新能源汽車混合材料涂裝工藝設(shè)計(jì)

張煥亮

（浙江吉利新能源商用車有限公司制造工程部，浙江 杭州 310051）

1 研究背景

隨著能源汽車的崛起和汽車輕量化研究的深入，越來越多的新能源汽車采用了輕量化車身，目前車身輕量化材料應(yīng)用比較多的有碳纖維、FRP、SMC（片狀模塑料，由合成樹脂、增強(qiáng)材料和輔助材料三大類組成）、PP、ABS、鋁合金等，本文結(jié)合一新建涂裝生產(chǎn)線（以下簡稱本項(xiàng)目），對混合輕量化材料的涂裝展開工藝設(shè)計(jì)。

本項(xiàng)目車身骨架為鋁合金型材，主要采用粘接+鉚接工藝；外覆蓋件包括SMC件，PP、ABS件，鋁合金件（電泳供件）等組成，這種大JPH、多材質(zhì)，多品種的混線生產(chǎn)線，在國內(nèi)甚至國際上也極具代表性，可為類似生產(chǎn)線的規(guī)劃、設(shè)計(jì)提供參考。

2 混合材料車身涂裝工藝設(shè)計(jì)

2.1 主要工藝設(shè)計(jì)前提

（1）本項(xiàng)目產(chǎn)能規(guī)劃10萬臺/年；

（2）工作制度：250工作日/年，兩班20小時（2x10h）/工作日；

（3）綜合利用率（含備件率）：90%；

（4）組掛：每輛車折合6掛；

（5）設(shè)計(jì)JPH：134掛/h,雙線布置，每條線67JPH；

（6）產(chǎn)品材質(zhì)：包括SMC件，PP、ABS件，鋁合金件（電泳供貨），鋼板件（電泳供貨）；

（7）數(shù)量：單車噴涂30余件。

2.2 涂裝方式的工藝設(shè)計(jì)

涂裝方式的工藝設(shè)計(jì)有兩種方式：一種為整車涂裝，是將所有外覆蓋件在車身車間先粘接或組裝到車身骨架上去，然后整車進(jìn)入涂裝車間進(jìn)行噴漆，此時車身骨架相當(dāng)于一個大工裝；另一種是散件涂裝，是將所有外覆蓋件經(jīng)過組掛后噴漆，噴漆完成后再運(yùn)到車身車間進(jìn)行粘接。兩種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，匯總?cè)缦拢?/p>

表1 涂裝方式的工藝設(shè)計(jì)方式優(yōu)缺點(diǎn)匯總表

兩種涂裝方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，國內(nèi)幾個設(shè)計(jì)院，設(shè)備廠家及技術(shù)人員進(jìn)行了激烈的討論，很難做出判斷；考慮到已有的成熟案例，最終還是確定采用散件涂裝。

2.3 組掛方式設(shè)計(jì)

1）組掛原則。有兩種方式：同質(zhì)、同車同掛和同件同掛；同質(zhì)、同車同掛對小批量化有利，且色差的控制也更好，另一種對大批量化生產(chǎn)更為有利。

本工藝設(shè)計(jì)采用第一種，即同質(zhì)、同車同掛，每掛支具不同，橇體一致，支具安裝在橇體上，可拆卸結(jié)構(gòu)，支具正常生產(chǎn)中不需要拆卸，只在需要清洗、維修或更換車型時，由人工拆卸、更換，等同于在生產(chǎn)時使用六種不同的橇體。

2）組掛方向：考慮到品種多、節(jié)拍快等因素，部分采用五面組掛，即前、后、左、右、上組掛；

3）組掛示意如圖1。

圖1 組掛示意圖

2.4 上下件方式及物流設(shè)計(jì)

2.4.1 上件方式

設(shè)儲存區(qū)，分包區(qū)及分揀區(qū)，各區(qū)采用叉車進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)；分揀區(qū)內(nèi)部采用AGV小車轉(zhuǎn)運(yùn)。AGV小車的工作流程是：AGV輥道與滑撬下件點(diǎn)鏈床對接，空滑撬輸送到AGV上，AGV根據(jù)特定路線進(jìn)入組掛分揀區(qū)；進(jìn)入分揀區(qū)后，AGV上的讀寫站讀到滑撬需要組掛的工件信息，此滑撬運(yùn)行到對應(yīng)的工件前，AGV停止，人工上件，上件完成后，啟動AGV按鈕，AGV繼續(xù)運(yùn)行，直到組掛完成；完成后，通過滑撬上件點(diǎn)上件；此AGV繼續(xù)到滑撬下件點(diǎn)接空滑撬，完成循環(huán)；如圖2。

圖2 上件AGV分揀路線示意圖

2.4.2 下件方式

下件亦引入 AGV小車，漆后件從生產(chǎn)線上人工下件到成品轉(zhuǎn)運(yùn)料框，通過AGV小車轉(zhuǎn)運(yùn)到儲存區(qū)。

2.4.3 工藝設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

1）上下件及物流是本項(xiàng)目難點(diǎn)，在于：品種多、節(jié)拍快、且很難實(shí)現(xiàn)自動上件；

2）分揀區(qū)各件的組掛順序，涉及到AGV線路是否順暢，需要重點(diǎn)考慮；

3）部分件的重量達(dá)到20kg，需要設(shè)計(jì)專門的上下件工裝。

2.5 前處理工藝設(shè)計(jì)

2.5.1 前處理方式

考慮到組掛件的穩(wěn)定性及部分噴涂件可能的兜水問題，本項(xiàng)目采用干式前處理。

目前干式前處理應(yīng)用較多的是雪花清洗和干冰清洗，兩種主要的區(qū)別是：干冰清洗由制冰機(jī)將液態(tài)CO2制成冰，固態(tài)顆粒狀的CO2作用在工件表面；而雪花清洗是經(jīng)增壓設(shè)備直接將液態(tài)CO2高壓噴出到工件表面，后以雪花狀作用在工件表面，故需要有增壓設(shè)備；兩者設(shè)設(shè)備方面區(qū)別如圖3。

圖3 雪花清洗和干冰清洗設(shè)備對比

兩者均有應(yīng)用，我們初步選擇的是干冰清洗。

2.5.2 干式前處理與傳統(tǒng)的前處理區(qū)別如表2

2.5.3 干冰清洗原理

由液態(tài)二氧化碳制成固態(tài)干冰，再由清洗機(jī)通過干冰的極地溫度（-79 攝氏度）來冷凍，使油脂失去粘性，從而容易處理。

1）當(dāng)干冰通過壓縮空氣的高速吹出，離開噴嘴射到工件表面，產(chǎn)生巨大的力量，清理污垢。

2）當(dāng)干冰打在工件表面，急速膨脹，體積約膨脹 700 倍，通過這個膨脹力使得殘留物清理干凈。

表2 干式前處理與傳統(tǒng)的前處理區(qū)別表

2.5.4 工藝設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

1）注意對干冰清洗間、相鄰過渡段及設(shè)備放置區(qū)域CO2濃度進(jìn)行檢測；

2）干冰清洗過程中，噪音達(dá)到140分貝，注意考慮降噪措施；

3）建議適當(dāng)增大干冰清洗間的風(fēng)速，防止二次污染；

4）支具的設(shè)計(jì)、工件的放置、干冰清洗機(jī)器人的仿形等也需要考慮二次污染的問題；

5）干冰清洗完成后，會有冷凝水的出現(xiàn)，干冰清洗后過渡段、或離子風(fēng)吹凈需要考慮解決此問題；

6）干冰清洗效果不如水洗效果，在設(shè)計(jì)時仍需要考慮人工擦凈。

2.6 噴涂工藝設(shè)計(jì)

2.6.1 噴漆工藝設(shè)計(jì)考慮因素

1）由于本項(xiàng)目為混合材料共線，如PP件等不能耐高溫，只能選擇采用低溫工藝；

2）考慮到環(huán)評等因素，色漆最終選擇的為低溫水性漆；底漆和色漆為溶劑型雙組分油漆；

3）SMC和PP件底漆不能共用；

4）本項(xiàng)目漆膜外表面的性能要求很高，如耐水要求 40℃ 存放330小時不起泡不變色，耐酸要求37%硫酸耐酸2h，傳統(tǒng)的保險(xiǎn)杠工藝不能滿足產(chǎn)品的性能要求，故考慮采用了性能底漆。

2.6.2 經(jīng)與材料廠家多次交流、試驗(yàn)、優(yōu)化，最終確定采用3C1B工藝，如下：

擦凈段--過渡段--干冰清洗段--過渡段--檢查過渡段--離子風(fēng)吹凈段--噴底漆--檢查補(bǔ)噴--晾干（12min）--噴色漆--檢查補(bǔ)噴--過渡--閃干（升溫2min，保溫4min，溫度70℃）--強(qiáng)冷（2min）--過渡（2min）--噴清漆--晾干（10min）

2.6.3 工藝設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

1）SMC是可以耐高溫的（高溫配方），若混合材料中不存在PP件等，采用高溫工藝更加成熟；

2）傳統(tǒng)的保險(xiǎn)杠線采用導(dǎo)電底漆，機(jī)器人采用靜電懸杯；由于產(chǎn)品的性能要求，我們采用了性能底漆，性能底漆無導(dǎo)電功能，故我們采用了空氣懸杯；

3）檢查補(bǔ)噴段主要解決由于支架遮擋，機(jī)器人不能噴涂到的區(qū)域。

2.7 噴漆室及相關(guān)輔助設(shè)備設(shè)計(jì)

2.7.1 噴漆室形式

采用了干式紙盒式噴漆室，汽車涂裝生產(chǎn)線噴漆室目前有5鐘形式，為水旋噴漆室、文丘里噴漆室、石灰式噴漆室、靜電式噴漆室、紙盒式干式噴漆室；近2年，國內(nèi)汽車涂裝行業(yè)已有16條生產(chǎn)線已經(jīng)實(shí)施和正在規(guī)劃。

2.7.2 與傳統(tǒng)的文丘里式噴漆室對比

1）設(shè)備方面，兩種形式的原理圖見圖4。

圖4 文丘里式噴漆室與紙盒式干式噴漆室原理圖對比

從兩種形式的原理圖來看，噴漆室工作平臺之上部分（含動靜壓室、工作間）基本一致，文丘里式噴漆室工作平臺之下部分（文丘里漆霧分離系統(tǒng)、排風(fēng)系統(tǒng)、水循環(huán)水池、加料系統(tǒng)、刮渣系統(tǒng)、漆泥干燥系統(tǒng)等）比紙盒式干式噴漆室（紙盒漆霧分離系統(tǒng)、排風(fēng)系統(tǒng)）復(fù)雜，投資也會更大。

2）運(yùn)行成本

表3 按照27JPH的項(xiàng)目比較出的結(jié)果

2.7.3 市面上幾種紙盒對比

表4 市面上幾種紙盒對比

2.7.4 循環(huán)風(fēng)空調(diào)

1）噴漆段循環(huán)風(fēng)空調(diào)

擦凈間供風(fēng)為空調(diào)新風(fēng)，排風(fēng)經(jīng)過過濾之后參與到新風(fēng)空調(diào)中；底漆補(bǔ)漆段、色漆補(bǔ)漆段、清漆補(bǔ)漆段供風(fēng)為空調(diào)新風(fēng)，排風(fēng)參與到對應(yīng)機(jī)器人噴漆段的循環(huán)風(fēng)中。

噴漆段循環(huán)風(fēng)空調(diào)需要進(jìn)行加濕段、制冷段。

2）干冰段循環(huán)風(fēng)空調(diào)

干冰清洗前后過渡段、檢查段、離子風(fēng)供風(fēng)為空調(diào)新風(fēng)，排風(fēng)參與到干冰清洗段的循環(huán)風(fēng)中，干冰清洗段排風(fēng)根據(jù)CO2濃度要求直接到大煙筒。

干冰循環(huán)風(fēng)空調(diào)只需要制冷段，不需要加濕段。

2.7.5 機(jī)器人

1）主要為干冰機(jī)器人、底漆噴漆機(jī)器人、色漆機(jī)器人、清漆機(jī)器人，色漆噴兩遍，其他均噴一遍；

2）由于各掛噴涂面積有較大差別，為充分發(fā)揮噴涂機(jī)器人的噴涂能力，各掛之間采用了不同間距進(jìn)入噴漆室的辦法。

2.7.6 設(shè)備消防

涂裝車間噴漆線，輸調(diào)漆間，儲漆間，點(diǎn)修補(bǔ)室及有消防要求的區(qū)域采用高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)；噴漆線的干式分離過渡段及干式分離紙箱采集區(qū)采用濕式噴淋保護(hù)系統(tǒng)。

3 總結(jié)

由于本項(xiàng)目的復(fù)雜性，從開始規(guī)劃到最終方案的確定經(jīng)歷了大半年的時間；期間方案也進(jìn)行了幾次反復(fù)，在中汽也進(jìn)行了工藝試噴驗(yàn)證，整體來看，能夠滿足外觀和性能要求。本項(xiàng)目的難度依然是組掛方式和生產(chǎn)組織，需要在以后的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過程中逐漸完善、優(yōu)化。

就目前工藝設(shè)計(jì)來看，我認(rèn)為有下列方案可進(jìn)一步進(jìn)行探索、討論：

1）本項(xiàng)目涂裝方式采用散件涂裝，若驗(yàn)證了整車涂裝的幾個關(guān)鍵問題，采用整車涂裝方式會更為有利；

2）本項(xiàng)目下件方式和流程可以優(yōu)化；在總圖規(guī)劃時，漆后件存儲倉庫建于車身與涂裝之間，車身 AGV小車直接通過地面到相應(yīng)位置取件，而不需要經(jīng)過滾床運(yùn)送到車身車間，減少了多次周轉(zhuǎn)；同時，為增大儲存量，可建立立體庫，實(shí)現(xiàn)自動進(jìn)行件的存取。