□ 胡 濤 □ 傅 波 □ 魏周玲 □ 晉 毅 □ 戴素紅

1.四川大學 機械工程學院 成都 610065 2.北京泰拓精密清洗設備有限公司 北京 101102

1 研究背景

隨著工業(yè)化及高新科技產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展,清洗技術對產(chǎn)品性能、質(zhì)量、使用壽命、可靠性等方面的影響日益突出,并直接制約生產(chǎn)水平的提高。近年來,綠色環(huán)保的新型清洗技術——超聲清洗倍受關注,超聲清洗機理被不斷細化,大功率換能器的設計得到完善,對工件清洗效果產(chǎn)生影響的因素被一一發(fā)掘,并被深入研究[1-4]。面對越來越多的市場需求,超聲清洗設備開始向大型、高效、環(huán)保、精密、自動化等方向發(fā)展,應用領域日益擴大。在電子制造行業(yè)中,清洗網(wǎng)板上的錫膏和紅膠就是超聲清洗設備的典型應用之一。

目前,國內(nèi)電子制造行業(yè)還普遍采用氣動清洗的方法對網(wǎng)板進行清洗。若采用超聲清洗設備,則大多存在設計陳舊、缺乏理論和試驗依據(jù)、清洗噪聲大、清潔度低等缺陷。深化超聲清洗理論,利用計算機技術進行數(shù)值模擬,結合試驗驗證設計,優(yōu)化超聲清洗設備是當務之急。

在超聲清洗工件的過程中,夾心式壓電換能器的聲波輻射面積較小,并且聲阻抗與清洗液體的聲阻抗耦合性較差,甚至存在匹配失調(diào)的嚴重情況。對此,在超聲清洗設備中通常將若干個同頻率的換能器按一定型式排布粘接于清洗槽底部或側面,以組成超聲振動系統(tǒng)[5-7]。通過同一電信號激勵各換能器,共同推動清洗槽面板做簡諧振動,向清洗液中輻射聲波,從而實現(xiàn)對工件的清洗。在實際生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn),超聲清洗設備中換能器的布陣型式不同,超聲清洗的效果也不同。為確定最佳的換能器布陣型式,獲得最佳的清洗效果,筆者對三角形、矩形、正方形三種換能器布陣型式進行研究,為超聲清洗設備中換能器布陣型式的選擇提供參考。

2 有限元分析

在超聲清洗系統(tǒng)中,換能器的布陣型式主要有三角形、矩形、正方形三種。換能器的頻率和布陣型式不同,超聲清洗槽底板聲源的振動特性也不相同[8]。采用ANSYS Workbench有限元分析軟件,對40 kHz夾心式壓電換能器三種布陣型式在清洗槽底板上的振動特性進行分析,比較同頻率下不同換能器布陣型式對超聲清洗槽板聲源振動分布的影響,從而得到相對合理的換能器布陣型式。

筆者采用18個40 kHz喇叭形夾心式壓電換能器粘接于超聲清洗槽底板,組成超聲振動系統(tǒng)。為方便分析,將超聲清洗槽底板簡化為一塊矩形薄板,幾何尺寸為520 mm×295 mm×2 mm,四周采用固定支撐,在換能器的激勵下做簡諧振動。超聲清洗槽底板和換能器的材料屬性見表1。利用SolidWorks軟件建立三維模型,將三維模型導入ANSYS Workbench有限元分析軟件,選擇諧響應分析模塊,添加材料的參數(shù)信息。將換能器簡化為一個質(zhì)量塊,換能器與清洗槽底板之間采用默認的固定連接方式[9]。使用網(wǎng)格劃分工具對模型自動劃分網(wǎng)格,設置網(wǎng)格尺寸為10 mm。設置頻率掃描范圍為39.5 kHz～40.5 kHz,求解步數(shù)為10,步長為100 Hz。在換能器表面施加一個Z方向的振動位移載荷,大小為2×10-6m,相位角為零。

表1 材料屬性

換能器三角形布陣型式如圖1所示,矩形布陣型式如圖2所示,正方形布陣型式如圖3所示。設置完成后進行求解,得到40 kHz頻率下?lián)Q能器三角形布陣型式板聲源振幅分布如圖4所示,矩形布陣型式板聲源振幅分布如圖5所示,正方形布陣型式板聲源振幅分布如圖6所示。

▲圖1 換能器三角形布陣型式

▲圖2 換能器矩形布陣型式

▲圖3 換能器正方形布陣型式

▲圖4 換能器三角形布陣型式板聲源振幅分布

▲圖5 換能器矩形布陣型式板聲源振幅分布

▲圖6 換能器正方形布陣型式板聲源振幅分布

在40 kHz頻率下,換能器采用三角形布陣型式時,板聲源的振幅明顯大于矩形布陣型式和正方形布陣型式,并且板聲源振幅分布比較均勻,極值出現(xiàn)較少,可以減小不均勻縱振引起的清洗槽底板彎曲變形,避免造成應力集中,不會形成腐蝕點。由此確定換能器宜采用三角形布陣型式。

3 聲場分布數(shù)值分析

超聲清洗的主要原理是超聲空化效應[10],超聲振動輻射至清洗液中所產(chǎn)生的空化核處聲壓大小直接關系到超聲空化效應的優(yōu)劣。因此,聲場在清洗槽中應盡可能分布均勻,這樣才能夠保證清洗效果。

為驗證換能器三角形布陣型式的清洗可行性,進行聲場分布數(shù)值分析。分析時進行如下簡化:不考慮聲強、功率、溫度等因素對聲場分布的影響,假設清洗過程只存在超聲空化作用[11];將清洗液看作不可壓縮流體,忽略黏度及表面張力;忽略清洗槽各面及液面對聲波的反射、散射等作用,不計流體邊界處的阻尼損耗。將清洗液內(nèi)的聲傳播看作理想傳播過程,重點分析清洗液靜止狀態(tài)下的聲場分布[12]。為方便計算分析,以換能器和清洗槽的粘接面為XY平面,以超聲輻射的方向為Z軸,以板聲源的對稱中心為坐標原點,建立坐標系。超聲清洗槽為長方體形狀,尺寸為520 mm×295 mm×200 mm,可得簡化及變形后的清洗槽內(nèi)超聲波動方程為[13]:

p=AxAyAzei(ωt-kr)pm/r

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中:p為聲壓;(X0,Y0)為換能器輻射面在坐標系中的坐標;pm為換能器輸出的聲壓幅值;Lx、Ly、Lz為清洗槽的形狀尺寸;(x,y,z)為清洗槽內(nèi)空間位置點坐標;r為點(x,y,z)到換能器輻射點的距離;Ax、Ay、Az為聲壓系數(shù),表征各方向聲壓分布形式;Nx、Ny、Nz為各方向波的階次;t為時間;ω為角頻率;k為波數(shù);ei(ωt-kr)為聲壓值在時間t的相位角。

忽略聲壓隨時間的變化,以cos(-kr)表征相位角對聲壓幅值的影響,并將Nx、Ny、Nz均設為1,且不考慮換能器輸出的聲壓幅值pm,設聲壓幅值pm為1。清洗液為室溫狀態(tài)下的純凈水,水中聲傳播速度為1 480 m/s,液體質(zhì)點流動速度為零。單個換能器以點聲源的形式向清洗槽內(nèi)輻射聲波,換能器的諧振頻率為40 kHz。

p(x,y,z)=∑AxAyAz[cos(-kr)]/r

(6)

結合式(6),使用MATLAB軟件編寫程序,對清洗槽內(nèi)聲壓分布進行數(shù)值計算,清洗液靜止狀態(tài)下超聲清洗槽內(nèi)聲場分布如圖7所示。

▲圖7 清洗液靜止狀態(tài)下超聲清洗槽內(nèi)聲場分布

由圖7可以看出,在X軸、Y軸方向近聲源處聲壓較大,并且在換能器周圍達到最大值,各個換能器周圍聲壓強度基本一致。在0≤Z≤100 mm區(qū)域,聲壓值較大,可以滿足清洗要求,并且聲壓分布較為均勻。在Z>100 mm區(qū)域,各面聲壓的最大值沿Z軸正方向大幅減小,聲場分布不均勻。在兩個換能器的過渡間隙存在一個聲壓值幾乎為零的區(qū)域,為清洗盲區(qū),在清洗時應盡量避免將工件置于清洗盲區(qū)。為保證良好的清洗效果,應使工件盡可能靠近超聲輻射面位置,并位于XY平面聲壓較大值處。通過聲場分布數(shù)值分析,確認換能器三角形布陣型式在清洗液靜止狀態(tài)下可以完成清洗工作。

4 超聲網(wǎng)板清洗試驗

為進一步驗證換能器三角形布陣型式的超聲清洗效果,筆者利用現(xiàn)有設備搭建浸泡式超聲網(wǎng)板清洗試驗平臺進行試驗。超聲清洗時清洗對象為固結于網(wǎng)板上的錫膏,清洗液溫度為40 ℃,時間為8 min,功率為1 500 W。采用熱風烘干時,時間為8 min。

試驗完成后使用手持式顯微鏡觀察網(wǎng)板表面潔凈度,如圖8、圖9所示。網(wǎng)板表面及微細漏孔邊緣無污物殘留,清洗潔凈度符合要求。由此可見,在超聲功率為1 500 W時,采用換能器三角形布陣型式,對固結于網(wǎng)板上的錫膏超聲清洗8 min,便可以達到預期的清洗效果。

▲圖8 超聲網(wǎng)板清洗試驗網(wǎng)板潔凈度

▲圖9 超聲網(wǎng)板清洗試驗網(wǎng)板局部放大潔凈度

5 結束語

筆者結合聲學理論,通過有限元分析、數(shù)值分析及試驗,證明了換能器的布陣型式會影響清洗槽底板表面的聲輻射分布,從而影響超聲清洗效果。換能器采用三角形布陣型式,相比矩形和正方形布陣型式,振幅更大,振動更均勻,能夠達到預期的清洗效果。在超聲清洗設備中,建議優(yōu)先選用三角形布陣型式換能器。