適用于多種中小型機(jī)加零件的自動(dòng)清洗設(shè)備的研制

胡石雄

摘 要： 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步以及制造標(biāo)準(zhǔn)的提高，工業(yè)清洗技術(shù)受到了企業(yè)和研究單位等機(jī)構(gòu)的重視，本文對(duì)機(jī)械制造行業(yè)中的多種中小型機(jī)械零件表面污染物種類進(jìn)行分析，結(jié)合傳統(tǒng)與現(xiàn)有的清洗方式與技術(shù)，設(shè)計(jì)出一套滿足大部分中小型機(jī)加零件清洗要求的高效清洗工藝和通用性較強(qiáng)的清洗設(shè)備。文中主要研究現(xiàn)有清洗工藝路線，如何選取合適清洗工藝，并確定清洗機(jī)總體設(shè)計(jì)方案和設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)模塊：清洗籃、傳動(dòng)系統(tǒng)、過(guò)濾系統(tǒng)、噴淋系統(tǒng)、凈化儲(chǔ)液系統(tǒng)，為制造行業(yè)產(chǎn)品零件的清洗技術(shù)設(shè)備研發(fā)提供參考。

關(guān)鍵詞： 清洗技術(shù)；機(jī)加零件；動(dòng)清洗；表面清洗

中圖分類號(hào)： TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-8153（2016）01-0107-05

1 課題研究的背景與意義

人們生活質(zhì)量的提高刺激著工業(yè)制造產(chǎn)品的生產(chǎn)產(chǎn)量大幅度提升，同時(shí)人們也對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量要求越來(lái)越嚴(yán)格。其中，構(gòu)成產(chǎn)品中的核定零件是決定產(chǎn)品質(zhì)量與性能的核心部分，其內(nèi)部零部件的性能穩(wěn)定要求零件之間裝備精確，所以在裝配前，對(duì)零件的清洗環(huán)節(jié)至關(guān)重要。企業(yè)和研究單位不得不重視零件的制造過(guò)程中清洗工藝[1]。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)機(jī)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(gè)成熟的清洗技術(shù)和體系[2]，傳統(tǒng)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(yè)，自動(dòng)化程度不高。另外，使用這些傳統(tǒng)清洗方法清洗工序有以下弊端：（1）重復(fù)而不合理，清洗效率非常低；（2）工人們工作強(qiáng)度大，工作環(huán)境惡劣，給身體帶來(lái)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(dǎo)致清洗液揮發(fā)到空中，對(duì)車間造成空氣污染，甚至影響其他精密設(shè)備的正常工作；（5）每次清洗完成后都直接倒掉，不能循環(huán)利用，導(dǎo)致資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，也直接污染周邊環(huán)境[3]。

綜上所述，在目前清洗技術(shù)落后以及制造業(yè)行業(yè)迅猛發(fā)展的背景下，提高零件的清洗技術(shù)水平，開發(fā)設(shè)計(jì)出符合當(dāng)下生產(chǎn)要求的通用型自動(dòng)高效機(jī)加零件清洗機(jī)顯得很有必要。另外，對(duì)機(jī)加零件的清洗工藝的研究以及清洗機(jī)的開發(fā)不但有利于零件制造質(zhì)量的提高、制造資源的有效利用和節(jié)約，而且提高了生產(chǎn)線的自動(dòng)化水平，降低工人們的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善相應(yīng)的工作環(huán)境，實(shí)現(xiàn)環(huán)保、高效安全的現(xiàn)代科學(xué)清洗生產(chǎn)模式[4]。

2 機(jī)加零件污染物特性分析與清洗工藝選擇

2.1 機(jī)加零件特性

根據(jù)機(jī)械零件加工工藝與本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可知：零件制造加工過(guò)程中經(jīng)過(guò)多次加工工序后，加工雜質(zhì)或其他污漬會(huì)殘留在配合表面、細(xì)孔、螺栓通孔及盲孔等[5]。所以一般的機(jī)械零件在加工制造過(guò)程中需要完成的清洗零件污染物包括：切削油、機(jī)器專用的潤(rùn)滑油、制造過(guò)程中殘留在零件表面的冷卻液、零件表面的加工用料殘?jiān)扒行?、依附在零件表面的空氣灰塵。平時(shí)檢測(cè)一產(chǎn)品的表面清洗合格的指標(biāo)參數(shù)為清潔度，清潔度是指零件或產(chǎn)品清洗后殘留其表面上污物的量[6]，是我們?cè)u(píng)價(jià)零件清洗完成后清洗質(zhì)量好壞的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，可經(jīng)過(guò)專門檢測(cè)機(jī)構(gòu)得到準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，也是檢驗(yàn)清洗設(shè)備的清洗能力的手段。

2.2 清洗工藝分析

從平時(shí)企業(yè)的生產(chǎn)制造過(guò)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(duì)象種類多，形狀和尺寸不一，上料時(shí)必須滿足兩個(gè)條件：對(duì)于尺寸小，質(zhì)量輕，數(shù)量多，可采用人工直接上料到通用型清洗籃模式（清洗籃設(shè)計(jì)下面有介紹）；對(duì)于尺寸相對(duì)大，質(zhì)量大，數(shù)量不多，而且對(duì)清洗表面清洗度要求較高，可采用專用清洗籃來(lái)放置。

根據(jù)化學(xué)反應(yīng)特性知道：清洗液在某一溫度下的清洗效果達(dá)到最好[8]，所以選擇對(duì)清洗液進(jìn)行可控調(diào)節(jié)加熱方式，其中加熱的溫度可根據(jù)不同產(chǎn)品自行查詢或試驗(yàn)找到最佳溫度點(diǎn)。

明確了需要清洗的對(duì)象成份，其中油污殘?jiān)筛鶕?jù)其化學(xué)物質(zhì)特性選取合適的清洗液，殘?jiān)行寂c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(lái)處理，單槽超聲波清洗優(yōu)勢(shì)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(jīng)過(guò)幾次清洗后會(huì)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(lái)保證清洗質(zhì)量，這會(huì)給企業(yè)帶來(lái)清洗成本的增加，不符合本論文清洗設(shè)備低成本制造的出發(fā)點(diǎn)。高壓水射流清洗主要通過(guò)液體的沖擊力把污染物沖掉，流下的污染水可通過(guò)過(guò)濾方式循環(huán)利用，環(huán)保且高效，所以選擇高壓水射流清洗方式來(lái)處理。

避免清洗完后造成零件的二次污染，應(yīng)對(duì)零件進(jìn)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(dá)到下一個(gè)工序處理的標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)清洗液的循環(huán)利用，我們對(duì)清洗完后的清洗液進(jìn)行過(guò)濾二次利用。另外，當(dāng)噴淋清洗完成后，通過(guò)溫度控制裝置控制排氣裝置的開啟以及清洗完成時(shí)間，這樣給整個(gè)清洗裝置內(nèi)部營(yíng)造一個(gè)高溫空間，使零件在經(jīng)過(guò)噴淋清洗后通過(guò)高溫快速烘干，且在清洗過(guò)程中，載有零件的工作臺(tái)一直處于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這樣零件在運(yùn)動(dòng)過(guò)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(guò)程，同時(shí)，清洗完后留在清洗設(shè)備內(nèi)的熱蒸汽可以對(duì)零件進(jìn)行干燥，不用再設(shè)計(jì)專用的干燥裝置，避免結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜化而降低其他零件清洗的通用性。

所以在這里我們針對(duì)研究對(duì)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(guò)程與上料過(guò)程對(duì)應(yīng)，當(dāng)整個(gè)清洗過(guò)程完成后，質(zhì)量輕的零件可由操作工人手工卸料，質(zhì)量大的可通過(guò)控制天車將專用清洗籃吊出運(yùn)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(jī)加零件清洗機(jī)的總體結(jié)構(gòu)方案

根據(jù)上面討論的清洗工藝和工序選擇，結(jié)合中小型機(jī)加零件本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將清洗機(jī)的結(jié)構(gòu)組成如下：

整機(jī)一共分為五大結(jié)構(gòu)模塊：清洗裝置、干燥系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、儲(chǔ)液凈化系統(tǒng)。

3.1 清洗裝置模塊

清洗裝置模塊主要包括整個(gè)清洗機(jī)的機(jī)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(shè)計(jì)的范疇。

3.2 干燥系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前干燥方式有熱風(fēng)干燥、氣流噴射和離心裝置甩干等方式?？紤]到設(shè)備的通用性和制作成本等設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)，對(duì)清洗和干燥的要求不能太高。另外，清洗方式采用高溫旋轉(zhuǎn)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(jié)合，蒸汽烘干時(shí)需要對(duì)清洗機(jī)內(nèi)的高溫氣體濃度和溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，這就涉及到通風(fēng)裝置的設(shè)計(jì)。

3.3 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

清洗對(duì)象的運(yùn)載一般是依靠機(jī)械部件完成的，方式較多，如網(wǎng)帶輸送鏈、滾子鏈、氣壓或液壓傳送以及電動(dòng)機(jī)式傳送等。因?yàn)楸敬吻逑床捎玫氖切D(zhuǎn)噴淋式清洗技術(shù)，所以采用電機(jī)傳送，通過(guò)減速器帶動(dòng)清洗籃轉(zhuǎn)動(dòng)。減速器的輸出軸與清洗籃之間以齒輪齒條形式傳動(dòng)。

3.4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

清洗機(jī)通過(guò)可編程控制器PLC控制清洗籃的運(yùn)轉(zhuǎn)、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(shù)的實(shí)時(shí)反饋與控制。

3.5 凈化儲(chǔ)液系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了保證清洗液的連續(xù)性以及清洗液的循環(huán)利用，設(shè)計(jì)了合適大小的儲(chǔ)液池和高壓泵，對(duì)于過(guò)濾系統(tǒng)，在有必要的情況下可以設(shè)計(jì)雙重過(guò)濾。另外由于在零件制造加工過(guò)程中會(huì)有少量切削液等油污附在表面上，當(dāng)被清洗后脫離零件會(huì)進(jìn)入到儲(chǔ)液池內(nèi)，為了防止油污的二次污染，需設(shè)計(jì)油水分離系統(tǒng)。

4 清洗機(jī)結(jié)構(gòu)模塊組成及實(shí)例展示

由于本文研究的是適合多種機(jī)械零件清洗的清洗機(jī)，所以就不對(duì)具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。確定完清洗機(jī)總體結(jié)構(gòu)組成設(shè)計(jì)方案，我們主要設(shè)計(jì)任務(wù)是對(duì)各個(gè)模塊中在系統(tǒng)中的位置設(shè)計(jì)及關(guān)鍵問題的解決。

4.1 清洗機(jī)結(jié)構(gòu)模塊組成

根據(jù)上面的清洗工藝的分析與選擇，下面的清洗機(jī)結(jié)構(gòu)組成設(shè)計(jì)方案采用了水箱一體化且具有油水分離功能的清洗機(jī)結(jié)構(gòu)方案，圖1為水箱一體式且具有油水分離功能的清洗機(jī)總裝示意圖，整個(gè)清洗機(jī)由機(jī)箱、清洗籃、過(guò)濾系統(tǒng)、儲(chǔ)液系統(tǒng)、隔離板、噴淋系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)組成。

圖2為總機(jī)裝配圖示意圖，設(shè)備右后45°視圖，圖3為下箱體的裝配示意圖，為設(shè)備左前45°視圖，通過(guò)這兩張裝配圖可清楚知道各個(gè)裝置結(jié)構(gòu)在整機(jī)中的位置和作用。

4.2 零件清洗工作流程

（1）將要清洗對(duì)象放置固定到圖上的清洗籃中，高壓水泵將預(yù)先加熱的清洗液從儲(chǔ)液池中通過(guò)噴嘴噴射到清洗零件表面進(jìn)行清洗，為了達(dá)到零件上下表面全方位清洗效果，其中噴嘴設(shè)計(jì)成上下兩層結(jié)構(gòu)，上層固定在箱體上蓋，下層裝置在清洗籃下面位置，在此過(guò)程中，電機(jī)通過(guò)齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)清洗籃以預(yù)設(shè)定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。

（2）噴出的清洗液回收是通過(guò)隔離板的周邊管型通道回到儲(chǔ)液池中，中途經(jīng)過(guò)過(guò)濾盒。其中過(guò)濾盒采用可抽離方式設(shè)計(jì)，方便工人及時(shí)清理洗下的鐵屑等污染物，對(duì)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(lái)，這樣清洗液可以多次循環(huán)利用，節(jié)省清洗成本。

（3）清洗干凈結(jié)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(jìn)行下料處理。

上面是清洗工作流程，在結(jié)構(gòu)方面，傳動(dòng)系統(tǒng)包括電機(jī)、電機(jī)輸出端小齒輪、齒條、清洗籃下滾輪以及清洗籃側(cè)滾輪。電機(jī)位于清洗機(jī)正后方，通過(guò)減速器將動(dòng)力傳到電機(jī)輸出端小齒輪，齒輪通過(guò)嚙合帶動(dòng)位于清洗籃下方的一圈齒條，從而帶動(dòng)清洗籃旋轉(zhuǎn)。清洗籃下滾輪位于清洗籃下方最外側(cè)，支撐清洗籃的同時(shí)亦是清洗籃旋轉(zhuǎn)的軌道。而清洗籃的側(cè)滾輪位于機(jī)箱內(nèi)側(cè)四個(gè)角上與清洗籃相切的位置，主要是對(duì)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(jī)機(jī)箱的側(cè)壁上，在與過(guò)濾盒正對(duì)的位置開有一個(gè)小孔，便于清洗液清洗完成后流經(jīng)過(guò)濾盒返回到儲(chǔ)液池中。

4.3 清洗機(jī)應(yīng)用實(shí)例

結(jié)合佛山某一汽車零配件生產(chǎn)制造企業(yè)的項(xiàng)目課題，根據(jù)以上的清洗機(jī)研究基礎(chǔ)，研制出第一代旋轉(zhuǎn)式清洗機(jī)樣機(jī)。目前在該廠用于生產(chǎn)清洗任務(wù)有5臺(tái)，完成了廠里大多數(shù)汽車零配件的清洗作業(yè)，清洗后的機(jī)加零件經(jīng)過(guò)專門檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)，清潔度達(dá)標(biāo)，得到客戶認(rèn)可。樣機(jī)如下圖所示：

5 總結(jié)

文中對(duì)于目前制造業(yè)中的清洗作業(yè)模式弊端進(jìn)行分析，并針對(duì)這些問題，設(shè)計(jì)并制造出旋轉(zhuǎn)式熱噴淋清洗樣機(jī)，并調(diào)試成功，達(dá)到清洗要求。

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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