Cleanliness is closely related to automotive industry. This article describes how we can improve cleanliness index from two aspects. Meanwhile, it also reminds professionals the fact that different art methods have different problems in product cleanliness. Thus, there is a need to squarely face these problems and solve them.
一个长期没有得到足够重视的质量指标
产品在形成过程中被粘上的那些外来的或由工艺过程所生成的，不但自身并不需要，而且会对其後面正常的工作、可靠性和寿命产生影响的有害物质，通常被称为污染物。清洁度作为一项有悠久历史的质量指标就是一个用来控制产品污染物数量（主要是固体颗粒重量）的质量特性值，并通过规范的试验方法来进行评定。在那些批量生产的汽车、轴承、内燃机、工程机械等行业里，凡重要零部件的生产线中，一般都设置有藉助高效专用设备进行清洗作业的工序，以确保产品的清洁度。
图1 导致异响的液压挺柱与轴瓦
然而，近年随人们质量理念、质量意识的变化，尤其是对轿车类产品的安全性、可靠性，以及对其环保和节能方面的更高要求，使得昔日往往被忽视的一些工艺、质量环节得到了极大的重视，“清洁度”即是一例。事实上因为清洁度的原因而引起的故障、缺陷过去也有，只是关注程度不够，尤其像水泵、机油泵、发动机、变速器等动力总成部件，通过以下典型事例，您将对产品清洁度的重要性有更进一步的认识。
这个实例都有轿车发动机异响方面的缺陷，而伴随消费者自我保护意识的不断加强，以及企业的巿场承诺和对产品责任心的不断加强，即使是这样的缺陷也需要以十分认真的态度对待。经过专业人员对发动机进行解析，发现前一例是因为液压挺柱卡死造成的，致使摇臂无法抬起，造成摇臂上的滚轮与凸轮间出现间隙，於是当凸轮轴转动时就发出如敲击般的异响。图1a所示的分别得卡死的和正常的个组件。第二例的解析结果表明，发动机的异响是由於与曲轴主轴颈配合的上、下两片轴瓦中混合了固体颗粒状杂物，既拉毛了轴瓦表面（见图1b），又引起了异响。而进一步的拆卸、分析也表明，前一例的液压挺柱的卡死其实也是由於细小的铝屑颗粒混杂在配合面间隙造成的。而追根溯源，这一切，又都是因为总成或零部件的清洁度的控制上尚有欠缺而引起的，产品清洁度的重要性由此可见一斑。
清洁度指标的提升和实施
由前所述的清洁度含义可知，这一质量特性值的定量表述必然是与产品所带的杂质，即残留物的量相关的。事实上，很多年以来，清洁度也确实是以残留物的重量（以mg为计量单位）作为评定指标的，而被称量的残留在滤纸上的杂质又主要以固体颗粒物为主。至於对颗粒物大小的监控，迄止本世纪前10年中期，国内外在执行的标准中都只是提到“在有要求时，应对颗粒的尺寸和种类进行测试，可优先选择沉积在100μm滤纸上的残留物”。显然，这里的杂质大小乃是指最大颗粒，一般就利用普通的光学显微镜通过人工目测方式完成，但这种状况在近年发生了很大的转变。
图2 先进的清洁度试验设备
清洁度指标控制值的提高
不可否认，工件在清洗後残留物的质量（mg）仍然是一项主要的评定指标，但近年来其控制值已有明显的提高，以某一知名品牌系列的小排量轿车发动机的主要零件为例，其主要自制件缸体、缸盖、曲轴、凸轮轴和连杆的指标近5年来已压缩了40%-100%，这是与企业自身对产品质量的苛求，以及发动机产品技术的发展紧密相关的。另一方面，为了使清洁度试验後获得的结果能真实地反映出产品的情况，同时也为了企业相互之间测试结果更具可比性，在试验工作的第一道、也是最基础的一道清洗工序中所采用的设备品质也在提高，图2是一种代表性的设备。从图中可见，该机的清洗区为一密封区域，不存在传统“开放水池式”操作产生的洗液飞溅乃至往往降低冲洗压力的情况。该设备还带一套自动再生装置，不但确保了昂贵的清洗液持续、可靠地反复利用，而且在保证其品质的同时更加环保。也正因为在进行清洁度试验时能有效地保证2.5~3.0bar的冲洗压力等参数，使试验结果更可信。
清洁度指标项的增加
用於反映产品清洁度的指标，相较多年来单一的“残留物质量（mg）”如今又增加了多项，从而对产品的清洁度提出了更为严格的要求。
图3 残留物颗粒物理性分析
·残留物中最大颗粒尺寸。这一指标之前只是一个“选项”，但如今已成为必检项目，关键是建立了相应的标准，从而有了判别的依据。而相应的检测手段，目前有多种，除了传统的光学显微镜外，也有采用金相分析时的体视显微镜，或後面将谈到的更为先进的“清洁度分析系统”。
·残留物的物理特性。前面曾提到，残留物的主体是固体金属颗粒，它们对产品的影响是最大的。但事实上总还是会有些非金属残余物存在，如油污、纤维物等等。部分知名企业集团对此还规定了“最大纤维长度”这一指标。但极大部分主流发动机生产企业还是更关注金属颗粒的危害，作出了以下判别原则：残留物中不能含有铝制颗粒。而鉴别的方式是比较简单的，采用强力磁铁接近已烘乾的残留固体颗粒物即可。图3就是采用先进的“清洁度分析系统”对一个样品的残留物的分析结果，图3对其中的三类：金属颗粒、非金属杂质和纤维中“最大”和“次大”提供了形象、定量的描述。
·工件残留物中固体颗粒粒径（大小）的统计分析，统计分析指的是试验工件清洗後的杂质按颗粒粒径在不同区间的分布情况。例如，以下就是一种典型的评定表格（见表1），额定值可以根据实际情况设置，表1只是一个示例。
表1 颗粒尺寸统计分布监控示例
上例中该项指标被分成了AA、A和B三个级别，但一般情况下企业往往只设置一个“合格”门槛。另外，有的情况下还可以每个“粒径区间”设定不同的“加权系数”，以更迎合被检产品的情况。各个企业据此就能设计出既满足自身需求又具有相应特征的测试报告格式。当然，按进一步的要求进行统计分析，还可绘制如图4那样的变化趋势图，图中的横坐标是时间。nextpage
关於油品清洁度分析
对汽车零总成件来讲，作为工作介质的机油，严格来讲也是其重要“组件”之一，同样有清洁度问题。事实上，早在本世纪初已有规范的标准（如ISO4406、ISO4407等）明确了流体介质的清洁度要求，不但指明了测试方法，而且把上述残留物颗粒大小的统计分析确定为评价指标。近几年来，不少总成厂在贯彻这一标准时，逐渐提升了硬件—检测设备的档次，从只能借助普通的光学显微镜，目不转睛的高强度、低效率人工劳作，发展到利用如图5所示的清洁度分析系统。这种先进仪器是通过光机电结合的检测系统，自动地对清洁後滤纸表面的所有残渣颗粒快速扫描，同时对粒子大小和按规定的分类间隔进行测量和统计，最後按设定的门槛值或不同等级对工件的这一清洁度指标做出判断。显然这种仪器不仅可用於油品清洁度分析，还同样用於前述工件的这一指标的测试。需要指出的一点是，近年来虽然油品分析在不少零部件厂及包括变速器等总成厂已有所执行，不过在作为汽车心脏的发动机制造中，对其应用的机油的清洁度分析则刚刚开始。这也表明了对这一检测项目及指标的认知和重视。
图4 粒径50~100μm颗粒数的统计曲线（示例）
控制产品清洁度的复杂性
毋庸置疑，把产品的清洁度控制在额定范围之内的基础是产品的生产过程。尽管几乎所有较重要的、有清洁度指标要求的生产线都设置了清洗工位，且清洗机的功能、效率也由於制造厂商的努力而在不断提高，但事实是控制好产品的清洁度还是有相当的复杂性。原因何在呢？主要还是由主导生产过程的工艺方法决定的。在前面内容提到的发动机中的典型零件曲轴为例，对其清洁度质量指标要求的提高就是一个十分艰难的过程。
实践表明，一件成品清洁度水平的决定因素绝不只是最後一道清洗工序有没有把它“洗乾净”那么简单，它将是整个工艺过程的综合反映。而很多既要体现技术进步，又要考虑经济性、制造成本的措施，往往会与这一“目标愿望”相悖。仍以曲轴为例，上述复杂性就体现在诸多方面。
图5 一种先进的清洁度残留物分析仪器
曲轴经清洁度试验後产生的杂质、残渣主要出自三处：非加工面的毛坯面—扇形板；油孔；轴颈等加工面。而其中的影响因素众多。
毛坯
铸件在曲轴毛坯中多於锻件，尤其在中、小排量发动机中，而在国内采用的铸造工艺以 “砂型”方法为主，较少采用“壳型”。虽然後者形成的工件表面状态明显要好於前者，但因“一次性”的壳型工艺成本高，故企业倾向於选择砂型铸造。当然，为改善毛坯面质量还可以增加一道“喷丸硬化”工序，但这又会增加制造成本。实践表明，虽然在生产线中设置了清洗工位，但毛坯的制造工艺和形成的工件表面质量，对於曲轴的最终清洁度仍有较大影响。在国外一些知名汽车厂商，已为关键工件的毛坯设定清洁度控制值，如曲轴毛坯为50mg（残留物的质量），且可以由上家在必要时适当调整，但在国内推行起来时会遇到些困难。不过，必须指出的一点是在铝制件的毛坯生产厂情况就完全不同，需方（用户）会对关键铝制件的毛坯制定明确的清洁度门槛值，主要是那些涉及有运动部件的工件，如缸盖、水泵壳、机油泵等。有些件的清洁度指标还不只是残留物的重量，像对缸盖毛坯这类关键件还进一步提出了对颗粒度分析的要求。对此，即使是国内的毛坯供货厂也会坚决执行。
钻孔—曲轴油孔加工
长期以来，国内外曲轴油孔加工采取的钻孔工艺均为“枪钻”，但近年来已逐步改为深孔钻（如硬质合金直柄麻花钻）。从制造成本和工效等多方面来讲，新的工艺更加合理，因此自本世纪初，在新建的生产线中采用“枪钻”工艺的比例已明显减少，这种情况在中、小排量发动机生产线尤甚。但从另一方面来讲，由於执行新工艺时采取的是微量润滑，相比枪钻工艺边加工边以800bar压力的高压切削油冲洗，无疑利用後者的方式对清除钻孔後的切削及其他残留物的效果较之前者要强的多。
磨削过程中切削液因素的影响
切削液起冷却、润滑、清洗排削、防锈等重要作用，对加工过程的正常进行有很大的帮助。生产实践告诫人们，作为整个切削加工系统的一个组成部分，切削液必须经过正确选择和使用才能发挥相应的作用。以磨削为例，曾在汽车行业轴类零件加工中广泛使用的是刚玉类砂轮，近年来随对制造质量和生产效率等要求的不断提高，在诸如曲轴轴颈的磨削工艺中，选用CBN砂轮的比例在不断提高，由於此时的转速、负荷有了明显提高，因此选用的切削液也必须从原来的“水基切削液”改为“油基切削液”。後者虽对被加工件也有一定的清洗效果，尤其当采取高压供给时，其清洗性能会更好，但相比含油表面活性剂的水基切削液，两者还是有较大差距。表面活性剂一方面能吸附各种固体微粒（切削、铁粉、磨削等）和油泥等残留物，并在工件表面形成一层吸附膜，阻止粒子和油泥粘附在工件、砂轮（刀具）上，另一方面能渗入到粒子和油污粘的界面上，把它们与界面分离，并随切削液带走，从而起到清洗作用。图6是这一过程的原理示意。显然，在改变了磨削方式和切削液之後，虽然可有效地提升曲轴的加工质量和生产率，而且采用油基切削液也更有利於工件的防锈，但相比选用“水基”，清洗排削的效果会有所降低，这也是一个不争的事实。因此如何在进行工艺规划、工艺调整时，对可能会引起工件清洁度的影响给予适当的关注，有时候还是必要的。
图6 表面活性剂的清洗、去污作用
关於清洗工位
设置在生产线中的清洗工位对确保产品符合清洁度要求起极大的作用，但这同样需要工艺部门经综合考虑後决定。近年来以下二个倾向值得关注：
·取消中间清洗工位，只设生产线终端那一个。以曲轴线为例，过去部分企业会在粗加工（包括“钻孔”工序）、热处理之後设立一道中间“清洗”，但近年来此种工艺布置方式已十分少见。这当然也是与实际需要以及出於经济性的考虑有关。
·清洗机选用的清洗液。与切削液相似，清洗液也有油基和水基之分，长期以来，水基的清洗液占了极大部分，不过这一状况也在近年有所改变。在曲轴线终端的清洗工序，越来越多的汽车发动机厂选择了“油基”的清洗液，特别是那些在磨削工序中采用CBN砂轮，选择了切削油的企业。毫无疑问，就如同加工中选用切削油一样，清洗过程若通过油基清洗液进行，对工件的防锈会带来很大的帮助。然而，也如同一柄双刃剑，就清洗的效果来看，肯定不如水基的清洗液，其内在原因与前面阐述的去除作用机理完全相同。
综上所述，可清楚地看到控制产品清洁度的重要性和复杂性，事实确如此，决定产品最终清洁度水平的决不是清洗工序，或是清洁度实验室的试验方法/程序，它是整个工艺过程综合作用的结果。因此一旦发生这方面的问题，或者面临要求提升清洁度的指标门槛值时，也必须逐项、逐道地综合分析。曲轴作为发动机总成中一个至关件，其清洁度虽然只是一个个案，但涉及到方方面面的要素，也可引伸到其他产品。另外，不同企业对产品的质量要求客观上还是有一定差异的，本文提到的一些指标明显是处於较高水平，因此在本文里会把遭遇到的一些问题的严重性、复杂性提升到较高程度，但笔者也相信，产品清洁度的重要性无论放到多高的位置都不为过。
