锥筒型喷管内壁化学铣切工艺优化

樊少忠，许维超，权琳琳

(西安航天发动机有限公司，陕西 西安 710100)

0 引言

化学铣切是通过化学溶液腐蚀工件预先确定的部位，获得所需要的加工尺寸和工艺精度，是一种无刀具、无切屑、无应力的特种加工工艺，在航空航天领域得到了广泛应用。

常规运载火箭发动机身部液流通道是由燃烧室内壁化学铣切后与外壁贴合钎焊而成，化铣槽的大小、形状及表面状态决定了液流的沿程摩擦压降和局部形阻压降，对整个液流压降有着重要影响。统计发现，燃烧室内壁化铣后同一产品不同部位化铣槽深尺寸散差较大，且不同批次产品铣切后槽深尺寸散差波动较大。这种零件化铣后槽深尺寸的不均匀及不稳定现象对游机身部液流压降的稳定性具有一定的影响。因此，有必要开展游机燃烧室内壁零件化学铣切工艺优化研究，以稳定产品质量。

游机燃烧室内壁零件包括喷管内壁、中段内壁、短喷管内壁，3种零件材料均为1Cr18Ni9Ti，且均为锥筒型喷管类结构，其中喷管内壁尺寸最大，铣切复杂程度最高。本文重点以喷管内壁为例(见图1)，开展试验研究。

图1 喷管内壁Fig.1 Nozzle inner wall

1 材料及方法

1.1试验材料

本试验以喷管内壁为试验件，材料主要化学成分如表1所示。

表1 主要化学成分

1.2试验方法

研究试验按以下流程进行：吹砂→清洗→自然晾干→涂保护层→固化→刻型→修补→装挂→活化→腐蚀加工→冷水洗→测量尺寸→卸挂→去保护层。加工完成后，采用游标卡尺对产品尺寸进行测量对比，并跟踪身部液流试验。

2 喷管内壁化学铣切均匀性研究

2.1 喷管内壁化学铣切均匀性分析

喷管内壁化学铣切过程采用转动装置，每次生产时将2件产品按照对称方式装挂(见图2)，然后浸入化学铣切溶液中。在化学铣切过程中，转动装置带动产品绕中轴匀速旋转，为保证铣切均匀，定时更换旋转方向。

图2 喷管内壁装挂及转动示意图Fig.2 Diagram of mounting and rotating for nozzle inner wall

由于喷管内壁为锥型结构，两端尺寸差异较大(50～250 mm渐变)，且铣槽呈3段分布，各段分别有24、48、96条凹槽，如图3所示。为真实反应产品铣切尺寸，采用规格0～125 mm，精度为0.01 mm的游标卡尺，测量化学铣切后A、B、C、D4个部位铣槽深度(见图3)，每个部位沿周向均匀测量8个点。

图3 喷管内壁测量部位及槽深数据分布Fig.3 Data distribution of measuring position and groove depth of nozzle inner wall

从图3和表2可以看出，喷管内壁化铣槽深度尺寸介于1.26～1.77mm，虽然能满足图纸1.2～1.8 mm要求，但产品整体槽深度尺寸均匀性较差，其中A、B部位槽深尺寸偏差高达0.51 mm。在产品实际生产过程中，多次出现A部位铣切后槽深度尺寸已接近图纸要求上限，而B部位槽深尺寸尚未达到图纸要求下限的情况，只能采取局部机械打磨方式保证B部位槽深尺寸满足图纸要求。

表2 喷管内壁各部位铣槽深度

因产品是整体入槽进行化学铣切，所以各部位铣切时间相同，但最终铣切深度不同，说明化铣过程中各部位的铣切速率(铣切速率是指单位时间的铣切深度)不同。由表2数据得出，A部位与其他部位铣切后槽深尺寸偏差最大，所以解决喷管内壁铣切后槽深尺寸均匀性问题，首要任务就是降低A部位铣切深度，减小各部位铣切速率差异。

2.2 产品不同部位铣切速率的差异性研究

喷管内壁是选择性铣切，先整体刷胶保护，然后刻型剥掉化铣部位的保护胶(见图4)。

图4 喷管内壁刷胶刻型完状态Fig.4 Brushed coating and carved type of nozzle inner wall

再依靠化学溶液对化铣部位进行腐蚀溶解，最终形成凹槽。从图4可以看出，因结构原因喷管内壁不同部位凹槽宽度有所不同，具体数据如表3所示。

表3 喷管内壁刻型槽宽及对应铣切速率

从表3数据看出，刻型槽宽越大，对应铣切速率越快。因为槽宽越大，局部铣切量越大，反应放热越多。

Δ

t

=

Q

/

c

·

m

(1)

式中：

Q

代表反应放出热量；

c

为溶液比热容；

m

为溶液质量；Δ

t

为局部温度变化。由式(1)得出，槽宽越大，反应放热

Q

越多，则局部溶液温度Δ

t

值越大，导致局部温度越高，提高了附近反应活化分子数量，从而加快反应速率。

2.3 产品自转对化学铣切均匀性的影响研究

产品在化铣过程中以25圈/min转速绕中轴自转(见图2)，目的是保证产品周围溶液温度、溶液成分均匀分布，加快溶液与腐蚀产物的扩散速率，消除滞留在产品表面的腐蚀产物和反应生成的气泡，使产品能够均匀铣切。

线速度指产品各部位做圆周运动时的及时速度，用来衡量圆周运动的快慢。线速度越大，说明该部位与溶液相对运动的速度越快，溶液交换频率越快；反之线速度越小，溶液交换频率越慢。产品各部位转速相同，但因结构原因，导致不同部位线速度不同，具体如表4所示。

表4 喷管内壁不同部位线速度

从表4中数据可知，产品A部位线速度最小，溶液交换频率最低，但铣切过程中放热却最多，无法及时消除热量聚集问题，所以自转不能减小A部位铣切速率。

此外，对化铣过程中溶液温度分布进行监测，在产品A部位沿远离产品方向分4个不同位置进行了测量，具体结果见如5及图5所示。

图5 喷管内壁化铣不同时间溶液温度分布图Fig.5 solution temperature distribution of nozzle inner wall at different time

表5 喷管内壁化铣过程溶液温度分布情况

从图5数据得出，在铣切过程中产品周围存在溶液温度分布不均情况，离产品越近，温度较高，离产品越远，温度较低。说明产品自转所起的溶液搅拌作用较小，溶液交换不充分，无法将反应放出的热量及时传递，导致产品局部温度过高，槽液整体温度偏差较大，不利于精确控制槽液温度。

若进一步提高转速，溶液温度分布不均情况会有所改善，但仍无法减小各部位线速度引起的温度差异。随着转速越快，溶液对产品表面保护胶的冲击越大，易使保护胶脱落而造成产品漏蚀。所以仅靠产品自转不能使溶液充分交换，也无法减小各部位铣切速率差异。

2.4 喷管内壁化学铣切均匀性控制研究

喷管内壁化铣过程中自转必不可少，自转能保证产品局部铣切均匀性及平整性，但仅依靠自转不能实现溶液充分交换，无法消除温度分布不均及铣切速率差异问题。为彻底解决这一问题，拟通过搅拌来改善溶液交换效果，常用搅拌方式有两种：一是气流搅拌，另一种是机械搅拌。

2.4.1 气流搅拌对产品铣切均匀性影响研究

气流搅拌是在槽底通压缩空气对溶液进行搅拌，通过调节气流量来控制搅拌效果，操作简单。如图6所示，气流搅拌后产品A部位沿远离产品方向4个不同位置溶液温度整体趋于均匀一致，说明气流搅拌提高了溶液温度的可控性。

图6 喷管内壁化铣不同时间溶液温度分布图Fig.6 Solution temperature distribution of nozzle inner wall at different time

结合表2和表6结果可知，产品各部位铣切速率散差由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；由此说明，气流搅拌能有效改善溶液交换，提高了产品铣切均匀性。

表6 喷管内壁各部位铣槽深度

气流搅拌在提高铣切均匀性的同时，也带来新的问题。产品凹槽表面出现不规则无规律的气流状缺陷，导致槽底不平整，严重影响了装配后燃烧室身部液流的沿程摩擦压降。此外，化铣溶液工作温度通常在50℃以上，气流搅拌使溶液剧烈波动，从而使溶液中的酸挥发较大，严重污染厂房环境。

综上所述，气流搅拌能提高化学铣切均匀性，但对产品铣切质量及现场环境产生不良影响。

2.4.2 机械搅拌对产品铣切均匀性影响研究

相对于气流搅拌，机械搅拌散热效果较好、搅拌强度及搅拌方向可以自由控制，且不会带出大量酸雾。但针对喷管内壁等锥型结构零件，常规机械搅拌无法保证各个方向上的均匀性。如图7所示，搅拌太小时，距搅拌器远的部位搅拌效果不好；搅拌太大时，易形成漩涡，对离搅拌器较近的位置冲击较大，铣切表面会出现流痕缺陷，导致凹槽表面不平整，极端情况下，产品受搅拌冲击晃动会与搅拌器发生碰撞。

图7 喷管内壁常规机械搅拌示意图Fig.7 Schematic diagram of conventional mechanical stirring of nozzle inner wall

为了保证与产品接触各部位溶液充分交换，结合产品特点研究分析，在原有装置基础上通过改进升级，设计了一种新型转动装置(见图8)。新装置在化铣过程中，保证产品绕a轴自转同时，增加产品绕b轴公转功能。该装置不仅在公转时起到搅拌溶液的作用，同时每槽可装挂6件产品(两侧各对称装挂3件)，大幅提升了产品加工能力。

图8 新型旋转装置示意图Fig.8 Schematic diagram of new rotating device

在保证产品自转25圈/min不变条件下，分别匹配公转转速0圈/min、5圈/min、10圈/min、15圈/min、20圈/min、25圈/min，进行铣切试验，结果如表7所示。

表7 不同公转转速下产品化学铣切数据

如表7和图9所示，随公转速度递增，槽深尺寸散差逐渐减小，化铣均匀性逐渐提高。当转速达到15圈/min时，槽深尺寸散差变为0.23 mm，速率散差变为4.6 μm/min，继续增大转速，槽深尺寸散差和速率散差无明显变化。这是因为产品公转起到机械搅拌作用，转速越大，搅拌作用越强，溶液交换越充分，不同部位铣切速率差异减小，铣切均匀性提高。当转速达到15圈/min时，铣切均匀性较好，继续增大转速，搅拌作用加强，但铣切均匀性无明显改变，说明转速达到15圈/min时已能够保证溶液充分交换，进一步增加转速意义不大，反而增加溶液对产品表面保护胶的冲击，增大漏蚀风险。此外，在公转作用下，产品周围溶液温度分布更加均匀稳定，说明该方法能提高溶液温度可控性。

图9 不同公转转速下产品铣切尺寸散差分布图Fig.9 Dispersion distribution of products milling dimensions at different revolution speeds

利用新型转动装置，采用自转25圈/min、公转15圈/min组合旋转方式，可将喷管内壁的铣切速率散差由10 μm/min减小至4.6 μm/min，槽深尺寸散差由0.51 mm减小至0.23 mm，大幅提高了铣切均匀性。同时该装置对中段内壁、短喷管内壁铣切均匀性也有了很大改善，速率散差均控制在≯5 μm/min，槽深尺寸散差均控制在≯0.3 mm。

3 喷管内壁化学铣切稳定性研究

在化学铣切过程中，溶液状态对产品铣切尺寸影响最大，而铣切速率与浸蚀比是化铣溶液状态重要参考指标，其中铣切速率=铣切深度b/铣切时间，浸蚀比=铣切宽度

a

/铣切深度

b

，如图10所示。

图10 化学铣切示意图Fig.10 Schematic diagram of chemical milling

现有化学铣切工艺已经摸清了各主体成分与铣切速率、浸蚀比的对应关系，建立了完善的溶液分析、调整的具体方案。但在长期生产过程中，即使将溶液主成分和铣切参数控制在相同水平，不同批次产品铣切结果仍然差异很大。在化学铣切过程中，除溶液主体成分会影响铣切速率与浸蚀比外，溶液中的杂质金属离子对铣切速率与浸蚀比也会产生一定影响。因此，研究杂质离子对化学铣切稳定性影响有着重要意义。

3.1 杂质离子对化学铣切稳定性的影响

不锈钢化学铣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不锈钢材料的主要金属成分为Fe、Cr、Ni，因Fe作为化铣溶液的主要成分，所以Cr、Ni离子为杂质金属离子。Cr和Ni共占该材料质量百分比的30%左右，即溶解1 Kg金属，有300 g杂质金属离子进入溶液。为真实模拟槽液状态，将1Cr18Ni9Ti材料按比例溶于铣切溶液中，配制出含0、10、20、30、40、50 g/L杂质金属离子的化学铣切溶液，并保证溶液主成分含量一致，进行化学铣切试验。

从图11可知，随着溶液中杂质金属离子含量不断增大，开始时铣切速率无明显变化，当溶液中杂质金属离子含量超过30 g/L时，溶液铣切速率大幅降低。从反应动力学分析，反应物浓度不变，生成物浓度增加，正向反应速率降低，导致铣切速率降低。此外，由于杂质金属离子浓度不断增加，溶液粘滞性变大，与产品表面接触的均匀性变差，溶液循环受阻，反应生成的Ni、Cr很难扩散离开金属表面，同时溶液中Fe、H又很难扩散到金属表面，阻碍了反应正常进行，导致化学铣切速率降低。

图11 铣切速率与杂质金属离子含量关系Fig.11 Relationship between chemical milling rate and metal impurities content

如图12所示，随着金属离子含量递增，开始时浸蚀比无明显变化，当溶液中杂质金属离子含量超过30 g/L时，浸蚀比逐渐增大。这是因为随着杂质金属离子含量增加，当溶液粘滞性变大，同时铣切深度越大时，槽底溶液交换越困难，导致凹槽深度方向铣切速率减小，而凹槽横向铣切速率受影响却较小，致使浸蚀比逐渐增大。浸蚀比越大，凹槽宽度越大，深度越小；反之凹槽宽度越窄，深度越大。由此可见，浸蚀比直接决定凹槽结构及其尺寸，对产品铣切稳定性也有着重要影响。

图12 浸蚀比与杂质金属离子含量关系Fig.12 Relationship between etching ratio and metal impurities content

从以上讨论可知，杂质金属离子浓度控制在≯30 g/L时，产品铣切速率及浸蚀比稳定性较好。

3.2 杂质金属离子的监测与控制

日常生产中，采用化学方法逐一分析槽液中杂质金属离子含量时，由于槽液中离子成分复杂，各种离子的相互干扰对分析结果影响较大。为提高溶液分析可靠性，拟通过统计产品的铣切溶解量，来计算槽液中的杂质金属离子含量，以此辅助化学分析方法，监测溶液质量。

槽液中金属离子的极限浓度为30 g/L，槽液有效体积为1 500 L，得出槽液中杂质金属离子容忍量为45 kg。表9统计了燃烧室内壁零件化学铣切前后产品的重量，以及杂质金属的溶解量。

表9 游机燃烧室内壁零件杂质金属溶解量统计

由此得出杂质金属离子含量与产品铣切数量的对应关系：

40

x

+10

y

+7

z

≤4500

(2)

式中

x

、

y

、

z

分别代表喷管内壁、中段内壁、短喷管内壁的铣切加工数量。由式(2)可知，根据现场燃烧室内壁零件铣切的数量，可以实时计算出槽液中杂质金属离子含量。当槽液中杂质金属离子含量远低于极限值时，无需对杂质金属离子含量进行化验分析，可正常进行产品化学铣切；当槽液中杂质金属离子含量接近或达到极限值时，须对槽液进行杂质金属离子含量化验分析。

该措施不仅能有效监测槽液中杂质金属离子含量，而且辅助提高了化学分析结果准确性，保证了产品化学铣切的稳定性。

4 产品验证

为验证措施有效性，统计了10件喷管内壁零件铣切后A、B、C、D部位尺寸，其槽深尺寸散差均≯0.3 mm(见表10)，保证了铣切质量均匀性及稳定性。

表10 喷管内壁铣切后槽深尺寸及散差

5 结论

通过开展喷管内壁化学铣切工艺优化研究，提高了产品铣切质量，同时获得以下结论：

1)锥型筒状喷管类零件在转动铣切过程中，存在溶液交换不均匀、不充分问题，不能有效减小不同部位铣切速率差异，导致产品铣切的槽深尺寸散差大、不均匀。

2)在该类型零件化学铣切过程中，设计出的新型铣切转动装置，解决了溶液交换不充分问题，提高了锥型筒状喷管类零件化学铣切的均匀性，也提高了加工能力。

3)随着槽液中杂质金属离子含量不断增大，对产品铣切速率及浸蚀比产生了不良影响，为此，确定了不锈钢化学铣切槽液中杂质金属离子极限浓度为30 g/L。可以此随时建立1Cr18Ni9Ti材料零件化学铣切过程中杂质金属离子含量与零件数量的对应关系，以此监测槽液质量，保证化学铣切质量稳定性。