铝轮毂涂装生产线工艺及设备的设计探讨
铝轮毂涂装生产线工艺及设备的设计探讨
魏恒远 （南京化工职业技术学院 210048）
摘 要：对汽车铝轮毂涂装生产线的工艺方案设计、生产流水线布置、工艺及设备设计的特
点作了阐述，同时介绍了如何满足产品的多样化、生产经营的灵活性、设备的安全环保性等方面
的一些具体设计思路。
关键词：铝轮毂；方案设计；喷涂工艺；设备设计
中图分类号：TQ 639 文献标识码：A 文章编号：1009-1696（2007）11-0010-05
0 前言
随着人民生活水平的日益提高和市场需求日益增大，中国经济在持续高速发展，国内汽车工业也有了飞速的发展，轿车的年产量已达到500 万辆。但市场的竞争也日趋激烈、顾客的需求在不断变化，从整车到零部件、从产量、质量到规格、款式、外观等方面都有了很大的提升，汽车铝轮毂行业同样如此。一批新建生产工厂也应运而生，铝轮毂生产厂家从工艺到设备都在不断进行改进和改造，铝轮毂表面的防护性和装饰性能也在不断提高和变化，以适应上游整车厂和最终消费者的需求。本文就笔者为浙江某厂家设计的一条铝轮毂喷漆喷粉生产线，结合多年从事涂装生产线设备的设计经验，介绍涂装生产线总体方案的设计和工艺和设备设计方面的一些问题和体会。
1 工艺方案设计讨论
1.1 生产纲领
该厂生产的铝轮毂有多种型号规格，为各类轿车、轻卡等配套，工件尺寸有650 mm×300 mm（φ×H，下同）、450 mm×300 mm、200 mm×300 mm 3种，材质为铸铝件，工件表面均无锈蚀，油污程度中等；最大工件质量为20 kg，年产量为60 万件，年工作日为280 d，每天两班工作制，每班8 h；现有厂房尺寸为：78 m×18 m×7.5 m。
1.2 基于市场要求的产品工艺方案设计
由于各上游整车厂对铝轮毂的防护性能要求越来越高，装饰性能要求不尽相同，大致说来，可分为这样几类需求：一是表面喷塑；二是把喷塑层作为底层，再进行喷漆处理；三是要求喷底漆和面漆；四是先喷底漆、面漆，最后再喷2 道罩光漆。需求不尽相同，给方案的设计带来了很大的难度。经与客户反复讨论并经市场调研，最终我们确定了4 套铝轮毂的涂装生产线工艺方案，以满足不同客户（整车厂）的不同需求。具体为：
工艺方案１：表面前处理→脱水烘干→喷粉→固化→成品下线（表1，工序1~17）；
工艺方案２：表面前处理→脱水烘干→喷粉→固化→转线→打磨→喷底漆→流平→喷面漆→流平→固化→成品下线（表1，工序1~24）；
工艺方案３：表面前处理→脱水烘干→喷底漆→流平→喷面漆→流平→固化→成品下线（表1，工序1~13，18~24）；
工艺方案４：表面前处理→脱水烘干→喷底漆→流平→喷面漆→流平→喷罩光漆1 →流平→喷罩光漆2 →流平→固化烘干→成品下线（表1，工序1~13，18~31）。
上述方案中，工艺方案１成本较低，防护性能较好，但装饰性较差，适合于轻卡及较低档次的整车用户；工艺方案２防护性能较好，装饰性能一般；工艺方案３防护性和装饰性能均一般；工艺方案４防护性能和装饰性能都较好，但生产成本较高，质量要求也高，适合给较高档次的轿车配套。
1.3 铝轮毂喷漆生产线工艺流程
铝轮毂喷漆生产线工艺流程见表1。
1.4 生产流水线布置方案
鉴于以上4 种工艺方案经常间隔生产或部分同时生产，在设备设计、配置上如何满足诸多要求，同时又要考虑到设备投资的经济性，有很多方面的因素要综合考虑：
（1） 现有厂房的限制：该厂现有厂房只有1 404 m2，去掉216 m2的打磨区域和144 m2的包装工段，实际只有1 044 m2的面积供使用，而1 条年产60 万只零件的生产线，至少需要1 600 m2，所以，设计上必须打破常规，把某些区域分成2 层，设备上下放置。
（2） 设备投资的经济性和运行的能源消耗：厂方预定的设备投资规模不超过250 万元，如果设计成1 条生产流水线，一次上件下件，满足所有工艺要求，设备外形尺寸必定很大，超过投资额，且设备实际运行时，有的设备不需开动，例如：按工艺方案３生产时，不需要喷粉和喷罩光漆，但工件仍需通过喷粉室、粉末固化烘道、罩光漆喷漆室和流平、罩光漆烘干烘道。显然，操作、维修、日常维护保养工作量会增大，能源消耗也会增加，所以应拆分成3~4 条流水线装置，按各类产品的工艺要求，分别开动生产。但这样会增加人工转运费用。经过成本分析比较，考虑到节能、环保等因素，确定按3条生产流水线方式进行设备设计。
（3） 各工序之间的相互衔接和转换：设计成3 条生产流水线后，要充分考虑到满足4 种工艺方
案的要求；各生产流水线工件的上件、下件，以及各条流水线之间如何相互衔接和转换，这都是看似简单却很复杂的问题；既要符合工艺要求，又要符合物流走向，使上、下件和工件转运的工作量减到最小，既要保证零件表面质量在转运过程中不受影响，又要降低劳动强度，减轻工人的工作量，如：从前处理到喷底漆之间的转换、粉末固化后到喷底漆之间的转换、从前处理到喷底漆、面漆后再到喷罩光漆之间的衔接等等，这些都是在总体方案设计时要考虑的问题。
（4） 半成品的打磨、成品的检验、包装：半成品的打磨、成品的检验、包装必须尽量靠近打磨区域和包装工段，前处理的上件应尽可能的靠近毛坯车间，以减少运转工作量。
（5） 最终生产流水线方案设计：通过以上综合考虑分析，3 条流水作业线最终设计如下：
生产流水线１：表面前处理→脱水烘干→喷粉→固化→成品（或半成品）下线；第1 种工艺产品可直接在该线上生产。
生产流水线２：喷底漆→流平→喷面漆→流平→固化→成品（或半成品）下线；第2、3 种工艺产品可在流水线１上生产，经过一次转挂，再在流水线２上生产出来。
生产流水线３：喷罩光漆1 →流平→喷罩光漆2 →流平→固化烘干→成品下线。第4 种工艺产品由于质量要求高，需在流水线１上前处理、烘干，不需喷粉，然后一次转挂到流水线２上喷底漆、面漆，再一次转挂到流水线３上，喷2 道罩光漆，最后固化、下件，出成品。
值得注意的是：在前处理、脱水烘干后的下件处，前处理、脱水烘干、粉末固化后的下件处与喷底漆线、喷罩光漆线的上件处尽量靠近，以方便转运。（见图1）
1—输送链装置；2—上下件工位；3—预脱脂工位；4—脱脂工位；5—水洗I 工位；6—水洗II 工位；7—表调工位；8—水洗III 工位；9—铬化工位；10—水洗IV 工位；11—循环纯水洗工位；12—新鲜纯水洗工位；13—人工吹水工位；14—下件工位；15—脱水烘干炉；16—面漆烘干炉；17—罩光漆烘干炉；18—冷却段；19—流平室I；20—流平室IV；21—面漆喷漆室；22—罩光漆喷漆室II；23—粉末固化炉；24—流平室I；25—流平室III；26—冷却段；27—罩光漆喷漆室I；28—底漆喷漆室；29—下件、转线处；30—喷粉室装置
图1 设备流水线布置图
此外，我们把喷涂线设计成双层立体方式，把4 个烘干固化炉全部架高到二层，把2 个流平室、4个燃油加热炉及调漆间、工人休息室、更衣室等放在一层，整体看来，工序流畅、各环节有序衔接、物流顺畅、地面和空间利用合理、又充分考虑到噪声、温度等环境条件和心理卫生因素，达到了现代工业厂房及设备的设计要求，收到了较好的效果。
1.5 生产节拍及吊挂方式
根据厂家给出的铝轮毂外形尺寸，我们首先确定前处理及喷粉线上工件为竖直吊挂，每个挂具吊挂2 个，上下各1 个，挂具一边前进一边旋转进行喷涂，在前处理设备里则不旋转；面漆喷漆线和罩光漆喷漆线上工件为水平放置吊挂，每个挂具吊挂1 个，工件旋转喷涂，这样易保证表面喷漆质量。根据厂家年产60 万件、年工作日280 d、每天16 h 的生产纲领，经计算，每天产量为2 143 件，每小时产量为134 件，每分钟为2.23 个，得出3 条流水生产线的悬挂输送链链速均为2.2 m/min，吊具高度为750 mm。
2 工艺及设备设计特点
2.1 表面前处理
前处理采用常规的铝材处理工艺，在铬化后水洗的后面，又加了1 min 的循环纯水洗和0.5 min 的新鲜纯水洗，以确保工件表面无任何杂质，增强涂层的附着力，为此，配置了一套出水量为2 t/h 的纯水发生器。
前处理设备为10 工位全封闭自动喷淋式，外形尺寸为51 800 mm×1 900 mm×3 650 mm（L×W×H），水泵选用立式液下泵，安装在辅槽上，以避免漏液到地面上，喷淋系统采用上行下送方式，即由水泵将槽液通过管道输送到棚体顶部，再由两侧下送，使喷淋压力上下均匀，喷淋压力为0.05~0.15 MPa不等。预脱脂、脱脂和铬化3 个槽均采用燃油间接加热方式，换热器直接放在槽底部，壳程里通高温气体介质，管程内通低温液体介质，通过水泵的作用，在对工件喷淋处理的同时，处理液通过管程内流动达到换热效果。
除铬化、纯水段槽体和棚体选用不锈钢材质外，其余工位均为普通Q235 材质；喷淋管路系统除纯水段采用不锈钢材料外，其余工位均为PP 管，喷嘴采用PV 快速换装式喷嘴，以便堵塞时能及时更换清洗；全部棚体为分段拼装结构，棚体框架之间采用螺栓连接，棚体之间为冷铆扣压工艺，安装维修方便，外表无焊接变形，整体比较美观。
棚体两侧各设有若干个检修门及平台、楼梯等检修维修辅助装置，槽体上部均架有安全网，既作检修通道，又可防止工件掉入槽液中，各工艺段之间均设有防溅门以防止串液，棚体的进出口处、预脱脂与脱脂之间，及铬化段共设置了4 套强制排废气系统，以便将有害气体排出室外，使车间内工作环境保持清洁。
脱脂之间、水洗之间、纯水洗之间等工艺段均采用逆流递补技术，以减少化学药液和水的用量，降低废水排放量。
在前处理的出口端，设置了压缩空气自动吹水装置，压缩空气经过油水分离、杂质过滤后，由气梳向下倾斜30°吹向工件，将水向下赶，以增加烘干效果；在前处理出口处，还设置了人工检验、吹水工位，供人工目测检验、补充吹干之用。
2.2 烘干、粉末和油漆固化
4 个水分、粉末、油漆烘干固化炉均设计成高架结构，外形尺寸分别为；脱水烘干炉：18 000 mm×2 000 mm×56 00 mm（L×W×H），主段高2 900 mm；粉末固化炉：17 000 mm×3 600 mm×5 600 mm（L×W×H），主段高2 900 mm；两个油漆烘干炉：18 000 mm×3 600 mm×4 500 mm（L×W×H），主段高1 800 mm；全部底部高为2 700 mm。工件从烘道两端的底部沿30°角进出，热能损耗低，从室温升到工艺温度时间约为45 min。风管及炉内壁均采用SUS304 不锈钢，外壁为Q235 冷轧钢板，保温层则采用100 mm 厚的矿渣岩棉保温，四周外壁加挂一层50 mm 厚的夹芯彩色钢板进行保温，共计150 mm厚，炉外壁温度不大于室温 10℃，漏热少，保温效果较好，能耗较低，且外形美观。
各烘干固化炉内采用下送风上回风的强制热风循环方式，对工件涂层进行加热；热风循环风次数为每分钟4~7 次不等；每个烘道的顶部均设置了强制排废气系统，由管道连接到室外，以将有害气体排出车间，确保工作环境不受污染。
加热系统采用燃油间接加热方式，分别设计了30 万、60 万、40 万和40 万大卡热值的燃油加热炉，放置在4 个烘干、固化烘道的底部，分别对其进行加热。考虑到加热炉的耐高温、节能、安全和易维修等要求，设计时有这样几个特点：一是炉内呈负压式状态，以有效防止热量的外溢；二是同时设计了耐高温过滤器，以过滤尘埃，保证空气的洁净度；三是内壁及换热器全部采用耐高温不锈钢材料；四是保温层采用100 mm 厚的岩棉 50 mm 厚的硅酸铝耐火纤维；五是在加热炉的热空气出口部分，采用4-79 水冷却式耐高温、低噪声离心风机，风量：10 820~33 100 m3/h 不等；同时选用德国进口燃烧器，以确保安全、稳定性能。
2.3 喷粉及喷漆系统
喷涂系统采用工件自动旋转、自动喷涂加人工补喷方式，在喷粉室、喷漆室一侧设一台升降机，机上配置两把高压静电喷枪，自动上下往复喷涂，另设一手动喷涂工位，遇工件复杂、死角、沟槽等处，人工补喷。粉末回收装置采用贴附式脉冲反吹滤芯装置，回收风量为12 000 m3/h，自动回收、筛粉和供粉。
喷粉室外形尺寸为：6 000 mm×1 500 mm×2 800 mm（L×W×H）；采用不锈钢板折弯制造成组件，现场拼装，用螺栓紧固，输送链从喷粉室顶部通过，顶部用软塑料板密封，以防漏粉。室内各断面风速设计为0.4~0.7 m/s，以确保粉尘不外溢。底漆、面漆、罩光漆4个喷漆室均采用相同的二级水帘式喷漆室，外形尺寸为：5 000 mm×3 650 mm×2 200 mm（L×W×H）；采用微正压送风方式，送风量为12 300 m3/h，抽风量为11 000 m3/h，并设置调节风门装置，正负压可调；抽风系统分别单独接到车间外，加活性碳吸附过滤装置，定期更换活性碳，以确保排出废气符合环保要求。
4 个喷漆室可以根据生产任务的需要，改换喷
漆品种，如按工艺方案2、3 生产的产品市场需要量增大，也可以把流水线3 改为和流水线2 一样，即：改为喷底漆、流平、喷面漆、流平、固化；同样，流水线2 也可根据需要改为和流水线3 一样，以适应市场需要，企业的产品生产能力和市场适应能力都大大增强。
2.4 流平室系统
4 个流平室除了保证15 min 的流平时间外，在外形上因场地的布置而不相同，但均设计了强制送风和强制排风系统，室内均设有送风、回风管路、空气过滤器等装置，送风口、抽风口均可调节。与大多数厂家设计流平室均采用轴流风机以降低成本不同，我们设计的送风系统和排风系统均采用离心风机，强制送风和抽风，使有机溶剂充分挥发、温度不会升高，同时漆层表面无桔皮、流痕、露底、针孔、麻点等现象，以确保涂层表面流平质量。
2.5 能源消耗量
当生产流水线1 开车，在设备正常工作时，总耗电量约120 kW，总耗油量约60 kg/h，耗水量约为1.0~1.5 t/h；其中，前处理耗电约75 kW、耗油量15 kg/h，喷涂系统耗电约15 kW，烘干固化炉耗电约30 kW、耗油量45 kg/h。
当生产流水线2 或3 单独开车，且在正常工作时，总耗电量约为43 kW，耗油量约20 kg/h。
3 结语
该生产线调试、验收一次成功，投入使用后，效果良好，满足了该厂各种各样订单的要求，产品质量稳定，设备操作简单、维修方便，为该厂创造了很好的经济效益。