楊亞青YANG Ya-qing；羅永方LUO Yong-fang；國寧GUO Ning

（河南航天液壓氣動技術(shù)有限公司，鄭州 450016）

0 引言

航天器閥體密封結(jié)構(gòu)有特殊的要求，其形狀是微小圓弧的曲線，對加工工藝的要求性很高。閥體密封結(jié)構(gòu)要求是產(chǎn)品表面光潔、結(jié)構(gòu)尺寸小，對加工工藝和檢測方法有精準(zhǔn)的要求，當(dāng)前這兩方面還存在成品率低、生產(chǎn)效率低、生產(chǎn)質(zhì)量低等問題，這些問題會影響航天器閥體密封結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，無法實現(xiàn)批量生產(chǎn)的要求，這一點需要加以重視，采取有效的措施去解決。

1 閥體密封結(jié)構(gòu)的概述

閥體密封結(jié)構(gòu)包括兩種形式，一種是非接觸性的密封，另一種是接觸性的密切。非接觸密封在工作中，其組件并沒有接觸，實現(xiàn)密封的目標(biāo)是依靠壓力[1]。在密封力的影響下，兩密封面會相互嵌入，還能互相接觸，如此能消除或減少兩封面的縫隙，這種便是接觸密封的含義。它又可分為非彈性密封、彈性密封，劃分標(biāo)準(zhǔn)是受密封結(jié)構(gòu)的影響。在航天器的密封結(jié)構(gòu)中，閘閥需要擰緊螺栓，讓閥蓋對密封環(huán)產(chǎn)生壓力，此時密封材料會發(fā)生變形，這會導(dǎo)致密封面出現(xiàn)許多細(xì)小縫隙和凹凸點來填充達(dá)到密封的效果，但受高溫的影響，閥體和閥蓋的熱膨脹系數(shù)和溫度是不同的，這容易導(dǎo)致閥體和閥蓋兒的熱膨脹量出現(xiàn)差異，由此密封處便容易出現(xiàn)縫隙，預(yù)留螺栓也會因為受熱的原因?qū)е滤沙?，密封會失去效果?/p>

要改進(jìn)航天器閥體有兩種方式，一種是通過新材料提升閥體的高溫性能，另一種是使原閥體的壁厚增加來提升閥體的力學(xué)性能。在選擇新材料上，相關(guān)人員要充分考慮高溫力學(xué)的性能，這主要包括耐熱沖擊、韌性、硬度、強(qiáng)度，還要考慮材料受熱膨脹系數(shù)，在相同的條件下要盡量選擇熱膨脹系數(shù)小的材料，以便后期更好地實現(xiàn)閥內(nèi)零件的配合設(shè)計。在選擇閥體材料時，熱膨脹系數(shù)要與閥內(nèi)零件的熱膨脹系數(shù)一致，如此當(dāng)出現(xiàn)熱脹冷縮的現(xiàn)象時，閥體內(nèi)零件的變化量是相同的，可讓閥體的使用壽命得以提升。

2 閥體的種類

在選擇航天器的閥體材料時，相關(guān)人員要考慮化學(xué)性能和在物理性能，化學(xué)性能包括密封性和腐蝕性，物理性能包括環(huán)境溫度和工作壓力，閥體所使用的材料包括銅、鑄鐵、不銹鋼、碳鋼，選擇的原則為對于溫度低于300度，規(guī)格尺寸較大，中低壓力、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的閥體一般使用的材料是鑄造工藝的生產(chǎn)閥體；在溫度高于300度，規(guī)格尺寸較小，中高壓力，結(jié)構(gòu)簡單的閥體一般會運(yùn)用鍛造工藝生產(chǎn)閥體。在社會和科技的發(fā)展下，不銹鋼閥門更加受到人們的重視，它對技術(shù)有很高的要求，以下是閥體的種類。

2.1 碳鋼閥體

碳鋼閥體不僅包括人們所熟知的鍛鋼閥體，還包括鑄鋼閥體，這一閥體有著較低的在含碳量，將它與鑄鐵進(jìn)行比較，硬度和強(qiáng)度更好，具有很強(qiáng)的焊接性能和可鍛性能，為了使它的綜合性能有所提升，人們一般會將合金元素加入到碳鋼中，在市面上一般能看到的牌號包括16Mn，ZG25等。

2.2 鑄鐵閥體

鑄鐵閥體主要有兩種，即球墨鑄鐵閥體、灰口鑄鐵閥體，后者有較高的含碳量和強(qiáng)度，成本較低，有便宜的價格，但韌性和塑性不佳，它適用于要求不高的場合。球墨鑄鐵閥體與灰口鑄鐵閥體相比較，強(qiáng)度、機(jī)械性能、韌性、塑性更好。

2.3 不銹鋼閥體

不銹鋼有很高的密封性和防腐性，可將它廣泛地運(yùn)用到衛(wèi)生食品、化工產(chǎn)品等場合中，市面上常見到的牌子有2520、316等。

3 閥體密封結(jié)構(gòu)加工工藝分析

閥體是一個異形件，是型腔體的，見圖1。分析它的加工工藝，要看到共件的振動、定位、裝夾等，從閥體的加工示意圖中可看出閥體的加工面包括閥座孔、法蘭加工等，法蘭的作用是連接閥蓋，支撐閥桿的運(yùn)動。

圖1 閥體示意圖

航天器密封結(jié)構(gòu)具有以下的特點：第一，結(jié)構(gòu)剖面一般為曲線，尺寸小。第二，有特殊的結(jié)構(gòu)，無法在加工中運(yùn)用常規(guī)刀具；第三，密封結(jié)構(gòu)的型面、尺寸無法運(yùn)用常規(guī)的檢測方法，對結(jié)構(gòu)表面粗糙度有很高的要求，處于規(guī)定的范圍內(nèi)。

3.1 加工方法

3.1.1 傳統(tǒng)加工方法 在航天器閥體密封結(jié)構(gòu)中，傳統(tǒng)的方法的加工是成型刀，具體來說是根據(jù)航天器密封結(jié)構(gòu)的形狀，將其制作成仿形道具，以這種方式完成加工[2]。這種方式的缺點在于航天器密封結(jié)構(gòu)的精度完全與刀刃部位圓弧型面精度有關(guān)，在這種加工下，仿形刀具的要求性更高，需要做好維修、制作、返修等工作。刀刃外形上一般是使用慢走絲加工，這需要加工人員掌握很高的加工技術(shù)和能力，能夠打磨圓弧結(jié)構(gòu)的刀具，這能讓零部件的表面更加光滑，這種加工完成依靠經(jīng)驗，很難保證刀具圓弧手工刃磨的一致性。操作人員運(yùn)用這種技術(shù)加工，航天器閥體密封結(jié)構(gòu)質(zhì)量的經(jīng)濟(jì)性、加工效率、穩(wěn)定性達(dá)不到規(guī)定的要求，無法進(jìn)行大規(guī)模的生產(chǎn)。同時，刀具運(yùn)用這種加工方式，航天器密封結(jié)構(gòu)圓弧處的表面達(dá)不到規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，會比較粗糙，后期密封處的拋光會面臨許多挑戰(zhàn)，這也會導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)很高的報廢率。

3.1.2 改進(jìn)后的加工方法 在通過大量實驗后，設(shè)計人員優(yōu)化了加工方法，改變了刀具的參數(shù)，會運(yùn)用數(shù)控程序加工完成航天器的密封結(jié)構(gòu)曲線[4]。這種方法最大的優(yōu)勢是為了保證密封結(jié)構(gòu)型面的精度，會運(yùn)用數(shù)控插補(bǔ)替代仿形刀具，這能讓道具的制作成本大大減少，為了更清晰地展示這種方法，本文列出了以下的表格，詳見表1。

3.2 刀具的選擇與參數(shù)改造

3.2.1 刀具的選擇 在航天器密封結(jié)構(gòu)的特點下，刀具最好選擇普通硬質(zhì)合金車刀，在刀刃上，可選擇金剛石砂輪這種精密的刀刃，將它與刀具結(jié)構(gòu)組合在一起完成線切割[5]。這種方式能讓刀刃表面的粗糙度得到有效提升，還能讓工件表面的粗糙度得到很大提升，增強(qiáng)刀具改造率，刃磨的使用不需要很高的技能，具有很強(qiáng)的可操作性。

3.2.2 刀具參數(shù) 航天器密封結(jié)構(gòu)的圓弧的要求很高，在表面粗糙度、飽滿度、曲線形狀上的要求都很高，這就要求圓弧處在加工時要一次走刀完成[6]。密封圓弧中的小孔會對刀具的供給量產(chǎn)生制約，在計算下可知刀具的副后角、偏角在改造時要保持45°，在這一理論下，刀尖需要比理論上小孔的距離深，能夠滿足內(nèi)孔與圓弧的實際需求。另外，為了提升刀尖的強(qiáng)度，可在密封結(jié)構(gòu)加工中運(yùn)用零度前角，這能更好地完成這類結(jié)構(gòu)的加工。如此，在整個圓弧的加工上可采取一次走刀的方式，防止圓弧和刀具產(chǎn)生干涉。在通過以上的改造后，圓弧的飽滿度、形狀會更好，能一次走刀完成加工，避免在密封結(jié)構(gòu)中由于多次走刀而留下接刀痕。在改造刀具后，操作人員在切削中要運(yùn)用小吃刀量，選擇的范圍在0.1mm以內(nèi)，還要增大車刀的角度，做好小走刀量的工藝參數(shù)工作。

表1改進(jìn)后兩種方法的對比

3.3 閥體加工設(shè)備的選擇

相關(guān)人員在選擇閥體設(shè)備時，要根據(jù)生產(chǎn)類型、技術(shù)能力、閥體形狀進(jìn)行選擇，在確保加工精度的基礎(chǔ)上，要對加工設(shè)備合理選擇，讓生產(chǎn)效率得以提升。回旋體是加工面的主要表現(xiàn)方式，加工人員在加工中應(yīng)遵循精細(xì)加工和集中加工的方式，在進(jìn)行閥體粗加工時，可選擇臥式車床，減少工件在旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的位移和離心力。在加工閥體表面時在，刀桿本身的剛性、刀具深處的長度對閥體的加工質(zhì)量會產(chǎn)生影響，由此，閥體的初加工要選擇臥式車床加工。加工中心可完成閥體的精加工，在精加工中，加工的余量和夾緊力比較小，工作臺可直線運(yùn)動，減少加工誤差，其主軸也具有數(shù)控和剛性的特點，能讓閥體的加工質(zhì)量得以保障。閥體機(jī)械加工的工藝過程表2表現(xiàn)的更為清晰。

表2閥體機(jī)械加工的工藝過程

3.4 應(yīng)用效果

傳統(tǒng)方法和改進(jìn)后的方法在合格率、經(jīng)濟(jì)性、加工效果、加工效率這四個方面都是不同的，這也產(chǎn)生了不同的應(yīng)用效果，具體情況詳見表3。

4 產(chǎn)品檢測方法

航天器閥體密封結(jié)構(gòu)的精度與閥的密封性有直接的影響，它也是檢驗閥體是否符合標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)，但當(dāng)前密封結(jié)構(gòu)的形狀、表面質(zhì)量、位置、結(jié)構(gòu)小，這導(dǎo)致表面質(zhì)量的檢測難度很大[7]。當(dāng)前，人們所接觸到的航天密封結(jié)構(gòu)的閥體都是可直接觀察到的，當(dāng)前，人們在檢測密封結(jié)構(gòu)的表面粗糙度上，可運(yùn)用普遍的樣板對比法來檢測，對于深口的密封結(jié)構(gòu)中，在檢測中可運(yùn)用深孔內(nèi)窺鏡。另外，航天器閥體密封結(jié)構(gòu)的位置、形狀是很難檢測的，它們在檢測中無法運(yùn)用常規(guī)的辦法，由此運(yùn)用的檢測的方法是在正式加工前運(yùn)用工藝性的加工試驗，將慢走絲分中剖切運(yùn)用到三處密封結(jié)構(gòu)加工中，在完成后，可利用萬能顯微鏡檢測結(jié)構(gòu)的精度、尺寸、形狀、位置，在檢測合格后，可確定刀具和工藝參數(shù)，能夠加工生產(chǎn)大規(guī)模、一批次的航天閥體結(jié)構(gòu)，還可根據(jù)人員、固定設(shè)備來加工航天閥體結(jié)構(gòu)，則剖切檢測閥體首件產(chǎn)品和末件產(chǎn)品，提升密封結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的質(zhì)量。

在閥口形成和表面質(zhì)量檢測方面，閥口表面的質(zhì)量和成形狀態(tài)也會對閥門的密封性造成影響，受閥口結(jié)構(gòu)特點的限制，閥門加工處有較深的進(jìn)刀位置，在其加工完成后，無法用常規(guī)方法檢查閥口的表面質(zhì)量、相關(guān)尺寸的大小。操作人員如果使用普通的工具檢測閥體的內(nèi)部，如內(nèi)窺鏡，它觀測不到閥口內(nèi)部的加工缺陷、加工紋路，不能準(zhǔn)確判斷閥口結(jié)構(gòu)的表面粗糙度、加工精度。同時，當(dāng)前的檢測方法是在工藝上對其參數(shù)進(jìn)行確定，對必要設(shè)備進(jìn)行啊固定，操作人員使用成形樣板刀，這能生產(chǎn)出大量的航天器密封結(jié)構(gòu)零件的閥口，當(dāng)這些零件全部加工后，可隨機(jī)抽出一個零件進(jìn)行剖切，這能對閥口的成形尺寸進(jìn)行檢驗。通過分析上面的檢測方法，對閥門的表面質(zhì)量、加工的精度起到總體上的控制作用。但從閥門組裝后的結(jié)構(gòu)來看，加工上還存在不一致性。從理論上來說，對于同一批的航天器閥體密封結(jié)構(gòu)，人員使用同一加工設(shè)備、同樣的刀具、相同的工藝參數(shù)，這不會改變閥口的成形形狀，但可以保證加工的質(zhì)量。但從實踐的角度來看，加工和檢測是由人工操作的，在實際加工中難免會存在一些不足，這會使得閥口的加工位置不好，使得操作出現(xiàn)差異性，這種差異的產(chǎn)生，在檢測時，由于閥口的位置較深，操作人員是很難用肉眼發(fā)現(xiàn)的，此時操作人員可借助45倍的顯微鏡，這能對閥口的缺點和微觀形貌有清晰地了解，發(fā)現(xiàn)加工后的微小缺陷，進(jìn)而準(zhǔn)確判斷閥口的表面質(zhì)量。

表3應(yīng)用效果

5 閥體密封結(jié)構(gòu)加工改進(jìn)的措施

5.1 擬定加工工藝路線

航天器密封結(jié)構(gòu)在擬定工藝路線時，采用的工序呈現(xiàn)的是分散還是集中的狀況，這與技術(shù)要求、零件的結(jié)構(gòu)特點、生產(chǎn)規(guī)模有很大的關(guān)系，加工人員有時還需對各工序生產(chǎn)的一致性進(jìn)行考慮[8]。在通常情況下，在生產(chǎn)小批量的密封結(jié)構(gòu)時，需要集中工藝，運(yùn)用普通的機(jī)床，盡可能加工出更多的表面；在生產(chǎn)大批量的產(chǎn)品時，可運(yùn)用自動機(jī)床，多軸、多刀的生產(chǎn)，可將工序分散，也可將工序集中，提升產(chǎn)品的生產(chǎn)率和質(zhì)量。

5.2 嚴(yán)格把控位置公差和密封副工藝尺寸鏈

要保障閥體結(jié)構(gòu)的密封性，設(shè)計人員在加工時要將位置公差和尺寸控制在規(guī)定的范圍內(nèi)，讓它符合相關(guān)的規(guī)定，保證閥板安裝完備。也要將密封副的間隙進(jìn)行控制，以免閥板因受阻力過大而出現(xiàn)難以開閉的現(xiàn)象，對密封結(jié)構(gòu)造成影響，使得設(shè)備出現(xiàn)故障。

5.3 保證密封副之間加工的精準(zhǔn)度

閥座和閥體的結(jié)合面不能凹凸不平、太粗糙，表層結(jié)構(gòu)要精密、細(xì)致，避免出現(xiàn)針眼、氣孔等現(xiàn)象，有效層的厚度要在0.5mm左右，以免出現(xiàn)裂縫，在進(jìn)行噴焊工作時，要考慮兩類金屬的實際膨脹系數(shù)，能正確選擇，設(shè)計合適的處理方案，增強(qiáng)密封界面的硬度，保證表層的抗磨性和抗腐蝕性，以免有不必要的縫隙。設(shè)計人員還要對整個密封面進(jìn)行打磨，在打磨前要選擇合適的工具和方案，打磨不能出現(xiàn)劃痕。最后，在打磨后要完成拋光的工作，要將表面盡量打磨地透亮光滑，去除摩擦雜質(zhì)。

5.4 重視密封結(jié)構(gòu)的加工

5.4.1 閥蓋密封結(jié)構(gòu)的加工 高溫下閥體要保持良好的密封性能，研究人員在改進(jìn)時可設(shè)計多種方案，如改進(jìn)閥座與導(dǎo)向接頭部位，可進(jìn)行嚴(yán)密縫焊，針對閥桿密封缺失的問題，人員可設(shè)計多種適用于高溫的彈性密封結(jié)構(gòu)，可通過在填料下方放置組合式石墨盤和補(bǔ)償性預(yù)壓的彈簧來保持填料密封力，如此石墨填料與閥桿出現(xiàn)問題時，彈簧也能立刻作出反應(yīng)。

5.4.2 密封面的加工 傳統(tǒng)的密封面的材料會選擇Cr10Mo和Cr14，這些普通材料在高溫下硬度會發(fā)生變化，會發(fā)生軟化，密封面容易出現(xiàn)變形，導(dǎo)致密封失效。有研究表明，運(yùn)用鉻化硼合金密封材料，即便在高溫下也會保持良好的硬度，即使是承受700度的高溫，表面的硬度基本不變，或只減小不到百分之十，它可用于航天器閥門的密封面中，提升高溫密封效果。

6 結(jié)語

航天器密封結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)、加工中有許多的要求，本文通過分析以上的加工和檢測方法，能極大地提高閥體的經(jīng)濟(jì)性、加工精度，還能提升閥體的表面質(zhì)量和加工精度。從檢測的結(jié)果中可看出刀具的通過性、檢測方式、工藝方法的正確可讓操作人員較為更好地完成加工和檢測，能為批量化生產(chǎn)做出準(zhǔn)備。