劉 欽，張福禮，王紅偉

(北京航天控制儀器研究所，北京 100039)

鈹材具有密度小、屈服強(qiáng)度高和尺寸穩(wěn)定性良好的特點(diǎn)。其作為一種新興材料日益被重視，并被廣泛應(yīng)用在火箭、導(dǎo)彈和航空等領(lǐng)域的機(jī)械結(jié)構(gòu)體中[1-3]。在慣性導(dǎo)航儀表中應(yīng)用鈹材，能有效提高其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與穩(wěn)定性，減輕導(dǎo)航平臺(tái)系統(tǒng)的質(zhì)量。

由于鈹材零件加工后存在較多的粉末顆粒物，且零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在多個(gè)大深徑比的小孔(見(jiàn)圖1)，因而造成零件微小孔隙內(nèi)的多余物難以清除。而如何對(duì)鈹材進(jìn)行高潔凈度的清洗，目前相關(guān)的研究較少。本文對(duì)鈹材復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件超聲波清洗工藝技術(shù)進(jìn)行了研究，以提高零件清洗潔凈度，從而提高慣性儀表的可靠性。

圖1 具有深溝槽與小孔的零件

1 目前清洗方法與存在的問(wèn)題

超聲波清洗是利用超聲波在液體中的空化作用、直進(jìn)流作用和加速度作用等對(duì)液體和污物進(jìn)行直接、間接的剝離，使污物層被分散、乳化和剝離，以達(dá)到清洗潔凈的目的。不同超聲波頻率產(chǎn)生不同直徑的空化泡，在受到外界大壓力時(shí)，空化泡被壓碎，產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊力，清除被清洗物表面的多余物[4]。40 kHz超聲波去除顆粒物示意圖如圖2所示，可去除2.5～3 μm的顆粒。

圖2 40 kHz超聲波去除顆粒物示意圖

目前，鈹材零件采用單槽、單頻超聲波清洗機(jī)進(jìn)行清洗，清洗效果不好。儀表經(jīng)常發(fā)生多余物故障引起的精度超差，其中，由于零件清洗不徹底而引入多余物的故障時(shí)有發(fā)生。

研究表明，不同頻率的波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)不同直徑的顆粒物(見(jiàn)表1)[5]。根據(jù)計(jì)算，40 kHz的單頻率超聲波清洗機(jī)最佳移除顆粒物半徑為36.1 μm，對(duì)于其他直徑的顆粒物，即使延長(zhǎng)清洗時(shí)間，清洗效果也難以得到提升[6]。

表1 超聲頻率與顆粒物大小對(duì)應(yīng)關(guān)系

2 清洗影響因素研究

超聲波清洗效果受清洗劑類別、溫度和功率等多個(gè)因素影響，本文根據(jù)超聲波清洗原理，對(duì)清洗劑的優(yōu)選、超聲頻率、溫度和功率等因素的影響進(jìn)行了研究。

2.1 清洗劑的優(yōu)選

清洗劑是影響清洗效果的主要因素，應(yīng)根據(jù)清洗零件的材料特性、顆粒物類別與油污特性等確定清洗溶劑。為了提高鈹材表面致密性，進(jìn)行了陽(yáng)極氧化處理，表面形成了一層致密的氧化膜。清洗溶劑的選擇應(yīng)主要考慮酸堿度、閃點(diǎn)和沸點(diǎn)等因素。

調(diào)研了多種溶劑，最終選擇Enasolv 365Az溶劑，其屬性見(jiàn)表2。從表2可以看出，溶劑沒(méi)有閃點(diǎn)，安全可靠，避免了由于溶劑清洗發(fā)熱后發(fā)生燃燒的可能性；溶劑為中性，不會(huì)破壞鈹材表面氧化膜；沸點(diǎn)適中，便于蒸汽浴洗，滿足了鈹材清洗的要求。

表2 Enasolv 365Az溶劑參數(shù)

圖3 鈹材零件與清洗溶劑相容性試驗(yàn)

為防止清洗溶劑破壞鈹材的表面氧化膜，進(jìn)行了材料相容性試驗(yàn)(見(jiàn)圖3)。將鈹材零件浸泡在溶劑中，在溶劑浸泡試驗(yàn)后第7 d與第15 d將零件取出，在200倍顯微鏡下進(jìn)行表面觀測(cè)。經(jīng)過(guò)觀察，零件表面無(wú)顏色變化；用碳纖維棒輕微刮零件表面，無(wú)膜層脫落；采用表面電鏡掃描分析儀對(duì)表面進(jìn)行微觀形貌檢測(cè)，未發(fā)生腐蝕等問(wèn)題。試驗(yàn)表明，鈹材與溶劑無(wú)明顯反應(yīng)，具有較好的相容性，該溶劑適用于鈹材零件清洗。

2.2 超聲波頻率影響研究

目前，超聲波清洗機(jī)的工作頻率可分為3個(gè)頻段：低頻超聲(20～50 kHz)、高頻超聲(50～200 kHz)和兆聲(700～1 000 kHz)。

鋁箔侵蝕對(duì)比效果圖如圖4所示，從圖4可以看出，在同等條件下，鋁箔侵蝕試驗(yàn)[7]表明頻率越低，清洗強(qiáng)度越大，對(duì)零件的損傷越大；頻率越高，清洗強(qiáng)度越低，對(duì)零件表面粗糙度損傷越小。

圖4 鋁箔侵蝕對(duì)比效果

因此，低頻超聲清洗適用于大部件表面或者顆粒物與零件表面接合強(qiáng)度高的場(chǎng)合。超聲頻率越低，空化強(qiáng)度越高；反之，頻率越高，空化強(qiáng)度越低。

根據(jù)超聲頻率與顆粒物大小對(duì)應(yīng)關(guān)系，結(jié)合前期單槽超聲波清洗機(jī)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，確定鈹材最小頻率為40 kHz。為了驗(yàn)證鈹材表面對(duì)超聲頻率的適用性，采用40 kHz的頻率進(jìn)行清洗。清洗溶劑為純凈水，清洗時(shí)間為5 min，進(jìn)行侵蝕試驗(yàn)。鈹材侵蝕效果對(duì)比如圖5所示。

圖5 鈹材侵蝕效果對(duì)比(200倍顯微鏡)

由圖5可知，40 kHz的超聲波頻率對(duì)鈹材表面鈍化膜層無(wú)明顯損傷，而頻率越高，侵蝕作用越小；因此，鈹材清洗的最小頻率可確定為40 kHz。

2.3 清洗溫度影響分析

根據(jù)查閱資料，適當(dāng)提高清洗液溫度，超聲波清洗效果增強(qiáng)，一般采用40～60 ℃的工作溫度即可。利用40 kHz超聲波清洗機(jī)，對(duì)放置在玻璃燒杯中的寶石墊塊進(jìn)行清洗試驗(yàn)(見(jiàn)圖6)，清洗溶劑為純凈水，依次進(jìn)行常溫(22 ℃)清洗與加熱清洗(40 ℃)，然后進(jìn)行對(duì)比。清洗參數(shù)見(jiàn)表3。

圖6 未清洗的寶石墊塊(Al2O3)

表3 溫度影響清洗試驗(yàn)參數(shù)

在200倍顯微鏡下檢查，清洗后效果如圖7所示。從清洗效果來(lái)看，在22 ℃清洗時(shí)，墊塊表面留有多余物，無(wú)法清除；而墊塊放置在40 ℃純凈水中進(jìn)行超聲清洗，表面顆粒物明顯減少。由此可知，在同等條件下，清洗劑溫度40 ℃時(shí)比常溫22 ℃的清洗效果要好，可增強(qiáng)清洗效果。

圖7 不同溫度清洗對(duì)比效果(200倍顯微鏡)

2.4 超聲波清洗功率影響

清洗功率的大小用功率密度來(lái)表示，計(jì)算公式如下：

功率密度越高，空化效果越強(qiáng)，清洗速度越快，清洗效果越好；但對(duì)于表面粗糙度低的零件，采用長(zhǎng)時(shí)間的高功率密度清洗會(huì)使物件表面產(chǎn)生空化、腐蝕。

為了驗(yàn)證清洗功率的影響，利用清洗頻率為40 kHz，功率為500 W的單槽超聲波清洗機(jī)，采用50%和100%不同功率密度進(jìn)行清洗寶石軸承對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表4，清洗效果如圖8所示。

表4 清洗試驗(yàn)參數(shù)

圖8 不同功率密度清洗的寶石軸承(Al2O3)

從圖8可以看出，在200倍顯微鏡下觀察，清洗效果差別較小，表明該因素影響不明顯。

在三浮儀表零件清洗過(guò)程中，對(duì)于表面粗糙度較高的零件，當(dāng)零件表面的顆粒物粘接在零件上清洗不徹底時(shí)，需要增大清洗功率密度；對(duì)于裝配精度較高，特別是表面粗糙度低的零件，可適當(dāng)降低清洗功率，具體功率密度根據(jù)試驗(yàn)來(lái)確定。一般功率密度保持為0.5 W/cm2即可。

2.5 復(fù)頻超聲波清洗影響分析

復(fù)頻超聲波清洗指同時(shí)采用2種及以上的超聲頻率同時(shí)清洗。超聲波清洗機(jī)的振源一般安裝在槽體底部，槽體內(nèi)裝滿清洗液。在工作狀態(tài)下，聲波從槽體底部向上傳播。聲波在液面處發(fā)生理想反射時(shí)，反射波與入射波傳播方向相反，而振幅與頻率相同。在超聲波清洗槽中，坐標(biāo)原點(diǎn)和計(jì)時(shí)起點(diǎn)相同，入射聲波Pi和反射聲波Pr可表示為[8]：

Pi=Pcos(ωt-kx)

(1)

Pr=Pcos(ωt+kx)

(2)

兩列波的合成為：

(3)

(4)

在空間上這些質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)最劇烈，稱為波峰。

(5)

在空間上這些質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)為零，稱為波谷。

于是在清洗槽液體內(nèi)形成了駐波聲場(chǎng)。處在波谷節(jié)點(diǎn)處的工件表面得不到充分清洗形成清洗盲區(qū)，而處于波峰處的表面有可能被嚴(yán)重空化腐蝕。如何減少或消除駐波, 以形成均勻、穩(wěn)定的聲場(chǎng)是提高清洗質(zhì)量的關(guān)鍵。

解決駐波聲場(chǎng)的辦法是改變清洗頻率，采用變頻或者復(fù)合頻率，使不同頻率的聲波在清洗槽中合成，減小駐波影響。本試驗(yàn)采用復(fù)合頻率清洗方法，同時(shí)啟動(dòng)諧振頻率為58和132 kHz的超聲波，以提高清洗效果。復(fù)合頻率超聲波清洗機(jī)如圖9所示。

圖9 復(fù)合頻率超聲波清洗機(jī)

通過(guò)顯微鏡檢測(cè)試驗(yàn)件表明，采用復(fù)頻清洗的零件表面顆粒物明顯減少，可見(jiàn)，采用復(fù)頻超聲波清洗方法能顯著提高清洗潔凈度。

2.6 輔助清洗方法研究

因超聲波清洗溶劑流動(dòng)較慢，對(duì)微小多孔精密復(fù)雜零件的清洗能力有限；為此，在超聲波清洗上進(jìn)行了工件運(yùn)動(dòng)輔助清洗和高壓噴淋輔助清洗等2項(xiàng)輔助清洗工藝研究試驗(yàn)。

2.6.1 運(yùn)動(dòng)輔助清洗

為防止工件運(yùn)動(dòng)帶來(lái)?yè)p傷，設(shè)計(jì)了聚四氟乙烯定位工裝，以避免零件直接與清洗籃接觸。將零件與工裝一起放置在清洗籃中(見(jiàn)圖10)，并完全浸沒(méi)在清洗溶劑中。通過(guò)機(jī)械臂帶動(dòng)清洗籃運(yùn)動(dòng)，設(shè)置機(jī)械臂上下運(yùn)動(dòng)的位移與速度，進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)，清洗三浮儀表零件的微小細(xì)孔。

圖10 清洗籃擺動(dòng)清洗圖

2.6.2 高壓噴淋輔助清洗

為增強(qiáng)清洗效果，使用0.3～0.5 MPa的高壓水槍，對(duì)大深徑比小孔進(jìn)行高壓沖洗。壓力沖洗是通過(guò)加壓的辦法，使清洗液具有一定的能量，然后經(jīng)噴嘴以液柱的形態(tài)沖向被清洗件表面。由于液柱的沖擊洗涮，再加上清洗液的去除作用，使多余物得以清除。

寶石軸承孔噴淋清洗效果對(duì)比如圖11所示。寶石孔內(nèi)徑為0.6 mm，深度為2 mm，通過(guò)高壓噴淋后，清洗潔凈度得到了明顯提高。

圖11 寶石軸承孔噴淋清洗效果對(duì)比

3 鈹材清洗工藝流程優(yōu)化

3.1 鈹材清洗工藝研究

根據(jù)上述研究與試驗(yàn)進(jìn)行工藝優(yōu)化。針對(duì)目前采用的單頻率超聲波清洗機(jī)清洗，采用系列組合頻率超聲波清洗方法替代，加以高壓噴淋槍與運(yùn)動(dòng)輔助清洗。清洗工藝流程圖如圖12所示。清洗槽數(shù)量為4個(gè)，從左到右的布局依次為：加熱初洗槽(1#)→40 kHz超聲槽(2#)→混頻超聲槽(3#)→兆聲超聲槽(4#)。

圖12 自動(dòng)清洗工藝流程圖

為提高清洗潔凈度與自動(dòng)化水平，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，在上述工藝流程研究的基礎(chǔ)上，提出了自動(dòng)化超聲波清洗設(shè)備方案，下一步進(jìn)行清洗設(shè)備的外協(xié)研制。清洗設(shè)備采用四槽清洗方式，清洗工藝參數(shù)見(jiàn)表5，其中，功率密度為0.5～1 W/cm2連續(xù)可調(diào)，根據(jù)清洗零件的表面粗糙度要求進(jìn)行調(diào)整。

表5 系列超聲波清洗工藝參數(shù)表

在確定清洗溶劑的基礎(chǔ)上，結(jié)合清洗工藝，控制清洗溫度、時(shí)間和真空度等參數(shù)，調(diào)試清洗設(shè)備，達(dá)到最佳清洗效果。

3.2 清洗潔凈度檢測(cè)

潔凈度的檢測(cè)有溶劑導(dǎo)電率法、過(guò)濾法和顆粒物檢測(cè)法等，通過(guò)判定清洗溶劑中的顆粒物濃度來(lái)判定清洗效果。清洗后，溶劑中顆粒物越多，表明清洗效果差；顆粒物越少，表明清洗效果好。

3.2.1 顆粒度檢測(cè)

為了驗(yàn)證清洗效果，對(duì)清洗后的溶劑進(jìn)行潔凈度檢測(cè)。利用基于光阻法[9]的激光檢測(cè)儀測(cè)定清洗溶劑中的顆粒物。每當(dāng)有粒子通過(guò)檢測(cè)區(qū)的通道時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)光電脈沖，可求得粒子的個(gè)數(shù)。光電接收器輸出的電壓信號(hào)反映了液體中不同大小的微粒。測(cè)試設(shè)備如圖13所示。

圖13 KLD—B—2便攜式顆粒度檢測(cè)儀

清洗介質(zhì)為高純度的365Az 溶劑(用孔徑為0.22 μm的過(guò)濾紙過(guò)濾4次)，采用KLD—B系列污染度檢測(cè)儀對(duì)清洗后的溶劑進(jìn)行檢測(cè)。采樣前，對(duì)儀器管路進(jìn)行預(yù)清洗，然后進(jìn)行3次采樣測(cè)試，每次采樣為10 mL。測(cè)試結(jié)果顯示，清洗工藝改進(jìn)后，>2 μm的顆粒物由68個(gè)減少為16個(gè)，清洗效果得到明顯提升。

3.2.2 能譜儀檢測(cè)

對(duì)清洗后的溶劑用孔徑為0.22 μm的濾紙過(guò)濾，在200倍顯微鏡下，能觀測(cè)到少數(shù)多余物。為了確定多余物成分，采用能譜儀進(jìn)行多余物成分分析。多余物成分光譜圖如圖14所示，多余物主要成分為碳和氧，還有少量其他成分元素(見(jiàn)表6)。

圖14 多余物成分光譜圖

表6 表面多余物成分

從表6可知，在多余物中，w(C)= 37.43%，w(O)= 49.83%，表明為有機(jī)物。由于檢測(cè)房間為千級(jí)間，多余物的來(lái)源可能為空氣中的污染物或者加工過(guò)程殘留物。成分中未見(jiàn)金屬元素，表明對(duì)金屬粉末清洗效果好。

4 結(jié)語(yǔ)

本文在超聲波清洗影響因素的分析與試驗(yàn)基礎(chǔ)上，提出了系列超聲波組合清洗工藝方案，系列超聲波頻率分別為40、58、132和950 kHz。試驗(yàn)結(jié)果證明，該方法清洗效果好，適用于鈹材復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的清洗。采用復(fù)合頻率清洗方法，將58/132 kHz作為復(fù)合清洗工序，在同一個(gè)超聲波清洗槽中同時(shí)實(shí)現(xiàn)2種頻率清洗，可有效提高清洗能力。

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