Позволяет быстро и качественно обработать самые различные детали, удалить самые прочные загрязнения, заменить дорогостоящие и небезопасные растворители и механизировать процесс очистки.

При сообщении жидкости ультразвуковых колебаний в ней возникают переменные давления, изменяющиеся с частотой возбуждающего поля. Наличие в жидкости растворенных газов приводит к тому, чтоб во время отрицательного полупериода колебаний, когда на жидкость действует растягивающее напряжение, в этой жидкости образуются и увеличиваются разрывы в виде газовых пузырьков. В эти пузырьки могут всасываться загрязнения из микротрещин и микропор материала. Под действием сжимающих напряжений во время положительного полупериода давлений, пузырьки захлопываются. К моменту захлопывания пузырьков на них действует давление жидкости, достигающее нескольких тысяч атмосфер, поэтому захлопывание пузырька сопровождается образованием мощной ударной волны. Такой процесс образования и захлопывания пузырьков в жидкости называется кавитацией . Обычно кавитация возникает на поверхности детали. Ударная волна измельчает загрязнения и перемещает их в моющий раствор (см. рис. 1.10).

Рис. 1.10. Схема всасывания загрязнений из микротрещин поверхности в растущий газовый пузырек

О
тделенные частицы загрязнений захватываются пузырьками и всплывают на поверхность (рис. 1.11).

Рис. 1.11. Ультразвуковая очистка

Ультразвуковая волна в жидкости характеризуется звуковым давлением P зв. и интенсивностью колебаний I. Звуковое давление определяют по формуле:

P зв. =  . C .  .  . Cos(t-k x) = p m . Cos(t-k x),

где p m =  . C .  .  - амплитуда звукового давления,

 . C - волновое сопротивление,

 - амплитуда колебаний,

 - частота.

С повышением звукового давления до оптимальной величины возрастает число газовых пузырьков жидкости, соответственно увеличивается объем кавитационной области. В ультразвуковых установках для очистки звуковое давление на границе “излучатель-жидкость” лежит в пределах 0,2 ÷0,14 Мпа.

Под интенсивностью ультразвуковых колебаний на практике принимают мощность, приходящуюся на единицу площади излучателя:

1,5÷3 Вт/см 2 - водные растворы,

0,5÷1 Вт/см 2 - органические растворы.

Кавитационное разрушение достигает максимума тогда, когда время захлопывания пузырьков равно полупериоду колебаний. На образование и рост кавитационных пузырьков влияют вязкость жидкости, частота колебаний, статическое давление и температура. Кавитационный пузырек может образоваться, если его радиус меньше некоторого критического радиуса, соответствующего определенному гидростатическому давлению.

Частота ультразвуковых колебаний лежит в пределах от 16 Гц до 44 кГц.

Если частота колебаний низкая, то образуются более крупные пузырьки с малой амплитудой пульсации. Часть из них просто всплывает на поверхность жидкости. Ультразвук низкой частоты хуже распространяется из-за поглощения, поэтому качественный процесс очистки идет в области, близкой к источнику. При низкой частоте недостаточно хорошо очищаются микротрещины, размеры которых меньше длины волны ультразвука.

Повышение частоты колебаний приводит к уменьшению размеров газовых пузырьков и следовательно, к уменьшению интенсивности ударных волн при одной и той же мощности установки. Для запуска кавитационного процесса с увеличенной частотой требуется большая интенсивность колебаний. Рост частоты ультразвуковой установки очистки приводит обычно к понижению КПД установки. Тем не менее, повышение частоты ультразвука имеет ряд положительных сторон:

Очистка осуществляется гидропотоками при значительно меньшей вибрации детали;

Плотность ультразвуковой энергии увеличивается пропорционально квадрату частоты, что позволяет вводить в раствор большие интенсивности или при постоянной интенсивности уменьшать амплитуду колебаний;

С увеличением частоты увеличивается величина поглощаемой энергии ультразвука.

Вследствие поглощения энергии более высокой плотности частицы масел, жиров, флюсов и т.п. загрязнений поверхности детали нагреваясь, становятся более жидкотекучими и легко растворяются в очищающей жидкости. Вода (как основа моющего раствора) при этом не нагревается;

С увеличением частоты уменьшается длина волны, что способствует более тщательной очистке мелких отверстий;

При колебаниях ультразвука достаточно высокой частоты (40 кГц) ультразвуковая волна распространяется с меньшим поглощением и действует эффективно даже на большом расстоянии от источника;

Значительно уменьшаются габариты и масса ультразвуковых генераторов и преобразователей;

Уменьшается опасность эрозионного разрушения поверхности очищаемой детали.

Вязкость жидкости при ультразвуковой очистке влияет на потери энергии и ударное давление.Увеличение вязкости жидкости повышает потери на вязкое трение, однако время захлопывания пузырька при этом сокращается, следовательно, увеличивается сила ударной волны. Техническое противоречие.

Температура оказывает неоднозначное влияние на процесс ультразвуковой очистки.Повышение температуры активизирует моющую среду, повышает ее растворяющую способность. Но при этом уменьшается вязкость раствора и увеличивается давление парогазовой смеси, что значительно снижает устойчивость кавитационного процесса. Здесь мы опять сталкиваемся с ситуацией технического противоречия.

Инженерный подход к разрешению этого противоречия заключается в оптимизации температуры (вязкости) раствора в зависимости от характера и вида загрязнений. Для очистки деталей от химически активных загрязнений следует повышать температуру, а для удаления плохо растворимых загрязнений нужно выбирать такую температуру, которая создает условия оптимальной кавитационной эрозии.

Щелочные растворы 40÷60ºС,

Трихлорэтан 38÷40ºС,

Водные эмульсии 21÷37ºС.

Кроме кавитационного диспергирования загрязнений, положительное значение при очистке имеют акустические течения жидкости, т.е. вихревые потоки, образующиеся в озвученной жидкости в местах ее неоднородностей или на границе раздела “жидкость-твердое тело”. Высокий уровень возбуждения жидкости в граничащем с поверхностью детали слое уменьшает толщину диффузионного слоя, образованного продуктами реакции моющего раствора с загрязнениями.

Среды ультразвуковой очистки

Очистку проводят в водных моющих растворителях, эмульсиях, кислых растворах. При использовании щелочных растворов можно значительно уменьшить температуру и концентрацию щелочных компонентов, а качество очистки останется высоким. При этом уменьшается травящее воздействие на деталь. В состав щелочных растворов входят чаще всего каустическая сода (NaOH), кальцинированная сода (Na 3 CO 3), тринатрийфосфат (Na 3 PO 4 . 12H 2 O), жидкое стекло (Na 2 O . SiO 2), анионоактивные и неионогенные ПАВ (сульфанол, тинол).

ПАВ существенно повышают кавитационную эрозию, т.е. интенсифицируют процесс очистки. Однако, опасность кавитационного разрушения поверхности материала при добавлении ПАВ также увеличивается. Понижение поверхностного натяжения в присутствии ПАВ приводит к увеличению количества пузырьков в единице объема. При этом ПАВ понижает прочность поверхности детали (техническое противоречие).

Для предовращения эрозии металлов необходимо выбирать оптимальные концентрации ПАВ, минимальную длительность процесса и располагать детали подальше от излучателя (инженерное решение).

Очистку ультразвуком в органических растворителях применяют тогда, когда очистка в щелочных растворителях может привести к коррозии материала или к образованию пассивной пленки, а также, если необходимо сократить время сушки. Наиболее удобными являются хлорированные растворители с высокой химической активностью; они растворяют самые различные загрязнения и безопасны в эксплуатации.

Хлорированные растворители можно применять в чистом виде и в составе азеотропных смесей (перегоняемых без изменения состава). Например, смеси фреона-113, фреона-30. Азеотропные смеси растворителей реагируют со многими загрязнениями, при этом эффективность очистки увеличивается.

Для ультразвуковой очистки применяются также бензин, ацетон, спирты, спиртобензиновые смеси.

Для ультразвукового травления деталей при очистке от окислов применяют концентрированные кислые растворы (см. таблицу 1.6).

Таблица 1.6.

Состав растворов (массовые доли) и режимы ультразвукового травления

Материал детали							Уротропин	Температура ºС	Длительность, мин
Конструкционные стали (Ст 3, 45)
Цементируе мые стали (16ХГТ)
Хромистые стали (2Х13, 4Х13 и др.)
Электротехнические стали
Нержав. стали
Медные сплавы (Л90, ЛА85, Л68 и др.)
Углеродистые стали

Способы управления процессом ультразвуковой очистки .

Изменение давления жидкости . Способ реализуется в виде создания вакуума или наоборот, избыточного давления. При вакууммировании жидкости облегчается образование кавитации. Избыточное давление повышает эрозионное разрушение, сдвигает максимум кавитационной эрозии в зону больших звуковых давлений, влияет на характер акустических течений.

Наложение электрического или магнитного полей на моющую среду. При электрохимической ультразвуковой очистке кавитационная область может быть локализована непосредственно у обрабатываемой детали; пузырьки выделяющихся на электродах газов способствуют разрушению пленок загрязнений; уменьшается смачиваемость маслом поляризованной поверхности детали.

Наложение на кавитационную область магнитного поля вызывает движение газовых пузырьков, имеющих отрицательный поверхностный заряд, что увеличивает кавитационную эрозию деталей.

Введение абразивных частиц в моющий раствор. Твердые частицы абразива участвуют в механическом отделении загрязнений и стимулируют образование кавитационных пузырьков, так как нарушают сплошность жидкости.

Позволяет быстро и качественно обработать самые различные детали, удалить самые прочные загрязнения, заменить дорогостоящие и небезопасные растворители и механизировать процесс очистки.

При сообщении жидкости ультразвуковых колебаний в ней возникают переменные давления, изменяющиеся с частотой возбуждающего поля. Наличие в жидкости растворенных газов приводит к тому, чтоб во время отрицательного полупериода колебаний, когда на жидкость действует растягивающее напряжение, в этой жидкости образуются и увеличиваются разрывы в виде газовых пузырьков. В эти пузырьки могут всасываться загрязнения из микротрещин и микропор материала. Под действием сжимающих напряжений во время положительного полупериода давлений, пузырьки захлопываются. К моменту захлопывания пузырьков на них действует давление жидкости, достигающее нескольких тысяч атмосфер, поэтому захлопывание пузырька сопровождается образованием мощной ударной волны. Такой процесс образования и захлопывания пузырьков в жидкости называется кавитацией . Обычно кавитация возникает на поверхности детали. Ударная волна измельчает загрязнения и перемещает их в моющий раствор (см. рис. 1.10).

Рис. 1.10. Схема всасывания загрязнений из микротрещин поверхности в растущий газовый пузырек

Отделенные частицы загрязнений захватываются пузырьками и всплывают на поверхность (рис. 1.11).

Рис. 1.11. Ультразвуковая очистка

Ультразвуковая волна в жидкости характеризуется звуковым давлением P зв. и интенсивностью колебаний I. Звуковое давление определяют по формуле:

P зв. =  . C .  .  . Cos(t-k x) = p m . Cos(t-k x),

где p m =  . C .  .  - амплитуда звукового давления,

 . C - волновое сопротивление,

 - амплитуда колебаний,

 - частота.

С повышением звукового давления до оптимальной величины возрастает число газовых пузырьков жидкости, соответственно увеличивается объем кавитационной области. В ультразвуковых установках для очистки звуковое давление на границе “излучатель-жидкость” лежит в пределах 0,2 ÷0,14 Мпа.

Под интенсивностью ультразвуковых колебаний на практике принимают мощность, приходящуюся на единицу площади излучателя:

1,5÷3 Вт/см 2 - водные растворы,

0,5÷1 Вт/см 2 - органические растворы.

Кавитационное разрушение достигает максимума тогда, когда время захлопывания пузырьков равно полупериоду колебаний. На образование и рост кавитационных пузырьков влияют вязкость жидкости, частота колебаний, статическое давление и температура. Кавитационный пузырек может образоваться, если его радиус меньше некоторого критического радиуса, соответствующего определенному гидростатическому давлению.

Частота ультразвуковых колебаний лежит в пределах от 16 Гц до 44 кГц.

Если частота колебаний низкая, то образуются более крупные пузырьки с малой амплитудой пульсации. Часть из них просто всплывает на поверхность жидкости. Ультразвук низкой частоты хуже распространяется из-за поглощения, поэтому качественный процесс очистки идет в области, близкой к источнику. При низкой частоте недостаточно хорошо очищаются микротрещины, размеры которых меньше длины волны ультразвука.

Повышение частоты колебаний приводит к уменьшению размеров газовых пузырьков и следовательно, к уменьшению интенсивности ударных волн при одной и той же мощности установки. Для запуска кавитационного процесса с увеличенной частотой требуется большая интенсивность колебаний. Рост частоты ультразвуковой установки очистки приводит обычно к понижению КПД установки. Тем не менее, повышение частоты ультразвука имеет ряд положительных сторон:

Очистка осуществляется гидропотоками при значительно меньшей вибрации детали;

Плотность ультразвуковой энергии увеличивается пропорционально квадрату частоты, что позволяет вводить в раствор большие интенсивности или при постоянной интенсивности уменьшать амплитуду колебаний;

С увеличением частоты увеличивается величина поглощаемой энергии ультразвука.

Вследствие поглощения энергии более высокой плотности частицы масел, жиров, флюсов и т.п. загрязнений поверхности детали нагреваясь, становятся более жидкотекучими и легко растворяются в очищающей жидкости. Вода (как основа моющего раствора) при этом не нагревается;

С увеличением частоты уменьшается длина волны, что способствует более тщательной очистке мелких отверстий;

При колебаниях ультразвука достаточно высокой частоты (40 кГц) ультразвуковая волна распространяется с меньшим поглощением и действует эффективно даже на большом расстоянии от источника;

Значительно уменьшаются габариты и масса ультразвуковых генераторов и преобразователей;

Уменьшается опасность эрозионного разрушения поверхности очищаемой детали.

Вязкость жидкости при ультразвуковой очистке влияет на потери энергии и ударное давление.Увеличение вязкости жидкости повышает потери на вязкое трение, однако время захлопывания пузырька при этом сокращается, следовательно, увеличивается сила ударной волны. Техническое противоречие.

Температура оказывает неоднозначное влияние на процесс ультразвуковой очистки.Повышение температуры активизирует моющую среду, повышает ее растворяющую способность. Но при этом уменьшается вязкость раствора и увеличивается давление парогазовой смеси, что значительно снижает устойчивость кавитационного процесса. Здесь мы опять сталкиваемся с ситуацией технического противоречия.

Инженерный подход к разрешению этого противоречия заключается в оптимизации температуры (вязкости) раствора в зависимости от характера и вида загрязнений. Для очистки деталей от химически активных загрязнений следует повышать температуру, а для удаления плохо растворимых загрязнений нужно выбирать такую температуру, которая создает условия оптимальной кавитационной эрозии.

Щелочные растворы 40÷60ºС,

Трихлорэтан 38÷40ºС,

Водные эмульсии 21÷37ºС.

Кроме кавитационного диспергирования загрязнений, положительное значение при очистке имеют акустические течения жидкости, т.е. вихревые потоки, образующиеся в озвученной жидкости в местах ее неоднородностей или на границе раздела “жидкость-твердое тело”. Высокий уровень возбуждения жидкости в граничащем с поверхностью детали слое уменьшает толщину диффузионного слоя, образованного продуктами реакции моющего раствора с загрязнениями.

Среды ультразвуковой очистки

Очистку проводят в водных моющих растворителях, эмульсиях, кислых растворах. При использовании щелочных растворов можно значительно уменьшить температуру и концентрацию щелочных компонентов, а качество очистки останется высоким. При этом уменьшается травящее воздействие на деталь. В состав щелочных растворов входят чаще всего каустическая сода (NaOH), кальцинированная сода (Na 3 CO 3), тринатрийфосфат (Na 3 PO 4 . 12H 2 O), жидкое стекло (Na 2 O . SiO 2), анионоактивные и неионогенные ПАВ (сульфанол, тинол).

ПАВ существенно повышают кавитационную эрозию, т.е. интенсифицируют процесс очистки. Однако, опасность кавитационного разрушения поверхности материала при добавлении ПАВ также увеличивается. Понижение поверхностного натяжения в присутствии ПАВ приводит к увеличению количества пузырьков в единице объема. При этом ПАВ понижает прочность поверхности детали (техническое противоречие).

Для предовращения эрозии металлов необходимо выбирать оптимальные концентрации ПАВ, минимальную длительность процесса и располагать детали подальше от излучателя (инженерное решение).

Очистку ультразвуком в органических растворителях применяют тогда, когда очистка в щелочных растворителях может привести к коррозии материала или к образованию пассивной пленки, а также, если необходимо сократить время сушки. Наиболее удобными являются хлорированные растворители с высокой химической активностью; они растворяют самые различные загрязнения и безопасны в эксплуатации.

Хлорированные растворители можно применять в чистом виде и в составе азеотропных смесей (перегоняемых без изменения состава). Например, смеси фреона-113, фреона-30. Азеотропные смеси растворителей реагируют со многими загрязнениями, при этом эффективность очистки увеличивается.

Для ультразвуковой очистки применяются также бензин, ацетон, спирты, спиртобензиновые смеси.

Для ультразвукового травления деталей при очистке от окислов применяют концентрированные кислые растворы (см. таблицу 1.6).

Таблица 1.6.

Состав растворов (массовые доли) и режимы ультразвукового травления

Материал детали							Уротропин	Температура ºС	Длительность, мин
Конструкционные стали (Ст 3, 45)
Цементируе мые стали (16ХГТ)
Хромистые стали (2Х13, 4Х13 и др.)
Электротехнические стали
Нержав. стали
Медные сплавы (Л90, ЛА85, Л68 и др.)
Углеродистые стали

Способы управления процессом ультразвуковой очистки .

Изменение давления жидкости . Способ реализуется в виде создания вакуума или наоборот, избыточного давления. При вакууммировании жидкости облегчается образование кавитации. Избыточное давление повышает эрозионное разрушение, сдвигает максимум кавитационной эрозии в зону больших звуковых давлений, влияет на характер акустических течений.

Наложение электрического или магнитного полей на моющую среду. При электрохимической ультразвуковой очистке кавитационная область может быть локализована непосредственно у обрабатываемой детали; пузырьки выделяющихся на электродах газов способствуют разрушению пленок загрязнений; уменьшается смачиваемость маслом поляризованной поверхности детали.

Наложение на кавитационную область магнитного поля вызывает движение газовых пузырьков, имеющих отрицательный поверхностный заряд, что увеличивает кавитационную эрозию деталей.

Введение абразивных частиц в моющий раствор. Твердые частицы абразива участвуют в механическом отделении загрязнений и стимулируют образование кавитационных пузырьков, так как нарушают сплошность жидкости.

Увеличение частоты ультразвуковых колебаний приводит к сокращению времени роста и уменьшению максимального радиуса кавитационной полости, что способствует повышению давления парогазовой смеси в пузырьке к началу захлопывания и уменьшает интенсивность ударных микроволн. Кроме того, с ростом частоты колебаний возрастает поглощение акустической энергии. Снижение частоты колебаний приводит к резкому возрастанию шума установок, а также к увеличению резонансных размеров излучателя. Большинство установок для ультразвуковой очистки работает в диапазоне частот 18...44 кГц.

Существует предельное значение интенсивности колебаний, превышение которого приводит к увеличению амплитудного значения давления, и кавитационный пузырек вырождается в пульсирующий. Кроме того, при большой интенсивности происходит экранирование ультразвукового поля кавитационным облаком вблизи излучателя, что увеличивает расход энергии. Интервал интенсивностей колебаний при ультразвуковой очистке составляет 0,5... 10 Вт/см 2 .

Технология ультразвуковой очистки

Весь технологический процесс ультразвуковой очистки включает операции, предшествующие звуковой очистке, непосредственно ультразвуковую очистку и операции, следующие за очисткой.

Подготовку загрязненной поверхности к ультразвуковой очистке осуществляют путем замачивания деталей в воде, моющем растворе или органических растворителях. Это позволяет сиять с деталей основное количество загрязнений и сократить время их последующей ультразвуковой очистки в 2...4 раза. Для замачивания деталей, загрязненных доводочными пастами, рекомендуется применять ацетон, фреон, бензин, керосин. Однако при наличии в составе загрязнений жирных кислот и парафинов замачивание деталей в лсгколстучих растворителях нецелесообразно. Эти растворители, вымывая лсгкорастворимыс жидкие компоненты пасты, засушивают и уплотняют загрязнения, что значительно затрудняет процесс их последующей ультразвуковой очистки. Для мелких деталей со слабосвязанными загрязнениями замочку перед их ультразвуковой очисткой вообще нс рекомендуется проводить.

Оптимальный режим очистки зависит от характера загрязнений, состава и температуры моющего раствора, материала и состояния поверхности деталей, метода очистки и интенсивности ультразвука. Выбор метода очистки определяется конструкцией детали или сборочной единицы, а также требованиями к состоянию их поверхностей. К числу наиболее распространенных методов ультразвуковой очистки относится метод погружения, введением излучателя в полость очистки, контактный и непрерывно-последовательный. Очистка может выполняться как при нормальном, так и при повышенном статическом давлении. Для очистки прецизионных деталей, имеющих высокоточные поверхности с малой шероховатостью, применение повышенного статического давления не рекомендуется, так как может происходить кавитационная эрозия доведенных поверхностей.

При очистке методом погружения мелкие детали помещают в сетчатые корзины или барабаны и погружают в ультразвуковую ванну, располагая их как можно ближе к поверхности излучателей, т.е. в зоне наибольшей активности ультразвука. С целью обеспечения высококачественной очистки всей поверхности деталей барабаны непрерывно вращаются либо совершают качательные движения в ванне относительно излучателей. В результате детали в процессе очистки непрерывно поворачиваются и все их участки оказываются в зоне ультразвукового воздействия.

Рис. 3.29. Схема механизированной ультразвуковой ванны:

• 1 - преобразователи; 2 - корпус ванны; 3 - загрузочные сетчатые барабаны;
• 4 - привод; 5 - пульт управления

На рис. 3.29 приведена схема механизированной ультразвуковой ванны для очистки мелких деталей с их принудительным перемещением в ультразвуковом поле. В дно ванны встроены преобразователи. Очищаемые детали помещаются в загрузочные сетчатые барабаны, которым от привода сообщается равномерное вращательное движение. Кроме того, в конструкции ванны предусмотрены системы циркуляции и фильтрации моющего раствора, а также пульт управления.

При выборе условий ультразвуковой очистки необходимо иметь в виду, что при кавитационном воздействии на деталь может возникнуть нежелательное явление - эрозия прецизионных поверхностей. Следует подчеркнуть, что процесс эрозии деталей в ультразвуковом поле наступает через определенный промежуток времени. Дело в том, что в начальный период при захлопывании кавитационных пузырьков происходит пластическое деформирование поверхности детали, что даже улучшает ее эксплуатационные показатели. Однако в дальнейшем при многократном воздействии кавитационных пузырьков появляются усталостные микротрещины, приводящие к отрыву части металла. Отсюда следует, что при ультразвуковой очистке прецизионных деталей сложной конфигу-

Рис. 3.30. Устройство для очистки глубоких отверстий:

1 - волновод; 2 - диафрагма; 3 - магнитострикционный преобразователь; 4 - корпус; 5 - штуцер для подачи моющего раствора; 6 - рукоятка; 7 - курок-выключатель

рации необходимо реализовать условия, при которых время очистки всех поверхностей детали было бы значительно меньше времени начала кавитационной эрозии поверхностей деталей, расположенных у излучателя.

Метод очистки детали введением излучателей в зону обработки применяется для деталей, имеющих глубокие отверстия, канавки, карманы и другие полости. В этом случае очистка производится специальными волноводами, работающими как с продольными, так и с изгибными колебаниями. Колебательные системы с продольными колебаниями целесообразно применять в тех случаях, когда глубина отверстия или полости не превышает четверти длины волны в излучателе. В случаях очистки более глубоких отверстий используются излучатели с изгибно-колеблющейся трубкой, длина которой может достигать 10...20 длин волн изгибных колебаний. Для очистки внутренних поверхностей цилиндров большого диаметра могут применяться погружные устройства, в которых используются радиальные колебания полых излучателей. Применение излучателей указанных типов позволяет значительно ускорять процесс очистки деталей сложной конфигурации, а в ряде случаев является единственным методом высококачественной очистки.

Например, для очистки глубоких отверстий малого диаметра (от 4 до 8 мм), а также локальной очистки отдельных деталей применяются специальные ручные ультразвуковые головки (рис. 3.30). В очищаемое отверстие вводится трубчатый волновод, в котором возбуждаются изгибные колебания от магнитострикционного преобразователя. С помощью диафрагмы акустическая система прикрепляется к корпусу с рукояткой. В этом случае преобразователь охлаждается непосредственно моющим раствором, поступающим

Рис. 3.31. Схема установки для ультразвуковой очистки внутренних полостей труб:

1 - преобразователь; 2 - полуволновая опора; 3 - труба; 4 - инструмент; 5 - ультразвуковой концентратор

через штуцер и выходящим через трубчатый волновод в зону очистки. В рукоятке установлен курок-выключатель.

Контактный метод целесообразно применять для очистки внутренних полостей тонкостенных изделий, доступ к которым ограничен или затруднен. В этом случае ультразвуковые колебания передаются стейкам очищаемых изделий и уже они работают как излучатель ультразвука. Источником колебаний служит маг- иитострикциоппый преобразователь большой мощности (4 кВт). Труба с помощью пневматического привода зажимается между цилиндрическим волноводом и полуволновой опорой, образуя резонансную акустическую систему (рис. 3.31). Труба постепенно перемещается в осевом направлении, а во внутреннюю ее полость насосом подается моющий раствор. В тех случаях, когда необходимо очистить одновременно и наружную поверхность, трубу помещают в ванну с моющим раствором. Для очистки длинных труб применяются кольцевые излучатели, в которых заготовки соосно перемещаются.

При использовании контактного метода для очистки прецизионных деталей необходимо иметь в виду следующие обстоятельства:

П контакт с излучателем прецизионной поверхности детали может вызвать ее повреждение;

Возбуждение в детали знакопеременных напряжений может вызвать ухудшение ее геометрической формы.

Таким образом, применение контактного метода можно рекомендовать с учетом отмеченных выше положений.

Для ультразвуковой очистки крупногабаритных деталей, а также движущихся заготовок целесообразно применять непрерывно- последовательный метод, при котором очищаемое изделие перемещается над поверхностью излучателя. Следует подчеркнуть, что этот метод отличается высокой производительностью и степенью автоматизации. Именно поэтому он широко применяется па крупных металлургических предприятиях в условиях непрерывной работы производства.

На рис. 3.32 приведена схема ультразвуковой ванны для очистки стальной полосы при поточном производстве. В этом случае полоса стали шириной более 1 м, движущаяся в потоке со скоростью 100... 150 м/мин, проходит через ультразвуковую ванну, заполненную моющим щелочным раствором. При вертикальном движении полосы в ванне с двух сторон от нес на расстоянии

10... 15 мм установлены блоки с магпитострикционпыми преобразователями общей мощностью 300 кВт.

После выполнения операции ультразвуковой очистки необходимо удалить остатки моющего раствора и затем подготовить детали к межоперациоппому или складскому храпению. Требования к состоянию поверхности детали определяются особенностями операций, следующих за очисткой, а также условиями и длительностью хранения. Как правило, заключительные операции включают удаление остатков моющего раствора, пассивацию и сушку деталей.

Рис. 3.32. Схема ультразвуковой ванны для очистки стальной полосы: 1 - движущая полоса стали; 2 - блоки с преобразователями; 3 - ванна со щелочным раствором

Рис. 3.33. Ультразвуковая мойка тина U-1000: а - схема; б - общий вид; 1 - контроллер мойки; 2 - верхнее устройство для выделения осадка; 3 - отстойник; 4 - устройство выпуска осадка; 5 - ультразвуковые излучатели; 6 - устройство слива осадка; 7 - насос для ополаскивания; 8 - нагревательные элементы; 9 - корпус ванны; 10 - элементы, регулирующие смывание

На рис. 3.33 приведены схема и общий вид ультразвуковой мойки типа U-1000 фирмы Ultron (Республика Польша).

Мойка типа U-1000 включает: систему для смывания верхнего слоя; устройство для осадки жира; устройство для осадки ила; микропроцессорный контроллер; тепловую и акустическую изоляцию.

За счет этого обеспечивается:

• ? эффективное отделение загрязнений;
• ? эффективное использование моющих средств;
• ? возможность приспособления к технологической линии;
• ? фильтрование жидкости.

К особенностям конструкции мойки типа U-1000 относятся (рис. 3.33, б):

• ? специальная крышка емкости, обеспечивающая минимальную потерю тепла;
• ? пневматический привод для легкого открывания и закрывания крышки;
• ? насос закрытого цикла, размещенный снаружи для легкого доступа при чистке и деаэрировании;
• ? система для отвода сжиженной жидкости в моечную камеру, позволяющая сохранить чистоту на месте работы мойки;
• ? контроллер, позволяющий одновременно заменять таймер и термостат, а также плавно регулировать время работы мойки

и температуру нагрева. Контроллер дает возможность настройки пульсирующего режима работы. Пульсирующий режим работы (примерно 1,0 работы ультразвука и 0,2 перерыва) облегчает удаление газа из раствора и скорейшую осадку загрязнений. Во время перерыва газовые пузырьки могут свободно удалиться из раствора, поднимаясь вверх, а загрязнения свободно опускаются на дно;

Спускные клапаны в нижней части емкости для тщательного удаления ила и других загрязнений.

В промышленности всегда существовала задача очистка деталей от всякого рода грязи. Особенно остро вопрос в очистки встал в тех отраслях промышленности, где требовалась очистка сложной поверхности детали или тонких и длинных каналов в датали. В металлургии требовалось после выплавки освободить деталь от формовой смеси, которая прилипала во время выплавки ко всей поверхности детали. Использовать какие то механические средства (шлифовальная машинка) для данной операции было либо невозможно, либо трудоемко.

Для упрощения операции очистки деталей от грязи в 40-50 годы 20 века была выдвинута идея использовать ультразвук в жидкой среде для очистки деталей, погруженных в эту жидкость. Чаще всего рабочей жидкостью выступает вода.

Было сконструировано много устройств, генерирующих в растворе ультразвуковые волны с частотой , лежащей в области 500 кГц . Предполагалось что энергии звуковых волн на таких частотах будет достаточно, что маленькие частички, содержащиеся в растворе, ускоренные ультразвуковыми волнами до высоких скоростей, смогли бы выбивать большие частицы грязи, т.е. смывать грязь. Устройства сконструированные для работы на такой частоте оказались не работоспособными .

Те устройства, которые были сконструированы для генерации звуковой волной в диапазоне 20 кГЦ, оказались работоспособными . И главным образом благодаря тому, что звуковая волна в жидкости на данной частоте создает эффект кавитации , который и стал причиной эффективной очистки поверхности от грязи.

— это процесс образования пузырьков, то есть полостей, заполненных газом, в жидкости. Такие пузырьки живут не долго, так как в данных полостях создается отрицательное давление, а окружающая их жидкость имеет положительное давление, разность давлений приводит к тому что, что пузырьки«схлопываются» в результате чего образуются интенсивные ударные волны, которые способны разрушить даже металлические конструкции. В момент «схлопывания» давление газовой среды внутри пузырька может в несколько тысяч раз превышать атмосферное.

Наполненный газом пузырек может иметь более продолжительное время жизни. Это обусловлено следующими друг за другом процессами сжатия и расширения, вызванными проходящими ультразвуковыми волнами, причем в результате диффузии размеры пузырьков будут расти, пока находящийся в них воздух не поднимет их на поверхность жидкости. Там они мгновенно лопаются. Такой процесс кавитации обычно дегазирует жидкости. Это явление и начали применять для дегазации жидкостей .

Изделия, требующие очистки, погружались в жидкость и облучались ультразвуковыми волнами. Загрязненные предметы погружают в бак, заполненном соответствующим растворителем, к жидкости подводят ультразвук такой частоты и интенсивности, которые образуют кавитацию с максимальной эффективностью. Созданные ударные волны попадают на поверхность предметов и очень эффективно очищают их.

Нужно иметь ввиду при проектировании и настройке ультразвукового очистителя, что способность акустических волн создавать кавитацию значительно падает с ростом частоты.

Ультразвуковая ванна

С теорией разобрались, исходя из теории, для того чтобы выбрать ультразвуковую ванночку или собрать ее самостоятельно нужно 3 элемента:

• ванна — сосуд для жидкости — форма любая, но с учетом объема вмещаемой жидкости. Материал изготовления — нержавеющая сталь 08Х17 или иная.
• генератор ультразвуковых волн — для генерации ультразвуковых волн используют пьезоэлектрики, прикрепленные жестко к ванночке, с помощью клея на основе эпоксидных смол (можно использовать клей на основе акриловых смол). Пьезоэлектрические генераторы ультразвуковых волн могут изготавливаться из разных материалов, самый широко используемый материал — пьезокерамика, также могут встречаться пьезоэлементы на основе кварца. От размеров кристалла генератора волн зависит мощность ультразвукового очистителя. Здесь действует правило, чем больше, тем мощнее.
• электронная схема — необходима для подачи энергии на пьезо генератор волн, состоит из силового трансформатора и преобразователя частоты, частота промышленной чети 50Гц преобразуется в нужную частоту порядка 18-20 кГц и далее проходя повышающий трансформатор (на выходе порядка 8 кВ) попадает на пьезокерамическую пластину.

Ультразвуковая очистки форсунок

Для чистки автомобильных форсунок может использоваться как ультразвуковая ванночка, так и специализированный пост для чистки форсунок. Отличия использования заключаются в том, что пост для чистки форсунок позволяет очистить форсунки во время работы и его использование, приобретение или сборка оправданно в профессиональной сфере на станциях тех. обслуживания, для домашних условий прочистки топливных форсунок подойдет ванночка, правда возможности очистки форсунок во время работы нет, там вся форсунка целиком погружается в чистящее средство и визуального подтверждения очистки форсунки тоже нет, очистилась форсунка или нет можно будет понять только во время работы двигателя по ощущениям. Но плюс применения ванночки, а не поста тоже есть, в форсунке есть топливный фильтр, который задерживает грязь в топливе, при его очистке в ванночке грязь, раздробленная кавитацией, не проходит весь топливный тракт форсунке и не оседает в неровностях этого тракта.

Видео работы поста по чистки форсунок:

Очищающие средства

Взаимодействие ультразвуковой волны с загрязненным предметом идет в водной среде, так как вода — универсальный растворитель, дешевый и ее везде возможно достать, кроме того для воды известна частота создания кавитации 18-20 кГц, а для других жидкостей кавитационная частота своя. Поэтому все чистящие средства делают на водной основе, имеющий в своем составе различные ПАВы и антикорозийные добавки, которые придают чистящему средству высокоэффективные моющие свойства. Для приготовления чистящего средства для ультразвуковой очистки достаточно в воду добавить моющие средства (мыло), для менее ответственных деталей, а для более ответственных металлических деталей еще и антикоррозийные вещества.