自行车车架涂装工艺设计.docx

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自行车车架涂装工艺设计

涂装工艺课程设计说明书

题目：

自行车车架涂装工艺设计

学院：

环境与化学工程学院

专业：

应用化学

班级学号：

1108030324

学生姓名：

孙冰峰

导师姓名：

赵春英

完成日期：

2013年6月19日

成绩评定表

学生姓名

孙冰峰

班级学号

1108030324

专业

应用化学

课程设计题目

自行车车架涂装工艺设计

评

语

组长签字：

成绩

日期

20年月日

课程设计任务书

学院

环境与化学工程学院

专业

应用化学

学生姓名

孙冰峰

班级学号

1108030324

课程设计题目

自行车车架涂装工艺设计

实践教学要求与任务:

1、介绍自行车车架涂装工艺的现状和发展动态，提出自己的设计思路。

2、根据自行车涂装的质量要求，设计涂装前的前处理、底漆、中间层、面漆及后处理工艺。

确定各工艺的施工工艺规范。

3、对自己的设计内容给予评价。

4、撰写设计说明书。

工作计划与进度安排:

第一周查阅文献资料，确定设计案和各工序的工艺规范，完成实验。

第二周编制设计说明书。

指导教师：

201年月日

专业负责人：

201年月日

学院教学副院长：

201年月日

摘要----------------------------------------------------------------------1

引言----------------------------------------------------------------------1

设计思路----------------------------------------------------------------1

设计方案----------------------------------------------------------------2

论述正文----------------------------------------------------------------2

第一章：

工艺流程图------------------------------------------2

第二章：

工艺设计过程---------------------------------------3

1.前处理--------------------------------------------------------------------3

2.涂装-----------------------------------------------------------------------5

第三章：

设备选用---------------------------------------------7

第四章：

工艺中的废液处理---------------------------------8

1.三废的治理----------------------------------------------------------------8

2.废液处理方法-------------------------------------------------------------8

3.化工废水处理工艺-------------------------------------------------------9

第五章：

设计评述---------------------------------------------9

参考文献------------------------------------------------------------------9

自行车车架涂装工艺设计

【摘要】

本文首先介绍了自行车车架涂装工艺的现状和发展动态。

之后，根据自行车车架对基材的要求，以一条自行车车架的涂装生产线为例，论述了以碳钢为基材的涂装生产线，并设计出了合理的涂装前处理工艺以及涂装工艺，同时也设计出了工艺流程图。

在本文中，也对在工艺设计过程中涉及到的一些必要的设备作了相关的介绍。

由于本文中所论述的工艺设计属于化学工业的范畴，因此必然会产生一定的污染，因此，本文对工业“三废”的治理作了相关的介绍。

并对此工艺中废液的处理作了简单的论述，并介绍了相关的一些处理废液的工艺方法，如离子交换法，萃取法，膜分离法等。

【引言】

发展历程：

18世纪末，法国人西夫拉克发明了最早的自行车。

这辆最早的自行车是木制的，它的结构比较简单，既没有驱动装置，也没有转向装置，骑车人靠双脚用力蹬地前行，改变方向时也只能下车搬动车子。

即使这样，当西夫拉克骑着这辆自行车到公园兜风时，在场的人也都颇为惊异和赞叹。

世界上第一批真正实用型的自行车出现于19世纪初。

自行车是由人力脚踏驱动的、有两个车轮的陆地交通车辆，俗称自由车、脚踏车或单车。

自行车无噪音、无污染、重量轻、结构简单、物美价廉、使用和维修方便，既能作为代步和运载货物的工具，又能用于体育锻炼，因而为人们所广泛使用。

目前，自行车的主要发展在于车架的造型行变化，表面的处理如烤漆、商标的变化使其外观更美。

可以制造自行车车架的材料主要有以下几种：

钢，铝合金，钛合金，镁合金，钪合金，碳纤维等等，一般市场上出现的车架主要有钢，铝合金，钛合金，碳纤维。

钪合金和镁合金是最近的新兴材料，比较少见。

车架一般是由热轧钢板经冲压成型、铆接或焊接组装而成,由于车架系车下部件,使用条件苛刻,要求有较好的耐腐蚀涂装保护,其主要涂装工艺有喷漆、浸漆和阴（阳）极电泳涂装。

以一条自行车车架涂装生产线为例,论述了以碳钢为基材的涂装生产线，并设计合理的涂装前处理工艺以及涂装工艺和后处理工艺。

【设计思路】

首先确定车架基材（碳钢），根据基材选择前处理工艺。

先前处理过后是涂漆，一般先涂底漆，再涂中间漆，最后涂面漆，为了提高防护性和装饰性，在涂面漆后进行罩光。

涂漆过程中的涂装方法选择操作方便，效果达标的方法。

根据基材选择合适的底漆以及配套性的中间漆和面漆，整个工艺过程所使用的溶液以及漆料应该是价格实惠，无毒无害无污染。

●底漆，采用阴极电泳涂装，其有以下优点:

与传统的溶剂型涂料相比，阴极电泳涂料具有无可比拟的优越性:

涂底漆工序可实现完全自动化，适用于大流水生产;可得到均一的膜厚;泳透性好，提高了工件内腔的防腐蚀性，尤其是阴极电泳涂膜的耐腐蚀性;涂料利用率高;安全性比较高，是低公害涂料;涂膜的外观好，烘干时有较好的展平性。

与阳极电泳涂装法相比，它具有如下优点:

被涂物不发生阳极溶解，使涂膜与底材的附着力和防腐蚀性能均有所提高;漆基中含有防止底材腐蚀的基团（如含氮基团），耐腐蚀性和泳透力均高于阳极电泳涂料，因而使被涂物的内腔和焊缝泳涂得更好

●中间层，采用涂装效率高，涂膜质量好的无空气喷涂。

所用涂料是环氧云铁中间漆，由环氧树脂、片状云母氧化铁、助剂、改性固化剂等组成的双组份涂料，具有优异的抗渗透屏蔽性能，良好的耐水、耐海水性能，耐化学品性能优异，漆膜坚韧，耐冲击。

主要用于底漆和面漆之间，主要作用是增加涂层厚度，降低造价，提高涂层的抗渗透性能。

●面漆采用可喷范围广，生产效率高，适用性强的空气喷涂。

罩光可选用聚氨酯清漆，其漆膜丰满光亮，坚硬耐磨，附着力强，并且具有耐湿，耐潮，适用于木器，家俱及金属制品表面作保护之用

【设计方案】

前处理工序主要包括除油、除锈，中和，表调，磷化；涂装工序主要包括涂底漆（阴极电泳涂装），涂中间漆（无空气喷涂），涂面漆（空气喷涂），罩光（空气喷涂）。

【论述正文】

第一章工艺流程图

1.工艺流程图

◆

前处理

热水洗

磷化

冷水洗

冷水洗×2

◆

无空气喷涂

烘干

冷水洗

阴极电泳

涂装

罩光

烘干

空气喷涂

烘干

工件下挂

烘干

第二章工艺设计过程

1.前处理

1.1化学除油

化学除油液的主要成分包括氢氧化钠、碳酸钠、磷酸钠、焦磷酸钠、硅酸钠、硼酸钠等。

化学除油是利用热碱溶液对油脂的皂化和乳化作用，将零件表面油污除去的过程。

碱性溶液包括两部分：

一部分是碱性物质，如氢氧化钠、碳酸钠等；另一部分是硅酸钠、乳化剂等表面活性物质。

碱性物质的皂化作用除去可皂化油，表面活性剂的乳化作用除去不可皂化油。

NaOH60～80g/L温度80～90℃

Na2CO320～60g/L时间2～10min

Na3PO415～30g/LpH12～14

Na2SiO45～10g/L

1.2热水洗

流动热水

温度＞80℃

时间20～30s

pH8～9

1.3冷水洗

流动冷水

温度常温

时间20～30s

PH7

1.4电解除油

电化学除油除了具有化学除油的皂化与乳化作用外，还具有电化学作用。

在电解条件下，电极的极化作用降低了油与溶液的界面张力，溶液对零件表面的润湿性增加，使油膜与金属间的黏附力降低，使油污易于剥离并分散到溶液中乳化而除去。

在电化学除油时，不论是制件作为阳极还是阴极，其表面上都有大量气体析出。

当零件为阴极时（阴极除油），其表面进行的是还原反应，析出氢气；零件为阳极时（阳极除油），其表面进行的是氧化反应，析出氧气。

电解时金属与溶液界面所释放的氧气或氢气在溶液中起乳化作用。

NaOH10～20g/L温度60～80℃

Na2CO350～60g/L电流密度5～10A/dm²

Na3PO450～60g/L时间阴极1min阳极15s

1.5酸洗

利用酸溶液去除钢铁表面上的氧化皮和锈蚀物的方法称为酸洗。

是清洁金属表面的一种方法。

氧化皮、铁锈等铁的氧化物（Fe3O4，Fe2O3，FeO等）与酸溶液发生化学反应，形成盐类溶于酸溶液中而被除去。

HCl20％～80％

温度50℃～80℃

时间1min

1.6冷水洗

流动蒸馏水

温度常温

时间1min

PH4～5

1.7中和

相当量的酸和碱互相作用生成盐和水。

所生成的物质失去酸和渐的性质。

这种反应是所有的酸和碱的特征。

中和反应是化学反应中复分解反应的一种，是指酸和碱互相交换组分，生成盐和水的反应，在中和的过程中，酸里的氢离子和碱中的氢氧根离子会结合成水。

中和反应的过程会释放热量，属于放热反应，其中酸跟碱发生中和反应生成1mol水时的反应热叫做中和热。

该工序的中和是为了除去酸洗中的盐酸。

Na2CO310～20g/L

温度40～50℃

时间1min

PH9～11

1.8冷水洗

流动蒸馏水

温度常温

时间1min

1.9表调

简单的讲：

表调是为磷化而作准备的。

通常是用弱碱性的胶体磷酸钛盐溶液对钢铁表面进行处理，其活化过程可简述为，磷酸钛盐在水溶液中形成胶体乳液，正常情况下，带负电荷的胶体钛粒子（其粒径为100～1000nm）吸附在工件表面上，形成无数个活性点（Ti盐）为磷化晶体生长提供晶核，磷化时首先在表面活性点上形成磷酸盐晶核，然后晶体继续生长生成磷化膜。

多聚磷酸钠3g/L温度55～65℃

K2TiF6·H2O1g/L时间30～90s

NaH2PO41g/LpH4～5

[1-3]方式沉浸

1.10冷水洗

流动蒸馏水

温度常温

时间1min

1.11磷化

磷化是一种化学与电化学反应形成磷酸盐化学转化膜的过程，所形成的磷酸盐转化膜称之为磷化膜。

磷化的目的主要是：

给基体金属提供保护，在一定程度上防止金属被腐蚀；用于涂漆前打底，提高漆膜层的附着力与防腐蚀能力；在金属冷加工工艺中起减摩润滑使用。

磷化处理工艺应用于工业己有90多年的历史，大致可以分为三个时期：

奠定磷化技术基础时期、磷化技术迅速发展时期和广泛应用时期。

该工艺过程中选用锌系磷化。

Zn（H2PO4）240g/L温度60～70℃

Zn（NO3）2120g/L时间3～7min

总酸度80～85点pH2～3

游离酸度6～6.5点方式沉浸

1.12热水洗

流动热水

温度＞70℃

时间1min

1.13冷水洗×2

流动蒸馏水

温度常温

2.涂装

2.1阴极电泳（底漆）

阴极电泳涂装是一种特殊的涂膜形成方法，以被涂物为阴极，所采用的电泳涂料是阳离子型（带正电荷）　它是将具有导电性的被涂物浸渍在装满水稀释的、浓度比较低的电泳涂料槽中作为阳极，在槽中另设置与其相对应的阳极，在两极间通直流电，在被涂物上析出均一、水不溶的涂膜的一种涂装方法。

与传统的溶剂型涂料和其它浸涂、喷涂水性烘烤漆相比，环氧树脂阴极电泳涂料具有一定的优越性:

涂底漆工序可实现完全自动化，适用于大流水生产;可得到均一的膜厚;泳透性好，提高了工件内腔的防腐蚀性，尤其是阴极电泳涂膜的耐腐蚀性;涂料利用率高;安全性比较高，是低公害涂料;涂膜的外观好，烘干时有较好的展平性。

环氧树脂1.0温度常温

二乙醇胺1.2时间1～3min

甲苯二异氰酸酯1.0pH6.0

异辛醇1.1

2.2冷水洗

流动蒸馏水

温度常温

时间1min

2.3烘干

2.4无空气喷涂（中间漆）

无气喷涂是利用柱塞泵、隔膜泵等形式的增压泵将液体状的涂料增压，然后经高压软管输送至无气喷枪，最后在无气喷嘴处释放液压、瞬时雾化后喷向被涂物表面，形成涂膜层。

由于涂料里不含有空气，所以被称为无空气喷涂，简称无气喷涂。

环氧树脂52.0％黏度0.22～0.24Pa·s

铝粉浆10.0％压力＞11.77MPa

催干剂2.2％

二甲苯6.8％

云铁13.0％

氧化铁红1.0％

偏硼酸钡12.0％

氧化锌4.0％

2.5烘干

2.6空气喷涂（面漆）

空气喷涂是目前油漆涂装施工中采用得较广泛的一种涂饰工艺。

空气喷涂是利用压缩空气的气流，流过喷枪喷嘴孔形成负压，负压使漆料从吸管吸入，经喷嘴喷出，形成漆雾，漆

雾喷身到被涂饰零部件表面上形成均匀的漆膜。

空气喷涂可以产生均匀的漆，涂层细腻光滑；对于零部件的较隐蔽部件（如缝隙、凹凸），也可均匀地喷涂。

用于各种材质、形状大小不

同的工件涂装，如机械、化工、船舶、车辆、电器、仪器仪表、玩具、纸张、钟表、乐器等。

羟基丙烯酸树脂55.0％

压力0.4MPa

黏度0.35～0.46Pa·s

钛白粉25.0％

填料6.5％

流平剂2.0％

分散剂3.5％

干燥剂1.5％

防沉剂2.0％

混合溶剂4.5％

2.7烘干

2.8罩光

为了保护漆层（或贴花）、提高面漆层的光泽及装饰性，面漆层最后涂一道清漆的工序。

原料固化剂97.75％

无水溶剂2.25％

羟基醇酸树脂84.8％

催化剂0.54％

流平剂0.45％

溶剂14.2％

2.9烘干

第三章设备选用

●前处理工艺过程中，采用全浸式处理，利用天车将工件吊浸于药液池中，通过物理及化学方式，完成对工件表面的处理。

适合于表面复杂，生锈严重的工件脱脂、皮膜槽设置气管，对处理液进行搅拌视工件的具体情况，可在药液槽内设加热装置，提高处理效率设置简单

●所用的化学除油水槽，酸洗水槽，中和水槽，表调水槽，热水水洗槽，冷水水洗槽均为PP材质的水槽；电解除油水槽采用铁板制水槽。

●加热系统采用不锈钢板式换热器，槽液加热到工艺温度所需时间最长为4h。

●烘干设备：

烘干设备包括电泳、中涂、面漆烘干室，采用π型结构。

烘干室保温层厚度为150㎜，内皮材料为渗铝钢板，外皮材料为镀锌波纹板。

保温材料采用密度为120kg／m3的矿物棉。

●磷化设备：

由于自行车车架的体积比较小，所以采用喷淋磷化设备即喷淋式清洗机。

通道式前处理设备：

结构包括贮液槽、泵、喷射系统通风系统及包覆喷射系统的壳体。

贮液槽：

作用是贮存和净化槽液，保证槽液的正常工作循环

设备壳体：

是连接各部件的主体。

喷射系统：

完成工件喷淋的主要工作部分，包括喷管、喷嘴、水泵。

加热装置：

基本与侵渍设备相同。

通风装置：

喷射式前处理设备的通风装置作用第一是在设备进出口设置抽风，以防止喷淋区的槽液蒸汽扩散至车间内；第二是在表面调整和磷化工序送风，在磷化后抽风，以抑制。

磷化酸雾的不良影响。

电泳涂装设备：

除车架全浸入的电泳槽外，还要有一套设备系统来保障。

主要由漆液搅拌设置、直流电源、导电机构、冲洗设备、烘烤设备、挂具。

电泳槽采用圆弧形状，电泳槽体用6.5mm厚碳钢制作，6mm厚的环氧玻璃钢做衬里，保证衬里的绝缘性能；泵循环搅拌；恒压直流电源；滚轮导电机构；烘烤设备采用红外线烘炉；挂具采用铜制材料。

无空气喷涂设备：

无空气喷枪。

空气喷涂设备：

压送式喷枪。

第四章工艺中的废液处理

现代的废水处理方法主要分为物理处理法、化学处理法和生物处理法三类。

物理处理法通过物理作用分离、回收废水中不解的呈悬浮状态的污染物（包括油膜和油珠）的废水理法，可分为重力分离法、离心分离法和筛滤截留法等。

属于重力分离法的处理单元有：

沉淀、上浮（气浮）等，相应使用的处理设备是沉砂池、沉淀池、隔油池、气池及其附属装置等。

4.1三废的治理

由于化学反应的复杂性和化工分离方法的多样性，化工生产过程中会产生废气、废水和废渣等化学污染物，即“三废”。

“三废”的形成和排放，不仅是资源的浪费，而且造成了环境污染。

工业上处理有害废气的方法主要有吸收控制法、吸附控制法及化学控制法等。

例如，二氧化硫常采用石灰乳或是苛性钠与纯碱的混合物反应去除，氮氧化合物可采用碱溶液吸收除去，二氧化碳和氯化氢可用乙醇胺或用水吸收除去，效果都很好。

废水的处理方法很多，一般根据废水的性质、数量以及要求的排放标准，采用多种方法综合处理。

按废水处理的程度，废水处理工艺分为一级处理、二级处理和三级处理。

一级处理主要是除去粒径较大的悬浮状固体颗粒、胶体和悬浮油类。

二级处理主要是采用一些物理化学方法，如萃取、汽提、中和、氧化三级处理属于深度处理，进一步除去二级处理未能除去的污染物。

还原，并采用好氧或厌氧生物处理法，分离、氧化剂生物降解有机物及部分胶体污染物。

废渣是二次再生资源，根据废渣的种类、性质，回收其中的有用物质和能量，实现综合利用。

4.2废液处理

磷化喷涂废水的处理

综合废水经格栅拦截杂物后自流至隔油调节池中，浮油被拦截后，废水溢流至混合反应池中（也可以通过水泵将调节池中废水泵人中和反应池中），中和反应池中的废水在空气搅拌下投加石灰等药剂，将PH调节8.5-9之间（由于随着PH的升高，Zn（OH）2又有部分呈锌酸盐而溶解），主要的反应有：

OH- +H+→H2O

3Ca2++2PO43-→Ca3（PO4）2↓

Ca2++HPO42-→CaHPO4↓

3Zn2++ 2PO43-→Zn3（PO4）2↓

Zn2++ 2OH-→Zn（OH）2↓

然后加入适量的PAC和PAM。

经过板框压滤机压滤后压滤水至中间水池，在正常情况下压滤出水可以满足纳管要求，为确保处理出水稳定达标排放以及部分回用于生产，在本方案中对压滤出水进行砂滤及活性炭过滤处理，对废水中的污染物进一步进行去除。

经过板框压滤机脱水后的污泥外运（属于危险固废），由于化学反应的复杂性和化工分离方法的多样性，化工生产过程中会产生废气、废水和废渣等化学污染物，即“三废”。

“三废”的形成和排放，不仅是资源的浪费，而且造成了环境污染。

4.3化工废水处理工艺

常用于化工废水处理的物理化学法有：

离子交换法、萃取法、膜分离法（链接到产品CMF）等。

废水中经常含有某些细小的悬浮物经及溶解静态有机物，为了进一步去除残存在水中的污染物，可以采用物理化学方法进行处理。

离子交换法是一种借助于离子交换剂上离子和水中离子进行交换反应而除去废水有害离子态物质的方法，在水的软化、有机废水处理中有着广泛的应用。

萃取法采用与水不互溶但能很好溶解污染物的萃取剂，使其与废水充分混合接触，利用污染物在水和溶剂中的溶解度或分配比的不同，达到分离、提取污染物和净化废水的目的。

膜分离法是利用半渗透膜进行分子过滤，来处理废水的一种方法，所以又称为膜分离技术。

这种方法是利用“半渗透膜”的性质，进行分离作用。

这种膜可以使水通过，但不能使水中悬浮物及溶质通过，所以这种膜称为半渗透膜，利用它可以除去水中的溶解固体、大部分溶解性有机物和胶状物质。

第五章设计评述

我们的这次涂装工艺课程设计主要研究的是自行车车架的涂装工艺设计，包括有涂装前处理工艺、涂装工艺和后处理工艺。

曾经在书本上学到的知识在本次课程设计中都得到了很好的应用。

在设计过程中，遇到很多不懂的地方，然后向老师和同学请教，对所学的知识有了更好的了解。

同时，为了完成本次课程设计，在图书馆也查了大量的文献资料，收获颇丰。

通过本次的课程设计我明白做研究必须要有着科学严谨的态度和坚韧不拔的毅力，二者缺一不可，有不懂的地方要虚心求教。

由于自己自身的所学的知识有限，可能有许多的不足和漏洞，我会继续努力，不断完善自身，提升自己的能力。

最后，我要感谢指导老师和在课程设计中帮助过我的同学们。

【参考文献】

【1】方震.CAD在自行车车架设计方面的应用[J].中国自行车,1999

（2）:

24-27.【2】周莹莹.二乙醇胺改性水性环氧树脂的制备研究.涂料工艺.2011,1

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【3】王建华,杨文通,胡凤来.运动自行车车架结构的参数化设计[J].北京工业大学学报,2001（12）:

472-475.

【4】程宣端.涂装前处理自动补水系统设计.会议论文2012.

【5】张天鹏.车架电泳前处理常见问题及解决方法.电镀与涂2008,27（7）:

50～59.

【6】姜盖汕.浅谈车架涂装生产线工艺设计.现代涂装.2012.15（7）:

38～43.

【7】唐辉宇.涂装前处理工艺的选择.涂料工业.2005，35（11）:

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【8】王殊.自行车车架材料以及镁合金的应用.材料导报.2006,20（8）:

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【9】安茂忠.电镀理论与技术.电化学系列丛书.2004,8

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56～7

【10】赵春英，管秀荣，谭勇，文松林.涂装工艺学.2012.9：

93～172.

【11】邢玉民"李松操译"自行车实用手册［0］北京：

轻工业出版社1984

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