本文以新一代低溫閥門為研究對象，針對冷壓成型工藝制造的閥瓣在低溫液氧環境下串氣率較高，合格率較低的問題，開展閥瓣成型工藝技術研究。采用熱壓成型工藝方法，通過合理的參數設計制造的閥瓣串氣率低，生產成本低，周期短，產品合格率高，符合航天產品制造工藝性的要求。

目前，長征二號和長征四號等型號運載火箭均使用常溫推進劑，閥門產品中的密封結構及密封材料無法應用于液氧低溫環境，因此，必須掌握低溫閥門的密封技術。本文針對低溫閥門在低溫試驗過程中出現不同程度的串氣現象，開展密封結構新型制造工藝，解決低溫閥瓣的串氣問題，降低生產成本、縮短生產周期，提高產品合格率。

閥瓣密封結構

目前，低溫環境下的密封結構分為動密封和靜密封，其中動密封結構通常采用金屬—非金屬密封，比較典型的密封結構如圖1所示。該密封結構通常稱為閥瓣結構，其制造方法是將非金屬密封環通過一定的工藝方法置入金屬密封槽內。該結構一方面具有金屬基體的強度，另一方面具有非金屬密封環的密封性能，因此，在閥門產品密封結構中得到廣泛的使用。

圖1 金屬—非金屬密封結構

應用于常溫環境下的閥瓣通常采用冷壓成型工藝進行制造，通常情況下閥瓣生產完成后，需要進行閥瓣氣密試驗，氣密試驗原理結構示意圖如圖2所示，從A 向充氣，壓力達到要求值后，從B向進行檢漏，要求塑料密封環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不穩定、不成熟，導致其在液氧、液氮等超低溫環境下串氣率居高不下，因此，該成型方法已不適應于低溫閥瓣的加工制造，基于此，本文主要進行低溫閥瓣熱壓成型制造工藝技術方法的研究。

圖2 閥瓣串氣原理結構示意圖

低溫閥瓣熱壓成型技術研究

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，整體放入成型的模具腔體內，利用帶熱源的壓機產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，緩慢充滿整個密封槽，再整體放置于高溫的高壓試驗機上，施加一定的壓力后保壓，使形成固體的非金屬壓牢、壓實，最后，將成型的產品取出，從而完成整個熱壓成型的過程。從金屬閥瓣基體的機加工開始，經過一系列的工藝流程，到最后的合格產品，整個工藝流程如圖3所示。

圖3熱壓閥瓣制造工藝流程框圖

02  模具設計

針對不同的閥瓣結構需要設計合理的成型模具，由于熱壓過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械強度高、變形小的特點，本文設計的模具材料為CrMn鋼，通過真空熱處理工藝改變其硬度，并在其表面進行鍍鎳處理，達到更好的防銹效果。另外模具設計時應考慮加壓方向的合理性，它對制品的成型性和脫模難易程度均有較大的影響。此外，模具的設計還需考慮聚酰亞胺的壓制力能夠全部施加到非金屬環的端面，防止在壓制過程中出現跑料現象，一旦跑料，壓制非金屬的實際壓力便遠遠小于預先設定的壓力，從而導致非金屬和金屬基體的結合強度大大減弱，容易產生串氣的現象，因此設計模具時還需考慮產品和模具的配合公差。本文設計的模具結構示意圖如圖4所示。

圖4 熱壓成型模具結構示意圖

03  噴砂工藝方法

噴砂的工藝方法是以壓縮空氣為驅動力形成噴射束，將磨料(銅礦砂、石英砂、金剛砂、鐵砂等)快速噴射到金屬基體密封槽的底面和側面，因磨料粗糙度較大，速度較快，會對金屬基體密封槽的底面、側面和環面產生一定的切削和沖擊作用，使其達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度和結合性能。影響噴砂加工的主要參數有：金屬基體的材料、磨料種類(球形、菱形)、磨料粒度、磨料濃度、噴射距離、噴射角度、噴射時間、壓縮空氣壓力等。根據前期產品噴砂的要求和經驗，通過試驗，證明磨料粒度為24目時，粘接強度最大，具體噴砂工藝參數如表1所示。噴砂前，采用汽油和酒精對閥瓣金屬基體進行超聲波清洗，并嚴格保證表面的清潔度，然后采用24目的石英砂對閥瓣金屬基體密封槽進行噴砂處理，噴嘴直徑為3 mm，噴砂后不允許任何物體接觸噴砂表面，并對噴砂表面進行檢驗，要求金屬基體槽底和側面噴砂全面且粗糙度均勻。

表1 噴砂工藝參數

04  加料過程控制

按照工藝流程，金屬基體密封槽進行噴砂結束后，便可進行下一步：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構確定。本文選用的基體密封槽結構為燕尾槽(見圖5)，其槽底尺寸為Ø144×Ø127×10，由于閥瓣熱壓后還需進行精加工，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來計算，公式如下：

m=ρ×V                                 (1)

其中聚酰亞胺粉料的密度ρ=1.40 g/cm3，通過以上公式計算得出需要加入聚酰亞胺粉料的重量約66 g，通過精確稱重后，將粉料加入預先放入模具中閥瓣基體密封槽內。加料前，必須將原材料進行干燥處理，原材料的干燥對于閥瓣熱壓成型質量至關重要，如果原材料除水不干凈，會導致熱壓時產生大量氣泡。通過實踐驗證，本文的顆粒狀聚酰亞胺粉料選用溫度210 ℃，烘干時間2 h的參數進行干燥處理。加料時，需將聚酰亞胺粉料均勻的鋪在密封槽中。

圖5 燕尾槽結構示意圖

05  模壓壓力、溫度和時間

加料完成后，便可進行閥瓣壓制。閥瓣熱壓成型過程中非金屬變化情況分為三個階段：

1) 玻璃態轉化為高彈態的過程，即非金屬由固態逐漸轉化為液態的過程。

2) 高彈態轉化為粘流態以及粘流態保持的過程。

3) 粘流態向高彈態轉變的過程。

根據文獻可知，非金屬變化的三個階段均受模壓壓力、模壓溫度和模壓時間三個工藝參數的影響。

模壓壓力是指非金屬變化的三個階段過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化過程中固態的粉料不斷融化，體積不斷縮小，導致模具上模的壓板和上模產生間隙，加熱效果降低，因此需要施加一個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，該狀體下不可以施加壓力，否則會產生氣泡，導致熱壓后的產品性能異常；非金屬變化第三階段需要較大的模壓壓力將充滿密封槽融化狀態的非金屬進行冷卻固化，該壓力不可超過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階段過程中模具表面的溫度，非金屬在第一和第二階段時該溫度要高于非金屬的熔點，保證其能充分融化流動；非金屬在第三階段時該溫度不得高于非金屬的熔點，保證其能充分冷卻固化。

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

由上文描述可知，熱壓后的閥瓣外觀質量情況，力學性能情況均與模壓壓力、模壓溫度和模壓時間三個工藝參數息息相關。模壓壓力較低會導致非金屬與金屬之間結合強度降低，熱壓出的閥瓣非金屬表面出現氣孔、凹坑等缺陷；模壓壓力較高則會損壞模具，導致閥瓣壓制完成后無法脫模。模壓溫度的高低對閥瓣質量和性能有著很大的影響，模壓溫度較低會導致非金屬固化時間長，固化后非金屬硬度低等問題，模壓溫度較高則會導致非金屬變色，力學性能變差。同樣模壓時間對閥瓣外觀質量和產品性能也有著較大的影響，模壓時間較短導致非金屬固化時間不夠，非金屬受到外力沖擊后易變形和翹曲，模壓時間較長則會導致非金屬內應力增加，力學性能降低，生產周期加長。因此，閥瓣壓制過程中需要精確控制三個工藝參數：模壓壓力、模壓溫度和模壓時間。

為了更清晰的找到模壓壓力、模壓溫度和模壓時間三個工藝參數對閥瓣質量和性能的影響因素，本文選擇使用正交試驗方法進行分析驗證。選取非金屬變化的第一階段中模壓壓力、模壓溫度和模壓時間為自變量進行分析。

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 ℃；第一階段中模壓時間較長，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組合如表2所示。

表2 正交試驗組合

第二階段和第三階段的模壓壓力、模壓溫度和模壓時間參數確認方法同樣采用正交試驗法。經過熱壓后閥瓣的外觀質量和力學性能試驗驗證，閥瓣熱壓成型過程中非金屬三個階段的具體工藝參數如表3所示。

表3 熱壓成型過程工藝參數

閥瓣密封結構

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物圖如圖6所示。由于閥瓣經過噴砂、加料、壓制等多個過程，導致閥瓣金屬基體表面和非金屬表面粗糙度較差，不滿足使用要求，因此需要進行機加工處理，使其端面平整、光滑。

圖6 熱壓后閥瓣實物圖

試驗驗證

采用上述工藝參數進行熱壓成型的閥瓣在精加工完成后，還需在液氮環境下(-196℃)下進行超低溫串氣試驗，以驗證其密封性能。超低溫串氣試驗系統如下圖7所示，經試驗驗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，進而證明了本文選取的工藝參數的合理性和可行性。

圖7 串氣試驗系統實物圖

結論

本文通過閥瓣熱壓成型制造工藝技術方法的研究，得到以下結論：

1) 針對閥瓣結構需設計合理的成型模具，且成型模具應考慮材料強度和重要尺寸精度的要求。

2) 閥瓣基體噴砂前需嚴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，加料時需均與鋪層。

4) 熱壓時，需精確控制模壓壓力、模壓溫度和模壓時間三個工藝參數。