王秀军　王连吉　徐文骥　李国超
（大连理工大学机械工程学院，辽宁大连　116024）

　　摘　要：从超声波清洗机理入手，结合轴承成品清洗实际情况，研制了超声波清洗机，极大地提高了轴承的清洁度；使用碳化水素清洗液，达到了国家环保要求；采用PLC实现自动控制，和其它设备一起实现了生产线的连线，降低了工人的劳动强度，提高了效率。
　　关键词：轴承成品；超声波清洗机；环保清洗液；自动控制PLC
　　1　引言
　　轴承的清洁度对其振动、噪声和使用寿命有很大影响，尤其对于小型低噪声深沟球轴承而言更是如此。所以，清洁度是轴承质量的一项考核指标，必须由生产过程的清洗质量来保证。轴承清洗在生产过程中一般分为两步，即装配前的零件清洗和装配后的成品清洗。轴承的常规清洗方法有刷洗、浸洗、喷淋清洗或高压喷洗等。但对清洁度要求甚高的低噪声轴承而言， 这些清洗方法的效果都不够理想，而超声波清洗作为一种优良的新工艺，已在轴承行业越来越受到重视。
　　2　超声波清洗机理
　　一般来说，人能听到的声音是频率在20～20 kHz的声波信号，高于20 kHz的声波称为超声波。超声波清洗装置主要由超声波发生器（包括超声电源和超声换能器）和清洗液槽组成，如图1所示。超声电源将50Hz的交流电转换成超声频（比如40 kHz）电振荡信号后，通过输出电缆将其输送给液槽底部的超声换能器，由换能器将超声频电振荡信号转换为超声频机械振动并传至清洗液中。

 

　　超声波的传递依照声源强弱，一层强一层弱依次向前传播，当弱的声波信号作用于液体时，会对液体产生一定的负压，使液体内形成许多微小的气泡；当强的声波信号作用于液体时，则会对液体产生一定的正压，从而将液击力，瞬间产生几百摄氏度的高温和高达上百万千帕的压力。这种现象即为“空化效应”。随着空化气泡的反复生成和闭合运动，冲击力不断作用，Z终使粘附在工件上的各类污垢剥落，使工件表面达到高清洁度。
　　清洗液中除有空化效应外，由于超声振动的引入，加速了清洗液的乳化作用和增溶作用，使污垢微细地扩散于清洗液中，加速清洗过程。所以，超声清洗过程实际上是多方面综合作用的结果。
　　3　关键技术分析
　　3.1 清洗液的选择
　　超声清洗的主要机理是超声空化作用，而超声空化的强弱与声学参数、清洗液的物理化学性质及环境条件有关。所以要得到良好的清洗效果，必须选择适当的清洗液和声学参数。清洗液的选择要从以下几个方面来考虑：
　　首先是要从污物的性质来选择去污能力强的清洗液；其次是清洗液产生空穴的能力要强; 再就是清洗液要符合人体安全和环境保护的要求。
　　用于超声波清洗的清洗液可以是石油溶剂清洗液、化学清洗液和水基清洗液等，但这些清洗液都有不尽如人意的地方。从环保方面考虑，作为非ODS类溶剂的碳化水素清洗液，由于它具有毒性小、清洗力强和对金属造成腐蚀的可能性小等优点，正在受到广泛关注。但碳氢化合物有一定可燃性，所以使用碳氢化合物类清洗剂时Z需要重视的是防火安全对策。
　　3.2 超声波发生器
　　液体的空化阈值与超声波频率有密切关系。频率越高，空化阈也越高，即频率越高，在液体中产生空穴所需要的声强或声功率也越大。而超声波频率低时，容易产生空穴，同时在低频率情况下，液体受到的压缩与稀疏作用之间有更长的时间间隙，使气泡在破裂前能长到较大尺寸，使崩溃时空化强度增高有利于清洗作用。因此对于质量和体积较大的物体，一般选用较低频率的超声波清洗机， 对于一些小巧、形状较复杂的零件，清洗时则选用较高频率的超声波清洗机。
　　一般采用的频率范围是20～50 kHz，美国必能信超声波发生器以其丰富的功能和可靠的性能成为首选。一般装置有粗精两个超声槽，故选用两套超声波发生系统。
　　3.3 泵循环过滤系统
　　除在液箱中安装多层粗滤滤网外，还在液压泵之后采用大通过量的过滤器。喷射粗洗和超声波粗洗采用一级过滤，喷射精洗和超声波精洗采用两级过滤，Z终的过滤精度保证在0.5μm。过滤系统安装有压差开关，实时检测滤芯通堵状况，在滤芯堵塞情况下，操作面板上自动提醒更换滤芯。
　　3.4 空气吹干系统
　　空气吹干安排在清洗之后，用于吹去轴承表面和沟道内的清洗液。为保证压缩空气不对清洗干净的轴承造成污染，必须对压缩空气进行过滤，此处使用的过滤器的精度为0.1μm。
　　3.5 热风烘干系统
　　碳化水素清洗液是非常纯净的精制溶液，可彻底挥发无痕迹。由于一般工厂的压缩空气的洁净度很难达到要求，必须对压缩空气进行过滤，此处使用的过滤器的精度为0.1μm。
　　3.6 消防系统
　　尽管碳化水素清洗液有诸多优点，但与ODS类清洗液相比，其沸点高（150℃～190℃）而闪点低（43℃～70℃），较低的闪点提高了设备的防火要求。虽然配备了冷水装置，用于控制清洗液的温度，但为安全起见，需要安装消防罐和消防传感器，能在设定的条件下自动喷射环保型灭火剂。所使用的灭火剂挥发性强，灭火时不会污染清洗液、轴承和设备本身。
　　3.7 冷水系统
　　由于泵循环系统和超声波作用的结果，清洗液的温度会逐渐升高。如前所述，碳化水素清洗液的闪点较低，根据控制要求，需将清洗液的温度控制在适宜的温度范围内。所以必须配备冷水循环系统。
　　3.8 设备本体
　　为尽量减小外部对清洗过程的影响，设备本体全部采用不锈钢制造，抗污染、耐腐蚀。
　　3.9 控制系统
　　可编程控制器（PLC）具有可靠性高、响应快和编程使用方便等优点，所以成为控制首选。应用PLC 的自动控制系统可以在线监控整个清洗过程，能方便修改清洗工艺参数，还可以对异常情况作出判断并作出保护动作。
　　4　典型应用实例
　　基于前述分析，我们为某轴承厂设计了专业清洗小型成品轴承的全自动超声波清洗机。主要工艺流程如图2所示。超声波清洗作为一种高效的清洗方法，宜于用作精清洗。可把超声波清洗安排在退磁和煤油粗清洗之后、注脂压盖之前。装置所实现的工序主要包括喷淋粗洗、超声波粗洗、超声波精洗、喷淋精洗、空气吹干和热风烘干等。轴承输送采用气缸推进式，包含两路导轨，可以高效地完成轴承清洗工作。

 

　　实际使用证明，设备运行可靠，性能稳定，主要有以下几个特点：
　　（1）清洗后轴承的清洁度达到机械工业部“滚动轴承清洁度及评定办法”标准，而且优于工厂原来使用的煤油清洗方法。
　　（2）由于采用了环保型碳化水素清洗液，使得工人的工作条件大为改善，对环境的污染也降到了Z低。同时，此清洗液可以在蒸馏后循环使用，大大节约了成本。
　　（3）由于在电控系统中采用了PLC控制，维护十分方便，更改工艺流程和工作节奏可通过修改程序或直接在操作面板上更改参数来实现，无需更改接线，大大提高了设备的使用效率和性价比。
　　（4）本设备很方便地和其它设备连线组成了生产线，降低了工人劳动强度，提高了劳动生产率。
　　5　结语
　　为了满足当前机电产品对轴承清洗质量的要求，设计了新型轴承成品超声波清洗机，使用清洗效果好的环保型碳化水素清洗液。使用结果表明，该清洗机提高了轴承的清洁度，保证了轴承的质量；通过自动控制系统确保了设备运行的可靠性和安全性；同时降低了生产成本，并大幅度提高了生产效率。
 

 

来源：《机械工程师》2006年第1期