□ 王劍剛 □ 連鳳麒 □ 鐘建成

1.上海師范大學(xué) 信息與機電工程學(xué)院 上海 201418

2.上海素盈清潔科技發(fā)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(zhì)量、尺寸和數(shù)量作為評定指標(biāo)。一般而言，清潔度技術(shù)包括零部件清潔度的標(biāo)注，清潔度指標(biāo)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(guān)理論涉及機械、儀器、材料等多個學(xué)科。

清潔度技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空航天［1-2］、車輛［3-5］、醫(yī)療器械［6］等對產(chǎn)品可靠性要求較高的行業(yè)，其應(yīng)用領(lǐng)域和服務(wù)對象主要包括飛行器、整車、醫(yī)療器械等整機，發(fā)動機、液壓、傳動等系統(tǒng)總成，軸、齒輪、閥芯、濾芯等零件，以及油液等運行介質(zhì)。

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

目前，發(fā)達國家已普遍利用清潔度技術(shù)提升產(chǎn)品質(zhì)量，清潔度已經(jīng)被許多國家的企業(yè)視為產(chǎn)品的生命線。早在20世紀(jì)80年代，在日本汽車發(fā)動機生產(chǎn)過程中，清洗工作量約占產(chǎn)品制造工作量的10%，從根本上保證了發(fā)動機總成的清潔度［9］。

隨著我國制造業(yè)向產(chǎn)業(yè)鏈上游進軍，機電產(chǎn)品日趨高端化、精密化、復(fù)雜化，其長周期穩(wěn)定運轉(zhuǎn)和零件可靠性對產(chǎn)品競爭力的影響日趨凸顯，這就要求清潔度標(biāo)準(zhǔn)有進一步提高，并使相應(yīng)管理工作系統(tǒng)化、精細化和專業(yè)化。

2 國內(nèi)外清潔度標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展

2.1 國外

清潔度最早應(yīng)用于航空航天行業(yè)，早期對清潔度的判定是通過質(zhì)量法進行的。

20世紀(jì)60年代初，美國汽車工程師學(xué)會制定了SAE 749D臨時標(biāo)準(zhǔn)，美國宇航工業(yè)協(xié)會制定了NAS 1638臨時標(biāo)準(zhǔn)，開始用微粒數(shù)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(biāo)準(zhǔn)化組織ISO 4406標(biāo)準(zhǔn)取代的趨勢。

1996年，博世公司為了提高柴油汽車發(fā)動機共軌噴射系統(tǒng)的生產(chǎn)質(zhì)量，提出了一個汽車行業(yè)零部件清潔度標(biāo)準(zhǔn)，在2005年由德國汽車行業(yè)協(xié)會發(fā)展成VDA-19標(biāo)準(zhǔn)。2009年，ISO 16232標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布，與VDA-19 標(biāo)準(zhǔn)完全兼容［10］。

2.2 國內(nèi)

我國從20世紀(jì)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(biāo)準(zhǔn)《中小功率內(nèi)燃機清潔度測定方法》，公布了參考值，推動了國內(nèi)機械行業(yè)的制造水平。

我國的特殊情況在于：由于國內(nèi)汽車行業(yè)對外接觸和技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)是由汽車和內(nèi)燃機行業(yè)主導(dǎo)的；但是另一方面，在航空航天等其它科技領(lǐng)域，清潔度技術(shù)的應(yīng)用還十分薄弱，相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)也尚待建立或完善。

3 清潔度控制技術(shù)

3.1 污染來源

如何使產(chǎn)品清潔度達標(biāo)是清潔度技術(shù)的核心問題。首先要確認(rèn)污染的來源，也就是產(chǎn)品清潔度超標(biāo)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(chǎn)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?？傮w而言，在包括現(xiàn)場管理人、機、料、法、環(huán)五個方面［11］的整個產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，污染物都有可能被生產(chǎn)或夾帶進入產(chǎn)品內(nèi)部或附著在產(chǎn)品表面，具體表現(xiàn)為：①人員意識低，未按相應(yīng)規(guī)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(chǎn)品物料本身雜質(zhì)多，清洗工藝難以徹底清潔；④ 裝配工序中產(chǎn)生切屑，或工具夾帶引入污染物；⑤ 現(xiàn)場環(huán)境中粉塵、臟污較多。

可見，清潔度控制可以分為預(yù)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(chǎn)品清潔度達標(biāo)。

3.2 預(yù)防性控制

預(yù)防性控制主要包括提高產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝和現(xiàn)場管理水平，切斷人、機、料、法、環(huán)五個方面的污染來源。近年來，通過設(shè)計清潔友好型零件和結(jié)構(gòu)，改造升級機加工工藝，清潔度的預(yù)防性控制技術(shù)已經(jīng)有了很大提高，例如：通過設(shè)計變更，將工件毛坯內(nèi)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(yīng)用，去除發(fā)動機缸體表面的毛刺，有效避免毛刺脫落導(dǎo)致的發(fā)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(shù)的發(fā)展。清洗技術(shù)主要包括壓力沖洗、超聲清洗和化學(xué)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(chǎn)品內(nèi)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(xué)科和制造工藝的發(fā)展，高壓沖洗得到越來越多的應(yīng)用。相對于化學(xué)和人工清洗，高壓清洗具有清洗質(zhì)量高、效率高、無污染等諸多優(yōu)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(wěn)定［18］，相關(guān)問題可以通過計算流體動力學(xué)方法進行模擬計算和研究改進［19］。

超聲清洗是目前應(yīng)用十分廣泛的一種機械產(chǎn)品清洗技術(shù)，主要原理是工件在頻率高于20 kHz的超聲波產(chǎn)生空化效應(yīng)下，將顆粒污染物剝離去除。對于非顆粒污物，根據(jù)相似相溶原理溶解于清洗劑［20］。超聲清洗的優(yōu)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(shù)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(shù)研究和開發(fā)的重要方向［21］。

化學(xué)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(chǎn)過程中，往往使用上述技術(shù)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(shù)［24］的成套清洗機正逐漸發(fā)揮越來越大的作用。

4 清潔度檢測技術(shù)

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

產(chǎn)品清潔度分析測試的通用步驟為：首先將樣品根據(jù)清潔度標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)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(xué)顯微鏡等各類檢測手段，結(jié)合分析軟件自動獲得顆粒的數(shù)量、尺寸和類型。如果檢測不合格，需要調(diào)整清洗機或清洗液，然后重新清洗。

光學(xué)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(shù)的需求，其核心是顆粒識別技術(shù)中的圖像方法。光學(xué)顯微鏡設(shè)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(guī)范對試樣進行分析處理和測量統(tǒng)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(shù)，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(shù)法、電導(dǎo)法、聲導(dǎo)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(tǒng)的故障診斷和預(yù)防，是今后清潔度檢測技術(shù)的發(fā)展方向之一。

一般而言，清潔度的檢測和清潔度標(biāo)準(zhǔn)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(shù)和清洗液的選擇依據(jù)，同時推薦了相應(yīng)的分析儀器。

搖晃法、壓力沖洗法和超聲清洗法是兩個標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)量法、光學(xué)顆粒計數(shù)法、目視檢查法、掃描電鏡分析法和能譜儀分析法是兩個標(biāo)準(zhǔn)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(jié)語

清潔度標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)技術(shù)經(jīng)過數(shù)十年發(fā)展，已經(jīng)形成了較完整的體系，對航空航天、車輛、醫(yī)療器械等行業(yè)產(chǎn)品的可靠性具有重要影響。我國的制造業(yè)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(biāo)準(zhǔn)和各相關(guān)制造行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，提升清洗技術(shù)和檢測技術(shù)，完善質(zhì)量管理體系等。筆者重點研究了清潔度標(biāo)準(zhǔn)和清洗、檢測技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展趨勢，為進一步研究清潔度技術(shù)前沿問題提供了參考。