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RTV硅胶涂胶在发动机装配线的应用

前言
继排放和噪声之后，汽车发动机密封性能的优劣已成为衡量汽车质量的重要标志之一。与发动机泄露相关的原因主要有三个方面，即相关零件的安装方法、零件精度以及密封件材料的选择。
汽车密封材料是汽车发动机的关键材料，也是要求最苛刻的材料。汽车运行中发动机工作介质的漏泄，会影响发动机容积效率，直接影响汽车发动机的工况，从而使汽车整体性能下降。由于密封不良，环境中的尘、泥、水浸入发动机，也会使其零件过早磨损而报废。因此，密封技术和密封材料对汽车发动机装配来说是一项非常关键的技术。
另一方面，发动机的密封技术要考虑到高温、高压、高爆发率、高功率以及润滑油、燃料油、各种气体、防冻冷却水等各种复杂介质。同时，发动机的设计正向质量轻、体积小、功率大和环保型方向发展，导致密封面狭小、异型和螺栓压紧力不能加大，这又给密封技术和密封材料提出了更高的要求。
1 RTV硅胶密封特点
相较传统的垫片密封技术，液体密封垫片具有良好的填充特性，能够将密封零件表面凸凹不平的间隙完全填平，从而阻断泄漏；液态密封胶成液态状，并有一定的黏性，对接合面有良好的黏附效果，能保证所有基面各点黏附在一起，有效地防止界面泄漏；同时，液态密封胶不存在任何的压缩变形，没有内应力，没有松弛和蠕变，没有弹性破坏等破坏因素，而且胶体的黏度很高，使液态密封垫片具有突出的防渗漏效果。
现代液态密封垫片种类主要有2种，即硅胶密封和厌氧胶密封，都属现场成形。目前发动机装配线主要采用RTV（Room Temperature Vulcanized）硅胶。其密封原理为：通过胶枪或涂胶设备涂到零件表面，零件完成装配后，使硅胶通过吸收空气中的湿气，反应固化，形成高弹性的橡胶垫片，进而形成有效的密封作用，如图1.1所示。

图1.1 RTV硅胶固化示意图
RTV硅胶一般使用在柔性、刚度较弱零件表面，工件在一定工况下存在相对移动，之间存在直接接触或间隙，螺栓力不大，表面为非机加工或粗加工的场合，在一些三接合面处也都有使用。
另外指出的是，液态密封垫片密封是通过螺栓力挤压密封垫片填充零件结合面间隙的，从而实现密封。为了保持长期的结合面贴合、无泄漏，液态密封垫片需要抵抗环境温度、压力、联接处的微小移动，这就给相配合的零件设计提出了一定要求，即结合面上压力的分布应尽量均匀；螺栓联接处刚度足够好，以减少零件结合面的变形。
2 RTV硅胶涂胶工艺
目前发动机装配线采用RTV涂胶的场合主要包括：缸体、下缸体结合涂胶，前盖涂胶，油底壳涂胶，后油封盖涂胶。
RTV涂胶工艺主要分为4个部分：涂胶前预处理、零件结合面涂胶、连接紧固以及后处理测试。
1）预处理。接合面在涂胶前，必须保证接合面上无油、水、铁锈和灰尘，并且表面无机械缺陷，如划痕、毛刺、气孔等。可以使用专门的清洁剂清洗表面异物。
2）RTV涂胶。专门的自动涂胶设备进行涂胶。
3）连接紧固。RTV涂胶完成后需要8min内完成装配紧固。这主要是因为RTV胶接触空气后，便立即开始固化，如果表面结膜，一定要重新涂胶及装配，而厌氧胶密封则没有要求。装配时，两个零件需要垂直装配，不允许平行移动，如图2.1所示。

图2.1a 好 图2.2b 差
4）测试。一般来说发动机装配线生产节拍比较紧凑，并且每台发动机下线前都需要进行密封测试，一般的工艺认为在胶水没有凝固充分进行测试会影响零件密封效果。
3 RTV硅胶涂胶设备
RTV涂胶系统是一种以压缩空气为动力源，通过压强比的不同，最终将密封胶以较大压力输送到操作工位的整套设备。典型RTV涂胶设备主要组成：
1. 气动系统：主要由过滤器、减压阀、压力表、高压软管组成；
2. 供胶系统：双泵压盘配置、 胶枪嘴；
3. 自动涂胶系统：由伺服电机、丝杠、导轨组成；
4. 工件定位工装夹具；
5. 电气控制系统：控制程序、感应开关、控制器，继电器；
6. 涂胶视觉检测系统。

图3.1 RTV涂胶系统简图
3.1 RTV供胶系统
RTV供胶系统主要包括气动高压泵，柱塞泵，升降机构，高压过滤器，输胶管体，调压阀等组成。
气动高压泵是整个RTV涂胶系统的动力源装置，犹如发动机在汽车上的作用一样。它通过消耗压缩空气，将空气的内能转换为柱塞泵的动能。
气动高压泵主体结构与普通汽缸类似，由缸体、活塞、活塞杆及切换工作位的阀组成，如图3.2所示。

图3.2 气动高压泵结构示意图
柱塞泵是涂胶系统抽胶的执行部件，它将胶由底部抽进泵内，再以较高的压力输送到管道中去，其动力由马达提供，输出胶的压力跟系统设计的压力比有关。
升降机构是负责将抽胶的主体部件气动马达、泵体、压盘下压或者提升，起到设备自动化运行的目的。将满桶的胶放置在设备上时，旋转手柄阀到升降机下降的位置，升降机带动以上主体部件下降，使压盘紧贴胶面，系统就可以开始抽胶。当胶桶抽空时，切换阀至上升位，升降机上升，带动主体部件上升，直至压盘脱离胶桶。
高压过滤器是能承受较大压力的过滤装置。它的作用是将胶中的杂质过滤，确保输送到胶枪的胶达到一定的洁净程度。过滤器需要定时更换内部滤芯，更换频率视实际应用环境而定。一般情况下，过滤器两端都安装有压力表，当输出端压力比输入端压力低10bar左右时，滤芯就需要更换了。
3.2 RTV涂胶视觉检测系统
RTV涂胶视觉检测系统主要包括工业相机、相机线缆、图像采集卡、镜头、接圈、组合光源、相机、光源框架、XM software、IPC等。主要用于RTV涂胶系统涂胶效果好差与否的在线检测。
3.2.1检测原理
1）图像采集，组合光源的照射下，拍摄到胶条与背景对比度较大的图像。如图3.4所示：

图3.4 RTV涂胶胶线
2）胶宽的测量，在图像上产品表面为白色，而胶为黑色，通过通过视觉测量工具即可测量出胶条的宽度是否合格。由于涂胶的轨迹为曲线，必须将点胶轨迹划分为多条线段，逐一在每一条线段上进行测量。在每一条线段上测量时，再将该线段按照一定长度划分成若干条小线段，再采用测量视觉工具直接测量。最后综合每条线段的测量结果，即可判断胶条宽度是否合格。
对点胶起始、终止位置、胶线交叉位置或者胶线形状不规则位置，点胶成一个“圆点”或者不规则形状，且点胶宽度明显超过正常点胶宽度。因此，采用单独的测量视觉工具进行测量该处点胶是否合格。同时，在胶线连续的某个区域采用单独的测量视觉工具检测该区域胶线是否有中断。如下图所示：

图3.4 RTV涂胶起始“圆点”
3）胶线的偏移检测，在灰度图上，测量某段胶线的中心线到基准线的距离，根据设置的胶线到基准线的合格范围，即可判断胶线位置是否偏移。
3.2.2 通讯流程
1）产品到位后，PLC向视觉检测系统发送SN（产品序列号，对Silicon工位而言表示PCB上的二维码内容）。
2） PLC向视觉检测系统发送Bit Strobe SN信号。视觉检测系统检测到BitStrobe SN信号上升沿时，会自动获取SN。
3） PLC向视觉检测系统发送Program number（程序号）。
4） PLC向视觉检测系统发送Inspection trigger信号（触发信号）。视觉检测系统检测到Inspection trigger 信号上升沿时，会自动获取Program number，并根据程序号进行切换相应的视觉程序，同时触发相机采集图像并进行处理。
5）视觉检测系统检测完毕后，向PLC发送Camera OK、Camera NG信号。
6）视觉检测系统向PLC发送Inspection Complete信号（检测完成信号）。PLC检测到该信号上升沿时， 会自动获取Camera OK、Camera NG信号，并根据相机检测结果作出相应提示（如检测NG后，需要在JMI 上报警）。
7）当产品流出时，PLC向视觉检测系统发送Reset Result信号（结果复位信号），视觉检测系统收到该信号时，复位Inspection Complete、Camera OK、Camera NG等信号。
8）当视觉系统异常时，视觉检测系统向PLC发送Vision System Faulted 信号（视觉检测系统异常信号）。
3.3 RTV自动涂胶执行系统
RTV自动涂胶执行系统是整个RTV硅胶涂胶系统的核心部份。目前发动机装配线RTV自动涂胶执行系统一般采用直角坐标机器人自动涂胶系统，直角坐标机器人机构刚度好，精度高，可以在高加速度下实现高精度点位控制和轨迹控制，对比关节机器人，直角坐标机器人外观直观、构造成本低，便于维护等特点，因此直角坐标机器人广泛适用于生产效率要求高的发动机装配线的RTV涂胶系统。
3.3.1 涂胶针头
各种不同类型和尺寸的涂胶针头必须适合于所涂产品并与所使用的涂胶阀相一致：
1）聚乙稀锥形针头，用于高粘度产品和涂胶量较大的产品；
2）不锈钢针头，适用于低粘度和UV光固涂胶的产品（尤其用于点胶）；
3）聚乙稀柔性针头；
4）线性聚四氟乙烯不锈钢针头，适用于快速固化产品。
因涂胶嘴较细，为防止胶嘴处硅胶固化阻塞涂胶嘴，待机状态时涂胶嘴浸入到硅油液内，涂胶嘴可在Z轴方向由气缸驱动进行上下移动，以实现防止胶嘴凝固保护及调整涂胶嘴与涂胶平面间的距离。另外，设置自动回油杯报警功能，为防止因长时间停顿造成阻塞涂胶嘴，超过一定时间，设备会自动报警并自动慢速回油杯，防止胶嘴固化。
另外，在工作过程中时常出现需要更换胶嘴的情况，为了保证涂胶位置以及精度，方便操作者更换胶嘴，设计胶嘴校准装置以及程序。每次更换胶嘴后，操作者先手动将胶嘴位置调整到位置，然后再启动程序，运行到位，检验位置、高度是否准确。
3.3.2伺服驱动系统
伺服驱动系统一般由X、Y、Z三方向伺服机械手（Z方向根据实际需求可用气缸驱动）或者机器人驱动。

图3.5 RTV涂胶伺服驱动系统
1）驱动装置机构安装位置应稳定牢固，定位精准。可以实现工件平移速度快，每次行走精度高，并能满足快节拍生产的需要。结构系统设计可简单、快捷的导入工件，避免出现由于工件没有入位，引起碰撞胶嘴的危险。伺服电缸的可移动部分应设计手动插销锁定装置，避免电缸受到外力而造成损坏。.
2）为防止胶嘴在移动中碰伤，涂胶阀在每次涂胶过程中都要有升起下降动作，故机床设置了涂胶枪升降装置，涂胶阀的升降一般采用气缸驱动，移动位置准确。
3）在机器手运动区域内设计胶嘴自动清理装置，一般由刮胶板（或刮胶线）、毛刷、接胶盒组成。胶嘴从硅油杯内抬起开始涂胶前, 先将涂胶阀内的废胶吐出到接胶盒内，防止喷涂在工件上影响密封性能。接胶盒上方配有刮胶装置，将胶刮断后，通过毛刷檫拭装置将胶嘴清理干净后方可进行涂胶。刮断的胶设计引流至接胶盒内，保证台面干净。
3.3.3 在线流量监控器
在线流量监控器，具有集成流量监测功能。用于监测零件的涂胶质量。主要用于探测和评估下列涂胶故障：
1）涂胶系统中的气泡；
2）涂胶系统的压力变化；
3）涂胶针头阻塞或遗失；
4）涂胶针头与零件的碰触。
基于流量监视器的压力是通过感应器以及存储的数值对涂胶压力分布进行测量。通常感应器集成在涂胶阀上。测量持续时间与涂胶持续时间相对应。在适时控制模式下，监视器对已经测量的压力分布曲线与预先存储的曲线值，基于下列三个不同的因素进行比较：
1）整个压力分布曲线（等于涂胶量）；
2）压力分布曲线的包络曲线的长度；
3）最大涂胶值（测量曲线）探测的压力峰值。
在连续模式下，只比较在涂胶过程中，压力级的参考限值。量热系统类似于集成系统和信号处理是一种不同的测量方法。一个微量加热元素存在于产品流动过程中产生的小量热量，用于分析流动产品温度的不同变化。该系统推荐用于小量涂胶量的流量监控、低压力设置、不重要的压力传递、产品粘度和针头直径。基于这种压力传递信号的方法强度太小且不可靠。
4 RTV涂胶工艺过程常见问题
4.1 RTV涂胶工艺过程常见问题
表4.1为发动机装配线RTV涂胶工艺过程常见问题以及主要原因和解决措施。

表4.1表4.1为发动机装配线RTV涂胶工艺过程常见问题以及主要原因和解决措施

问题
主要原因
解决措施
涂胶轨迹过粗
1.伺服轴运动过慢
2.胶枪嘴太低
3.丝杠机械磨损严重
修改参数，提高胶枪嘴与涂胶面高度
涂胶压力过高或过低
1.抽胶泵密封圈磨损
更换密封圈
涂胶轨迹过细或成扁状
1.胶枪嘴与涂胶面距离过大
2.伺服轴运动过快
调整涂胶嘴高度和伺服轴的运动参数
涂胶轨迹出现不连续
1.伺服轴的磨损严重
2.气压波动过大
更换丝杠调整气压

4.2 维护保养
目前，涂胶系统在正常使用条件下，一般故障较少。但其易损件要及时更换，对不同的易损件有它一定的使用周期。按时更换易损件，涂胶系统都不会有很大的问题。
现在周期更换的易损备件主要有：喉部密封件、柱塞泵密封件、压盘胶圈、Z型接头、胶枪密封件、马达密封件及升降汽缸密封件。平时做好设备PM，也是维护重要的一面。看到一些故障征兆时、根据运行状况进行判断等手段，及时处理一些小的问题，都会减少系统故障停机的次数和时间。另外，RTV涂胶对供胶桶、输送管道密封有极高要求，由于涂胶具有一定腐蚀性，供胶桶内的密封圈要严格遵守时间进行更换，负责会导致断胶、硬胶等状况。
常用RTV涂胶维护方法：
1）涂胶压力，当涂氰基丙烯酸盐粘合剂时，涂胶压力通常不应超过1bar。如果压力调整不能达到要求，可适当增加涂胶时间和/或者使用较大的针头。涂胶时间可持续到涂胶阀打开和关闭时，能维持的最长时间。
2）胶液的释气，为避免胶液释气所产生的问题，应采用低涂胶压力和较长的涂胶时间。另外，应定期给涂胶阀缷压。如有可能，应减慢涂胶阀的闭合速度。
3）胶液的分离，为保证胶液的最佳强度，不允许胶液分开使用。应使用较小的容器盛装足够一班或者一天能消耗的胶量，使分离最小化。应避免胶液到涂胶阀接头带角度，最好使用直通接头。应注意让管线保持较大的曲率半径。
4）胶液的触变性，由于胶液的特性，长时间的闲置会改变胶液的触变性。因此，涂胶时，应减小涂胶量并运行两至三次涂胶循环，排出积存的胶液来抵影响。
5 RTV涂胶工艺新技术展望
湖北汽车工业学院刘凌云等，为解决自动装配生产线上针对无精确定位工件的涂胶机器人作业问题，提出了采用视觉搜索定位来事先检测工件位姿的机器人自校正系统，并着重阐述了激光视觉搜索定位的流程、工件位姿检测的数学模型及检测算法、机器人作业运动轨迹修正程序设计等的实现。
利用激光视觉搜索定位、高度偏差检测及坐标变换关系，提出一种快速检测工件位姿微动量的实用方法，并通过机器人编程对喷胶作业路径进行实时修正，以适应实际涂胶作业任务的需要。其视觉传感子系统采用的Meta公司Laser Pilot MTR激光视觉系统，传感器选用MT1/10，该激光视觉系统与机器人配套使用可以工作在连续跟踪、高度定位两种工作模式。
6结语
目前发动机装配线广泛应用RTV硅胶对上下缸体、前盖、油底壳等进行密封。本文对RTV硅胶的密封特点、涂胶工艺和典型涂胶系统以及常见的涂胶过程问题与维护进行了综述性介绍，并对RTV涂胶工艺新技术进行了简单展望。