硬質合金球齒類產品超聲清洗的研究和應用

羅曉冬

（自貢硬質合金有限責任公司，四川自貢 643011）

硬質合金球齒類產品超聲清洗的研究和應用

羅曉冬

（自貢硬質合金有限責任公司，四川自貢 643011）

探討硬質合金球齒類產品的超聲清洗工藝流程以及參數的合理選擇，分析自動清洗線總體設計及結構和功能。

硬質合金；清洗；球齒類；超聲；自動清洗

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.12.53

0 前言

硬質合金產品的生產制備一般要經過原料制備、壓制、燒結、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，以實現合金基體的清潔，提升產品外觀質量和品質。

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

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，超聲波發生器將20 kHz以上的高頻電信號，通過超聲換能器將電能轉換為上下運動的振動波。振動傳到清洗槽內的清洗液，使液體內交替出現疏密相間的振動。液體不斷頻繁受到拉伸和壓縮，產生數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生很高壓力的沖擊波，連續不斷產生高壓沖擊，不斷沖刷被清洗工件表面，產生超聲空化效應。污垢層在頻繁而持續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，超聲清洗有較大優勢。無論工件表面形狀和結構有多復雜，只要能將工件浸泡到清洗液中，超聲波就能發揮作用，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，超聲清洗易于實現自動化、流水線作業，生產效率高。在對產品表面質量和生產效率要求較高的場合，超聲清洗有較大優勢。

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量2方面內容。中、低頻超聲波清洗時，清洗效果主要取決于超聲空化效應強弱。超聲空化效應產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、環境條件、被清洗物聲學性質等密切相關。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。一般來說，超聲功率越高，超聲空化效應也越強。但是，當超聲功率達到一定程度后，超聲空化效應將趨于飽和。

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

（3）清洗介質的選擇。一般來說，黏度小、蒸汽壓小的液體有利于空化效應。超聲波清洗一般有化學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、穩定劑及消泡劑等。清洗介質的化學作用與超聲波清洗的物理作用效應相結合，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增高，減弱空化效應。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）被清洗物的聲學性質與清洗效果有直接關系。橡膠等質地較軟、聲吸收較大的材料，清洗效果差，而金屬、玻璃等質地較硬、聲反射強的材料，超聲清洗效果較好。

3 硬質合金球齒類產品超聲清洗工藝流程以及工藝參數

3.1 硬質合金球齒類產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、材料構成、結構、數量以及污物類型等，決定了與其配套的清洗設備和合適的清洗工藝流程。硬質合金產品經磨削、研磨或產品輥磨加工后，殘留的油跡、污垢、氧化物等與合金表面結合緊密，污垢嚴重，同時要求清洗后產品表面潔凈、干燥，不受腐蝕。針對硬質合金產品，自動清洗工藝一般設置為：自動上料—超聲粗洗—超聲精洗—熱水漂洗—熱水噴淋—強風吹干—熱風烘干—自動下料等。同時，合金產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 合金產品清洗工藝參數的合理選擇

超聲清洗效果主要取決于超聲空化效應，而超聲空化效應與超聲功率、清洗液性質等因素直接相關。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、參數。

（1）超聲頻率。一般來說，對于普通產品、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。對于硬質合金產品的超聲清洗，一般超聲振動頻率為（25～35）kHz內?？筛鶕a品表面污物狀況進行參數調整。

（2）超聲功率。超聲功率偏小，可能會出現長時間清洗也無法清除污垢的現象，效果不佳；如果超聲功率太大，空化強度增大，又容易在產品表面產生蝕點，腐蝕振動板。對于硬質合金產品，超聲功率密度的設計和選擇，與合金產品特性、清洗能力、清洗槽結構設計有關。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。數量不少的超聲波振子均勻布置在矩形清洗槽底部和側面。合金產品位于液面以下，通過傳送帶均勻通過清洗槽體。

（3）清洗液。超聲清洗技術所選用的清洗劑種類較多。有堿性和酸性化學清洗劑、水基性清洗劑。選擇清洗液是以能充分發揮超聲波的作用、達到去污目的為原則。通過試驗和實際應用表明，硬質合金產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，適用于硬質合金產品的的專用超聲波去污劑。同時槽體內清洗液pH控制在4～5較適宜。同時要控制槽內清洗液劑量，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，降低清洗能力。實踐表明，在適宜的清洗液條件下，硬質合金產品超聲清洗溫度應控制在（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，出現一定腐蝕現象。

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

4 自動清洗線的設計布局及結構和功能

4.1 自動清洗線的總體設計

硬質合金球齒類產品，不僅清洗量大，還要求清洗快速、高效、產品表面干燥?？刹捎萌詣忧逑淳€，通過多工序、多工位作業，實現產品大批量、高效的清洗作業。根據工藝需要，球齒類產品自動清洗線的清洗過程設置為自動上料、超聲清洗、熱水噴淋、強風吹干、熱風烘干、自動下料等工序（表1）。

由于球齒類產品無棱邊棱角，可以相互間接觸觸碰，產品輸送直接用網帶式輸送方式，設計應用的全自動清洗線主要由超聲波裝置、清洗槽體、噴淋裝置、風干裝置、熱風烘干系統、過濾槽循環系統、加熱系統、網帶傳動系統和電氣控制系統等組成。對經過輥磨工序的合金產品，在清洗工藝前還需要進行篩分工序，自動清洗線的設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，設有4個工位。清洗線傳送速度為（0.4～0.8）m/min（變頻調速），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，風干裝置采用壓空介質通過多組風嘴、風刀強力吹干產品表面水分。熱風烘干系統采用電加熱方式，熱風經抽、送風機經過工件表面后循環利用。

4.2 自動清洗線的結構組成和功能

自動清洗線結構包括超聲清洗槽體、噴淋槽體、儲液槽、風干裝置、熱風循環、過濾循環以及鏈條傳輸裝置。

超聲清洗槽體由厚2mm的304#不銹鋼板折彎制作，設有進排液口、循環溢流口。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。槽體設有活動檢修門，兩端有隔離附槽，進出口設有軟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，設有進排液口、循環溢流口（圖1）。

圖1 超聲清洗槽體結構

風干裝置下對吹方式風切，風嘴采用專用的鋁合金風嘴和高速風刀，配有油水分離器，采用壓縮空氣切水。熱風循環裝置爐體內板采用1.2mm厚的304#不銹鋼板制作；爐體厚75mm，內填充保溫巖棉，側面設有活動檢修門。出口處設有軟PU條隔簾。爐體頂部設有廢氣排放口，采用蝶形風閘控制加熱系統。

鏈條傳輸系統驅動采用減速馬達，變頻器調速，速度為（0.4～0.8）m/min。傳動部分設有張緊裝置，采用不銹鋼網帶輸送，網帶寬400mm。為防止工件在運行時前后滑跑，網帶設有不銹鋼擋板。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，設備的強電和弱電分開。操作面板上設有所有的開關和指示，溫度控制和參數可調整，操作簡便。

5 結束語

隨著產品工藝和技術的進步，硬質合金產品基體表面質量和品質提升的高要求，對清洗技術和清洗設備提出了更高的要求。超聲波自動清洗線因其優質、高效的清洗特點，可實現自動化、流水線作業方式，在硬質合金產品清洗領域應用越來越普及。實踐證明，自動清洗線清洗工藝合理、性能穩定，清洗效率高，減少了作業人員的勞動強度，合金產品的表面質量和品質明顯提升。

［1］梁治齊.實用清洗技術手冊［M］.北京：化學工業出版社，2001.

［2］陳思忠.超聲波清洗技術與進展［J］.洗凈技術，2004，2（2）：7-12.

［3］林仲茂.超聲波清洗機質量和清洗效果若干問題的探討［J］.洗凈技術，2003（4）：16-18.

［4］章小年，張肄飛，王鳳來，等.淺析超聲清洗技術在汽車涂裝預處理中的應用［J］.現代涂料與涂裝，2012，15（10）：44-46.

［5］陳益明，雷建勛.閥類零件的超聲清洗及多工位自動清洗線的設計開發［J］.清洗世界，2007，23（3）：33-36.

［6］沈建中.超聲清洗技術及其應用［J］.洗凈技術，2003（1）：16-20.

TP23

B

〔編輯 吳建卿〕