航天產(chǎn)品綠色清洗工藝技術(shù)應(yīng)用實踐研究

朱 劍，聶 蕾，宋振坤，高春鋒，桂 林

（北京精密機電控制設(shè)備研究所，北京 100076）

0 引言

由于航天產(chǎn)業(yè)的特殊性，航天產(chǎn)品普遍存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸精度高、質(zhì)量可靠性要求高等特點，為滿足航天產(chǎn)品潔凈度要求，過去航天企業(yè)普遍采用高標(biāo)汽油作為清洗劑。汽油雖然對有機類污垢具有較強的清洗效果，但閃點較低，清洗現(xiàn)場不僅存在重大安全隱患，且對環(huán)境和操作者健康都有一定危害性。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，航空航天領(lǐng)域也開始大力提倡綠色制造技術(shù)的創(chuàng)新與應(yīng)用，在有效保證產(chǎn)品質(zhì)量的基礎(chǔ)上，尋求新方法減少污染，從而實現(xiàn)技術(shù)發(fā)展與保護環(huán)境的雙贏局面，因此能夠生產(chǎn)更加潔凈、高質(zhì)量的零件也成為一種重要的國防競爭優(yōu)勢［1］。

近年來，綠色清洗技術(shù)的研究主要集中在新型清洗劑的研制、特種清洗技術(shù)研究、清洗設(shè)備研制等方面。這些新技術(shù)在應(yīng)用于特殊產(chǎn)品時，仍需要開展進一步的應(yīng)用研究。如陳翊坤［2］針對航空發(fā)動機零件修理中表面清洗的工藝需求，研究了油濾和燃油噴嘴的光纖脈沖激光清洗過程；劉金豆［3］針對航空飛機外表面油污及發(fā)動機積碳等問題開展清洗工藝研究；赫亮［4］對航空發(fā)動機低渦軸零件超聲波清洗技術(shù)及專用設(shè)備進行了研究。

航天產(chǎn)品生產(chǎn)過程涉及大量清洗操作，絕大部分零件必須清洗后才能進一步加工、裝配或存儲，若清洗質(zhì)量不能滿足要求，則會影響產(chǎn)品的質(zhì)量、功能和使用壽命，因此有必要針對航天產(chǎn)品特點開展可替代汽油清洗的綠色清洗工藝研究。

1 綠色清洗工藝發(fā)展現(xiàn)狀

為保護自然環(huán)境，清洗技術(shù)的環(huán)境無害化逐漸得到社會關(guān)注，清洗技術(shù)正在向環(huán)保型、功能型、精細化、集成化方向發(fā)展［5］。就具體實現(xiàn)途徑，綠色清洗技術(shù)發(fā)展方向主要集中在兩個方面，一是物理清洗方法的不斷創(chuàng)新，如水射流清洗技術(shù)、過熱蒸汽清洗技術(shù)、干冰清洗技術(shù)、激光清洗技術(shù)、等離子清洗技術(shù)等［6］；二是高效且對環(huán)境友好的綠色清洗劑的研發(fā)，如合成具有生物降解能力和酶催化作用的化學(xué)清洗劑、弱酸性或中性的有機化合物取代強酸強堿、直鏈型有機化合物和植物提取物將取代芳香基化合物等。

物理清洗是利用力、熱、聲、光、電、射線等物理作用去除污垢，因此物理清洗的環(huán)保性更好；但物理清洗高度依賴設(shè)備，且對清洗對象、清洗條件都有一定要求，因此目前很多物理清洗技術(shù)應(yīng)用具有局限性。化學(xué)清洗是利用化學(xué)藥劑溶解并去除污垢，相對而言化學(xué)清洗的普遍適應(yīng)性更好，綠色化學(xué)清洗劑的研發(fā)與應(yīng)用逐漸成為主流。很多生產(chǎn)企業(yè)采用了物理清洗與化學(xué)清洗相結(jié)合的方式，以便獲得更好的清洗效果。

普及較廣的綠色化學(xué)清洗劑有兩類：碳氫類溶劑型清洗劑和水溶性清洗劑，兩種清洗劑性能比較如表1 所示。

表1 兩類清洗劑綜合性能比較

2 航天產(chǎn)品清洗工藝特點

在工業(yè)清洗領(lǐng)域，清洗工藝的選擇一般與產(chǎn)品材料及結(jié)構(gòu)、污染物類型和程度、潔凈度要求、生產(chǎn)周期及產(chǎn)量等多方面因素有關(guān)。航天產(chǎn)品清洗工藝一般具有以下特點。

（1）大部分航天產(chǎn)品以金屬零件為主，非金屬零件為輔，材料種類多樣；很多零部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具有交叉孔系、盲孔、微小孔或不規(guī)則內(nèi)腔等特殊結(jié)構(gòu)，清洗困難；產(chǎn)品制造過程涉及各類工藝，除常規(guī)車、銑、磨、研、電等加工，還涉及熱表處理、電解加工、焊接、激光等特種加工工藝。

（2）航天產(chǎn)品工藝流程復(fù)雜，從最初的零件材料加工到最后的整機裝配、測試，各工序都有不同標(biāo)準(zhǔn)的清洗要求。一般機械加工階段除少量特殊工序（如熱處理、表面處理等）外產(chǎn)品潔凈度要求不高，清洗對象主要為冷卻油、乳化液、切削、研磨膏及毛刺等；但裝配前的清洗，通常要求嚴(yán)格，否則殘留的多余物可能引起產(chǎn)品性能失效，清洗對象主要為防銹油及殘渣、灰塵等微粒。

（3）航天企業(yè)一般具有多品種、小批量的生產(chǎn)特點，且產(chǎn)品更新較快。過去由于航天產(chǎn)品產(chǎn)量較低，清洗工藝以浸泡、刷洗等手工操作為主；近年隨著航天產(chǎn)品需求及產(chǎn)量的不斷提升，一些企業(yè)逐漸引進超聲波清洗、噴淋清洗、激光清洗、蒸汽清洗等設(shè)備。

基于上述特點，大部分航天企業(yè)的產(chǎn)品清洗仍以化學(xué)清洗為主，物理清洗為輔；即使很多企業(yè)已開始逐步引進清洗設(shè)備，但手工清洗仍無法被全部取代。

3 航天伺服產(chǎn)品綠色清洗工藝應(yīng)用研究

航天伺服機構(gòu)是典型的具有航天產(chǎn)品特色的高精度控制系統(tǒng)，對多余物非常敏感，因此產(chǎn)品清潔度要求較高；伺服機構(gòu)的生產(chǎn)組織模式也具有小批量、多品種的特點。過去伺服機構(gòu)清洗工藝以浸泡、刷洗等手工操作為主，少量工序采用了以煤油為介質(zhì)的超聲波清洗，為踐行企業(yè)綠色經(jīng)營理念，提升本質(zhì)安全，決定開展綠色清洗工藝替代汽油清洗與煤油清洗。

3.1 綠色清洗工藝選型及論證

3.1.1 清洗方法及清洗介質(zhì)的選擇及評價

根據(jù)伺服產(chǎn)品特點及生產(chǎn)現(xiàn)狀，綜合評價、分析當(dāng)前主流綠色清洗工藝適應(yīng)性，如表2 所示。

表2 清洗方法選擇評價

綜上，因伺服產(chǎn)品生產(chǎn)批量小、品種多、產(chǎn)品更新快，優(yōu)先選用碳氫類溶劑型清洗劑，更適應(yīng)當(dāng)前研究所手工清洗與超聲波清洗為主的工藝現(xiàn)狀，后續(xù)當(dāng)產(chǎn)品批量持續(xù)增長時，可考慮引入噴淋等其他清洗方法。

3.1.2 清洗工藝應(yīng)用論證

經(jīng)分析，碳氫類溶劑型清洗劑最適合航天產(chǎn)品清洗生產(chǎn)現(xiàn)狀，但由于不同廠家、不同型號的溶劑型清洗劑在物理性能方面也存在一定差別，能否滿足伺服產(chǎn)品具體質(zhì)量要求需進一步論證。為此，特設(shè)計普遍適應(yīng)性鑒定試驗和專項鑒定試驗兩部分。

（1）普遍適應(yīng)性鑒定試驗：目的是對清洗劑的基本性能進行比較，及對伺服產(chǎn)品常見結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)條件的普遍適應(yīng)性進行驗證及評價，在此基礎(chǔ)上篩選出適合的清洗劑型號，并進一步開展專項試驗。

基本面鑒定試驗將汽油作為對比基線，由表3 所示的試驗結(jié)果可看出，MANCLEAN 65L、SK－410、SK－410D 三種清洗劑在防銹性方面優(yōu)于汽油，在揮發(fā)性方面較汽油略差，對伺服產(chǎn)品普遍適應(yīng)性與汽油相當(dāng)，能夠滿足伺服產(chǎn)品復(fù)雜內(nèi)腔、深孔等特殊結(jié)構(gòu)的清洗要求。

表3 清洗劑普遍適應(yīng)性試驗項目表

（2）專項鑒定試驗：目的是針對產(chǎn)品制造工藝特點，驗證清洗劑能否滿足伺服產(chǎn)品特殊工藝及特殊材料的清洗要求，如清洗劑對密封圈密封性能影響的驗證，對熱、表處理性能影響的驗證等。專項試驗項目明細如表4 所示。

表4 專項試驗項目表

按照上述方案，試驗情況如表5 所示。

表5 專項試驗結(jié)果

經(jīng)試驗論證，最終選定的2 種清洗劑能夠滿足航天伺服產(chǎn)品金屬類零件各種工況下的清洗要求，能夠滿足丁腈橡膠和氟橡膠材質(zhì)的產(chǎn)品潔凈度及質(zhì)量要求，可以替代原汽油清洗工藝。

3.2 優(yōu)化工藝流程，實現(xiàn)降本增效

雖然碳氫類溶劑型清洗劑較汽油安全、環(huán)保性更好，但購置成本卻是汽油的3～5 倍，為控制因清洗劑應(yīng)用帶來的清洗成本增長，可通過管理創(chuàng)新，優(yōu)化產(chǎn)品清洗工藝流程，從減少使用量及人工成本等其他方面降低清洗成本。

過去航天產(chǎn)品生產(chǎn)過程中基本每道工序都包含清洗操作，不僅費時費力，而且清洗劑消耗量較大。按圖1 所示進行清洗工藝流程優(yōu)化，取消工序內(nèi)清洗操作，而在一些重要生產(chǎn)節(jié)點后增設(shè)獨立清洗工序。機加過程工序內(nèi)的零件清洗，可借助乳化液的清潔性能，或采用蒸汽清洗的方法，去除零件表面大部分污垢。增設(shè)的清洗工序使用清洗劑，并充分利用超聲波清洗設(shè)備，對于部分潔凈度要求較高的零件或易殘留多余物的部位再補充人工清洗。經(jīng)統(tǒng)計，改進后的工藝流程使得清洗劑的年使用量較汽油降低13%，如表6所示，可看出清洗工時較過去明顯減少，尤其當(dāng)產(chǎn)品批量較大時更有利于提高生產(chǎn)效率、降低人工成本。

圖1 清洗工藝流程優(yōu)化

表6 兩種工藝方法清洗工時統(tǒng)計

4 結(jié)束語

清洗工藝是保證航天產(chǎn)品質(zhì)量及性能的重要環(huán)節(jié)。在分析航天產(chǎn)品清洗工藝特點及要求的基礎(chǔ)上，通過設(shè)計普遍適應(yīng)性鑒定試驗和專項鑒定試驗，篩選出能夠滿足航天產(chǎn)品質(zhì)量要求的綠色清洗工藝，并通過工藝流程優(yōu)化，提高了清洗效率、降低了人工成本。綠色清洗工藝的應(yīng)用徹底消除了生產(chǎn)現(xiàn)場因汽油存儲和使用帶來的安全隱患，提升了企業(yè)本質(zhì)安全；同時降低了對操作者身體的危害，減少了對環(huán)境的污染，為企業(yè)帶來良好社會效益和生態(tài)效益。