航天器阀体密封结构加工及其质量分析

杨亚青YANG Ya-qing；罗永方LUO Yong-fang；国宁GUO Ning

（河南航天液压气动技术有限公司，郑州 450016）

0 引言

航天器阀体密封结构有特殊的要求，其形状是微小圆弧的曲线，对加工工艺的要求性很高。阀体密封结构要求是产品表面光洁、结构尺寸小，对加工工艺和检测方法有精准的要求，当前这两方面还存在成品率低、生产效率低、生产质量低等问题，这些问题会影响航天器阀体密封结构的稳定性，无法实现批量生产的要求，这一点需要加以重视，采取有效的措施去解决。

1 阀体密封结构的概述

阀体密封结构包括两种形式，一种是非接触性的密封，另一种是接触性的密切。非接触密封在工作中，其组件并没有接触，实现密封的目标是依靠压力[1]。在密封力的影响下，两密封面会相互嵌入，还能互相接触，如此能消除或减少两封面的缝隙，这种便是接触密封的含义。它又可分为非弹性密封、弹性密封，划分标准是受密封结构的影响。在航天器的密封结构中，闸阀需要拧紧螺栓，让阀盖对密封环产生压力，此时密封材料会发生变形，这会导致密封面出现许多细小缝隙和凹凸点来填充达到密封的效果，但受高温的影响，阀体和阀盖的热膨胀系数和温度是不同的，这容易导致阀体和阀盖儿的热膨胀量出现差异，由此密封处便容易出现缝隙，预留螺栓也会因为受热的原因导致松弛，密封会失去效果。

要改进航天器阀体有两种方式，一种是通过新材料提升阀体的高温性能，另一种是使原阀体的壁厚增加来提升阀体的力学性能。在选择新材料上，相关人员要充分考虑高温力学的性能，这主要包括耐热冲击、韧性、硬度、强度，还要考虑材料受热膨胀系数，在相同的条件下要尽量选择热膨胀系数小的材料，以便后期更好地实现阀内零件的配合设计。在选择阀体材料时，热膨胀系数要与阀内零件的热膨胀系数一致，如此当出现热胀冷缩的现象时，阀体内零件的变化量是相同的，可让阀体的使用寿命得以提升。

2 阀体的种类

在选择航天器的阀体材料时，相关人员要考虑化学性能和在物理性能，化学性能包括密封性和腐蚀性，物理性能包括环境温度和工作压力，阀体所使用的材料包括铜、铸铁、不锈钢、碳钢，选择的原则为对于温度低于300度，规格尺寸较大，中低压力、结构复杂的阀体一般使用的材料是铸造工艺的生产阀体；在温度高于300度，规格尺寸较小，中高压力，结构简单的阀体一般会运用锻造工艺生产阀体。在社会和科技的发展下，不锈钢阀门更加受到人们的重视，它对技术有很高的要求，以下是阀体的种类。

2.1 碳钢阀体

碳钢阀体不仅包括人们所熟知的锻钢阀体，还包括铸钢阀体，这一阀体有着较低的在含碳量，将它与铸铁进行比较，硬度和强度更好，具有很强的焊接性能和可锻性能，为了使它的综合性能有所提升，人们一般会将合金元素加入到碳钢中，在市面上一般能看到的牌号包括16Mn，ZG25等。

2.2 铸铁阀体

铸铁阀体主要有两种，即球墨铸铁阀体、灰口铸铁阀体，后者有较高的含碳量和强度，成本较低，有便宜的价格，但韧性和塑性不佳，它适用于要求不高的场合。球墨铸铁阀体与灰口铸铁阀体相比较，强度、机械性能、韧性、塑性更好。

2.3 不锈钢阀体

不锈钢有很高的密封性和防腐性，可将它广泛地运用到卫生食品、化工产品等场合中，市面上常见到的牌子有2520、316等。

3 阀体密封结构加工工艺分析

阀体是一个异形件，是型腔体的，见图1。分析它的加工工艺，要看到共件的振动、定位、装夹等，从阀体的加工示意图中可看出阀体的加工面包括阀座孔、法兰加工等，法兰的作用是连接阀盖，支撑阀杆的运动。

图1 阀体示意图

航天器密封结构具有以下的特点：第一，结构剖面一般为曲线，尺寸小。第二，有特殊的结构，无法在加工中运用常规刀具；第三，密封结构的型面、尺寸无法运用常规的检测方法，对结构表面粗糙度有很高的要求，处于规定的范围内。

3.1 加工方法

3.1.1 传统加工方法 在航天器阀体密封结构中，传统的方法的加工是成型刀，具体来说是根据航天器密封结构的形状，将其制作成仿形道具，以这种方式完成加工[2]。这种方式的缺点在于航天器密封结构的精度完全与刀刃部位圆弧型面精度有关，在这种加工下，仿形刀具的要求性更高，需要做好维修、制作、返修等工作。刀刃外形上一般是使用慢走丝加工，这需要加工人员掌握很高的加工技术和能力，能够打磨圆弧结构的刀具，这能让零部件的表面更加光滑，这种加工完成依靠经验，很难保证刀具圆弧手工刃磨的一致性。操作人员运用这种技术加工，航天器阀体密封结构质量的经济性、加工效率、稳定性达不到规定的要求，无法进行大规模的生产。同时，刀具运用这种加工方式，航天器密封结构圆弧处的表面达不到规定的标准，会比较粗糙，后期密封处的抛光会面临许多挑战，这也会导致产品出现很高的报废率。

3.1.2 改进后的加工方法 在通过大量实验后，设计人员优化了加工方法，改变了刀具的参数，会运用数控程序加工完成航天器的密封结构曲线[4]。这种方法最大的优势是为了保证密封结构型面的精度，会运用数控插补替代仿形刀具，这能让道具的制作成本大大减少，为了更清晰地展示这种方法，本文列出了以下的表格，详见表1。

3.2 刀具的选择与参数改造

3.2.1 刀具的选择 在航天器密封结构的特点下，刀具最好选择普通硬质合金车刀，在刀刃上，可选择金刚石砂轮这种精密的刀刃，将它与刀具结构组合在一起完成线切割[5]。这种方式能让刀刃表面的粗糙度得到有效提升，还能让工件表面的粗糙度得到很大提升，增强刀具改造率，刃磨的使用不需要很高的技能，具有很强的可操作性。

3.2.2 刀具参数 航天器密封结构的圆弧的要求很高，在表面粗糙度、饱满度、曲线形状上的要求都很高，这就要求圆弧处在加工时要一次走刀完成[6]。密封圆弧中的小孔会对刀具的供给量产生制约，在计算下可知刀具的副后角、偏角在改造时要保持45°，在这一理论下，刀尖需要比理论上小孔的距离深，能够满足内孔与圆弧的实际需求。另外，为了提升刀尖的强度，可在密封结构加工中运用零度前角，这能更好地完成这类结构的加工。如此，在整个圆弧的加工上可采取一次走刀的方式，防止圆弧和刀具产生干涉。在通过以上的改造后，圆弧的饱满度、形状会更好，能一次走刀完成加工，避免在密封结构中由于多次走刀而留下接刀痕。在改造刀具后，操作人员在切削中要运用小吃刀量，选择的范围在0.1mm以内，还要增大车刀的角度，做好小走刀量的工艺参数工作。

表1改进后两种方法的对比

3.3 阀体加工设备的选择

相关人员在选择阀体设备时，要根据生产类型、技术能力、阀体形状进行选择，在确保加工精度的基础上，要对加工设备合理选择，让生产效率得以提升。回旋体是加工面的主要表现方式，加工人员在加工中应遵循精细加工和集中加工的方式，在进行阀体粗加工时，可选择卧式车床，减少工件在旋转产生的位移和离心力。在加工阀体表面时在，刀杆本身的刚性、刀具深处的长度对阀体的加工质量会产生影响，由此，阀体的初加工要选择卧式车床加工。加工中心可完成阀体的精加工，在精加工中，加工的余量和夹紧力比较小，工作台可直线运动，减少加工误差，其主轴也具有数控和刚性的特点，能让阀体的加工质量得以保障。阀体机械加工的工艺过程表2表现的更为清晰。

表2阀体机械加工的工艺过程

3.4 应用效果

传统方法和改进后的方法在合格率、经济性、加工效果、加工效率这四个方面都是不同的，这也产生了不同的应用效果，具体情况详见表3。

4 产品检测方法

航天器阀体密封结构的精度与阀的密封性有直接的影响，它也是检验阀体是否符合标准的依据，但当前密封结构的形状、表面质量、位置、结构小，这导致表面质量的检测难度很大[7]。当前，人们所接触到的航天密封结构的阀体都是可直接观察到的，当前，人们在检测密封结构的表面粗糙度上，可运用普遍的样板对比法来检测，对于深口的密封结构中，在检测中可运用深孔内窥镜。另外，航天器阀体密封结构的位置、形状是很难检测的，它们在检测中无法运用常规的办法，由此运用的检测的方法是在正式加工前运用工艺性的加工试验，将慢走丝分中剖切运用到三处密封结构加工中，在完成后，可利用万能显微镜检测结构的精度、尺寸、形状、位置，在检测合格后，可确定刀具和工艺参数，能够加工生产大规模、一批次的航天阀体结构，还可根据人员、固定设备来加工航天阀体结构，则剖切检测阀体首件产品和末件产品，提升密封结构产品的质量。

在阀口形成和表面质量检测方面，阀口表面的质量和成形状态也会对阀门的密封性造成影响，受阀口结构特点的限制，阀门加工处有较深的进刀位置，在其加工完成后，无法用常规方法检查阀口的表面质量、相关尺寸的大小。操作人员如果使用普通的工具检测阀体的内部，如内窥镜，它观测不到阀口内部的加工缺陷、加工纹路，不能准确判断阀口结构的表面粗糙度、加工精度。同时，当前的检测方法是在工艺上对其参数进行确定，对必要设备进行啊固定，操作人员使用成形样板刀，这能生产出大量的航天器密封结构零件的阀口，当这些零件全部加工后，可随机抽出一个零件进行剖切，这能对阀口的成形尺寸进行检验。通过分析上面的检测方法，对阀门的表面质量、加工的精度起到总体上的控制作用。但从阀门组装后的结构来看，加工上还存在不一致性。从理论上来说，对于同一批的航天器阀体密封结构，人员使用同一加工设备、同样的刀具、相同的工艺参数，这不会改变阀口的成形形状，但可以保证加工的质量。但从实践的角度来看，加工和检测是由人工操作的，在实际加工中难免会存在一些不足，这会使得阀口的加工位置不好，使得操作出现差异性，这种差异的产生，在检测时，由于阀口的位置较深，操作人员是很难用肉眼发现的，此时操作人员可借助45倍的显微镜，这能对阀口的缺点和微观形貌有清晰地了解，发现加工后的微小缺陷，进而准确判断阀口的表面质量。

表3应用效果

5 阀体密封结构加工改进的措施

5.1 拟定加工工艺路线

航天器密封结构在拟定工艺路线时，采用的工序呈现的是分散还是集中的状况，这与技术要求、零件的结构特点、生产规模有很大的关系，加工人员有时还需对各工序生产的一致性进行考虑[8]。在通常情况下，在生产小批量的密封结构时，需要集中工艺，运用普通的机床，尽可能加工出更多的表面；在生产大批量的产品时，可运用自动机床，多轴、多刀的生产，可将工序分散，也可将工序集中，提升产品的生产率和质量。

5.2 严格把控位置公差和密封副工艺尺寸链

要保障阀体结构的密封性，设计人员在加工时要将位置公差和尺寸控制在规定的范围内，让它符合相关的规定，保证阀板安装完备。也要将密封副的间隙进行控制，以免阀板因受阻力过大而出现难以开闭的现象，对密封结构造成影响，使得设备出现故障。

5.3 保证密封副之间加工的精准度

阀座和阀体的结合面不能凹凸不平、太粗糙，表层结构要精密、细致，避免出现针眼、气孔等现象，有效层的厚度要在0.5mm左右，以免出现裂缝，在进行喷焊工作时，要考虑两类金属的实际膨胀系数，能正确选择，设计合适的处理方案，增强密封界面的硬度，保证表层的抗磨性和抗腐蚀性，以免有不必要的缝隙。设计人员还要对整个密封面进行打磨，在打磨前要选择合适的工具和方案，打磨不能出现划痕。最后，在打磨后要完成抛光的工作，要将表面尽量打磨地透亮光滑，去除摩擦杂质。

5.4 重视密封结构的加工

5.4.1 阀盖密封结构的加工 高温下阀体要保持良好的密封性能，研究人员在改进时可设计多种方案，如改进阀座与导向接头部位，可进行严密缝焊，针对阀杆密封缺失的问题，人员可设计多种适用于高温的弹性密封结构，可通过在填料下方放置组合式石墨盘和补偿性预压的弹簧来保持填料密封力，如此石墨填料与阀杆出现问题时，弹簧也能立刻作出反应。

5.4.2 密封面的加工 传统的密封面的材料会选择Cr10Mo和Cr14，这些普通材料在高温下硬度会发生变化，会发生软化，密封面容易出现变形，导致密封失效。有研究表明，运用铬化硼合金密封材料，即便在高温下也会保持良好的硬度，即使是承受700度的高温，表面的硬度基本不变，或只减小不到百分之十，它可用于航天器阀门的密封面中，提升高温密封效果。

6 结语

航天器密封结构在生产、加工中有许多的要求，本文通过分析以上的加工和检测方法，能极大地提高阀体的经济性、加工精度，还能提升阀体的表面质量和加工精度。从检测的结果中可看出刀具的通过性、检测方式、工艺方法的正确可让操作人员较为更好地完成加工和检测，能为批量化生产做出准备。