超声波辅助超临界CO2清洗精密零部件设备设计

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清洗精密零部件中的切屑和油污是保证零件使用性能要求必不可少的，尤其是清洗复杂精密零部件中高深径比、微孔和狭缝结构的污染物。目前使用的精密零部件结构越来越复杂，对微孔及狭缝的洁净度要求提高.传统清洗方法中.由于清洗介质(主要为水溶液)黏度高和表面张力大，无法深入到精密零部件的微孑L和狭缝中进行有效清洗.也就不能保证高深径比结构、微孔及狭缝的使用性能[ 。另外清洗介质中的酸碱物质会造成零件表面和结构的微变化，以致形成缺陷，常用的超声波清洗亦会造成损伤，从而影响精密零部件的使用性能。

收稿日期：2012-11-14 修回日期：2012-11-28传统清洗方法和设备中需要使用大量纯水，并添加化学试剂，清洗后产生大量废液造成环境污染和水浪费，清洗后还需干燥，过程复杂，经济成本高，因此传统清洗应用前景-般[ 。为了解决上述问题，以超临界二氧化碳(sc cO )作为清洗介质，避免水的使用，辅助超声波振动清洗，既是现实清洗状况的需要，也是精密零部件使用性能进步的要求。

1 清洗原理超临界CO 是指温度高于31.2℃，压强高于7.38 MPa的C02，此时处于超临界状态，因此超临界CO 既有液体的部分性质，也有气体的部分性质。超临界CO：的溶解性与液态CO 的溶解性相似，扩散性与气体 C0：的性质相接近，因此对精密第 51卷第3期 高公如 等：超声波辅助超临界CO 清洗精密零部件设备设计 43零部件的污染物具有良好的溶解能力.以及对微孔和狭缝的渗透能力，并且它的溶解能力随着温度、压力的改变而改变。超临界CO 的黏度低，传质能力强，移动较快；它的较低的表面张力有利于清洗复杂精密零部件的盲孔、狭缝、微槽和高深径比的结构，而且不会对精密零部件造成损伤；CO化学性质稳定、不污染、难燃烧 无毒和易回收循环利用。在清洗过程中不需使用水及化学添加剂，不需干燥过程，环保绿色无污染。

根据国外的研究3-5]，磁力搅拌作用能够改善超I临界CO：的清洗效果，因此在本清洗结构中，加入超声波振荡辅助作用和旋转搅拌作用，超声空化在零件表面产生的高速微射流可除去或削弱边界污层，增加搅拌作用，加速可溶性污物的溶解，强化清洗作用[6]。此外，超声振动在清洗液中引起质点较大的振动速度和加速度.亦使清洗件表面的污物受到激烈的冲击，实现对精密零部件的清洗。通过超声波辅助超临界 CO：的清洗∩以提高清洗效率，缩短清洗时间。

2 清洗设备2.1清洗釜整体结构图 1为清洗釜整体结构示意图，主要由简体、内夹套、超声波换能器、料框、磁力驱动装置、封头、卡箍组成。清洗釜在清洗工件时，需要打开清洗釜的平盖封头加料和出料，进行间歇生产。

为了提高生产效率，清洗釜平盖封头须设计成快开式结构，采用卡箍快开结构，如图 l所示。

1.磁力驱动装置 2.进 口管 3.简体 4.清洗腔 5.料框 6.内夹套7.0型密封圈 8.卡箍 9.平盖封头 10.超声波换能器 l1.压力表12.温度表 13.出口管图 1清洗设备结构示意图Fig.1 Structure chart of the cleaning equipment磁力驱动装置用于旋转料框，进而带动零件旋转，全面充分接触超临界 CO：。溶解并旋转分离污物，同时利用污物自身重力来清除污物，不使用内置电机，减少装置的危险性，增加清洗空间；超声波换能器用于转换能量产生声波振荡，强化超临界 CO 的清洗效果，振荡清洗零件表面和微孔及狭缝的污物，提高清洗效率。

清洗釜主要用于清洗带有微孔及狭缝的精密机械零部件，采用的清洗介质为超临界CO：，这就要求清洗釜内必须处于高压状态，也就决定了清洗釜体积不会太大，因此要求料筐结构能够增加清洗零部件的数量，充分利用剩余空间，又考虑到工艺需求，料筐在清洗时要旋转起来，以增加清洗效果。如图2所示的料框结构示意图，本料筐为圆柱型结构，中间隔板采用可移动式来满足不同尺寸不同形状零件的夹持，利用可拆取隔板将料筐划分为不同部分，使用可伸缩式的夹具进行固定。

可使零件不被刮擦，变换隔板以及夹具的使用，对不同的精密零部件进行固定清洗。为了增加清洗数量，通过料框上的卡槽和卡扣将不同的料框相互连接，串联料框，料框底部通过-底盘连接磁力驱动电机轴，以此可完成料框的旋转。

图2料框结构示意图Fig：2 Structure chart of the material framework2.1.2内夹套结构内夹套为清洗釜中重要的结构，其主要是考虑到减小料筐进出清洗釜的料筐阻力和料筐旋转的平稳性，并保护超声波换能器和二氧化碳喷嘴。如图3内夹套示意图所示，内夹套开有4个矩形贯穿槽，喷嘴管槽安装喷嘴，喷嘴喷射超临界CO。，既提供清洗介质，又能冲击清洗零件；泄污槽l6为废屑14.喷嘴管槽 15.链珠槽 16.泄污槽。

图3内夹套示意图Fig.3 Structure chart of the intemal jacket农业装备与车辆工程 2OI3年废渣流出口，使清洗下的污物能方便快速流出 对称的开槽安装超声波换能器，产生超声波；夹套中还设计对称分布的4个链珠槽 l5，以便于安装链珠，既支撑料框重量，又能利于料框的旋转。

2.1.3链珠结构图4为链珠结构。链珠由保持架和滚珠组成，保持架为直线型。对称分布链珠可以抵消料框运动时产生的冲击力，又可以对料筐起到支撑作用，并且可使料筐稳定地旋转和减小料筐进出时的阻力.对磁力驱动电机轴同样有保护作用，不会使其产生强度和刚度的问题。

图4链珠结构示意图Fig.4 Structure chart of the chain2.2 清洗设备使用过程此清洗釜的清洗过程为：根据需要清洗精密零部件的大小尺寸和形状，将不同的零件分别装夹到料框5中.通过链珠槽 15的滚珠推人到内夹套6中，使料框 5通过底盘与磁力驱动装置 1相连接.将封头9通过卡箍 8密封筒体 3，并用O型密封圈7密封，此时c0 从储存罐中经过加压、加热装置，压力达到7.4 MPa以上，温度达到32℃以上，此时形成超临界CO ，经进El管2进入喷嘴管槽 14中，通过喷嘴喷出，料框 5随着磁力驱动装置 1旋转，同时打开超声波换能器 10，通过超临界CO 产生声波振荡，再打开出口管 13，使含有污物的超临界CO 直接经过出口管 13流出，经出口管 13后污物和超临界CO：分离，超临界CO：循环利用，清洗到达时间后，关闭进口管 2，通过出口管 13进行泄压，压力表 11显示为零后，打开封头9，取出料框，卸下零件，如上所述便完成了对精密零部件的清洗。

3 结论与展望本超声波辅助超临界 C02清洗精密零部件设备的主要特点为：主要用于有效清洗精密零部件的微孑L、狭缝及高深径比的结构；串联料框能够充分利用清洗空间，合理分配清洗空间，增加清洗数量，提高清洗效率；利用超声波空化和振荡作用以及磁力驱动旋转搅拌作用，改善清洗效果；链珠的使用极大改善了料框的支撑和旋转问题，保证了清洗时的稳定性；以超临界C02为清洗介质。避免了水资源的浪费和环境污染，CO：可实现回收循环利用，降低经济成本，提高经济效益；超临界C02彻底解决了表面张力的问题，是理想的清洗介质。

现有的传统清洗技术和设备已经不能满足精密零部件的清洗问题.难以有效清洗零件中的高深径比、微孔及狭缝的结构，并且清洗介质的使用不当和化学添加剂使用会造成环境污染和水资源浪费，超临界CO：则克服了上述缺点，它具有表面张力孝快速移动能力，高溶解性、强扩散性、不添加化学试剂、循环利用和易回收的特性，超声波辅助清洗更加提高了清洗效果。因此超声波辅助超临界CO 清洗精密零部件设备具有良好的发展空间和应用前景。