А. П. Панов

УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ОЧИСТКА

ПРЕЦИЗИОННЫХ ДЕТАЛЕЙ

М ОСКВА « МАШИНОСТРОЕНИЕ » 1984

ББК 34.56

П16 УДК 621.7.022.6

Рецензент канд. техн. наук И.В. Зуев

Панов А.П. Ультразвуковая очистка прецизионных де-П16 талей. - М.: Машиностроение, 1984, 88 с, ил.

35 к.

Изложены технологические основы новых направлений ультразву­ковой очистки прецизионных деталей. Проанализирована взаимосвязь акустико-технологических характеристик процессов, рассмотрены кон­структивные и технологические особенности ультразвуковых колеба­тельных систем.

Для инженеров-технологов, использующих метод ультразвуко­вой очистки высокоточных деталей.

6П4.4

2704080000-281

Свод. пл. подписных изд. 1984 г. 038(01)84

©Издательство "Машиностроение", 1984 г.

Введение

Современный уровень техники предъявляет все более серьезные требования к точности изготовления деталей, собираемости узлов ма­шин, работающих в условиях высоких температур, агрессивных сре­дах и т.д.

При изготовлении поверхность деталей неизбежно загрязняется. К технологическим загрязнениям относят различные окисные пленки, пригары, абразивные пасты, СОЖ, шаржированные в поверхность час­тицы абразива. Иногда обработанную поверхность покрывают защитными пленками, предотвращающими коррозию деталей в период межоперацион­ного хранения. Однако в последующем эти пленки могут оказывать от­рицательное влияние на заключительной стадии изготовления и сбор­ки прецизионных изделий.

Недооценка процессов финишной очистки, особенно прецизионных де­талей, приводит к тому, что наряду с комплексной автоматизацией и меха­низацией процессов формообразования существуют операции по очист­ке и снятию заусенцев с применением ручного труда. Очистку прецизи­онных деталей нужно рассматривать как процесс чистовой обработки, состоящий из комплекса последовательных операций. Комплексные процессы очистки необходимы для ограничения и исключения отрица­тельного влияния технологической наследственности предшествующих операций.

Как показали исследования последних 10-15 лет, выполненные как в нашей стране, так и за рубежом, применение ультразвука для интенсификации процессов очистки является наиболее эффективным из всего арсенала средств, используемых для очистки прецизионных деталей. Видимо, этим объясняется тот факт, что ультразвуковая очистка по масштабам внедрения в практику и по количеству выпускаемого технологического оборудования занимает первое место среди других областей технологического применения ультразвука в машиностроении.

Технологические направления (рис. 1) различаются между собой акустическими режимами, конструкцией ультразвуковых колебатель­ных систем, схемами очистки и конструкцией оборудования. Каждое из этих направлений имеет свою наиболее эффективную область исполь­зования.

Низкоамплитудная очистка характеризуется удельной излучаемой акустической мощностью, не превышающей , и амплитуда-

ми колебания источника звука При этой очистке использу-

ют магнитострикционные преобразователи (ПМС) с излучающими элементами в форме изгибно колеблющихся пластин либо наборные

3

Рис. 1. Технологические направления процессов ультразвуковой очистки

преобразователи из пьеэокерами­ки. Эти преобразователи имеют большую площадь излучающей поверхности, их монтируют в дно или боковые стенки ультразвуко­вых ванн (УЗВ) для очистки. Особенностью оборудования, оснащен­ного такими преобразователями является неравномерное распределение кавитационных эффектов в технологическом объеме. Длительность процесса очистки может достигать десятков минут.

Поиски путей усиления эрозионных эффектов привели к появле­нию ультразвуковой технологии при избыточном статическом давле­нии. В этом случае в технологическом объеме создают избыточное ста­тическое давление 0,2-0,5 МПа за счет внешнего источника. Это позво­ляет в десятки и сотни раз повысить интенсивность кавитационной эрозии. В серийно выпускаемом оборудовании используют стержневые и кольцевые колебательные системы, излучаемая акустическая мощность достигает 8-10 Вт/см². Особенностью этого направления является ограни­чение размеров технологического объема, связанное с излучающими уст­ройствами и налагаемым избыточным давлением. Высокий уровень эро­зионного воздействия определил и область наиболее эффективного исполь­зования этого направления. Обработке подвергают мелкие детали для от­деления заусенцев и загрязнений, прочно связанных с поверхностью.

Необходимо выделить как самостоятельное направление применение при ультразвуковой очистке азеотропных композиций на основе галогено-производных углеродов и, в частности, на основе фреона 113 и фре­она 144 В2. Использование композиций на основе фреонов позволило резко повысить растворяющую способность технологических жидкостей, а с учетом низкой эрозионной способности органических растворителей стало возможно осуществлять обработку изделий, не допускающих эрозионного воздействия на поверхность. Использование низкокипящих органичес­ких жидкостей повлекло за собой разработку оборудования, гермети­зирующего технологическую зону и позволяющего производить регене­рацию технологических сред. Очистка с использованием фреоновых композиций позволяет обеспечить высокую степень очистки, обезжири­вание поверхности и используется при очистке деталей от механичес­ких загрязнений, расконсервации деталей и сборочных единиц, для уда­ления флюсов и т.д. [5]. В этих процессах излучаемая акустическая мощ­ность не превышает 1—2 Вт/см².

Процессы высокоамплитудной ультразвуковой очистки, разрабо­танные в Советском Союзе, предусматривают использование стержневых колебательных систем, обеспечивающих в жидкости амплитуду коле­баний источника звука При этих амплитудах излучае­мая в жидкость мощность достигает 10—20 Вт/см². Высокая плотность

4

излучаемой в технологический объем акустической мощности повлекла за собой возникновение в жидкости эффектов, позволивших интенсифи­цировать процессы очистки. Особенно эффективна такая очистка в усло­виях обработки мелких деталей сложной формы. Поглощение звуковой энергии, наблюдаемое с ростом амплитуды колебаний в прилегающей к из­лучателю зоне, можно использовать для управления эффективностью эрозионных процессов и, в частности, для осуществления очистки в зоне без эрозионного воздействия. Универсальное и специализированное оборудование для высокоамплитудной очистки широко используют на предприятиях, производящих топливную аппаратуру дизелей. Это тех­нологическое направление перспективно для очистки подшипников, прецизионных элементов систем гидравлики и т.д.

1. КАВИТАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ И МЕХАНИЗМЫ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОЧИСТКИ

Ультразвуковые жидкостные технологические процессы и, в частнос­ти, ультразвуковая очистка поверхности основаны на использовании эффектов, которые возникают в жидкости под действием звуковых колебаний высокой частоты и интенсивности. К ним относятся: акусти­ческая кавитация с эрозионным воздействием на поверхность, давление звукового излучения, акустические потоки различной масштабности, капиллярный эффект.

ВОЗНИКНОВЕНИЕ АКУСТИЧЕСКОЙ КАВИТАЦИИ

Под акустической кавитацией понимают образование в жидкости пульсирующих пузырьков или полостей, заполненных смесью паров жидкости и растворенных в жидкости газов. Известно, что кавитация в жидкости возникает под действием переменного звукового давления, когда растягивающие напряжения становятся больше некоторого крити­ческого значения, соответствующего порогу кавитации, который опреде­ляется наличием в жидкости слабых мест - кавитационных зародышей. Пульсация пузырьков сопровождается вторичными эффектами, интен­сивность проявления которых определяется параметрами звукового по­ля (частотой, интенсивностью), а также физико-химическими свойствами жидкости (вязкостью, давлением насыщенного пара, газосодержанием и т.д.). С характерным захлопыванием кавитационных полостей связано явление кавитационной эрозии, проявляющееся в разрушении поверх­ности твердого тела по границе его раздела с жидкостью. Единичный акт ультразвуковой кавитации состоит в том, что в фазе разряжения ультраз­вуковой волны в жидкости развивается нарушение ее сплошности и об­разуется кавитационная полость или пузырек. Пузырек при расширении заполняется парами жидкости и растворенным в жидкости газом, кото­рый диффундирует внутрь пузырька через его стенку. В фазе сжатия под действием повышенного давления полость начинает быстро сокращаться. Пары жидкости успевают частично конденсироваться, а газ подвергает-

5

ся сильному адиабатическому сжатию. В момент захлопывания, когда размеры пузырька уменьшаются в несколько сот раз, давление и темпера­тура газа внутри пузырьков достигают значительных величин. Сжатая в пузырьке парогазовая смесь порождает своеобразную "отдачу" в виде ударной сферической волны. Распространяясь в жидкости, ударная вол­на может вызвать специфические эффекты, такие как разрушение твер­дой поверхности или кавитационную эрозию, сонолюминесценцию, уско­рение некоторых химических реакций, акустические микропотоки и т.д. [30].

Рассмотренная модель является единственно возможной формой возникновения и захлопывания кавитационного пузырька. Установлено несколько динамических состояний пузырька в звуковом поле, например своеобразная несимметричная форма захлопывания, приводящая к обра­зованию высокоскоростной кумулятивной струйки жидкости [31]. В кавитирующей жидкости присутствуют пульсирующие пузырьки, со­вершающие радиальные или более сложные колебания на протяжении длительного периода времени.

Возникновение и развитие кавитационных пузырьков связано с созданием в жидкости определенных растягивающих напряжений. Ампли­туда отрицательного давления звуковой волны или растяжение жидкости, при котором происходит ее разрыв, принято считать кавитационным по­рогом или кавитационной прочностью жидкости. Для разрыва идеальной жидкости необходимо раздвинуть ее частицы на величину, равную прибли­зительно удвоенному межмолекулярному расстоянию, для воды

м, при этом величина необходимого для разрыва воды растя­гивающего напряжения Если принять для воды поверхностное натяжение ,io, . Академиком Я.Б. Зельдовичем по­казано, что теоретическая прочность жидкости может снижаться в десятки раз за счет образования в ней паровых пузырьков, появление которых связано с тепловыми флуктуациями жидкости. Несмотря на это, наблю­даемый порог кавитации ниже теоретически прогнозируемой прочности жидкости [34].

Для воды порог кавитации составляет десятые доли мегапаскаля, и только специальная обработка воды (дегазация и пр.) позволяет поднять его до 28 МПа при Ш^С. Столь низкая кавитационная прочность воды связана с наличием в ней условно слабых мест — зародышей кавитации, из которых даже при низких звуковых давлениях развиваются кавита­ционные полости. Этими зародышами могут быть мелкие нерастворяю-щиеся пузырьки, наполненные паро-газовой смесью. Слабыми местами жидкости являются также не полностью смоченные участки поверхности твердых тел, посторонние примеси, в трещинах и порах которых практи­чески всегда сохраняется газ. Теоретически жидкость должна после опре­деленного времени отстоя полностью освободиться от имеющихся в ней газовых пузырьков. Крупные пузырьки должны постепенно всплыть и покинуть жидкость, мелкие же должны раствориться под действием сжимающих сил поверхностного натяжения. В жидкости присутствуют пузирьки радиусом см

Исследование, проведенное В.А. Акуличевым и М.Г. Сиротюком

6

[30], показало, что адсорбция на поверхности пузырька разнозарядных электрических ионов и поверхностно-активных веществ снижает поверх­ностное натяжение и тем самым препятствует полному растворению га­зовых пузырьков. Существенным фактором, определяющим кавитаци­онную прочность, воды, является количество растворенного в ней газа. При дегазации жидкости кавитационная прочность повышается. При уменьшении концентрации в жидкости поверхностно-активных веществ, которые .препятствуют растворению газовых пузырьков, кавитационная прочность жидкости увеличивается.

ПУЛЬСАЦИЯ ПУЗЫРЬКОВ В ЗВУКОВОМ ПОЛЕ

Возникновение кавитации происходит одновременно в значитель­ном объеме жидкости. Пространство, занимаемое кавитационными пу­зырьками, принято считать кавитационной областью. У возникающих в звуковом поле в жидкости пузырьков возможно моножество движе­ний различных типов. Так, в кавитационной области могут возникать пузырьки, длительность существования которых исчисляется всего несколькими периодами их собственных колебаний. Такие пузырьки захлопываются с образованием вторичного ударного импульса или, те­ряя сферическую устойчивость, также захлопываются с образованием кумулятивной струйки жидкости. Такие кавитационные пузырьки счи­тают неустойчивыми. Если пузырьки осциллируют под действием звуко­вого поля и совершают радиальные либо более сложные колебания относительно своего равновесного радиуса на протяжении длитель­ного периода, их называют стабильными или пульсирующими пузырька­ми.

Особенностью кавитационной области является ее способность пре­образовывать сравнительно невысокую среднюю плотность энергии звуко­вого поля в высокую плотность акустической мощности в момент зах­лопывания или пульсации кавитационных пузырьков. Теоретическое исследование кавитационной области в целом, с учетом всех развиваю­щихся физических явлений и их взаимного влияния, невозможно в нас­тоящее время. В связи с этим делают определенные допущения и ана­лизируют отдельные физические явления и, в частности, поведение одиночного кавитационного пузырька. Рассмотрение динамики одиноч­ного пузырька, несмотря на физическую идеализацию процесса, позво­ляет определить основные закономерности его колебаний оценить вели­чины давлений и скоростей при захлопывании пузырька, установить связь пульсаций кавитационных пузырьков с излучением кавитационного шу­ма.

Первая попытка теоретического анализа захлопывания кавитационно­го пузырька и воздействия этого захлопывания на поверхность твердого тела была предпринята Рэлеем, который предполагал, что в бесконечно большой массе жидкости при постоянном давлении на бесконечности р_те и внутри пузырька p(R) = 0 происходит быстрое схлопывание пузырька:

7

Из этого уравнения определяли скорость сокращения стенки пузырь­ка или скорость захлопывания:

где R_m — максимальный радиус пузырька; R — текущий радиус захлопы­ вающегося пузырька (при этом ).

Полное время захлопывания пузырька г = 0,915 RoVpo/p- Модель пу­зырька не учитывала возможность заполнения пузырька газом и парами жидкости, создающими противодавление и демпфирующими процесс захлопывания, и поверхностное натяжение жидкости, создающее добавоч­ную сжимающую силу. С учетом заполнения кавитационного пузырька па­рами жидкости, растворенным газом и сжимающего давления поверх­ностного натяжения давление на границе пузырька

где Рг и р _п — давление газа и пара в пузырьке соответственно. При изменении радиуса пузырька давление газа в нем

Показатель политропы у меняется от 1 при, изотермическом сжатии до 4/3 для адиабатических пульсаций. Используя выражения (3) и (4), по­лучим

Если принять, что давление вдали от пузырьков то, используя выражение для давления вблизи пузырька и на бесконечнос­ти и подставляя их в уравнение (1), получим уравнение Нолтинга—Непай-раса

Если учесть, что расширение происходит изотермически, а сжатие адиабатически, причем пар, содержащийся в пузырьке, не успевает сконденсироваться, последнее слагаемое выражения (5) принимает вид

Это уравнение описывает пульсации пузырька, за исключением пос­ледней стадии захлопывания, когда скорость стенки становится соиз­мерима со скоростью звука и нарушается предположение о несжимае­мости жидкости. Уравнения захлопывания кавитационного пузырька нелинейны и поддаются численному решению на ЭВМ.

8

Рис. 2. Динамика захлопывания одиночного кави-