硬質(zhì)合金球齒類產(chǎn)品超聲清洗的研究和應(yīng)用

羅曉冬

（自貢硬質(zhì)合金有限責(zé)任公司，四川自貢 643011）

硬質(zhì)合金球齒類產(chǎn)品超聲清洗的研究和應(yīng)用

羅曉冬

（自貢硬質(zhì)合金有限責(zé)任公司，四川自貢 643011）

探討硬質(zhì)合金球齒類產(chǎn)品的超聲清洗工藝流程以及參數(shù)的合理選擇，分析自動清洗線總體設(shè)計及結(jié)構(gòu)和功能。

硬質(zhì)合金；清洗；球齒類；超聲；自動清洗

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.12.53

0 前言

硬質(zhì)合金產(chǎn)品的生產(chǎn)制備一般要經(jīng)過原料制備、壓制、燒結(jié)、深加工研磨（輥磨）等工序。對一些合金切削刀具，研磨加工后還需要進行涂層處理，在刀具表面涂覆一層TiC，TiN等超硬材料，以提高表面硬度和耐磨性。因此，在加工后期，涂層工藝前、研磨（輥磨）工序后，常常需要清洗工藝，去除合金表面的油跡、污垢和氧化物等，以實現(xiàn)合金基體的清潔，提升產(chǎn)品外觀質(zhì)量和品質(zhì)。

隨著硬質(zhì)合金生產(chǎn)制備技術(shù)的發(fā)展，對合金刀片、地礦球齒、耐磨零件、精密密封件等合金產(chǎn)品表面狀況要求越來越高。硬質(zhì)合金產(chǎn)品經(jīng)過研磨、輥磨加工后，表面研磨劑、油跡等和硬質(zhì)合金的表面結(jié)合比較緊密，清洗要求高，這使得硬質(zhì)合金產(chǎn)品的清洗工序更加重要。隨著技術(shù)的成熟和完善，超聲波清洗已成為效率較高、清洗效果較好的洗凈方式，廣泛應(yīng)用于各種體形大小、形狀復(fù)雜、清潔度要求較高工件的清洗。采用超聲清洗技術(shù)，不僅可以清潔硬質(zhì)合金產(chǎn)品表面，而且清洗后產(chǎn)品表面色澤均勻、外觀光亮潔凈，還可以實現(xiàn)大批量產(chǎn)品的高效自動化清洗作業(yè)，減少人工勞動強度，提高作業(yè)的可靠性和安全性。

1 超聲清洗原理和特點

1.1 超聲清洗原理

振動頻率超過20 kHz以上的聲波則稱為超聲波。超聲波在本質(zhì)上和聲波一樣，是一種疏密相間的振動波，通過機械振蕩在介質(zhì)中傳播。超聲波清洗采用的頻率為（20～400）kHz，屬于低頻及高頻超聲波。清洗時，超聲波發(fā)生器將20 kHz以上的高頻電信號，通過超聲換能器將電能轉(zhuǎn)換為上下運動的振動波。振動傳到清洗槽內(nèi)的清洗液，使液體內(nèi)交替出現(xiàn)疏密相間的振動。液體不斷頻繁受到拉伸和壓縮，產(chǎn)生數(shù)以萬計的微米級氣泡和空泡。它們在超聲波作用下不斷生成、閉合并迅速放大，在閉合時液體間因互相碰撞而產(chǎn)生很高壓力的沖擊波，連續(xù)不斷產(chǎn)生高壓沖擊，不斷沖刷被清洗工件表面，產(chǎn)生超聲空化效應(yīng)。污垢層在頻繁而持續(xù)的沖擊作用下被剝離、分散、脫落，從而達到清洗件表面凈化的目的。

1.2 超聲清洗特點

與傳統(tǒng)的手工清洗、浸洗刷洗、高壓射流清洗、蒸汽清洗等方式相比，超聲清洗有較大優(yōu)勢。無論工件表面形狀和結(jié)構(gòu)有多復(fù)雜，只要能將工件浸泡到清洗液中，超聲波就能發(fā)揮作用，適用性較強。超聲清洗氣泡均勻致密，有效利用清洗劑，可快速去除工件表面污垢，達到99.5%的去污效果，清潔度高。同時，超聲清洗易于實現(xiàn)自動化、流水線作業(yè)，生產(chǎn)效率高。在對產(chǎn)品表面質(zhì)量和生產(chǎn)效率要求較高的場合，超聲清洗有較大優(yōu)勢。

2 影響清洗效果的主要因素

清洗效果主要包括清洗效率和清洗質(zhì)量2方面內(nèi)容。中、低頻超聲波清洗時，清洗效果主要取決于超聲空化效應(yīng)強弱。超聲空化效應(yīng)產(chǎn)生的難易程度與超聲頻率、超聲功率（聲強）、超聲場分布、清洗液性質(zhì)、環(huán)境條件、被清洗物聲學(xué)性質(zhì)等密切相關(guān)。同時，這些因素也直接影響到清洗效果。

（1）超聲功率可增強空化效應(yīng)。一般來說，超聲功率越高，超聲空化效應(yīng)也越強。但是，當(dāng)超聲功率達到一定程度后，超聲空化效應(yīng)將趨于飽和。

（2）超聲振動頻率越低，越容易在液體中產(chǎn)生空化效應(yīng)，空化強度相對高，適用于清洗污物與清洗件表面結(jié)合強度高的場合；超聲振動頻率越高，空化效應(yīng)相對越弱，適用于清洗污物與表面結(jié)合力弱的場合，以及零件細小部位的精細清洗。

（3）清洗介質(zhì)的選擇。一般來說，黏度小、蒸汽壓小的液體有利于空化效應(yīng)。超聲波清洗一般有化學(xué)清洗劑和水基清洗劑2種，有時也會針對性地添加一些助溶劑、穩(wěn)定劑及消泡劑等。清洗介質(zhì)的化學(xué)作用與超聲波清洗的物理作用效應(yīng)相結(jié)合，可以對工件表面進行充分、徹底的清洗，增強清洗效果。

（4）合理選擇清洗溫度。溫度升高有利于空化，但其蒸汽壓也會相應(yīng)增高，減弱空化效應(yīng)。所以，要通過實驗摸索，選擇最佳的清洗液工作溫度。綜合考慮空化強度及清洗效果，清洗液一般選擇（40～70）℃的工作溫度。

（5）被清洗物的聲學(xué)性質(zhì)與清洗效果有直接關(guān)系。橡膠等質(zhì)地較軟、聲吸收較大的材料，清洗效果差，而金屬、玻璃等質(zhì)地較硬、聲反射強的材料，超聲清洗效果較好。

3 硬質(zhì)合金球齒類產(chǎn)品超聲清洗工藝流程以及工藝參數(shù)

3.1 硬質(zhì)合金球齒類產(chǎn)品超聲清洗工藝流程

不同清洗對象需要選擇不同的清洗工藝。清洗對象的特性、材料構(gòu)成、結(jié)構(gòu)、數(shù)量以及污物類型等，決定了與其配套的清洗設(shè)備和合適的清洗工藝流程。硬質(zhì)合金產(chǎn)品經(jīng)磨削、研磨或產(chǎn)品輥磨加工后，殘留的油跡、污垢、氧化物等與合金表面結(jié)合緊密，污垢嚴(yán)重，同時要求清洗后產(chǎn)品表面潔凈、干燥，不受腐蝕。針對硬質(zhì)合金產(chǎn)品，自動清洗工藝一般設(shè)置為：自動上料—超聲粗洗—超聲精洗—熱水漂洗—熱水噴淋—強風(fēng)吹干—熱風(fēng)烘干—自動下料等。同時，合金產(chǎn)品表面臟污分布特性不同，采取的清洗工藝也有差異。對于那些表面狀況質(zhì)量要求較高的精密合金零件，如涂層刀片等，則需要更完善的超聲清洗工藝流程。

3.2 合金產(chǎn)品清洗工藝參數(shù)的合理選擇

超聲清洗效果主要取決于超聲空化效應(yīng)，而超聲空化效應(yīng)與超聲功率、清洗液性質(zhì)等因素直接相關(guān)。要獲得好的清洗效果，必須選擇合適的超聲功率、振動頻率以及適合的清洗液介質(zhì)、參數(shù)。

（1）超聲頻率。一般來說，對于普通產(chǎn)品、零部件的超聲清洗工藝，超聲工作頻率一般選擇（20～50）kHz低頻段，超聲空化作用合適，清洗效果理想。頻率過低，空化強度高但噪聲太大，一般不采用。對于硬質(zhì)合金產(chǎn)品的超聲清洗，一般超聲振動頻率為（25～35）kHz內(nèi)?？筛鶕?jù)產(chǎn)品表面污物狀況進行參數(shù)調(diào)整。

（2）超聲功率。超聲功率偏小，可能會出現(xiàn)長時間清洗也無法清除污垢的現(xiàn)象，效果不佳；如果超聲功率太大，空化強度增大，又容易在產(chǎn)品表面產(chǎn)生蝕點，腐蝕振動板。對于硬質(zhì)合金產(chǎn)品，超聲功率密度的設(shè)計和選擇，與合金產(chǎn)品特性、清洗能力、清洗槽結(jié)構(gòu)設(shè)計有關(guān)。功率密度一般選擇在（0.4～0.6）W/cm2。超聲振子功率為（50～100）W，總功率2 kW左右。數(shù)量不少的超聲波振子均勻布置在矩形清洗槽底部和側(cè)面。合金產(chǎn)品位于液面以下，通過傳送帶均勻通過清洗槽體。

（3）清洗液。超聲清洗技術(shù)所選用的清洗劑種類較多。有堿性和酸性化學(xué)清洗劑、水基性清洗劑。選擇清洗液是以能充分發(fā)揮超聲波的作用、達到去污目的為原則。通過試驗和實際應(yīng)用表明，硬質(zhì)合金產(chǎn)品超聲清洗劑選用適度酸性的水基性清洗溶劑較佳。合適的選擇是選用適度酸性的清洗液，適用于硬質(zhì)合金產(chǎn)品的的專用超聲波去污劑。同時槽體內(nèi)清洗液pH控制在4～5較適宜。同時要控制槽內(nèi)清洗液劑量，廢水及時排放和處理。

（4）清洗液溫度。合適的清洗液溫度能大幅提高超聲清洗效果。溫度升高，利于油脂類物質(zhì)在清洗液中的溶解和乳化，可以提高除油效率；但溫度過高，蒸氣壓增大，也會減弱超聲空化效應(yīng)，降低清洗能力。實踐表明，在適宜的清洗液條件下，硬質(zhì)合金產(chǎn)品超聲清洗溫度應(yīng)控制在（40±5）℃：溫度太低，達不到去污效果；溫度太高，則合金表層會起變化，出現(xiàn)一定腐蝕現(xiàn)象。

（5）超聲清洗時間。超聲清洗時間過長，合金表層容易產(chǎn)生點蝕。對硬質(zhì)合金產(chǎn)品自動清洗線來說，產(chǎn)品的超聲清洗時間宜控制在（1～3）min。

4 自動清洗線的設(shè)計布局及結(jié)構(gòu)和功能

4.1 自動清洗線的總體設(shè)計

硬質(zhì)合金球齒類產(chǎn)品，不僅清洗量大，還要求清洗快速、高效、產(chǎn)品表面干燥。可采用全自動清洗線，通過多工序、多工位作業(yè)，實現(xiàn)產(chǎn)品大批量、高效的清洗作業(yè)。根據(jù)工藝需要，球齒類產(chǎn)品自動清洗線的清洗過程設(shè)置為自動上料、超聲清洗、熱水噴淋、強風(fēng)吹干、熱風(fēng)烘干、自動下料等工序（表1）。

由于球齒類產(chǎn)品無棱邊棱角，可以相互間接觸觸碰，產(chǎn)品輸送直接用網(wǎng)帶式輸送方式，設(shè)計應(yīng)用的全自動清洗線主要由超聲波裝置、清洗槽體、噴淋裝置、風(fēng)干裝置、熱風(fēng)烘干系統(tǒng)、過濾槽循環(huán)系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、網(wǎng)帶傳動系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)等組成。對經(jīng)過輥磨工序的合金產(chǎn)品，在清洗工藝前還需要進行篩分工序，自動清洗線的設(shè)計還必須考慮與篩分裝置的合理配置。

表1 自動清洗線清洗工藝及配置

自動清洗線長寬高尺寸分別為4200mm，1500mm，1050mm，設(shè)有4個工位。清洗線傳送速度為（0.4～0.8）m/min（變頻調(diào)速），超聲清洗槽部分總長1 m，超聲清洗浸泡時間為（1.2～2.5）min。超聲清洗槽、熱水噴淋采用電加熱方式，風(fēng)干裝置采用壓空介質(zhì)通過多組風(fēng)嘴、風(fēng)刀強力吹干產(chǎn)品表面水分。熱風(fēng)烘干系統(tǒng)采用電加熱方式，熱風(fēng)經(jīng)抽、送風(fēng)機經(jīng)過工件表面后循環(huán)利用。

4.2 自動清洗線的結(jié)構(gòu)組成和功能

自動清洗線結(jié)構(gòu)包括超聲清洗槽體、噴淋槽體、儲液槽、風(fēng)干裝置、熱風(fēng)循環(huán)、過濾循環(huán)以及鏈條傳輸裝置。

超聲清洗槽體由厚2mm的304#不銹鋼板折彎制作，設(shè)有進排液口、循環(huán)溢流口。噴淋槽體用2mm厚的不銹鋼板制作，頂部有缸蓋和排氣孔，底部有排水孔。槽體設(shè)有活動檢修門，兩端有隔離附槽，進出口設(shè)有軟PU（Poly Urethane，聚氨酯）條隔簾，防止噴淋水濺出。儲液槽體采用1.5mm的304#不銹鋼板，槽體采用球閥控制，設(shè)有進排液口、循環(huán)溢流口（圖1）。

圖1 超聲清洗槽體結(jié)構(gòu)

風(fēng)干裝置下對吹方式風(fēng)切，風(fēng)嘴采用專用的鋁合金風(fēng)嘴和高速風(fēng)刀，配有油水分離器，采用壓縮空氣切水。熱風(fēng)循環(huán)裝置爐體內(nèi)板采用1.2mm厚的304#不銹鋼板制作；爐體厚75mm，內(nèi)填充保溫巖棉，側(cè)面設(shè)有活動檢修門。出口處設(shè)有軟PU條隔簾。爐體頂部設(shè)有廢氣排放口，采用蝶形風(fēng)閘控制加熱系統(tǒng)。

鏈條傳輸系統(tǒng)驅(qū)動采用減速馬達，變頻器調(diào)速，速度為（0.4～0.8）m/min。傳動部分設(shè)有張緊裝置，采用不銹鋼網(wǎng)帶輸送，網(wǎng)帶寬400mm。為防止工件在運行時前后滑跑，網(wǎng)帶設(shè)有不銹鋼擋板。輸送鏈條的托軌、護邊均采用不銹鋼材料。

4.3 電氣控制

超聲、噴淋、熱風(fēng)烘干裝置均采用不銹鋼電加熱管方式加熱，并帶有溫度顯示和控制。電控箱采用1.5mm厚的A3鋼板制作而成，表面噴塑，所有電線放在線槽中，設(shè)備的強電和弱電分開。操作面板上設(shè)有所有的開關(guān)和指示，溫度控制和參數(shù)可調(diào)整，操作簡便。

5 結(jié)束語

隨著產(chǎn)品工藝和技術(shù)的進步，硬質(zhì)合金產(chǎn)品基體表面質(zhì)量和品質(zhì)提升的高要求，對清洗技術(shù)和清洗設(shè)備提出了更高的要求。超聲波自動清洗線因其優(yōu)質(zhì)、高效的清洗特點，可實現(xiàn)自動化、流水線作業(yè)方式，在硬質(zhì)合金產(chǎn)品清洗領(lǐng)域應(yīng)用越來越普及。實踐證明，自動清洗線清洗工藝合理、性能穩(wěn)定，清洗效率高，減少了作業(yè)人員的勞動強度，合金產(chǎn)品的表面質(zhì)量和品質(zhì)明顯提升。

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〔編輯 吳建卿〕