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本文以新一代低溫閥門(mén)為研究對(duì)象，針對(duì)冷壓成型工藝制造的閥瓣在低溫液氧環(huán)境下串氣率較高，合格率較低的問(wèn)題，開(kāi)展閥瓣成型工藝技術(shù)研究。采用熱壓成型工藝方法，通過(guò)合理的參數(shù)設(shè)計(jì)制造的閥瓣串氣率低，生產(chǎn)成本低，周期短，產(chǎn)品合格率高，符合航天產(chǎn)品制造工藝性的要求。

 

目前，長(zhǎng)征二號(hào)和長(zhǎng)征四號(hào)等型號(hào)運(yùn)載火箭均使用常溫推進(jìn)劑，閥門(mén)產(chǎn)品中的密封結(jié)構(gòu)及密封材料無(wú)法應(yīng)用于液氧低溫環(huán)境，因此，必須掌握低溫閥門(mén)的密封技術(shù)。本文針對(duì)低溫閥門(mén)在低溫試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)不同程度的串氣現(xiàn)象，開(kāi)展密封結(jié)構(gòu)新型制造工藝，解決低溫閥瓣的串氣問(wèn)題，降低生產(chǎn)成本、縮短生產(chǎn)周期，提高產(chǎn)品合格率。

 

閥瓣密封結(jié)構(gòu)

 

目前，低溫環(huán)境下的密封結(jié)構(gòu)分為動(dòng)密封和靜密封，其中動(dòng)密封結(jié)構(gòu)通常采用金屬—非金屬密封，比較典型的密封結(jié)構(gòu)如圖1所示。該密封結(jié)構(gòu)通常稱(chēng)為閥瓣結(jié)構(gòu)，其制造方法是將非金屬密封環(huán)通過(guò)一定的工藝方法置入金屬密封槽內(nèi)。該結(jié)構(gòu)一方面具有金屬基體的強(qiáng)度，另一方面具有非金屬密封環(huán)的密封性能，因此，在閥門(mén)產(chǎn)品密封結(jié)構(gòu)中得到廣泛的使用。

 

圖1 金屬—非金屬密封結(jié)構(gòu)

 

應(yīng)用于常溫環(huán)境下的閥瓣通常采用冷壓成型工藝進(jìn)行制造，通常情況下閥瓣生產(chǎn)完成后，需要進(jìn)行閥瓣氣密試驗(yàn)，氣密試驗(yàn)原理結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，從A 向充氣，壓力達(dá)到要求值后，從B向進(jìn)行檢漏，要求塑料密封環(huán)與閥瓣基體之間形成密封，且不允許漏氣和串氣，漏氣和串氣路線(xiàn)如圖2所示。目前，由于采用冷壓成型工藝制造的閥瓣工藝技術(shù)不穩(wěn)定、不成熟，導(dǎo)致其在液氧、液氮等超低溫環(huán)境下串氣率居高不下，因此，該成型方法已不適應(yīng)于低溫閥瓣的加工制造，基于此，本文主要進(jìn)行低溫閥瓣熱壓成型制造工藝技術(shù)方法的研究。

 

圖2 閥瓣串氣原理結(jié)構(gòu)示意圖

 

低溫閥瓣熱壓成型技術(shù)研究

 

01、熱壓成型工藝方法

 

熱壓成型工藝是將一定量的顆粒狀聚酰亞胺粉料置入金屬閥瓣基體密封槽內(nèi)，整體放入成型的模具腔體內(nèi)，利用帶熱源的壓機(jī)產(chǎn)生一定的溫度和壓力，使加入的顆粒狀聚酰亞胺粉料在高溫高壓下熔融流動(dòng)，緩慢充滿(mǎn)整個(gè)密封槽，再整體放置于高溫的高壓試驗(yàn)機(jī)上，施加一定的壓力后保壓，使形成固體的非金屬壓牢、壓實(shí)，最后，將成型的產(chǎn)品取出，從而完成整個(gè)熱壓成型的過(guò)程。從金屬閥瓣基體的機(jī)加工開(kāi)始，經(jīng)過(guò)一系列的工藝流程，到最后的合格產(chǎn)品，整個(gè)工藝流程如圖3所示。

 

圖3熱壓閥瓣制造工藝流程框圖

 

02  模具設(shè)計(jì)

 

針對(duì)不同的閥瓣結(jié)構(gòu)需要設(shè)計(jì)合理的成型模具，由于熱壓過(guò)程是將顆粒狀聚酰亞胺粉料在高溫條件下充分融化，因此模具需要具有良好的切削加工性能和熱處理性能以及在高溫高壓下具有機(jī)械強(qiáng)度高、變形小的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)的模具材料為CrMn鋼，通過(guò)真空熱處理工藝改變其硬度，并在其表面進(jìn)行鍍鎳處理，達(dá)到更好的防銹效果。另外模具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮加壓方向的合理性，它對(duì)制品的成型性和脫模難易程度均有較大的影響。此外，模具的設(shè)計(jì)還需考慮聚酰亞胺的壓制力能夠全部施加到非金屬環(huán)的端面，防止在壓制過(guò)程中出現(xiàn)跑料現(xiàn)象，一旦跑料，壓制非金屬的實(shí)際壓力便遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于預(yù)先設(shè)定的壓力，從而導(dǎo)致非金屬和金屬基體的結(jié)合強(qiáng)度大大減弱，容易產(chǎn)生串氣的現(xiàn)象，因此設(shè)計(jì)模具時(shí)還需考慮產(chǎn)品和模具的配合公差。本文設(shè)計(jì)的模具結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

 

圖4 熱壓成型模具結(jié)構(gòu)示意圖

 

03  噴砂工藝方法

 

噴砂的工藝方法是以壓縮空氣為驅(qū)動(dòng)力形成噴射束，將磨料(銅礦砂、石英砂、金剛砂、鐵砂等)快速?lài)娚涞浇饘倩w密封槽的底面和側(cè)面，因磨料粗糙度較大，速度較快，會(huì)對(duì)金屬基體密封槽的底面、側(cè)面和環(huán)面產(chǎn)生一定的切削和沖擊作用，使其達(dá)到不同程度的表面粗糙度，從而提高金屬基體和聚酰亞胺材料的粘貼強(qiáng)度和結(jié)合性能。影響噴砂加工的主要參數(shù)有：金屬基體的材料、磨料種類(lèi)(球形、菱形)、磨料粒度、磨料濃度、噴射距離、噴射角度、噴射時(shí)間、壓縮空氣壓力等。根據(jù)前期產(chǎn)品噴砂的要求和經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)，證明磨料粒度為24目時(shí)，粘接強(qiáng)度最大，具體噴砂工藝參數(shù)如表1所示。噴砂前，采用汽油和酒精對(duì)閥瓣金屬基體進(jìn)行超聲波清洗，并嚴(yán)格保證表面的清潔度，然后采用24目的石英砂對(duì)閥瓣金屬基體密封槽進(jìn)行噴砂處理，噴嘴直徑為3 mm，噴砂后不允許任何物體接觸噴砂表面，并對(duì)噴砂表面進(jìn)行檢驗(yàn)，要求金屬基體槽底和側(cè)面噴砂全面且粗糙度均勻。

 

表1 噴砂工藝參數(shù)

 

04  加料過(guò)程控制

 

按照工藝流程，金屬基體密封槽進(jìn)行噴砂結(jié)束后，便可進(jìn)行下一步：加料。加入原材料的多少由金屬基體尺寸和金屬基體密封槽結(jié)構(gòu)確定。本文選用的基體密封槽結(jié)構(gòu)為燕尾槽(見(jiàn)圖5)，其槽底尺寸為Ø144×Ø127×10，由于閥瓣熱壓后還需進(jìn)行精加工，因此需要在厚度尺寸上留出2～3 mm的余量，因此密封槽的尺寸需按Ø144×Ø127×13來(lái)計(jì)算，公式如下：

m=ρ×V                                 (1)

 

其中聚酰亞胺粉料的密度ρ=1.40 g/cm3，通過(guò)以上公式計(jì)算得出需要加入聚酰亞胺粉料的重量約66 g，通過(guò)精確稱(chēng)重后，將粉料加入預(yù)先放入模具中閥瓣基體密封槽內(nèi)。加料前，必須將原材料進(jìn)行干燥處理，原材料的干燥對(duì)于閥瓣熱壓成型質(zhì)量至關(guān)重要，如果原材料除水不干凈，會(huì)導(dǎo)致熱壓時(shí)產(chǎn)生大量氣泡。通過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證，本文的顆粒狀聚酰亞胺粉料選用溫度210 ℃，烘干時(shí)間2 h的參數(shù)進(jìn)行干燥處理。加料時(shí)，需將聚酰亞胺粉料均勻的鋪在密封槽中。

 

圖5 燕尾槽結(jié)構(gòu)示意圖

 

05  模壓壓力、溫度和時(shí)間

 

加料完成后，便可進(jìn)行閥瓣壓制。閥瓣熱壓成型過(guò)程中非金屬變化情況分為三個(gè)階段：

 

1) 玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化為高彈態(tài)的過(guò)程，即非金屬由固態(tài)逐漸轉(zhuǎn)化為液態(tài)的過(guò)程。

 

2) 高彈態(tài)轉(zhuǎn)化為粘流態(tài)以及粘流態(tài)保持的過(guò)程。

 

3) 粘流態(tài)向高彈態(tài)轉(zhuǎn)變的過(guò)程。

 

根據(jù)文獻(xiàn)可知，非金屬變化的三個(gè)階段均受模壓壓力、模壓溫度和模壓時(shí)間三個(gè)工藝參數(shù)的影響。

 

模壓壓力是指非金屬變化的三個(gè)階段過(guò)程中施加到模具上的不同壓力值，非金屬變化第一階段在轉(zhuǎn)化過(guò)程中固態(tài)的粉料不斷融化，體積不斷縮小，導(dǎo)致模具上模的壓板和上模產(chǎn)生間隙，加熱效果降低，因此需要施加一個(gè)很小的模壓壓力使上模的壓板和上模貼合；非金屬變化第二階段為粘流態(tài)，該狀體下不可以施加壓力，否則會(huì)產(chǎn)生氣泡，導(dǎo)致熱壓后的產(chǎn)品性能異常；非金屬變化第三階段需要較大的模壓壓力將充滿(mǎn)密封槽融化狀態(tài)的非金屬進(jìn)行冷卻固化，該壓力不可超過(guò)模具的最大承受能力，防止模具變形或損壞。

 

模壓溫度是指非金屬變化的三個(gè)階段過(guò)程中模具表面的溫度，非金屬在第一和第二階段時(shí)該溫度要高于非金屬的熔點(diǎn)，保證其能充分融化流動(dòng)；非金屬在第三階段時(shí)該溫度不得高于非金屬的熔點(diǎn)，保證其能充分冷卻固化。

 

模壓時(shí)間是指非金屬變化的三個(gè)階段過(guò)程中所需要的全部時(shí)間，即聚酰亞胺粉料融化和固化整個(gè)過(guò)程所需要的全部時(shí)間。不同階段下時(shí)間要求不一，非金屬變化在第一階段全部融化，因此模壓時(shí)間較長(zhǎng)；非金屬第二階段所需模壓時(shí)間較短；非金屬第三階段因需充分固化，所需模壓時(shí)間同樣較長(zhǎng)。

 

由上文描述可知，熱壓后的閥瓣外觀質(zhì)量情況，力學(xué)性能情況均與模壓壓力、模壓溫度和模壓時(shí)間三個(gè)工藝參數(shù)息息相關(guān)。模壓壓力較低會(huì)導(dǎo)致非金屬與金屬之間結(jié)合強(qiáng)度降低，熱壓出的閥瓣非金屬表面出現(xiàn)氣孔、凹坑等缺陷；模壓壓力較高則會(huì)損壞模具，導(dǎo)致閥瓣壓制完成后無(wú)法脫模。模壓溫度的高低對(duì)閥瓣質(zhì)量和性能有著很大的影響，模壓溫度較低會(huì)導(dǎo)致非金屬固化時(shí)間長(zhǎng)，固化后非金屬硬度低等問(wèn)題，模壓溫度較高則會(huì)導(dǎo)致非金屬變色，力學(xué)性能變差。同樣模壓時(shí)間對(duì)閥瓣外觀質(zhì)量和產(chǎn)品性能也有著較大的影響，模壓時(shí)間較短導(dǎo)致非金屬固化時(shí)間不夠，非金屬受到外力沖擊后易變形和翹曲，模壓時(shí)間較長(zhǎng)則會(huì)導(dǎo)致非金屬內(nèi)應(yīng)力增加，力學(xué)性能降低，生產(chǎn)周期加長(zhǎng)。因此，閥瓣壓制過(guò)程中需要精確控制三個(gè)工藝參數(shù)：模壓壓力、模壓溫度和模壓時(shí)間。

 

為了更清晰的找到模壓壓力、模壓溫度和模壓時(shí)間三個(gè)工藝參數(shù)對(duì)閥瓣質(zhì)量和性能的影響因素，本文選擇使用正交試驗(yàn)方法進(jìn)行分析驗(yàn)證。選取非金屬變化的第一階段中模壓壓力、模壓溫度和模壓時(shí)間為自變量進(jìn)行分析。

 

第一階段中模壓壓力較小，因此選擇變化量為A1=0.3 MPa、A2=0.4 MPa、A3=0.5 MPa；由于聚酰亞胺粉料的熔點(diǎn)約為360 ℃，因此第一階段模壓溫度選擇變化量為B1=380 ℃、B2=400 ℃、B3=420 ℃；第一階段中模壓時(shí)間較長(zhǎng)，因此選擇變化量為C1=10 min、C2=15 min、C3=20 min。第一階段的正交試驗(yàn)組合如表2所示。

 

表2 正交試驗(yàn)組合

 

第二階段和第三階段的模壓壓力、模壓溫度和模壓時(shí)間參數(shù)確認(rèn)方法同樣采用正交試驗(yàn)法。經(jīng)過(guò)熱壓后閥瓣的外觀質(zhì)量和力學(xué)性能試驗(yàn)驗(yàn)證，閥瓣熱壓成型過(guò)程中非金屬三個(gè)階段的具體工藝參數(shù)如表3所示。

 

表3 熱壓成型過(guò)程工藝參數(shù)

 

閥瓣密封結(jié)構(gòu)

 

將熱壓成型好的閥瓣取出后，在大氣中緩慢冷卻，閥瓣熱壓成型后的實(shí)物圖如圖6所示。由于閥瓣經(jīng)過(guò)噴砂、加料、壓制等多個(gè)過(guò)程，導(dǎo)致閥瓣金屬基體表面和非金屬表面粗糙度較差，不滿(mǎn)足使用要求，因此需要進(jìn)行機(jī)加工處理，使其端面平整、光滑。

 

圖6 熱壓后閥瓣實(shí)物圖

 

試驗(yàn)驗(yàn)證

 

采用上述工藝參數(shù)進(jìn)行熱壓成型的閥瓣在精加工完成后，還需在液氮環(huán)境下(-196℃)下進(jìn)行超低溫串氣試驗(yàn)，以驗(yàn)證其密封性能。超低溫串氣試驗(yàn)系統(tǒng)如下圖7所示，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證熱壓成型的閥瓣串氣率均為零，有力地保證了閥瓣和殼體之間的密封性能，進(jìn)而證明了本文選取的工藝參數(shù)的合理性和可行性。

 

 

圖7 串氣試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖

 

結(jié)論

 

本文通過(guò)閥瓣熱壓成型制造工藝技術(shù)方法的研究，得到以下結(jié)論：

1) 針對(duì)閥瓣結(jié)構(gòu)需設(shè)計(jì)合理的成型模具，且成型模具應(yīng)考慮材料強(qiáng)度和重要尺寸精度的要求。

2) 閥瓣基體噴砂前需嚴(yán)格保證噴砂面清潔度，噴砂后需保證噴砂面全面且均勻。

3) 加料前非金屬原材料需干燥處理，加料時(shí)需均與鋪層。

4) 熱壓時(shí)，需精確控制模壓壓力、模壓溫度和模壓時(shí)間三個(gè)工藝參數(shù)。