關(guān)鍵詞:前風(fēng)窗;膠粘劑;裝配;工藝
中圖分類號(hào):U463 DOI :10.20042/j.cnki.1009-4903.2024.06.013
Process Design and Failure Analysis of Cab Windshield Adhesive
Abstract:There are two types of adhesive structures for the front windshield of heavy trucks: one is adhesive strip connection, and theother is adhesive glue bonding. At present, the front windshield glass assembly of domestic heavy trucks is mostly selected for adhesivetechnology. The adhesive technology enhances the overall body strength and stress distribution is uniform, which can realize automationoperation and improve production efficiency; it has impact resistance. The adhesive technology improves the body’s sound insulationeffect and enhances product quality. However, the realization of adhesive technology requires high requirements for on-site equipment,personnel, and operation, and a slight mistake in operation may cause the cab to leak. This paper mainly introduces the design of theautomatic gluing process and the potential failure reasons of the adhesive process.
Key words: Windshield;Adhesive;Assembly;Process
0引言
駕駛室前風(fēng)窗膠粘工藝在汽車制造領(lǐng)域普遍應(yīng)用。相較于其他工藝,膠粘工藝具有以下優(yōu)勢(shì):增強(qiáng)了整體車身的強(qiáng)度,提高了車身的隔音效果,并具備優(yōu)異的密封性能,有效減少滲漏和金屬腐蝕現(xiàn)象,提高了車輛的耐久性。此外,膠粘工藝能夠粘接不同類型的基材,為設(shè)計(jì)提供了更大的自由度。在粘接過程中,基材不會(huì)受到破壞或變形,且外觀效果良好,無需使用其他固定材料。不過需要注意的是,膠粘工藝在每一步操作中的失誤都會(huì)對(duì)粘接效果產(chǎn)生極大的影響。膠粘劑的選型、出膠尺寸的設(shè)計(jì)、打膠設(shè)備的應(yīng)用以及周邊環(huán)境溫度等因素,都是導(dǎo)致粘接失效的主要原因。
1駕駛室前風(fēng)窗膠粘工藝流程
駕駛室前風(fēng)窗膠粘工藝流程主要分為兩部分:一是駕駛室清潔底涂。駕駛室上線后,使用無紡布清潔駕駛室與風(fēng)窗玻璃的粘接面,然后用專用工具涂抹活化劑,間隔幾分鐘后(待活化劑表干)再進(jìn)行底涂處理;二是風(fēng)窗玻璃涂膠裝配。機(jī)械手抓取玻璃上線,對(duì)風(fēng)窗玻璃進(jìn)行清潔處理,并依次涂活化劑和底涂(活化劑表干后再進(jìn)行底涂)。機(jī)器人抓取風(fēng)窗玻璃進(jìn)行打膠,同步進(jìn)行膠形尺寸檢測(cè)。打膠完成后,等待駕駛室進(jìn)站,掃描定位駕駛室位置,裝配風(fēng)窗玻璃。裝配后,機(jī)器人保持?jǐn)D壓狀態(tài)30s后撤離,完成裝配[1]。
2前風(fēng)窗膠粘劑粘接膠型尺寸設(shè)計(jì)
前風(fēng)窗膠粘劑粘接膠型尺寸設(shè)計(jì)需從以下幾個(gè)方面考慮:一是強(qiáng)度要求。裝配后膠粘劑的強(qiáng)度應(yīng)滿足整車性能要求;二是裝配工藝需求。在整車裝配過程中,膠粘劑在不同時(shí)間點(diǎn)的強(qiáng)度需滿足工藝要求,尤其是在膠粘劑未完全固化時(shí),其強(qiáng)度應(yīng)能承受駕駛室翻身過程中玻璃的重量;三是尺寸匹配。玻璃膠粘劑的設(shè)計(jì)尺寸需與駕駛室和風(fēng)窗玻璃的尺寸鏈計(jì)算相匹配[2]。
2.1強(qiáng)度分析計(jì)算
根據(jù)產(chǎn)品尺寸、材料、膠粘劑的強(qiáng)度以及預(yù)設(shè)尺寸的寬度,結(jié)合靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析,計(jì)算膠粘劑粘接的安全系數(shù),計(jì)算公式為:
2.2尺寸鏈分析
尺寸鏈分析主要用于驗(yàn)證膠型尺寸與駕駛室、風(fēng)窗玻璃三者之間的配合是否滿足整車性能需求。由于駕駛室和風(fēng)窗玻璃存在一定的制造公差,膠粘劑作為連接玻璃與駕駛室的最后一道工序,其設(shè)計(jì)的膠型尺寸必須能夠完全抵消零部件之間的偏差,以確保粘接的密封性。因此,在設(shè)定好膠型尺寸后,需要進(jìn)行尺寸鏈分析。以下是某一車型在膠型設(shè)計(jì)時(shí)的尺寸鏈分析案例。
根據(jù)整車性能和工藝硬點(diǎn),計(jì)算出膠型尺寸的寬度為10mm,高度為12mm。裝配完成后,玻璃與駕駛室之間預(yù)留6mm的間隙,并在駕駛室與玻璃之間設(shè)計(jì)橡膠墊塊,用于控制兩者之間的間隙。具體的尺寸鏈分析如下:
(1)設(shè)置公差:根據(jù)駕駛室和風(fēng)窗玻璃的尺寸公差進(jìn)行設(shè)定。白車身與玻璃貼合面的公差為±1.0mm,玻璃型面的公差為±2.0mm,工裝型面的公差為±0.1mm。
(2)建模工藝(風(fēng)窗玻璃裝配流程):打膠→裝配玻璃→安裝墊塊支撐→前圍(膠作為方便建模的過渡件,不傳遞任何公差)。
(3)橡膠限位塊為可壓縮件,在X方向上不傳遞公差,因此可以忽略不計(jì)。
(4)支撐塊為懸臂結(jié)構(gòu),僅限制擋風(fēng)玻璃在Z向的位置,X方向可壓縮,不傳遞X向公差,因此同樣可以忽略不計(jì)。
(5)設(shè)定目標(biāo):玻璃外表面與前圍貼合面的尺寸公差為±2.5mm(參考一維尺寸鏈分析結(jié)果),并在周圈均勻設(shè)置26個(gè)測(cè)量位置。
(6)運(yùn)行結(jié)果:風(fēng)窗玻璃裝配完成后,下側(cè)間隙優(yōu)于上側(cè)間隙,偏差為+2.29mm,極限偏差為+3.1mm。通過測(cè)量駕駛室上的26個(gè)點(diǎn),計(jì)算出駕駛室與玻璃之間的極限偏差為3.1mm。膠型設(shè)計(jì)高度為12mm,玻璃裝配完成后,根據(jù)尺寸鏈分析結(jié)果,駕駛室與玻璃之間的最大距離為9.1mm。膠粘劑從12mm被壓縮到9.1mm,仍能夠填充該間隙,滿足裝配需求[3]。圖1為尺寸鏈建模分析。
2.3裝配過程分析
駕駛室前風(fēng)窗玻璃裝配完成后,按照既定的工藝流程,接下來將進(jìn)行駕駛室內(nèi)部其他零部件的裝配,隨后與底盤進(jìn)行合裝,并最終完成整車下線。值得注意的是,在整個(gè)裝配環(huán)節(jié)中,膠粘劑并未完全固化。因此,需要考慮未完全固化的膠粘劑強(qiáng)度是否能滿足各環(huán)節(jié)裝配過程中可能產(chǎn)生的沖擊。
為了評(píng)估膠粘劑的強(qiáng)度是否足夠,選取裝配過程中對(duì)風(fēng)窗玻璃沖擊最大的工序進(jìn)行分析。具體做法是,計(jì)算該工序下膠粘劑所承載的沖擊量,并將其與膠粘劑自身的強(qiáng)度進(jìn)行比較。為確保安全,要求膠粘劑的強(qiáng)度必須大于沖擊量的4倍。在某企業(yè)的整車裝配過程中,根據(jù)工藝布局,駕駛室前風(fēng)窗裝配完成后1h,駕駛室需要進(jìn)行翻轉(zhuǎn)。這一工位被認(rèn)為是玻璃裝配完成后對(duì)膠粘劑強(qiáng)度沖擊最高的工位。因此,要求膠粘劑在固化1h后的強(qiáng)度必須完全能夠承受翻轉(zhuǎn)駕駛室時(shí)產(chǎn)生的沖擊。為了計(jì)算翻轉(zhuǎn)時(shí)玻璃對(duì)膠粘劑的強(qiáng)度需求,可以使用公式F=ma+mg sinθ。其中,F(xiàn)表示膠粘劑所需承受的力,m表示玻璃的質(zhì)量,a表示翻轉(zhuǎn)時(shí)的加速度,g為重力加速度,θ為駕駛室翻轉(zhuǎn)角度[4]。
3駕駛室漏雨原因分析
3.1人為因素
前風(fēng)窗玻璃裝配前,需要對(duì)粘接面進(jìn)行清潔、活化、底涂處理。其中,駕駛室部分的這些操作是由人工完成的,而風(fēng)窗玻璃上的處理則是由機(jī)器人完成的。對(duì)于粘接效果失效的原因,可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行分析。
人工處理時(shí),可能存在對(duì)駕駛室表面油污處理不干凈、清潔不夠徹底的問題。此外,底涂涂抹過厚也可能導(dǎo)致玻璃裝配完成后在運(yùn)動(dòng)過程中底涂劑脫層。當(dāng)機(jī)器人進(jìn)行活化、底涂工序時(shí),如果活化劑未完全表干,就可能會(huì)造成活化劑與底涂劑反應(yīng)不徹底,從而使得底涂劑與駕駛室粘接面脫層。因此,在風(fēng)窗玻璃裝配中,人工進(jìn)行清潔、活化、底涂時(shí),需要嚴(yán)格控制表面的清潔度和底涂量。同時(shí),機(jī)器人進(jìn)行這些工序時(shí),也應(yīng)確?;罨瘎┡c底涂劑完全曬干后才能進(jìn)行下一步操作。
3.2設(shè)備因素
設(shè)備因素主要指的是風(fēng)窗玻璃采用全自動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行裝配的過程,整個(gè)過程無需人員操作[5]。全自動(dòng)機(jī)器人裝配工藝流程如下:機(jī)械手抓取玻璃上線、定位機(jī)構(gòu)固定玻璃、機(jī)器人對(duì)玻璃進(jìn)行清潔和底涂、底涂劑烘干、風(fēng)窗玻璃翻轉(zhuǎn)并定位、機(jī)器人抓取玻璃涂膠并進(jìn)行膠型檢測(cè)、駕駛室運(yùn)行至裝配區(qū)域、視覺識(shí)別系統(tǒng)定位駕駛室坐標(biāo)、機(jī)器人掃描駕駛室風(fēng)窗止口并裝配玻璃。
對(duì)于失效原因,可以從以下2個(gè)方面進(jìn)行分析:活化、底涂過程失效分析:在活化、底涂過程中,如果機(jī)器人運(yùn)行軌跡偏離設(shè)計(jì)位置,就可能導(dǎo)致活化、底涂粘接功能失效。此外,如果涂活化劑與底涂的間隔時(shí)間較短,導(dǎo)致活化劑未完全曬干,涂抹底涂后活化劑中的濕氣可能會(huì)失去粘接效果。同樣,如果打膠時(shí)底涂劑未干,膠粘劑覆蓋在底涂劑上,底涂劑內(nèi)部存在的濕氣也可能導(dǎo)致失去粘接效果。
打膠裝配過程失效分析:在機(jī)器人抓取玻璃(圖2)時(shí),如果抓取位置與設(shè)定位置偏差過大,就可能導(dǎo)致涂膠軌跡偏離設(shè)計(jì)位置,從而造成風(fēng)窗玻璃裝配不到位。此外,如果膠泵出膠尺寸小于設(shè)計(jì)尺寸,或者機(jī)器人在出膠過程出中出現(xiàn)斷膠或膠型內(nèi)部出現(xiàn)氣泡,都可能導(dǎo)致風(fēng)窗玻璃裝配后密封不嚴(yán),出現(xiàn)漏水現(xiàn)象。另外,如果抓取玻璃的吸盤布置位置不均勻,可能會(huì)導(dǎo)致抓取玻璃后玻璃發(fā)生形變。當(dāng)玻璃裝配完成后,如果玻璃再次發(fā)生形變,就可能造成玻璃與駕駛室貼合不嚴(yán)[6],從而導(dǎo)致漏水。
3.3零部件因素
在前風(fēng)窗玻璃粘接工藝膠型尺寸設(shè)計(jì)時(shí),既要考慮膠粘劑的強(qiáng)度是否滿足整車性能要求,還要考慮膠粘劑的尺寸是否能充分匹配零部件的尺寸偏差。這2個(gè)方面的需求都需要被納入膠型尺寸的設(shè)計(jì)考量中。失效原因分析:第一,駕駛室風(fēng)窗止口的平面度偏差過大,造成白車身與風(fēng)窗玻璃之間的裝配間隙大于設(shè)計(jì)尺寸,膠粘劑無法完全填充該間隙,從而影響粘結(jié)效果;第二,玻璃粘接面的平面度過大,會(huì)使得其與駕駛室的配合間隙增大。在裝配完成后,膠粘劑與駕駛室之間可能會(huì)出現(xiàn)縫隙[7],進(jìn)而影響密封性和防水性能。
3.4膠型設(shè)計(jì)因素
風(fēng)窗玻璃膠型尺寸的設(shè)計(jì)需要綜合考慮以下幾個(gè)方面:第一,整車裝配完成后的強(qiáng)度要求;第二,膠粘劑在工藝流程中未完全固化時(shí)的強(qiáng)度;第三,風(fēng)窗玻璃和駕駛室零部件之間的尺寸公差;第四,玻璃裝配完成后,在膠粘劑未完全固化之前,駕駛室在線體運(yùn)行或翻身時(shí)的強(qiáng)度需求。
失效原因分析:第一,膠粘劑強(qiáng)度不夠,無法滿足整車運(yùn)行時(shí)的工況要求,造成膠粘劑開裂;第二,設(shè)計(jì)的尺寸不匹配駕駛室和玻璃的公差,導(dǎo)致裝配完成后膠粘劑和駕駛室之間有縫隙;第三,風(fēng)窗玻璃裝配完成后,在駕駛室在線體運(yùn)行或翻身時(shí),如果風(fēng)窗玻璃與駕駛室之間有相對(duì)位移[8],會(huì)導(dǎo)致膠粘劑受到額外的應(yīng)力和損傷。
3.5環(huán)境因素
溫度和濕度是影響膠粘劑固化速度快慢的主要因素。特別是對(duì)于單組分粘接劑來說,它是通過與空氣中的水分反應(yīng)來固化的。在溫度較低的環(huán)境下,固化速度會(huì)更慢。因此,在周邊環(huán)境溫度較低的情況下,需要在膠桶上增加加熱設(shè)備,以確保膠粘劑不受環(huán)境因素的影響并正常固化。
4總結(jié)
前風(fēng)窗玻璃粘接工藝膠型的設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)計(jì)算過程,既要考慮整車性能粘接強(qiáng)度,又要考慮零部件配合的尺寸公差,還要考慮裝配單位的裝配工藝和環(huán)境因素。尤其是全自動(dòng)化機(jī)器人涂膠裝配過程中,對(duì)線體的一致性、零部件的一致性要求更高。只有在人、機(jī)、料、法、環(huán)幾個(gè)方面都同時(shí)考慮到位,并結(jié)合生產(chǎn)單位的工藝流程,才能設(shè)計(jì)出合理的膠粘工藝方案。