樊少忠,許維超,權(quán)琳琳
(西安航天發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司,陜西 西安 710100)
化學(xué)銑切是通過化學(xué)溶液腐蝕工件預(yù)先確定的部位,獲得所需要的加工尺寸和工藝精度,是一種無刀具、無切屑、無應(yīng)力的特種加工工藝,在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。
常規(guī)運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)身部液流通道是由燃燒室內(nèi)壁化學(xué)銑切后與外壁貼合釬焊而成,化銑槽的大小、形狀及表面狀態(tài)決定了液流的沿程摩擦壓降和局部形阻壓降,對(duì)整個(gè)液流壓降有著重要影響。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),燃燒室內(nèi)壁化銑后同一產(chǎn)品不同部位化銑槽深尺寸散差較大,且不同批次產(chǎn)品銑切后槽深尺寸散差波動(dòng)較大。這種零件化銑后槽深尺寸的不均勻及不穩(wěn)定現(xiàn)象對(duì)游機(jī)身部液流壓降的穩(wěn)定性具有一定的影響。因此,有必要開展游機(jī)燃燒室內(nèi)壁零件化學(xué)銑切工藝優(yōu)化研究,以穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量。
游機(jī)燃燒室內(nèi)壁零件包括噴管內(nèi)壁、中段內(nèi)壁、短噴管內(nèi)壁,3種零件材料均為1Cr18Ni9Ti,且均為錐筒型噴管類結(jié)構(gòu),其中噴管內(nèi)壁尺寸最大,銑切復(fù)雜程度最高。本文重點(diǎn)以噴管內(nèi)壁為例(見圖1),開展試驗(yàn)研究。
圖1 噴管內(nèi)壁Fig.1 Nozzle inner wall
本試驗(yàn)以噴管內(nèi)壁為試驗(yàn)件,材料主要化學(xué)成分如表1所示。
表1 主要化學(xué)成分
研究試驗(yàn)按以下流程進(jìn)行:吹砂→清洗→自然晾干→涂保護(hù)層→固化→刻型→修補(bǔ)→裝掛→活化→腐蝕加工→冷水洗→測(cè)量尺寸→卸掛→去保護(hù)層。加工完成后,采用游標(biāo)卡尺對(duì)產(chǎn)品尺寸進(jìn)行測(cè)量對(duì)比,并跟蹤身部液流試驗(yàn)。
噴管內(nèi)壁化學(xué)銑切過程采用轉(zhuǎn)動(dòng)裝置,每次生產(chǎn)時(shí)將2件產(chǎn)品按照對(duì)稱方式裝掛(見圖2),然后浸入化學(xué)銑切溶液中。在化學(xué)銑切過程中,轉(zhuǎn)動(dòng)裝置帶動(dòng)產(chǎn)品繞中軸勻速旋轉(zhuǎn),為保證銑切均勻,定時(shí)更換旋轉(zhuǎn)方向。
圖2 噴管內(nèi)壁裝掛及轉(zhuǎn)動(dòng)示意圖Fig.2 Diagram of mounting and rotating for nozzle inner wall
由于噴管內(nèi)壁為錐型結(jié)構(gòu),兩端尺寸差異較大(50~250 mm漸變),且銑槽呈3段分布,各段分別有24、48、96條凹槽,如圖3所示。為真實(shí)反應(yīng)產(chǎn)品銑切尺寸,采用規(guī)格0~125 mm,精度為0.01 mm的游標(biāo)卡尺,測(cè)量化學(xué)銑切后A、B、C、D4個(gè)部位銑槽深度(見圖3),每個(gè)部位沿周向均勻測(cè)量8個(gè)點(diǎn)。
圖3 噴管內(nèi)壁測(cè)量部位及槽深數(shù)據(jù)分布Fig.3 Data distribution of measuring position and groove depth of nozzle inner wall
從圖3和表2可以看出,噴管內(nèi)壁化銑槽深度尺寸介于1.26~1.77mm,雖然能滿足圖紙1.2~1.8 mm要求,但產(chǎn)品整體槽深度尺寸均勻性較差,其中A、B部位槽深尺寸偏差高達(dá)0.51 mm。在產(chǎn)品實(shí)際生產(chǎn)過程中,多次出現(xiàn)A部位銑切后槽深度尺寸已接近圖紙要求上限,而B部位槽深尺寸尚未達(dá)到圖紙要求下限的情況,只能采取局部機(jī)械打磨方式保證B部位槽深尺寸滿足圖紙要求。
表2 噴管內(nèi)壁各部位銑槽深度
因產(chǎn)品是整體入槽進(jìn)行化學(xué)銑切,所以各部位銑切時(shí)間相同,但最終銑切深度不同,說明化銑過程中各部位的銑切速率(銑切速率是指單位時(shí)間的銑切深度)不同。由表2數(shù)據(jù)得出,A部位與其他部位銑切后槽深尺寸偏差最大,所以解決噴管內(nèi)壁銑切后槽深尺寸均勻性問題,首要任務(wù)就是降低A部位銑切深度,減小各部位銑切速率差異。
噴管內(nèi)壁是選擇性銑切,先整體刷膠保護(hù),然后刻型剝掉化銑部位的保護(hù)膠(見圖4)。
圖4 噴管內(nèi)壁刷膠刻型完?duì)顟B(tài)Fig.4 Brushed coating and carved type of nozzle inner wall
再依靠化學(xué)溶液對(duì)化銑部位進(jìn)行腐蝕溶解,最終形成凹槽。從圖4可以看出,因結(jié)構(gòu)原因噴管內(nèi)壁不同部位凹槽寬度有所不同,具體數(shù)據(jù)如表3所示。
表3 噴管內(nèi)壁刻型槽寬及對(duì)應(yīng)銑切速率
從表3數(shù)據(jù)看出,刻型槽寬越大,對(duì)應(yīng)銑切速率越快。因?yàn)椴蹖捲酱?,局部銑切量越大,反?yīng)放熱越多。
Δt
=Q
/c
·m
(1)
式中:Q
代表反應(yīng)放出熱量;c
為溶液比熱容;m
為溶液質(zhì)量;Δt
為局部溫度變化。由式(1)得出,槽寬越大,反應(yīng)放熱Q
越多,則局部溶液溫度Δt
值越大,導(dǎo)致局部溫度越高,提高了附近反應(yīng)活化分子數(shù)量,從而加快反應(yīng)速率。產(chǎn)品在化銑過程中以25圈/min轉(zhuǎn)速繞中軸自轉(zhuǎn)(見圖2),目的是保證產(chǎn)品周圍溶液溫度、溶液成分均勻分布,加快溶液與腐蝕產(chǎn)物的擴(kuò)散速率,消除滯留在產(chǎn)品表面的腐蝕產(chǎn)物和反應(yīng)生成的氣泡,使產(chǎn)品能夠均勻銑切。
線速度指產(chǎn)品各部位做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)的及時(shí)速度,用來衡量圓周運(yùn)動(dòng)的快慢。線速度越大,說明該部位與溶液相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度越快,溶液交換頻率越快;反之線速度越小,溶液交換頻率越慢。產(chǎn)品各部位轉(zhuǎn)速相同,但因結(jié)構(gòu)原因,導(dǎo)致不同部位線速度不同,具體如表4所示。
表4 噴管內(nèi)壁不同部位線速度
從表4中數(shù)據(jù)可知,產(chǎn)品A部位線速度最小,溶液交換頻率最低,但銑切過程中放熱卻最多,無法及時(shí)消除熱量聚集問題,所以自轉(zhuǎn)不能減小A部位銑切速率。
此外,對(duì)化銑過程中溶液溫度分布進(jìn)行監(jiān)測(cè),在產(chǎn)品A部位沿遠(yuǎn)離產(chǎn)品方向分4個(gè)不同位置進(jìn)行了測(cè)量,具體結(jié)果見如5及圖5所示。
圖5 噴管內(nèi)壁化銑不同時(shí)間溶液溫度分布圖Fig.5 solution temperature distribution of nozzle inner wall at different time
表5 噴管內(nèi)壁化銑過程溶液溫度分布情況
從圖5數(shù)據(jù)得出,在銑切過程中產(chǎn)品周圍存在溶液溫度分布不均情況,離產(chǎn)品越近,溫度較高,離產(chǎn)品越遠(yuǎn),溫度較低。說明產(chǎn)品自轉(zhuǎn)所起的溶液攪拌作用較小,溶液交換不充分,無法將反應(yīng)放出的熱量及時(shí)傳遞,導(dǎo)致產(chǎn)品局部溫度過高,槽液整體溫度偏差較大,不利于精確控制槽液溫度。
若進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)速,溶液溫度分布不均情況會(huì)有所改善,但仍無法減小各部位線速度引起的溫度差異。隨著轉(zhuǎn)速越快,溶液對(duì)產(chǎn)品表面保護(hù)膠的沖擊越大,易使保護(hù)膠脫落而造成產(chǎn)品漏蝕。所以僅靠產(chǎn)品自轉(zhuǎn)不能使溶液充分交換,也無法減小各部位銑切速率差異。
噴管內(nèi)壁化銑過程中自轉(zhuǎn)必不可少,自轉(zhuǎn)能保證產(chǎn)品局部銑切均勻性及平整性,但僅依靠自轉(zhuǎn)不能實(shí)現(xiàn)溶液充分交換,無法消除溫度分布不均及銑切速率差異問題。為徹底解決這一問題,擬通過攪拌來改善溶液交換效果,常用攪拌方式有兩種:一是氣流攪拌,另一種是機(jī)械攪拌。
2.4.1 氣流攪拌對(duì)產(chǎn)品銑切均勻性影響研究
氣流攪拌是在槽底通壓縮空氣對(duì)溶液進(jìn)行攪拌,通過調(diào)節(jié)氣流量來控制攪拌效果,操作簡(jiǎn)單。如圖6所示,氣流攪拌后產(chǎn)品A部位沿遠(yuǎn)離產(chǎn)品方向4個(gè)不同位置溶液溫度整體趨于均勻一致,說明氣流攪拌提高了溶液溫度的可控性。
圖6 噴管內(nèi)壁化銑不同時(shí)間溶液溫度分布圖Fig.6 Solution temperature distribution of nozzle inner wall at different time
結(jié)合表2和表6結(jié)果可知,產(chǎn)品各部位銑切速率散差由10 μm/min降低至6 μm/min,槽深尺寸散差由0.51 mm降低至0.32 mm;由此說明,氣流攪拌能有效改善溶液交換,提高了產(chǎn)品銑切均勻性。
表6 噴管內(nèi)壁各部位銑槽深度
氣流攪拌在提高銑切均勻性的同時(shí),也帶來新的問題。產(chǎn)品凹槽表面出現(xiàn)不規(guī)則無規(guī)律的氣流狀缺陷,導(dǎo)致槽底不平整,嚴(yán)重影響了裝配后燃燒室身部液流的沿程摩擦壓降。此外,化銑溶液工作溫度通常在50℃以上,氣流攪拌使溶液劇烈波動(dòng),從而使溶液中的酸揮發(fā)較大,嚴(yán)重污染廠房環(huán)境。
綜上所述,氣流攪拌能提高化學(xué)銑切均勻性,但對(duì)產(chǎn)品銑切質(zhì)量及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境產(chǎn)生不良影響。
2.4.2 機(jī)械攪拌對(duì)產(chǎn)品銑切均勻性影響研究
相對(duì)于氣流攪拌,機(jī)械攪拌散熱效果較好、攪拌強(qiáng)度及攪拌方向可以自由控制,且不會(huì)帶出大量酸霧。但針對(duì)噴管內(nèi)壁等錐型結(jié)構(gòu)零件,常規(guī)機(jī)械攪拌無法保證各個(gè)方向上的均勻性。如圖7所示,攪拌太小時(shí),距攪拌器遠(yuǎn)的部位攪拌效果不好;攪拌太大時(shí),易形成漩渦,對(duì)離攪拌器較近的位置沖擊較大,銑切表面會(huì)出現(xiàn)流痕缺陷,導(dǎo)致凹槽表面不平整,極端情況下,產(chǎn)品受攪拌沖擊晃動(dòng)會(huì)與攪拌器發(fā)生碰撞。
圖7 噴管內(nèi)壁常規(guī)機(jī)械攪拌示意圖Fig.7 Schematic diagram of conventional mechanical stirring of nozzle inner wall
為了保證與產(chǎn)品接觸各部位溶液充分交換,結(jié)合產(chǎn)品特點(diǎn)研究分析,在原有裝置基礎(chǔ)上通過改進(jìn)升級(jí),設(shè)計(jì)了一種新型轉(zhuǎn)動(dòng)裝置(見圖8)。新裝置在化銑過程中,保證產(chǎn)品繞a軸自轉(zhuǎn)同時(shí),增加產(chǎn)品繞b軸公轉(zhuǎn)功能。該裝置不僅在公轉(zhuǎn)時(shí)起到攪拌溶液的作用,同時(shí)每槽可裝掛6件產(chǎn)品(兩側(cè)各對(duì)稱裝掛3件),大幅提升了產(chǎn)品加工能力。
圖8 新型旋轉(zhuǎn)裝置示意圖Fig.8 Schematic diagram of new rotating device
在保證產(chǎn)品自轉(zhuǎn)25圈/min不變條件下,分別匹配公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速0圈/min、5圈/min、10圈/min、15圈/min、20圈/min、25圈/min,進(jìn)行銑切試驗(yàn),結(jié)果如表7所示。
表7 不同公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速下產(chǎn)品化學(xué)銑切數(shù)據(jù)
如表7和圖9所示,隨公轉(zhuǎn)速度遞增,槽深尺寸散差逐漸減小,化銑均勻性逐漸提高。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到15圈/min時(shí),槽深尺寸散差變?yōu)?.23 mm,速率散差變?yōu)?.6 μm/min,繼續(xù)增大轉(zhuǎn)速,槽深尺寸散差和速率散差無明顯變化。這是因?yàn)楫a(chǎn)品公轉(zhuǎn)起到機(jī)械攪拌作用,轉(zhuǎn)速越大,攪拌作用越強(qiáng),溶液交換越充分,不同部位銑切速率差異減小,銑切均勻性提高。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到15圈/min時(shí),銑切均勻性較好,繼續(xù)增大轉(zhuǎn)速,攪拌作用加強(qiáng),但銑切均勻性無明顯改變,說明轉(zhuǎn)速達(dá)到15圈/min時(shí)已能夠保證溶液充分交換,進(jìn)一步增加轉(zhuǎn)速意義不大,反而增加溶液對(duì)產(chǎn)品表面保護(hù)膠的沖擊,增大漏蝕風(fēng)險(xiǎn)。此外,在公轉(zhuǎn)作用下,產(chǎn)品周圍溶液溫度分布更加均勻穩(wěn)定,說明該方法能提高溶液溫度可控性。
圖9 不同公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速下產(chǎn)品銑切尺寸散差分布圖Fig.9 Dispersion distribution of products milling dimensions at different revolution speeds
利用新型轉(zhuǎn)動(dòng)裝置,采用自轉(zhuǎn)25圈/min、公轉(zhuǎn)15圈/min組合旋轉(zhuǎn)方式,可將噴管內(nèi)壁的銑切速率散差由10 μm/min減小至4.6 μm/min,槽深尺寸散差由0.51 mm減小至0.23 mm,大幅提高了銑切均勻性。同時(shí)該裝置對(duì)中段內(nèi)壁、短噴管內(nèi)壁銑切均勻性也有了很大改善,速率散差均控制在≯5 μm/min,槽深尺寸散差均控制在≯0.3 mm。
a
/銑切深度b
,如圖10所示。圖10 化學(xué)銑切示意圖Fig.10 Schematic diagram of chemical milling
現(xiàn)有化學(xué)銑切工藝已經(jīng)摸清了各主體成分與銑切速率、浸蝕比的對(duì)應(yīng)關(guān)系,建立了完善的溶液分析、調(diào)整的具體方案。但在長(zhǎng)期生產(chǎn)過程中,即使將溶液主成分和銑切參數(shù)控制在相同水平,不同批次產(chǎn)品銑切結(jié)果仍然差異很大。在化學(xué)銑切過程中,除溶液主體成分會(huì)影響銑切速率與浸蝕比外,溶液中的雜質(zhì)金屬離子對(duì)銑切速率與浸蝕比也會(huì)產(chǎn)生一定影響。因此,研究雜質(zhì)離子對(duì)化學(xué)銑切穩(wěn)定性影響有著重要意義。
不銹鋼化學(xué)銑切溶液的主成分及含量如表8所示。
表8 溶液的主成分及含量
1Cr18Ni9Ti不銹鋼材料的主要金屬成分為Fe、Cr、Ni,因Fe作為化銑溶液的主要成分,所以Cr、Ni離子為雜質(zhì)金屬離子。Cr和Ni共占該材料質(zhì)量百分比的30%左右,即溶解1 Kg金屬,有300 g雜質(zhì)金屬離子進(jìn)入溶液。為真實(shí)模擬槽液狀態(tài),將1Cr18Ni9Ti材料按比例溶于銑切溶液中,配制出含0、10、20、30、40、50 g/L雜質(zhì)金屬離子的化學(xué)銑切溶液,并保證溶液主成分含量一致,進(jìn)行化學(xué)銑切試驗(yàn)。
從圖11可知,隨著溶液中雜質(zhì)金屬離子含量不斷增大,開始時(shí)銑切速率無明顯變化,當(dāng)溶液中雜質(zhì)金屬離子含量超過30 g/L時(shí),溶液銑切速率大幅降低。從反應(yīng)動(dòng)力學(xué)分析,反應(yīng)物濃度不變,生成物濃度增加,正向反應(yīng)速率降低,導(dǎo)致銑切速率降低。此外,由于雜質(zhì)金屬離子濃度不斷增加,溶液粘滯性變大,與產(chǎn)品表面接觸的均勻性變差,溶液循環(huán)受阻,反應(yīng)生成的Ni、Cr很難擴(kuò)散離開金屬表面,同時(shí)溶液中Fe、H又很難擴(kuò)散到金屬表面,阻礙了反應(yīng)正常進(jìn)行,導(dǎo)致化學(xué)銑切速率降低。
圖11 銑切速率與雜質(zhì)金屬離子含量關(guān)系Fig.11 Relationship between chemical milling rate and metal impurities content
如圖12所示,隨著金屬離子含量遞增,開始時(shí)浸蝕比無明顯變化,當(dāng)溶液中雜質(zhì)金屬離子含量超過30 g/L時(shí),浸蝕比逐漸增大。這是因?yàn)殡S著雜質(zhì)金屬離子含量增加,當(dāng)溶液粘滯性變大,同時(shí)銑切深度越大時(shí),槽底溶液交換越困難,導(dǎo)致凹槽深度方向銑切速率減小,而凹槽橫向銑切速率受影響卻較小,致使浸蝕比逐漸增大。浸蝕比越大,凹槽寬度越大,深度越??;反之凹槽寬度越窄,深度越大。由此可見,浸蝕比直接決定凹槽結(jié)構(gòu)及其尺寸,對(duì)產(chǎn)品銑切穩(wěn)定性也有著重要影響。
圖12 浸蝕比與雜質(zhì)金屬離子含量關(guān)系Fig.12 Relationship between etching ratio and metal impurities content
從以上討論可知,雜質(zhì)金屬離子濃度控制在≯30 g/L時(shí),產(chǎn)品銑切速率及浸蝕比穩(wěn)定性較好。
日常生產(chǎn)中,采用化學(xué)方法逐一分析槽液中雜質(zhì)金屬離子含量時(shí),由于槽液中離子成分復(fù)雜,各種離子的相互干擾對(duì)分析結(jié)果影響較大。為提高溶液分析可靠性,擬通過統(tǒng)計(jì)產(chǎn)品的銑切溶解量,來計(jì)算槽液中的雜質(zhì)金屬離子含量,以此輔助化學(xué)分析方法,監(jiān)測(cè)溶液質(zhì)量。
槽液中金屬離子的極限濃度為30 g/L,槽液有效體積為1 500 L,得出槽液中雜質(zhì)金屬離子容忍量為45 kg。表9統(tǒng)計(jì)了燃燒室內(nèi)壁零件化學(xué)銑切前后產(chǎn)品的重量,以及雜質(zhì)金屬的溶解量。
表9 游機(jī)燃燒室內(nèi)壁零件雜質(zhì)金屬溶解量統(tǒng)計(jì)
由此得出雜質(zhì)金屬離子含量與產(chǎn)品銑切數(shù)量的對(duì)應(yīng)關(guān)系:
40x
+10y
+7z
≤4500(2)
式中x
、y
、z
分別代表噴管內(nèi)壁、中段內(nèi)壁、短噴管內(nèi)壁的銑切加工數(shù)量。由式(2)可知,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)燃燒室內(nèi)壁零件銑切的數(shù)量,可以實(shí)時(shí)計(jì)算出槽液中雜質(zhì)金屬離子含量。當(dāng)槽液中雜質(zhì)金屬離子含量遠(yuǎn)低于極限值時(shí),無需對(duì)雜質(zhì)金屬離子含量進(jìn)行化驗(yàn)分析,可正常進(jìn)行產(chǎn)品化學(xué)銑切;當(dāng)槽液中雜質(zhì)金屬離子含量接近或達(dá)到極限值時(shí),須對(duì)槽液進(jìn)行雜質(zhì)金屬離子含量化驗(yàn)分析。該措施不僅能有效監(jiān)測(cè)槽液中雜質(zhì)金屬離子含量,而且輔助提高了化學(xué)分析結(jié)果準(zhǔn)確性,保證了產(chǎn)品化學(xué)銑切的穩(wěn)定性。
為驗(yàn)證措施有效性,統(tǒng)計(jì)了10件噴管內(nèi)壁零件銑切后A、B、C、D部位尺寸,其槽深尺寸散差均≯0.3 mm(見表10),保證了銑切質(zhì)量均勻性及穩(wěn)定性。
表10 噴管內(nèi)壁銑切后槽深尺寸及散差
通過開展噴管內(nèi)壁化學(xué)銑切工藝優(yōu)化研究,提高了產(chǎn)品銑切質(zhì)量,同時(shí)獲得以下結(jié)論:
1)錐型筒狀噴管類零件在轉(zhuǎn)動(dòng)銑切過程中,存在溶液交換不均勻、不充分問題,不能有效減小不同部位銑切速率差異,導(dǎo)致產(chǎn)品銑切的槽深尺寸散差大、不均勻。
2)在該類型零件化學(xué)銑切過程中,設(shè)計(jì)出的新型銑切轉(zhuǎn)動(dòng)裝置,解決了溶液交換不充分問題,提高了錐型筒狀噴管類零件化學(xué)銑切的均勻性,也提高了加工能力。
3)隨著槽液中雜質(zhì)金屬離子含量不斷增大,對(duì)產(chǎn)品銑切速率及浸蝕比產(chǎn)生了不良影響,為此,確定了不銹鋼化學(xué)銑切槽液中雜質(zhì)金屬離子極限濃度為30 g/L??梢源穗S時(shí)建立1Cr18Ni9Ti材料零件化學(xué)銑切過程中雜質(zhì)金屬離子含量與零件數(shù)量的對(duì)應(yīng)關(guān)系,以此監(jiān)測(cè)槽液質(zhì)量,保證化學(xué)銑切質(zhì)量穩(wěn)定性。