機載計算機液冷結(jié)構(gòu)件清潔度技術(shù)研究

羅錫， 王祥

（中國航空工業(yè)計算技術(shù)研究所，西安710068）

0 引言

某型綜合處理機作為機載核心計算機，由于高度集成，單個模塊散熱功率達到200 W以上，需要采用液體冷卻的方式才能保證計算機的安全運行。綜合處理機計算機液冷流道由框體的主流道和模塊的分流道進行，模塊與框體采用快速接頭連接，由飛機環(huán)控系統(tǒng)提供的冷卻液進行冷卻循環(huán)，帶走模塊的熱量，確保模塊的安全工作。液冷結(jié)構(gòu)件的分流道和快速接頭允許通過的最大顆粒為200μm，通過近兩年的產(chǎn)品研制情況來看，導致綜合處理機的流道堵塞、接頭泄漏、密封圈切斷等故障均與液冷結(jié)構(gòu)件清潔度差有關。因此,在機載計算機液冷結(jié)構(gòu)件加工過程中嚴格控制零部件的加工工藝,有效去除生產(chǎn)加工過程中形成的毛刺和雜質(zhì),采用各種有效手段保證產(chǎn)品的清潔度,是計算機液冷結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)中的關鍵問題。

1 液冷結(jié)構(gòu)件清潔度要求

根據(jù)飛機環(huán)控系統(tǒng)要求，接入環(huán)控系統(tǒng)的其它分系統(tǒng)清潔度需達到GJB420B8級，才能保證正確運行。根據(jù)這一指標要求，分配至機載核心處理機的綜合處理機計算機，核心處理機計算機液冷結(jié)構(gòu)件清潔度必須達到GJB420B6級，才能滿足要求。

GJB420B《飛機液壓系統(tǒng)工作液固體污染度》以美國AS4509(NAS1638的新版)分級標準為藍本編制而成，按每100mL油液中所含的6個尺寸段最大極限顆粒數(shù)，從000～12級共15個等級。被測油樣污染度等級，按(B-E)尺寸范圍100mL工作液顆粒數(shù)最高等級確定污染度等級，GJB420B6級顆粒數(shù)如表1所示。

表1 GJB420B-2006固體污染度分級10-2mL-1

2 機載計算機液冷結(jié)構(gòu)件清潔度保證技術(shù)

綜合處理機計算機液冷系統(tǒng)主要由框體和液冷模塊通過快速接頭連接，快速接頭為外購成品件，其清潔度達到GJB420B6級，因此影響液冷系統(tǒng)清潔度的因素主要是框體和液冷模塊這兩種液冷結(jié)構(gòu)件的清潔度。形成液冷系統(tǒng)主流道的框體影響清潔度的主要是機械加工過程中的毛刺、生產(chǎn)過程中帶入的鋁屑等。液冷模塊為釬焊零件，影響清潔度的主要是釬焊過程中的焊皮、加工過程中的鋁屑和毛刺等，找出影響清潔度的各種因素，加以控制和清理，形成一套完整的液冷清潔度保證技術(shù)和清洗工藝，是機載計算機液冷結(jié)構(gòu)件清潔度得以保證的關鍵。

2.1 框體清潔度保證技術(shù)

綜合處理機框體材料為鋁合金，流道的剖視示意圖如圖1所示，流道由主流道和分流道構(gòu)成，分流道通過孔口螺紋接口與快速接頭連接，主流道和分流道形成相貫孔。框體主流道為直徑φ8的深孔，采用深孔鉆加工而成，孔內(nèi)表面粗糙度Ra6.3左右，分流道考慮流量分配設計為φ0.8～φ4.5的十幾種規(guī)格的小孔，采用鉆頭和銑刀加工而成，在相貫線處存在翻邊毛刺和棱邊，毛刺高度為0.1～1 mm左右，表面粗糙度Ra3.2左右。

圖1 框體流道圖

影響框體零件清潔度的因素有：a.螺紋部分的毛刺；b.各種相貫孔造成的翻邊和毛刺；c.加工過程中的鋁屑和雜質(zhì)。針對機械零件加工過程中的毛刺，目前主要的去毛刺技術(shù)有電解去毛刺、熱爆炸去毛刺、化學去毛刺、磨粒流去毛刺、機械去毛刺等，這幾種去毛刺技術(shù)各有優(yōu)缺點，找到適合框體零件去毛刺的方法是關鍵。

采用機械拋光只能完成對主流道的毛刺清理工作，但相貫線處的毛刺無法清理，因此機械拋光方法無法滿足去毛刺需要。電解去毛刺需制作適合的電極，框體分流道規(guī)格多，電極規(guī)格需求就多，成本高，并且框體相貫孔處毛刺均在主流道面，采用電解去毛刺，由于毛刺高度不同，電解去毛刺時間不同，去大毛刺時間長，精度無法控制，容易造成分流道尺寸變大，影響流量分配，因此不宜采用。針對其它幾種常用去毛刺方法，我們進行了去毛刺實驗。

2.1.1 框體熱爆炸去毛刺

熱爆炸去毛刺是將工件放入密閉耐壓容器內(nèi)，容器內(nèi)充入一定壓力的氫氣和氧氣，經(jīng)電子點火，氫氣和氧氣混合瞬間燃燒爆炸，產(chǎn)生強大沖擊力，瞬間溫度為3000℃，將工件毛刺燒掉。缺點是瞬間高溫，將改變部分材料的性能，對機載計算機結(jié)構(gòu)件的鋁合金而言，會降低鋁合金的硬度，同時降低零件的抗拉強度，對液冷產(chǎn)品的耐壓能力產(chǎn)生影響，如果后續(xù)進行熱處理強化，會增大零件的變形。根據(jù)實驗情況來看，框體液冷結(jié)構(gòu)件，在結(jié)構(gòu)特征加工完畢后，再進行熱爆炸去毛刺，采用0.6 MPa壓力進行框體的熱爆炸去毛刺處理，可以去除翻邊及凸出毛刺，包括接頭螺紋處的毛刺，但對相貫線處的毛刺清理不徹底，框體存在0.3 mm左右變形，對接頭螺紋牙型有一定程度的燒傷。

2.1.2 框體化學去毛刺

化學去毛刺是將清洗干凈的金屬零件放到化學溶液中,零件表面金屬將以離子形式轉(zhuǎn)到溶液中。這些離子聚集在工件表面,經(jīng)化學反應形成一層電阻大、電導率小的黏液膜,保護工件表面不被腐蝕,而毛刺突出于表面,化學作用會將毛刺去掉?；瘜W去毛刺的優(yōu)點是工藝簡單可靠，被處理零件的質(zhì)量得到改善，對每一批貨品的毛刺去除量都能精確控制（通過控制溶液濃度、去除時間、去除零件的質(zhì)量等），處理效果均勻一致，故可處理標準件；易彎曲、易損的工件不承受機械負荷，這種處理方式不受其結(jié)構(gòu)和大小限制，不會像采用刮擦、滾筒拋光或研磨工藝那樣易損壞表面極其敏感的零件，內(nèi)部毛刺（例如角形孔）用常規(guī)工藝根本不可能去除，或須花費大量的人工，或要逐件用爆炸法除毛刺，以致耗用大量的人力物力。而用化學去毛刺工藝則可大批量、一次性除毛刺，且無變形，經(jīng)過處理后，工件表面的金屬清潔度極高；可順利進行隨后的電鍍處理，表面光潔平滑，剩余粗糙度只有Ra0.1，工件處理后不會出現(xiàn)氫脆。缺點是對于復雜形腔或流道，化學去毛刺液體不容易進入，進入后不容易清理出來，會造成對零件的腐蝕破壞，去毛刺完成后立即用中和液中和，并立即用高壓水對腔體沖洗，直至干凈。

針對框體鋁合金材料，選用德國技術(shù)的“凱格去毛刺-Al濃縮液”進行化學去毛刺實驗，去毛刺液溫度加熱至65 ℃，分別進行2 min、4 min、6 min、8 min、10 min、12 min的化學去毛刺，進行12 min的化學去毛刺能夠徹底去除框體零件的翻邊、鉆孔等毛刺，12 min的化學去毛刺效果如圖2所示?？蝮w零件采用化學去毛刺效果顯著，特別是對0.2 mm以下的毛刺，大毛刺去除需要長時間，但長時間去毛刺對接頭螺紋牙型也會去除部分，影響接頭螺紋精度，存在安全隱患，同時化學去毛刺需建立一條生產(chǎn)線，才能滿足化學去毛刺工藝需求。

2.1.3 框體磨粒流去毛刺

圖2 化學去毛刺前后對比圖

磨粒流去毛刺方法是使用金剛石粉或碳化硼等各式研磨劑混合成高分子彈性柔軟的介質(zhì)，上下擠壓運動使磨料通過內(nèi)孔或加工面的方式進行表面拋光，研磨痕跡與流體通過的方向一致，致使工件需拋光部位達到平均最佳光亮效果。磨料均勻而漸進地對通道表面或邊角進行研磨，產(chǎn)生拋光、倒角作用。不同載體的黏度、磨砂種類、磨粒大小，可以產(chǎn)生不同的效果，常用磨料類型有碳化硅、立方氮化硼、氧化鋁和金鋼砂，砂粒尺寸在0.005～1.5 mm。

對框體進行磨粒流去毛刺實驗，選用220目、400目、1200目的碳化硅磨料，機床壓力設定為1.5 MPa、4 MPa、7 MPa，采用多種組合對試驗件和框體零件進行去毛刺，試件去毛刺效果如圖3所示。通過實驗效果可以看出，采用磨粒流可以較好地去除框體零件的毛刺，交叉孔相貫線處形成光滑的圓角，可以有效地減小流阻。但磨粒流去毛刺時間對孔徑有擴大的影響，正式生產(chǎn)中應嚴格控制磨粒流去毛刺時間。通過實驗，對于液冷框體零件單孔采用7 MPa機床壓力進行15 min的磨粒流去毛刺效果最佳，框體零件去毛刺效果如圖4所示。

圖3 試驗件磨粒流去毛刺前后狀態(tài)

圖4 框體磨粒流去毛刺前、后狀態(tài)

通過對框體零件的去毛刺實驗，綜合各技術(shù)的優(yōu)缺點，磨粒流去毛刺技術(shù)最適合框體零件去毛刺，可以保證毛刺清理徹底，并能達到減少流阻的作用。

2.2 液冷模塊清潔度保證技術(shù)

液冷模塊為了保證散熱效率，流道設計復雜，流道通徑小，最窄處僅1.4 mm，其結(jié)構(gòu)采用真空釬焊焊接而成，后續(xù)通過數(shù)控銑削成形，為薄壁腔體零件，壁厚尺寸在0.7 mm左右。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點，其影響清潔度指標的主要是釬焊過程遺留的焊皮、加工過程中的鋁屑、接頭螺紋的毛刺等。為了保證液冷模塊清潔度，必須有針對性地去除這幾種影響清潔度的顆粒。

針對液冷模塊的結(jié)構(gòu)特點，我們采用不同充氣壓力進行了熱爆炸去毛刺實驗，由于液冷模塊為薄壁腔體零件，采用0.6 MPa的壓力進行熱爆炸去毛刺，熱爆炸沖擊導致液冷模塊腔體被擊穿，采用0.4 MPa的壓力進行熱爆炸去毛刺，模塊腔體存在塌陷現(xiàn)象，采用0.2 MPa壓力進行熱爆炸去毛刺，模塊存在0.2～0.5 mm的變形。通過實驗說明，熱爆炸去毛刺不適合液冷模塊這類腔體零件的去毛刺處理。

液冷模塊進行化學去毛刺實驗。為了驗證化學去毛刺對液冷模塊焊皮的去除效果，將液冷模塊腔體局部進行剖開，選用德國技術(shù)的“凱格去毛刺-Al濃縮液”進行化學去毛刺實驗，根據(jù)框體零件化學去毛刺經(jīng)驗，選擇7 min化學去毛刺工藝，液冷模塊化學去毛刺工藝前、后對比如圖5所示，效果顯著。在此基礎上，我們對液冷模塊整體進行了化學去毛刺處理，由于液冷模塊為腔體零件，化學去毛刺液對內(nèi)部去除效果不理想，并且進入腔體內(nèi)部的化學去毛刺液無法及時排出。圖6是化學去毛刺2天后模塊內(nèi)部情況，形成結(jié)晶，堵塞流道。實驗表明化學去毛刺對腔體零件不適用，并且造成堵塞的后果。

圖5 液冷模塊試件化學去毛刺對比

圖6 液冷模塊化學去毛刺內(nèi)部結(jié)晶

圖7 焊接改進后模塊內(nèi)部

通過去毛刺實驗看，從后期進行液冷模塊清理來滿足清潔度需求的思路不現(xiàn)實，應從前端真空釬焊工藝進行改進，避免液冷模塊真空釬焊焊皮產(chǎn)生。我們對液冷模塊真空釬焊工藝進行了研究，從零件、焊料的清潔度、真空釬焊夾具、液冷模塊真空釬焊工藝曲線等方面進行優(yōu)化改進，通過改進后液冷模塊內(nèi)部如圖7所示，焊料熔化充分，形成焊接圓角無焊皮，并且因真空釬焊前進行了零件清洗，焊接后零件潔凈無雜質(zhì)。后續(xù)成形加工中采用封堵技術(shù)即可避免外部雜質(zhì)進入內(nèi)部，從而很好地保證液冷模塊的清潔度。

2.3 液冷結(jié)構(gòu)件的清洗和檢測技術(shù)

根據(jù)液冷結(jié)構(gòu)件的清潔度要求，清潔度指標達到GJB420B6級，需對液冷結(jié)構(gòu)件內(nèi)部流道顆粒度進行清潔度取樣檢測。為了確保流道內(nèi)部顆粒物盡量少，需對液冷結(jié)構(gòu)件流道進行清洗。

常用的流道清洗方法主要是超聲波清洗和高壓沖洗方法。由于框體零件選用磨粒流去毛刺工藝，為了更好地清除磨粒的磨粒，避免二次污染，須根據(jù)磨粒特點，采用有機溶劑進行浸泡，推薦選用汽油進行浸泡，能有效將磨粒與液冷結(jié)構(gòu)件分離。同時通過后續(xù)的超聲波清洗，將框體內(nèi)部顆粒清理干凈。

為了保證沖洗后液冷結(jié)構(gòu)件清潔度達到GJB420B6級，必須控制進入流道的水沖洗液的清潔度，根據(jù)常規(guī)經(jīng)驗，進入流道的水沖洗液清潔度應高于需求的兩級，即GJB420B4級，為此，我們選用20μm、20μm、5μm 三個過濾器的三級過濾配比，對100L沖洗液過濾2～3 h，水沖洗液清潔度檢測，清潔度能達到GJB420B4級。

采用GJB420B4級的水沖洗液對液冷結(jié)構(gòu)件進行流道沖洗，對結(jié)構(gòu)件采用10～15 MPa壓力沖洗1 h、2 h、3 h、4 h的水沖洗液進行取樣檢測，取樣瓶選用GJB420B4級的潔凈瓶，通過顆粒度檢測儀檢測，沖洗3～4 h后的液冷結(jié)構(gòu)件，顆粒度能夠滿足GJB420B6級。根據(jù)水沖洗液的變質(zhì)期限，變質(zhì)會產(chǎn)生微生物影響顆粒計數(shù)，因此水沖洗液應該48 h后進行更換并過濾至GJB420B4級。

3 結(jié)語

飛機環(huán)控系統(tǒng)對機載計算機液冷結(jié)構(gòu)件清潔度要求較高，在液冷結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)過程中，采取合適的去毛刺技術(shù)，合理的焊接工藝參數(shù)，高效的清洗技術(shù)，可以從前端到后端控制顆粒物的產(chǎn)生，并最終清洗至GJB420B6級，有效地保證了液冷結(jié)構(gòu)件的安全可靠運行。文中介紹的技術(shù)可以運用在機載計算機和雷達液冷結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)上。液冷結(jié)構(gòu)件的清潔度保證技術(shù)很多，根據(jù)產(chǎn)品自身特點，選擇合適的技術(shù)，可以有效保證產(chǎn)品的清潔度，提高產(chǎn)品的可靠性和壽命。

［1］ GJB420B-2006飛機液壓系統(tǒng)工作液固體污染度［S］.

［2］ 張利軍，申偉.薄壁鋁合金材料熱處理工藝技術(shù)研究［J］.新技術(shù)新工藝，2013（6）：104-105.

［3］ 周毅,唐維平.提高噴油系統(tǒng)零部件清潔度的工藝技術(shù)研究［J］.現(xiàn)代車用動力，2010（2）：52-58.