清潔度技術的應用和發展

□ 王劍剛 □ 連鳳麒 □ 鐘建成

1.上海師范大學 信息與機電工程學院 上海 201418

2.上海素盈清潔科技發展有限公司 上海 201401

1 清潔度概述

清潔度指零部件表面在裝配前的清潔程度，以零部件上殘留顆粒物的質量、尺寸和數量作為評定指標。一般而言，清潔度技術包括零部件清潔度的標注，清潔度指標的控制、抽樣和檢測，清潔度對可靠性影響的分析評估等方面，相關理論涉及機械、儀器、材料等多個學科。

清潔度技術廣泛應用于航空航天［1-2］、車輛［3-5］、醫療器械［6］等對產品可靠性要求較高的行業，其應用領域和服務對象主要包括飛行器、整車、醫療器械等整機，發動機、液壓、傳動等系統總成，軸、齒輪、閥芯、濾芯等零件，以及油液等運行介質。

清潔度控制和檢測對產品可靠性影響較大。美國某航空公司的統計結果顯示，該公司發動機每年因為硬質顆粒污染引起動機故障所導致的損失達幾百至上千萬美元［7］。另外，在液壓系統中，70%左右的故障是由于液壓油清潔度不達標所導致的［8］。

目前，發達國家已普遍利用清潔度技術提升產品質量，清潔度已經被許多國家的企業視為產品的生命線。早在20世紀80年代，在日本汽車發動機生產過程中，清洗工作量約占產品制造工作量的10%，從根本上保證了發動機總成的清潔度［9］。

隨著我國制造業向產業鏈上游進軍，機電產品日趨高端化、精密化、復雜化，其長周期穩定運轉和零件可靠性對產品競爭力的影響日趨凸顯，這就要求清潔度標準有進一步提高，并使相應管理工作系統化、精細化和專業化。

2 國內外清潔度標準發展

2.1 國外

清潔度最早應用于航空航天行業，早期對清潔度的判定是通過質量法進行的。

20世紀60年代初，美國汽車工程師學會制定了SAE 749D臨時標準，美國宇航工業協會制定了NAS 1638臨時標準，開始用微粒數確定油液的清潔度等級。NAS 1638的修訂版至今仍在使用，不過有被國際標準化組織ISO 4406標準取代的趨勢。

1996年，博世公司為了提高柴油汽車發動機共軌噴射系統的生產質量，提出了一個汽車行業零部件清潔度標準，在2005年由德國汽車行業協會發展成VDA-19標準。2009年，ISO 16232標準發布，與VDA-19 標準完全兼容［10］。

2.2 國內

我國從20世紀80年代開始重視清潔度問題，并在上海擬定了全國首個清潔度標準《中小功率內燃機清潔度測定方法》，公布了參考值，推動了國內機械行業的制造水平。

我國的特殊情況在于：由于國內汽車行業對外接觸和技術交流較多，較早地接受了清潔度的先進理念，因此第一個清潔度標準是由汽車和內燃機行業主導的；但是另一方面，在航空航天等其它科技領域，清潔度技術的應用還十分薄弱，相關國家標準也尚待建立或完善。

3 清潔度控制技術

3.1 污染來源

如何使產品清潔度達標是清潔度技術的核心問題。首先要確認污染的來源，也就是產品清潔度超標的原因，這樣才能有針對性地提出有效的檢測和控制方法。

不同的產品，處于整機、總成和零件三個層面上，污染物的來源不盡相同，需要具體分析。總體而言，在包括現場管理人、機、料、法、環五個方面［11］的整個產品生產過程中，污染物都有可能被生產或夾帶進入產品內部或附著在產品表面，具體表現為：①人員意識低，未按相應規定操作而引入污染物；②清洗機未能滿足功能要求或自身清潔度低，進而引入污染物；③產品物料本身雜質多，清洗工藝難以徹底清潔；④ 裝配工序中產生切屑，或工具夾帶引入污染物；⑤ 現場環境中粉塵、臟污較多。

可見，清潔度控制可以分為預防性控制和事后控制兩類。兩類控制方法相輔相成，共同確保產品清潔度達標。

3.2 預防性控制

預防性控制主要包括提高產品的生產工藝和現場管理水平，切斷人、機、料、法、環五個方面的污染來源。近年來，通過設計清潔友好型零件和結構，改造升級機加工工藝，清潔度的預防性控制技術已經有了很大提高，例如：通過設計變更，將工件毛坯內凹處改為平緩過渡，將噴丸工藝改為彭寶珠砂處理等，使工件局部清潔度異常問題得到有效解決［12］；通過工藝順序的重新編排和線鏜刀等新工藝的應用，去除發動機缸體表面的毛刺，有效避免毛刺脫落導致的發動機缸體和油道清潔度降低［13-14］；通過改進加工程序和刀具，顯著減少毛坯貼心殘留，緩解清洗壓力，提升柴油機缸體缸蓋的清潔度［15］。

3.3 事后控制

事后控制主要依賴于清洗技術的發展。清洗技術主要包括壓力沖洗、超聲清洗和化學清洗。

壓力沖洗主要是通過水射流，在壓力或洗滌劑的作用下，清除產品內外污染物。為提高壓力清洗的效果，往往還輔以加熱工序［16］。隨著材料學科和制造工藝的發展，高壓沖洗得到越來越多的應用。相對于化學和人工清洗，高壓清洗具有清洗質量高、效率高、無污染等諸多優點［17］。高壓清洗目前主要的缺點是水霧大使觀察困難，以及噴嘴破損失效造成壓力不穩定［18］，相關問題可以通過計算流體動力學方法進行模擬計算和研究改進［19］。

超聲清洗是目前應用十分廣泛的一種機械產品清洗技術，主要原理是工件在頻率高于20 kHz的超聲波產生空化效應下，將顆粒污染物剝離去除。對于非顆粒污物，根據相似相溶原理溶解于清洗劑［20］。超聲清洗的優點是洗凈效率高、清洗時間短、殘留物少、效果好，主要缺點是相對于一般噴洗技術成本較高，清洗劑的選擇要求較高，這兩點也是目前超聲清洗技術研究和開發的重要方向［21］。

化學清洗主要通過石油溶劑、鹵代烴清洗劑或水基清洗劑等各類洗滌劑進行清洗，達到洗脫工件表面油脂和銹蝕的目的。目前有以水基清洗劑替代有毒有害四氯化碳等鹵代烴的趨勢，但是必須輔以加熱、攪拌、浸泡和噴淋等工序，以提高水基清洗劑的洗滌效果［22］。

在實際生產過程中，往往使用上述技術的組合，以達到最佳的清洗效果。此外，隨著自動化程度的提高，采用可編程序控制器控制［23］或機器人技術［24］的成套清洗機正逐漸發揮越來越大的作用。

4 清潔度檢測技術

判斷產品的清潔度是否達標，可以通過對已經清洗完的產品進行抽樣，并送無塵實驗室檢測清潔度來完成。

產品清潔度分析測試的通用步驟為：首先將樣品根據清潔度標準再次進行清洗，并獲得零部件表面殘余的污染物顆粒；然后通過過濾膜去除顆粒的水分，過濾膜在過濾前后均需烘干，以確定顆粒物的精確質量，對于5 μm左右孔徑的濾膜，需要通過真空泵抽濾；最后采用光學顯微鏡等各類檢測手段，結合分析軟件自動獲得顆粒的數量、尺寸和類型。如果檢測不合格，需要調整清洗機或清洗液，然后重新清洗。

光學顯微鏡是上述離線采樣檢測中最常用的顆粒度檢測儀器，同時也能兼顧顆粒計數的需求，其核心是顆粒識別技術中的圖像方法。光學顯微鏡設備簡單，原理可靠，成本較低，但是需要注意合理配置，并遵守操作規范對試樣進行分析處理和測量統計［25］。

對于油液而言，同樣可以利用過濾法進行稱重，以及通過顯微鏡進行計數，從而判斷油液的清潔度［26］。針對油液清潔度，還可以采用一些在線檢測方法，如光電計數法、電導法、聲導法等［27］。在線采樣法相對而言精度略差，但是十分適用于油液系統的故障診斷和預防，是今后清潔度檢測技術的發展方向之一。

一般而言，清潔度的檢測和清潔度標準是相匹配的。以最新版VDA-19和ISO 16232為例，均給出了清潔度測試流程，以及清洗技術和清洗液的選擇依據，同時推薦了相應的分析儀器。

搖晃法、壓力沖洗法和超聲清洗法是兩個標準均涉及的清洗方法。VDA-19還對非極性清洗液、含表面活性劑的含水中性清洗液、專用清洗液的兼容性進行了說明。質量法、光學顆粒計數法、目視檢查法、掃描電鏡分析法和能譜儀分析法是兩個標準均涉及的分析方法［28］。在VDA-19中，給出了清洗方法選擇步驟，如圖1如示。

▲圖1 VDA-19清洗方法選擇步驟

5 結語

清潔度標準和相關技術經過數十年發展，已經形成了較完整的體系，對航空航天、車輛、醫療器械等行業產品的可靠性具有重要影響。我國的制造業要向高端突破，勢必要重視清潔度體系的建立，包括制定國家標準和各相關制造行業標準，提升清洗技術和檢測技術，完善質量管理體系等。筆者重點研究了清潔度標準和清洗、檢測技術的應用及發展趨勢，為進一步研究清潔度技術前沿問題提供了參考。