噴涂角度對螺栓表面涂層厚度均勻性的影響

張云鵬, 萬冰華, 趙彥偉, 馬睿, 張濤, 盧文壯*

(1.南京航空航天大學機電學院, 南京 210016; 2.天津市緊固連接技術企業重點實驗室, 天津 300300;3.航天精工股份有限公司, 天津 300300; 4.空軍裝備部駐北京地區軍事代表局駐天津地區第二軍事代表室, 天津 300300)

含鋁有機涂料在鈦合金表面形成的涂層與基體材料之間有著極好的結合強度,可以防止電化學腐蝕,在裝配過程中形成密封,安裝性能優越,能抵抗各種液壓液體、燃油、洗漆劑和清洗劑,是緊固件優先選用的耐腐蝕涂層[1]。直徑5 mm以上的鈦合金外螺紋緊固件在涂覆鋁涂料層時一般將零件豎直擺放進行噴涂,由于螺栓表面幾何形貌的復雜性,豎直擺放的緊固件表面鋁涂層易出現涂層厚度均勻性差問題,這影響了產品質量和產品的使用性能[2]。在實際噴涂過程中,噴涂角度這一操作參數對螺栓表面的涂層均勻性具有很大影響。因此,研究噴涂角度對螺栓表面涂層均勻性的影響規律,獲得最佳工藝參數,具有重要的理論價值和實際意義。

對于噴霧流場的研究,主要有試驗研究和計算機仿真研究兩種方式。Feng等[3]采用雙脈沖激光照明的顆粒/液滴圖像分析方法獲得高壓柴油噴霧稀釋區域中的液滴尺寸分布函數。Wu等[4]和Wang等[5]使用皮秒脈沖激光離軸全息系統研究了從兩級渦流器出口到下游9 mm區域的噴霧錐,獲得了近噴嘴區域的噴霧軌跡和3D液滴分布。試驗研究的方法準確,可靠,但是需要大量實驗數據作為支撐,成本較高,且易受外部環境影響。隨著計算流體動力學(computational fluid dynamics,CFD)的發展和配套平臺的不斷完善,越來越多的研究者將計算機仿真輔助計算應用到噴涂領域。賴鏡安等[6]通過Fluent中的歐拉-拉格朗日法,模擬氣體對顆粒的影響以及顆粒間的相互碰撞,研究了滾筒冷渣機中滾筒轉速和顆粒粒徑對顆粒軸向擴散運動的影響;王麗辰等[7]運用Fluent軟件模擬分析了噴嘴內部不同位置的流場和壓力場,得到了質量流量與背壓力比之間的關系圖;寧祎等[8]針對復雜表面特征的工件,簡述了噴涂路徑規劃方法的研究現狀;Liu等[9]建立了噴涂圓柱形表面時,液膜厚度變化的預測模型;陳雁等[10]、Chen等[11]和陳詩明等[12]采用數值模擬結合實驗的方法,分別研究了球形面、V形面、圓弧面這幾種曲面的噴霧流場特性。但是上述研究成果只適用于被噴涂面為平面或者簡單曲面的情況,對于螺栓表面這類復雜的曲面并不完全適合。

現采用歐拉-拉格朗日法建立螺栓表面噴涂成膜的模型,基于有限體積法求解模型,對比分析不同角度噴涂對噴霧流場特性和螺栓表面涂層厚度均勻性的影響,提出噴涂角度優化建議,并通過實驗驗證噴涂成膜模型的準確性。

1 材料與設備

1.1 試驗設備

噴涂過程在型號為ZDPT01A-B的自動噴涂機中進行,所采用的基本參數如表1所示。噴涂結束后的固化過程在型號為BGX-312L的防爆恒溫干燥箱中進行,加熱功率為4 kW,固化溫度設置為200 ℃。

表1 噴涂參數Table 1 Spraying parameter

1.2 試驗材料

實驗所采用的涂料為HD-01型航空用鋁涂料,該涂料的主要成分包含鋁粉漿、酚醛樹脂、乙二醇乙醚醋酸酯等。其密度為1 020 kg/m3,動力學黏度為0.105 4 kg/(m·s),沸點為156 ℃。實驗所采用的螺栓為航空用TC4鈦合金M6螺栓,螺紋長度為10 mm,螺栓總長22 mm。

2 數值模擬

2.1 流體域建立及網格劃分

根據噴槍噴涂范圍與實際生產過程的需要,在SolidWorks中建立一個近似六面體的流體域。取六面體的下表面為噴涂目標壁面,在下表面中央豎直放置一根螺栓。噴嘴主霧化孔中心點到螺栓上端面中心點的距離設置為190 mm,定義上述兩點連線與水平面的夾角為噴涂角度,并將噴涂角度分別設置為15°、30°、45°、60°、75°,流體域的實際尺寸根據不同的噴涂角度進行調整。將建立好的幾何模型在ANSYS Mesh軟件中進行網格劃分,選擇CFD流體網格類型,采用四面體網格進行網格劃分,并對噴嘴及螺栓附近的網格進行加密處理。為更好地捕捉涂料液滴在螺栓表面的流動和沉積狀況,在螺栓表面附近設置五層的膨脹層網格,膨脹層網格采用平滑過渡,過渡比為0.272,增長率為1.2。劃分好的網格總數量為164 317,如圖1所示。

圖1 網格劃分Fig.1 Meshing

2.2 參數設置

采用Fluent軟件模擬,由于霧化后的涂料液滴粒徑在100 μm以下,模擬時將涂料與氣體流動視為兩相流。在噴涂過程中,液滴的體積分數一般小于3%,屬于顆粒密度稀疏的流動,符合歐拉-拉格朗日方法中DPM模型的應用范圍。本文研究中采用DPM模型對噴霧流場進行跟蹤求解,將氣液兩相流場中的空氣視為連續相,涂料液滴視為離散相,對應屬性參數皆與實驗中一致。

初始條件與邊界條件設置:選擇離散相模型,在涂料入口處創建一個射流源,該射流源的顆粒流數目設置為500,流率為3.5 g/s。液滴破碎模型選用TAB,激活隨機游走跟蹤形式?？諝庵黛F化孔設置為壓力入口,壓力為0.4 MPa,湍流強度為5%,水力直徑為2 mm;空氣扇面控制霧化孔設置為壓力入口,壓力為0.2 MPa,湍流強度為4%,水力直徑為1.1 mm;除噴嘴結構面、噴涂表面外其他表面設定為壓力出口,出口壓力為0;待噴涂表面的離散相條件設置為“wall film”。流體域內的重力加速度設置為9.8 m/s2。

利用壓力速度耦合的SIMPLE算法進行液相和氣相的耦合求解,時間步長設置為0.000 5 s,總噴涂時長為0.6 s。

2.3 仿真結果分析

2.3.1XY截面流場

噴霧流場外形主要受噴嘴形狀、進氣壓力、被噴涂截面形狀等因素影響,主體呈現錐形。由于噴嘴中心線和螺栓中心線皆處于XY截面,故選XY截面作為觀察面,XY截面的速度場和壓力場可以反映該平面內涂料液滴從噴嘴到螺栓表面的二維空間分布。不同噴涂角度下XY截面的速度云圖如圖2所示,最大可視速度設置為50 m/s。

圖2 不同噴涂角度下的XY截面速度分布圖Fig.2 Velocity distribution of XY section at different spraying angles

從圖2可以看出,由于噴嘴形狀、進氣壓力等條件的設置相同,不同角度噴涂遠壁面噴霧流場的霧形基本相同。而近壁面噴霧流場霧形差別較大,產生差異的主要原因是當噴霧擴展至螺栓表面時,由于螺栓表面形貌的復雜性,噴霧會受到不同程度的阻隔。將螺栓面向噴嘴方向的一半表面定義為螺栓正面,另一面定義為背面,螺栓正面會對背面形成干涉,在背面形成不同程度的無液滴沉積區,在此僅考慮噴涂角度對螺栓正面液膜沉積效果的影響。隨著噴涂角度的變大,涂料噴射會更加集中在螺栓表面的上半部分,導致速度云圖中上半部分的速度相對較高;并且噴涂的液滴在撞擊螺栓表面時具有更大的垂直速度分量,這會增加液滴在撞擊點周圍的動量傳遞和能量轉移,使液滴更容易形成一些局部的渦旋或渦動效應,這都將使得螺栓正面不同點位附近的液滴速度差越來越大。

涂料液滴與螺栓表面發生碰撞時,一般有黏附、反彈、伸展、飛濺這四種碰壁模式。碰壁的具體過程受很多因素影響,包括碰撞能量、壁面溫度、壁面粗糙度等,其中噴涂角度的不同對螺栓表面不同位置碰撞能量的大小有很大的影響,可以通過螺栓表面附近的靜壓分布情況對碰撞能量進行分析。螺栓表面附近的靜壓云圖如圖3所示,最大靜態壓力設置為150 Pa。

圖3 不同噴涂角度下的螺栓XY截面靜壓分布圖Fig.3 Static pressure distribution of bolt XY section at different spraying angles

圖3可以看出,對于豎直放置的螺栓,隨著位置的下移,螺栓表面所受壓力逐漸增大,且噴涂角度越大,壓力增加的趨勢越快。當噴涂角度為15°時,螺栓正面不同位置所受到的壓力基本相同,液滴能較為均勻的到達螺栓正面,但是液滴到達螺紋部分時的碰撞能量過高,不利于液滴在螺紋表面均勻的鋪展。噴涂角度為30°時,螺紋部分所受壓力基本相同且平均壓力較低,液滴可以較好地在螺紋表面鋪展和沉積。噴涂角度在45°及以上時,豎直放置的螺栓上端面和螺栓光桿部分所受的壓力相對較大,螺紋處所受壓力較小且分布不均勻,這將會導致涂層厚度差異明顯。

2.3.2 螺紋表面涂層均勻性

螺栓正面的液膜沉積云圖如圖4所示,最大可視液膜厚度設置為30 μm。

圖4 不同噴涂角度下的螺栓表面液膜沉積圖Fig.4 Liquid film deposition on bolt surface at different spraying angles

從圖4可以看出,當噴涂角度為15°和30°時,螺紋部分與光桿部分的涂層厚度相差不大,整體均勻性較好。但是在噴涂角度為15°時,由于噴嘴幾乎正對著螺栓表面噴涂,涂料液滴在撞擊螺栓表面時具有更大的水平速度分量,出現了部分螺紋牙底處的涂層厚度遠大于其他表面厚度的情況;且在實際生產過程中,采用15°的角度噴涂一批螺栓,為防止前面螺栓對后面形成干涉,螺栓之間的間隔必須相對較大,這會造成大量涂料的浪費。當噴涂角度為45°時,螺栓的光桿部分的厚度明顯大于螺紋部分的涂層厚度,且兩部分涂層的厚度皆出現明顯的不均勻,易出現局部過厚的情況。當噴涂角度60°噴涂時,由于螺栓上端面的干涉,螺紋部分涂層總體厚度明顯變薄且均勻性變差,會出現部分螺紋表面涂層過厚,部分螺紋表面涂層過薄的情況。當噴涂角度為75°時,大部分液滴都沉積在了豎直放置的螺栓上端面,螺紋中下部分會出現大面積涂層過薄的情況。

為了準確地分析噴涂角度對于螺栓表面涂層厚度的影響,分別在豎直放置的螺栓上端面,第一圈螺紋的上下表面,第五圈螺紋的上下表面,最后一圈螺紋的上下表面和螺栓的光桿部分選取了如圖5(a)所示的8個點位,記錄其在不同噴涂角度下的沉積膜的厚度如圖5(b)所示。

圖5 不同噴涂角度下的螺栓表面涂層厚度Fig.5 Thickness of surface coating on bolts at different spraying angles

通過折線圖可以看出,螺栓光桿部分的涂層厚度在一般在15～25 μm,普遍大于螺紋部分的涂層厚度。對于螺紋部分,當噴涂角度達到45°及以上時,噴涂角度越大,液膜厚度的波動性越大,且都明顯的呈現出同一圈螺紋的上表面涂層厚度大于下表面的情況。當噴涂角度為30°時,螺紋表面厚度在8～13 μm,上表面的螺紋涂層厚度雖然略大于下表面,但總體厚度波動性較小,涂層厚度的均勻性明顯優于其他角度的噴涂,滿足實際生產的需要。

3 實驗驗證

為驗證仿真中建立的不同角度噴涂螺栓的成膜特性以及涂層厚度預測的正確性,開展不同角度噴涂螺栓的實驗。實驗在自動噴涂機中進行,保持噴涂參數與數值模擬中的一致,噴涂結束后迅速將螺栓放入防爆恒溫干燥箱中固化,固化2 h后取出螺栓。沿著上文所述的XY平面對螺栓進行線切割,在鑲嵌機中使用環氧樹脂鑲嵌切割好的螺栓,待測截面朝外,經過研磨拋光后,使用放大倍數為400倍的金相顯微鏡觀察上文所述的八個測量點位,圖6和圖7分別是噴涂角度為30°和75°時,螺栓不同點位處截面的金相圖像。

圖6 30°噴涂螺栓不同點位截面的金相圖Fig.6 Metallographic diagram of cross sections at different points of 30° sprayed bolts

圖7 75°噴涂螺栓不同點位截面的金相圖Fig.7 Metallographic diagram of cross sections at different points of 75° sprayed bolts

在同一點位截面的金相圖中,隨機選取五處,標記其厚度并取平均值作為該點位實際所測得的厚度數據,將流體仿真所獲得的不同點位涂層厚度數據與噴涂實驗的厚度數據進行對比,如圖8和圖9所示。

圖8 30°噴涂涂層厚度分布Fig.8 Coating thickness distribution of 30° spray

圖9 75°噴涂涂層厚度分布Fig.9 Coating thickness distribution of 75° spray

從圖9可以看出,30°噴涂實驗測量的涂層厚度數據和仿真結果吻合良好;75°噴涂實驗測量的涂層厚度數據和仿真結果大體趨勢一樣,但在點位3、4、7處均存在較大誤差。誤差產生的原因主要有兩個方面:一是液滴在運動過程中會發生隨機的碰撞、破碎和聚合,其中直徑較小的液滴會被扇面控制孔吹散至較邊緣的地方,直徑較大的液滴則會隨機在螺栓表面沉積,75°噴涂過程中,大量的液滴被豎直放置的螺栓上端面阻擋,每次噴涂到達螺紋的中下部分的液滴較少,液滴分布的隨機性就會很顯著;二是統計實驗獲得的涂層厚度數據時,每個點位所獲得的5個數據是隨機的,涂層不均勻,厚薄相差過大,統計時就會存在一定的誤差。總體來說實驗與仿真的結果吻合較好,驗證了本文中建立的螺栓表面噴涂成膜的模型的可參考性。

4 結論

本文研究建立了氣液兩相流模型對不同角度下螺栓表面噴涂成膜的過程進行了有限元仿真,分析了不同角度噴涂的噴涂流場及螺栓表面涂層厚度分布,并通過試驗驗證了仿真的準確性。得出如下結論。

(1)隨著噴涂角度的增大,液滴到達螺栓上下表面不同位置時的速度差也越大;豎直放置的螺栓上端面和螺栓光桿部分會受到相對更大的壓力,螺紋表面的壓力分布不均勻程度隨著噴涂角度的增大而增大,這導致流場均勻性變差。

(2)噴涂角度為30°時,螺栓螺紋部分涂層厚度在8～13 μm,光桿部分的涂層厚度在12～18 μm,其均勻性優于其他角度噴涂,符合生產需要。