蒋立坤 胡守琦 孙晓飞 郭巨寿 孙超
摘要:这篇文章主要综述了超声波清洗对滑阀微结构清洁度的研究和现状,分析了超声波清洗的优点缺点以及工作原理。对于超声波清洗的影响进行了详细的研究,指出了超声波清洗对微结构零件的运用和介绍,进一步研究对超声波清洗在实际应用中的清洗效果以及摸索合适的清洗参数,验证其对于滑阀微结构清洗有一定的影响分析。
关键词:超声波;清洁度;滑阀;分析;对策
中图分类号:TB4 文献标识码:A 文章编号:1674-957X(2020)21-0033-03
0 引言
超声波清洗时,是利用超声波进行清洗的一项技术,它早在二三十年代就已经出现,近年来也对超声波清洗的技术有了更加深入的研究和了解。目前超声波的清洗技术已经广泛运用到了各个领域之中。随着工业化的不断发展,超声波清洗技术也逐渐完善。在质量方面,对于零件的结构和质量有了很大的要求,同时也对工业的发展以及生产过程中的环保力度要求不断加大。超声波技术已经广泛运用,目前电子电器工业对于超声波清洗技术的要求越来越高,在电子电器开关,滑阀、齿轮、高压油泵、过滤器、大的发动机,以及手表零件或者是医疗器械玻璃器皿针管等等方面。超声波清洗技术主要是利用超声波去穿透固体的物质,通过整个清洗的物体中的介质震动,产生气泡颗粒。这种清洗方式可以对器件零件中触碰不到的角落进行清洗,清洗程度非常高。
1 超声波清洗的原理和特点
1.1 超声波清洗的优点
①节约能源。超声波可以通过介质的不断震动来去除零件表面的污染物,是一种比较理想的节能方法。特别是大流量计量时,节能效益更加显著。②特别适合具有奇形怪状或者拥有死角的零件,可对其进行很好的很方便的清潔,利用震动将其冲破。超声波具有传递快、方便、能节省人力物力的多种优点。③安装维修比较方便,无论是安装还是维修,都不需要切断流体,不会影响管道内流体的正常流通。安装时不需要阀门,管路等,因此安装方便,费用低,使用的方法快又准确。④通用性好。对超声波来说,无论是零件尺寸的改变,还是流量测量范围的变化,都有较大的适应能力。不论零件的形状多复杂,只要将其放入清洗液中,只要是可以接触到液体的地方,超声波清洗都可以达到最好的效果,比较的方便。在清洗过程当中产生比较均匀的气泡,在机器效果当中会比较均匀的产生一致的效果。配合清洗剂的使用是可以加速污染物的分离溶解,有效防止清理液对于零件的腐蚀,很好的避免了清理液对零件表面的破坏。超声波的清洗杜绝了一定的劳力,减少了一定的劳力活动和手工清洗对于零件的伤害。超声波的能量可以穿透细微的小孔和缝隙,超声波通常可以满足特殊技术要求的唯一清理方式,快速的对零件进行清洗,对于除尘污垢方面速度要快的多。超声波清洗可以满足不需要拆卸零件进行清洗,可以减少劳动力,降低成本,使得清洗方式变得简单自动。
1.2 超声波清洗的原理
利用超声波去进行清洗的主要原因,就是通过转换器将高功率的超声波转换,通过介质进行震动,利用超声波辐射到清洗液中,在受到超声波的辐射后清洗中的液体气泡可以保持震动,去破坏器具表面的污染物,引起污染物等脱落。超声波频率高于2000赫兹,声波大穿透性比较强,方向性比较好,是比较容易可以获得方向感的声能,超声波在水中传播的距离比较远,可以用于清洗、测速等等。将超声波的频率转化为震动,通过介质中的气泡去使得污染物进行脱落。在声压受到一定程度的压力时,气泡会迅速的膨胀,在气泡闭合的瞬间会产生1012Pa的压力,这种巨大的压力可以破坏污染物对污垢进行直接的冲击。利用超声波对物体表面进行清理,他的原理可以用“空化”现象进行解释。超声波在液体中传播的压强达到一个大气压,它的密度一般为0.35w/cm2,因此,会在液体当中产生一个很大的力,将液体分子撕裂成一个很大的洞,他在超声波压强达到最大时破裂,在护理时将产生的巨大冲击将物体表面的污垢冲击下来。这种利用无数细小泡沫破裂产生的冲击现象就叫做“空化”现象。在一般情况下,超声波在35℃到40℃的时候,通话的效果是最好的。温度越高,作用越显著。减少污染:超声波清洗可有效地降低污染,减少有毒溶剂对人类的损害,环保高效。
1.3 超声波清洗的缺点
利用超声波清洗时间久了,会产生一定的噪音,听到的不是超声波的声音,而是在清洗过程中水与水槽发出的声音,超声波的穿透力非常强,超声波清洗的药水一般具有化学反应,都是化工产品,在进行高温发散下,长时间的接触对于身体有很大的影响。
1.4 超声波清洗的特点
超声波清洗工艺技术特点就是利用超声波的“空化”作用,对于物体表面的污垢进行撞击、脱落来达到清洗的目的,超声波清洗技术具有清洗清洁度高、清洗速度快、比较方便等特点,特别是对于具有死角或者是各种形状的物体,超声波技术具有其他清洗手段无法达到的清洗效果。
在利用超声波清洗的工艺流程的程度上,他是利用被清洗物体的难易程度和清洗数量决定的。一般去先将污染物进行高温分解融化。减轻清洗的压力,超声波技术就是利用超声波在这个介质强烈的震动中,将零件表面污垢进行脱落,同时可以将油性的污染物分解乳化。然后可以利用流通的干净的水将伏在零件表面的污染物冲洗干净。最后利用一定的风速将零件表面快速的风干。是由于超声波的能量可以穿透小孔,所以可以去清洁任何的零件。与传统方法相比,超声波的清理要比传统方法快得多,不需要去查一些零件,可以减少很大的时间和人力。超声波具有能渗透液体固体的能力。
2 滑阀微细结构超声辅助清洁方法
高压共轨喷油器内控制阀滑阀偶件(图1)材料为9CrWMn,热处理后硬度为60~64HRC,零件结构复杂,加工精度高,其中异形环槽凹槽深度为0.1mm,属于介观尺寸,凹槽平面上有3个微细孔系,该部位承担高压油进、泄工作,普通的清洗方式已经无法满足于零件的高清洁度技术要求,通过试验证明,超声波清洗可以有效的去除零件表面杂质颗粒,提高零件表面清洁度。
在超声波清洗槽内,对于装配件的清洗液不需要将装配件拆解成单个零部件,对其零件可以直接清洗。在具体清洗工件之前,需要对被清洗件的材料结构、数量进行分析和明确,明确需要清洗的污染物和清洗度。通过对这些数据的了解和掌握,才能更加准确选择清洗工艺和清洗液。在最终清洗工艺确定之前,需要借助清洗实验进行验证,搜寻合适的清洗方式,并最终实现对零件的无损害清洗。超声波功率密度。为了能够提高超声波清洗效率,一般采用密度较高的超声波功率,尤其是油污严重、形状复杂并且具有深孔的工件,利用高功率密度清洗液进行清洗,一定要避免温度过高,给零件带来侵蚀,特别是比较光滑的精密零件。超声波功率如果过大,液体中的声波过高,产生的气泡比较多,会直接影响到清洗效果。清洗液温度。在零件清洗中,需要对零件表面的污染物的结合处进行破坏,提高温度强化清洗介质活性,降低介质的表面的冲力, 增强清洗的效率。虽然温度可以降低黏附力,提高清洗效果,但并不是温度越高越好。
基于超声空化原理,针对滑阀微细结构超声辅助清洁方法,研究超声波在液体介质中,产生的旋涡、负压区、空穴和气泡对被清理工件表面残留物去除的作用机理,通过多轮次单因素和正交试验,应用仿真分析方法和代表性试验分析法,对清洗介质、超声空化参数、清洗电流、清洗介质温度,清洗时间进行清洁效果影响的权重分析,重点对微细孔、微间隙耦合表面、窄边棱密封环带残留物去除效果进行检验,并进一步优化超声辅助清洗相关工艺参数,掌握精密偶件超声辅助清洁的方法。
超声波的功率密度(P≥0.3W/cm2)越高,空化效果越强,速度越快,清洗效果越好,超声频率(F≥20KHz)越低,在液体中产生空化越容易,作用也越强。频率高则超声波方向性强,适于精密的物体清洗。超声波在30~40°C时空化效果最好。
2.1 超声波清洗的检测方法及清洁度控制
针对滑阀清洁度检测方法,利用紫外线来检测零件表面的清洁度,表面的污物颗粒会释放出荧光,研究荧光强度与表面被污染的程度映射关系,建立关系图谱,掌握荧光发光法清洁度检测控制方法及判定准则;将一定数量的零件在一定条件下清洗,将清洗液用哪个滤膜充分过滤,用高倍显微镜按颗粒尺寸和数量统计污物颗粒,研究污物颗粒与零件清洁度指标(清洗后零件的杂质颗粒≤0.005mm)的射影关系,掌握颗粒尺寸数量清洁度检测控制方法及判定,对两种检测方法进行对比分析,最终得出结论。
清洗槽内腔材料选择SUS304/2.5mm优质不锈钢,外壳材料为SUS201/1.0mm不锈钢,整体氩弧焊焊接,由于振子表面不能和清洗件直接接触,且当清洗液水位一定时具有清洗强度较优的清洗区域,所以在超声波底部振子设计有清洗篮,其中清洗篮距清洗槽底面高度为10mm。清洗槽的底部设计有清洗液进、排液口,同时可用作清洗液循环过滤的进、出液口,在进行超声波清洗的同时能够保证清洗液一直处于循环过滤的状态,降低驻波影响并提高清洗液的洁净度,保证清洗具有较佳的清洗效果。
清洗液循环过滤系统设计,经过超声波清洗后的清洗液中会存在从滑閥偶件上清洗掉的油污及毛刺等污垢,为了保证清洗液的洁净度、防止清洗液中的油污等再次粘附在工件表面上需对清洗液进行过滤处理,利用过滤器对清洗液中的污染物进行过滤,保证经过过滤后的清洗液得到净化能够再次利用,节约成本。
过滤循环过滤系统设计。清洗液循环过滤系统主要针对清洗件清洗后的清洗液进行循环过滤保证清洗槽内清洗液达到一定清洁度要求,并且能够降低驻波对清洗效果的影响,根据粗洗——精洗——漂洗工艺路线,清洗剂配备了三个过滤精度不同的过滤装置,该系统主要由储液槽、清洗液循环泵、过滤器、球阀等组成,其中清洗液循环泵是清洗液循环过滤的动力源,过滤器主要是对清洗液中的杂质进行过滤,在清洗槽进油管布置温度控制系统,检测并控制通过进油清洗液的温度,达到控制超声波清洗温度控制的目的,由于超声波震动过程中清洗液会不断升高温度,通过循环过程,使清洗温度控制的目的,由于超声震动过程中清洗会不断升高温度,通过循环过程,使清洗液温度达到动态恒温状态。
超声波是频率大于2000赫兹的声波,震动频率特别高,波长通常在几微米,甚至几厘米之间。衍射能力比较弱,有良好的方向性和穿透性,在一定的距离以内通常可以在介质中沿直线传播,引起介质中的气泡剧烈震动,产生极高的震动能量。超声波在介质中的压力,通常有一个交替的变化,比如说一个大气压为中心压力。随着时间发生变化,压强,随着超声波的强度增加产生了一个清理的区域,在这个区域当中,介质会产生很强的拉力,形成气泡,随后又会被后面的压力挤压破灭,在这种压力下,震动会产生一定的数量群。随着超声波的传递,达到一定的气压时空气质量会迅速膨胀,最后被压缩挤压破裂,引起介质中的气泡颗粒剧烈撞击,产生巨大的压强,随后由于剧烈撞击造成温度持续上升,使得介质发生变化。从而使得被油污杂质包围的固体,可以从零件的表面脱落。随着温度的上升,加速溶解的化学反应。温度的上升使得反应更加剧烈,使得零件表面的凹槽,夹缝等复杂的死角结构进行清洗。对于棱角的毛刺产生侵蚀等作用,达到去除毛刺,磨平棱角的目的。
2.2 不同因素对去毛刺效果的不同
如果固体颗粒被油污包裹,将零件的表面上都有被油化时,零件的固体颗粒就会脱落,使用的温度不断上升,气泡振动引起的冲击作用,可以使得清理液当中的化学成分与污染物发生反应,从而对零件的表面进行冲洗钻入,最后不断地震动将毛刺进行脱落。固体颗粒的清洁常用的方法主要有:称重分析法,扩展式分析法,其中的称重法最为简单,就是只需要称出过滤网在过滤前和过滤后的重量,二者的差异就是颗粒的总质量。但是为了精确的结果必须对过滤网进行严格处理,将过滤网浸入过滤网当中,然后烘干,随后进行称重。超声波清洗效果受多种因素影响,采用具有代表性的实验分析法,对于清洗介质、温度等等进行分析。随后进行超声波的去毛刺实验,利用不同的因素对其进行相互影响,根据去毛刺的情况进行清洗的效果评判。
清洁度是表示这个零件的清洁程度,用所含的大小颗粒来进行表示。通过超声波的流速频率对于去毛刺效果的影响规律,最终体现出的孔内的表面质量成果。如果清洁程度比较差,一般会产生一些质量问题,比如说零件的磨损以及降低机器的使用功率造成一些零件的卡死,导致进、泄油孔的堵塞,从而使性能变差。那么随着技术的不断加强,在各项领域中人们对于毛刺也逐渐加强重视,于是通过超声波中对介质的震动传播,最终去提高孔内的表面质量。毛刺在喷油器的存在,会直接影响喷油器的整体喷射能力指标。
有一些机器在使用的过程当中,可能会因为毛刺造成破坏影响到系统正常工作,有可能会因为进入的毛刺造成过滤网的堵塞,从而造成事故。降低系统的工作性能。一般是利用超声波清理的重要方法,去清除金属零件表面的毛刺,这是一种方便精确的加工方法。
3 进行超声波去毛刺工艺实验
超声波清洗主要是借助空化作用,其空化作用受到工艺参数以及清洗液的物理性质影响,要想保证超声波清洗效果,必须选择合适的清洗液,并明确清洗工艺参数。超声波在清洗液中传播的强度,一般由密度来进行表示,与功率密度大小有着非常密切的关系。超声波功率的密度是超声波再清洗过程当中,对于空化作用影响最大的因素之一。对于不同的被清洗对象进行必须选合适的超声波功率参数才可以对其进行清洗效果的最优化,如果超声波功率太小,超声波产生的空化强度不够,很难去破坏毛刺与清洗空间的结合力,达不到良好的清洗效果。通过延长对实验的清洗时间,不能去改善清洗的效果。当超声波的功率达到一定值时,只需要比较短的清洗时间便可以起到比较好的清洗效果,但是如果持续增加超声波功率,会导致清洗表面发生腐蚀现象,造成一定损害,对于精密零件或者是表面光洁度比较高的零件产生很大的危害。因此,在进行清洗过程中,必须选用合适清洗功能,有良好的去除毛刺,这样既不会对于零件的表面造成不利影响,也可以很好的去除毛刺。
4 結语
①超声波清洗技术的研究与应用方面近年来得到了很大的发展,研究者在空化研究方面取得了众多成果,超声波在液体中除了会产生空化效应外,还会产生乳化、等等化学效应,这些效应的产生原理,以及对空化效应是否有影响也需要进一步深入研究。②关于空化效应中微射流效应,缺乏一定的实验探究,需要对其原理以及影响因素进行研究,进而提出相应的有益于提高超声波清洗效果的方案。在工业维护领域当中,针对一些清洗对象,不同的部件结构和功能不同,利用到超声波清洗的参数也不同,但必须在清理场地配备多台清洗设备,成本太高,还有一些清洗对象体积大、结构复杂,在清理时需要一件一件的拆卸,耗费大量的人力物力。因此,以后的超声波清洗机应朝着更加智能化的方向发展。通过对超声波清洗技术的调研以及超声波清洗设备的安装调试,清洗周期降低,清洗效果加强,逐渐实现精密零件高清洁度的技术指标要求。
参考文献:
[1]程欣.超声波清洗技术发展研究[J].中国市场,2016(49):79-80.
[2]喻永康,奚敏贤.汽车减震器金属零件的自动超声波清洗机研制[J].机械与电子,2016,34(9):38-40.
[3]王向红,毛汉领,黄振峰.超声清洗槽内空化强度的测量[J]. 应用声学,2005,29(3):188-191.
[4]杨景,王寻,陈伟中.强超声在空化液体中的反常衰减[J]. 声学学报,2016,41(5):713-717.