在生產(chǎn)有特殊表面要求的金屬零件過(guò)程中，預(yù)處理方法的可靠性是高品質(zhì)產(chǎn)品的基礎(chǔ)。清潔過(guò)程在成品的成型、表面處理以及表面涂層中都是必不可少的步驟。零部件清洗不充分造成產(chǎn)品的表面質(zhì)量不良，從而導(dǎo)致成本高企。

　　工業(yè)和金屬部件的清潔由清洗和漂洗程序組成(如圖1)。首先，清洗池除去金屬表面的污染物，接著，漂洗池去除剩余的污染物及清潔劑殘留。清洗池的溫度是40-80℃。蒸發(fā)掉的水一般由下一個(gè)水池的循環(huán)系統(tǒng)補(bǔ)充。

圖1 清洗工藝流程演示

　　為確保清洗過(guò)程的高可靠性，水清洗過(guò)程要求影響清洗結(jié)果的參數(shù)達(dá)到最佳并保持定的狀態(tài)。(如圖2)。這些參數(shù)包括:

　　l 清潔劑成分(促凈劑和表面活性劑)的濃度

　　l 水池的污染物

　　l 水池的溫度

　　l 浴槽的攪動(dòng)

　　流程化管理的主要目標(biāo)是連續(xù)地監(jiān)測(cè)清潔池的條件以及在某種程度上控制這些條件，可以通過(guò)最少量的水，清潔劑及能源以確保充足的清潔質(zhì)量。

　　這里的重點(diǎn)是保持清潔劑成分的適當(dāng)濃度(表面活性劑及促凈劑)。清潔劑成分，表面活性劑和促凈劑的消耗程度是不一樣的，每種成分都需要有適當(dāng)?shù)膭┝?。由于各種原因，清潔劑成分的濃度不斷改變。例如源自零件的殘留物影響，清潔劑成分的減少(由于清洗池循過(guò)濾而損失的)或者每次工件的數(shù)量及污染程度的不同。

　　圖2清潔池的狀態(tài)變化

　　只有在清潔過(guò)程中根據(jù)工件的污染程度、數(shù)量及清潔池的情況調(diào)整清潔池的清潔劑劑量或更換清潔池內(nèi)的液體，才能保證工件的清洗質(zhì)量。負(fù)責(zé)清洗工作的人員及管理者應(yīng)該與清 潔劑制造商及設(shè)備制造商相互合作。所需的清潔程序參數(shù)以及清潔劑的濃度和其可接受的界限值，需根據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，測(cè)試運(yùn)行數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)室或生產(chǎn)設(shè)備最優(yōu)化運(yùn)行的基礎(chǔ)上設(shè)定，以到所需的清潔質(zhì)量?，F(xiàn)實(shí)的情況時(shí)，有時(shí)候?yàn)榱舜_保清潔能力，在清潔池會(huì)投入過(guò)量的清潔劑，但過(guò)量的清潔劑反過(guò)來(lái)成為污染物使清潔效果下降。

　　圖3用氣泡壓力張力計(jì)測(cè)量表面活性劑濃度

　　德累斯頓工業(yè)大學(xué)機(jī)電研究所和電子設(shè)計(jì)研究院分析了清潔金屬零件的過(guò)程，來(lái)幫助大家了解目前在行業(yè)中工序的應(yīng)用及技術(shù)狀況。因此，咨詢(xún)了大量的清潔過(guò)程管理者關(guān)于零件的具體清潔任務(wù)及相應(yīng)的過(guò)程管理。以下是73個(gè)不同公司的專(zhuān)業(yè)人士提供的信息中總結(jié)出來(lái)，主要是歐洲汽車(chē)行業(yè)的清潔過(guò)程：車(chē)身、動(dòng)力總成及其原件、液壓零件及其軸承等：

　　雖然清潔質(zhì)量大部分都有定期的檢測(cè)(74%)，但主要是以主觀評(píng)判的方法，如目視檢查，或后面工程的質(zhì)量檢查。

　　l 只有23%的受訪(fǎng)者通過(guò)客戶(hù)方法檢查清潔表面的干凈程度。

　　l 只有51%的受訪(fǎng)者在與清潔劑生產(chǎn)商合作設(shè)定所需的清潔劑濃度的參數(shù)。而14%的受訪(fǎng)者說(shuō)清潔劑的濃度值是由清潔劑生產(chǎn)商來(lái)決定。因此，可以說(shuō)化學(xué)制劑生產(chǎn)商憑經(jīng)驗(yàn)來(lái)決定清潔池的理想狀態(tài)。

　　l 在84%的情況下，設(shè)備操作員控制著清潔劑的濃度。因此他也負(fù)責(zé)最優(yōu)化當(dāng)前的清潔工序。

　　l 78%的受訪(fǎng)者要求檢測(cè)促凈劑的濃度，而其中79%是滴定法進(jìn)行檢測(cè)的。

　　l 只有49%的受訪(fǎng)者進(jìn)行表面活性劑濃度的檢測(cè)，而其中的51%采用表面張力儀來(lái)測(cè)量表面活性劑的濃度。

　　l 33%的受訪(fǎng)者有一個(gè)清潔劑自動(dòng)配料的系統(tǒng)，但其中只有56%的人認(rèn)為他們的配量是最優(yōu)的。

　　l 38%的受訪(fǎng)者在考慮應(yīng)用更好的方法，比如通過(guò)清潔池的監(jiān)測(cè)及清潔池液體的過(guò)濾或更換來(lái)實(shí)現(xiàn)清潔工序的優(yōu)化。

　　圖4 在清洗過(guò)程中連續(xù)測(cè)量表面活性劑濃度

　　分析表明，金屬零件的清潔過(guò)程與其他生產(chǎn)過(guò)程〔如機(jī)械加工)相比，并沒(méi)有完全被掌握。尤其是清洗過(guò)程中有連續(xù)控制輸入(清潔劑、工件)和輸出參數(shù)(更換液體，過(guò)濾)，以及中間過(guò)程參數(shù)，沒(méi)法確保零件濟(jì)潔質(zhì)量穩(wěn)定。零件清潔的過(guò)程管理發(fā)展水平與過(guò)程可靠性要求有沖突，因?yàn)?3%的人提到這個(gè)這個(gè)情況，詳細(xì)地說(shuō)是因?yàn)檫^(guò)程的不穩(wěn)定性而帶來(lái)的損害賠償。這個(gè)事實(shí)表明，83%的專(zhuān)業(yè)人士調(diào)查知道清潔過(guò)程不足的后果。

　　有一個(gè)關(guān)于經(jīng)濟(jì)與環(huán)保的優(yōu)化潛力的觀點(diǎn)。本質(zhì)的清洗質(zhì)量工藝參數(shù)(例如，清潔劑濃度及以消耗為導(dǎo)向的定量)規(guī)定只發(fā)生在單一的情況下。為了實(shí)現(xiàn)清洗過(guò)程的高可靠性，找到了顯而易見(jiàn)的問(wèn)題原因。在清潔過(guò)程中，大量不同但是又相關(guān)聯(lián)的參數(shù)，以及缺少成體系的配制劑及一些個(gè)人經(jīng)驗(yàn)概括。這些問(wèn)題可以通過(guò)簡(jiǎn)單的過(guò)程參數(shù)的幫助下用檢測(cè)過(guò)程條件來(lái)得到解決。因此它需要一種可行的測(cè)量技術(shù)，可以用于分析以及連續(xù)或分離的過(guò)程檢測(cè)。

　　圖5測(cè)量表面張力的不同方法

　　影響清潔能力的表面活性劑濃度可以通過(guò)測(cè)量動(dòng)態(tài)表面張力得到。另外可以通過(guò)測(cè)量導(dǎo)電率及使用酸堿滴定的方法來(lái)控制促凈劑的濃度。清潔劑濃度的連續(xù)檢測(cè)可以根據(jù)消耗來(lái)確定需要添加多少清潔劑。經(jīng)濟(jì)環(huán)保的優(yōu)化清潔過(guò)程包括:

　　l 減少使用清潔劑的成本

　　l 避免漂洗池中清潔劑成分的積聚

　　l 延長(zhǎng)清潔池的壽命

　　l 減少水及水污染處理成本

　　由于可以測(cè)得表面張力的參數(shù)，使表面活性劑濃度的檢測(cè)以及根據(jù)消耗來(lái)定量變?yōu)榭赡?。因此，氣泡壓力法表面張力儀可用來(lái)測(cè)量有效的表面活性劑的濃度，如圖3.有效的表面活性劑是沒(méi)有被油和污染物束縛的，也沒(méi)有附在金屬表面。在清潔過(guò)程中，只有這些自由的表面活性劑才是有效的，可以形成膠束來(lái)去除金屬表面的污染和油。

　　用測(cè)量清潔過(guò)程中液體的表面張力來(lái)檢測(cè)有效表面活性劑的濃度，使適當(dāng)?shù)厥褂帽砻婊钚詣┏蔀榭赡堋Ｐ枰砑宇~外的劑量時(shí)可使用測(cè)量結(jié)果來(lái)驗(yàn)證。為了將檢測(cè)程序可視化，圖4顯示出了在一個(gè)清潔池內(nèi)連續(xù)測(cè)量的結(jié)果。在開(kāi)始準(zhǔn)備時(shí)，首先可以看到水的表面力值(72.8mN/m,溫度是20℃)。當(dāng)添加表面活性劑時(shí)，表面張力減低。

　　SITA表面張力儀測(cè)量表面張力是以差壓法為基礎(chǔ)的。在測(cè)試過(guò)程中，氣泡通過(guò)插入液面下的毛細(xì)管中形成(如圖5)，有一個(gè)特殊的傳感器測(cè)量氣泡毛細(xì)管頂端的壓力。動(dòng)態(tài)表面張力是用最大和最小氣泡壓力差來(lái)計(jì)算，并使用校準(zhǔn)系數(shù)K來(lái)表示。

　　σ=k·Δp,withΔp=pmax{pmin

　　氣泡壓力用純凈水校準(zhǔn)張力。標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)K取決于自動(dòng)測(cè)量器具，不依賴(lài)氣泡的壽命。SITA差壓法的設(shè)計(jì)原理大大簡(jiǎn)化了表面張力儀操作，因?yàn)闇y(cè)量不再依賴(lài)于毛細(xì)管浸入液體中的深度。

　　相對(duì)于靜態(tài)方法測(cè)量表面張力，動(dòng)態(tài)測(cè)量方法可以測(cè)量表面的表面活性劑的濃度高于臨界膠束濃度(CMC)，即工業(yè)清洗過(guò)程中經(jīng)常使用的濃度范圍，靜態(tài)表面張力儀是無(wú)法測(cè)出超出CMC值的表面活性劑濃度。測(cè)量的基礎(chǔ)原理是表面活性濃度與表面張力過(guò)程值之間的量化關(guān)系。

　　動(dòng)態(tài)表面張力取決于一個(gè)新形成的界面壽命。動(dòng)態(tài)表面張力的差異在于不同界面壽命(氣泡壽命，如圖5)時(shí)有不同數(shù)量的表面活性劑遷移到新的界面上。用哪個(gè)氣泡壽命作為最佳測(cè)量點(diǎn)只需以下程序測(cè)量一次就可以得知。在SITA表面張力儀的Auto模式下測(cè)量某種特定的已知表面活性劑濃度的液體。最佳的氣泡壽命值就是在表面張力測(cè)量值差額最大的那點(diǎn)(如圖6)。之后，測(cè)出一系列已知的表面活性劑濃度不同的參照樣本作為參考曲線(xiàn)。這樣，根據(jù)測(cè)出的表面張力值就可以在參考曲線(xiàn)中查過(guò)表面活性劑的濃度了。

　　圖6A測(cè)量氣泡的壽命

　　圖6B表面活性劑濃度分析參考曲線(xiàn)

　　對(duì)于需要確保高可靠性的清潔過(guò)程，表面活性劑的濃度要保持在特定的界限值內(nèi)。

　　設(shè)定了清潔池的的特定表面張力范圍后，用表面張力儀定期的測(cè)量或者連續(xù)監(jiān)測(cè)，以用來(lái)分析以及監(jiān)測(cè)表面活性劑在整個(gè)清潔過(guò)程的濃度。為了實(shí)現(xiàn)在過(guò)程或?qū)嶒?yàn)室中的高效測(cè)量，測(cè)量?jī)x器必須是可靠的，快速的且易于操作的。手持式張力儀SITA DynoTester可以實(shí)現(xiàn)這些要求。清洗液的表面張力跟溫度的測(cè)量只要按一個(gè)按鈕，幾十秒內(nèi)即可得出結(jié)果。而氣泡壽命參數(shù)或平均測(cè)量數(shù)，都是預(yù)設(shè)的，并只能在管理模式下改變。這些特性最大限度地減少操作錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)。

　　測(cè)量結(jié)果可以被保存在25個(gè)存儲(chǔ)空間供后續(xù)評(píng)價(jià)。內(nèi)置電源可以使用高達(dá)10小時(shí)，確保高靈活性。在不均勻的液體中，可選擇多次讀數(shù)自動(dòng)取平均值的方法增加測(cè)量的可靠性。因此，SITA DynoTester是測(cè)量表面張力過(guò)程參數(shù)的一個(gè)新的經(jīng)濟(jì)的選擇。

　　圖7顯示定期測(cè)量一個(gè)工廠(chǎng)清潔池的結(jié)果。表面張力值的簡(jiǎn)圖顯示了在穩(wěn)定條件范圍內(nèi)的清潔過(guò)程的壽命。在最后一個(gè)漂洗池，表面張力達(dá)到跟水一樣的值。這說(shuō)明表面活性劑濃度減少到0。

　　圖7在清潔過(guò)程中使用手持式表面張力儀進(jìn)行檢測(cè)

　　圖8 連續(xù)的在線(xiàn)測(cè)量模式

　　連續(xù)的清潔池表面張力監(jiān)測(cè)可以通過(guò)清潔池的支線(xiàn)管道來(lái)確保被測(cè)量的液體能代表清潔池實(shí)際情況。在支線(xiàn)管道內(nèi)被連續(xù)測(cè)量的樣本必須是均質(zhì)的，而且要保持一個(gè)同樣的溫度水平。儀器內(nèi)在毛細(xì)管附近有一個(gè)特殊的，可允許緩慢流動(dòng)的容器能夠?qū)?duì)氣泡的消極影響減少到最低而且可以避免顆粒堆積。流動(dòng)的速度是2升/分鐘，這確保了樣本達(dá)到足夠的均質(zhì)而且不會(huì)反乳化，并且接近清潔池的溫度水平。

　　一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題是毛細(xì)管的壽命。在使用的時(shí)候，清潔池里成分的聚集可以改變毛細(xì)管的特點(diǎn)。SITAg表面張力儀使用更堅(jiān)固且不易被水沾濕的PEEK樹(shù)脂材料的毛細(xì)管來(lái)代替普通玻璃毛細(xì)管來(lái)測(cè)量氣泡壓力。PEEK材料以及毛細(xì)管末端逐漸增大的直徑使毛細(xì)管效應(yīng)減小到最低。這意味著液體難以進(jìn)入毛細(xì)管內(nèi)部(減少液體潤(rùn)濕毛細(xì)管內(nèi)部有殘留而影響到下一次測(cè)量)。在相同的條件下，一個(gè)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室毛細(xì)管有大約300小時(shí)的壽命，而優(yōu)化的PEEK的毛細(xì)管壽命是其10倍以上。這種設(shè)計(jì)避免了顆粒累積，保證氣泡長(zhǎng)期的再現(xiàn)性。

　　SITA DynoLine在線(xiàn)測(cè)量技術(shù)是用來(lái)對(duì)連續(xù)的清潔池進(jìn)行監(jiān)測(cè)。這種全自動(dòng)的設(shè)備可組合成工廠(chǎng)生產(chǎn)線(xiàn)的一部分，適應(yīng)于加工及化工工廠(chǎng)的具體需要。它與其他傳感器以及傳統(tǒng)表面張力測(cè)試技術(shù)的不同點(diǎn)在于SITA DynoLine可以自動(dòng)控制提供的樣本，校準(zhǔn)水以及自動(dòng)清洗的程序。其他本質(zhì)特征包括自我監(jiān)控功能，錯(cuò)誤檢測(cè)以及發(fā)送無(wú)故障運(yùn)行報(bào)警信號(hào)。由于自身定期的檢測(cè)功能，毛細(xì)管特征發(fā)生的任何變化(如通過(guò)一個(gè)顆粒堆積的污染物)，都可以被測(cè)量?jī)x器本身所識(shí)別。

　　為了控制液體，設(shè)備在樣本跟水之間有一個(gè)活栓，而且，它有一個(gè)壓力傳感器監(jiān)測(cè)輸入的壓力。所有的測(cè)量值可以保存在設(shè)備里一年，以記錄測(cè)量結(jié)果。設(shè)備的表面張力測(cè)量結(jié)果可通過(guò)接口輸出到其它設(shè)備或控制系統(tǒng)，從而使補(bǔ)充表面活性劑的設(shè)備自動(dòng)工作，并使清潔池能夠保持一個(gè)最佳的表面活性劑濃度范圍(如圖8)。

　　在許多表面處理過(guò)程的應(yīng)用中，從車(chē)身到泵、軸承這樣的精密零件，清潔過(guò)程通過(guò)檢測(cè)和對(duì)清潔劑成分(表面活性劑和自動(dòng)促凈劑)的定量而成功地實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化。而且，可以用最少的水，清潔劑和能源來(lái)達(dá)到穩(wěn)定而高質(zhì)的清潔質(zhì)量。

德國(guó)SITA t15表面張力儀

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