烘烤仿真技術(shù)在汽車涂裝制造中的應(yīng)用

中圖分類號(hào)：U466 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI：10.19710/J.cnki.1003-8817.20240396

Application of Baking Simulation Technology in Automobile Coating Manufacturing

Tian Ziwang'，Zhao Jinchen'，Wang Hao2 （1.SAICPasengerCarCompany，Shanghai218OO;2.ShanghaiGLBScienceandTechnologyDevelopmentCo.，Ltd.hanghi 201199）

Abstract：Based on the complex structure of new energy vehicles，this paper studies the baking simulation technology.Inordertosolvethebaking problemscausedbytheappicationofnew materials tothecoating process and avoid thebaking defects in vehicle model launch andproduction，baking simulationsoftwareisused tosimulate the coating electrophoresis baking.The paper performs synchronous engineering analysis，guides and evaluates the scheme of drying room renovation，and provides feasibility assessment and parametric suggestions.

Keywords：Newenergy，Baking，Simulation，Transform

1前言

烘烤作為涂裝工藝中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到涂層固化效果、車身防腐性能及最終產(chǎn)品美觀度，對(duì)焊裝膠及涂裝膠的固化都有極為重要的作用。然而，烘烤過(guò)程涉及復(fù)雜的熱傳導(dǎo)、對(duì)流換熱、輻射等多物理場(chǎng)耦合問(wèn)題，傳統(tǒng)方法難以全面、準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)并控制烘烤效果。因此，烘烤仿真技術(shù)的引入成為提升汽車涂裝制造水平的關(guān)鍵技術(shù)。2010年，浙江工業(yè)大學(xué)就運(yùn)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（ComputationalFluidDynamics，CFD）軟件Fluent進(jìn)行數(shù)值模擬仿真，分析了車身烘房熱風(fēng)循環(huán)烘干特性，并提出了一種車身風(fēng)道設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了半圓形變截面風(fēng)道結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)化，使加熱升溫成本降低了 5%^[3]

受電池安裝的影響，新能源汽車底盤結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)車輛不同，尤其是車身下邊梁內(nèi)腔位，增加了多層加強(qiáng)板，因此在實(shí)際電泳烘烤過(guò)程中，該位置測(cè)溫點(diǎn)經(jīng)常出現(xiàn)保溫時(shí)間不足的問(wèn)題4。以新能源車型的下邊梁作為研究對(duì)象，使用仿真技術(shù)還原車身溫度變化，從車身材料、板材厚度、烘房結(jié)構(gòu)、烘房溫度設(shè)計(jì)等多方面展開研究，提出優(yōu)化建議并進(jìn)行虛擬仿真驗(yàn)證，以期提高車身下邊梁部位的烘烤質(zhì)量。

2 烘烤問(wèn)題

2.1 烘烤傳熱方式分析

烘干加熱有輻射加熱和對(duì)流加熱2種方式，輻射加熱是利用輻射源發(fā)出的紅外線電磁波加熱物體，使其被物體吸收后轉(zhuǎn)換成熱能。它的優(yōu)點(diǎn)在于加熱速度快、效率高。但這種方式對(duì)于大件及形狀復(fù)雜的物體會(huì)出現(xiàn)加熱不均勻的現(xiàn)象，從而限制了其在汽車烘干流水線上的使用5。對(duì)流加熱是將熱空氣作為媒介對(duì)物體進(jìn)行加熱。這種方式能夠保證被加熱物體受熱均勻，目前，車輛制造過(guò)程中烘房主要采用熱風(fēng)循環(huán)烘干技術(shù)，以空氣作為傳熱介質(zhì)，通過(guò)對(duì)流加熱方式將能量傳遞給工件烘干。因此，車身在烘干過(guò)程中會(huì)受熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射3種傳熱方式的共同影響，如烘房噴嘴的高溫高速熱風(fēng)對(duì)車輛可吹區(qū)域的熱對(duì)流加熱、高溫區(qū)域向低溫區(qū)域的接觸式熱傳導(dǎo)、內(nèi)腔外板通過(guò)熱輻射向內(nèi)腔零件傳熱。結(jié)合烘房結(jié)構(gòu)及汽車設(shè)計(jì)，對(duì)熱傳遞過(guò)程進(jìn)行分解，汽車的溫度變化及規(guī)律簡(jiǎn)析如下：

a.在升溫階段，零件間的溫差較小，主要為噴嘴和烘房中的熱空氣對(duì)外表面進(jìn)行熱對(duì)流加熱，且單層鈑金區(qū)域比多層鈑金或結(jié)構(gòu)復(fù)雜區(qū)域升溫更快；

b.當(dāng)外表面溫度升高到一定程度后，溫度差異變大，熱傳導(dǎo)方式作用增大，此時(shí)熱對(duì)流與熱傳導(dǎo)共同作用，高溫區(qū)域在被加熱的同時(shí)也在向低溫區(qū)域傳遞能量；

c.當(dāng)溫度達(dá)到一定程度時(shí)，熱輻射作用更強(qiáng)，特別是對(duì)內(nèi)腔零件的影響。

可見復(fù)雜車身結(jié)構(gòu)下零件在烘烤過(guò)程中以不同熱傳導(dǎo)方式進(jìn)行的吸熱與放熱在同一時(shí)間下是一個(gè)復(fù)雜的交互過(guò)程。而傳統(tǒng)的零件工藝溫度變化數(shù)據(jù)獲取方式為對(duì)關(guān)注零件采用爐溫測(cè)量?jī)x器進(jìn)行爐溫測(cè)量，但此方法存在測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)、受車身結(jié)構(gòu)和儀器限制、探點(diǎn)位置只能布置在可放置區(qū)域如可視的外表或內(nèi)腔等局限。而復(fù)雜完整的內(nèi)腔零件烘烤質(zhì)量只能通過(guò)后期的車輛拆解觀察，這也是烘烤風(fēng)險(xiǎn)難以發(fā)現(xiàn)、出現(xiàn)烘烤工藝問(wèn)題難以處理的原因之一。

2.2 不同材料對(duì)烘烤溫度的影響

在新能源汽車中，除使用常規(guī)鋼材外，還會(huì)采用大量的鋁（鎂）合金材料和熱塑性復(fù)合材料等，不同的板材在烘烤過(guò)程中的升溫效率不同。在相同熱源烘烤情況下（ ），對(duì)相同尺寸（ 0.5m× 0.5m×1mm 的塑料、鋁、鐵3種材料進(jìn)行 10min 的烘烤，并測(cè)量中心位置的溫度變化，如圖1所示，通過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)升溫速率由高到低依次為塑料、鋁板、鐵板。在體積相同的情況下，塑料材質(zhì)升溫快的原因是其密度低，而鋁升溫快的原因是其熱導(dǎo)率高。

2.3不同板材厚度對(duì)溫度的影響

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，鋁板的升溫速率較快，但是在實(shí)際應(yīng)用中，鋁型材的厚度往往超過(guò) 3mm ，如門檻區(qū)域，厚度越大，必然升溫越慢，這也是使用鋁型材易造成烘烤不良的根本原因。如圖2所示，當(dāng)鋁的厚度增加到 2mm 后，其升溫速率將低于鋼板，厚度對(duì)板材的升溫影響較大。此現(xiàn)象與項(xiàng)目實(shí)際相符，門檻區(qū)域因考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，鋁的厚度約為 5mm ，升溫速率很低，已經(jīng)影響了結(jié)構(gòu)膠的固化效果。

2.4常見新能源汽車烘烤問(wèn)題

與傳統(tǒng)的燃油車型門檻設(shè)計(jì)相比，新能源車型因電池碰撞保護(hù)要求，需要在門檻內(nèi)部新增擠壓鋁結(jié)構(gòu)，提升碰撞潰縮穩(wěn)定性，且需要在擠壓鋁內(nèi)外側(cè)涂結(jié)構(gòu)膠，防止型材發(fā)生翻轉(zhuǎn)，同時(shí)鋼鋁接觸避免電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象發(fā)生[。因此，擠壓鋁的使用不可避免，而因其強(qiáng)度、厚度要求均較高，造成門檻區(qū)域存在較大的烘烤不良風(fēng)險(xiǎn)，如圖3所示，不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)結(jié)構(gòu)膠的固化影響很大。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)分析，擠壓鋁體積越小，對(duì)結(jié)構(gòu)膠的烘烤越有利，與鈑金的接觸面積越小越有利，半包結(jié)構(gòu)升溫比全包結(jié)構(gòu)更有效。

3烘烤仿真技術(shù)簡(jiǎn)介

在設(shè)計(jì)研發(fā)階段可以通過(guò)烘烤仿真分析快速評(píng)估烤箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工藝設(shè)備能力是否滿足涂料固化窗口要求，避免因烤箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷或工藝設(shè)備能力不足等因素引起的電泳/面漆烘烤不良、冷卻后車身溫度過(guò)高等風(fēng)險(xiǎn)，減少烤箱投產(chǎn)后的設(shè)計(jì)變更費(fèi)用且避免電泳烘烤存儲(chǔ)區(qū)過(guò)大造成空間浪費(fèi)。本文使用IPSOVEN仿真軟件進(jìn)行溫度場(chǎng)分析，使用浸人網(wǎng)格邊界法自動(dòng)完成數(shù)模網(wǎng)格處理，使用風(fēng)嘴數(shù)據(jù)模型進(jìn)行參數(shù)化建模，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際風(fēng)量、溫度控制參數(shù)、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行參數(shù)輸入，通過(guò)對(duì)汽車在烘房中的情景再現(xiàn)，開展溫度場(chǎng)分析，評(píng)估產(chǎn)品質(zhì)量，仿真效果如圖4所示。

3.1噴嘴數(shù)據(jù)庫(kù)模型

軟件自帶烘房建模所需的常規(guī)噴嘴模型，如直徑 50～150mm 的圓形噴嘴和長(zhǎng)方形風(fēng)口等，在噴嘴模型中，具有熱風(fēng)粒子分布模型，如圖5所示，能仿真不同類型的風(fēng)口熱量的分布狀態(tài)，更好地進(jìn)行烘烤仿真，并可以自定義噴嘴不同的位置分布、噴嘴角度、噴嘴風(fēng)量等，支持生產(chǎn)線改造調(diào)試方案驗(yàn)證。

3.2烘房生產(chǎn)線建模

首先，根據(jù)生產(chǎn)線圖紙完成風(fēng)嘴布置，如圖6a所示，并完成風(fēng)嘴仿真布置，如圖6b所示。

其次，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)車輛進(jìn)行烘烤爐溫測(cè)量，如圖7所示。

然后，如圖8所示，對(duì)烘烤的各區(qū)段進(jìn)行風(fēng)量配置，并定義出風(fēng)口的風(fēng)速，將直接影響溫度升溫速率。

度及距離進(jìn)行設(shè)置。

4烘烤仿真質(zhì)量評(píng)估

4.1電泳涂層固化質(zhì)量評(píng)估

如圖10所示為溫度分布云圖，可以看出，受擠壓鋁的影響門檻區(qū)域，在整車烘烤過(guò)程中升溫最慢，是烘烤不良風(fēng)險(xiǎn)的重點(diǎn)分析區(qū)域。

對(duì)門檻區(qū)域各點(diǎn)位進(jìn)行爐溫?cái)?shù)據(jù)分析，結(jié)果如表1所示，發(fā)現(xiàn)滿足烘烤要求，但是最佳烘烤時(shí)間均不足 15min ，計(jì)劃對(duì)門檻區(qū)域工藝條件進(jìn)行調(diào)整。

最后，如圖9所示，對(duì)車輛的運(yùn)動(dòng)方向、運(yùn)動(dòng)速

4.2結(jié)構(gòu)膠烘烤質(zhì)量評(píng)估

如圖11所示為溫度分布云圖，可以看出，因門檻區(qū)域鈑金溫度低，結(jié)構(gòu)膠受其影響，滿足烘烤要求，但并未處于最佳烘烤條件。

通過(guò)對(duì)門檻前、后區(qū)域結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行爐溫?cái)?shù)據(jù)分析，如表2所示，發(fā)現(xiàn)最佳溫度烘烤時(shí)間均不足 15min ，滿足烘烤要求，但并非處于最佳烘烤條件。

5 烘烤整改優(yōu)化方案評(píng)估

5.1 方案思路分析

通過(guò)對(duì)烘烤問(wèn)題的解析可知，門檻區(qū)域烘烤風(fēng)險(xiǎn)主要因擠壓鋁材料比熱容及其鈑金厚度大，空腔填充較密集引起。因此，優(yōu)化方向可以為在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，減少局部區(qū)域的擠壓鋁料厚。

通過(guò)加強(qiáng)外部熱量輸入，使門檻區(qū)域升溫速度更快，門檻外板更快達(dá)到最高溫度。因擠壓鋁被完全包裹在內(nèi)腔中，當(dāng)門檻外板溫度達(dá)到最高溫度后，外部能量的輸入將很難影響內(nèi)腔升溫效率，因此，烘房整改措施主要在烘房的前段，由烘烤仿真結(jié)果可知，如圖12所示，門檻外板在約第800s進(jìn)入第3段升溫區(qū)時(shí)已達(dá)到最高烘烤溫度，因此，后續(xù)改造均在烘房的第1、第2段升溫區(qū)。在第1區(qū)和第2區(qū)，門檻區(qū)域增加底部送風(fēng)，提高門檻升溫效率。

拋棄常見的從外部車身加熱的方式，尋求從內(nèi)部加熱擠壓鋁結(jié)構(gòu)減少溫度差的方案，如感應(yīng)加熱，感應(yīng)線圈通過(guò)電磁感應(yīng)產(chǎn)生感應(yīng)電流實(shí)現(xiàn)電能的傳遞，在工件內(nèi)部，電能轉(zhuǎn)換成熱能使其升溫，從根本優(yōu)化門檻烘烤風(fēng)險(xiǎn)[]。加熱設(shè)備只能在進(jìn)烘房前安裝，因此預(yù)熱后必然存在熱量損失，通過(guò)圖13烘烤仿真對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，如果預(yù)熱至 100° 后進(jìn)入烘房，擠壓鋁很快降溫至 左右，對(duì)后續(xù)的烘烤貢獻(xiàn)有限，而如果預(yù)熱至200° ，可以使擠壓鋁保持在 以上，效果更明顯。

同時(shí)需要評(píng)估電泳漆在60s的節(jié)拍內(nèi)快速加熱至 200^°C 是否影響涂層質(zhì)量。如圖14所示，通過(guò)2次小樣加熱試驗(yàn)，擠壓鋁加熱面在60s內(nèi)可加熱至 200° ，設(shè)備極限升溫時(shí)間可縮短至5s，滿足升溫效率需求。當(dāng)升溫時(shí)間為60s時(shí)，工件整體溫度均勻，且加熱完成后的小樣可正常電泳烘烤，烤后漆面質(zhì)量滿足要求，方案可行。

5.2 方案效果仿真評(píng)估

在烘烤仿真軟件中，對(duì)如表3所示各可行方案進(jìn)行多方案驗(yàn)證，其中具體實(shí)施內(nèi)容如下：

a.在第1區(qū)、第2區(qū)增加底部送風(fēng)；b.擠壓鋁部分結(jié)構(gòu)邊料厚優(yōu)化，通過(guò)驗(yàn)證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足產(chǎn)品需求，可實(shí)施；c.通過(guò)外置加熱設(shè)備在進(jìn)烘房前將擠壓鋁預(yù)熱至 200°C 。

通過(guò)方案對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，增加底部送風(fēng)對(duì)門檻的溫度改善效果最顯著，方案2＼～方案4均滿足質(zhì)量要求。結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況，最終方案推進(jìn)情況如下：

a.確認(rèn)實(shí)施生產(chǎn)線烘房改造增加底部送風(fēng)；b.確認(rèn)實(shí)施產(chǎn)品設(shè)計(jì)上減小鋁鑄件的厚度；c.產(chǎn)品投產(chǎn)后驗(yàn)證烘烤質(zhì)量，按需使用外置設(shè)備將擠壓鋁預(yù)熱至 200°C ：d.保留措施為，對(duì)膠性能進(jìn)行提升，降低烘烤要求。

6仿真與實(shí)測(cè)溫度準(zhǔn)確性確認(rèn)

烘烤仿真與實(shí)車爐溫?cái)?shù)據(jù)對(duì)比，如圖15所示，仿真與實(shí)測(cè)匹配度在 90% 以上，溫度場(chǎng)仿真精度高，仿真方案評(píng)估結(jié)果可靠。

7 結(jié)論

a.烘烤仿真技術(shù)可復(fù)現(xiàn)實(shí)際烘房中的溫度變化過(guò)程，規(guī)避傳統(tǒng)烘烤調(diào)試的經(jīng)驗(yàn)試錯(cuò)方式，對(duì)烘烤方案的合理性、車型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性提前進(jìn)行評(píng)估與優(yōu)化，降低了試錯(cuò)成本，同時(shí)解決了產(chǎn)品烘烤質(zhì)量?jī)?nèi)腔調(diào)控的問(wèn)題，提升產(chǎn)品涂層烘烤質(zhì)量；

b.通過(guò)仿真與實(shí)測(cè)爐溫?cái)?shù)據(jù)對(duì)比分析，仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)值偏差在 5% 以內(nèi)，仿真結(jié)果的置信度較高；

c.烘烤仿真軟件通過(guò)數(shù)值化、可視化直觀展現(xiàn)產(chǎn)品的烘烤溫度效果，可以有效避免當(dāng)前烘烤方案設(shè)計(jì)的盲自性，不再局限于反復(fù)迭代的“測(cè)試驗(yàn)證-修改設(shè)計(jì)”串行設(shè)計(jì)優(yōu)化，能顯著縮短烘房設(shè)備的調(diào)試周期；

d.通過(guò)對(duì)各種方案的對(duì)比分析，對(duì)于門檻烘烤不良問(wèn)題，底部增加送風(fēng)和降低料厚是有效的方案，可以在產(chǎn)品的不同階段進(jìn)行實(shí)施；

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