超聲波清洗對滑閥微結構清潔度的研究分析

蔣立坤 胡守琦 孫曉飛 郭巨壽 孫超

摘要：這篇文章主要綜述了超聲波清洗對滑閥微結構清潔度的研究和現狀，分析了超聲波清洗的優點缺點以及工作原理。對于超聲波清洗的影響進行了詳細的研究，指出了超聲波清洗對微結構零件的運用和介紹，進一步研究對超聲波清洗在實際應用中的清洗效果以及摸索合適的清洗參數，驗證其對于滑閥微結構清洗有一定的影響分析。

關鍵詞：超聲波;清潔度;滑閥;分析;對策

中圖分類號：TB4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）21-0033-03

0? 引言

超聲波清洗時，是利用超聲波進行清洗的一項技術，它早在二三十年代就已經出現，近年來也對超聲波清洗的技術有了更加深入的研究和了解。目前超聲波的清洗技術已經廣泛運用到了各個領域之中。隨著工業化的不斷發展，超聲波清洗技術也逐漸完善。在質量方面，對于零件的結構和質量有了很大的要求，同時也對工業的發展以及生產過程中的環保力度要求不斷加大。超聲波技術已經廣泛運用，目前電子電器工業對于超聲波清洗技術的要求越來越高，在電子電器開關，滑閥、齒輪、高壓油泵、過濾器、大的發動機，以及手表零件或者是醫療器械玻璃器皿針管等等方面。超聲波清洗技術主要是利用超聲波去穿透固體的物質，通過整個清洗的物體中的介質震動，產生氣泡顆粒。這種清洗方式可以對器件零件中觸碰不到的角落進行清洗，清洗程度非常高。

1? 超聲波清洗的原理和特點

1.1 超聲波清洗的優點

①節約能源。超聲波可以通過介質的不斷震動來去除零件表面的污染物，是一種比較理想的節能方法。特別是大流量計量時，節能效益更加顯著。②特別適合具有奇形怪狀或者擁有死角的零件，可對其進行很好的很方便的清潔，利用震動將其沖破。超聲波具有傳遞快、方便、能節省人力物力的多種優點。③安裝維修比較方便，無論是安裝還是維修，都不需要切斷流體，不會影響管道內流體的正常流通。安裝時不需要閥門，管路等，因此安裝方便，費用低，使用的方法快又準確。④通用性好。對超聲波來說，無論是零件尺寸的改變，還是流量測量范圍的變化，都有較大的適應能力。不論零件的形狀多復雜，只要將其放入清洗液中，只要是可以接觸到液體的地方，超聲波清洗都可以達到最好的效果，比較的方便。在清洗過程當中產生比較均勻的氣泡，在機器效果當中會比較均勻的產生一致的效果。配合清洗劑的使用是可以加速污染物的分離溶解，有效防止清理液對于零件的腐蝕，很好的避免了清理液對零件表面的破壞。超聲波的清洗杜絕了一定的勞力，減少了一定的勞力活動和手工清洗對于零件的傷害。超聲波的能量可以穿透細微的小孔和縫隙，超聲波通常可以滿足特殊技術要求的唯一清理方式，快速的對零件進行清洗，對于除塵污垢方面速度要快的多。超聲波清洗可以滿足不需要拆卸零件進行清洗，可以減少勞動力，降低成本，使得清洗方式變得簡單自動。

1.2 超聲波清洗的原理

利用超聲波去進行清洗的主要原因，就是通過轉換器將高功率的超聲波轉換，通過介質進行震動，利用超聲波輻射到清洗液中，在受到超聲波的輻射后清洗中的液體氣泡可以保持震動，去破壞器具表面的污染物，引起污染物等脫落。超聲波頻率高于2000赫茲，聲波大穿透性比較強，方向性比較好，是比較容易可以獲得方向感的聲能，超聲波在水中傳播的距離比較遠，可以用于清洗、測速等等。將超聲波的頻率轉化為震動，通過介質中的氣泡去使得污染物進行脫落。在聲壓受到一定程度的壓力時，氣泡會迅速的膨脹，在氣泡閉合的瞬間會產生1012Pa的壓力，這種巨大的壓力可以破壞污染物對污垢進行直接的沖擊。利用超聲波對物體表面進行清理，他的原理可以用“空化”現象進行解釋。超聲波在液體中傳播的壓強達到一個大氣壓，它的密度一般為0.35w/cm2，因此，會在液體當中產生一個很大的力，將液體分子撕裂成一個很大的洞，他在超聲波壓強達到最大時破裂，在護理時將產生的巨大沖擊將物體表面的污垢沖擊下來。這種利用無數細小泡沫破裂產生的沖擊現象就叫做“空化”現象。在一般情況下，超聲波在35℃到40℃的時候，通話的效果是最好的。溫度越高，作用越顯著。減少污染：超聲波清洗可有效地降低污染，減少有毒溶劑對人類的損害，環保高效。

1.3 超聲波清洗的缺點

利用超聲波清洗時間久了，會產生一定的噪音，聽到的不是超聲波的聲音，而是在清洗過程中水與水槽發出的聲音，超聲波的穿透力非常強，超聲波清洗的藥水一般具有化學反應，都是化工產品，在進行高溫發散下，長時間的接觸對于身體有很大的影響。

1.4 超聲波清洗的特點

超聲波清洗工藝技術特點就是利用超聲波的“空化”作用，對于物體表面的污垢進行撞擊、脫落來達到清洗的目的，超聲波清洗技術具有清洗清潔度高、清洗速度快、比較方便等特點，特別是對于具有死角或者是各種形狀的物體，超聲波技術具有其他清洗手段無法達到的清洗效果。

在利用超聲波清洗的工藝流程的程度上，他是利用被清洗物體的難易程度和清洗數量決定的。一般去先將污染物進行高溫分解融化。減輕清洗的壓力，超聲波技術就是利用超聲波在這個介質強烈的震動中，將零件表面污垢進行脫落，同時可以將油性的污染物分解乳化。然后可以利用流通的干凈的水將伏在零件表面的污染物沖洗干凈。最后利用一定的風速將零件表面快速的風干。是由于超聲波的能量可以穿透小孔，所以可以去清潔任何的零件。與傳統方法相比，超聲波的清理要比傳統方法快得多，不需要去查一些零件，可以減少很大的時間和人力。超聲波具有能滲透液體固體的能力。

2? 滑閥微細結構超聲輔助清潔方法

高壓共軌噴油器內控制閥滑閥偶件（圖1）材料為9CrWMn，熱處理后硬度為60～64HRC，零件結構復雜，加工精度高，其中異形環槽凹槽深度為0.1mm，屬于介觀尺寸，凹槽平面上有3個微細孔系，該部位承擔高壓油進、泄工作，普通的清洗方式已經無法滿足于零件的高清潔度技術要求，通過試驗證明，超聲波清洗可以有效的去除零件表面雜質顆粒，提高零件表面清潔度。

在超聲波清洗槽內，對于裝配件的清洗液不需要將裝配件拆解成單個零部件，對其零件可以直接清洗。在具體清洗工件之前，需要對被清洗件的材料結構、數量進行分析和明確，明確需要清洗的污染物和清洗度。通過對這些數據的了解和掌握，才能更加準確選擇清洗工藝和清洗液。在最終清洗工藝確定之前，需要借助清洗實驗進行驗證，搜尋合適的清洗方式，并最終實現對零件的無損害清洗。超聲波功率密度。為了能夠提高超聲波清洗效率，一般采用密度較高的超聲波功率，尤其是油污嚴重、形狀復雜并且具有深孔的工件，利用高功率密度清洗液進行清洗，一定要避免溫度過高，給零件帶來侵蝕，特別是比較光滑的精密零件。超聲波功率如果過大，液體中的聲波過高，產生的氣泡比較多，會直接影響到清洗效果。清洗液溫度。在零件清洗中，需要對零件表面的污染物的結合處進行破壞，提高溫度強化清洗介質活性，降低介質的表面的沖力， 增強清洗的效率。雖然溫度可以降低黏附力，提高清洗效果，但并不是溫度越高越好。

基于超聲空化原理，針對滑閥微細結構超聲輔助清潔方法，研究超聲波在液體介質中，產生的旋渦、負壓區、空穴和氣泡對被清理工件表面殘留物去除的作用機理，通過多輪次單因素和正交試驗，應用仿真分析方法和代表性試驗分析法，對清洗介質、超聲空化參數、清洗電流、清洗介質溫度，清洗時間進行清潔效果影響的權重分析，重點對微細孔、微間隙耦合表面、窄邊棱密封環帶殘留物去除效果進行檢驗，并進一步優化超聲輔助清洗相關工藝參數，掌握精密偶件超聲輔助清潔的方法。

超聲波的功率密度（P≥0.3W/cm2）越高，空化效果越強，速度越快，清洗效果越好，超聲頻率（F≥20KHz）越低，在液體中產生空化越容易，作用也越強。頻率高則超聲波方向性強，適于精密的物體清洗。超聲波在30～40°C時空化效果最好。

2.1 超聲波清洗的檢測方法及清潔度控制

針對滑閥清潔度檢測方法，利用紫外線來檢測零件表面的清潔度，表面的污物顆粒會釋放出熒光，研究熒光強度與表面被污染的程度映射關系，建立關系圖譜，掌握熒光發光法清潔度檢測控制方法及判定準則;將一定數量的零件在一定條件下清洗，將清洗液用哪個濾膜充分過濾，用高倍顯微鏡按顆粒尺寸和數量統計污物顆粒，研究污物顆粒與零件清潔度指標（清洗后零件的雜質顆粒≤0.005mm）的射影關系，掌握顆粒尺寸數量清潔度檢測控制方法及判定，對兩種檢測方法進行對比分析，最終得出結論。

清洗槽內腔材料選擇SUS304/2.5mm優質不銹鋼，外殼材料為SUS201/1.0mm不銹鋼，整體氬弧焊焊接，由于振子表面不能和清洗件直接接觸，且當清洗液水位一定時具有清洗強度較優的清洗區域，所以在超聲波底部振子設計有清洗籃，其中清洗籃距清洗槽底面高度為10mm。清洗槽的底部設計有清洗液進、排液口，同時可用作清洗液循環過濾的進、出液口，在進行超聲波清洗的同時能夠保證清洗液一直處于循環過濾的狀態，降低駐波影響并提高清洗液的潔凈度，保證清洗具有較佳的清洗效果。

清洗液循環過濾系統設計，經過超聲波清洗后的清洗液中會存在從滑閥偶件上清洗掉的油污及毛刺等污垢，為了保證清洗液的潔凈度、防止清洗液中的油污等再次粘附在工件表面上需對清洗液進行過濾處理，利用過濾器對清洗液中的污染物進行過濾，保證經過過濾后的清洗液得到凈化能夠再次利用，節約成本。

過濾循環過濾系統設計。清洗液循環過濾系統主要針對清洗件清洗后的清洗液進行循環過濾保證清洗槽內清洗液達到一定清潔度要求，并且能夠降低駐波對清洗效果的影響，根據粗洗——精洗——漂洗工藝路線，清洗劑配備了三個過濾精度不同的過濾裝置，該系統主要由儲液槽、清洗液循環泵、過濾器、球閥等組成，其中清洗液循環泵是清洗液循環過濾的動力源，過濾器主要是對清洗液中的雜質進行過濾，在清洗槽進油管布置溫度控制系統，檢測并控制通過進油清洗液的溫度，達到控制超聲波清洗溫度控制的目的，由于超聲波震動過程中清洗液會不斷升高溫度，通過循環過程，使清洗溫度控制的目的，由于超聲震動過程中清洗會不斷升高溫度，通過循環過程，使清洗液溫度達到動態恒溫狀態。

超聲波是頻率大于2000赫茲的聲波，震動頻率特別高，波長通常在幾微米，甚至幾厘米之間。衍射能力比較弱，有良好的方向性和穿透性，在一定的距離以內通常可以在介質中沿直線傳播，引起介質中的氣泡劇烈震動，產生極高的震動能量。超聲波在介質中的壓力，通常有一個交替的變化，比如說一個大氣壓為中心壓力。隨著時間發生變化，壓強，隨著超聲波的強度增加產生了一個清理的區域，在這個區域當中，介質會產生很強的拉力，形成氣泡，隨后又會被后面的壓力擠壓破滅，在這種壓力下，震動會產生一定的數量群。隨著超聲波的傳遞，達到一定的氣壓時空氣質量會迅速膨脹，最后被壓縮擠壓破裂，引起介質中的氣泡顆粒劇烈撞擊，產生巨大的壓強，隨后由于劇烈撞擊造成溫度持續上升，使得介質發生變化。從而使得被油污雜質包圍的固體，可以從零件的表面脫落。隨著溫度的上升，加速溶解的化學反應。溫度的上升使得反應更加劇烈，使得零件表面的凹槽，夾縫等復雜的死角結構進行清洗。對于棱角的毛刺產生侵蝕等作用，達到去除毛刺，磨平棱角的目的。

2.2 不同因素對去毛刺效果的不同

如果固體顆粒被油污包裹，將零件的表面上都有被油化時，零件的固體顆粒就會脫落，使用的溫度不斷上升，氣泡振動引起的沖擊作用，可以使得清理液當中的化學成分與污染物發生反應，從而對零件的表面進行沖洗鉆入，最后不斷地震動將毛刺進行脫落。固體顆粒的清潔常用的方法主要有：稱重分析法，擴展式分析法，其中的稱重法最為簡單，就是只需要稱出過濾網在過濾前和過濾后的重量，二者的差異就是顆粒的總質量。但是為了精確的結果必須對過濾網進行嚴格處理，將過濾網浸入過濾網當中，然后烘干，隨后進行稱重。超聲波清洗效果受多種因素影響，采用具有代表性的實驗分析法，對于清洗介質、溫度等等進行分析。隨后進行超聲波的去毛刺實驗，利用不同的因素對其進行相互影響，根據去毛刺的情況進行清洗的效果評判。

清潔度是表示這個零件的清潔程度，用所含的大小顆粒來進行表示。通過超聲波的流速頻率對于去毛刺效果的影響規律，最終體現出的孔內的表面質量成果。如果清潔程度比較差，一般會產生一些質量問題，比如說零件的磨損以及降低機器的使用功率造成一些零件的卡死，導致進、泄油孔的堵塞，從而使性能變差。那么隨著技術的不斷加強，在各項領域中人們對于毛刺也逐漸加強重視，于是通過超聲波中對介質的震動傳播，最終去提高孔內的表面質量。毛刺在噴油器的存在，會直接影響噴油器的整體噴射能力指標。

有一些機器在使用的過程當中，可能會因為毛刺造成破壞影響到系統正常工作，有可能會因為進入的毛刺造成過濾網的堵塞，從而造成事故。降低系統的工作性能。一般是利用超聲波清理的重要方法，去清除金屬零件表面的毛刺，這是一種方便精確的加工方法。

3? 進行超聲波去毛刺工藝實驗

超聲波清洗主要是借助空化作用，其空化作用受到工藝參數以及清洗液的物理性質影響，要想保證超聲波清洗效果，必須選擇合適的清洗液，并明確清洗工藝參數。超聲波在清洗液中傳播的強度，一般由密度來進行表示，與功率密度大小有著非常密切的關系。超聲波功率的密度是超聲波再清洗過程當中，對于空化作用影響最大的因素之一。對于不同的被清洗對象進行必須選合適的超聲波功率參數才可以對其進行清洗效果的最優化，如果超聲波功率太小，超聲波產生的空化強度不夠，很難去破壞毛刺與清洗空間的結合力，達不到良好的清洗效果。通過延長對實驗的清洗時間，不能去改善清洗的效果。當超聲波的功率達到一定值時，只需要比較短的清洗時間便可以起到比較好的清洗效果，但是如果持續增加超聲波功率，會導致清洗表面發生腐蝕現象，造成一定損害，對于精密零件或者是表面光潔度比較高的零件產生很大的危害。因此，在進行清洗過程中，必須選用合適清洗功能，有良好的去除毛刺，這樣既不會對于零件的表面造成不利影響，也可以很好的去除毛刺。

4? 結語

①超聲波清洗技術的研究與應用方面近年來得到了很大的發展，研究者在空化研究方面取得了眾多成果，超聲波在液體中除了會產生空化效應外，還會產生乳化、等等化學效應，這些效應的產生原理，以及對空化效應是否有影響也需要進一步深入研究。②關于空化效應中微射流效應，缺乏一定的實驗探究，需要對其原理以及影響因素進行研究，進而提出相應的有益于提高超聲波清洗效果的方案。在工業維護領域當中，針對一些清洗對象，不同的部件結構和功能不同，利用到超聲波清洗的參數也不同，但必須在清理場地配備多臺清洗設備，成本太高，還有一些清洗對象體積大、結構復雜，在清理時需要一件一件的拆卸，耗費大量的人力物力。因此，以后的超聲波清洗機應朝著更加智能化的方向發展。通過對超聲波清洗技術的調研以及超聲波清洗設備的安裝調試，清洗周期降低，清洗效果加強，逐漸實現精密零件高清潔度的技術指標要求。

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