低溫等離子清洗技術(shù)在清潔發(fā)動(dòng)機(jī)涂膠面上的應(yīng)用

張文全，雷曉東，李柏榮，羊 奎(.貴州吉利發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，貴州 貴陽(yáng) 55004 ；.寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司，浙江 寧波 35336)

0 引言

目前，在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，油底殼與曲軸箱、曲軸箱與缸體等密封面通常采用硅膠密封，這些硅膠密封面常因殘留有機(jī)物(如珩磨油、切削液、清洗液等)造成硅膠的附著力不足，從而導(dǎo)致密封失效，發(fā)動(dòng)機(jī)漏油。目前的常規(guī)工藝為涂膠前對(duì)涂膠面進(jìn)行人工擦拭，而人工擦拭存在諸多缺點(diǎn)，無(wú)法達(dá)到清潔的要求。等離子清洗技術(shù)的應(yīng)用能夠很好地解決這些問(wèn)題，目前已經(jīng)應(yīng)用到光學(xué)行業(yè)、航空工業(yè)、半導(dǎo)體業(yè)等領(lǐng)域，并成為關(guān)鍵技術(shù)，變得越來(lái)越重要。

1 等離子清洗原理

1.1 等離子體

等離子體是物質(zhì)的第4種形態(tài)[1]，當(dāng)氣態(tài)物質(zhì)溫度不斷上升，將會(huì)發(fā)生電離，當(dāng)電離達(dá)到一定程度后，物質(zhì)的狀態(tài)發(fā)生根本變化，物質(zhì)的這種形態(tài)我們稱(chēng)之為物質(zhì)的第四態(tài)，即等離子態(tài)。

在等離子體中主要存在以下幾種物質(zhì)：電子、激發(fā)態(tài)的原子、分子和原子團(tuán)(自由基)、離子(離子態(tài)原子、離子態(tài)分子)、分子解離反應(yīng)過(guò)程中生成的紫外線、未反應(yīng)的原子、分子等，但物質(zhì)在總體上仍保持電中性狀態(tài)[1]，如圖1所示。

圖1 等離子體組成

1.2 等離子清洗機(jī)理

等離子體根據(jù)溫度可以分為高溫等離子體和低溫等離子體，高溫等離子體對(duì)物質(zhì)表面的作用太過(guò)強(qiáng)烈，因此基本不會(huì)用于清洗領(lǐng)域；而低溫等離子體，其放電過(guò)程中雖然電子溫度很高，但是其他重粒子溫度較低(具有低溫特性)，因此整體呈低溫狀態(tài)[2]；低溫等離子體內(nèi)富含大量活性粒子，如氣體離子、電子、激發(fā)態(tài)原子、分子、自由基等，這些活性粒子可以在極短時(shí)間內(nèi)與有機(jī)化合物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)和物理反應(yīng)，將有機(jī)物分解，因此可以將等離子技術(shù)應(yīng)用到清洗領(lǐng)域。

2 等離子清洗發(fā)動(dòng)機(jī)涂膠面上的應(yīng)用

發(fā)動(dòng)機(jī)涂膠面殘留的有機(jī)物薄膜，通常為碳?xì)溲趸衔?CXHYOZ)；等離子清洗的過(guò)程如下：將壓縮空氣電離成低溫等離子體，通過(guò)噴槍噴射到涂膠表面，利用等離子體(主要利用壓縮空氣中的氧氣作為反應(yīng)氣體)[3]對(duì)有機(jī)物的分解作用，將涂膠表面殘留的有機(jī)物進(jìn)行分解，以達(dá)到清潔目的。

反應(yīng)過(guò)程主要有兩種: 第一種化學(xué)反應(yīng)，將壓縮 空氣電離后獲得大量氧等離子體; 氧等離子體與有機(jī)物作用，把有機(jī)物(CXHYOZ)分解成二氧化碳和水[3]，，如圖2 所示。第二種是物理反應(yīng)，壓縮空氣電離成等離子體后，等離子體內(nèi)的高能粒子以高能量、高速度轟擊涂膠面表面[4]，使分子分解。

圖2 化學(xué)反應(yīng)過(guò)程

3 清洗系統(tǒng)構(gòu)成

本論文以油底殼(材質(zhì)為鋁)涂膠面等離子清洗系統(tǒng)為例進(jìn)行敘述，整個(gè)等離子清洗系統(tǒng)主要有以下三個(gè)部分：第一、由油底殼擺放平臺(tái)和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等組成的輔助機(jī)械部分；第二、由等離子噴頭和主機(jī)組成的等離子發(fā)生設(shè)備；第三、由雅馬哈二軸機(jī)器人和氣缸頂升機(jī)構(gòu)等組成的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

3.1 機(jī)械部分

如圖3所示，機(jī)械部分主要由以下部分組成：支撐結(jié)構(gòu)1、轉(zhuǎn)臺(tái)2、排風(fēng)裝置3。其中轉(zhuǎn)臺(tái)上有兩個(gè)油底殼放置位置(涂膠面朝下放置)，分為內(nèi)側(cè)和外側(cè)，內(nèi)側(cè)作為等離子處理位，外側(cè)為員工操作位。等離子處理過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生微量氮氧化合物，為避免其在設(shè)備內(nèi)部積累，需要采用排風(fēng)裝置將其排出。

圖3 機(jī)械部分組成

3.2 等離子發(fā)生設(shè)備

如圖4所示，等離子發(fā)生設(shè)備由控制主機(jī)和直噴式噴槍組成；其中主機(jī)連接電源及壓縮空氣，由等離子控制模塊、壓縮空氣控制模塊、操作面板組成；等離子噴槍由中間電極、外部電極、絕緣區(qū)及噴頭組成；兩者通過(guò)柔性導(dǎo)管傳輸壓縮空氣和高壓電能。

圖4 等離子發(fā)生設(shè)備

主機(jī)具備過(guò)流保護(hù)、短路保護(hù)、斷路保護(hù)、功率監(jiān)控等功能，能夠與工位PLC通信，同時(shí)可在操作面板上設(shè)置影響處理效果的功率參數(shù)、壓力參數(shù)、溫度參數(shù)等。

等離子噴槍是生成等離子體的主要部件，由其內(nèi)部高壓電極對(duì)壓縮空氣進(jìn)行電離生成等離子體，經(jīng)噴嘴噴出，噴嘴內(nèi)徑選用5 mm，噴嘴距離被處理材料表面為8 mm(一般選定5 ～15 mm)，可形成12 mm左右的處理寬度，如圖5所示。

圖5 噴槍工作時(shí)等離子束噴射狀態(tài)

3.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)生設(shè)備

如圖6所示，執(zhí)行機(jī)構(gòu)由二軸雅馬哈機(jī)器人1、氣缸頂升機(jī)構(gòu)2、底座3組成；等離子噴槍固定在氣缸頂升機(jī)構(gòu)上，通過(guò)機(jī)器人移動(dòng)噴槍完成對(duì)涂膠面的處理。

圖6 執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成

4 效果驗(yàn)證

在等離子清洗后，想測(cè)試油底殼表面處理的結(jié)果，通常用水滴角或達(dá)因值來(lái)衡量，兩種方法的測(cè)試結(jié)果如下。

4.1 水滴角測(cè)試

固體表面潤(rùn)濕性是指一種液體在一種固體表面鋪展的能力或傾向性，常用接觸角來(lái)衡量，本文中用到的液體為水，通常稱(chēng)為水滴角(使用水滴角測(cè)試儀測(cè)試)，如圖7所示。

圖7 水滴角示意圖

水滴角與潤(rùn)濕的關(guān)系：

1)當(dāng)θ=0°時(shí)，表示完全潤(rùn)濕；

2)當(dāng)θ<90°時(shí)，表示部分潤(rùn)濕或潤(rùn)濕；

3)當(dāng)θ=90°時(shí)，是潤(rùn)濕與否的分界線；

4)當(dāng)180°>θ>90°時(shí)，表示不潤(rùn)濕；

5)θ=180°時(shí)，表示完全不潤(rùn)濕。

水滴角越小，說(shuō)明固體表面(油底殼涂膠面)的潤(rùn)濕性能越好，表示該表面的清潔程度越好，利于硅膠密封；水滴角越大，說(shuō)明固體表面(油底殼涂膠面)的潤(rùn)濕性能越差，表示該表面的清潔程度越差，不利于硅膠密封。如圖8所示，油底殼涂膠面在使用等離子處理前，水滴角檢測(cè)結(jié)果為78.699°；如圖9所示，等離子處理后，水滴角檢測(cè)結(jié)果為19.649°，提升效果非常明顯。對(duì)標(biāo)國(guó)際案例，水滴角達(dá)到20°左右說(shuō)明涂膠面表面清潔程度已經(jīng)很好，不會(huì)因硅膠附著力不足導(dǎo)致漏油。

圖8 等離子處理前水滴角78.699°

圖9 等離子處理后水滴角19.649°

4.2 達(dá)因值測(cè)試

達(dá)因值表征表面(油底殼涂膠面)張力系數(shù)的大小，常用的單位：毫牛/米(mN/m)。達(dá)因值檢測(cè)結(jié)果越大，說(shuō)明固體表面(油底殼涂膠面)潤(rùn)濕性能越好，表示該表面清潔程度越好，有利于硅膠密封；達(dá)因值測(cè)試結(jié)果越小，說(shuō)明固體表面(油底殼涂膠面)潤(rùn)濕性能越差，表示該表面清潔程度越差，不利于硅膠密封。

達(dá)因值通常的簡(jiǎn)易測(cè)試方法是達(dá)因筆或達(dá)因液，有32、34、36、38、40、42、44、46、48、50至72等，代表的就是相應(yīng)的表面張力的達(dá)因值，檢測(cè)方法以50達(dá)因筆為例，如圖10所示。

圖10 達(dá)因筆及達(dá)因筆檢測(cè)方法

在采用等離子處理工藝前，油底殼涂膠表面只能達(dá)到32達(dá)因值，使用50達(dá)因值的達(dá)因筆檢測(cè)不合格，如圖11所示；而采用等離子處理工藝后，油底殼涂膠表面能達(dá)到50達(dá)因值，如圖12所示，效果提升非常明顯。對(duì)標(biāo)國(guó)際案例，達(dá)因值達(dá)到50后說(shuō)明涂膠面表面清潔程度已經(jīng)很好，不會(huì)因硅膠附著力不足導(dǎo)致漏油。

圖11 采用等離子處理工藝前用50達(dá)因筆檢測(cè)不合格

圖12 采用等離子處理工藝后用50達(dá)因筆檢測(cè)合格

5 結(jié)論

本文描述了應(yīng)用低溫等離子技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)，開(kāi)發(fā)一套自動(dòng)清潔汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)涂膠面的裝置。通過(guò)使用等離子束對(duì)油底殼涂膠表面進(jìn)行處理，以去除涂膠表面上的有機(jī)化合物；經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，等離子處理后，水滴角從78.699°提升至19.649°，達(dá)因值從32提升到50，大幅度提升了涂膠表面的清潔程度，從而提升了涂膠表面硅膠的附著力，保證了質(zhì)量，消除涂膠面的漏油風(fēng)險(xiǎn)，在行業(yè)內(nèi)有一定的推廣價(jià)值。