航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件環(huán)形內(nèi)腔表面清潔度檢查應(yīng)用研究

趙永崗，施成辰，曾小莉

（沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，沈陽(yáng) 110043）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造是一個(gè)復(fù)雜過(guò)程，包括零件鑄造或鍛造機(jī)械加工裝配表面處理整機(jī)試運(yùn)行等過(guò)程，每一個(gè)工序完成后都會(huì)殘留一些砂粒鐵屑等機(jī)械雜質(zhì)。在加工過(guò)程中，殘留在零件配合面或油道孔上的雜質(zhì)清理不干凈，裝配時(shí)精密件表面會(huì)被壓傷或劃傷。在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，配合表面極易被雜質(zhì)破壞，造成發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能下降，使壽命縮短[1-4]。因此零件清潔度水平是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)十分重要的質(zhì)量特性。

目前對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件的清潔度檢查方法少有報(bào)道，特別是對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件內(nèi)腔表面的清潔度控制方法沒(méi)有文獻(xiàn)可查。為了提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和運(yùn)行壽命，杜絕外來(lái)雜質(zhì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量的影響，目前國(guó)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域研究者們已著手深入研究航空發(fā)動(dòng)機(jī)清潔度檢查及控制方法，制訂相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，不斷投入實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中。文中針對(duì)某不銹鋼零件內(nèi)腔表面提供了一種清潔度控制方法，不僅清洗效率質(zhì)量高，而且不會(huì)損傷被清洗零件的基體。同時(shí)該工藝具有穩(wěn)定可靠節(jié)約工時(shí)提高效率比較明顯等優(yōu)點(diǎn)。

1 試驗(yàn)

1.1 試件及要求

某不銹鋼零件環(huán)形內(nèi)腔表面如圖1 所示，其中BW 孔與V 孔相通，兩者之間的通道構(gòu)成BR 區(qū)域內(nèi)表面。BV 孔與AG 孔相通，兩者之間的通道構(gòu)成BL區(qū)域內(nèi)表面，因此BRBL 區(qū)域形成兩組環(huán)形內(nèi)腔表面。對(duì)BRBL 區(qū)域的內(nèi)表面進(jìn)行清潔度檢查，技術(shù)文件中要求清潔度檢查級(jí)別為C 級(jí)，即最大雜質(zhì)質(zhì)量為3 mg，最大硬顆粒尺寸為0.1 mm。

圖1 某不銹鋼零件環(huán)形內(nèi)腔表面

1.2 設(shè)備

采用1000 mm×1000 mm×1000 mm 專用清洗槽預(yù)清洗零件；采用型號(hào)為XX6702500 壓力清洗槍清洗零件；采用TG328A 光電分析天平將所用的濾網(wǎng)進(jìn)行稱量，精度為0.1 mg；用LEICA DM 6000M 金相顯微鏡檢測(cè)硬雜質(zhì)顆粒大小，放大倍數(shù)為50×；用MILL PORE 溶劑真空過(guò)濾裝置過(guò)濾收集的溶液；用電熱烘箱烘干過(guò)濾后的濾紙。

1.3 工藝流程

該試驗(yàn)的工藝流程為：檢查零件→裝夾具→預(yù)清洗→冷水洗→檢查水膜→壓縮空氣吹干→卸夾具→移至清洗車→高壓水射流清洗→檢查清洗車底部的濾網(wǎng)直至無(wú)雜質(zhì)→收集溶液→清潔度檢查→吹干→烘干→檢驗(yàn)→包裝。

1.4 清潔度檢查方法

清潔度檢查方法對(duì)產(chǎn)品的過(guò)程控制質(zhì)量保證和失效分析很重要，常見(jiàn)的清潔度檢查方法有目視檢查法稱量法接觸角法熒光發(fā)光法顆粒尺寸數(shù)量法和顆粒大小等方法。生產(chǎn)過(guò)程中需要的是穩(wěn)定易于量化易追溯可重復(fù)的清潔度檢查方法，同時(shí)要滿足成本低，操作方便的要求[9-13]。

1.4.1 雜質(zhì)質(zhì)量的檢查方法

采用稱重法檢查雜質(zhì)質(zhì)量。具體操作步驟：首先用精度為0.1 mg 的分析天平對(duì)3 μm 的濾紙進(jìn)行稱量，用mp表示。然后將濾紙用鑷子夾起，慢慢放在過(guò)濾收集瓶瓶口中心處，對(duì)準(zhǔn)收集瓶瓶口中心處安裝過(guò)濾器的漏斗，夾緊后往漏斗內(nèi)緩緩倒入收集的溶液。此時(shí)打開(kāi)真空泵開(kāi)關(guān)，一直到漏斗內(nèi)的液體全部被抽入到收集瓶中，再關(guān)閉真空泵的開(kāi)關(guān)。最后將濾紙以及殘留在濾紙上的雜質(zhì)放入干凈的培養(yǎng)皿中，蓋上蓋子放入烘箱中，在50～55 ℃下烘干45 min。在干燥器中放置到室溫后，再次用分析天平對(duì)烘干后的濾網(wǎng)及殘留雜質(zhì)進(jìn)行稱量，用mA表示。最終雜質(zhì)的質(zhì)量m 用式（1）計(jì)算：

式中：mA為濾網(wǎng)及剩余雜質(zhì)的質(zhì)量，mg；mp為濾網(wǎng)的質(zhì)量，mg。

1.4.2 硬顆粒尺寸的檢查方法

采用金相顯微鏡檢查硬顆粒的大小。將帶雜質(zhì)的濾網(wǎng)放入金相顯微鏡下測(cè)量硬顆粒的大小，如果濾網(wǎng)上的金屬顆粒或硬顆粒的大小滿足清潔度檢查分類要求，則認(rèn)為合格。待清潔度檢查結(jié)果合格后，用潔凈的壓縮空氣吹干零件，然后將零件放入干凈的聚乙烯塑料袋中，防止二次污染。

1.4.3 清潔度檢查級(jí)別

用雜質(zhì)質(zhì)量和顆粒度大小來(lái)表征零件清潔度水平，其清潔度檢查級(jí)別見(jiàn)表1。

表1 清潔度檢查分類表

2 結(jié)果與討論

2.1 清洗方法對(duì)清潔度檢查的影響

零組件要獲得較高的清潔度水平，選用合適的清洗方法至關(guān)重要。常用的清洗方法包括：機(jī)械清理浸洗噴射式清洗蒸汽式噴射清洗超聲波清洗等[5-8]。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況及零件形狀，文中選用了堿性清洗劑浸洗和高壓水射流清洗的方法。

2.1.1 堿性清洗劑浸洗

堿性清洗劑浸洗采用40～50 g/L 的Turco4215 溶液在40～60 ℃下對(duì)零件進(jìn)行整體浸洗，主要目的是去除零件表面肉眼可見(jiàn)的油污。通過(guò)水膜破裂檢查確定除油效果，瀝干至少5 s 后檢查水膜，在10～30 s 內(nèi)水膜應(yīng)連續(xù)完整。如破裂，重復(fù)進(jìn)行預(yù)清洗至水膜不再破裂。

2.1.2 高壓水射流清洗

高壓水射流清洗就是通過(guò)水射流的打擊直接作用到物體表面，使粘附在零件表面的物體脫離下來(lái)。文中用到的清洗介質(zhì)為去離子水，要求其電阻率至少為50 000 Ω（或不大于20 μs/cm），pH 值為5～8。壓力清洗槍噴嘴直徑為0.3～0.5 mm，壓力為0.35～0.45 MPa。其基本原理是去離子水通過(guò)高壓水槍形成高壓，然后經(jīng)過(guò)噴嘴噴射出速度很高的水射流來(lái)去除零件表面的污染物。采用高壓水射流清洗方法不會(huì)損傷零件的基體，且清洗效率高，清洗質(zhì)量好，設(shè)備簡(jiǎn)單，成本較低，同時(shí)不會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染。

2.1.3 清洗效果對(duì)比

為了選取合適的清洗方法，分別對(duì)堿性清洗劑浸洗高壓水射流清洗堿性清洗劑浸洗+高壓水射流清洗三種方法進(jìn)行了對(duì)比，用零件表面水膜破裂情況和零件表面殘留雜質(zhì)情況評(píng)價(jià)清洗效果。

用上述三種方法將零件清洗后移至清洗車內(nèi)（如圖2 所示），然后用流動(dòng)水沖洗約20 min 后，檢查清洗車底部的銅質(zhì)濾網(wǎng)，濾網(wǎng)目數(shù)為100 μm，用濾網(wǎng)上殘留雜質(zhì)來(lái)判斷清洗零件的干凈程度。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，從表2 可以看出，采用堿性清洗劑浸洗+高壓水射流清洗的方法清洗效果最好。這是因?yàn)閴A性清洗劑能夠去除零件的油污，而對(duì)于粘附在零件表面的雜質(zhì)以及內(nèi)腔表面的雜質(zhì)去除效果不好，但粘附在表面的雜質(zhì)經(jīng)堿液清洗劑浸泡后已松動(dòng)，再用高壓水射流可輕松去掉。同時(shí)環(huán)形內(nèi)腔表面采用高壓水射流清洗操作簡(jiǎn)單，效果良好。

圖2 清洗車及底部的濾網(wǎng)

表2 不同清洗方法效果對(duì)比

2.2 沖洗夾具對(duì)清潔度檢查的影響

為了保證孔內(nèi)表面的清洗效果，避免內(nèi)表面雜質(zhì)的殘留，設(shè)計(jì)一套反向清洗夾具，即用高壓噴射去離子水沖洗時(shí)應(yīng)從小孔進(jìn)大孔出。因此清洗BR 內(nèi)表面，要從BW 孔進(jìn)，從V 孔出；清洗BL 內(nèi)表面，要從BV 孔進(jìn)，從AG 孔出。考慮到對(duì)每一個(gè)BW 孔及BV孔內(nèi)表面要清洗，因此設(shè)計(jì)了一套整體反向沖洗夾具（如圖3 所示），將工裝安裝在零件上，利用上下橡膠圈進(jìn)行密封，使零件與工裝在BV 孔BW 孔處形成一個(gè)封閉內(nèi)腔，實(shí)現(xiàn)對(duì)BRBL 區(qū)域內(nèi)表面的清洗及清潔度檢查。采用反向清洗夾具工作時(shí)間長(zhǎng)，每清洗一個(gè)零件大約需要16 h 才能滿足工藝文件要求。為了提高生產(chǎn)效率，對(duì)反向清洗夾具進(jìn)行改進(jìn)，增加了一套轉(zhuǎn)換裝置，實(shí)現(xiàn)既能從小孔進(jìn)大孔出，又能實(shí)現(xiàn)從大孔進(jìn)小孔出，如圖4 所示。采用正反向清洗夾具后，每清洗一個(gè)零件縮短到8 h，生產(chǎn)效率提高100%。清洗時(shí)，先反向，即水流先從小孔進(jìn)大孔出，避免孔內(nèi)雜質(zhì)多而堵塞小孔。然后正向清洗，即水流從大孔進(jìn)小孔出，這樣能夠沖洗到反向清洗不到的區(qū)域。通過(guò)正反向交替清洗，確保內(nèi)腔表面清洗徹底。采用正反向夾具清洗及清潔度檢查步驟如下：

圖3 反向沖洗夾具

1）采用48 g/L 的Turco4215 溶液在50 ℃下浸泡10 min 進(jìn)行預(yù)清洗。當(dāng)正向沖洗BR 和BL 內(nèi)表面時(shí)，關(guān)閉閥門(mén)1，打開(kāi)閥門(mén)3，轉(zhuǎn)換閥門(mén)2 與管路垂直。當(dāng)反向沖洗BR 和BL 內(nèi)表面時(shí)，打開(kāi)閥門(mén)1，關(guān)閉閥門(mén)3，轉(zhuǎn)換閥門(mén)與管路平行。

2）經(jīng)冷水洗后，零件表面水膜連續(xù)，沒(méi)有破裂現(xiàn)象。

3）用潔凈的壓縮空氣吹干零件。

4）按圖4 安裝沖洗夾具。

圖4 正反向沖洗夾具

5）夾具安裝完成后，將零件移至清洗車內(nèi)。

6）采用高壓噴射去離子水沖洗待檢的環(huán)形內(nèi)腔表面。

7）沖洗20 min 左右，檢查清洗車底部的濾網(wǎng)，目視發(fā)現(xiàn)濾網(wǎng)上有雜質(zhì)，繼續(xù)沖洗20 min。取下濾網(wǎng)檢查沒(méi)有發(fā)現(xiàn)有任何殘留雜質(zhì)，說(shuō)明BRBL 區(qū)域內(nèi)表面已經(jīng)沖洗干凈。

8）再用去離子水沖洗環(huán)形內(nèi)腔表面，并用帶蓋的塑料容器收集約1000 mL 溶液。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

2.3.1 雜質(zhì)質(zhì)量

對(duì)收集的全部溶液進(jìn)行清潔度檢查，采用稱量法檢查雜質(zhì)質(zhì)量。具體操作步驟：首先用分析天平將所用的3 μm 的濾紙進(jìn)行稱量，得mp=42.0 mg；然后將濾紙用鑷子夾起，慢慢放在過(guò)濾收集瓶瓶口中心處，對(duì)準(zhǔn)收集瓶瓶口中心處安裝過(guò)濾器的漏斗，夾緊后往漏斗內(nèi)緩緩倒入收集的溶液，此時(shí)打開(kāi)真空泵開(kāi)關(guān)，一直到漏斗內(nèi)的液體全部被抽入到收集瓶中，再關(guān)閉真空泵的開(kāi)關(guān)；最后將濾紙以及殘留在濾紙上的雜質(zhì)放入干凈的培養(yǎng)皿中，蓋蓋子放入烘箱中，在50～55 ℃下烘干45 min；再次用分析天平對(duì)烘干后的濾網(wǎng)及剩余雜質(zhì)稱量，得mA=43.5 mg。最終雜質(zhì)的質(zhì)量為1.5 mg，因此雜質(zhì)質(zhì)量合格。

2.3.2 雜質(zhì)硬顆粒大小

采用金相顯微鏡檢查硬顆粒的大小。將濾網(wǎng)及殘留在濾網(wǎng)上的雜質(zhì)放入金相顯微鏡下測(cè)量硬顆粒的大小，經(jīng)分析濾網(wǎng)內(nèi)的硬顆粒均小于0.1 mm（如圖5所示），因此雜質(zhì)硬顆粒大小滿足要求。

圖5 顯微鏡下的顆粒（100×）

3 結(jié)論

1）通過(guò)預(yù)清洗和高壓水射流清洗的聯(lián)合方式對(duì)零件進(jìn)行清洗，并借助正反向清洗工裝對(duì)不銹鋼環(huán)形內(nèi)腔表面清洗。清洗時(shí)間由原來(lái)的16 h 縮短到8 h，工作效率提高100%。同時(shí)使用去離子水不會(huì)對(duì)被清洗零件的基體造成損傷。

2）采用3 μm 的濾紙過(guò)濾收集的清洗液，并用分析天平稱雜質(zhì)質(zhì)量為1.5 mg，用金相顯微鏡檢查硬顆粒尺寸，均小于0.1 mm。通過(guò)該方法能夠滿足某不銹鋼零件環(huán)形內(nèi)腔表面清潔度C 級(jí)檢測(cè)要求。