汽車涂裝工藝參數(shù)的正交試驗(yàn)優(yōu)化

曹曉根，楊亞蒲

（長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北 保定 071000）

汽車涂裝工藝參數(shù)的正交試驗(yàn)優(yōu)化

曹曉根*，楊亞蒲

（長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北 保定 071000）

為了解決汽車涂裝生產(chǎn)中由于工藝設(shè)計(jì)不合理而造成的涂料使用過量的問題，通過正交試驗(yàn)對噴涂SPM-155珠光黑工藝進(jìn)行了優(yōu)化，找出了影響色漆用量的主次因素，確定了最優(yōu)的工藝參數(shù)為：靜電電壓70 kV，涂料噴涂量270 mL/min，成型空氣壓力0.16 MPa，旋杯轉(zhuǎn)速27 000 r/min，施工黏度12.5 s。3個月的生產(chǎn)實(shí)踐證明，優(yōu)化后的工藝使單車色漆用量降為1.84 kg，比優(yōu)化前的用量2.1 kg節(jié)約了0.26 kg，年效益可達(dá)70萬元。

汽車；珠光黑色漆；涂裝；用量；工藝優(yōu)化；正交試驗(yàn)

1 前言

涂料用量的多少不僅影響到產(chǎn)品的直接成本，而且多消耗的涂料還會給環(huán)境帶來危害，增加后處理的費(fèi)用。除了已知的設(shè)備類型、噴涂距離[1]等影響涂料的利用率外，其他工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)是否科學(xué)合理同樣影響涂料的用量。而在很多工藝設(shè)計(jì)中，工藝參數(shù)往往以達(dá)到產(chǎn)品要求為目標(biāo)，未能充分發(fā)揮工藝設(shè)計(jì)的真正作用，致使在生產(chǎn)過程中造成很多浪費(fèi)。鑒于此，本文通過正交試驗(yàn)優(yōu)化涂裝工藝參數(shù)，為汽車涂裝生產(chǎn)提供借鑒。

2 現(xiàn)狀及存在的問題

一涂裝生產(chǎn)線擔(dān)負(fù)某款乘用車的涂裝生產(chǎn)任務(wù)，涂料使用量為單車2.1 kg左右，用量較高(經(jīng)理論計(jì)算其用量應(yīng)不高于1.9 kg/車)。該款乘用車平均月度產(chǎn)量近萬臺，其中珠光黑色約為3 000臺。按單車多使用0.2 kg計(jì)算，每年多消耗色漆7 200 kg(不含稀釋劑用量)，浪費(fèi)資金近50萬元(含其他輔助費(fèi)用)。

在工藝設(shè)計(jì)之初，工藝參數(shù)的確定主要由材料供應(yīng)商和設(shè)備提供商提供施工范圍，在調(diào)試過程中對參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，以達(dá)到產(chǎn)品要求的工藝參數(shù)作為生產(chǎn)用工藝參數(shù)。由于工藝參數(shù)的設(shè)定不精細(xì)，未能找出相對合理的工藝參數(shù)，導(dǎo)致珠光黑的實(shí)際用量偏高，而外觀等產(chǎn)品指標(biāo)也僅僅停留在合格的基礎(chǔ)上，未能借助合理的工藝設(shè)計(jì)發(fā)揮原材料的性能，提高產(chǎn)品的品質(zhì)。

原材料的主要性能指標(biāo)有：不揮發(fā)分36% ～ 40%，工程遮蓋力≤10 μm(底材為灰色中涂)，施工黏度12.5 ～ 13.5 s(20 °C，涂-4杯)。噴涂方式：兩站機(jī)器人噴涂，第一站為旋杯，第二站為噴槍。第二站的涂料吐出量約為第一站的1/3。短波均值在17左右，長波均值在11以下，均能達(dá)到產(chǎn)品要求，但與競爭對手相比無明顯優(yōu)勢。

3 汽車涂裝工藝參數(shù)的優(yōu)化

3. 1 目標(biāo)

根據(jù)理論計(jì)算的結(jié)果確定改進(jìn)的目標(biāo)：

(1) 在保證外觀質(zhì)量的情況下，達(dá)到涂料單車用量在1.9 kg以下。

(2) 找出噴涂色漆過程中影響面漆后外觀(長波、短波)的因素(因子)的重要程度及其之間的關(guān)系。

3. 2 優(yōu)化方案

考慮到影響外觀的工藝參數(shù)較多，且部分參數(shù)之間的關(guān)系比較復(fù)雜且未能得到確認(rèn)，故采用DOE(試驗(yàn)設(shè)計(jì))重新進(jìn)行試驗(yàn)，找出較優(yōu)方案，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化工藝參數(shù)、達(dá)成改進(jìn)目標(biāo)的目的。

首先確定產(chǎn)品要求。結(jié)合產(chǎn)品性能及對外觀的期望，確定產(chǎn)品的要求為：目視外觀完全遮蓋底色，短波≤20，長波≤15(長波和短波用橘皮儀測量)。通過小組論證，對此3個指標(biāo)進(jìn)行量化。其中，外觀明顯可見露底，分值為2；可見露底，分值為4；可遮蓋底色、與原顏色不易辨識色差，分值為6。長波和短波的分值設(shè)定如表1所示。

表1 長波和短波分值設(shè)定Table 1 Scoring of long- and short-wave values

采用綜合評分法。總分采用各項(xiàng)得分相加的方式，要求平面不小于16分，立面不小于15分。試驗(yàn)中要找出影響最終結(jié)果的因子的重要程度及其之間的關(guān)系。3個指標(biāo)的重要程度為：目視外觀完全遮蓋底色 ＞短波 ＞ 長波。另外，在判定單車用量時采用吐出量代替使用量，小批量驗(yàn)證時則采用實(shí)際用量來判定。原材料采用SPM-155珠光黑。

3. 3 正交試驗(yàn)因素水平的確定

根據(jù)涂裝生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，確定正交試驗(yàn)的因素為靜電壓力(A)、涂料噴涂量(B)、旋杯轉(zhuǎn)速(C)、施工黏度(D)和成型空氣壓力(E)。正交試驗(yàn)因素水平見表2。

表2 正交試驗(yàn)因素水平Table 2 Factors and levels of orthogonal test

需注意的是：

(1) 在 1水平時，所取的數(shù)據(jù)均為機(jī)蓋噴涂處的參數(shù)，其他位置的參數(shù)根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際，參考此數(shù)據(jù)來確定。平面以機(jī)蓋為測量點(diǎn)，立面以左前門為測量點(diǎn)。找出平、立面各自較優(yōu)的水平后，其余位置按照此水平進(jìn)行調(diào)整，然后進(jìn)行樣車及小批量驗(yàn)證。

(2) 僅對第一站噴涂的相應(yīng)因子進(jìn)行調(diào)整，其他因子如色漆第二站噴涂、清漆、中涂、烘烤等工序涉及到的各因子及珠光黑漆噴涂工位的涂料溫度，噴漆室溫度、相對濕度和垂直平均風(fēng)速，涂料壓力，接地電阻，涂料型號，噴幅，搭接寬度和噴涂速度等均采用固定值。

(3) 實(shí)驗(yàn)前對第二站的噴槍進(jìn)行調(diào)整，固定參數(shù)(施工黏度會有變化)，然后按照實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

(4) 以往試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，吐出量與旋杯轉(zhuǎn)速有時存在交互作用，故在試驗(yàn)中應(yīng)充分考慮二者之間存在的交互關(guān)系，采用L18(2 × 37)正交表進(jìn)行試驗(yàn)。每組實(shí)驗(yàn)完成3臺車，在每臺車上測量長、短波，每個數(shù)據(jù)測量3次，結(jié)果取3次測量的平均值。

3. 4 正交試驗(yàn)結(jié)果

按照正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案在樣車上進(jìn)行試驗(yàn)，得到的結(jié)果見表3。其中，B×C項(xiàng)按照其對應(yīng)的B、C列中相同的組合的得分結(jié)果進(jìn)行計(jì)算。如B列中1水平對應(yīng)于C列中1水平的得分之和(即第1組和第10組得分之和)為B1C1的總分；同理，第4組和第13組的得分之和為B2C1的總分，以此類推。對表3平面得分結(jié)果進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，B3C3＞ B3C2＞ B3C1＞ B1C3= B2C1＞B1C2= B2C2= B2C3＞ B1C1。同時，B3、C3分別為因子B、C的較優(yōu)水平，故B×C的較優(yōu)水平為B3C3。因B3C3為非主要影響因子，且極差與空列數(shù)值相當(dāng)，故此時不存在交互作用。

從表3可以看出，在平面上，影響外觀的因子的主次是涂料噴出量(B)＞靜電電壓(A)＞成型空氣壓力(E)＞施工黏度(D)＞旋杯轉(zhuǎn)速(C)＞吐出量與旋杯轉(zhuǎn)速的交互(B×C)，主要影響因子為噴出量和靜電電壓這兩個因子。最優(yōu)水平為B3A2E3D2C3。因在B3時噴出量最低，故達(dá)到了涂料用量較少的目的。

根據(jù)表3立面試驗(yàn)結(jié)果對B×C進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，B3C3＞ B2C2＞ B3C1＞ B3C2＞ B2C3＞ B2C1＞ B1C2= B1C3＞ B1C1。由于B3、C3為因子B、C的較優(yōu)水平，故B×C的最優(yōu)水平為B3C3。因B×C的極差明顯大于空列的相應(yīng)數(shù)值，故在立面上，涂料噴出量與旋杯轉(zhuǎn)速存在交互作用。

從表3可以看出，在立面上影響漆膜性能的因子主次是涂料噴出量(B)＞靜電電壓(A)＞施工黏度(D)＞噴出量與旋杯轉(zhuǎn)速的交互(B×C)＞成型空氣壓力(E)＞旋杯轉(zhuǎn)速(C)，主要影響因子為涂料噴出量和靜電電壓這兩個因子。較優(yōu)水平為B3A2D2E3C3。平面與立面相比，最優(yōu)水平相同，但因子主次的排序上有區(qū)別。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果和極差分析Table 3 Orthogonal test results and range analysis

3. 5 小批量驗(yàn)證

按正交試驗(yàn)中最優(yōu)的組合，即表 3(平面和立面)中第18組實(shí)驗(yàn)的條件(即靜電電壓70 kV、吐出量270 mL/min、成型空氣壓力 0.16 MPa、旋杯轉(zhuǎn)速27 000 r/min和施工黏度12.5 s)進(jìn)行小批量試驗(yàn)，計(jì)算了單車涂裝的理論吐出量，并對試驗(yàn)后整車的長短波進(jìn)行了測量，結(jié)果為：短波均值在13左右，長波均值在9以下，無露底、目視可見的色差等缺陷。雖然指標(biāo)略低于樣車試驗(yàn)結(jié)果，但明顯優(yōu)于改進(jìn)前的水平(短波均值在17左右，長波均值在11以下)。小批量試驗(yàn)理論噴出量為270 mL，比改進(jìn)前的吐出量310 mL降低了12.9%，可節(jié)省涂料0.271 kg/車，即用量降低為1.829 kg。由于理論噴出量是典型值，實(shí)際上不可能每一槍都能采用同一噴出量，故實(shí)際節(jié)約的效果需要使用一段時間后根據(jù)實(shí)際用量確定。

4 結(jié)語

經(jīng)過3個月的使用，對實(shí)際用量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，單車用量約為1.84 kg，單車節(jié)約0.26 kg，年效益可達(dá)70萬元。同時外觀質(zhì)量有了明顯改善，而投入的成本不到3 000元(不包含人工成本)，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。同時，此案例具有普遍性。通過DOE進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，能夠找出較優(yōu)工藝，從而實(shí)現(xiàn)提升品質(zhì)、降低成本的目的。

[1] 曹曉根, 粟玉山, 王娜. 噴涂距離對涂料利用率的影響分析[J]. 上海涂料, 2011, 49 (9): 40-42.

Optimization of automobile coating process parameters by orthogonal test //

CAO Xiao-gen*, YANG Ya-pu

The irrationality of process design leads to the excess use of coating material during automobile coating production. To solve this problem, the spraying process of SPM-155 pearl black paint was optimized by orthogonal test. The primary and secondary factors influencing the paint dosage were found out. The optimized process parameters were ascertained as follows: electrostatic voltage 70 kV, paint spraying rate 270 mL/min, forming air pressure 0.16 MPa, rotation rate of spin cup 27 000 r/min, and construction viscosity 12.5 s. The production practice in three months proved that the paint dosage per car is decreased to 1.84 kg, leading to a reduction of 0.26 kg, in comparison with the previous dosage of 2.1 kg. The economic benefit is up to RMB 700 000 per year.

automobile; pearl black paint; coating; dosage; process optimization; orthogonal test

Hebei Province Automobile Engineering Technology Research Center, Technological Center of Changcheng Automobile Co., Ltd., Baoding 071000, China

TQ633.52

A

1004 – 227X (2012) 08 – 0066 – 03

2012–04–16

2012–05–17

曹曉根（1978–），男，河北人，專科，長城公司副高級工程師，研究方向?yàn)槠囃垦b，已發(fā)表論文10余篇。

作者聯(lián)系方式：(E-mail) caoxiaogen@gwm.cn。

[ 編輯：韋鳳仙 ]