鋁輪轂涂裝生產(chǎn)線工藝及設(shè)備的設(shè)計探討
鋁輪轂涂裝生產(chǎn)線工藝及設(shè)備的設(shè)計探討
魏恒遠 （南京化工職業(yè)技術(shù)學院 210048）
摘 要：對汽車鋁輪轂涂裝生產(chǎn)線的工藝方案設(shè)計、生產(chǎn)流水線布置、工藝及設(shè)備設(shè)計的特
點作了闡述，同時介紹了如何滿足產(chǎn)品的多樣化、生產(chǎn)經(jīng)營的靈活性、設(shè)備的安全環(huán)保性等方面
的一些具體設(shè)計思路。
關(guān)鍵詞：鋁輪轂；方案設(shè)計；噴涂工藝；設(shè)備設(shè)計
中圖分類號：TQ 639 文獻標識碼：A 文章編號：1009-1696（2007）11-0010-05
0 前言
隨著人民生活水平的日益提高和市場需求日益增大，中國經(jīng)濟在持續(xù)高速發(fā)展，國內(nèi)汽車工業(yè)也有了飛速的發(fā)展，轎車的年產(chǎn)量已達到500 萬輛。但市場的競爭也日趨激烈、顧客的需求在不斷變化，從整車到零部件、從產(chǎn)量、質(zhì)量到規(guī)格、款式、外觀等方面都有了很大的提升，汽車鋁輪轂行業(yè)同樣如此。一批新建生產(chǎn)工廠也應(yīng)運而生，鋁輪轂生產(chǎn)廠家從工藝到設(shè)備都在不斷進行改進和改造，鋁輪轂表面的防護性和裝飾性能也在不斷提高和變化，以適應(yīng)上游整車廠和最終消費者的需求。本文就筆者為浙江某廠家設(shè)計的一條鋁輪轂噴漆噴粉生產(chǎn)線，結(jié)合多年從事涂裝生產(chǎn)線設(shè)備的設(shè)計經(jīng)驗，介紹涂裝生產(chǎn)線總體方案的設(shè)計和工藝和設(shè)備設(shè)計方面的一些問題和體會。
1 工藝方案設(shè)計討論
1.1 生產(chǎn)綱領(lǐng)
該廠生產(chǎn)的鋁輪轂有多種型號規(guī)格，為各類轎車、輕卡等配套，工件尺寸有650 mm×300 mm（φ×H，下同）、450 mm×300 mm、200 mm×300 mm 3種，材質(zhì)為鑄鋁件，工件表面均無銹蝕，油污程度中等；最大工件質(zhì)量為20 kg，年產(chǎn)量為60 萬件，年工作日為280 d，每天兩班工作制，每班8 h；現(xiàn)有廠房尺寸為：78 m×18 m×7.5 m。
1.2 基于市場要求的產(chǎn)品工藝方案設(shè)計
由于各上游整車廠對鋁輪轂的防護性能要求越來越高，裝飾性能要求不盡相同，大致說來，可分為這樣幾類需求：一是表面噴塑；二是把噴塑層作為底層，再進行噴漆處理；三是要求噴底漆和面漆；四是先噴底漆、面漆，最后再噴2 道罩光漆。需求不盡相同，給方案的設(shè)計帶來了很大的難度。經(jīng)與客戶反復討論并經(jīng)市場調(diào)研，最終我們確定了4 套鋁輪轂的涂裝生產(chǎn)線工藝方案，以滿足不同客戶（整車廠）的不同需求。具體為：
工藝方案１：表面前處理→脫水烘干→噴粉→固化→成品下線（表1，工序1~17）；
工藝方案２：表面前處理→脫水烘干→噴粉→固化→轉(zhuǎn)線→打磨→噴底漆→流平→噴面漆→流平→固化→成品下線（表1，工序1~24）；
工藝方案３：表面前處理→脫水烘干→噴底漆→流平→噴面漆→流平→固化→成品下線（表1，工序1~13，18~24）；
工藝方案４：表面前處理→脫水烘干→噴底漆→流平→噴面漆→流平→噴罩光漆1 →流平→噴罩光漆2 →流平→固化烘干→成品下線（表1，工序1~13，18~31）。
上述方案中，工藝方案１成本較低，防護性能較好，但裝飾性較差，適合于輕卡及較低檔次的整車用戶；工藝方案２防護性能較好，裝飾性能一般；工藝方案３防護性和裝飾性能均一般；工藝方案４防護性能和裝飾性能都較好，但生產(chǎn)成本較高，質(zhì)量要求也高，適合給較高檔次的轎車配套。
1.3 鋁輪轂噴漆生產(chǎn)線工藝流程
鋁輪轂噴漆生產(chǎn)線工藝流程見表1。
1.4 生產(chǎn)流水線布置方案
鑒于以上4 種工藝方案經(jīng)常間隔生產(chǎn)或部分同時生產(chǎn)，在設(shè)備設(shè)計、配置上如何滿足諸多要求，同時又要考慮到設(shè)備投資的經(jīng)濟性，有很多方面的因素要綜合考慮：
（1） 現(xiàn)有廠房的限制：該廠現(xiàn)有廠房只有1 404 m2，去掉216 m2的打磨區(qū)域和144 m2的包裝工段，實際只有1 044 m2的面積供使用，而1 條年產(chǎn)60 萬只零件的生產(chǎn)線，至少需要1 600 m2，所以，設(shè)計上必須打破常規(guī)，把某些區(qū)域分成2 層，設(shè)備上下放置。
（2） 設(shè)備投資的經(jīng)濟性和運行的能源消耗：廠方預定的設(shè)備投資規(guī)模不超過250 萬元，如果設(shè)計成1 條生產(chǎn)流水線，一次上件下件，滿足所有工藝要求，設(shè)備外形尺寸必定很大，超過投資額，且設(shè)備實際運行時，有的設(shè)備不需開動，例如：按工藝方案３生產(chǎn)時，不需要噴粉和噴罩光漆，但工件仍需通過噴粉室、粉末固化烘道、罩光漆噴漆室和流平、罩光漆烘干烘道。顯然，操作、維修、日常維護保養(yǎng)工作量會增大，能源消耗也會增加，所以應(yīng)拆分成3~4 條流水線裝置，按各類產(chǎn)品的工藝要求，分別開動生產(chǎn)。但這樣會增加人工轉(zhuǎn)運費用。經(jīng)過成本分析比較，考慮到節(jié)能、環(huán)保等因素，確定按3條生產(chǎn)流水線方式進行設(shè)備設(shè)計。
（3） 各工序之間的相互銜接和轉(zhuǎn)換：設(shè)計成3 條生產(chǎn)流水線后，要充分考慮到滿足4 種工藝方
案的要求；各生產(chǎn)流水線工件的上件、下件，以及各條流水線之間如何相互銜接和轉(zhuǎn)換，這都是看似簡單卻很復雜的問題；既要符合工藝要求，又要符合物流走向，使上、下件和工件轉(zhuǎn)運的工作量減到最小，既要保證零件表面質(zhì)量在轉(zhuǎn)運過程中不受影響，又要降低勞動強度，減輕工人的工作量，如：從前處理到噴底漆之間的轉(zhuǎn)換、粉末固化后到噴底漆之間的轉(zhuǎn)換、從前處理到噴底漆、面漆后再到噴罩光漆之間的銜接等等，這些都是在總體方案設(shè)計時要考慮的問題。
（4） 半成品的打磨、成品的檢驗、包裝：半成品的打磨、成品的檢驗、包裝必須盡量靠近打磨區(qū)域和包裝工段，前處理的上件應(yīng)盡可能的靠近毛坯車間，以減少運轉(zhuǎn)工作量。
（5） 最終生產(chǎn)流水線方案設(shè)計：通過以上綜合考慮分析，3 條流水作業(yè)線最終設(shè)計如下：
生產(chǎn)流水線１：表面前處理→脫水烘干→噴粉→固化→成品（或半成品）下線；第1 種工藝產(chǎn)品可直接在該線上生產(chǎn)。
生產(chǎn)流水線２：噴底漆→流平→噴面漆→流平→固化→成品（或半成品）下線；第2、3 種工藝產(chǎn)品可在流水線１上生產(chǎn)，經(jīng)過一次轉(zhuǎn)掛，再在流水線２上生產(chǎn)出來。
生產(chǎn)流水線３：噴罩光漆1 →流平→噴罩光漆2 →流平→固化烘干→成品下線。第4 種工藝產(chǎn)品由于質(zhì)量要求高，需在流水線１上前處理、烘干，不需噴粉，然后一次轉(zhuǎn)掛到流水線２上噴底漆、面漆，再一次轉(zhuǎn)掛到流水線３上，噴2 道罩光漆，最后固化、下件，出成品。
值得注意的是：在前處理、脫水烘干后的下件處，前處理、脫水烘干、粉末固化后的下件處與噴底漆線、噴罩光漆線的上件處盡量靠近，以方便轉(zhuǎn)運。（見圖1）
1—輸送鏈裝置；2—上下件工位；3—預脫脂工位；4—脫脂工位；5—水洗I 工位；6—水洗II 工位；7—表調(diào)工位；8—水洗III 工位；9—鉻化工位；10—水洗IV 工位；11—循環(huán)純水洗工位；12—新鮮純水洗工位；13—人工吹水工位；14—下件工位；15—脫水烘干爐；16—面漆烘干爐；17—罩光漆烘干爐；18—冷卻段；19—流平室I；20—流平室IV；21—面漆噴漆室；22—罩光漆噴漆室II；23—粉末固化爐；24—流平室I；25—流平室III；26—冷卻段；27—罩光漆噴漆室I；28—底漆噴漆室；29—下件、轉(zhuǎn)線處；30—噴粉室裝置
圖1 設(shè)備流水線布置圖
此外，我們把噴涂線設(shè)計成雙層立體方式，把4 個烘干固化爐全部架高到二層，把2 個流平室、4個燃油加熱爐及調(diào)漆間、工人休息室、更衣室等放在一層，整體看來，工序流暢、各環(huán)節(jié)有序銜接、物流順暢、地面和空間利用合理、又充分考慮到噪聲、溫度等環(huán)境條件和心理衛(wèi)生因素，達到了現(xiàn)代工業(yè)廠房及設(shè)備的設(shè)計要求，收到了較好的效果。
1.5 生產(chǎn)節(jié)拍及吊掛方式
根據(jù)廠家給出的鋁輪轂外形尺寸，我們首先確定前處理及噴粉線上工件為豎直吊掛，每個掛具吊掛2 個，上下各1 個，掛具一邊前進一邊旋轉(zhuǎn)進行噴涂，在前處理設(shè)備里則不旋轉(zhuǎn)；面漆噴漆線和罩光漆噴漆線上工件為水平放置吊掛，每個掛具吊掛1 個，工件旋轉(zhuǎn)噴涂，這樣易保證表面噴漆質(zhì)量。根據(jù)廠家年產(chǎn)60 萬件、年工作日280 d、每天16 h 的生產(chǎn)綱領(lǐng)，經(jīng)計算，每天產(chǎn)量為2 143 件，每小時產(chǎn)量為134 件，每分鐘為2.23 個，得出3 條流水生產(chǎn)線的懸掛輸送鏈鏈速均為2.2 m/min，吊具高度為750 mm。
2 工藝及設(shè)備設(shè)計特點
2.1 表面前處理
前處理采用常規(guī)的鋁材處理工藝，在鉻化后水洗的后面，又加了1 min 的循環(huán)純水洗和0.5 min 的新鮮純水洗，以確保工件表面無任何雜質(zhì)，增強涂層的附著力，為此，配置了一套出水量為2 t/h 的純水發(fā)生器。
前處理設(shè)備為10 工位全封閉自動噴淋式，外形尺寸為51 800 mm×1 900 mm×3 650 mm（L×W×H），水泵選用立式液下泵，安裝在輔槽上，以避免漏液到地面上，噴淋系統(tǒng)采用上行下送方式，即由水泵將槽液通過管道輸送到棚體頂部，再由兩側(cè)下送，使噴淋壓力上下均勻，噴淋壓力為0.05~0.15 MPa不等。預脫脂、脫脂和鉻化3 個槽均采用燃油間接加熱方式，換熱器直接放在槽底部，殼程里通高溫氣體介質(zhì)，管程內(nèi)通低溫液體介質(zhì)，通過水泵的作用，在對工件噴淋處理的同時，處理液通過管程內(nèi)流動達到換熱效果。
除鉻化、純水段槽體和棚體選用不銹鋼材質(zhì)外，其余工位均為普通Q235 材質(zhì)；噴淋管路系統(tǒng)除純水段采用不銹鋼材料外，其余工位均為PP 管，噴嘴采用PV 快速換裝式噴嘴，以便堵塞時能及時更換清洗；全部棚體為分段拼裝結(jié)構(gòu)，棚體框架之間采用螺栓連接，棚體之間為冷鉚扣壓工藝，安裝維修方便，外表無焊接變形，整體比較美觀。
棚體兩側(cè)各設(shè)有若干個檢修門及平臺、樓梯等檢修維修輔助裝置，槽體上部均架有安全網(wǎng)，既作檢修通道，又可防止工件掉入槽液中，各工藝段之間均設(shè)有防濺門以防止串液，棚體的進出口處、預脫脂與脫脂之間，及鉻化段共設(shè)置了4 套強制排廢氣系統(tǒng)，以便將有害氣體排出室外，使車間內(nèi)工作環(huán)境保持清潔。
脫脂之間、水洗之間、純水洗之間等工藝段均采用逆流遞補技術(shù)，以減少化學藥液和水的用量，降低廢水排放量。
在前處理的出口端，設(shè)置了壓縮空氣自動吹水裝置，壓縮空氣經(jīng)過油水分離、雜質(zhì)過濾后，由氣梳向下傾斜30°吹向工件，將水向下趕，以增加烘干效果；在前處理出口處，還設(shè)置了人工檢驗、吹水工位，供人工目測檢驗、補充吹干之用。
2.2 烘干、粉末和油漆固化
4 個水分、粉末、油漆烘干固化爐均設(shè)計成高架結(jié)構(gòu)，外形尺寸分別為；脫水烘干爐：18 000 mm×2 000 mm×56 00 mm（L×W×H），主段高2 900 mm；粉末固化爐：17 000 mm×3 600 mm×5 600 mm（L×W×H），主段高2 900 mm；兩個油漆烘干爐：18 000 mm×3 600 mm×4 500 mm（L×W×H），主段高1 800 mm；全部底部高為2 700 mm。工件從烘道兩端的底部沿30°角進出，熱能損耗低，從室溫升到工藝溫度時間約為45 min。風管及爐內(nèi)壁均采用SUS304 不銹鋼，外壁為Q235 冷軋鋼板，保溫層則采用100 mm 厚的礦渣巖棉保溫，四周外壁加掛一層50 mm 厚的夾芯彩色鋼板進行保溫，共計150 mm厚，爐外壁溫度不大于室溫 10℃，漏熱少，保溫效果較好，能耗較低，且外形美觀。
各烘干固化爐內(nèi)采用下送風上回風的強制熱風循環(huán)方式，對工件涂層進行加熱；熱風循環(huán)風次數(shù)為每分鐘4~7 次不等；每個烘道的頂部均設(shè)置了強制排廢氣系統(tǒng)，由管道連接到室外，以將有害氣體排出車間，確保工作環(huán)境不受污染。
加熱系統(tǒng)采用燃油間接加熱方式，分別設(shè)計了30 萬、60 萬、40 萬和40 萬大卡熱值的燃油加熱爐，放置在4 個烘干、固化烘道的底部，分別對其進行加熱。考慮到加熱爐的耐高溫、節(jié)能、安全和易維修等要求，設(shè)計時有這樣幾個特點：一是爐內(nèi)呈負壓式狀態(tài)，以有效防止熱量的外溢；二是同時設(shè)計了耐高溫過濾器，以過濾塵埃，保證空氣的潔凈度；三是內(nèi)壁及換熱器全部采用耐高溫不銹鋼材料；四是保溫層采用100 mm 厚的巖棉 50 mm 厚的硅酸鋁耐火纖維；五是在加熱爐的熱空氣出口部分，采用4-79 水冷卻式耐高溫、低噪聲離心風機，風量：10 820~33 100 m3/h 不等；同時選用德國進口燃燒器，以確保安全、穩(wěn)定性能。
2.3 噴粉及噴漆系統(tǒng)
噴涂系統(tǒng)采用工件自動旋轉(zhuǎn)、自動噴涂加人工補噴方式，在噴粉室、噴漆室一側(cè)設(shè)一臺升降機，機上配置兩把高壓靜電噴槍，自動上下往復噴涂，另設(shè)一手動噴涂工位，遇工件復雜、死角、溝槽等處，人工補噴。粉末回收裝置采用貼附式脈沖反吹濾芯裝置，回收風量為12 000 m3/h，自動回收、篩粉和供粉。
噴粉室外形尺寸為：6 000 mm×1 500 mm×2 800 mm（L×W×H）；采用不銹鋼板折彎制造成組件，現(xiàn)場拼裝，用螺栓緊固，輸送鏈從噴粉室頂部通過，頂部用軟塑料板密封，以防漏粉。室內(nèi)各斷面風速設(shè)計為0.4~0.7 m/s，以確保粉塵不外溢。底漆、面漆、罩光漆4個噴漆室均采用相同的二級水簾式噴漆室，外形尺寸為：5 000 mm×3 650 mm×2 200 mm（L×W×H）；采用微正壓送風方式，送風量為12 300 m3/h，抽風量為11 000 m3/h，并設(shè)置調(diào)節(jié)風門裝置，正負壓可調(diào)；抽風系統(tǒng)分別單獨接到車間外，加活性碳吸附過濾裝置，定期更換活性碳，以確保排出廢氣符合環(huán)保要求。
4 個噴漆室可以根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)的需要，改換噴
漆品種，如按工藝方案2、3 生產(chǎn)的產(chǎn)品市場需要量增大，也可以把流水線3 改為和流水線2 一樣，即：改為噴底漆、流平、噴面漆、流平、固化；同樣，流水線2 也可根據(jù)需要改為和流水線3 一樣，以適應(yīng)市場需要，企業(yè)的產(chǎn)品生產(chǎn)能力和市場適應(yīng)能力都大大增強。
2.4 流平室系統(tǒng)
4 個流平室除了保證15 min 的流平時間外，在外形上因場地的布置而不相同，但均設(shè)計了強制送風和強制排風系統(tǒng)，室內(nèi)均設(shè)有送風、回風管路、空氣過濾器等裝置，送風口、抽風口均可調(diào)節(jié)。與大多數(shù)廠家設(shè)計流平室均采用軸流風機以降低成本不同，我們設(shè)計的送風系統(tǒng)和排風系統(tǒng)均采用離心風機，強制送風和抽風，使有機溶劑充分揮發(fā)、溫度不會升高，同時漆層表面無桔皮、流痕、露底、針孔、麻點等現(xiàn)象，以確保涂層表面流平質(zhì)量。
2.5 能源消耗量
當生產(chǎn)流水線1 開車，在設(shè)備正常工作時，總耗電量約120 kW，總耗油量約60 kg/h，耗水量約為1.0~1.5 t/h；其中，前處理耗電約75 kW、耗油量15 kg/h，噴涂系統(tǒng)耗電約15 kW，烘干固化爐耗電約30 kW、耗油量45 kg/h。
當生產(chǎn)流水線2 或3 單獨開車，且在正常工作時，總耗電量約為43 kW，耗油量約20 kg/h。
3 結(jié)語
該生產(chǎn)線調(diào)試、驗收一次成功，投入使用后，效果良好，滿足了該廠各種各樣訂單的要求，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，設(shè)備操作簡單、維修方便，為該廠創(chuàng)造了很好的經(jīng)濟效益。