автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Разработка технологии ультразвуковой очистки, обеспечивающей кавитационную неповреждаемость конструкционных материалов

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

КМАЧЕВ Юрий Николаевич

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОЧИСТКИ, ОБЕСПЕЧИВ АЩЕЙ КАВИГАЦГОННУЮ НИЮВЕЕЩИДОСТЬ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

05.02.01 - Материаловедение в машиностроении

(промышленность) 05.02.08 - Технология машиностроения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА 1992

Работа выполнена на кафедре "Технологая металлов" Московского ордена Трудового Красного Знамени автомэбильно-дорошюго института

- профессор В.М. Приходько

- доктор технических наук, профессор О.В. Абрамов

- кандидат технических наук, доцент Л.О. Макаров

- Московский завод электромеханической аппаратуры

Защита состоится 1992 г. в _часов

на заседании специализированного совета Д 053.30.03 при Московском ордена Трудового Красного Знамени автомобильно-дорожном институте по адресу: 125829, Москва, ГСП-47, Ленинградский проспект, д. 64, в ауд. 42.

С диссертацией можйо ознакомиться в библиотеке института..

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью организации, просим направлять в адрес специализированного совета

Телефон для справок: 155-03-31

Автореферат разослан " 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук,

доцент М.А. Потапов

Научный руководитель Официальные оппоненты

Ведущая организация

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

. ^ 'АКТУАЛЫЮСТЬ. Требования к качеству очистки поверхности из-целЙ! постоянно возрастает. Наиболее высоки они для прецизион-нюс изделий точного машиностроения, приборостроения, радиоэлектроники. По отношению к классу прецизионных изделий операции очистки рассматриваются как способы чистовой обработки поверхности и должны обеспечить высокий уровень чистоты изделий, в значительной степени определяющий работоспособность, надежность и долговечность выпускаемой продукции.

Широкое распространение в технологических процессах изготовления прецизионных изделий получила ультразвуковая счистка. Ео многих случаях это практически единственный высокопроизводительный способ, позволявдий добиться необходимого качества удаления загрязнений. Но у прецизионных изделий показателем качества очистки является и тщательность удаления загрязнений, и неизменность состояния материалов очищаемых поверхностей. Одновременно выполнить оба эти условия при ультразвуковой очистке достаточно трудно, особенно когда промываются узлы или изделия в сборе, поскольку активность устранения загрязнений этим способом непосредственно связана с действием на поверхность кавитирувдей мощей жидкости, вызывавшей кавитациокное разрушение материалов.

Кавитационное разрушение материалов обусловлено прежде всего многократным микроударным воздействием на поверхность кавита-ционных захлопывающихся пузырьков, вследствие которого образуются и развиваются трещины в поверхностном слое материалов. Не обладая избирательной способностью, кавитационные.захлопывающиеся пузырьки в равной мере воздействуют и на загрязнения, и на уже очищенную поверхность, делая процесс кавитационной эрозии при ультразвуковой очистке сложноконтролируемым.

На сегодняшний день не решенную, до конца задачу выбора режима ультразвуковой жидкостной обработки при промывке прецизионных изделий серьезно осложнило повсеместное снижение использования органических растворителей, фреонов и азеотропных композиций на их основе по причине пожарной и экологической опасности данных моющих сред. А именно эти жидкости из-за своей высокой раст-■ ворямцей способности и низкой эрозионной активности получили наибольшее распространение в операциях ультразвуковой очистки прецизионных изделий.

В создавшейся обстановке актуальной научно-технической за-

Яачей является поиск таких способов и приемов проведения ультразвуковой ,очистки в водных мощих растворах, которые обладали бы возможностью управления кавитационными эффекташ в технологическом объема очистки и гарантировали.кавитационную неповреждаемость очищаемых изделий.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Разработать технологию ультразвуковой очистки прецизионных изделий в экологически безопасных водных моющих растворах, обеспечивающую необходимое качество удаления загрязнений и не вызывающую кавитационного разрушения конструкционных материалов.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Проведено теоретическое и экспериментальное исследование процессов, протекающих в озвучиваемой жидкости при высоких амплитудах колебательных смещений источника ультразвуковых колебаний. Определено влияние размеров и формы излучающей поверхности на технологические параметры кавитационной области в поле стержневой колебательной системы. Обнаружено и объяснено возникновение пульсаций у крупномасштабного акустического течения на высокоашлитудяых режимах излучения.

Выявлено неизученное ранее явление кавитационной эрозии, . наблюдаемое в условиях контакта поверхностей различной кривизны, при котором скорость разрушения конструкционных материалов на два порядка выше скорости кавитационной эрозии на открытой поверхности. Предложена теоретическая модель, объяскшацая характер и причины данного явления, вызывающего возникновение очагов эрозионного разрушения вокруг области контакта поверхностей.

Обоснован и экспериментально подтвержден вариант управления кавитавдоюшми эффекташ при ультразвуковой высокоамплитудной очистке в случае возвратно-поступательного перемещения колебательной системы над изделиями, позволяющий снижать степень кавитационного воздействия на объекты очистки и интенсифицировать процесс удаления загрязнений. Найцен результативный способ повышения работоспособности ультразвуковой очистки, заключающийся в введении струи мощей жидкости в' кавитационную область.

' ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Предложены способы -осуществления ультразвуковой высокоашлитудной очистки, повышающие эффективность удаления загрязнений типа доводочных паст и консистентных смазок н сншхазэдие уровень кавитационной повреждаемости конструкционных материалов. Разработаны технологические рекомендации по выбору реяшлов ультразвуковой надкостной обработки при проведении операций очистки прецизионных изделий в водных мопцих рас-21

творах.

Установлена причина повреддения доведенных поверхностей деталей собранных приборных подшипников при ультразвуковой очистке. Выявлены особенности кагитационного разрушения материалов в случае контакта твердых тел разной кривизны и определены закономерности развития этого процесса в.зависимости от акустико-технологических-параметров ультразвуковой очистки.

Разработана и внедрена технология ультразвуковой очистки приборных подшипников в сборе с использованием водного мощего раствора, обеспечивающая требуемое.качество устранения загрязнений и исключающая кавитационное повреждение подлинников. Показана целесообразность применения режимов высокоамплитудного излучения при водной промывке плат печатного монтажа и сложнопро-фильных деталей приборов. Спроектирована полуавтоматическая установка для ультразвуковой внсокоамплитудной очистки УЗО-1.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Материалы диссертации докладывались на Всесоюзном научном симпозиуме "Акустическая кавитация и применение ультразвука в химической технологии (г.Славское, 1985 г.), гю Всосоюзном научно-тохничоском семинаре "Опыт применения ультразвуковой техники и технологии в машиностроении (г.Саратов, 1985 г.), на Шестой Всесоюзной конференции по ультразвуковым методам интенсификации технологических процессов (г. Москва, 1987 г.), на Всесоюзной научно-технической конференции "Новые ¡разработки в области ультразвуковой техники и технологии и опыт их применения в машиностроении" (г. Новосибирск, 1989 г.), на Всесоюзном научном симпозиуме "Акустическая кавитация и проблемы интенсификации технологических процессов" (г. Одесса, 1989 г.), на 43-й, 45-й, 47-й и 48-й научно-исследовательских конференциях МАЛИ в 1985, 1987, 1989 и 1990 гг.

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ и получено 4 авторских свидетельства на изобретения.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы, трех приложений; содержит i'¿í лист машинописного текста, 46 рисунков, 9 таблиц; список литературы из 124 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ рассматриваются положения, определяющие . выбор технологического варианта ультразвуковой очистки. Анализи-

'руются отдельные составляющие процесса удаления загрязнений при проведении ультразвуковой жидкостной обработки, способы и приемы осуществления данной технологической операции; дается оценка моющим жидкостям, используемым при промывке; характеризуется виды удаляемых загрязнений и объекты очистки; приводятся ограничения, вводимые при назначении режимов ультразвуковой обработки; раскрываются особенности и механизмы кавитационного разрушения материалов.

Из многообразия факторов, влияющих на процесс ультразвуковой очистки, выделены основные источники интенсификации процесса отделения загрязнений: захлопывающиеся кавитационные пузырьки (полости), пульсирующие кавитационные полости, акустические течения. Судя по существующим примерам, средства воздействия на загрязнения у пульсирующих пузырьков более разнообразны, чем у захлопывающихся, хотя пульсирующие пузырьки и не тлеют их мощных разрушительных возможностей. Последнее обстоятельство, однако, ничуть не сникает достоинств пульсирующих пузырьков. Процесс эрозионного разрушения, за который в первую очередь ответственны захлопывающиеся пузырьки, не обладает избирательной способностью: наряду с положительным аффектом - разрушением загрязнений, имеет место нежелательное явление - повреждается очищаемая поверхность. По сравнению с захлопывающимися пузырьками реяим обработки поверхности у пульсирующих полостей значительно слабее, и он безопасен (с точки зрения отсутствия эрозионных повреждений) для многих конструкционных материалов.

Для прецизионных изделий наиболее распространенными являются жировые и масляные загрязнения, комбинации загрязнений на масляной основе, полировальные и доводочные пасты , неорганические загрязнения в виде механических частиц и пыли. При таких технологических загрязнениях, на отличающихся прочной связью с поверхностью, существенную роль в процессе'очистки играют пульсирующие пузырыси, способные с высокой эффективностью воздействовать на загрязнения при соответствующей помощи акустических . течений.

Очистка собранных прецизионных изделий, как правило, вызывает наибольшие трудности. Сложный геометрический профиль объектов, многокошонентный характер загрязнения. - все 'это заставляет применять интенсивное ультразвуковое воздействие для активной и -успешной очистки поверхности. В то яе время наличие довеЛ

денных поверхностей", часто прилегающих друг к другу или находящихся в непосредственном соприкосновении с .технологической тарой, разнородный состав материалов изделий, присутствие тонких антифрикционных или защитных покрытий но допускают либо ограниченно позволяют применять то кагитационное воздействие, которое способно вызвать эрозионное разрушение поверхности.

Один из сложных случаев - промывка приборных подшипников в сборе. Операция выполняется с особой тщательностью, т.к. к состоянию поверхностей деталей приборных подшипников предъявляются очэнь высокие требования. Замена пожароопасных органических растворителей на водные моющие растворы заставила обратиться к ультразвуковой очистке с целью интенсификации процесса и получения нужного качества удаления загрязнений. Однако все попытки воспользоваться типовым (низкоамплитудным) ультразвуковым оборудованием при осуществлении операции промывки приборных подшипников в водных моющих растворах окончились неудачей - поверхности беговых дорожек и шаров качения повреждались.

Как показывает практика, вопрос безопасности ультразвуковой очистки для прецизионных изделий остается актуальным^ связан он с конкретной технологической задачей: предотвращением кавиташонного повреждения конструкционных материалов очищаемых объектов в ходе ультразвуковой жидкостной обработки. Это касается и упомянутых уже приборных подшипников, та же причина ограничивает выбор режимов ультразвуковой очистки для плат печатного монтажа, отдельных деталей и узлов гироскопов, металлических зеркал и других прецизионных изделий.

На основе предпринятого анализа сделан вывод, что при создании технологии ультразвуковой очистки прецизионных изделий в водных мовдих растворах для предотвращения повреждаемости изделий целесообразно и рационально реализовать следующий принцип: активизировать работу пульсирующих пузырьков и акустических течений при шксимально возможной изоляции и исключении эффекта действия на поверхность захлопывающихся- кавитапионных полостей.

Полностью отделить пульсирующие пузырьки от захлопывающихся вряд ли возможно (оба вида пузырьков суть одного и того же явления - кавитации), но разграничить их области действия можно. Существует способ, позволяющий управлять кавитациоиными эффектами в ультразвуковом поле излучателя. Это высокие амплитуды колебательных смещений источника звука, ультразвуковая

'высокоамплитудная очистка. При высокоамплитудкых режимах излучения удается как бы разделить весь технологический объем очистки на две части: зону развитой кавитации с сильно выраженной эрозионной способностью и зону с низким уровнем эрозионной активности, где работу по отделению загрязнений выполняют главным образом пульсирующие пузырьки и акустические течения. Но поскольку указанный способ основывается на кавитавдонных режимах обработки, то гарантия безопасности очистки прецизионных изделий в таком случае может быть обеспечена за счет интенсивности процесса удаления загрязнений. И чем выше будет скорость очистки в зоне с низким уровнем эрозионной активности, тем меньше вероятность повреждения здесь изделий при ультразвуковой жидкостной обработке.

Чтобы реализовать выбранный подход построения технологии ультразвуковой очистки прецизионных изделий в водных мокших растворах, необходимо выявить пути интенси^якации и управления технологическими эффектами в звуковом поле стержневого излучателя при высоких амплитудах колебательных смещений. Для осущэств-' ления этого и достижения поставленной цели намечен крут решаемых задач: определить закономерности формирования кавитационной области в поле стержневого излучателя при различных условиях озвучивания технологической жидкости, установить причину повреждаемости собранных приборных подшипников в процессе ультразвуковой очистки, найти приемы управления кавитационными эффектами при -высоких амплитудах колебательных смещений источника звука, разработать эрозионно-безопасные режимы ультразвуковой очистки прецизионных изделий и спроектировать необходимое технологическое оборудование.

ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ приведены краткие сведения по типовым вариантам оценки характеристик, используемых при анализе эффективности способов ультразвуковой очистки. *

Представленная информация касается методик измерения амплитуды колебательных смещений источника звука, излучаемой в жидкость акустической мощности, механической добротности колебательной системы, эрозионной активности технологической жидкости в ультразвуковом поле, интенсивности процесса ультразвуковой очистки. Приводятся также сведения по проведению количественной оценка качества очистки поверхности применительно к двум видам загрязнений (для веретенного масла и канифоли), в

первом случае на осйовв метода количественного люминесцентного анализа, во втором - метода рН-метрии.

Описание частных методик и оборудования при работе с реальными объектами или образцами, изготовленными на их основе, целиком вынесено в разделы, где разбираются результаты экспериментального исследования.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ представлены результаты анализа условий формирования кавитадаонной области в поле ультразвуковой высокоамплитудной колебательной системы, экспериментально и теоретически рассматривается характер развития кавитационной эрозии в районе контакта поверхностей различной кривизны, предлагаются и исследуются технологические приемы, расширяющие возможности ультразвуковой высокоамплитудной очистки.

На основе выполненных исследований выделены особенности" строения кавитационной области при высоких амплитудах колебательных смещений источника звука, обуславливающие появление в кавитационной области определенной закономерности изменения эрозионных свойств и строгого порядка чередования технологических эффектов. Яри этом раскрываются механизмы процесса очистки загрязнений, преобладающие в зоне с низким уровнем эрозионной активности и связанные с мик ропот окат®, возбуждаемыми пульсирующими пузырьками при подходе к поверхности.

Влиянием гидродинамических условий, складывающихся при передаче стержневым излучателем акустической энергии в жидкость, объясняется установленная зависимость размеров технологических зон ультразвуковой высокоамплитудной очистки и величины удельной излучаемой акустической мощности от размеров излучающей поверхности (пошлю известной связи от амплитуды колебательных смещений). Для продуктивной очистки в зоне с низким уровнем эрозионной активности с учетом выявленных обстоятельств выделаны диапазоны рационального изменения регулируемых параметров: диаметр йзлучаадей поверхности Б = 30-^40 мм, ашлитуда колебательных смещений

J = 20^40 мкм. Внесены коррективы в выражение, определяющее значение глубины распространения зоны развитой кавитации от источника звука для частот колебаний 20-22 кГц, которое записано в виде /|0 = 17-10~3 И . Для полной глубины эффективного объема очистки при использовании предлагаемых пределов изменения Б и J остается справедливым выражение Н = 2,5'Ю2 J °.»3.

В случав обтекания потоком жидкости твердого тела форма по-

£

[верхности является активным фактором изменения характеристик те", чения. При возбуждении ультразвуковых колебаний стержневым излучателем форма излучающей поверхности отражается на гидродинамике крупномасштабного акустического течения и в целом на технологических показателях кавитационной области. Экспериментально получены качественные характеристики такого влияния. На высокоашли-тудных режимах излучения, в частности, прослеживается следующая текценция:с улучшением обтекаемости излучающей поверхности ультразвуковые колебания лучше распространяются вдаль от источника звука, растет передаваемая в жидкость акустическая мощность, но падает интенсивность очистки от загрязнений со слабой адгезией к поверхности.

Такое противоречие обусловлено тем, что крупномасштабное акустическое течение при высоких амплитудах колебательных смешений излучателя приобретает импульсный характер пульсирующего гидродинамического потока. Скоростная киносъемка кавитационной области позволила зафиксировать неравномерность в скорости движения пузырькового фронта в начальный период образования кавита-циошюго• облака (рис. I). Покадровый просмотр кинопленки с фиксацией внешнего вида кавитационной области во всех точках, использованных цля оценки скоростного режима движения фронта пузырьков, показал, что причиной резкого возрастания скорости перемещения пузырькового фронта (для приведенного примера в интервале расстояний 10-20 мм) является периодическое внедрение нека-

1Г ,

0,6 0,4 0,2

О 5 10 15 20 25 30 Ь , им

Рис. I. Изменение скорости распространения фронта кавитавдонной области по кере удаления от излучателя ( Б = 40 ш, ^ = 30 г,км)

и/о

¡вотирующей жидкости в зону развитой кавитации, порождающее импульс скорости потока.

На частоту пульсаций потока влияют размер и форма рабочего торца излучателя. Обтекаемая форма излучающей поверхности понижает частоту внедрений некавитирулдей жидкости и делает их сла-бовыраженными, акустическое течение становится практически равномерным. Следствие этого - снижение интенсивности очистки в • поле стержневого излучателя с обтекаемой формой рабочего торца.

Экспериментальное исследование повреждаемости собранных прибор}шх подшипников при ультразвуковой очистке позволило установить кавитационную природу данного явления и выявить ряд его закономерностей. Повреждения появляются вокруг мест контакта шаров качения с беговой дорожкой. С возрастанием времени ультразвукового воздействия разрушается внутренняя часть поврежденного участка, а размеры внешних его границ практически не меняются. Расстояние между поверхностью шара и беговой дорожкой у внешней границы поврежденного участка составляет величину порядка I мкм. Для явления характерна чрезвычайно высокая скорость разрушения материала, примерно на два порядка превышающая скорость аналогичного процесса на открытой поверхности.'

При объяснении наблюдаемых черт развития кавитйционной эрозии в районе соприкосновения поверхностей различной кривизны была рассмотрена следутацая модель. Шар радиуса Ца помещен в жидкость и лежит на плоскости 1 - 0 (рис. 2). При возбуждении в

Рис. 2. Схема расчета газовой полости в условиях контакта шара с полостью

а

•жидкости ультразвуковых колебаний и возникновении кавитационных пузырькбв последние под действием силы радиационного давления и силы Бьеркнеса начинают втягаваться в область, окружающую место контакта шара с плоскостью. Постепенно здесь образуется газовая полость плоской формы (плоский пузырек) радиусом R и максимальной толщиной h . По мере роста плоского пузырька появляется сила взаимодействия между ним и кавитационныш пузырьками. Подобно силе Бьеркнеса новая сила имеет центральный характер и при синфазных колебаниях газовой полости о кавиташонкыют пузырьками, пузырьки притягиваются к полости, увеличивая ее размер. С некоторого момента возникшая сила становится преобладающей^ в дальнейшем именно она определяет весь последующий рост плоского пузырька.

При условии, что жидкость идеальная и несжимаемая, а движение ее потенциальное, записано уравнение движения газовой полости

{p(RR+R2) =р'(в)- A£n°-p0+pmCDSu)t , (I)

где R , R - скорость и ускорение стенки плоского пузырька, " p'(R) - давление газа в пузырьке, б - коэффициент поверхностного натяжения, р0 - гидростатическое давление, рт - амплитуда давления звукового поля, <*> - круговая частота звукового поля. Поскольку газовая полость плоская и толщина ее мала по сравнению с длиной тепловой волны, зависимость давления газа в . полости от ее объели определялась из уравнения состояния газа pV = const . Линеаризовав уравнение (I) и подставив в него линейные изменения давления газа в полости, найдено выражение для изменения радиуса плоского пузырька

-LU) t

я-ь f"e

Ир

где'' £ - сжимаемость пузырька, р - плотность жидкости, £ -коэффициент потерь колебательной энергии. Откуда определен резонансный радиус газовой полости

. (3)

-Анализ выражения (2) показал, что в области резонанса фаза колебаний плоского пузырька меняет знак, а значит,при дости-

50

кении газовой полостью резонансного размера она начнет коле-5аться в противофазе с кавитационными пузырьками,и сила притяжения кавитационных пузырьков к полости сменится силой отталки-зания. Рост полости прекратится,и наступит квазистационарный эежим. Из общей формулы для средней по времени силы, действующей на сферический пузырек в звуковом поле, получено выражеште зилы взаимодействия между газовой полостью и кавитационнш пузырьком и найден стационарный радиус полости

йк • Иг ~ текущий и резонансный радиусы сферического ка-зитапионного пузырька; 2" , - коэффициенты потерь для погости и кавитапионного пузырька. При условии, что ~ I, 5 й2»/?* • стационарный радиус газовой полости оказывается здного порядка с резонансным.

Реально толщина плоского пузырька меньше или сравнима с длиной вязкой волны. Поэтому на границе раздела фаз Г = /? возни-сает сильная гидродинамическая неустойчивость. Образующиеся выбросы жидкости на поверхности плоского пузырька приводят к появлению кумулятивных струек, которые вызывают в области Г < Рст эрозию поверхности шара и плоскости. Наблюдаете ускорение эрозионного разрушения объясняется многократным воздействие ку^ля-гивннх струек на одни и те же участки поверхности.

Проверка выводов теоретического анализа осуществлена путем ¡равнения теоретического и экспериментального значений размеров участка разрушения. По порядку величины они были равны. Учитывая приближенный характер расчета, полученный результат свидетельствовал о хорошем согласовании теории с экспериментом.

С целью повышения эффективности ультразвуковой высокоампли-гудной очистки в зоне с низким уровнем'эрозионной активности были использованы привычные и естественные при ультразвуковой очистке технологические приемы - относительное перемещение источника звука и объекта очистки, постоянная смена моющей жидкости в рабочем объеме.

Прием перемещения излучателя относительно очищаемых изделий рассматривался с позиций способа ограничения длительности озвучивания единицы очищаемой поверхности при каждом проходе излучателя над изделиями и возможности применения этой величины

И

(4)

в качестве параметра регулирования режима ультразвуковой жидкостной обработки. В основу такого предложения положены следущие предпосылки. При кавитационном воздействии на поверхность ее эрозионному разрушению предшествует период накопления в поверхностном слое остаточных напряжений. Возникновение мякронапряже-ний связано с микроударным действием захлопывающихся кавитаци-онных пузырьков, причем считается, что наиболее мощное воздействие обеспечивается в случае группового, согласованного захлопывания, когда возрастают амплитуда, протяженность и продолжительность волны давления на твердое тело по сравнению с действием отдельных пузырьков.

Если озвучивание поверхности ведется непрерывно длительный промежуток времени, вероятность одновременного появления групп захлопывахщгхся пузырьков у поверхности возрастает. Принудительное ограничение длительности действия ультразвукового поля на единицу обрабатываемой поверхности разрушает условия для совместного захлопывания кавитационных пузырьков и за счет этого можно добиться меньшего упрочнения поверхностного слоя обрабатываемого материала и более позднего появления кавитаци-онной эрозии на поверхности очищаемых изделий.

Лучше других вариантов для организации многократно повторяющегося, кратковременного режима ультразвукового воздействия подходит возвратно-поступательное перемещение излучателя, при котором на высоких амплитудах колебательных смещений практически не изменяется состояние кавитационной области.

Экспериментальная проверка, осуществленная на образцах (оловянных пластинах и цилиндрах из сплава Вуда) при сравнении убыли их веса в процессе ультразвуковой обработки, подтвердила высказанное предположение. На высокоамплитудных режимах ультразвуковой жидкостной обработки при кратковременном, периодически повторяющемся озвучивании поверхности зафиксировано снижение степени эрозионного разрушения образцов (рис. 3). Оценка изменения микротвердости отожженного алюминиевого сплава АМгб показала замедление теша упрочнения поверхностного слоя материала в случав возвратно-поступательного перемещения излучателя над образцами по сравнению с неподвижным расположением источника звука в период ультразвуковой жидкостной обработки.

Что касается процесса очистки, то для высокоамплитудных режимов излучения характерно наличие мощного гидродинамического

Рис. 3. Относительное изменение убыли веса оловянных пластин от амплитуды колебательных смещений источника звука:

I - неподвижное положение излучателя; 2 - периодическое перемещение излучателя над образцами со-скоростью 50 мм/с

тотска, движущегося в направлении от излучающей поверхности и гасыщенного большим количеством пульсирующих пузырьков. При постоянном перемещении излучателя, на границе зоны действия потока (главным образом со стороны, совпадающей с направлением переме-цения) из-за неравномерности натекания жидкости и вследствие динамического напора, оказываемого пульсирующими пузырьками на пгасток поверхности в зоне потока, возникает фронт разницы давлений, силовое воздействие которого способствует отделению загрязнений с невысокой адгезией к поверхности. Эффективность такого воздействия объясняется разрывом сплошности пленки загрязнения ео фронте разницы давлений и активным действием пульсирующих пузырьков в его следе, завершающих начатую фронтом работу по отделению загрязнений. Эксперименты по очистке плоской товерхности от слоя консистентной сказки показали результативность данного технологического приема.

Применительно к прецизионным изделиям рекомендован-эксперн-

ментально подобранный интервал продолжительности озвучивания единицы обрабатываемой поверхности при каждом проходе излучателя над очищаемыми изделиями 0,4-0,8 с. Определяется предлагаемый параметр как отношение размера излучающей поверхности в нап-равлешш перемещения к скорости передвижения излучателя и регулируется этими же величинами. Используя его при высокоамплитудной очистке, можно добиться снижения на 20-30 % степени кавита-ционного воздействия на материалы очищаемых изделий и в 2 раза интенсифицировать процесс удаления загрязнений, не имеющих высокой адгезии к поверхности, по сравнению с неподвижно расположенным при обработке излучателем.

Для регенерации моющего раствора в технологическом оборудовании ультразвуковой очистки часто применяют принудительную и постоянную смену моющей жидкости в зоне обработки. В несколько измененном виде этот технологический прием использован в качестве способа управления кавитационными эффектами при осуществлении процесса ультразвуковой очистки. Изменение состояло в том, что затопленную струю моющей жидкости подавали непосредственно в кавитационную область (рис. 4).

Выбор такой схемы обработки основывался на следующем предположении. При высоких амплитудах колебательных смещений источника звука ввод струи жидкости в кавитационную область через зону развитой кавитации в направлении к очищаемым изделиям обеспечит дополнительный вынос пульсирующих пузырьков из. зоны развитой кавитации. Чтобы реализовать условия для активного выноса пузырьков и создать ускоренную доставку пузырьков к очищаемым -поверхностям, скорость струи должна превышать скорость крупномасштабного акустического течения.

Для оценки технологических возможностей выбранного действия сравнивали между собой два варианта проведения ультразвуковой высокоамплитудной очистки - с подачей струи мопцей жидкости из излучателя и без нее. Скорость истечения струи равнялась ' 4 м/с. Такое ее значение превосходило величины скоростей крупномасштабного акустического течения в звуковом поле стержневого излучателя, определенные для диапазона амплитуд колебательных смещений 15-50 мкм.

Полученные данные свидетельствовали о работоспособности предложенного способа проведения ультразвуковой высокоамплитудной очистки. Введение струи мощей жидкости в кавитационную •

моющая жвдкость

Рис. 4. Схема проведения ультразвуковой очистки с введением струи моющей жидкости в кавитацяонную область:

I - излучатель; 2 - канал для подачи мощей яидкости; 3 - очищаемый объект; 4 - промывочная ванна; 5 - зона развитой кавитации; 6 - линии тока струи жидкости

Зласть позволило в 2 раза интенсифицировать процесс удаления агрязнений типа доводочных паст и консистентных смазок, на 1/3 веллчить глубину эффективного объема очистки без изменения раз-эров зоны развитой кавитации и примерно на 15-20 % улучшить словия согласования колебательной системы с нагрузкой.

Как показало проведенное исследование, путем создания оп-еделенных возмущений в кавитационной области можно целенаправ-енно изменять технологические показатели высокоамплитудной очитки. При этом нужно стремиться к тому, чтобы вводимое возмущена не нарушало естественный ход протекающих в кавитационной облети процессов, а органически дополняло и развивало их в нудном ¡аправлении. Введение струи жидкости в кавитационную область и юзвратно-поступательное перемещение излучателя над очищаемыми >бъектами в процессе ультразвуковой жидкостной обработки при

определенной длительности озвучивания единицы поверхности за каждый проход излучателя над изделиями существенно расширяют технологические возможности ультразвуковой высокоаплитудной очистки. Применять же эти способы удобно как порознь, так и совместно.

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ рассмотрены примеры практической реализации результатов исследования. Представлена экспериментальная проработка технологии ультразвуковой очистки приборных подшипников в сборе, оценены возможности использования высоких амплитуд колебательных смещений источника звука при водной промывке плат печатного монтажа-и сложнопрофильных деталей приборов, описана конструкция созданной установки для ультразвуковой высокоамплитудной очистки.

Данные, полученные о влиянии параметров ультразвуковой жидкостной обработки на скорость образования эрозионных повреждений в области контакта поверхностей различной кривизны, на интенсивность удаления с подшипников загрязнения (консервашон-ного масла), на время воздействия до момента разборки некоторых типов приборных подшипников, позволили выбрать допустимые диапазоны значений регулируемых параметров обработки, удовлэтворя-щие основным показателям качества очистки приборных подшипников в сборе. При промывке в водном моющем растворе CB-I33 собранных приборных подшипников для производственных условий рекомендован режим ультразвукового воздействия: частота колебаний 20-22 кГц, 'амплитуда колебательных смещений 30 мкм, расстояние от излучающей поверхности до объектов очистки 15 мм, возвратно-поступательное перемещение излучателя над подшипниками при длительности озвучивания единицы поверхности за один проход 0,7 с, общая продолжительность ультразвукового воздействия на каждый подшипник 10 с.

Целесообразность применения ультразвуковой высокоамплитудной очистки для плат печатного монтажа оценивалась возможностью достижения с помощью этого способа чистоты, характеризуемой величиной остаточных загрязнений 5-10~® г/скг, для двух видов загрязнений - машинного масла и канифоли. Кроме того, определялась степень воздействия данного вица обработки на сцепляемость то- . коведущих элементов с основанием печатной платы и на сохранность полупроводниковых приборов (на примере низкочастотных транзисторов малой мощности МП25 и МП39). Результаты -экспериментов позво-

язот считать способ достаточно перспективным в случае промывки лат печатного монтажа в водных мощих растворах. Имея высокую нтенсивность процесса удаления загрязнений, способ не снижает рочность соединения токоведущих элементов с основанием Пбчат-ой платы и позволяет устранить повреждаемость лакокрасочных окрытий и маркировочных обозначений приборов.

Операции очистки, разработанные и внедренные на промышлен-ых предприятиях по результатам выполненного исследования, осу-;ествлены с помощью специально спроектированной установки УЗО-1. 'становка полуавтоматическая, универсальность ее по отношению к азличного вида изделиям достигается применением кассет со сменим:! вставками, учитывашиш типоразмер, конструктивше особенности объектов очистки и необходимое расстояние от источника :олебаний до изделий при обработке. При осуществлении различных ¡ариантоз ультразвуковой высокоашлитудной очистки в установке роизволится замена концентраторов колебательной системы и ре-улируется режим перемещения излучателя.

ВЫВОДЫ

1. Несмотря на достигнутый в последние годы достаточно вы-юкий уровень научных и технологических разработок в области ультразвуковой очистки, проблема обеспечения сохранности конст-)укшонных материалов прецизионных изделий в ходе ультразЕуко-юй жидкостной обработки остается. Решать эту задачу предлагался путем интенсификации процесса очистки и создания условий [ля исключения кавитационной повреждаемости обрабатываемых по-¡ерхностей.

2. Теоретический и экспериментальный анализ характера фор-ярования кавитационных процессов в звуковом поле стержневого гзлучателя яри высоких амплитудах колебательных смещений (^ > 10^ !5 мкм) позволил расширить область применения способа ультра-»вуковой высокоашлитудной очистки для прецизионных изделий в :боре, изготовленных из материалов, обладающих различной кави-•ационной стойкостью.

3. Обнаружено и исследовано возникновение пульсаций у круп-гомаспггабного акустического, течения при высокоашлитудных режимах излучения. Предложен механизм, объясняющий причину данного шления. Установлена связь пульсаций акустического течения с [юрмой излучающей поверхности и.'воздействие их на. интенсивность

Ьроцесса удаления загрязнений.

4. С целью управления навигационными эффектами в звуковом поле стержневого излучателя при высоких амплитудах колебательных смещений использованы известные технологические приемы - перемещение излучателя относительно очищаемых изделий, подача моющей жидкости в зону обработки - и показано, что:

возвратно-поступательное перемещение излучателя над изделиями с длительностью озвучивания обрабатываемой поверхности за каждый проход в пределах 0,4-0,8 с на 20-30 % снижает степень кавитациошгого воздействия на материалы очищаемых объектов и в 2 раза повышает интенсивность процесса удаления загрязнений типа доводочных паст и консистентных смазок;

введernte струи моющей жидкости в кавптационную область в направлении к очищаемым изделиям со скоростью,большей, чем скорость крупно?,асигабного акустического течения, в 2 раза ускоряет процесс отделения указанного типа загрязнений и на 1/3 увеличивает глубину эффективного объема очистки.

5. Установлена кавитационная природа повреждаемости приборных подшипников в сборе при ультразвуковой очистке,и обнаружен процесс кавитационной эрозии, развивавдийся в условиях контакта поверхностей различной кривизны, при котором скорость разрушения на два порядка больше скорости кавитационной эрозии на открытой поверхности.

6. Предложена теоретическая модель, объяснящая появление очагов разрушения вокруг области контакта поверхностей различной кривизны как результат образования в данном месте стабильной несферической парогазовой полости резонансного размера, пульсации которой вызывают возникновение кумулятивных струек. Постоянное воздействие последних на одни и те же участки поверхности обуславливает ускорение эрозионного разрушения материала поверхности. Экспериментальная проверка высказанных положений показала хорошее согласование теории с экспериментом.

7. Найденные способы управления кавитационными эффектами в звуковом поле стержневого излучателя и обнаруженные особенности процесса эрозионного разрушения конструкционных материалов в случае контакта поверхностей, а также установленное влияние раз-мэров и формы излучавдей поверхности на технологические показатели кавитационной области позволили уточнить представления о функциональном разграничении кавитационной области при высоко-

амплитудных режимах излучения на две отдельные зоны обработки в зависимости от интенсивности эрозионного воздействия на поверхность.

8. На основе полученных результатов разработана технология ультразвуковой очистки собранных приборных подшипников в водном моющем растворе, обеспечивающая требуемое качество удаления загрязнений и не вызывающая кавитационного повреждения доведенных поверхностей беговых дорожек и шаров качения.

9. Проведено экспериментальное исследование возможностей ультразвуковой высокоамплитудной очистки при водной промывке плат печатного монтажа. Показано, что режимы высоких амплитуд колебательных смещений обеспечивают достижение необходимого уровня чистоты, установленного для печатных плат, при этом не происходит разрушения лакокрасочных покрытий и маркировочных обозначений приборов, не повреждаются токоведущие элементы и не изменяется сцепляемость их с основанием платы.

10. Разработана и внедрена установка ультразвуковой высокоамплитудной очистки УЗО-1, отличающаяся конструктивными компоновочными решениями и акустико-технологяческими режимами обработки, которые защищены авторскими свидетельствами на изобретения. Головой экономический эффект от внедрения на промышленных предприятиях разработанных технологических операций ультразвуковой очистки прецизионных изделий, осуществляемых с помощью установки УЗО-1, составляет IC6 тыс. рублей.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Алексеев В.Н., Калачев Ю.Н., Панов А.П. Кавитация в зазорах // Акустическая кавитация и применение ультразвука в химической технологии: Тез. докл. Всесоюз. науч. симпозиума, г. Слав-зкое, 1985. Славское, 1985. С. 21.

2. Калачев D.H., Панов А.П., Приходько В.М. Ультразвуковая сткропотоковая очистка // Опыт применения ультразвуковой техни-от и технологии в машиностроении: Тез. докл. Всесоюз. науч.-техн. зовещакия, г.Саратов, 1985. М., 1985. Ч. I. С.'6-9..

3. Алексеев В.Н., Калачев Ю.Н., Панов А.П. Акустическая ка-зитапия в щелях // Вопросы судостроения. Сер. Акустика: Науч.-[•ехн. сб. Л., 1985. Вып. 20. С. 13-23.

4. Приходько В.М., Иванова Т.Н., Калачев Ю.Н., Куприянов М.Ю. 36 управлении кавитационной областью в поле стержневого излучателя // Шестая Всесоюз. науч.-техн. конф. по ультразвуковым ме-

тодам интенсификации технологических процессов: Тез. докл. М., 1987. С. 77

5. Калачев Ю.Н., Иванова Т.Н., Кудряшов Б.А., Приходько В.&1 Расширение технологических возможностей ультразвуковой высокоамплитудной очистки // Новые разработки в области ультразвуковой техники и технологии и опыт их применения в машиностроении: Тез. докл. Всесоюз. науч.-техн. конф., г. Новосибирск, 1989. М., 1989. Ч. I. С. 5, 6.

6. Лриходько В.М., Калачев Ю.Н. Формирование кавитацпонной области в поле ультразвуковой высокоамплитудной колебательной системы // Акустическая кавитация и проблемы интенсификации технологических процессов: Тез. докл. Всесоюз. науч. симпозиума,

г. Одесса, 1989. Одесса, 1989. С. 37.

7. А. с. 1574285 СССР, МКИ4 В 08 В 3/12. Способ ультразвуковой очистки изделий / В.М. Приходько, М.Ю. Куприянов, Ю.Н. Калачев. - Опубл. 30.06.90. Бюл. № 24.

8. А. с. 1653862 СССР, ЖИ4 В 06 В 3/00. Ультразвуковой по-луволновнй стержневой трансформатор скорости / В.М. Приходько, Ю.Н. Калачев. - Опубл. 07.06.91. Бюл. й 21.

9. А. с. 1674989 СССР, МКИ4 В 08 В 3/12. Способ ультразвуковой очистки изделий / В.М. Приходько, М.Ю. Куприянов, Ю.Н. Калачев. -Опубл. 07.09.91. Бюл. & 33.

10. А. с. 1692672 СССР, МКИ4 В 06 В 3/00. Способ ультразвуковой обработки / Ю.Н. Калачев, В.М. Приходько. - Опубл. 23.11.91. Бюл. Л 43.

НАД). а.37Д т.80 12.05.92р.