淺談自動噴蠟工藝技術(shù)在汽車車身防腐中的應(yīng)用

丁威 于澤淼 尹曉東 馬荊亮 王勝強(qiáng) 馬艷龍

（1.中國第一汽車股份有限公司，長春 130013；2.機(jī)械工業(yè)第九設(shè)計研究院股份有限公司，長春 130011）

1 前言

汽車車身防腐是汽車生產(chǎn)中的重要工序內(nèi)容，直接影響著車身的質(zhì)量、安全和使用壽命，隨著新材料、新工藝、新技術(shù)和裝備的不斷發(fā)展和應(yīng)用，一些汽車廠逐步從傳統(tǒng)的手工注蠟開始應(yīng)用空腔自動注蠟工藝技術(shù)，在向綠色環(huán)保、數(shù)字化、信息化和智能化不斷邁進(jìn)，汽車車身空腔防腐蝕性能也得到了不斷的改善，而不同的防腐工藝技術(shù)有著各自的特點和適用范圍，本研究依托項目經(jīng)驗，主要介紹自動噴蠟工藝技術(shù)以及在汽車車身內(nèi)腔防腐方面的應(yīng)用。

2 汽車車身空腔注蠟工藝技術(shù)簡介

由于車身結(jié)構(gòu)及電泳漆特性的限制，車身板材搭接處及內(nèi)外板縫隙處電泳漆較薄，防銹能力較弱，且在使用中容易積存水和塵埃等物質(zhì)，發(fā)生原電池反應(yīng)，產(chǎn)生穿孔銹蝕。在車身底部的空腔中注入一定量的高滲透性防腐液態(tài)蠟，經(jīng)過工藝流程處理，使注入的蠟在車身空腔內(nèi)部形成均勻的蠟保護(hù)膜，阻斷水和塵埃與漆膜的接觸，起到防腐作用，從而提高車身防腐性能。通過空腔中注蠟可以保證車身10年以上無穿孔腐蝕。

車身空腔注入蠟的方式主要有傳統(tǒng)的手工注蠟、灌蠟、自動噴蠟。車身上需要注入蠟的空腔部位很多，有幾十個左右，主要有縱梁、橫梁、引擎和行李艙的內(nèi)外罩、車輪罩、車門內(nèi)外板、其他所有出現(xiàn)空腔的地方。相對于傳統(tǒng)的手工注蠟，自動注入蠟的方式生產(chǎn)效率高、注蠟量能更精準(zhǔn)控制，質(zhì)量控制也更好和穩(wěn)定。灌蠟與噴臘的主要區(qū)別如表1所示。

表1 灌蠟與噴蠟的主要區(qū)別

3 自動噴蠟工藝技術(shù)應(yīng)用

3.1 自動噴蠟工藝技術(shù)的選擇與設(shè)計

自動噴蠟主要完成汽車車身底部及輪罩等位置的防腐噴蠟，對車身的精度要求較高，一般要求車身開孔定位精度在±2 mm 以內(nèi)。車身空腔注蠟要根據(jù)自動噴蠟工藝技術(shù)的特點和適用范圍，結(jié)合工廠自身實際，決定是否選用該技術(shù)。比如工廠產(chǎn)線水平、生產(chǎn)節(jié)拍、注蠟孔的一致性是否能保證在允許的范圍內(nèi)、是否能有相應(yīng)的資金投入等等。

噴蠟工藝根據(jù)車身數(shù)模、電泳實驗數(shù)據(jù)、車身防腐設(shè)計經(jīng)驗等進(jìn)行設(shè)計，包含車身開孔建模、防腐噴蠟區(qū)域（圖1、圖2）、噴蠟區(qū)域成膜厚度要求，并結(jié)合滾床輸送方式，提出滾床滑橇高度要求及支點回避區(qū)域要求，并設(shè)計噴蠟區(qū)域的專用噴嘴以及與噴嘴配套的噴蠟工藝參數(shù)（如壓力、流量、噴涂時間等參數(shù)）。

圖1 車身下部防腐噴蠟區(qū)域示意

圖2 車門防腐噴蠟區(qū)域示意

根據(jù)防腐噴蠟區(qū)域，設(shè)計不同的噴蠟嘴，配合不同的噴涂工藝參數(shù)，實現(xiàn)設(shè)計意圖，如圖3所示。常用的噴蠟嘴一般直徑都在0.8～1.0 mm（圖4），其噴蠟嘴孔徑的精確程度、孔本身的加工精度(孔徑內(nèi)表面粗糙度、軸向角度等)對防腐噴涂效果的實現(xiàn)，有著決定性的影響。防腐噴蠟嘴由自動加工中心完成，完全避免人工調(diào)試對刀等誤差，確保噴蠟嘴制造精度。

圖3 噴嘴設(shè)計模擬圖

圖4 噴蠟嘴直徑

加工完成的噴嘴，需驗證噴涂效果，符合設(shè)計要求，方可確定為合格噴嘴。由于所有非標(biāo)噴蠟嘴采用特定形狀，用于特定位置的噴涂，每個噴嘴必須完全保持設(shè)計形狀，才能滿足噴涂需求，因此需要一套噴嘴驗證輔具，用于檢修后驗證每個噴嘴是否達(dá)到設(shè)計精度要求，避免噴嘴形狀改變導(dǎo)致噴涂質(zhì)量下降。

根據(jù)防腐噴蠟要求，每個車型需要數(shù)量不等的噴嘴，其中部分車型的噴嘴可以共用，以方便用戶管理和節(jié)省成本。由于每臺機(jī)器人均需要匹配多種噴蠟嘴，一般設(shè)計通過多噴嘴集成噴蠟頭、機(jī)器人快換盤等方式實現(xiàn)，如圖5所示。

圖5 快換盤式多嘴集成噴蠟頭

3.2 空腔防護(hù)蠟與供蠟系統(tǒng)需求

3.2.1 空腔防護(hù)蠟

空腔防護(hù)蠟要求具有優(yōu)異的表面附著性、滲透性、抗流淌性能，滿足環(huán)保和車身防腐要求。目前傳統(tǒng)溶劑型空腔防護(hù)蠟的使用在逐步減少，而環(huán)保型高固含空腔防護(hù)蠟的應(yīng)用趨勢增加。其主要成分為石蠟、石油提取物和防銹添加劑等，閃點在180 ℃以上，作業(yè)溫度一般控制在20～30 ℃。

3.2.2 供蠟系統(tǒng)

3.2.2.1 環(huán)境條件

供蠟間溫度：15～30 ℃；相對濕度：≥40%。供蠟間需要有排風(fēng)系統(tǒng)、消防滅火設(shè)備及報警裝置等。供蠟間深度保潔完成。

3.2.2.2 供蠟系統(tǒng)的構(gòu)成

供蠟系統(tǒng)一般包括氣動隔膜輸料泵、循環(huán)罐、電動攪拌器、氣動柱塞泵、空打保護(hù)器、背壓閥、過濾單元、壓力表、溫度表等，通過循環(huán)管路將蠟供給到所需工位。供蠟系統(tǒng)要確保供給壓力、流量、過濾精度和溫度，一般供給壓力要求（13±1）MPa，供蠟溫度（30±5）℃，過濾器壓差≤2 MPa。供蠟溫控系統(tǒng)采用全程電氣自動控制，同時管路上安裝包覆管路保溫管，降低車間和外界環(huán)境溫度對材料性質(zhì)的干擾和利于輸送，以確保蠟溫能正常使用。蠟投罐前需要用專用清洗溶劑進(jìn)行系統(tǒng)和管路清洗，并且壓縮空氣滿足使用要求。供蠟系統(tǒng)平面布置示意圖，如圖6所示。

圖6 供蠟系統(tǒng)平面布置示意

3.3 自動噴蠟系統(tǒng)設(shè)備使用需求條件

3.3.1 環(huán)境條件

噴蠟室溫度：20～40 ℃；相對濕度：≥40%。

3.3.2 公用動力需求

3.3.2.1 壓縮空氣需求

a.到使用點工作壓力0.6 MPa；

b.含油量≤0.01 mg/m3；

c.固體含量≤0.1 mg/m3；

d.顆粒直徑≤0.1 μm；

e.露點=-40 ℃；

f.壓縮空氣用量為6 m3/min。

3.3.2.2 電力需求

380 V±12%，三相50 Hz，約60 kW。電控系統(tǒng)及元件必須能夠適應(yīng)工廠電網(wǎng)上的電壓波動和脈沖干擾。自動噴蠟室同時需要必要的照明設(shè)計，照度≥500 lx(車身輪廓表面)。電力設(shè)備等需要考慮防爆要求。

a.機(jī)器人接地＜100 Ω，與供蠟設(shè)備分別接地；

b.供蠟設(shè)備接地＜10 Ω，與機(jī)器人分別接地；

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c.工件接地＜1 Ω。

3.3.2.3 通風(fēng)要求

自動噴蠟室體內(nèi)需要設(shè)計送風(fēng)、排風(fēng)，回風(fēng)口處需要加裝過濾棉等過濾裝置。噴蠟調(diào)試需與噴蠟室體送排風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)調(diào)，以確?？赡艿摹跋灇忪F”不污染車間環(huán)境。

3.3.2.4 消防及中控系統(tǒng)等需求

需要完成與消防設(shè)備、噴蠟室、機(jī)械化等相關(guān)系統(tǒng)的聯(lián)鎖，完成各種工況異常的互鎖。室體內(nèi)設(shè)置自動噴水滅火裝置，消防系統(tǒng)自動控制。注蠟設(shè)備上預(yù)留接口，接受自動消防滅火系統(tǒng)信號，實現(xiàn)設(shè)備的軟硬件報警停機(jī)控制。

噴蠟系統(tǒng)及相關(guān)集成設(shè)備按中控要求上傳和接收交換數(shù)據(jù)，所有信息列表和人機(jī)界面畫面提供給中控室，并按照中控要求編寫接口程序、預(yù)留接口，按中控室要求設(shè)置PLC 以太網(wǎng)地址列表，供中控室系統(tǒng)采集信息用，實現(xiàn)中控在計算機(jī)中能實時監(jiān)視噴蠟系統(tǒng)的運行狀態(tài)、報警信息和關(guān)鍵參數(shù)等。噴蠟系統(tǒng)能源檢測裝置設(shè)有以太網(wǎng)接口，供中控室系統(tǒng)采集信息用，并將檢測信息傳送到中控室。

3.4 自動噴蠟系統(tǒng)主要構(gòu)成及典型布置

3.4.1 主要構(gòu)成

自動噴蠟系統(tǒng)主要包括視覺設(shè)備及支架、噴蠟機(jī)器人、機(jī)器人軌道&拖鏈和附屬設(shè)備、定量噴涂設(shè)備、快換槍頭、流量計、電控柜、PC 機(jī)柜、霧化器、換槍臺、安全設(shè)備等。其中視覺系統(tǒng)設(shè)備布置示意圖，如圖7所示。機(jī)器人軌道示意圖，如圖8所示。

圖7 視覺設(shè)備布置示意

圖8 機(jī)器人軌道示意

根據(jù)車身開孔、噴蠟嘴和相關(guān)工藝設(shè)計，不同的噴蠟嘴需要不同體積的材料。自動噴蠟系統(tǒng)通過控制噴蠟壓力和流量，達(dá)到不同噴嘴的使用需求。具體噴蠟嘴對應(yīng)的噴蠟參數(shù)，通過車型識別續(xù)寫站、機(jī)器人軌跡程序與供蠟系統(tǒng)通訊完成控制閉環(huán)。保證每個防腐噴蠟需求點，都能按要求完成全自動噴蠟。

3.4.2 車身自動噴蠟的安全設(shè)計

機(jī)器人的工作區(qū)和安全區(qū)應(yīng)當(dāng)通過工位的尺寸清晰定義，確保相鄰的機(jī)器人間的工作空間不會產(chǎn)生人員傷害隱患，在必要的區(qū)域上須安裝必要的安全保障措施持續(xù)進(jìn)行保護(hù)，確保一旦出現(xiàn)有人進(jìn)入設(shè)備區(qū)域的情況，設(shè)備的運行動作會馬上停止。

設(shè)置緊急制動按鈕用來保護(hù)人員和設(shè)備。每個操作臺都安裝一個緊急制動按鈕，并且在自動化區(qū)域的入口和出口處也須安裝2 個緊急制動按鈕，保證觸發(fā)緊急制動按鈕時設(shè)備達(dá)到最大限度的停止?fàn)顟B(tài)，即涂料輸送和能源供應(yīng)系統(tǒng)也須被終止。

機(jī)器人和自動化設(shè)備必須設(shè)置防撞保護(hù)設(shè)施，例如在發(fā)生碰撞的情況下，盡可能減少對車身和其他設(shè)備的損傷。

3.4.3 自動噴蠟工位平面布置

自動噴蠟工位平面布置示意圖，如圖9所示。

圖9 自動噴蠟工位平面布置示意

3.5 自動噴蠟工藝視覺和噴蠟調(diào)試

視覺定位系統(tǒng)在車間中主要用于車身定位，可與設(shè)備控制系統(tǒng)連接，可輔助機(jī)器人噴蠟使用，包括相機(jī)和照明單元、控制柜及操作裝置、軟件程序、相關(guān)配套及接口等。視覺系統(tǒng)與噴蠟設(shè)備系統(tǒng)等完全集成到自動化生產(chǎn)流程中。一般通過自動噴蠟設(shè)備控制系統(tǒng)發(fā)送噴蠟站內(nèi)車型信息編碼，視覺系統(tǒng)相應(yīng)進(jìn)行拍照和數(shù)據(jù)處理得出車身位置的校正值，供設(shè)備控制系統(tǒng)使用，機(jī)器人噴蠟程序根據(jù)視覺系統(tǒng)計算出坐標(biāo)偏差值進(jìn)行修正，通過控制程序完成全自動噴蠟。

自動噴蠟系統(tǒng)正式投入使用前，需要經(jīng)過防腐噴蠟預(yù)調(diào)試、單機(jī)調(diào)試、聯(lián)機(jī)調(diào)試、各車型車身的噴蠟工藝調(diào)試，包括視覺調(diào)試、電器調(diào)試、離線仿型調(diào)試、機(jī)器人程序和軌跡調(diào)試、噴嘴無流體調(diào)試、供蠟設(shè)備調(diào)試、噴蠟調(diào)試、噴蠟控制工藝優(yōu)化等，才能最終實現(xiàn)高質(zhì)量和高效率內(nèi)腔防護(hù)噴蠟效果的優(yōu)化，而這個過程也取決于車身質(zhì)量的好壞。

噴蠟調(diào)試的過程也是對車身質(zhì)量進(jìn)行輔助驗證的過程，如注蠟孔的偏差情況在噴蠟調(diào)試中是可以檢查出來的，可以即時反饋給前序工作以助于控制和改善車身質(zhì)量。

其中車身防腐噴蠟預(yù)調(diào)試模擬最終生產(chǎn)線狀態(tài)，車身定位進(jìn)行軌跡調(diào)試和噴涂調(diào)試，噴涂過程只需人工模擬視覺識別信號，按規(guī)定程序動作完成整車車身的自動噴涂。每個車型預(yù)調(diào)試期間，均需要拆解一臺電泳車身，進(jìn)行反復(fù)噴蠟試驗，以驗證防腐噴涂效果，車間空腔拆解示意圖如圖10所示。每次噴涂調(diào)試，需要人工清潔防腐噴涂空腔，以便觀察調(diào)試改進(jìn)情況，直到防腐滿足要求，并做好調(diào)試記錄，調(diào)試記錄需要隨交工文件移交業(yè)主方。

圖10 電泳車身空腔拆解示意

3.6 車身自動噴蠟效果的驗證

噴蠟效果的驗證主要通過車身解剖、內(nèi)窺鏡檢測的方式來驗證，如圖11所示，噴涂區(qū)域要求覆蓋完全，且厚度符合噴蠟工藝設(shè)計要求。車身自動噴蠟后，還需要輸送至手工工位進(jìn)行車門及前后蓋的手工噴蠟進(jìn)行補(bǔ)噴，蠟?zāi)ひ獫M足相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)。噴蠟效果如不滿足要求，還需要進(jìn)一步的調(diào)試優(yōu)化。而最終需要車身防腐性能試驗進(jìn)一步驗證噴蠟效果質(zhì)量。

圖11 噴蠟區(qū)域效果示意

4 注意事項

車身空腔自動噴蠟技術(shù)的應(yīng)用注意事項如下。

a.注蠟孔的位置以及尺寸，要綜合考慮車身、滑橇、自動噴蠟設(shè)備，確保注蠟孔自動噴蠟的可達(dá)性和噴蠟效果。

b.各車型所確定的所有注蠟孔的位置和尺寸，要確保車輛一致穩(wěn)定性，要納入質(zhì)量保障范圍，在沖壓、焊接等工序中，需要必要的投入加以注蠟孔的質(zhì)量保證。

c.選用的自動噴蠟設(shè)備要安全、適用、穩(wěn)定和可靠。

d.槍嘴的設(shè)計要充分考慮注蠟孔所在車身內(nèi)腔的形狀尺寸面積，既要全覆蓋，但也不能過噴。

e.視覺系統(tǒng)相機(jī)及支架的要具備安裝條件，不能使視覺系統(tǒng)的相機(jī)受任何振動的影響，否則將不能實現(xiàn)車身的準(zhǔn)確定位，也就無法實現(xiàn)機(jī)器人的精準(zhǔn)自動噴蠟。

f.視覺系統(tǒng)的每一臺相機(jī)均需要在調(diào)試期間加以校準(zhǔn)。每種車型一般有多種顏色，僅一種顏色的視覺程序可能并不能滿足所有顏色的視覺拍照，需要根據(jù)最終狀態(tài)的車身（含顏色和帶噴膠）進(jìn)行調(diào)試進(jìn)而設(shè)定視覺程序，這主要是取決于視覺所選取的測量特征所在的區(qū)域位置。

g.要有安全設(shè)計和設(shè)備設(shè)施，如安全光柵等。

h.自動噴蠟前序工作要確保視覺特征孔不能被遮蔽、注蠟孔不能被封堵。自動噴蠟后續(xù)工作要確保各注蠟孔要密封牢固。

i.供蠟系統(tǒng)要保障來蠟的清潔程度，過濾精度要保障，而且要定期檢查，以避免堵槍現(xiàn)象的發(fā)生。

j.每種車型的自動噴蠟，需要經(jīng)過必要的調(diào)試優(yōu)化，以達(dá)到最優(yōu)化的噴蠟效果和低成本，同時滿足生產(chǎn)節(jié)拍的要求，避免滴蠟，尤其是防止蠟滴落在總裝車間。

k.同時使用的防護(hù)蠟材料的性能要進(jìn)行開發(fā)優(yōu)化，減少設(shè)備噴嘴內(nèi)壁的粘附，以及避免暴露在空氣中蠟?zāi)潭氯葐栴}。如果設(shè)備噴嘴無法避免暴露在空氣中，防護(hù)蠟材料廠家性能優(yōu)化也有限，且不能完全避免空氣中凝固堵塞的問題，則需要蠟材料廠家同步開發(fā)合理有效的防護(hù)蠟清洗溶劑和方法。設(shè)備方面也需相應(yīng)考慮清洗方案所需的裝備及程序等。

5 結(jié)束語

經(jīng)過車身解剖、內(nèi)窺鏡觀測及膜厚檢測，噴蠟涂覆區(qū)域以及蠟?zāi)ず穸鹊葷M足要求。車身內(nèi)腔自動噴蠟防腐，對蠟材料的性能、車身質(zhì)量、自動化設(shè)備的安全穩(wěn)定可靠性等有著很高的要求，是蠟原材料、車身設(shè)計、自動噴蠟工藝和裝備等的系統(tǒng)性工程，需要協(xié)同優(yōu)化設(shè)計研究，方能實現(xiàn)較好的效果。隨著業(yè)界人士的努力，材料、工藝技術(shù)和裝備的不斷進(jìn)步發(fā)展，自動噴蠟工藝技術(shù)在生產(chǎn)效率的提升、操作人員健康安全、防腐效果等方面將會發(fā)揮出積極的意義作用。