低温等离子清洗技术在清洁发动机涂胶面上的应用

张文全，雷晓东，李柏荣，羊 奎(.贵州吉利发动机有限公司，贵州 贵阳 55004 ；.宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司，浙江 宁波 35336)

0 引言

目前，在汽车发动机领域，油底壳与曲轴箱、曲轴箱与缸体等密封面通常采用硅胶密封，这些硅胶密封面常因残留有机物(如珩磨油、切削液、清洗液等)造成硅胶的附着力不足，从而导致密封失效，发动机漏油。目前的常规工艺为涂胶前对涂胶面进行人工擦拭，而人工擦拭存在诸多缺点，无法达到清洁的要求。等离子清洗技术的应用能够很好地解决这些问题，目前已经应用到光学行业、航空工业、半导体业等领域，并成为关键技术，变得越来越重要。

1 等离子清洗原理

1.1 等离子体

等离子体是物质的第4种形态[1]，当气态物质温度不断上升，将会发生电离，当电离达到一定程度后，物质的状态发生根本变化，物质的这种形态我们称之为物质的第四态，即等离子态。

在等离子体中主要存在以下几种物质：电子、激发态的原子、分子和原子团(自由基)、离子(离子态原子、离子态分子)、分子解离反应过程中生成的紫外线、未反应的原子、分子等，但物质在总体上仍保持电中性状态[1]，如图1所示。

图1 等离子体组成

1.2 等离子清洗机理

等离子体根据温度可以分为高温等离子体和低温等离子体，高温等离子体对物质表面的作用太过强烈，因此基本不会用于清洗领域；而低温等离子体，其放电过程中虽然电子温度很高，但是其他重粒子温度较低(具有低温特性)，因此整体呈低温状态[2]；低温等离子体内富含大量活性粒子，如气体离子、电子、激发态原子、分子、自由基等，这些活性粒子可以在极短时间内与有机化合物发生化学反应和物理反应，将有机物分解，因此可以将等离子技术应用到清洗领域。

2 等离子清洗发动机涂胶面上的应用

发动机涂胶面残留的有机物薄膜，通常为碳氢氧化合物(CXHYOZ)；等离子清洗的过程如下：将压缩空气电离成低温等离子体，通过喷枪喷射到涂胶表面，利用等离子体(主要利用压缩空气中的氧气作为反应气体)[3]对有机物的分解作用，将涂胶表面残留的有机物进行分解，以达到清洁目的。

反应过程主要有两种: 第一种化学反应，将压缩 空气电离后获得大量氧等离子体; 氧等离子体与有机物作用，把有机物(CXHYOZ)分解成二氧化碳和水[3]，，如图2 所示。第二种是物理反应，压缩空气电离成等离子体后，等离子体内的高能粒子以高能量、高速度轰击涂胶面表面[4]，使分子分解。

图2 化学反应过程

3 清洗系统构成

本论文以油底壳(材质为铝)涂胶面等离子清洗系统为例进行叙述，整个等离子清洗系统主要有以下三个部分：第一、由油底壳摆放平台和旋转机构等组成的辅助机械部分；第二、由等离子喷头和主机组成的等离子发生设备；第三、由雅马哈二轴机器人和气缸顶升机构等组成的执行机构。

3.1 机械部分

如图3所示，机械部分主要由以下部分组成：支撑结构1、转台2、排风装置3。其中转台上有两个油底壳放置位置(涂胶面朝下放置)，分为内侧和外侧，内侧作为等离子处理位，外侧为员工操作位。等离子处理过程中会产生微量氮氧化合物，为避免其在设备内部积累，需要采用排风装置将其排出。

图3 机械部分组成

3.2 等离子发生设备

如图4所示，等离子发生设备由控制主机和直喷式喷枪组成；其中主机连接电源及压缩空气，由等离子控制模块、压缩空气控制模块、操作面板组成；等离子喷枪由中间电极、外部电极、绝缘区及喷头组成；两者通过柔性导管传输压缩空气和高压电能。

图4 等离子发生设备

主机具备过流保护、短路保护、断路保护、功率监控等功能，能够与工位PLC通信，同时可在操作面板上设置影响处理效果的功率参数、压力参数、温度参数等。

等离子喷枪是生成等离子体的主要部件，由其内部高压电极对压缩空气进行电离生成等离子体，经喷嘴喷出，喷嘴内径选用5 mm，喷嘴距离被处理材料表面为8 mm(一般选定5 ～15 mm)，可形成12 mm左右的处理宽度，如图5所示。

图5 喷枪工作时等离子束喷射状态

3.3 执行机构发生设备

如图6所示，执行机构由二轴雅马哈机器人1、气缸顶升机构2、底座3组成；等离子喷枪固定在气缸顶升机构上，通过机器人移动喷枪完成对涂胶面的处理。

图6 执行机构组成

4 效果验证

在等离子清洗后，想测试油底壳表面处理的结果，通常用水滴角或达因值来衡量，两种方法的测试结果如下。

4.1 水滴角测试

固体表面润湿性是指一种液体在一种固体表面铺展的能力或倾向性，常用接触角来衡量，本文中用到的液体为水，通常称为水滴角(使用水滴角测试仪测试)，如图7所示。

图7 水滴角示意图

水滴角与润湿的关系：

1)当θ=0°时，表示完全润湿；

2)当θ<90°时，表示部分润湿或润湿；

3)当θ=90°时，是润湿与否的分界线；

4)当180°>θ>90°时，表示不润湿；

5)θ=180°时，表示完全不润湿。

水滴角越小，说明固体表面(油底壳涂胶面)的润湿性能越好，表示该表面的清洁程度越好，利于硅胶密封；水滴角越大，说明固体表面(油底壳涂胶面)的润湿性能越差，表示该表面的清洁程度越差，不利于硅胶密封。如图8所示，油底壳涂胶面在使用等离子处理前，水滴角检测结果为78.699°；如图9所示，等离子处理后，水滴角检测结果为19.649°，提升效果非常明显。对标国际案例，水滴角达到20°左右说明涂胶面表面清洁程度已经很好，不会因硅胶附着力不足导致漏油。

图8 等离子处理前水滴角78.699°

图9 等离子处理后水滴角19.649°

4.2 达因值测试

达因值表征表面(油底壳涂胶面)张力系数的大小，常用的单位：毫牛/米(mN/m)。达因值检测结果越大，说明固体表面(油底壳涂胶面)润湿性能越好，表示该表面清洁程度越好，有利于硅胶密封；达因值测试结果越小，说明固体表面(油底壳涂胶面)润湿性能越差，表示该表面清洁程度越差，不利于硅胶密封。

达因值通常的简易测试方法是达因笔或达因液，有32、34、36、38、40、42、44、46、48、50至72等，代表的就是相应的表面张力的达因值，检测方法以50达因笔为例，如图10所示。

图10 达因笔及达因笔检测方法

在采用等离子处理工艺前，油底壳涂胶表面只能达到32达因值，使用50达因值的达因笔检测不合格，如图11所示；而采用等离子处理工艺后，油底壳涂胶表面能达到50达因值，如图12所示，效果提升非常明显。对标国际案例，达因值达到50后说明涂胶面表面清洁程度已经很好，不会因硅胶附着力不足导致漏油。

图11 采用等离子处理工艺前用50达因笔检测不合格

图12 采用等离子处理工艺后用50达因笔检测合格

5 结论

本文描述了应用低温等离子技术和机器人技术，开发一套自动清洁汽车发动机涂胶面的装置。通过使用等离子束对油底壳涂胶表面进行处理，以去除涂胶表面上的有机化合物；经过验证，等离子处理后，水滴角从78.699°提升至19.649°，达因值从32提升到50，大幅度提升了涂胶表面的清洁程度，从而提升了涂胶表面硅胶的附着力，保证了质量，消除涂胶面的漏油风险，在行业内有一定的推广价值。