航天產品綠色清洗工藝技術應用實踐研究

朱 劍，聶 蕾，宋振坤，高春鋒，桂 林

（北京精密機電控制設備研究所，北京 100076）

0 引言

由于航天產業的特殊性，航天產品普遍存在結構復雜、尺寸精度高、質量可靠性要求高等特點，為滿足航天產品潔凈度要求，過去航天企業普遍采用高標汽油作為清洗劑。汽油雖然對有機類污垢具有較強的清洗效果，但閃點較低，清洗現場不僅存在重大安全隱患，且對環境和操作者健康都有一定危害性。隨著社會經濟的發展，航空航天領域也開始大力提倡綠色制造技術的創新與應用，在有效保證產品質量的基礎上，尋求新方法減少污染，從而實現技術發展與保護環境的雙贏局面，因此能夠生產更加潔凈、高質量的零件也成為一種重要的國防競爭優勢［1］。

近年來，綠色清洗技術的研究主要集中在新型清洗劑的研制、特種清洗技術研究、清洗設備研制等方面。這些新技術在應用于特殊產品時，仍需要開展進一步的應用研究。如陳翊坤［2］針對航空發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動機積碳等問題開展清洗工藝研究；赫亮［4］對航空發動機低渦軸零件超聲波清洗技術及專用設備進行了研究。

航天產品生產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，若清洗質量不能滿足要求，則會影響產品的質量、功能和使用壽命，因此有必要針對航天產品特點開展可替代汽油清洗的綠色清洗工藝研究。

1 綠色清洗工藝發展現狀

為保護自然環境，清洗技術的環境無害化逐漸得到社會關注，清洗技術正在向環保型、功能型、精細化、集成化方向發展［5］。就具體實現途徑，綠色清洗技術發展方向主要集中在兩個方面，一是物理清洗方法的不斷創新，如水射流清洗技術、過熱蒸汽清洗技術、干冰清洗技術、激光清洗技術、等離子清洗技術等［6］；二是高效且對環境友好的綠色清洗劑的研發，如合成具有生物降解能力和酶催化作用的化學清洗劑、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，因此物理清洗的環保性更好；但物理清洗高度依賴設備，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應用具有局限性。化學清洗是利用化學藥劑溶解并去除污垢，相對而言化學清洗的普遍適應性更好，綠色化學清洗劑的研發與應用逐漸成為主流。很多生產企業采用了物理清洗與化學清洗相結合的方式，以便獲得更好的清洗效果。

普及較廣的綠色化學清洗劑有兩類：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 航天產品清洗工藝特點

在工業清洗領域，清洗工藝的選擇一般與產品材料及結構、污染物類型和程度、潔凈度要求、生產周期及產量等多方面因素有關。航天產品清洗工藝一般具有以下特點。

（1）大部分航天產品以金屬零件為主，非金屬零件為輔，材料種類多樣；很多零部件結構復雜，具有交叉孔系、盲孔、微小孔或不規則內腔等特殊結構，清洗困難；產品制造過程涉及各類工藝，除常規車、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）航天產品工藝流程復雜，從最初的零件材料加工到最后的整機裝配、測試，各工序都有不同標準的清洗要求。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，通常要求嚴格，否則殘留的多余物可能引起產品性能失效，清洗對象主要為防銹油及殘渣、灰塵等微粒。

（3）航天企業一般具有多品種、小批量的生產特點，且產品更新較快。過去由于航天產品產量較低，清洗工藝以浸泡、刷洗等手工操作為主；近年隨著航天產品需求及產量的不斷提升，一些企業逐漸引進超聲波清洗、噴淋清洗、激光清洗、蒸汽清洗等設備。

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

3 航天伺服產品綠色清洗工藝應用研究

航天伺服機構是典型的具有航天產品特色的高精度控制系統，對多余物非常敏感，因此產品清潔度要求較高；伺服機構的生產組織模式也具有小批量、多品種的特點。過去伺服機構清洗工藝以浸泡、刷洗等手工操作為主，少量工序采用了以煤油為介質的超聲波清洗，為踐行企業綠色經營理念，提升本質安全，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的選擇及評價

根據伺服產品特點及生產現狀，綜合評價、分析當前主流綠色清洗工藝適應性，如表2 所示。

表2 清洗方法選擇評價

綜上，因伺服產品生產批量小、品種多、產品更新快，優先選用碳氫類溶劑型清洗劑，更適應當前研究所手工清洗與超聲波清洗為主的工藝現狀，后續當產品批量持續增長時，可考慮引入噴淋等其他清洗方法。

3.1.2 清洗工藝應用論證

經分析，碳氫類溶劑型清洗劑最適合航天產品清洗生產現狀，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，能否滿足伺服產品具體質量要求需進一步論證。為此，特設計普遍適應性鑒定試驗和專項鑒定試驗兩部分。

（1）普遍適應性鑒定試驗：目的是對清洗劑的基本性能進行比較，及對伺服產品常見結構及生產條件的普遍適應性進行驗證及評價，在此基礎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 所示的試驗結果可看出，MANCLEAN 65L、SK－410、SK－410D 三種清洗劑在防銹性方面優于汽油，在揮發性方面較汽油略差，對伺服產品普遍適應性與汽油相當，能夠滿足伺服產品復雜內腔、深孔等特殊結構的清洗要求。

表3 清洗劑普遍適應性試驗項目表

（2）專項鑒定試驗：目的是針對產品制造工藝特點，驗證清洗劑能否滿足伺服產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 專項試驗結果

經試驗論證，最終選定的2 種清洗劑能夠滿足航天伺服產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的產品潔凈度及質量要求，可以替代原汽油清洗工藝。

3.2 優化工藝流程，實現降本增效

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

過去航天產品生產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化，取消工序內清洗操作，而在一些重要生產節點后增設獨立清洗工序。機加過程工序內的零件清洗，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。增設的清洗工序使用清洗劑，并充分利用超聲波清洗設備，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。經統計，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，尤其當產品批量較大時更有利于提高生產效率、降低人工成本。

圖1 清洗工藝流程優化

表6 兩種工藝方法清洗工時統計

4 結束語

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