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面向再制造的超声清洗研究及应用

秦顺顺  
【摘要】:再制造作为装备制造业产业链的延伸,为循环经济提供关键技术支撑,已成为当今世界最具前景的技术领域之一。再制造零部件的清洗技术、再制造毛坯件无损检测及寿命预估技术、零部件缺陷修复技术是制约再制造行业发展的三个主要因素。由于清洗速度快、清洗质量好、成本低及易于实现自动化等优点,超声清洗在再制造产业中得到了越来越广泛的应用。声场分析是超声清洗科学研究和工程应用中非常重要的内容,掌握超声场的特性对设计高效超声清洗设备具有重要的理论指导意义。 超声清洗是物理作用与化学作用相结合的一种清洗方式。物理机制归结为超声空化及随空化产生的冲击波、微声流、微射流及清洗液振动本身的机械效应。化学作用表现为清洗液中的化学物质对污物产生渗透、溶解。通过对空化气泡运动方程的数值模拟演算及多物理场耦合计算,从理论上得到了提高空化效果所需的较佳工艺条件,即在较低超声频率、较强超声功率、较低粘度、较低环境压力、气泡直径为共振尺寸的工艺参数条件下,空化效果明显,清洗效果较好。数值模拟结果证明:超声波功率、气泡内压、气泡直径对空化气泡的运动影响较大。在实际应用中可根据具体工作情况选择合适的清洗工艺参数。另外,振动作为一种机械运动,在超声清洗中也发挥着非常重要的作用。 在COMSOL Multiphysics软件中建立了超声清洗的二维和三维模型,对不同频率下的清洗效果进行模拟,确定了适用于再制造发动机零部件的清洗机振子频率,通过特征频率分析初步确定了振子的排布,基于三维声压级分析确定了三角形非对称分布的振子排布设计方案,通过减少驻波和增加振子工作平面,进一步提高了声场分布的均匀性。建立了液面高度变化模型,计算结果表明液面高度变化对声场分布有显著影响,在超声清洗设备、工作液和工作温度确定的情况下,可以通过改变液面的方式来改变声场分布,从而达到更好的清洗效果。 超声清洗过程中不同工作平面上的声场分布,沿轴线方向的声场分布以及液面高度变化对声场分布的影响都是直接制约超声清洗效果的关键因素,基于Halcon和Matlab等处理软件,通过染色法、铝箔腐蚀法和水听器法对这些问题进行了系统研究。针对普通清洗状态下清洗槽内存在明显的驻波声场的问题,提出通过变液面法实现超声“扫描式”清洗,实验结果表明:这种清洗方法可以明显改善清洗场内的声压分布,对清洗槽内的能量进行再分配,经多次分配使声场能量均匀分布,从而消除清洗盲区达到均匀清洗的目的。


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