乘用車機(jī)蓋油漆烘烤升溫速率對(duì)變形的影響研究

摘 要：研究主要集中在乘用車機(jī)蓋油漆烘烤升溫速率對(duì)變形的影響上，通過(guò)理論分析，實(shí)驗(yàn)探究和數(shù)值模擬三方面的研究。通過(guò)對(duì)鋁合金等常用機(jī)蓋材料特性，和電泳、中涂漆、面漆組成的熱固性油漆特性分析，揭示了熱傳遞與固化機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)，升溫速率主要是通過(guò)熱應(yīng)力產(chǎn)生，漆膜固化收縮，材料力學(xué)性能變化影響機(jī)蓋變形，過(guò)高升溫速率會(huì)使機(jī)蓋發(fā)生很大變形。實(shí)驗(yàn)以6061鋁合金機(jī)蓋為樣本，采用不同的升溫速率進(jìn)行油漆烘烤，并經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬驗(yàn)證，確定合適的升溫速率范圍。同時(shí)提出升溫速率的調(diào)整，油漆配方的改善，機(jī)蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化等，為降低機(jī)蓋變形，提高汽車涂裝質(zhì)量提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：乘用車機(jī)蓋 油漆烘烤 升溫速率 變形 熱應(yīng)力 漆膜固化

1 緒論

乘用車機(jī)蓋是車身外觀的重要部位，在汽車制造過(guò)程中，機(jī)蓋的油漆涂裝質(zhì)量關(guān)系到車身整體的美觀度和使用壽命。油漆烘烤是涂裝工藝的重要環(huán)節(jié)，烘烤過(guò)程中升溫速率對(duì)機(jī)蓋變形有著顯著的影響。機(jī)蓋變形除了造成外觀的瑕疵外，還可能影響機(jī)蓋與車身其他部件裝配精度，降低整車的品質(zhì)。因此，深入研究乘用車機(jī)蓋油漆烘烤升溫速率對(duì)變形的影響有著重要的實(shí)際意義。

2 乘用車機(jī)蓋材料及油漆特性

2.1 機(jī)蓋材料

乘用車機(jī)蓋在制造時(shí)，通常選用金屬材料，其中鋁合金與高強(qiáng)度鋼較為常見。鋁合金憑借密度低的特性，能夠有效減輕車身重量，進(jìn)而提升車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性。其具備較高強(qiáng)度，可滿足機(jī)蓋在車輛行駛過(guò)程中承受一定外力的需求，且耐腐蝕性能良好，能延長(zhǎng)機(jī)蓋的使用壽命，在現(xiàn)代汽車制造領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。以6061鋁合金為例，其主要合金元素為鎂和硅。鎂元素的加入增強(qiáng)了鋁合金的強(qiáng)度，硅元素則改善了其鑄造性能與加工性能，使6061鋁合金擁有良好的加工性能，能夠通過(guò)沖壓、鍛造等多種工藝加工成所需形狀，同時(shí)具備良好的機(jī)械性能，如具備一定的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度[1]。高強(qiáng)度鋼則具有較高的強(qiáng)度和剛性，在車輛遭遇碰撞等情況時(shí)，能夠?yàn)槌丝吞峁└玫陌踩Ｗo(hù)，滿足汽車對(duì)安全性能的嚴(yán)格要求。不同材料的熱物理性能存在顯著差異，熱膨脹系數(shù)決定了材料在溫度變化時(shí)的膨脹或收縮程度，比熱容反映了材料吸收或釋放熱量的能力。在油漆烘烤過(guò)程中，這些熱物理性能的差異會(huì)致使機(jī)蓋不同部位溫度變化不同步，進(jìn)而影響機(jī)蓋的變形情況。

2.2 油漆特性

汽車油漆一般由電泳、中涂漆、面漆和清漆四層結(jié)構(gòu)組成。電泳在整個(gè)油漆體系中主要起到防銹和增強(qiáng)附著力的作用。它能將金屬機(jī)蓋表面形成一層致密的保護(hù)膜，防止氧氣、水分等與金屬接觸，防止機(jī)蓋銹蝕。同時(shí)電泳與機(jī)蓋表面及中涂漆有較好的粘接性，保證整個(gè)油漆涂層的穩(wěn)定性[2]。中涂漆在涂層中起到提高飽滿度和抗石擊性能的作用，它能夠抵御行駛過(guò)程中路面石子等異物對(duì)油漆涂層的沖擊，同時(shí)具備優(yōu)異的防紫外線功能，為車身提供額外的保護(hù)。面漆則使車身富有美觀的顏色和光澤，使車身整體外觀具有較好質(zhì)感。汽車油漆多為熱固性涂料，在烘烤時(shí)涂料中的樹脂分子產(chǎn)生交聯(lián)反應(yīng)。以常見的環(huán)氧樹脂基油漆為例，環(huán)氧樹脂分子中的環(huán)氧基團(tuán)與固化劑中的活性基團(tuán)發(fā)生開環(huán)聚合反應(yīng)，逐漸形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而固化漆膜。不同油漆的固化溫度不同，有些丙烯酸聚氨酯面漆固化溫度可能在120-150℃之間，有些環(huán)氧電泳固化溫度可能比較低。固化時(shí)間也多，在幾十分鐘到數(shù)小時(shí)不等。而且固化過(guò)程中的體積收縮率不同，這些特性與升溫速率相互作用，共同影響機(jī)蓋的變形。若油漆體積收縮率較大，當(dāng)快速升溫快速固化時(shí)，產(chǎn)生較大收縮應(yīng)力，作用于機(jī)蓋表面，引起機(jī)蓋烘烤變形。

3 油漆烘烤過(guò)程中的熱傳遞與固化機(jī)理

3.1 熱傳遞過(guò)程

油漆烘烤過(guò)程中，熱量通過(guò)對(duì)流、輻射和傳導(dǎo)三種方式傳遞到機(jī)蓋表面及內(nèi)部。在烘房?jī)?nèi)，熱空氣作為熱載體，與機(jī)蓋表面對(duì)流換熱。由于熱空氣的溫度高于機(jī)蓋表面溫度，熱量從熱空氣傳遞到機(jī)蓋表面，其對(duì)流換熱系數(shù)與熱空氣的流速，溫度以及機(jī)蓋表面的粗糙度等有關(guān)[3]。熱輻射則來(lái)自烘房的加熱元件，例如電加熱絲或燃?xì)馊紵鞯?。加熱元件所發(fā)出的熱輻射以電磁波的形式傳播，直接照射到機(jī)蓋表面并吸收形成熱能。機(jī)蓋內(nèi)部熱量傳遞主要靠傳導(dǎo)，由于機(jī)蓋材料的導(dǎo)熱性，熱量從溫度較高的表面向溫度較低的內(nèi)部傳遞。機(jī)蓋熱傳遞的速率和均勻性。若熱傳遞速率過(guò)大，機(jī)蓋表面溫度升高快，內(nèi)部溫度升高較慢，則在機(jī)蓋表面與內(nèi)部形成較大的溫度梯度[4]。這種溫度梯度當(dāng)升溫速率過(guò)快時(shí)，則更加明顯，產(chǎn)生不均勻的熱應(yīng)力。例如，機(jī)蓋表面升溫快，膨脹大，機(jī)蓋內(nèi)部升溫慢，膨脹小，因而在機(jī)蓋內(nèi)部形成拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，影響機(jī)蓋的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

3.2 油漆固化機(jī)理

熱固性油漆的固化是一個(gè)復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。以環(huán)氧樹脂基油漆為例，環(huán)氧樹脂分子中的環(huán)氧基團(tuán)與固化劑中的活性基團(tuán)在加熱過(guò)程中發(fā)生開環(huán)聚合反應(yīng)。當(dāng)溫度達(dá)到一定程度時(shí)，環(huán)氧基團(tuán)的環(huán)狀結(jié)構(gòu)打開，與固化劑中的活性氫原子等發(fā)生反應(yīng)，形成化學(xué)鍵，逐步結(jié)成聯(lián)結(jié)。隨著溫度的升高和時(shí)間的延長(zhǎng)，交聯(lián)反應(yīng)不斷進(jìn)行，交聯(lián)程度不斷增大。在這個(gè)過(guò)程中漆膜的硬度、耐磨性等性能逐漸提高。但是，固化過(guò)程中體積會(huì)發(fā)生收縮，這是由于分子間的化學(xué)鍵形成而引起分子間距縮小的結(jié)果。升溫速率影響固化反應(yīng)的速率和程度，升溫速率過(guò)快，在很短的時(shí)間內(nèi)，固化反應(yīng)集中進(jìn)行，大量的環(huán)氧基團(tuán)迅速地參與反應(yīng)，引起體積收縮，導(dǎo)致體積收縮的集中和劇烈，導(dǎo)致體積收縮和變形加劇。同時(shí)，升溫速率過(guò)快易導(dǎo)致漆膜內(nèi)反應(yīng)不均，部分固化過(guò)度，部分固化不足，影響漆膜的質(zhì)量和機(jī)蓋變形。

4 升溫速率對(duì)機(jī)蓋變形影響機(jī)制

4.1 熱應(yīng)力產(chǎn)生

由于機(jī)蓋在油漆烘烤過(guò)程中受熱，機(jī)蓋發(fā)生膨脹，這是由于材料的熱膨脹特性。材料的熱膨脹有一定的物理規(guī)律，材料的熱膨脹量與材料熱膨脹系數(shù)，溫度變化量以及機(jī)蓋的尺寸有關(guān)[5]。升溫速率不均勻，機(jī)蓋各部位溫度變化不同步，膨脹程度不同，就會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。如機(jī)蓋表面直接接觸熱空氣和熱輻射，升溫快，膨脹大，內(nèi)部熱量傳遞較慢，升溫慢，膨脹小。這種表面膨脹與內(nèi)部膨脹的不一致，便會(huì)在機(jī)蓋內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力和壓應(yīng)力。當(dāng)熱應(yīng)力超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，機(jī)蓋就會(huì)發(fā)生塑性變形，機(jī)蓋的形狀發(fā)生改變。熱應(yīng)力的大小與升溫速率、材料的熱膨脹系數(shù)及機(jī)蓋的幾何形狀等有關(guān)。升溫速率越快，溫度梯度越大，熱應(yīng)力就越大；材料的熱膨脹系數(shù)越大，相同溫度變化下的膨脹量越大，產(chǎn)生的熱應(yīng)力也越大。

4.2 漆膜固化收縮

如前所述，油漆固化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生體積收縮。升溫速率則影響漆膜的固化速度和收縮程度。升溫速率較快，漆膜在較短時(shí)間內(nèi)固化完成，固化反應(yīng)集中，體積收縮集中，產(chǎn)生較大的收縮應(yīng)力。這種收縮應(yīng)力作用于機(jī)蓋表面，由于機(jī)蓋表面與漆膜接觸緊密，收縮應(yīng)力傳遞到機(jī)蓋上引起機(jī)蓋變形。另外，不同部位的漆膜由于受熱情況的不同，固化程度不同，所以收縮程度也有差異。例如，在機(jī)蓋表面的漆膜直接受到熱量的影響，固化速度快，收縮度大，而靠近機(jī)蓋內(nèi)部的漆膜，由于熱量傳遞有延遲，固化速度慢，收縮度較小。這種漆膜在不同部位收縮的程度不同，又導(dǎo)致機(jī)蓋變形加劇，容易造成機(jī)蓋局部翹曲等變形。

4.3 材料力學(xué)性能變化

機(jī)蓋材料在高溫下的力學(xué)性能。材料的屈服強(qiáng)度，彈性模量等隨溫度升高而降低。材料的屈服強(qiáng)度是材料開始塑性變形的臨界應(yīng)力值，彈性模量反映的是材料抵抗彈性變形的能力。升溫速率，材料力學(xué)性能變化的速率和程度。如果升溫速率過(guò)快，材料在很短的時(shí)間內(nèi)溫度變化較大，其力學(xué)性能的下降可能更大。以鋁合金為例，鋁合金內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)在高溫下會(huì)發(fā)生變化，原子間的結(jié)合力減弱，軟化現(xiàn)象更明顯，機(jī)蓋變形更容易發(fā)生。當(dāng)機(jī)蓋材料力學(xué)性能下降明顯時(shí)，機(jī)蓋抵抗熱應(yīng)力和漆膜收縮應(yīng)力的能力下降，在同一應(yīng)力作用下機(jī)蓋容易變形，影響機(jī)蓋尺寸精度和外表質(zhì)量。

5 實(shí)驗(yàn)研究

5.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

升溫速率對(duì)乘用車機(jī)蓋變形的影響，設(shè)計(jì)了一系列實(shí)驗(yàn)。在選擇同一材料和尺寸的鋁合金機(jī)蓋樣本后，分成若干組。在不同的升溫速率下對(duì)每組機(jī)蓋進(jìn)行油漆烘烤實(shí)驗(yàn)。其他的如烘烤溫度、烘烤時(shí)間、油漆種類等因素都控制在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中。

5.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與材料

具有精確溫度控制的烘房、溫度測(cè)量?jī)x器、變形測(cè)量?jī)x器等。文章選擇6061鋁合金機(jī)蓋樣本以及常用的汽車電泳、中涂漆和面漆。溫度測(cè)量?jī)x器測(cè)量機(jī)蓋表面、內(nèi)部溫度變化；變形測(cè)量?jī)x器為非接觸式激光掃描儀，可精確測(cè)量機(jī)蓋在烘烤前后的變形量。

5.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與數(shù)據(jù)采集

將機(jī)蓋樣品進(jìn)行前處理后，然后進(jìn)行電泳、中涂漆和面漆的噴涂。然后將機(jī)蓋放進(jìn)烘房，按設(shè)定的升溫速率進(jìn)行烘烤。烘烤過(guò)程中，每隔一定時(shí)間記錄機(jī)蓋表面和內(nèi)部的溫度數(shù)據(jù)。烘烤結(jié)束后用激光測(cè)量?jī)x測(cè)量機(jī)蓋的變形量，如平面度、翹曲度等。再對(duì)每組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多次測(cè)量，取平均值以提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

5.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)蓋變形量隨著升溫速率的增加而逐漸增大。當(dāng)升溫速率較低時(shí)機(jī)蓋的變形量較小，較為均勻，當(dāng)升溫速率過(guò)高時(shí)，機(jī)蓋有明顯局部變形和翹曲現(xiàn)象。由溫度數(shù)據(jù)分析可知，升溫速率過(guò)快會(huì)造成機(jī)蓋表面與內(nèi)部產(chǎn)生很大的溫度梯度，這與前面提到的熱應(yīng)力產(chǎn)生機(jī)制是一致的。同時(shí)，從漆膜固化后的微觀結(jié)構(gòu)觀察，升溫速率高的漆膜內(nèi)部，存在更多的缺陷與應(yīng)力集中區(qū)域，這也是漆膜固化收縮對(duì)機(jī)蓋變形的影響。

6 數(shù)值模擬研究

6.1 數(shù)值模型建立

為了進(jìn)一步深入理解升溫速率對(duì)機(jī)蓋變形的影響，建立了數(shù)值模擬模型。利用有限元分析軟件，將機(jī)蓋簡(jiǎn)化為考慮材料的熱物理性能，力學(xué)性能以及油漆的固化特性的三維實(shí)體模型。模型中定義了熱傳遞邊界條件，固化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程和材料的本構(gòu)關(guān)系。

6.2 模擬參數(shù)設(shè)置

根據(jù)實(shí)驗(yàn)所使用的材料，工藝參數(shù)設(shè)置數(shù)值模擬的參數(shù)。它包括機(jī)蓋材料的熱膨脹系數(shù)，比熱容，彈性模量等隨溫度變化的參數(shù)，油漆的固化反應(yīng)速率常數(shù)，固化收縮率等。變量升溫速率為變量，設(shè)置不同的取值進(jìn)行模擬計(jì)算。

6.3 模擬結(jié)果與驗(yàn)證

數(shù)值模擬機(jī)蓋在不同的升溫速率下的溫度分布和熱應(yīng)力分布及變形情況。仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性，證明了數(shù)值模型的正確性。數(shù)值模擬能夠給出機(jī)蓋內(nèi)部不同位置的熱應(yīng)力及變形歷程等更詳細(xì)的信息，有利于進(jìn)一步分析升溫速率對(duì)機(jī)蓋變形的影響機(jī)制。

7 優(yōu)化措施與建議

7.1 調(diào)整升溫速率

根據(jù)實(shí)驗(yàn)及模擬，選擇合適的升溫速率為1℃/min-2℃/min。在實(shí)際生產(chǎn)中，可以優(yōu)化烘房的加熱控制系統(tǒng)，進(jìn)行升溫速率的控制。例如，分段升溫，開始時(shí)采用較低的升溫速率如1℃/min，使機(jī)蓋溫度均勻升溫，減少熱應(yīng)力的產(chǎn)生。在這個(gè)階段機(jī)蓋表面與內(nèi)部溫度差較小，熱應(yīng)力較小，有利于機(jī)蓋的初始形狀保持。當(dāng)機(jī)蓋溫度達(dá)到一定程度時(shí)，如80℃時(shí)，開始油漆固化階段，適當(dāng)提高升溫速率至2℃/min，以保證油漆的固化質(zhì)量。在這種升溫速率下，既能達(dá)到油漆固化反應(yīng)對(duì)溫度的要求，又能使熱應(yīng)力和漆膜收縮應(yīng)力控制在合理的范圍內(nèi)，減少機(jī)蓋變形。

7.2 改進(jìn)油漆配方

研制低收縮率的油漆配方，減少油漆固化過(guò)程中的體積收縮。還可以通過(guò)添加特殊助劑如收縮抑制劑降低油漆體積收縮率。同時(shí)，優(yōu)化油漆的固化工藝，使其在較寬的溫度范圍內(nèi)均勻固化，降低對(duì)升溫速率的敏感性。例如，調(diào)整固化劑的比例和類型，使固化反應(yīng)在120℃-160℃范圍內(nèi)都能夠較為平穩(wěn)地進(jìn)行，而不是集中在某一狹窄溫度區(qū)間快速固化。這樣在不同的升溫速率下，油漆的固化收縮應(yīng)力都能得到有效控制，減少對(duì)機(jī)蓋變形的影響。

7.3 優(yōu)化機(jī)蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在機(jī)蓋設(shè)計(jì)階段，考慮增加增強(qiáng)筋等結(jié)構(gòu)，增加機(jī)蓋的剛性，加強(qiáng)機(jī)蓋抵抗變形的能力。加強(qiáng)筋的布置可根據(jù)機(jī)蓋受力分析和熱應(yīng)力分布情況進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)合理機(jī)蓋形狀及尺寸，減少應(yīng)力集中區(qū)域，利用有限元分析軟件對(duì)不同的機(jī)蓋形狀及尺寸進(jìn)行模擬分析，選擇應(yīng)力分布均勻、熱應(yīng)力及漆膜收縮應(yīng)力較小的設(shè)計(jì)方案，降低熱應(yīng)力及漆膜收縮應(yīng)力對(duì)機(jī)蓋變形的影響，提高機(jī)蓋在油漆烘烤過(guò)程中的穩(wěn)定性。

8 結(jié)論

研究通過(guò)理論分析，實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬，深入研究了乘用車機(jī)蓋油漆烘烤升溫速率對(duì)變形的影響。結(jié)果說(shuō)明，升溫速率是通過(guò)熱應(yīng)力產(chǎn)生、漆膜固化收縮、材料力學(xué)性能變化等機(jī)制影響機(jī)蓋變形。升溫速率過(guò)高，會(huì)使機(jī)蓋產(chǎn)生較大變形，影響其外觀及裝配精度。升溫速率，油漆配方，機(jī)蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化等措施均有利于機(jī)蓋變形的降低。未來(lái)的研究還可以進(jìn)一步考慮濕度、空氣流動(dòng)等多種因素的耦合作用，對(duì)油漆烘烤過(guò)程和機(jī)蓋變形的影響，為汽車涂裝工藝的優(yōu)化提供更為全面的理論支持。與此同時(shí)，隨著新材料和新工藝的發(fā)展，不斷探索新的方法來(lái)提高汽車涂裝質(zhì)量和機(jī)蓋的制造精度。

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