適用于多種中小型機加零件的自動清洗設備的研制

胡石雄

摘 要： 隨著科學技術的不斷進步以及制造標準的提高，工業清洗技術受到了企業和研究單位等機構的重視，本文對機械制造行業中的多種中小型機械零件表面污染物種類進行分析，結合傳統與現有的清洗方式與技術，設計出一套滿足大部分中小型機加零件清洗要求的高效清洗工藝和通用性較強的清洗設備。文中主要研究現有清洗工藝路線，如何選取合適清洗工藝，并確定清洗機總體設計方案和設備的主要結構模塊：清洗籃、傳動系統、過濾系統、噴淋系統、凈化儲液系統，為制造行業產品零件的清洗技術設備研發提供參考。

關鍵詞： 清洗技術；機加零件；動清洗；表面清洗

中圖分類號： TP23 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-8153（2016）01-0107-05

1 課題研究的背景與意義

人們生活質量的提高刺激著工業制造產品的生產產量大幅度提升，同時人們也對產品的質量要求越來越嚴格。其中，構成產品中的核定零件是決定產品質量與性能的核心部分，其內部零部件的性能穩定要求零件之間裝備精確，所以在裝配前，對零件的清洗環節至關重要。企業和研究單位不得不重視零件的制造過程中清洗工藝[1]。

目前國內對機加零件清洗的研究還不是非常廣泛，清洗方法也較少，沒有一個成熟的清洗技術和體系[2]，傳統的清洗方法還僅限于人工的泡洗、浸洗、刷洗等，清洗劑多采用煤油，或者采用單槽的超聲波清洗作業，自動化程度不高。另外，使用這些傳統清洗方法清洗工序有以下弊端：（1）重復而不合理，清洗效率非常低；（2）工人們工作強度大，工作環境惡劣，給身體帶來危害；（3）清洗完成后的清潔度不高，不合格率較高；（4）開放性的清洗方式導致清洗液揮發到空中，對車間造成空氣污染，甚至影響其他精密設備的正常工作；（5）每次清洗完成后都直接倒掉，不能循環利用，導致資源的嚴重浪費，也直接污染周邊環境[3]。

綜上所述，在目前清洗技術落后以及制造業行業迅猛發展的背景下，提高零件的清洗技術水平，開發設計出符合當下生產要求的通用型自動高效機加零件清洗機顯得很有必要。另外，對機加零件的清洗工藝的研究以及清洗機的開發不但有利于零件制造質量的提高、制造資源的有效利用和節約，而且提高了生產線的自動化水平，降低工人們的勞動強度，改善相應的工作環境，實現環保、高效安全的現代科學清洗生產模式[4]。

2 機加零件污染物特性分析與清洗工藝選擇

2.1 機加零件特性

根據機械零件加工工藝與本身的結構特點可知：零件制造加工過程中經過多次加工工序后，加工雜質或其他污漬會殘留在配合表面、細孔、螺栓通孔及盲孔等[5]。所以一般的機械零件在加工制造過程中需要完成的清洗零件污染物包括：切削油、機器專用的潤滑油、制造過程中殘留在零件表面的冷卻液、零件表面的加工用料殘渣及切屑、依附在零件表面的空氣灰塵。平時檢測一產品的表面清洗合格的指標參數為清潔度，清潔度是指零件或產品清洗后殘留其表面上污物的量[6]，是我們評價零件清洗完成后清洗質量好壞的參數標準，可經過專門檢測機構得到準確數據，也是檢驗清洗設備的清洗能力的手段。

2.2 清洗工藝分析

從平時企業的生產制造過程知道，零件清洗工序主要包括上料、清洗、卸料這三部分[7]。

考慮清洗對象種類多，形狀和尺寸不一，上料時必須滿足兩個條件：對于尺寸小，質量輕，數量多，可采用人工直接上料到通用型清洗籃模式（清洗籃設計下面有介紹）；對于尺寸相對大，質量大，數量不多，而且對清洗表面清洗度要求較高，可采用專用清洗籃來放置。

根據化學反應特性知道：清洗液在某一溫度下的清洗效果達到最好[8]，所以選擇對清洗液進行可控調節加熱方式，其中加熱的溫度可根據不同產品自行查詢或試驗找到最佳溫度點。

明確了需要清洗的對象成份，其中油污殘渣可根據其化學物質特性選取合適的清洗液，殘渣切屑與灰塵的脫離可利用超聲波和高壓水射流的物理清洗方法來處理，單槽超聲波清洗優勢在于零件可泡在清洗液中清洗，初步清洗效果好，弊端在于清洗液經過幾次清洗后會有一部分污染物依附到清洗后的零件表面，效果逐步降低，如果選擇勤換清洗液方式來保證清洗質量，這會給企業帶來清洗成本的增加，不符合本論文清洗設備低成本制造的出發點。高壓水射流清洗主要通過液體的沖擊力把污染物沖掉，流下的污染水可通過過濾方式循環利用，環保且高效，所以選擇高壓水射流清洗方式來處理。

避免清洗完后造成零件的二次污染，應對零件進行清水噴淋后的干燥或防銹油噴淋烘干工序處理，使其表面及其他清洗部位達到下一個工序處理的標準。同時為了實現清洗液的循環利用，我們對清洗完后的清洗液進行過濾二次利用。另外，當噴淋清洗完成后，通過溫度控制裝置控制排氣裝置的開啟以及清洗完成時間，這樣給整個清洗裝置內部營造一個高溫空間，使零件在經過噴淋清洗后通過高溫快速烘干，且在清洗過程中，載有零件的工作臺一直處于旋轉運動，這樣零件在運動過程中由于所受離心力就能把一部分殘留在表面的液體甩掉，加速烘干過程，同時，清洗完后留在清洗設備內的熱蒸汽可以對零件進行干燥，不用再設計專用的干燥裝置，避免結構過于復雜化而降低其他零件清洗的通用性。

所以在這里我們針對研究對象所選擇的清洗工序主要包括：清洗液加熱、零件高壓噴淋清洗、清水表面噴淋和烘干。

下料過程與上料過程對應，當整個清洗過程完成后，質量輕的零件可由操作工人手工卸料，質量大的可通過控制天車將專用清洗籃吊出運至下一道工序。

綜上所述，最后我們選擇的清洗工藝流程：上料——清洗液加熱——高壓噴淋清洗——清水噴淋——高溫烘干——下料。

3 機加零件清洗機的總體結構方案

根據上面討論的清洗工藝和工序選擇，結合中小型機加零件本身的結構特點，將清洗機的結構組成如下：

整機一共分為五大結構模塊：清洗裝置、干燥系統、運動系統、控制系統、儲液凈化系統。

3.1 清洗裝置模塊

清洗裝置模塊主要包括整個清洗機的機架，夾具（一些零件專用夾具）和通用清洗籃，另外噴頭的選型和布置也屬于清洗裝置設計的范疇。

3.2 干燥系統設計

目前干燥方式有熱風干燥、氣流噴射和離心裝置甩干等方式。考慮到設備的通用性和制作成本等設計出發點，對清洗和干燥的要求不能太高。另外，清洗方式采用高溫旋轉噴射，所以干燥方法可采用離心甩干和熱蒸汽烘干兩種方式結合，蒸汽烘干時需要對清洗機內的高溫氣體濃度和溫度進行調節，這就涉及到通風裝置的設計。

3.3 運動系統設計

清洗對象的運載一般是依靠機械部件完成的，方式較多，如網帶輸送鏈、滾子鏈、氣壓或液壓傳送以及電動機式傳送等。因為本次清洗采用的是旋轉噴淋式清洗技術，所以采用電機傳送，通過減速器帶動清洗籃轉動。減速器的輸出軸與清洗籃之間以齒輪齒條形式傳動。

3.4 控制系統設計

清洗機通過可編程控制器PLC控制清洗籃的運轉、高壓泵的啟停、各種繼電器和指示燈的啟停以及液面和溫度等參數的實時反饋與控制。

3.5 凈化儲液系統設計

為了保證清洗液的連續性以及清洗液的循環利用，設計了合適大小的儲液池和高壓泵，對于過濾系統，在有必要的情況下可以設計雙重過濾。另外由于在零件制造加工過程中會有少量切削液等油污附在表面上，當被清洗后脫離零件會進入到儲液池內，為了防止油污的二次污染，需設計油水分離系統。

4 清洗機結構模塊組成及實例展示

由于本文研究的是適合多種機械零件清洗的清洗機，所以就不對具體結構進行詳細設計。確定完清洗機總體結構組成設計方案，我們主要設計任務是對各個模塊中在系統中的位置設計及關鍵問題的解決。

4.1 清洗機結構模塊組成

根據上面的清洗工藝的分析與選擇，下面的清洗機結構組成設計方案采用了水箱一體化且具有油水分離功能的清洗機結構方案，圖1為水箱一體式且具有油水分離功能的清洗機總裝示意圖，整個清洗機由機箱、清洗籃、過濾系統、儲液系統、隔離板、噴淋系統、傳動系統以及控制系統組成。

圖2為總機裝配圖示意圖，設備右后45°視圖，圖3為下箱體的裝配示意圖，為設備左前45°視圖，通過這兩張裝配圖可清楚知道各個裝置結構在整機中的位置和作用。

4.2 零件清洗工作流程

（1）將要清洗對象放置固定到圖上的清洗籃中，高壓水泵將預先加熱的清洗液從儲液池中通過噴嘴噴射到清洗零件表面進行清洗，為了達到零件上下表面全方位清洗效果，其中噴嘴設計成上下兩層結構，上層固定在箱體上蓋，下層裝置在清洗籃下面位置，在此過程中，電機通過齒輪傳動帶動清洗籃以預設定的轉速旋轉。

（2）噴出的清洗液回收是通過隔離板的周邊管型通道回到儲液池中，中途經過過濾盒。其中過濾盒采用可抽離方式設計，方便工人及時清理洗下的鐵屑等污染物，對于油污類型污染，利用油水分離裝置的泵把清洗液表面油污一層抽出來，這樣清洗液可以多次循環利用，節省清洗成本。

（3）清洗干凈結束后，利用上蓋的抽水霧裝置把熱水蒸氣抽出，完成烘干工序，然后進行下料處理。

上面是清洗工作流程，在結構方面，傳動系統包括電機、電機輸出端小齒輪、齒條、清洗籃下滾輪以及清洗籃側滾輪。電機位于清洗機正后方，通過減速器將動力傳到電機輸出端小齒輪，齒輪通過嚙合帶動位于清洗籃下方的一圈齒條，從而帶動清洗籃旋轉。清洗籃下滾輪位于清洗籃下方最外側，支撐清洗籃的同時亦是清洗籃旋轉的軌道。而清洗籃的側滾輪位于機箱內側四個角上與清洗籃相切的位置，主要是對清洗籃起限位作用。

隔離板位于清洗籃的下方，其四周固定于清洗機機箱的側壁上，在與過濾盒正對的位置開有一個小孔，便于清洗液清洗完成后流經過濾盒返回到儲液池中。

4.3 清洗機應用實例

結合佛山某一汽車零配件生產制造企業的項目課題，根據以上的清洗機研究基礎，研制出第一代旋轉式清洗機樣機。目前在該廠用于生產清洗任務有5臺，完成了廠里大多數汽車零配件的清洗作業，清洗后的機加零件經過專門檢測機構檢測，清潔度達標，得到客戶認可。樣機如下圖所示：

5 總結

文中對于目前制造業中的清洗作業模式弊端進行分析，并針對這些問題，設計并制造出旋轉式熱噴淋清洗樣機，并調試成功，達到清洗要求。

[參考文獻]

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[8]陳旭俊.工業清洗劑及清洗技術[M].北京：化學工業出版社，2002.

Research and Development of Automatic Cleaning Equipment Suitable for Many Kinds of Small and Medium Sized Machine Parts

HU Shi-xiong

（Guangzhou Technician College， Guangzhou 510000，China）

Abstract： With the progress of science and technology as well as the improvement of manufacturing standards， cleaning technology has drawn the attention of enterprises and research institutions. This paper analyses the surface contaminants of many small and medium-sized mechanical parts in machinery manufacturing industry，designs a set to meet most small and medium-sized machine parts cleaning requirements based on the traditional and modern cleaning method and technology. This paper mainly studies the existing cleaning process and how to select appropriate cleaning process to determine overall design plan of cleaning machine and its main modules，including cleaning basket，transmission system，filtering system，sprinkler system，purification of a liquid storage system，which can provide reference for the development of machine parts cleaning technology in manufacturing industry.

Key words： cleaning technology；machine parts；automatic cleaning；surface cleaning