![]() Главная страница Случайная страница КАТЕГОРИИ: АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Теоретические основы. Явления, сопровождающие процесс ультразвуковой очистки.
Явления, сопровождающие процесс ультразвуковой очистки. Ультразвуковой очисткой (УЗ-очисткой) называется способ счистки по- верхности твердых тел, при котором в моющий раствор вводятся ультразвуко- вые колебания (УЗК). Введение УЗК позволяет не только ускорить процесс очистки, но и получить высокую степень чистоты очищаемой поверхности, а также заменить ручной труд и исключить использование пожароопасных и ток- сичных растворителей. УЗ-очистка применяется в машино- и приборостроении, электронной и металлургической промышленности для очистки прецизионных деталей точных механизмов и приборов, интегральных схем, инструментов, проката и др. Процесс УЗ-очистки сопровождается рядом явлений, возникающих в УЗ- поле (рис. 3.1). 1. Отслоением пленок загрязнений от очищаемой поверхности; 2. Кавитационной эрозией (разрушением) пленок загрязнений и по- верхности заготовки; 3. Эмульгированием – образованием эмульсий (дисперсных систем), состоящих из частиц пластичных загрязнений (дисперсной фазы), взвешенных в моющем растворе (дисперсной среде); 4. Растворением загрязнений в химически активном моющем раство- ре. На эффективность УЗ-очистки оказывает влияние такие акустические яв- ления, как кавитация, акустические потоки, радиационное давление и звукока- пиллярный эффект. Кавитацией называется образование в жидкости пульсирующих пузырь- ков (полостей), заполненных паром, газом или их смесью. Различают акустиче- скую кавитацию, возникающую при прохождение звуковой волны большой ин- тенсивности (что имеет место при УЗ-очистке), и гидродинамическую кавита- цию, обусловленную сильным локальным понижением давления в жидкости вследствие больших скоростей течения. В интенсивной звуковой волне во время полупериодов разряжения воз- да в область повышенного давления, порождая сильные гидродинамические возмущения в жидкости, интенсивное излучение акустических волн и вызывая разрушение поверхностей твердых тел, граничащих с кавитирующей жидко- стью.
Явл е н ия, во зн и ка ю щ ие пр и УЗ -очистке
Отс ло е н ие Кавита ц ионная
Э м ул ьгирован ие Р а створение
С татическо е А кустические д авление эфф екты
П арам етры звуко в о го пол я Т е м п ератур а Сво йс тв а мо ю - щ его р аство р а
Рис. 3.1. Схема взаимодействия явлений, возникающих при УЗ-очистке, с эле- ментами режима ее проведения
Кавитационные пузырьки образуются в тех местах, где давление жидко- сти становится ниже некоторого критического значения, соответствующего по- рогу кавитации. В реальных жидкостях снижение давление наблюдается там, где присутствуют «зародыши» кавитации – микроскопические газовые пузырь- ки, твердые частицы с трещинам, заполненные газом, и т. д. Кавитация возни- кает в результате потери устойчивости «зародышей», попадающих в область пониженного давления в звуковой волне, и их быстрого роста. При этом про- цесс расширения пузырьков – «зародышей» обусловлен рядом эффектов: дав- лением пара и газа в пузырьке, превышающим давлением в окружающей жид- кости; диффузией газа в пузырек из жидкости; испарением жидкости и увели- чением массы пара в пузырьке; коагуляцией «зародышей». Возникающие в звуковом поле кавитационные пузырьки (полости) ин- тенсивно пульсируют. Изменение размеров пузырька определяется соотноше- нием периода изменения давления в жидкости Т и периода собственных коле- баний пузырька τ, растущего с увеличением радиуса пузырька и зависящего от амплитуды избыточного давления. Мелкие пузырьки, у которых τ < Т, совер- шают вынужденные пульсации, следуя изменению звукового давления в волне до тех пор, пока его амплитуда невелика. При увеличение амплитуды пузырька не успевает следовать изменению давления. Быстро расширяясь в течение по- лупериода растяжения, он, в силу инерции жидкости, не успевает захлопнуться,
t
Pα
t _ _
Рис. 3.2. Зависимость относительного радиуса R/R0 пульсирующего пу- зырька от времени t: 1 – пузырек с низким содержанием газа при Рα = 0, 4 МПа 2 – газонаполненный пузырек при Рα = 1 МПа; 3 – газонапол- ненный пузырек при Рα = 4 МПа а лишь уменьшает свой радиус в течение последующего полупериода сжатия, и захлопывание полости приходится на начало следующего полупериода растя- жения (рис. 3.2). Таким образом, захлопывание пузырька может происходить с пропуском одного или нескольких полупериодов сжатия при достаточно большой ампли- туде звукового давления. Степень сжатия пузырька при захлопывании, харак- теризуемая отношением максимального радиуса пузырька к минимальному, тем больше, чем больше давление в жидкости и меньше газосодержание в нем. Если пузырек содержит мало газа, то после достижения им минимального ра- диуса он восстанавливается и совершает несколько циклов затухающих коле- баний, а если газа мало, то он захлопывается полностью в первом периоде жиз- ни. Максимальная скорость захлопывания наблюдается при минимальном ра- диусе пузырька и может достигать скорости звука в жидкости. Акустические потоки, генерируемые УЗ-полем, представляют собой мик- ротечения жидкости, которые ускоряют смыв (удаление) загрязнений с очи- щаемой поверхности. При захлопывании пузырьков происходит сильный локальный разогрев вещества, а также выделение газа, содержащего атомарную и ионизированную компоненты и оказывающего дополнительное, радиационное давление на жид- кость. Радиационное давление и звукокапиллярный эффект способствуют про- никновению моющего раствора в микропоры, неровности и глухие каналы за- готовки. Избыточное статическое давление Р0, создаваемое в герметически закры- той ванне путем нагнетания сжатого воздуха, также как звуковое давление Рα вызывает сдвиг во времени стадии захлопывания кавитационного пузырька, существенно увеличивая скорость захлопывания и интенсивность образовав- шейся ударной волны. При Ро=Рα пузырек совершает сложные негармониче- ские колебания и кавитационное воздействие незначительно. Наиболее опти- мальным является соотношение Ро=0, 4-0, 5 Рα. В этом случае на кавитационный пузырек в стадии захлопывния действует в одном направлении статическое давление, близкое к амплитудному значению. Кавитационный пузырек стреми- тельно захлопывается, и уровень кавитационной эрозии возрастает на 2-3 по- рядка. На эффективность УЗ-очистки влияют такие характеристики звукового поля, как частота и интенсивность УЗК. С повышением частоты кавитационный пузырек не достигает конечной стадии захлопывания, что снижает микроудар- ное действие кавитации. Кроме того, увеличивается поглощение акустической энергии. Чрезмерное понижение частоты нежелательно из-за резкого возраста- ния акустического шума и увеличения резонансных размеров излучателя коле- баний. Поэтому большинство установок для УЗ-очистки работает в диапазоне от 18 до 44 кГц. Повышение интенсивности УЗК сверх определенного предела приводит к увеличению амплитуды давления, и кавитационный пузырек выро- ждается в пульсирующий. При малых интенсивностях слабо выражена кавита- ция и все вторичные эффекты, возникающие в жидкости при введении УЗК. Поэтому на практике для УЗ-очистки используют интенсивность звука от 0, 5 до 10 Вт/см2. Существенно влияют на качество УЗ-очистки такие физико-химические свойства жидкости, как упругость пара, газосодержание, вязкость и поверхно- стное натяжение. Повышение упругости пара внутри пузырька резко снижает интенсив- ность кавитации, поэтому, например, применение для очисти водных растворов более эффективно, чем использование органических растворителей, упругость пара в которых значительно выше. Сложным образом на процесс УЗ-очистки влияет газосодержание жидко- сти: увеличение содержания газа в пузырьке снижает эрозионную активность жидкости; с другой стороны, усиленная дегазация жидкости под действием акустических потоков и радиационного давления приводит к сокращению чис- ла центров кавитации, что также снижает эффективность очистки. Регулируя, с одной стороны, процесс дегазации, а с другой – специально вводя газ в жид- кость, можно достигнуть оптимального газосодержания. В УЗ-полях малой интенсивности вязкость жидкости снижает эрозион- ную активность, так как с ростом вязкости увеличиваются потери акустической энергии. Однако при большой интенсивности УЗК в очень вязких жидкостях (при коэффициенте вязкости 50-100 Н·с/м2 создаются благоприятные условия для кавитационных процессов: силы вязкости трения аналогично избыточному давлению препятствуют расширению кавитационного пузырька после того, как наступила стадия сжатия в звуковой волне. Благодаря этому начальная стадия сжатия пузырька наступает раньше, совпадая с началом сжатия волны, повы- шается скорость и сокращается время его захлопывания, возрастает микро- ударное воздействие. В конечной стадии сжатия пузырька под влиянием возрастающей силы поверхностного нажатия увеличивается скорость его захлопывания и повыша- ется микроударное действие кавитации. Однако с ростом поверхностного натя- жения повышается порог кавитации и сокращается число кавитационных пу- зырьков. Кроме того, большое поверхностное натяжение ухудшает процесс смачивания поверхности очищаемых деталей, препятствуя проникновению моющего раствора в узкие щели, отверстия и зазоры. Поэтому в большинстве случаев рекомендуется уменьшать его величину. Для этой цели в жидкость до- бавляют поверхностно-активные вещества, улучшающие смачиваемость по- верхности, создающие тонкие адсорбиционные слои на поверхности частиц за- грязнений и способствующие более легкому их отрыву. При проведении УЗ-очистки температура 40-50 ˚ С является для водных растворов оптимальной. При более низкой температуре снижается химическая активность раствора, а при более высокой – повышает упругость пара. Если ха- рактер загрязнений требует использование органических растворителей, то для снижения упругости пара растворители охлаждают до 15-20 ˚ С. В зависимости от того, насколько прочно загрязнение связано с очищае- мой поверхностью, преобладающую роль в УЗ-очистке играют те или иные яв- ления. Так, разрушение слабо связанных загрязнений происходит в основном под действием пульсирующих (незахлопывающихся) пузырьков (рис. 3.3). На краях пленки загрязнений пульсирующие пузырьки, совершая интен- сивные колебания, преодолевают силы сцепления пленки с поверхностью, про- никают под пленку, разрывают и отслаивают ее. Если же загрязнение прочно связано с поверхностью, то для его разруше- ния необходимо наличие захлопывающихся кавитационных пузырьков, соз- дающих микроударное воздействие на поверхность. С точки зрения УЗ-очистки поверхностные загрязнения классифицируют по следующим признакам:
а б
1. Кавитационная стойкость загрязнений, их способность про- тивостоять микроударным нагрузкам; 2. Прочность связи пленки загрязнений с очищаемой поверхно- стью;
3. Степень химического взаимодействия загрязнений с моющей
верхностные загрязнения. Наиболее часто встречаются следующие виды загрязнений: 1. Жировые пленки, слабо связанные с очищаемой поверхно- стью и химически взаимодействующие с водными растворами, но ус- тойчивые по отношению к кавитации; 2. Лаковые пленки и краски, также являющиеся кавитационно стойкими и отличающиеся прочной связью с поверхностью; 3. Окалина и окисные пленки, обладающие кавитационной стойкостью и прочной связью с поверхностью, взаимодействующие лишь с агрессивными жидкостями; 4. Продукты коррозии, также прочно связанные с поверхностью и взаимодействующие с агрессивными средами, но кавитационно не- стойкие; 5. Металлическая пыль и шлам после травления, слабо связан- ные с очищаемой поверхностью и кавитационно нестойкие. Для УЗ-очистки деталей от смазок, полировальных паст, металлической пыли, абразивного порошка и т. п. применяют водные щелочные растворы, об- ладающие по сравнению с органическими такими преимуществами, как деше- визна, нетоксичность и пожаробезопасность. В качестве органических растворителей используют бензин, четыреххлористый углерод, ацетон, фреон и другие. Из них наибольший интерес для УЗ-очистки представляют фреоновые композиции, отличающиеся высокой растворяющей способностью, взрывобезопасностью и возможностью регенерации.
УЗГ – 0, 25
1 5 8 2
Рис. 3.4. Схема установки для УЗ-очистки: 1 – генератор; 2 – ванна; 3 – крышка; 4 – виброизолирующая прокладка; 5 – корпус; 6 – моющий раствор; 7 – заготовка; 8 – пьезоэлектрические преобразователи
Для снятия окалины и нагара пользуются травильными растворами сер- ной, соляной, азотной и других кислот различной концентрации в зависимости от марки материала очищаемой заготовки.
|