液滴腔涂布嘴的研磨加工與生產驗證

王志剛，張建榮

（樂凱膠片股份有限公司 河北 保定 071054）

0 引言

由于鹵化銀乳劑對涂布嘴設備的腐蝕，膠片生產中涂布嘴設備在鹵化銀的浸泡下晶間腐蝕現象比較突出。2006年本公司選用柯達公司提供的材質進行涂布嘴的加工，投入使用后一年時間便產生了坡流表面、流道腔體和密封墊、涂布嘴唇嚴重腐蝕問題，腐蝕點不可修復。腐蝕情況如圖1所示。

腐蝕點造成局部位置條道、拉絲表觀弊病頻發(fā)，對涂布表觀質量造成巨大的影響。根據多年涂布技術的積累，本公司選用雙相鋼作為涂布嘴設備加工的材料。

涂布嘴加工為什么多選用雙相鋼材質？雙相鋼（00Cr14Ni5Mo3Al）的抗拉強度σb，斷面收縮率ψ 優(yōu)于1Cr18Ni9Ti，而膨脹系數α 比1Cr18Ni9Ti 小，含碳量低，屬超低碳鋼。即該鋼具有高強度與高塑性的良好結合，熱處理工藝簡單、尺寸穩(wěn)定性好、易冷，熱加工和機械切削以及良好的耐腐蝕性，不銹鋼（1Cr18Ni9Ti）布氏硬度HB120～180；雙相鋼（00Cr14Ni5Mo3Al）洛氏硬度HRC42，硬度比1Cr18Ni9Ti 硬，變形小，是制作擠壓涂布嘴必備材料；故一般優(yōu)先選用雙相鋼。雙相不銹鋼碳含量低、化學成分平衡的優(yōu)點使鋼在高溫敏化冷卻時影響區(qū)形成二次奧氏體γ’。一方面γ’提高碳、氮的溶解度，另一方面γ’增加了相界面，從而減少了單位面積上碳化物（M23C6）的析出量。這使雙相不銹鋼不容易形成連續(xù)的貧鉻區(qū)，減輕了雙相鋼的晶間腐蝕傾向，但這不意味著雙相鋼不產生晶間腐蝕。膠片生產中雙相鋼在鹵化銀的浸泡下晶間腐蝕現象比較突出，雙相鋼晶間腐蝕有個特點——表面光潔度越高越不易腐蝕。當出現腐蝕點后，由于鹵化銀的作用腐蝕越發(fā)嚴重，對涂布嘴設備而言需加強清洗，不生產狀態(tài)下拆除堵頭、插片，清潔腔體和阻流間隙，消除含銀乳劑滯留區(qū)；此外三號機對涂布嘴設備實施2 次/年的解體、清潔、修磨工作。

在涂布操作中，理想的涂布裝置是均勻地向支持體進行沒有任何缺陷涂布的設備，但是實際并不是如此，就目前裝備而言本公司能夠實現將涂布流量波動控制在2%范圍內，若想達到更好的涂布效果，在擠壓涂布過程中采用手工調整來達到相同的出口間隙，是較為困難的。首先需要涂布嘴組裝人員有豐富的專業(yè)經驗，其次很難保證不同組裝的人員達到統一的標準。因此提高涂布嘴設備加工精度要求，是保證得到滿意涂布效果的前提。

坡流涂布嘴使用過程為：涂液進入均流腔中心，沿著它流向兩側，在涂布嘴頂端經條縫間隙出口流出。如果條縫深度是相等的，并且條縫出口間隙處處相等，那么經過條縫的流體在均流腔內沿著涂布嘴寬度有比例的壓力變化，在進料口均流腔中心壓力高于兩側壓力，引起均流腔內流體向兩側邊緣流動，因此條縫中心出來的流體要比兩側多，中心位置涂層變厚，在涂層外形上會形成拱形，在涂布習慣術語上稱作“眉”狀。反過來如果涂層中間薄、兩側厚則會形成“笑臉”的外形[1-2]。

因此滿足涂布性能的橫向均勻性要求是涂布嘴設計的一項重要指標[3]，根據牛頓流體力學基礎原理和了解相關嘴子設計文獻后得出結論，涂布嘴阻流間隙加工偏差是涂布橫向不均勻度的3 倍關系，此關系也經嘴子加工返修實踐驗證，因此本公司在加工涂布嘴的過程中將橫向偏差精度控制在±1.5 μm。嘴子加工完成后要使用條縫檢測儀或斜面刻度塞尺分段檢驗。

1 柯達公司與制安公司關于涂布嘴的檢驗對比

1.1 柯達公司涂布嘴檢驗方法（圖2）

圖2 單片涂布嘴樣圖Fig2 Diagram of single coating nozzle

（1）A=狹縫高度平行度。隨著涂布嘴裝配到下一片涂布嘴上，狹縫口一致性。通過在蔡司坐標測量機（CMM）測量讀出狹縫平整度。然后用蔡司坐標測量機（CMM）測量下一個涂布嘴的背面，然后是它們的側面。期望的公差是100～120 毫英寸（2.54～3.04 μm）最大變化。

（2）B=狹縫長度平行度。測量狹縫(從腔體到滑板表面的距離)長度，覆蓋整個涂布頭的長度。通過用蔡司坐標測量機(CMM)測量覆蓋整個涂布頭的長度，大約25個區(qū)域，讀出長度，期望的公差是0.004 英寸（0.1 mm）最大變化。

（3）C=狹縫邊緣半徑。測量腔體/狹縫接觸面的邊緣和狹縫/滑塊的邊緣以確保它們是一致的。使用一個商業(yè)顯微鏡在大約50 倍能力時測量它,然后使用一個商業(yè)上使用的半徑分析軟件去測量半徑的尺寸。期望的公差是0.001英寸最小，0.002英寸最大（0.025 mm最小,0.050 mm最大）。

（4）D=第一片涂布嘴銳度、最終涂布均勻度Final Coated Uniformity（4.0% Peak-to-Peak）。

1.2 制安公司涂布嘴檢驗方法（圖3）

圖3 涂布嘴檢測Fig3 Coating tip detection

柯達公司涂布嘴檢測儀器國內不具備，對此樂凱制安公司細化吸收柯達加工檢測方法，通過嚴格控制單片加工精度來控制組裝后精度，方法如下：

通過千分表和彈簧扭矩儀與大理石零級平板相配合來檢測單片涂布嘴密封帶、間隙面的平行度。經過三套柯達涂布嘴加工經驗積累，目前樂凱制安公司已經掌握柯達涂布嘴制造加工檢測技術，步入業(yè)內先進行列。對于腔體暫無明確的檢測手段，主要通過本公司手工研磨方法保障液滴腔精度。

2 影響涂布嘴精度的主要因素及具體處理方法

2.1 涂布嘴水滴腔體的加工方法

涂布嘴水滴結構腔體與階梯坡流面設計，打破了傳統衣架腔體設計，這就使每片雙面帶槽，九片組裝在一起形成兩端面各八對（共十六個）小水滴的形狀。這就對在拋光過程中增加了一定的難度，平衡的力量是使加工面粗糙度及光潔度達到加工要求的前提條件。經過反復的討論試驗，用木制的模具和壓板解決了這一難題。先用壓板粗拋，然后用木模做進一步的修復拋光，最后本公司用手工研磨方法按水滴形狀，將涂布擠壓嘴的水滴槽加工到精度要求[4]。

2.2 研磨劑的選用和研磨的要點

2.2.1 研磨劑的配置

材料：a.碳化硼高級研磨材料W20；為中砂研磨砂，根據研磨精度要求選擇規(guī)格。

b.白剛玉微粉。

c.添加劑為硬脂酸。

配置：a.碳化硼加微量硬脂酸加煤油調成糊狀。

b.白剛玉微粉加微量硬脂酸加煤油調成糊狀。

研磨劑是由磨料和研磨液調和而成的混合劑。一開始本公司使用的是白剛玉GB[WA],白色，硬度比棕剛玉要高而韌性比棕剛玉要差。這使磨料在研磨過程中加工表面容易出現大的劃傷，同時研磨劑磨損又快，還沒達到尺寸要求就已經沒有研磨余量了，這容易造成塌邊的現象。而三號機要求表面無劃傷、亮如鏡面，后來經過反復試驗比較，本公司改用碳化硼TP[BC]作為研磨劑，它的硬度僅次于金剛石，耐磨性能好，經過使用發(fā)現無論精研還是拋光都非常適合柯達涂布嘴的研磨加工。一般情況下，W100-W50用于最初的研磨加工，W40-W20 用于粗研磨加工，W14-W7用于半精研磨加工，W5 以下用于精研加工。

2.2.2 研磨手法

見圖4。解體清潔涂布嘴，使用酒精或石油醚清潔0級大理石平臺。

圖4 推研手法Fig4 Push-research methods

（1）將單片涂布嘴墊平后，在高點位置涂抹研磨砂。

（2）雙密封帶位置，研磨塊墊過濾紙，局部推研。

（3）使用脫脂棉或過濾紙擦拭研磨面，檢查修磨效果。

（4）雙手壓研與單手壓研。

（5）雙手大幅度壓研。

（6）雙手推研。

（7）研磨砂、過濾紙對腔體研磨；酒精脫脂棉或無紡布對腔體清潔。

一般情況大面本公司采用8 字形。仿8 字形或螺旋旋轉運動軌跡進行研磨，為了防止塑性變形和保證嘴子平面度，研磨時工件受壓要均勻，壓力大小要適中。壓力大研磨切削量大，表面粗糙度值大，還會使磨料壓碎，劃傷表面。研磨速度不宜太快否則會引起工件發(fā)熱，降低研磨質量；唇和帶的狹窄面研磨，為了防止加工平面產生傾斜和圓角研磨時本公司一般采用直線研磨軌跡。

2.2.3 涂布嘴組裝與條縫精度檢測

（1）將涂布嘴各個單片按順序擺放整齊，相互貼緊。

（2）底面向上組裝保溫水管系統，做平墊密封。支架位置做硅膠墊，經驗證采用現薄橡膠墊安裝方式。

（3）組裝物料管，因高低兩組平行，第2、3、4 組各有1 條螺絲不好安裝。需將物料管打位號，做2 mm 四氟密封墊。

（4）側板密封條絲孔位置偏差，要求改進；將密封條加工到與嘴面角度一致。

（5）腔體堵頭安裝合適后，標定堵頭位號。

（6）涂布嘴組裝方法按圖5所示順序緊固24 條螺絲，預緊力矩為20 N·m。

圖5 涂布嘴螺絲緊固順序Fig5 Fastening sequence of coating nozzle screws

（7）緊固完成后，常溫24 ℃條件下按相同順序用60 N·m 力矩扳手緊固螺絲，緊固完成后測量間隙，根據檢查數據繪制該層條縫間隙趨勢圖，列舉黃、品、青三層趨勢圖。如圖6、圖7、圖8。

圖6 黃層條縫間隙趨勢圖Fig6 Gap trend of yellow seam

圖7 品層條縫間隙趨勢圖Fig7 Trend chart of seam clearance of bedding

圖8 青層條縫間隙趨勢圖Fig8 Gap trend of blue layer

三號機專業(yè)人員驗證滿足加工精度要求，可進行生產驗證。

3 生產驗證

首軸生產涂布表觀南側距片邊360 mm 位置有潛寬條道。對涂布嘴進行檢查，發(fā)現涂布嘴第3 條縫出口刃口有輕微毛銼點，輕微修磨后正常。

首軸黃層橫向統一性呈中間凹兩側高趨勢偏差，統一性平直度欠缺，品、青橫向統一性正常。復測升溫狀態(tài)下黃層條縫間隙中間對應位置偏差達到3～4 μm。在線采用方法：微調整涂布嘴組裝螺絲力矩，保溫（40 ℃）狀況下將黃層條縫間隙偏差控制在3 μm 范圍內。

采取措施后繼續(xù)生產兩軸，黃層橫向統一性略有好轉，但仍呈兩側高中間凹的趨勢，各層趨勢如圖9、圖10、圖11。

圖9 黃層橫向統一性Fig9 Horizontal uniformity of yellow layer

圖10 品層橫向統一性Fig10 Horizontal uniformity of product layer

圖11 青層橫向統一性Fig11 Horizontal uniformity of blue layer

生產結束后，解體涂布嘴，根據橫向統一性趨勢偏差和條縫數據檢測數值修磨黃層D 面中間區(qū)域。再次組裝常溫、升溫狀態(tài)檢測，將黃層條縫間隙偏差控制在2 μm 范圍內。生產繼續(xù)驗證，黃層橫向統一性正常，見圖12。

圖12 黃層橫向統一性Fig12 Horizontal uniformity of yellow layer

經過對涂布嘴的研磨、加工、組裝、調整，其精度滿足了生產橫向統一性要求。

4 液滴腔涂布嘴研磨檢測方法應用

2014年為了解決物料附著因素帶來的橫向統一性問題，推進了黃層由兩層供料改為單層供料涂布方式，通過自行修磨配裝保障了黃、品、青三層乳劑層組裝橫向偏差＜3 μm，滿足彩色相紙橫向統一性性能需求；同時采取每次開車前修磨出口間隙，將附著的物料清理掉，減輕涂布間隙出口物料的附著程度，使橫向統一性穩(wěn)定由60 軸延長到連續(xù)生產80 軸的條件。2014年年底換濾芯間隔達到100 軸，經生產成本經濟核算年可降低結構性消耗40 萬元；至2020年換濾芯軸數間隔達到160 軸。

2020年液滴腔結構第一片涂布嘴加工與驗收配裝，立項理由：雙相鋼涂布嘴加工配裝第一片原柯達設計結構，加工專用螺絲；解決溫度應力斷絲問題和現用涂布嘴中凸變形問題；預計投入15 萬元實現其他層配裝達到兩套雙相鋼涂布嘴使用效果；與再加工一套涂布嘴相比節(jié)省費用75 萬元。

組裝技術要求：試第一片保溫水螺絲扣，堵頭附件配齊安裝封堵硅膠；檢查新片有無毛刺磕點；清洗加工片；50%醇洗加工片擦拭干凈后，擦拭配裝第二片接觸面及大理石平臺；重新調整最后一片止退板固定螺絲，中間向外安裝，控制變形量至最小；涂布嘴找正對齊后穿24 條螺絲；依據兩側間隔一，中間兩條絲預緊方法；中間兩條絲預緊力＞兩側；從中間開始分左右側再取中預緊；預緊完成后粗側下1、3、5 條縫偏差，間隙大的位置緊固力偏大些調整；整體緊固力矩65～75 N；檢查結果合格或不合格均拆開移位重新組裝一次。確認各層偏差＜3 μm 后，所有保溫水絲堵位置封硅膠；密封帶位置封硅膠；安裝兩側密封條。

加工完成配裝，標準力矩組裝后檢測新組層橫向偏差＞9 μm，間隙偏差陡增趨勢；與制安公司交流修磨方法，經四次定區(qū)域修磨配裝后，檢測整套涂布嘴條縫出口間隙橫向均勻性＜3 μm，且呈波浪線偏差趨勢，可進行生產驗收。經生產驗證后滿足性能橫向統一性需求。

5 結論

雙相鋼柯達嘴從選材加工到研磨組裝生產測試歷時1年，取得了一次組裝開車成功的較好成績，通過生產驗證也發(fā)現了黃層橫向統一性偏差趨勢，制定了修復措施。通過對多套液滴腔涂布嘴的研磨、組裝、生產驗證，積累了較為豐富的經驗為相紙生產提供高性能、高精度的涂布嘴裝備保障，同時單層涂布黃層的工藝條件改進消除了雙層涂布的橫向統一性的積累偏差，換濾芯軸數間隔由原60軸逐步延長至80 軸。通過加裝壓力傳感器檢測過濾罐壓力變化等措施，到2020年年底換濾芯軸數間隔最多可以達到160 軸，大幅降低了換濾芯所造成的結構性消耗。2020年新加工雙相鋼材質第一片涂布嘴配裝成功，解決了溫度應力斷絲問題和現用涂布嘴中凸變形問題；實現了投入15 萬元達到兩套雙相鋼涂布嘴使用效果與再加工一套涂布嘴相比節(jié)省費用75 萬元的改進目標值。