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轿车塑料外饰件涂装工艺中的桔皮防治1前言7 O! V- p6 H: U0 3 g3 轿车的塑料外饰件是轿车外观的重要组成部分，主要包括轿车的前后保险杠、车门防护板、防擦条、门槛等产品。随着国内轿车工业的发展，轿车外观质量日趋受到重视，为达到美观的效果，越来越多的外饰件采用与车身同色的涂装件，其涂装特点是：产量大，通常年产量在几万套以上，所以许多厂家采用自动化程度较高的涂装线：产品形状复杂，如前后保险杠有较多曲面与大小灯孔；涂装质量要求高，通常要达到整车厂车身外观的要求。1 , X2 R; Ld2桔皮的测定与产品涂装工艺- d6 a- h9 o# b# GA/ h3 L! X 作为构成车身外表的一部分，外饰件产品的涂层外观要求同车身相当，在涂层外观质量指标中，产品的桔皮指标是其中重要的一项，许多国内的整车厂家在这项指标上采用了量化值，这使得对涂装工艺的控制要求更加严格。表1是上海两家整车厂对外饰件涂装外观质量指标中桔皮的要求。/ H8 E; w% D# a t表1& $ W5 B5 q! n产品在整车上的位置 水平面 垂直面8 2 t( C1 z m. V1 ) P: R上海大众长波LW 7 133 o r4 l6 V8 W(PASSAT)短波SW 23 25: j: F* k2 h# J! a上海通用A区Rate 6 5.5+ F/ p X0 V6 i: K7 E(BUICK) B区Rate 5.5 5.5; J4 h! z5 u* T& ?5 q) I *上海大众使用长短波指标，上海通用使用了桔皮综合指标。 n8 xb) S. c, p5 N *水平面和垂直面是指产品安装在车身上的位置：AB区指整车外观评分时的产品位置划。, F! J% I7 * 3 l9 . c) N 桔皮指标采用BYK公司的激光桔皮测试仪(Garden-4806)来测试，仪器给出三个数值，分别是：短波(Short Waves)、长波(Long Waves)、级数(Rate)。其含义分别是：长短波模拟人眼观察到的产品表面高低变化的幅度，数值越大说明指标越差，桔皮越严重。长波模拟的是人眼距离产品表面2.5m的观察结果，短波模拟的是人眼距离产品表面0.5m的观察结果。级数Rate是另一种评价指标，数值越大指标越好，是长短波的综合值。上述两车的要求大致相当，实际上，生产中也是通过长短波的分别控制来达到最终等级值。9 ! t; z9 g W% X+ w- R 外饰件产品的涂装采用以下工艺流程：1 8 O( s5 Q$ i$ r9 # P d 上件脱脂水洗烘干火焰处理底漆喷涂烘干色漆喷涂晾干清漆喷涂流平烘干冷却下件6 J1 |* o1 B) i1 _: Y 油漆喷涂采用ABB六轴喷涂机器人HR5002型，底漆喷涂使用空气喷枪一道喷涂，色漆喷涂使用一道旋杯加一道空气喷枪，清漆喷涂使用一道空气喷枪加一道旋杯。喷枪为蓝氏的AGMD-514型，旋杯为ABB的Robobell 625型。_+ 4 Q+ p Y7 U3有关桔皮的理论7 W i2 T9 ; l . a4 e) T 当油漆喷涂过程完成之后，由于油漆微滴的分布与大小的不均匀客观存在，此时涂层的表面是不平整的。表面张力的存在，使湿的漆膜总是趋向于最小的外表面能，因此有了流平过程。5 O+ l6 w9 W+ Patton认为涂料粘度厚度及材料之间的界面张力之间的关系如下： 9 WQ( c T: A$ C. * w& j ! g3 b8 B2 Z- h(a) 初期刷痕振幅；(b)经过t小时后刷痕振幅5 W+ X( P! W3 X5 rW% r5 p% X# D/ I1 z( H1 f式中ao初始波幅，cm；# f , k3 S& i$ K6 t+ P at经过时间(t)后的波幅，cm；* 8 t0 L! M4 c2 $ D t时间，s；1 J9 F# 9 b2 K h涂层平均厚度，cm；. U: S z- V. b) 6 v7 yN M: T% e 波长，cm；; e F. P0 a1 n( G9 c 涂料的表面张力，mN/m；% b# LV0 j7 R2 & 粘度，Pa?s。1 k6 K% E1 r( A 这个公式虽然推导的是刷涂时刷痕流平的过程(刷痕的几何形状是单维的)，但是从中我们仍可以得出以下结论：表面张力越大，涂层越厚，流平效果越好。生产中，涂层的流平效果通常表现在特定时间段内的流平结果，因为从喷涂完成后到烘道升温前段，只有10多分钟时间。同时，随着清漆层中溶剂的挥发，涂料粘度增加，流动性减低，因此实际较快速的流平时间是非常有限的。在这些因素中，涂层厚度、涂料粘度是最常控制的两个参数。需要特别注意的是，这里的涂料粘度是指涂附在产品表面的涂料粘度而非涂料循环系统中的涂料粘度，因为在涂装过程中溶剂的挥发导致涂料到达被涂面时粘度已经有了很大的升高，而涂料中溶剂的挥发量取决于喷涂环境，喷涂方式及喷涂参数的选用。4 : p; O P, J4 a9 a4 B 除了喷涂表面无法完全流平，在溶剂挥发过程中因为挥发的不均匀导致的湿漆膜表面广泛存在的表面张力差是产生桔皮的重要原因之一。其中漆膜上表面溶剂优先挥发导致上下表面的张力差，造成上下层涂料的流动形成涡流，即所谓的贝纳德旋涡。除了上下表面的张力差，由于产品表面的受热不均匀，使得湿膜在烘烤时，不同区域产品表面的溶剂挥发情况不同，造成表面张力的不同，张力的梯度差，造成漆液的流动(由低向高)。由于塑料材料的导热性较金属差，因此其湿涂膜在受热过程中，不同表面温度导致溶剂挥发不一致从而引起严重的表面张力差。在我们的烘道温度跟踪中可以看到保险杠各部位的温度差距是明显的。: T2 p# T, x! i1 Y. s 在考虑桔皮因素时，我们将喷涂过程分解为两个阶段：第一阶段，当油漆从喷枪口喷出或旋杯边缘甩出，油漆被雾化成细小的小液滴。此时，漆滴越细，分布越均匀，可以认为形成湿膜表面高低的差距小，对消除桔皮越有利，达到流平的时间需要越短；第二阶段，涂布在产品表面的油漆由于表面张力作用开始流平，此时的漆膜由于溶剂的挥发一直在进行，其流动性在逐渐丧失，维持其高的流动性是我们希望的。而对于受热与挥发造成的表面张力差产生的桔皮，更多的需要涂料本身和设备来保证。我们在这里主要讨论涂装的因素。 4桔皮的影响因素与控制$ ; ! l9 e z4.1基材的影响% m0 4 - ( O4 k: d/ J 通过注塑工艺成型的塑料外饰件，其表面的平整度相当高。在实验室条件下，直接用清漆喷涂水平放置的注塑件，桔皮仪测定最终的涂装表面，桔皮等级可以达到10。所以，通常条件下注塑件表面不会对最终产品涂层桔皮产生影响，只有在一些特定条件下例外。已经过了一次喷涂的产品，因为注塑原因，产品表面需要打磨；因为注塑工艺不完善，产品表面存在压力痕，以上这些情况都会造成最终喷涂产品桔皮指标的降低。涂装表面第二次喷涂的桔皮通常长短波要增加1倍左右，等级低于正常件1-2级(见表2)，所以在使用这些产品作再次涂装前的打磨时，尽可能使用较细的砂皮作圈式打磨。5 c! 3 N. a- _% F, T1 f+ b; G表23 j1 ; fn2 $ D# z+ p0 1 2 3 4 A9 V* y. G; L S 13.9 9.4 7.9 10.7 M: u( S, P$ R4 Z+ o( O. K注塑件 L 16.8 11.6 15.4 22.2. JJ5 H Au4 F R 6.2 7.1 7.4 6.7. c. j* U- k1 Q% P S 16.5 15.2 17.9 11.0% S: F) n3 t! g2 p返修件 L 16.1 17.9 21.7 28.98 h+ M6 s$ v! w! ?% s/ M R 5.8 6.0 5.6 6.7; m% s* ; v. % I3 |$ m9 p4.2产品在涂装线上的摆放位置 z M. |; a# ( Z. G- : V( _3 Y 与车身喷涂时的位置确定相比，外饰件的喷涂摆放方式自由度更大一些。除了首先满足产品固定(稳定均一的挂具确保喷涂时雾化设备出漆口到被喷涂面距离的稳定，是确保涂装质量的基本条件，包括桔皮)，防止产品烘烤变形(许多外饰件在车身上的配合精度在1mm内)和符合喷涂设备的要求。其次，由于喷涂时产品水平面的桔皮较之垂直面更加容易控制，易于取得质量好的效果。所以在产品挂具的设计时，如何将需要重点控制的产品表面部位，摆置成水平或接近水平是挂具设计时考虑的一个重要因素。表3是帕萨特后保中部一点使用两种摆放方式喷涂的结果，可以看出，在不同的摆放位置上，各点的指标是不同的。4 j) d$ g+ 4 N* , r+ _+ 表34 b * s/ y: 3 / N6 S/ q喷涂时的摆放位置 S L R8 k9 D5 F: n4 V水平点 3.6 6.0 9.0 / v: a: S$ E! 3 C3 t5 J) y) m垂直点 12.3 21.9 6.4* ? e7 s7 R7 n( P+ 2 O+ S. p* B) X+ M4.3底漆和色漆的影响1 h9 6 _: z5 P4 v, a/ q8 塑料外饰件涂装工艺决定了整个涂膜由底漆、色漆和清漆三层组成，因此在保证了基材的质量后，底漆与色漆的影响同样不能忽视，生产实践中，经常发生由底漆原因造成的桔皮指标超差。+ A. J; q1 A9 J3 P b 底漆的影响：塑料件的底漆主要起粘接和导电的作用，其膜厚较低，我们使用的两家公司分别是10-15um和3-5um。根据经验，差的底漆层对桔皮的负面影响达到1级之多，尤其表现在短波上。表4是由于飞散漆雾造成的，最终引起的桔皮指标超差。正常情况下，底漆烘干冷却后进入色漆喷房之前，用手抚摩产品表面应该是光滑的，如手感毛糙或者有随机分布的突起细微漆粒，则说明底漆工序存在问题。另一个判断的方法是使用800#以上的砂纸在色漆喷涂前轻轻打磨底漆表面(注意打磨灰用粘性纱布清理干净，避免污染产品表面)，产品全部喷涂完成后比较打磨与非打磨区域的桔皮指标，如打磨区指标明显好于非打磨区，则说明底漆喷涂需要改进。为改善底漆的影响，以下的方法可以采用：降低底漆粘度；在底漆中加入慢干溶剂以增加流平时间；提高漆膜厚度；喷枪喷涂时使用更大的雾化值。飞散漆雾常常影响桔皮的重要因素，通过喷房气流的调节，挂具的安排，喷涂程序的优化，将飞散漆雾的影响降到最低。 P6 W: 8 D7 D, c9 I: i6 ) U 2 U% b6 6 G) 0 L, B- : 2 g- 表48 Y3 O* N V1 s Q! a, S L R+ P/ L9 s# z1 X* i正常状态 11.4 17.2 6.69 i. W, q# L4 | L) x; X飞散漆雾 16.6 27.3 5.8& p6 Y9 , i5 P?3 b7 _ 色漆的影响：色漆喷涂对桔皮的影响通常较小也较难控制，这主要有两个原因：轿车外饰件的颜色要求极高，整车厂要求将外饰件与车身的色差控制在极小的范围内，尤其是中高档轿车，因此色漆喷涂的工艺参数优先满足色差控制的要求。色漆喷涂时，由于涂料本身的性质，空气喷涂时，喷涂气压通常比清漆和底漆大0.05MPa，所以雾化效果好，对清除桔皮也是有利的。根据生产统计，喷素色漆产品的通常要优于喷金属漆的，这可能与金属漆中含有大量铝粉或云母片有关。其次，在满足了色漆遮盖力的前提下，尽量薄的色漆层无论对生产成本还是桔皮控制都是有利的。4 3 , b) P) i* Y1 g G X7 / 7 R4.4清漆层的影响9 I% Q- B( D! S$ & Y 涂层光学轮廓的平整性最终决定了桔皮等级，位于最外的清漆层自然起了决定性作用。清漆层喷涂时，影响桔皮指标的因素包括：清漆粘度、清漆膜厚、前后两道膜厚比例、喷涂时工艺参数的选择、喷涂环境、喷涂轨迹的选择、晾干时间等。3 q! ) I! r# d. z3 g: k; 7 v& Y 油漆的粘度：清漆粘度的降低有利于湿漆膜的流平。粘度下降1s，桔皮可以提高约1个等级。表5为粘度降低前后的比较。相比其它方法，降低清漆粘度是有效和快速的方法。但是，粘度的降低有可能引起流挂等缺陷的发生，需特别注意。5 ) d- J: G3 i: E% R表5 m# r% q2 y% T& O清漆粘度(DIN#)，s 1 2 3 4 w, L- S$ h : # L 15.213.1 15.1 12.5) 6 i2 z0 o6 15-15.5 S 17.715.2 16.1 27.78 n m- 7 E5 t0 V/ T) D1 v R 6.0 6.3 6.0 6.42 Z$ n s. K* E9 M+ x- y* S L 8.2 6.4 8.5 9.04 0 t6 G* V4 n4 & E- h# 14.5-15.5 S 9.0 12.3 13.4 34.2+ Y/ / d9 7 |6 G R 7.3 7.8 7.2 7.27 p9 r Y$ - c 清漆膜厚：只有达到了一个基本的膜厚要求，才能取得较好的桔皮指标。在产品标准中，清漆层的膜厚标准只要求达到20m以上，但通常25m以上桔皮才有保证。随着膜厚的增加，桔皮指标越来越好。但对于产品的水平面和垂直面，长波和短波指标还是稍有区别。在水平面上，膜厚的增加，长波和短波值一直降低；在垂直面，随着膜厚增加，长波一直呈下降趋势，而短波的变化有一个相对低谷值，在约0-45m(根据清漆粘度和喷涂环境稍有区别)，超过这个值后垂直面桔皮开始增加，尤其是短波值。因此，对于桔皮的控制，清漆膜厚有一个相对合适的膜厚范围，在生产中需要遵循。表6是喷涂水平放置门板产品时清漆厚度与桔皮的关系。e M6 G7 R! L& |$ U _1 S/ E表6. d$ Y; k) j/ gQ e清漆膜厚 26m 32m 36m 40m * O( c8 s e( XS 8.3 8.0 5.9 3.65 + J! q: P, A6 X2 Y1 f/ O QL 12.1 9.9 12.1 8.24 n6 E w7 Z* RR 7.3 7.4 8.0 9.01 a0 w7 P; i5 * o X2 W: t8 P 漆膜的比例：采用了机器人喷涂满足快速的生产节奏，喷涂的速度在800-1000mm/s(喷枪)和500-800mm/s(旋杯)，流量在300-500ml/min间，清漆通常采用两道喷涂。在延锋的涂装工艺布置中，空气喷枪(无静电)在先，旋杯在后(使用30-60KV)。在两道不同的喷涂中，前后两道的膜厚分配也将对最终的桔皮数值产生影响。在油漆供应商的实验中，采用5050的分配比例是最佳的，在生产中，平衡了喷涂程序和生产成本的因素(喷枪和旋杯的机器人喷涂程序有较大区别：旋杯的油漆转移率要远大于喷枪)，我们将实际比例控制在35-4565-55。需要指出的是，当前后两道喷涂都使用高压静电时，由于在塑料件涂装中产品的接地问题一直很难圆满的解决，当产品接地不良时，第二道的喷涂油漆转移率将大大降低，此时使用前后两道同样喷涂流量，最终的膜厚分配仍有很大差距。8 / w5 U4 t|. A5 D3 3 d) a 喷涂参数：自动化的设备使我们能够精确的控制喷涂每一枪的参数：速度、流量、雾化和扇面(喷枪)、转速和电压(旋杯)。良好的雾化，有利油漆漆雾颗粒的细化和均匀分布，对桔皮指标的提升是非常有利的。要增加油漆的雾化效果，对于喷枪而言，在合适的扇面下增加雾化压力即可，但是当雾化空气压力超过扇面压力过大时，漆雾未被扇面空气侧向打开就喷到产品表面，结果就适得其反了；对于旋杯而言，增加旋转速度是非常有效的方法，为了防止油漆过干，可将喷涂距离降低2-4cm。# o0 N9 C4 Ya4