CFD 仿真技術在涂裝質量管理中的應用

徐洪鵬 ，王景帥，董濤，王曉鵬，李丁丁，龐茂飛，劉海莉

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

經濟發展極大地帶動了人們對汽車的需求，汽車制造業因此得以高速發展。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。傳統人工噴涂作業的方式具有偶然性，講求經驗，不能保證涂裝質量的穩定性。為解決這一問題，越來越多的主機廠選擇了自動噴涂工藝，在提升效率、降低成本的同時，極大提升了涂裝質量[1]。

在市場需求的帶動下，筆者所在公司在行業內率先在輕卡車型的涂裝工作中采用自動噴涂工藝，引進了一條溶劑型面漆生產線，采用2C1B 免中涂“濕碰濕”工藝，以自動噴涂機器人為主、人工預補為輔的噴涂方式進行生產。閃光底色漆采用4 臺YASKAW A EPX-2700 型機器人分兩組進行兩遍成膜，機器人配套使用SAMES PPH707 型霧化器和SAMES EX 65 Hi-TE 型旋杯。整條涂裝線工藝先進、設計合理、布局緊湊、自動化程度高，整體水平處于行業領先[1-3]。

1 問題描述

近期根據輕卡市場需求，著手開發了一款新配色方案，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，呈現出間隔有規律性的色差條紋(見圖1)。

為查明此質量問題發生的原因，從人、機、料、法、環五要素出發對整個噴涂過程進行梳理排查。最終將原因歸結為：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，機器人噴涂車門位置時將成型空氣系數設置為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，最終導致噴槍軌跡位置與軌跡間隙位置呈現出色差條紋。為消除上述缺陷，需適當修正機器人的噴涂參數，其中旋杯轉速、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、調整漆霧幅寬[4]，對漆膜均勻性的影響最大。為突出研究重點，本文僅探究成型空氣系數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

調低成型空氣系數可增加漆霧幅寬，從而獲得更加均勻的漆膜，但若以試驗的方式探究調整效果會增加驗證次數，既增加成本又耗時。為了節約成本，同時高效、準確地確定成型空氣系數，采用CFD(計算流體動力學)技術對噴涂過程進行仿真，為成型空氣系數的設定提供理論支持。

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的影響，復雜的受力情況使漆粒的運動變得復雜[5]。為突出成型空氣系數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置為空氣(Air)。此外仿真過程中壓力變化較小，流體狀態基本不變，因此仿真流體被視為不可壓縮流體。

(2) 仿真過程適當考慮了重力及電場力對漆霧的作用。

(3) 仿真過程適當考慮了涂裝室內為排出溶劑蒸汽而營造的正壓氣流對漆霧的作用[6]。

(4) 根據傳熱傳質理論中的熱質交換類比律，當劉易斯準則Le = 1 時熱交換和質交換過程的狀態分布曲線相同，而對于噴涂過程中氣體混合物的傳熱傳質過程通常可認為Le ≈ 1，即此過程中熱交換和質交換的狀態分布曲線近乎相同[7]。基于這一事實，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(傳質過程)的分布狀態。

本次仿真分析以現場采集到的A 漆原始噴涂參數為基礎，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 軟件中對模型進行體網格劃分，而為保證較低的扭曲率，采用錢幣劃分法[8-10]對圓柱體進行網格處理，扭曲率不高于0.85。然后設定邊界條件，將模型下部圓柱體的底面及側面設置為壓力出口，以模擬漆霧流體的狀態。最后保存模型并導出網格。

將完成參數設定的模型導入Fluent 軟件中，再次檢查網格質量，并根據噴涂過程的原理屬性選擇相應的計算模型、流體類型，定義相應的操作條件、邊界條件；然后選擇差分格式并進行初始化設置；最終開始迭代計算。

本此設置迭代次數為300 次，采用Fluent 默認的收斂標準：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條件，但通過觀察殘差曲線發現能量殘差值在約150 次迭代后已趨于穩定，其值不隨迭代的繼續進行而發生變化，因此同樣可認為計算收斂結果有效[11]。

2.2 結果分析

通過Display 選項中的Pathlines 進行工作流體流動狀態的分析(見圖3)。在實際噴涂過程中，油漆經輸漆管進入旋杯內壁，旋杯高速旋轉而產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]，漆霧在復雜受力狀態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，在旋杯附近形成環形回流區，在這一區域內漆粒運動速率較快，漆霧流動狀態如圖3a所示。成型空氣的流動狀態如圖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生約束，在形成的層流中對內部的漆霧起限幅作用。工作流體(復合流體)由漆霧和成型空氣共同組成，其流動狀態如圖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，包括周圍空氣受噴涂過程影響產生的流動。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。

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Figure 4 Flow state of all fluids in the spray space

本次出現的色差問題是因為漆膜不均勻導致的，為保證色彩均一的同時節約漆料，需要涂層最終膜厚控制在15 ～ 18 μm。根據前述流線分析可知，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 處形成的涂層達到7.5 μm 以上，即此處漆霧濃度起碼要達到中心位置的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，漆膜能夠達到預期效果。

圖5 兩條噴涂軌跡產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)對漆霧濃度進行間接的仿真計算：分別設置成型空氣系數為100%、80%、60%，對應空氣流速為3.0、2.4 和1.8 m/s。根據計算結果，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 平面進行切面分析，以評估變量對漆霧濃度分布的影響。

根據熱質交換類比律，以現場采集到的初始溫度數據為基礎，對噴涂過程的溫度場分布進行仿真計算，以此間接反映漆霧濃度的分布狀態。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，形成近似旋轉對稱的漆霧濃度分布狀態；另外，隨著成型空氣系數降低，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；且隨著成型空氣系數降低，漆霧的形狀受涂裝室內為排出溶劑蒸汽而營造的正壓氣流的影響越來越大，當成型空氣系數為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，在模型中對應位置提取溫度仿真數據，并以傳熱傳質理論為基礎計算得出該處的漆霧濃度。從表1可知，成型空氣系數為80%時對應位置的漆霧濃度略低于41.7%，根據計算結果判斷當成型空氣系數下調至70%時能夠解決出現的色差問題。

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

2.3 現場驗證

在保證其余工序及參數不變的前提下，將成型空氣系數調整至70%進行試裝驗證，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，表明仿真分析提供的結論有效。

圖7 成型空氣系數為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 結語

CFD 仿真技術作為一種新興技術正逐漸走近現場生產。相對于以試驗為主的傳統驗證手段，CFD 仿真技術具有節約成本、準確高效等特點，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、驗證機會稀少的工業過程。