硬质合金球齿类产品超声清洗的研究和应用

罗晓冬

（自贡硬质合金有限责任公司，四川自贡 643011）

硬质合金球齿类产品超声清洗的研究和应用

罗晓冬

（自贡硬质合金有限责任公司，四川自贡 643011）

探讨硬质合金球齿类产品的超声清洗工艺流程以及参数的合理选择，分析自动清洗线总体设计及结构和功能。

硬质合金；清洗；球齿类；超声；自动清洗

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.12.53

0 前言

硬质合金产品的生产制备一般要经过原料制备、压制、烧结、深加工研磨（辊磨）等工序。对一些合金切削刀具，研磨加工后还需要进行涂层处理，在刀具表面涂覆一层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，涂层工艺前、研磨（辊磨）工序后，常常需要清洗工艺，去除合金表面的油迹、污垢和氧化物等，以实现合金基体的清洁，提升产品外观质量和品质。

随着硬质合金生产制备技术的发展，对合金刀片、地矿球齿、耐磨零件、精密密封件等合金产品表面状况要求越来越高。硬质合金产品经过研磨、辊磨加工后，表面研磨剂、油迹等和硬质合金的表面结合比较紧密，清洗要求高，这使得硬质合金产品的清洗工序更加重要。随着技术的成熟和完善，超声波清洗已成为效率较高、清洗效果较好的洗净方式，广泛应用于各种体形大小、形状复杂、清洁度要求较高工件的清洗。采用超声清洗技术，不仅可以清洁硬质合金产品表面，而且清洗后产品表面色泽均匀、外观光亮洁净，还可以实现大批量产品的高效自动化清洗作业，减少人工劳动强度，提高作业的可靠性和安全性。

1 超声清洗原理和特点

1.1 超声清洗原理

振动频率超过20 kHz以上的声波则称为超声波。超声波在本质上和声波一样，是一种疏密相间的振动波，通过机械振荡在介质中传播。超声波清洗采用的频率为（20～400）kHz，属于低频及高频超声波。清洗时，超声波发生器将20 kHz以上的高频电信号，通过超声换能器将电能转换为上下运动的振动波。振动传到清洗槽内的清洗液，使液体内交替出现疏密相间的振动。液体不断频繁受到拉伸和压缩，产生数以万计的微米级气泡和空泡。它们在超声波作用下不断生成、闭合并迅速放大，在闭合时液体间因互相碰撞而产生很高压力的冲击波，连续不断产生高压冲击，不断冲刷被清洗工件表面，产生超声空化效应。污垢层在频繁而持续的冲击作用下被剥离、分散、脱落，从而达到清洗件表面净化的目的。

1.2 超声清洗特点

与传统的手工清洗、浸洗刷洗、高压射流清洗、蒸汽清洗等方式相比，超声清洗有较大优势。无论工件表面形状和结构有多复杂，只要能将工件浸泡到清洗液中，超声波就能发挥作用，适用性较强。超声清洗气泡均匀致密，有效利用清洗剂，可快速去除工件表面污垢，达到99.5%的去污效果，清洁度高。同时，超声清洗易于实现自动化、流水线作业，生产效率高。在对产品表面质量和生产效率要求较高的场合，超声清洗有较大优势。

2 影响清洗效果的主要因素

清洗效果主要包括清洗效率和清洗质量2方面内容。中、低频超声波清洗时，清洗效果主要取决于超声空化效应强弱。超声空化效应产生的难易程度与超声频率、超声功率（声强）、超声场分布、清洗液性质、环境条件、被清洗物声学性质等密切相关。同时，这些因素也直接影响到清洗效果。

（1）超声功率可增强空化效应。一般来说，超声功率越高，超声空化效应也越强。但是，当超声功率达到一定程度后，超声空化效应将趋于饱和。

（2）超声振动频率越低，越容易在液体中产生空化效应，空化强度相对高，适用于清洗污物与清洗件表面结合强度高的场合；超声振动频率越高，空化效应相对越弱，适用于清洗污物与表面结合力弱的场合，以及零件细小部位的精细清洗。

（3）清洗介质的选择。一般来说，黏度小、蒸汽压小的液体有利于空化效应。超声波清洗一般有化学清洗剂和水基清洗剂2种，有时也会针对性地添加一些助溶剂、稳定剂及消泡剂等。清洗介质的化学作用与超声波清洗的物理作用效应相结合，可以对工件表面进行充分、彻底的清洗，增强清洗效果。

（4）合理选择清洗温度。温度升高有利于空化，但其蒸汽压也会相应增高，减弱空化效应。所以，要通过实验摸索，选择最佳的清洗液工作温度。综合考虑空化强度及清洗效果，清洗液一般选择（40～70）℃的工作温度。

（5）被清洗物的声学性质与清洗效果有直接关系。橡胶等质地较软、声吸收较大的材料，清洗效果差，而金属、玻璃等质地较硬、声反射强的材料，超声清洗效果较好。

3 硬质合金球齿类产品超声清洗工艺流程以及工艺参数

3.1 硬质合金球齿类产品超声清洗工艺流程

不同清洗对象需要选择不同的清洗工艺。清洗对象的特性、材料构成、结构、数量以及污物类型等，决定了与其配套的清洗设备和合适的清洗工艺流程。硬质合金产品经磨削、研磨或产品辊磨加工后，残留的油迹、污垢、氧化物等与合金表面结合紧密，污垢严重，同时要求清洗后产品表面洁净、干燥，不受腐蚀。针对硬质合金产品，自动清洗工艺一般设置为：自动上料—超声粗洗—超声精洗—热水漂洗—热水喷淋—强风吹干—热风烘干—自动下料等。同时，合金产品表面脏污分布特性不同，采取的清洗工艺也有差异。对于那些表面状况质量要求较高的精密合金零件，如涂层刀片等，则需要更完善的超声清洗工艺流程。

3.2 合金产品清洗工艺参数的合理选择

超声清洗效果主要取决于超声空化效应，而超声空化效应与超声功率、清洗液性质等因素直接相关。要获得好的清洗效果，必须选择合适的超声功率、振动频率以及适合的清洗液介质、参数。

（1）超声频率。一般来说，对于普通产品、零部件的超声清洗工艺，超声工作频率一般选择（20～50）kHz低频段，超声空化作用合适，清洗效果理想。频率过低，空化强度高但噪声太大，一般不采用。对于硬质合金产品的超声清洗，一般超声振动频率为（25～35）kHz内。可根据产品表面污物状况进行参数调整。

（2）超声功率。超声功率偏小，可能会出现长时间清洗也无法清除污垢的现象，效果不佳；如果超声功率太大，空化强度增大，又容易在产品表面产生蚀点，腐蚀振动板。对于硬质合金产品，超声功率密度的设计和选择，与合金产品特性、清洗能力、清洗槽结构设计有关。功率密度一般选择在（0.4～0.6）W/cm2。超声振子功率为（50～100）W，总功率2 kW左右。数量不少的超声波振子均匀布置在矩形清洗槽底部和侧面。合金产品位于液面以下，通过传送带均匀通过清洗槽体。

（3）清洗液。超声清洗技术所选用的清洗剂种类较多。有碱性和酸性化学清洗剂、水基性清洗剂。选择清洗液是以能充分发挥超声波的作用、达到去污目的为原则。通过试验和实际应用表明，硬质合金产品超声清洗剂选用适度酸性的水基性清洗溶剂较佳。合适的选择是选用适度酸性的清洗液，适用于硬质合金产品的的专用超声波去污剂。同时槽体内清洗液pH控制在4～5较适宜。同时要控制槽内清洗液剂量，废水及时排放和处理。

（4）清洗液温度。合适的清洗液温度能大幅提高超声清洗效果。温度升高，利于油脂类物质在清洗液中的溶解和乳化，可以提高除油效率；但温度过高，蒸气压增大，也会减弱超声空化效应，降低清洗能力。实践表明，在适宜的清洗液条件下，硬质合金产品超声清洗温度应控制在（40±5）℃：温度太低，达不到去污效果；温度太高，则合金表层会起变化，出现一定腐蚀现象。

（5）超声清洗时间。超声清洗时间过长，合金表层容易产生点蚀。对硬质合金产品自动清洗线来说，产品的超声清洗时间宜控制在（1～3）min。

4 自动清洗线的设计布局及结构和功能

4.1 自动清洗线的总体设计

硬质合金球齿类产品，不仅清洗量大，还要求清洗快速、高效、产品表面干燥。可采用全自动清洗线，通过多工序、多工位作业，实现产品大批量、高效的清洗作业。根据工艺需要，球齿类产品自动清洗线的清洗过程设置为自动上料、超声清洗、热水喷淋、强风吹干、热风烘干、自动下料等工序（表1）。

由于球齿类产品无棱边棱角，可以相互间接触触碰，产品输送直接用网带式输送方式，设计应用的全自动清洗线主要由超声波装置、清洗槽体、喷淋装置、风干装置、热风烘干系统、过滤槽循环系统、加热系统、网带传动系统和电气控制系统等组成。对经过辊磨工序的合金产品，在清洗工艺前还需要进行筛分工序，自动清洗线的设计还必须考虑与筛分装置的合理配置。

表1 自动清洗线清洗工艺及配置

自动清洗线长宽高尺寸分别为4200mm，1500mm，1050mm，设有4个工位。清洗线传送速度为（0.4～0.8）m/min（变频调速），超声清洗槽部分总长1 m，超声清洗浸泡时间为（1.2～2.5）min。超声清洗槽、热水喷淋采用电加热方式，风干装置采用压空介质通过多组风嘴、风刀强力吹干产品表面水分。热风烘干系统采用电加热方式，热风经抽、送风机经过工件表面后循环利用。

4.2 自动清洗线的结构组成和功能

自动清洗线结构包括超声清洗槽体、喷淋槽体、储液槽、风干装置、热风循环、过滤循环以及链条传输装置。

超声清洗槽体由厚2mm的304#不锈钢板折弯制作，设有进排液口、循环溢流口。喷淋槽体用2mm厚的不锈钢板制作，顶部有缸盖和排气孔，底部有排水孔。槽体设有活动检修门，两端有隔离附槽，进出口设有软PU（Poly Urethane，聚氨酯）条隔帘，防止喷淋水溅出。储液槽体采用1.5mm的304#不锈钢板，槽体采用球阀控制，设有进排液口、循环溢流口（图1）。

图1 超声清洗槽体结构

风干装置下对吹方式风切，风嘴采用专用的铝合金风嘴和高速风刀，配有油水分离器，采用压缩空气切水。热风循环装置炉体内板采用1.2mm厚的304#不锈钢板制作；炉体厚75mm，内填充保温岩棉，侧面设有活动检修门。出口处设有软PU条隔帘。炉体顶部设有废气排放口，采用蝶形风闸控制加热系统。

链条传输系统驱动采用减速马达，变频器调速，速度为（0.4～0.8）m/min。传动部分设有张紧装置，采用不锈钢网带输送，网带宽400mm。为防止工件在运行时前后滑跑，网带设有不锈钢挡板。输送链条的托轨、护边均采用不锈钢材料。

4.3 电气控制

超声、喷淋、热风烘干装置均采用不锈钢电加热管方式加热，并带有温度显示和控制。电控箱采用1.5mm厚的A3钢板制作而成，表面喷塑，所有电线放在线槽中，设备的强电和弱电分开。操作面板上设有所有的开关和指示，温度控制和参数可调整，操作简便。

5 结束语

随着产品工艺和技术的进步，硬质合金产品基体表面质量和品质提升的高要求，对清洗技术和清洗设备提出了更高的要求。超声波自动清洗线因其优质、高效的清洗特点，可实现自动化、流水线作业方式，在硬质合金产品清洗领域应用越来越普及。实践证明，自动清洗线清洗工艺合理、性能稳定，清洗效率高，减少了作业人员的劳动强度，合金产品的表面质量和品质明显提升。

［1］梁治齐.实用清洗技术手册［M］.北京：化学工业出版社，2001.

［2］陈思忠.超声波清洗技术与进展［J］.洗净技术，2004，2（2）：7-12.

［3］林仲茂.超声波清洗机质量和清洗效果若干问题的探讨［J］.洗净技术，2003（4）：16-18.

［4］章小年，张肄飞，王凤来，等.浅析超声清洗技术在汽车涂装预处理中的应用［J］.现代涂料与涂装，2012，15（10）：44-46.

［5］陈益明，雷建勋.阀类零件的超声清洗及多工位自动清洗线的设计开发［J］.清洗世界，2007，23（3）：33-36.

［6］沈建中.超声清洗技术及其应用［J］.洗净技术，2003（1）：16-20.

TP23

B

〔编辑 吴建卿〕