（机械设计及理论专业论文）轴承成品清洗工艺及清洗装置研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 轴承的清洁度是轴承质量的一项考核指标，必须由生产过程的清洗质量来保证。清 洗质量的提高，既需要严格的生产管理，更需要应用先进的清洗技术。目前轴承行业中， 轴承清洗的方式主要是以汽油或煤油作清洗介质的喷淋清洗。这种方式不仅成本高、劳 动强度大、生产效率低，而且安全性差，更重要的是这种清洗方式很难达到轴承清洁度 要求的标准。所以，寻求更安全、更经济、更高效的清洗方式，对轴承成品的清洗具有 重要意义。 本论文着重研究了清洗的三要素：清洗液、清洗工艺和清洗装置，就轴承成品清洗 工艺和清洗装置开发过程中的重要内容作了阐述，主要工作如下： ( 1 ) 研究了喷淋清洗和超声清洗的机理和特点，探讨了超声清洗的声学参数，为 超声清洗中参数的选择提供了依据。分析了超声发生器和换能器的结构特点，为超声槽 的设计提供了实践基础。 ( 2 ) 基于清洗系统设计的理论基础和实际需求，确定了以超声清洗和喷淋清洗为 清洗方式的轴承成品典型清洗工艺流程：退磁一初喷淋一超声清洗一精喷淋一风刀吹净 一二次吹净一热风烘干。 ( 3 ) 根据清洗工艺流程，完成了清洗装置的机械结构设计。设计了一种由位移传 感器构成的不需要随轴承大小改变作调整的定位装置，实现了准确定位。在超声清洗、 精喷淋和二次吹净三个主要的清洗工位，设计了旋转机构，保证了清洗的充分性。 ( 4 ) 通过分析清洗装置的现场控制需求，设计了基于p l c 的控制系统，实现了装 置的手动及自动控制。针对工业环境的特点，对p l c 控制系统采取了抗干扰措施。 ( 5 ) 实现了清洗装置使用范围广的要求，解决了大多数轴承清洗装置只能清洗单 一产品的局限性。通过实验，证明了清洗工艺及清洗装置对提高轴承清洁度的可行性和 有效性。 研究工作表明，轴承成品清洗工艺及清洗装置的研究对提高轴承产品水平起到了积 极作用，可在轴承行业取得良好的经济效益。 关键词：轴承成品；清洗工艺；清洗装置；p l c 大连理工大学硕士学位论文 s t u d yo nc l e a n i n gt e c h n i c sa n dc l e a n i n ge q u i p r n e n tf o rb e a r i n g a b s t r a c t c l e a nd e g r e eo ft h eb e a r i n gi sae x a m i n a t i o ni n d e xo ft h eq u a l i t yo ft h eb e a r i n g ，i tm u s t b eg u a r a n t e e db yt h ec l e a n i n gq u a l i t yo ft h ep r o d u c t i o np r o c e s s t h ei m p r o v e m e n to ft h e c l e a n i n gq u a l i t yo f , n e e dn o to n l ys t r i c tp r o d u c t i o nm a n a g e m e n t ，b u ta l s oa d v a n c e dc l e a n i n g t e c h n o l o g y i nt h eb e a r i n gt r a d ea tp r e s e n t ，t h ew a yi nw h i c ht h eb e a r i n gc l e a n i n gi sm a i n l y s p o u tw i t ht h ep e t r o lo rt h ek e r o s e n e t h i sw a y i sn o tm e r e l y 谢血h i 曲c o s t s ，g r e a tl a b o u r i n t e n s i t y , l o wp r o d u c t i o ne f f i c i e n c y , a n db a ds e c u r i t y , t h em o r ei m p o r t a n tt h i n gi st h a tt h e c l e a nd e g r e ec a r tn o ta c c o r d 、i mt h es t a n d a r dc l e a nd e g r e ee a s i l y s o ，i ti ss i g n i f i c a n tf o r b e a r i n gc l e a n i n gt os e e ks a f e r , m o r ee c o n o m i c ，m o r ee f f i c i e n tc l e a n i n gm e t h o d t h i st h e s i ss t u d i e st h r e ek e ye l e m e n t sf o rc l e a n i n ge m p h a t i c a l l y ：t h ec l e a n i n gm e d i u m ， t h ec l e a n i n gt e c h n i c sa n dt h ec l e a n i n gd e v i c e i ti se x p l a i n e dt h ei m p o r t a n tc o n t e n to nd e v e l o p o f c l e a n i n ge q u i p m e n ta n dc l e a n i n gt e c h n i c s t h eg r o u n d w o r k i sa sf o l l o w s ： ( 1 ) t h em e c h a n i s ma n dc h a r a c t e r i s t i co fs p o u tc l e a n i n ga n du l t r a s o n i cc l e a n i n ga r e s t u d i e d t h ea c o u s t i c sp a r a m e t e r so fu l t r a s o n i cc l e a n i n ga r ep r o b e d ，t h ep a r a m e t e r so f f e rt h e b a s i sf o rc h o i c eo ft h ep a r a m e t e r si nu l t r a s o n i cc l e a n i n g t h es t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so f u l t r a s o n i cg e n e r a t o ra n dt r a n s d u c e ra r ea n a l y z e d ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so f f e rp r a c t i c ef o u n d a t i o n f o rd e s i g no f t h eu l t r a s o n i ct r o u g h ( 2 ) o nt h eb a s i so ft h e o r e t i c a lf o u n d a t i o no fd e s i g nf o rc l e a n i n gs y s t e ma n da c t u a l d e m a n d t h ec l e a n i n gm o d ew i mu l t r a s o n i cc l e a n i n ga n ds p o u tc l e a n i n gi sc o n f i r m e d ： d e m a g n e t i z a t i o n t h ef i r s ts p o u t - - * u l t r a s o n i cc l e a n i n g 血1 es p o u t - - - * b l o w i n gu s i n gw i n d k n i f e _ t h es e c o n db l o w i n g - - - d r y i n gu s i n gh o tw i n d ( 3 ) a c c o r d i n gt ot h et e c h n i c sp r o c e s so fc l e a n i n g ，t h em e c h a n i c a ls t r u c t u r a ld e s i g no ft h e c l e a n i n ge q u i p m e n ti sf i n i s h e d a no r i e n t a t i n gd e v i c ef o r m e db yd i s p l a c e m e n ts e n s o ri s d e s i g n e d ，a n di td o e sn o th a v et oc h a n g ea n da d j u s tw i t ht h es i z eo ft h eb e a r i n g t h ed e v i c e c a nm a k eo r i e n t a t i o na c c u r a t e l y a tt h et h r e em a i nl o c a t i o n ：u l t r a s o n i cc l e a n i n g ，f i n es p o u t a n dt h es e c o n db l o w i n g ，t h er o t a t o r yd e v i c ei sd e s i g n e d t h ed e v i c ec a ng u a r a n t e e dc l e a n i n g a b u n d a n t l y ( 4 ) t h ec o n t r o ls y s t e mb a s e do np l ci sd e s i g n e dt h r o u g ha n a l y z i n gt h eo n t h e s p o t d e m a n df o rc o n t r o lo ft h ed e v i c e ，a n dt h es y s t e mr e a l i z e st h em a n u a la n da u t o m a t i cc o n t r o lo f t l l ed e v i c e t ot h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ei n d u s t r i a le n v i r o n m e n t t h ea n t i i n t e r f e r e n c em e a s u r e s a r et a k e nt op l cc o n t r o ls y s t e m i i i 王秀军：轴承成品清洗工艺及清洗装置研究 ( 5 ) t h ec l e a n i n ge q u i p m e n tm e e t sm q u i r e m e n to fw i d ea p p l i c a t i o n , a n di ts o l v e st h e p r o b l e mt h a tm a j o rc l e a n i n ge q u i p m e n t sc a l lo n l yc l e a n s i n g l ep r o d u c t t h r o u g ht h e e x p e r i m e n t ，i ti sp r o v e dt h a tt h ef e a s i b i l i t ya n dv a l i d i t yo fc l e a n i n gt e c h n i c sa n dc l e a n i n g e q u i p m e n tt ot h ec l e a nd e g r e e r e s e a r c hi n d i c a t e s ，s t u d yo nc l e a n i n gm e t h o da n dc l e a n i n ge q u i p m e n tc a l li m p r o v et h e q u a l i t yo fb e a r i n g ，a n de n o r m o u se c o n o m i cb e n e f i ti nt h ef i e l do fb e a r i n gm a n u f a c t u r ew i l l c o m ew i t ht h es t u d y k e yw o r d s ：b e a r i n gf i n i s h e dp r o d u c t ；c l e a n i n gt e c h n i c s ；c l e a n i n ge q u i p m e n t ；p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) i v 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：攀日期：耻 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者魏邈丕 导师签名 姆年止月旦日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 研究背景 轴承是装备制造业最常见的基础部件，它的性能和质量的好坏直接影响着整机设备 的性能和使用寿命。一套型号和规格完全相同的轴承，由于其综合质量的差异，市场价 格会相差很悬殊。根据轴承市场的供求调查显示，质量好的轴承不仅价格高，需求量大， 有的甚至供不应求。反之，劣质轴承则供大于求。因此，千方百计地提高轴承的产品质 量，一直都是所有轴承制造商不懈努力追求的目标和任务【l 】。 轴承的清洁度是轴承质量的一项考核指标，清洁度水平对轴承的使用性能有很大的 影响，首先表现在轴承振动和噪声上【2 j 。对某企业3 0 套6 3 0 6 轴承的振动检测发现经清 洗后的振动速度均方根值有明显改善，高频值最高下降了6 5 ：a s 左右，清洗后的振动 噪声也明显低于清洗前的振动噪声，见图1 1 。又如：某轴承企业开始按p o 级指标控制 给电机厂供货，装机后合格率只有7 0 左右，经过对轴承清洗工艺的改进，按原标准值 加严一倍控制进行供货，其装机合格率达到9 0 以上。其次，由于轴承清洁度的下降会 造成防锈材料和润滑材料性能的丧失，所以，轴承清洁度水平的提高可大大改善轴承的 使用寿命和可靠性【”。 3 0 0 2 4 0 i1 8 0 世1 2 0 罂6 0 蜡 024681 01 21 41 61 82 0 2 22 42 62 83 0 轴承编号 图1 1 轴承清洗前后振动速度高频值对比 f i g 1 1c o m p a r eo f h i g h f r e q u e n c y v a l u eo f v i b r a n t v e l o c i t y f o rb e a r i n gb e i n gc l e a n e da n dn o c l e a n e d 轴承的清洁度必须由生产过程的清洗质量来保证。因此，如何提高轴承及其零部件 的清洗质量正在成为企业领导、工程技术人员、生产班组长和操作人员十分重视的问题。 轴承制造过程中，清洗是多次进行的一项作业，轴承内外套圈、保持架和滚动体加 工后以及成品装配过程中都需要清洗。因此，清洗质量的提高贯穿于整个轴承生产过程 中，既需要严格的生产管理，更需要应用先进的清洗技术。 王秀军：轴承成品清洗工艺及清洗装置研究 1 2 清洗技术基础知识 1 2 1 干式清洗与湿式清洗 根据清洗介质的不同，可以将清洗分为干式清洗和湿式清洗 4 , 5 1 。 于式清洗是指用高压气流、臭氧、激光、等离子体、紫外线等方法来清洁工件表面。 高压气流主要利用气体高速运动的动能来清除工件表面的污染物。臭氧是一种强氧化 荆，分子由3 个氧原子组成( 0 3 ) ，利用臭氧对工件表面的有机物进行氧化分解，也可 对微生物进行杀菌。紫外线也有对有机物的氧化分解能力，主要用于杀菌，其波长在 2 1 0 2 6 0 n m 间，最强的是2 6 5 n m 。等离子体清洗，是指对低压气体施加电场，低压气 体中少量的电子被电场加速，阻强大的能量冲撞周围的分子和原子，再飞出电子激起离 子化；等离子体可有效清除工件表面残留的有机物和水膜。激光清洗，是指采用高能激 光束照射工件表面，使表面的污染物发生蒸发或剥离。 对于干式清洗中的气流清洗来说，由于气体介质使从固体表面解离分散下来的污垢 粒子稳定分散的能力不强，所以污垢粒子可能会再吸附到物体表面造成再污染使清洗不 彻底，这是它的缺点。但干式清洗不使用液体，因此有清洗后不需要干燥的优点。在高 精密工业清洗领域往往采用干式清洗可以获得比湿式清洗更高的清洁度，如紫外线一臭 氧法和等离子体法等干式清洗新技术就可以把精密电子元件或光学仪器上的极微小有 机物污垢或水分去除干净。 湿式清洗是指用液体的清洗介质从工件表面清除液体污染物和固体污染物，使工件 表面达到一定的洁净程度，通常所说的清洗都是指湿式清洗( 以下所说的清洗均指湿式 清洗) 。湿式清洗包括浸洗、超声清洗、汽相清洗、喷淋清洗、电解清洗以及各种强化 清洗的方法如擦洗、刷洗、抖动洗、转动洗等。污染物可以被溶解在清洗介质中，或被 清洗介质所乳化、分散、卷离而脱离工件。清洗介质可以是有机溶剂，也可以是水基清 洗液或水。湿式清洗后应进行干燥。 1 2 2 相似相溶原理 影响物质在溶剂中溶解程度的因素较复杂。一般来说，“相似者相溶”是一个简单 而较有用的规律嘲，即极性溶质易溶于极性溶液：非极性( 或弱极性) 溶质易溶于非极 性( 或弱极性) 溶剂；溶质与溶剂的极性越相近，越易互溶。 清洗介质能不能溶解污染物是洗净技术中的关键问题。同一种清洗介质对不同性质 的污染物其洗净效果是完全不同的，不同的清洗介质对同一种污染物其洗净效果也是完 全不同的。特别是选用有机溶剂清洗时，其清洗机理主要是靠有机溶剂对污染物的溶解 作用。根据相似相溶法则，清洗介质和污染物两者分子结构相似的，容易相互溶解；分 大连理工大学硕士学位论文 予结构差别很大的，不易相互溶解。因此，有机类污染物容易溶解于有机溶剂中，无机 类污染物容易溶解于水基类清洗介质中，这是选择清洗介质的基本原则。 1 2 3 湿式清洗作用过程 湿式清洗的基本过程属于清洗介质、污染物、工件表面三者之间多相界面的相互作 用f 5 】o 以清洗油污为例，当油滴落在工件表面上时，油滴会在工件表面扩展，也就是润湿 工件表面。当油滴不再扩展处于平衡状态时，在工件表面和油滴的接触点0 上，有油滴 的表面张力o - 油，有工件表面与油滴的界面张力。油，也有工件表面的表面张力盯。，即 工件表面的自由能，如图1 2 所示。 o 由 图1 2 三种张力关系图 f i g 1 2r e l a t e dd i a g r a mo f t h r o es t r a i n 三者平衡时形成如下关系： 盯油与d - 工油之间形成一个润湿角0 ，即 c o s 0 ：垒二垒些 则 q = o - x 抽+ x e o s 0 ( 1 1 ) ( 1 2 ) 当把带油滴的工件置于清洗介质中时，情况发生了如下变化：原工件的表面张力盯： 变为工件与清洗介质的界面张力盯工靖；原油滴的表面张力盯油变为油滴与清洗介质的界 面张力o 油渍：原油滴在清洗介质的作用下产生卷缩，润湿角增大，直到把油滴卷离工件 表面，见图1 3 。 王秀军：轴承成品清洗工艺及清洗装置研究 塑 ( c ) 么 ( b ) o 图1 3 张力变化图 f i g 1 3d i a g r a mo f c h a n g eo f s t r a i n ( d ) 当清洗开始后，油滴受到挤压，0 角不断增大，由图1 3 ( a ) 变为图1 3 ( b ) ，当油 滴进一步受到挤压，e 角大于9 0 。小于1 8 0 0 ，如图1 - 3 ( c ) 所示，当日角增大至1 8 0 0 时如图1 3 ( d ) 所示，油滴被清洗介质置换而脱离工件表面，c o s 0 变化范围为0 1 ，d 油清 的方向相反： c o s o ：垒煎二垒迪( 1 3 ) 清 当0 = 1 8 0 0 时，则c o s l 8 0 0 = 一1 ， 或 垒煎二坌迪：一i 清 盯工清= c ，i 工油一仃油清 c k 油= c r 工清+ a r 油蜡 ( 1 4 ) ( 1 - 5 ) ( 1 6 ) 也就是说，当选用的清洗介质与油污的界面张力加上清洗介质与工件的界面张力，等于 工件与油污的界面张力时，油污将被清洗掉，油污与工件的界面将被清洗介质与工件的 界面所置换。 如果选用的清洗介质表面张力很低，其与油污、工件之间产生的界面张力就有可能 满足上述条件，清洗过程就能自动进行；如果尚不能满足上述条件，则清洗过程还需要 一定的外力来帮助克服油污对工件表面的粘附。则需外力f ： f = 盯工油一吒清一盯油墒x c o s o ( 1 7 ) 清洗介质的表面张力越低，即所需外力越小，直到0 = 1 8 0 。时，f = 0 ，不再需要外力。 每 大连理工大学硕士学位论文 1 2 4 清洗三要素 清洗就是借助清洗设备或工具【_ ”，将清洗介质作用于物体表面，用一定的清洗方法 除去物体表面的污垢，并使物体表面达到一定的清洁度。所以，清洗作业包含三个要素： 清洗介质( 或清洗液) 、清洗方法( 或清洗工艺) 和清洗设备( 或清洗工具) ，三者缺一 不可。 通过清洗除去污垢，主要依靠清洗介质和清洗方法两者作用于物体表面的各种能 力。其中属于清洗介质本身性能所具备的有：溶解能力、表面活性力和化学反应产生的 中和或分解；属于清洗所产生和施加于物体表面的能力有：冲击力、搅拌力等。清洗设 备则是清洗介质和清洗方法产生上述各种能力，并且充分发挥作用的必要条件。 因此，清洗介质、清洗方法和清洗设备三者是相互依存、相互促进的三要素。为了 提高清洗水平，必须提高清洗介质的各项性能和清洗方法的效率，以及提高清洗设备的 技术经济效益。 1 3 国内外轴承清洗研究现状 长期以来，对于成品轴承的清洗，使用的清洗介质是煤油或汽油，清洗方法是手工 擦洗或喷淋冲洗。这种方式不仅成本高、劳动强度大、生产效率低，而且安全性差，事 故危险性大，更重要的是这种清洗方式很难达到轴承清洁度质量要求的标准。所以，寻 求更安全、更经济、更高效的清洗方法，对轴承的成品清洗具有重要意义i l ，2 j 。 在上个世纪五十年代，科学家们发现：一定频率范围内的超声波，作用于液体介质 内，可以达到清洗的作用。经过一段时间的研究和试验，发现超声清洗具有清洗速度快、 清洗质量高等优点，特别适合于表面形状非常复杂的零部件的清洗；尤其是采用这一技 术后，可以减少化学溶剂的用量，从而大大降低环境污染。由此，超声清洗被逐渐运用 于各行各业中去口，j 。 超声清洗技术研究和应用在我国也始于上世纪五十年代，几乎与国外同步进行。当 时超声清洗设备的核心部件是采用磁致伸缩换能器，而超声频电源则是电子管器件。到 了七十年代，换能器逐渐由高效率且制作方便的压电换能器取代，并出现晶体管和晶闸 管超声频电源，设备的效率大大提高而体积却缩小很多。但是，所生产的设备大多是台 式、单槽式的超声清洗机，使用的清洗介质大多是水基清洗液【1 0 】。 上世纪八十年代初，深圳波达超声工程设备有限公司等采用了国际上先迸的超声清 洗技术及中科院的研究成果 io 】，生产出一批使用有机溶剂，具有冷凝、循环过滤、溶剂 回收，并具有气相清洗的超声波成套设备，填补了当时国内的空白。 王秀军：轴承成品清洗工艺及清洗装置研究 上世纪九十年代后，超声清洗设备主要朝着以下两个方面发展 1 1 ：一个是，各种类 型的多缸式或传动链式或升降式生产线相继面市：另一个是，低频超声清洗设备向高频 超声清洗设备发展。在美国、日本、欧洲以及亚太市场上，多缸式超声清洗设备总量已 呈明显上升之势，高达总量的5 0 ，而多工位半自动、全自动传动链式或升降式超声清 洗线体设备也已上升到总量的4 0 以上。 随着技术的进步其应用日益扩大 1 0 - 1 3 。超声清洗目前已广泛用于电子电器工业，清 洗半导体器件、电子管零件、印刷电路、继电器等：机械工业中用于清洗齿轮、油泵油 嘴、燃油过滤器、阀门及其它机械零件：在光学和医疗器械方面用于清洗各种透镜、眼 镜、医疗玻璃器皿和手术器具等：轻工业中用来清洗食品瓶、盖、模具及雕刻工艺品等。 超声清洗的高效率和其在其他行业的成功使用，使得人们开始研究其在轴承清洗行 业中使用的可能性。近些年，用于清洗轴承的超声清洗设备开始增多，但和在其他行业 中的情况一样，超声清洗设备大多都是多缸式或传动链式。目前超声清洗设备的缺点是： 清洗工艺比较单一，需要和其他设备配套使用以实现其他工艺；结构复杂庞大，清 洗效率较低。 纵观轴承清洗的国内外研究现状 h 。2 7 】，可以看出，当前研究的主要方向集中在轴承 成品的多步清洗工艺的研究、各种清洗方法的清洗机理的研究及清洗设备的开发与应 用。 1 4 本论文的主要工作 为实现轴承成品高清洁度的清洗要求，本文把清洗三要素：清洗液、清洗工艺和清 洗设备作为研究重点，拟完成以下几方面的工作： 1 把喷淋清洗和超声清洗作为轴承清洗的主要方式，探讨超声清洗机理，分析超 声清洗各参数对清洗质量的影响。 2 以中型深沟球轴承为清洗对象，探讨轴承清洗的典型工艺，并依据工艺设计出 一套清洗装置，实现多型号轴承的清洗。 3 分析现场控制需求，将可编程控制器( p l c ) 应用于清洗装置的控制系统，实 现装置的自动控制。 4 通过实验分析轴承清洗的效果。 大连理工大学硕士学位论文 2 超声清洗技术分析 一般来说，人能听到的声音是频率在2 0 2 0 k h z 的声波信号，把高于2 0 k h z 的声 波称为超声波。超声清洗是把被清洗的物体浸入盛有清洗液的清洗槽中，同时向清洗液 中导入超声而实现清洗的工艺过程。 2 1 超声清洗的相关理论 2 1 1 超芦清洗机理 超声波的传递依照声源强弱，一层强一层弱依次向前传播，当弱的声波信号作用于 液体时，会对液体产生一定的负压，使液体内形成许多微小的气泡；当强的声波信号作 用于液体时，则会对液体产生一定的正压，从而将液体中形成的微小气泡压碎。气泡的 破裂会产生极大的冲击力，瞬间产生几百摄氏度的高温和高达上百万千帕的压力。这种 现象即为“空化效应”。 在超声清洗中，换能器将超声电源所提供的电能转变为超声机械振动，并将此振动 传到清洗液中。当液体中有声波传播时，会产生上述的空化现象，空化核在周围产生上 千个大气压，破坏不溶性污物而使它们分散于清洗液中。蒸汽型空化对污物层的直接反 复冲击，一方面破坏污物与清洗件表面的吸附，另一方面也会引起污物层的破坏和脱离。 气体型气泡的振动能对固体表面进行擦洗，污层一旦有缝可钻，气泡还能“钻入”裂缝 中作振动，使污层脱落。由于超声空化作用，两种液体在界面迅速分散而乳化。当匿i 体 粒子被油污裹着而黏附在清洗件表面时，油被乳化，固体粒子即脱落。 声流和辐射压是大振幅波在媒质中传播时产生的非线性现象。空化气泡在振荡过程 中会使液体媒质本身产生一种环流，即所谓声流。它可使振动气泡表面处存在很高的速 度梯度和黏滞应力，促使清洗件表面污物的破坏和脱落。超声空化在固体和液体界面上 所产生的高速微射流能够除去或削弱边界污层，腐蚀固体表面，增加搅拌作用，加速可 溶性污物的溶解，强化化学清洗液的清洗作用。大振幅波在媒质中传播使声场中的物体 受到一个力的作用，这个力叫辐射力，对清洗也起到一定作用。此外，超声振动在清洗 液中引起质点很大的振动速度和加速度，亦使清洗件的表面的污物受到频繁而激烈的冲 击。 上述作用机理 4 ，2 8 1 可以简述为：当超声在清洗液中传播时，会产生空化、辐射压、 声流等物理效应，这些效应对污物有机械剥落作用，同时能促进清洗液与污物的化学反 应，其中空化效应在超声清洗中起主要作用。 超声产生的物理效应在清洗过程中的作用 2 9 】如图2 1 所示。 王秀军：轴承成品清洗工艺及清洗装置研究 图2 1 超声清洗过程图解 f i g 2 1p r o c e s so f u l t r a s o n i cc l e a n i n g 2 1 2 空化效应理论 ( 1 ) 液体强度和空化核 空化是一种液体现象，只有在液体中才能产生。理论上，只有当外加的负压超过分 子内聚力时，才能把液体拉破。纯水强度的理论极限值为p = 3 2 5 0 k g c m 2 ( 1 k g c m 2 踟1 m p a ) ，设想用声波作用把水分子拉开，那么声压振幅值应和p 同数量级， 可以推知声强度应为3 7 4 x 1 0 6 w e r a 2 。然而，实验证明在纯水中产生空化所需的声强度 远远低于上述数值 2 9 1 。 为解释此现象，人们曾进行了深入的研究，发现液体中存在许多空化核，即很微小 的气泡，直径一般为1 0 击1 0 4 衄。在声负压的作用下，这些空化核就会膨胀而形成空 化气泡。 当液体中存在空化核，且空化核内含有蒸汽，则该液体的强度由下式计算： 卜只+ 去阍万习 ， 式中，r 是蒸汽压，r o 是空化核的初始半径，a 是表面张力，p 0 是液体的静压强。 由式( 2 1 ) 可以看出，空化核的半径月。愈大，则该处液体强度愈弱；反之，空化 核半径矗。愈小，液体强度也就愈强。含有空化核的地方就是液体强度比较薄弱的地方， 也就是空化开始的地方。 ( 2 ) 空化阈 使液体产生空化的最小压强称为该液体的空化阈值。 设液体的静压力为尸o ，声波交变声压幅值为p 。，则液体中压强的变化为户o 只， 大连理工大学硕士学位论文 当p m p o 时，则p o - p 。 p 时 形成空化。对于含有半径为r o 的空化核的液体，超声空化的空化阈为 e = 昂+ 鼻 ( 2 。2 ) 将式( 2 1 ) 即r 表达式代入，则空化阈为 母南厕万习 晓s ， 由此可见，超声空化阈值随不同液体而不同；同一种液体，随温度、压力状态、含 气量以及空化核半径的大小和分布的不同而不同。一般说来，空化阕随频率、静压力和 液体粘滞性的增大而升高，随温度、液体的含气量的增大而降低。 ( 3 ) 空化气泡的运动 气泡在声场的作用下振动，但不定会发生气泡崩溃。当声波的频率小于气泡的谐 振频率时才会使气泡崩溃，而当声波频率超过气泡的谐振频率时，气泡将进行复杂的振 动，一般不发生气泡崩溃。 设液体是不可压缩的，液体中有一气泡，半径为r o ，液体中的静压力为尸o ，声压 为尸m s i n ( c o t ) ，则气泡的运动方程为 月警+ 吾( 舒l p o - p 。s i n ”c o t 只+ 百2 6 r 一( 锁牲+ 到= 。隰t ， 上式是一个非线性方程，一般得不到解析解，但在特殊情况下可使之线性化。如当 气泡振幅很小时，设运动为绝热过程。在一级近似的条件下可得出气泡谐振时的固有频 盎 = 去辱孺 ( 2 5 ) 式中，y 为比热，p 为液体密度，o 为液体的表面张力。 从上式可以看出，气泡的共振频率决定于气泡的原始半径r o 及液体的静压力r 以 及其它一些物理参数。 这种在弱声场作用下，气泡所做的稳定的小振幅脉动现象，通称为“稳定空化”。 这些气泡在进行共振过程中，伴随着一系列二阶现象发生。首先是辐射力，其次是伴随 着气泡脉动而发生的微声流，它可使脉动气泡表面处存在很高的速度梯度和粘滞力。 王秀军：轴承成品清洗工艺及清洗装置研究 ( 4 ) 空化泡闭合时产生的强度 著名声学家r a y l e i g h 最先计算了空泡闭合时速度、时间和所产生微激波的强度。 假设液体是不可压缩的，在液体中有一个孤立的空泡，半径膨胀到r m 后，由于由 于周围液体的压缩开始收缩，现在半径己收缩至r 。假设空泡中不含气体或蒸汽，空泡 表面的收缩速度为u ( t ) ，液体的质点速度为v ( r t ) ，则气泡的收缩速度为 ( 2 6 ) 式( 2 6 ) 只是近似的表达，但说明总的规律是气泡的收缩速度随半径的减少愈来 愈大。 由式( 2 6 ) 经过变换可求得气泡完全闭合所需的时间f 为 仁硼9 1 5 如摇 7 ) 如果考虑气泡内含有气体且泡内压强为q ( 包括蒸汽和扩散进去的气体的总压强) ， 则得到气泡收缩速度为 u = ( 2 8 ) 式中y 为气体的等压比热和等热比容的比值。 气泡闭合时在表面外距中心为r 处产生的压强p ( r ) 为 删喘+ 。p 孙m z r q ( 。一) + 署+ c z 圳b _ 参卜沪与( 弘z ) 式中，z = ( r m r ) 3 ：v = 4 3 。 可见气泡在闭合过程中，气泡压缩到最小半径时，产生的压强最大。气泡原来半径 愈大，闭合半径愈小，则激波压力也愈强。 在气泡闭合的过程中，液体的动能转变为对气泡所做的功。当气泡闭合时，气泡的 能量除部分转变为热和光辐射外，其余的就以激波形式辐射，即产生微激波。 2 2 超声清洗装置组成 超声清洗装置主要由三部分组成【3 0 】：超声波发生器、超声换能器和清洗槽组成，如 图2 2 所示。 大连理工大学硕士学位论文 图2 2 超声波清洗装置示意图 f i g 2 2s c h e m a t i cd i a g r a mo f u l t r a s o n i cc l e a n i n ge q u i p m e n t 超声波发生器将5 0 h z 的交流电转换成超声频( 比如4 0 k h z ) 电振荡信号后，通过 输出电缆将其输送给液槽底部的超声换能器，由换能器将超声频电振荡信号转换为超声 频机械振动并发射至清洗液中。清洗槽是盛放清洗液和被清洗物体的容器。超声换能器 通常固定在清洗槽的下部，有时也可以装在清洗槽的侧面。 2 2 1 超声波发生器 超声波发生器也称作超声电源 2 8 - 3 0 1 ，它是一种用以产生并向超声换能器提供超声频 电能的装置。按照所采用的工作原理，可以把超声波发生器分为模拟电路和数字电路两 大类。模拟电路超声波发生器又分为振荡一放大型和逆变型两种。 装置采用振荡一放大型超声波发生器，其结构框图如图2 3 所示。由图中可以看出， 振荡放大型超声波发生器实际上就是一个带有振荡电路的放大器，它由振荡、放大、 匹配电路和电源组成。振荡器产生一个一定频率的信号，以推动后面的放大器；放大器 的作用是将振荡信号放大而达到一定的功率输出。功放输出有一个最佳负载值，当实际 负载等于此值时，才能向负载提供额定的输出功率。由于实际负载与最佳负载总有差别， 所以般要通过输出变压器进行阻抗匹配。此外，由于电压换能器是一容性阻抗，因此 通常用一外加电感器进行调谐。只有通过调谐和阻抗匹配，换能器才能获得最大的电功 率。 图2 3 振荡一放大型超声波发生器结构框图 f i g 2 3s t r u c t u r ed i a g r a mo f s u r g ea m p l i f i c a t o r yu l t r a s o n i cg e n e r a t o r 王秀军；轴承成品清洗工艺及清洗装置研究 除上述的基本电路外，时常根据需要配有特殊电路。例如，换能器的谐振频率由于 受负载及工作温度或自身老化、磨损的影响，会在使用过程中发生变化，此时发生器的 频率必须跟随变化，才能达到最佳工作状态，因而常设有频率自动跟踪电路。 2 2 2 超声换能器 换能器将超声频电振荡信号转换为同频率的机械振动并发射至清洗液中2 8 - 3 0 。用于 超声清洗的换能器有两种类型：一种是磁致伸缩换能器，另一种是压电换能器。磁致伸 缩换能器通常由镍片叠成，这种换能器的电声效率比较低，而且金属镍的价格昂贵，制 造工艺复杂，所以目前很少采用；还有一种用铁氧体材料做成的磁致伸缩换能器，虽然 其电声效率比较高，但机械强度低、所能承受的电功率容量小，因而目前也很少应用。 目前主要采用压电换能器，因为这种换能器的电声转换效率高、原材料价格便宜， 而且便于制造不同的结构，以适应不同的清洗要求。超声清洗用的压电换能器的基本结 构如图2 4 所示。 4 1 电极片2 压电陶瓷片3 后盖板4 螺栓5 绝缘环6 前盖板 图2 4 压电换能器基本结构 f i g 2 4b a s i cs t r u c t u r eo f p i e z o e l e c t r i ct r a n s d u c e r 换能器是超声振动系统的核心部件。由于液体负载是轻负载，为增大换能器的辐射 阻抗，提高辐射效率，采用喇叭型换能器来增大辐射面积。 2 2 3 清洗槽 清洗槽通常采用强度高、能抗一般化学腐蚀的不锈钢材料制成。 超声波换能器在清洗槽中的安装有两种方式，一种是将单个换能器固定的粘贴在清 洗槽的底部或侧面，如图2 5 ( a ) 所示，这种情况要求与清洗液接触的槽面要抛光，以 大连理工大学硕士学位论文 减少空化腐蚀：另一种是把多个换能器共同粘结在一块辐射板上，并密封成为一个外形 象盒子的换能器组合体，可以浸入装有清洗液的清洗槽中的任意位置，以取得最佳的清 洗效果，如图2 5 ( b ) 所示，这秘方式称沉浸式安装，此时换能器是独立的一个部件， 沉浸式换能器维修比较方便，能快速更换。 ( a ) 普通式安装( b ) 浸没式安装 图2 5 超声换能器安装方式 f i g 2 5i n s t a i l a t i o nm o d eo f u r r a s o n i c 订a n s d u c e r 2 3 影响超声清洗效果的因素 超声清洗的主要机理是超声空化作用，超声空化的强弱与声学参数和清洗液的物理 化学性质有关 2 8 , 3 1 - 3 3 】。所以要达到良好的清洗效果，必须选择适当的声学参数和清洗液。 2 3 1 声强或声压的选择 在液体中只有交变声压幅值超过静压力时才出现负压，而负压要超过液体的强度才 能产生空化，使液体产生空化的最低声强或声压幅值称为空化阈。各种液体具有不同的 空化阈值。 在超声清洗槽中的声强要高于空化阈才能产生超声空化。对于一般液体，空化阂约 为1 3 w c m 2 ( 声强与声压的平方成正比) 。声强增加时，空化泡的最大半径与起始半径 的比值增大，使空化强度增大，而且空穴数量也增加，有利于清洗作用。 但并不是声强越高，清洗效果越好。因为当声强过高时，在声源表面会产生大量无 用的气泡而形成一道声屏障，使远离声源的声波强度减弱，从而削弱清洗作用。所以在 超声清洗槽中，声强一般选择在1 2w c m 产的范围。对于一些难清洗干净的污物，例 如金属表面的氧化膜、化纤喷丝板孔中污物的清洗，则采用较高的声强，此时被清洗面 应贴近声源。 王秀军：轴承成品清洗工艺及清洗装置研究 2 3 2 频率的选择 液体的空化阈值和超声波的频率有密切关系。频率越高，空化闽也越高。换句话说， 频率越高，在液体中要产生空化所需要的声强或声功率也越大。而频率低时，空化容易 产生，同时在低频率情况下，液体受到的压缩和稀疏作用有更大的时间间隔，使气泡在 崩溃前能生长到较大的尺寸，在崩溃时空化强度增高，有利于清洗作用。因此对于质 量及体积较大的清洗物体，一般选用较低频率的超声波，而对于一些轻巧而容易损坏的 零件则采用较高频率的超声波。此外，频率的选择还需要考虑噪声的问题。频率低于 2 0 k h z 时噪声大，因此超声波的频率大多选择在2 0 5 0 k h z 之间。 在许多高技术产品的生产过程中需要清洗亚微米粒子的污物，例如大规模集成电路 硅片的清洗、硬磁盘和光掩膜的清洗等，此时用低频超声清洗不但没有效果，而且易损 伤产品。采用7 0 0 k i - i z i m h z 的兆赫超声清洗能够使附着在表面上的微小污粒脱离，其 清洗机制主要不是超声的空化作用，而是声压梯度、粒子速度及声流的作用，配合清洗 液的化学作用使亚微米污物脱离被清洗件的表面。 2 3 3 清洗液的| 生质 清洗液的表面张力、蒸汽压及粘度等性质对空穴的产生有直接影响，液体表面张力 大则空穴崩溃时释放的能量也大，有利于超声清洗。由于蒸汽压力高的液体，空穴强度 低，粘度大的液体的空化阂大，不易产生空穴，因此蒸汽压高、粘度大的清洗液都不利 于超声清洗。 2 4 清洗液的选用 清洗过程中，不仅要考虑操作人员和清洗物体的安全及清洗液的管理，而且要考虑 清洗结束后废液排放对自然环境是否安全。 c f c 一1 1 3 ( 1 ，l ，2 - - - - 氟三氯乙烷) 、t c a ( 1 ，1 ，卜三氯乙烷) 等氯氟烃溶剂，化学 稳定性好，可以长期保存不变质；既可溶解非极性的有机污物，也可溶解极性的无机污 物；而且溶解力强、不易燃烧，并能自行干燥，因而曾经在清洗行业得到广泛使用。但 c f c 1 1 3 和t c a 均属o d s ( 消耗臭氧层物质) ，唯一的缺点即是破坏臭氧层【6 j 4 】。 众所周知，臭氧层的破坏，是当今人类社会