出代表車型進(jìn)行實車調(diào)試。該車型完成單層膜厚、總膜厚、外觀、色差的調(diào)試后，根據(jù)編好的車型軌跡，統(tǒng)計全車型各部位的刷子號及對應(yīng)的噴涂速率(見表12)，并據(jù)此按比例進(jìn)行噴涂參數(shù)修改復(fù)制(各車型對色點(diǎn)噴涂參數(shù)保持一致)，快速建立各車型的噴涂刷子表，直接進(jìn)入復(fù)合涂層調(diào)試，極大地縮短了各車型的噴涂調(diào)試周期。同時為了不影響正常產(chǎn)品車的生產(chǎn)，同一車型通過上位機(jī)賦予一個正常生產(chǎn)程序號和調(diào)試噴涂程序號。

表12 各車型刷子表及噴涂速率對比Table 12 Brushes for various models and comparison of spraying speed

通過上述方式，在短短2個月內(nèi)便完成了29個車型(12個涂層/車)的面漆調(diào)試，比正常的調(diào)試周期縮短了3個月。

2.4 面漆質(zhì)量問題的改善

面漆線提速后，面漆直行率受到了一定程度的影響，主要表現(xiàn)為清漆滴漆及偶發(fā)性的色漆痱子，因此現(xiàn)場除了正常的噴涂參數(shù)調(diào)整之外，還對涂料施工性進(jìn)行了改善(見表13)，調(diào)整后面漆直行率穩(wěn)定在98%以上。

表13 涂料施工性調(diào)整Table 13 Adjustment of coating performance

3 結(jié)語

涂裝工藝節(jié)拍在線體設(shè)計建設(shè)階段確定，建成后除非進(jìn)行重大設(shè)備技改，否則很難提升，因此涂裝行業(yè)極少進(jìn)行大幅的生產(chǎn)節(jié)拍提升。筆者所在公司的涂裝技術(shù)團(tuán)隊經(jīng)過對工藝過程的精細(xì)策劃以及對設(shè)備能力的深入挖掘，在不進(jìn)行重大設(shè)備改造、不增加投資、確保產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，通過工藝設(shè)備調(diào)整，自主完成涂裝生產(chǎn)節(jié)拍提升，為后續(xù)其他同行打破涂裝工藝節(jié)拍限制積累了寶貴的經(jīng)驗。涂裝節(jié)拍的提升意味著節(jié)能降耗，減少了碳排放，響應(yīng)了國家環(huán)保要求，在實際生產(chǎn)中有重要的意義。