張文勝，孟金龍，馮盟蛟，徐世俊，李曉馳，夏勤

（上海航天設(shè)備制造總廠有限公司 上海 200245）

引言

隨著我國航天事業(yè)的發(fā)展，長征系列火箭步入了高密度發(fā)射階段，這對火箭的生產(chǎn)周期和可靠性提出了更高的要求[1]。航天閥門產(chǎn)品是運(yùn)載火箭增壓輸送系統(tǒng)中的核心，分布在加注、控制、增壓等環(huán)節(jié)中，在火箭加注和飛行過程中分別起著加注安全、穩(wěn)定貯箱壓力和保證介質(zhì)穩(wěn)定輸送的重要作用，是重要的功能控制和執(zhí)行元件[2]。近年來，我國運(yùn)載火箭持續(xù)處于高密度發(fā)射任務(wù)狀態(tài)，閥門的需求量也在不斷上升，而且隨著航天事業(yè)的快速發(fā)展，閥門產(chǎn)品對參數(shù)指標(biāo)和裝配精度的要求越來越嚴(yán)格，對質(zhì)量控制的要求也不斷增高[3]。

高壓電磁閥作為運(yùn)載火箭飛行階段動(dòng)作的關(guān)鍵單機(jī)[4]，在運(yùn)載火箭各型號中主要服務(wù)于增壓輸送系統(tǒng)[5]和地面加注系統(tǒng)[6]，主要安裝在高壓氣瓶出口位置，通過接收電信號，實(shí)現(xiàn)打通或切斷增壓通道的功能。由于電磁閥直接承受35 MPa的高壓沖擊，而且要求在（-50～60）℃高低溫?zé)釋W(xué)環(huán)境和5000 g的振動(dòng)沖擊力學(xué)環(huán)境下無漏氣現(xiàn)象，因此對電磁閥產(chǎn)品的密封性能[7,8]要求極高。

某典型電磁閥的三維結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，電磁閥的背壓腔是通過殼體內(nèi)部的兩個(gè)交叉孔連接實(shí)現(xiàn)的。殼體生產(chǎn)時(shí)，先從外部加工兩個(gè)垂直的交叉孔貫通，然后在殼體外壁上采用銷釘連接進(jìn)行封堵密封，最后進(jìn)行液壓和氣壓試驗(yàn)考核密封性能。電磁閥殼體在（-50～60）℃高低溫?zé)釋W(xué)環(huán)境和5000 g的振動(dòng)沖擊力學(xué)環(huán)境下進(jìn)行壓力試驗(yàn)[9-11]過程中經(jīng)常出現(xiàn)銷連接處漏氣的質(zhì)量問題，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)進(jìn)度。為此，本文針對高壓電磁閥殼體和銷釘連接處密封失效的問題，展開機(jī)理分析與試驗(yàn)驗(yàn)證，通過金相分析，揭示了銷孔圓度、銷釘圓柱度、銷釘和銷孔過盈配合量與電磁閥密封性能的對應(yīng)關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上不斷改進(jìn)和完善零件加工工藝和組件裝配工藝。

圖1 某典型電磁閥的三維結(jié)構(gòu)示意圖

1 圖樣要求及試驗(yàn)結(jié)果

電磁閥殼體—銷連接封堵密封結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。由圖可知，殼體上的兩個(gè)細(xì)長交叉孔（尺寸為?）均采用銷釘進(jìn)行連接封堵密封。封堵完成后，電磁閥的密封性能試驗(yàn)要求為：封堵密封后電磁閥殼體承受52.5 MPa的液壓強(qiáng)度，保持3 min，無液體滲漏現(xiàn)象；電磁閥殼體承受35 MPa氣壓強(qiáng)度，放入酒精槽中保持3 min，無氣泡冒出。

圖2 電磁閥殼體—銷連接封堵密封結(jié)構(gòu)圖

基于上述試驗(yàn)要求，選擇4種不同時(shí)間生產(chǎn)（4個(gè)批次）的電磁閥殼體進(jìn)行密封性能測試，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

觀察表1可知，嚴(yán)格按設(shè)計(jì)圖樣以及工藝文件操作，電磁閥殼體銷連接封堵密封后進(jìn)行52.5 MPa液壓強(qiáng)度試驗(yàn)和35 MPa氣壓試驗(yàn)，試驗(yàn)后產(chǎn)品絕大部分出現(xiàn)液壓強(qiáng)度試驗(yàn)液體滲漏、氣壓試驗(yàn)有氣泡冒出的等漏液、漏氣現(xiàn)象，同時(shí)存在封堵的銷釘從殼體孔中高速飛出的安全隱患，每批產(chǎn)品的合格率均較低，且銷釘1打壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果相對于銷釘2結(jié)果較好，氣壓試驗(yàn)（35 MPa）結(jié)果相對于液壓試驗(yàn)（52.5 MPa）結(jié)果較好。

表1 4個(gè)批次電磁閥殼體密封試驗(yàn)結(jié)果

目前，高壓電磁閥殼體銷釘連接合格率低已經(jīng)成為電磁閥生產(chǎn)的瓶頸，不僅嚴(yán)重影響了電磁閥的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)進(jìn)度，也給企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益帶來負(fù)面影響，因此需要通過機(jī)理分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，找到影響產(chǎn)品密封性能的因素，并不斷改進(jìn)，提高產(chǎn)品合格率。

2 機(jī)理分析與試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 機(jī)理分析

2.1.1 歸納分析

歸納分析是邏輯上常用的一種分析方法，它可以幫助從宏觀的方面找出主要問題或問題的主要方面，為后續(xù)的推理或機(jī)理分析打好基礎(chǔ)。

本文通過歸納分析的方法，利用歸納分析的一般步驟將以往4個(gè)批次的生產(chǎn)結(jié)果主要是針對銷1、銷2和產(chǎn)品總體進(jìn)行合格率統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。根據(jù)表2中以往批次的合格率統(tǒng)計(jì)結(jié)果，初步歸納發(fā)現(xiàn)：銷1的連接封堵密封可靠性明顯高于銷2的密封可靠性。以合格率統(tǒng)計(jì)結(jié)果為宏觀結(jié)果，得出制約高壓電磁閥殼體合格率的主要因素為銷2連接封堵密封性能，從圖2電磁閥殼體初始銷連接封堵密封結(jié)構(gòu)圖可以看出，銷1和銷2的區(qū)別在于銷釘1孔口在平面上，銷釘2孔口在?38圓弧面上，由此可以得出圓弧面上的銷釘孔更難加工且連接比平面更難實(shí)施。

濕式電除塵器的結(jié)構(gòu)與干式電除塵器相類似，均有相應(yīng)的進(jìn)出口喇叭、殼體、灰斗、電場陰陽極等基本的結(jié)構(gòu)，其主要區(qū)別在于，干式除塵器采用機(jī)械振打清灰，而濕式除塵器采用水沖洗清灰。金屬板式濕電通常采用臥式，煙氣水平進(jìn)風(fēng)水平出風(fēng)；而導(dǎo)電玻璃鋼管式濕電采用立式布置，煙氣方向?yàn)樯线M(jìn)下出或下進(jìn)上出。目前，燃煤電廠濕式除塵器的布置形式主要有以下2種類型：

表2 4個(gè)批次電磁閥殼體銷連接合格率統(tǒng)計(jì)

另外通過歸納分析法，將最新一批不合格產(chǎn)品的殼體孔尺寸、銷釘尺寸、和配合間隙進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，具體結(jié)果如表3所示。

觀察表3可知，漏氣產(chǎn)品的配合間隙在0.028～0.036之間，滿足指標(biāo)要求0.02～0.04，且絕大多數(shù)漏氣產(chǎn)品的配合間隙集中在0.03左右，因此，產(chǎn)品漏氣與配合間隙（0.02～0.04）無直接關(guān)系。

表3 殼體孔、銷釘?shù)某叽缫约芭浜祥g隙

2.1.2 機(jī)理分析

在歸納分析的基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步驗(yàn)證銷釘和銷孔加工、裝配與密封性能的關(guān)系，需要進(jìn)行機(jī)理分析。

工程實(shí)際中，由銷孔的加工工藝可知，銷孔在鉆削過程中可能會(huì)由于鉆頭剛性不足、偏鉆或者排屑困難等原因，鉆頭在銷孔的孔口部位會(huì)出現(xiàn)帶扭力旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而對已鉆銷孔造成不規(guī)則的二次切削，從而導(dǎo)致在銷孔的孔口處，宏觀上表現(xiàn)出喇叭口和不規(guī)則的圓度偏差。另外，銷釘?shù)牟牧鲜?Cr13經(jīng)過調(diào)質(zhì)至HRC38～46，其硬度比殼體的硬度（經(jīng)調(diào)質(zhì)至HRC30～36）大，如果此時(shí)銷孔的圓度和銷釘?shù)膱A柱度較差，那么在銷釘壓入過程中可能存在一定角度，銷釘?shù)倪厡んw的材料切掉，導(dǎo)致銷孔不圓，間隙產(chǎn)生。如果按此時(shí)加工的電磁閥殼體進(jìn)行銷連接裝配時(shí)，銷子在強(qiáng)力銷入時(shí)會(huì)出現(xiàn)不同位置存在間隙，這些間隙一旦承受52.5 MPa液壓強(qiáng)度或者35 MPa氣體壓力時(shí)即會(huì)表現(xiàn)出液體泄漏或氣密冒泡現(xiàn)象。

根據(jù)以上機(jī)理分析，可以得到以下結(jié)論：一方面，銷孔的深度越深、鉆頭剛性越不足、偏鉆及排屑困難等情況越嚴(yán)重，銷孔的孔口處出現(xiàn)宏觀的喇叭口和不規(guī)則的圓度偏差也越嚴(yán)重，銷連接裝配時(shí)產(chǎn)生的間隙值越大，另一方面銷孔的圓度和銷釘?shù)膱A柱度較差，在安裝時(shí)也可能出現(xiàn)傾斜，從而會(huì)對配合銷孔的孔口出形成過切與擴(kuò)口作用，進(jìn)而也會(huì)導(dǎo)致銷子與銷孔配合處銷孔粗糙度和圓度下降，致使安裝后銷子與銷孔接觸部分存在局部間隙，造成高壓電磁閥殼體試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)泄漏和冒泡現(xiàn)象。

2.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證上述機(jī)理分析的準(zhǔn)確性，本小節(jié)將出現(xiàn)泄漏的高壓電磁閥產(chǎn)品利用線切割的方法，沿銷子徑向?qū)Ξa(chǎn)品殼體進(jìn)行截?cái)?，拋光斷面后對斷面配合情況進(jìn)行金相分析。圖3為泄露產(chǎn)品殼體的剖切金相圖，經(jīng)金相顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，在銷連接處存在圓度偏差（見圖3（a）），一側(cè)出現(xiàn)較大的縫隙，一側(cè)則緊密配合，繼續(xù)對剖切面進(jìn)行局部放大（見圖3（b）～3（d）），可以看出銷釘?shù)倪吘壥菆A形的，而銷孔的邊緣呈局部凹陷，銷孔與銷釘之間局部存在間隙，間隙最寬處尺寸可達(dá)到0.022 mm，即使在銷釘和銷孔過盈配合的情況下也存在配合嚴(yán)重偏差，從而造成高壓電磁閥液壓強(qiáng)度試驗(yàn)和氣密壓力試驗(yàn)泄漏，從而影響產(chǎn)品的密封性能。

圖3 泄露高壓電磁閥殼體產(chǎn)品銷連接斷面金相分析圖

3 采取措施

針對機(jī)理分析與試驗(yàn)驗(yàn)證的結(jié)果，采取以下措施：主要措施是改進(jìn)銷孔和銷釘加工工藝，完善銷孔加工的制造方法，提高銷孔的圓度和銷釘?shù)膱A柱度，從而保證銷子和銷孔的無間隙配合；輔助措施是通過裝配方法的改進(jìn)，利用作者自行設(shè)計(jì)的保證孔、軸同軸度的工藝裝備，提高產(chǎn)品的裝配質(zhì)量，保證孔、軸裝配無偏差。

3.1 主要措施

采用先鉆孔再鏜孔后鉸孔的加工方式加工銷孔，這是因?yàn)樵摷庸し椒ň哂袑?dǎo)向作用，孔加工后的圓度和表面質(zhì)量較直接鉆銷孔的方式有明顯的優(yōu)勢，用此加工方法加工不僅可以實(shí)現(xiàn)無間隙配合，而且可以消除銷孔加工時(shí)孔口可能出現(xiàn)的宏觀的喇叭口和不規(guī)則的圓度偏差等缺陷。工藝方法改進(jìn)后采用預(yù)先鉆打孔徑為?1.8的兩個(gè)交叉孔，然后在孔口配合處采取鏜孔的方法將孔徑擴(kuò)鉆至?1.95，最后采用鉸孔的方式將銷孔加工至?，且在工藝中明確銷孔的圓度要求（圓度：0.002～0.003）。由上文的分析可知銷釘?shù)膱A柱度越差，電磁閥的密封性能越差，電磁閥漏氣的風(fēng)險(xiǎn)越大，因此，針對銷釘?shù)募庸し椒鞒倘鐖D4所示。在保證銷釘圓柱度的同時(shí)，也明確要求銷釘?shù)娜魏尾课徊坏糜忻獭?/p>

圖4 銷釘?shù)募庸し椒鞒?/p>

另外，由上文可知，圓弧面上的銷釘孔較端面銷釘孔更容易漏氣，因此在工藝中要求通過選配的方法來滿足銷釘和銷釘?shù)倪^盈配合量：端面銷釘與殼體過盈量控制在0.032～0.038 mm，圓弧面銷釘與殼體過盈量控制在0.038 ～0.042 mm。

3.2 輔助措施

在孔、軸加工制作質(zhì)量好，配合間隙合理的情況下，采取輔助方法，自行設(shè)計(jì)了如圖5所示的裝配工藝裝備，工藝裝配原理為通過壓床對裝有銷子的壓頭進(jìn)行軸向加力，保證安裝時(shí)孔、軸同軸性，從而消除產(chǎn)品裝配時(shí)孔、軸同軸度差的缺陷，提高電磁閥產(chǎn)品的裝配質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了在銷連接處幾乎銷子和銷孔的無間隙配合，從而大大改進(jìn)了產(chǎn)品的密封性能。

圖5 輔助工裝實(shí)物照片

3.3 工藝改進(jìn)結(jié)果

采用改進(jìn)的工藝方法和自制工藝裝備，隨后連續(xù)制造3個(gè)批次的電磁閥殼體，銷連接部位的一次制造合格率均在90 %以上，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。改進(jìn)后產(chǎn)品的合格率統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示。

表4 改進(jìn)后電磁閥殼體銷連接合格率統(tǒng)計(jì)

并從中隨機(jī)抽取改進(jìn)后的高壓電磁閥產(chǎn)品，同樣采用線切割的方法，沿銷子徑向?qū)Ξa(chǎn)品殼體進(jìn)行截?cái)啵瑨伖鈹嗝婧髮嗝媾浜锨闆r進(jìn)行金相分析。圖6為改進(jìn)后高壓電磁閥產(chǎn)品殼體的剖切金相圖，經(jīng)金相顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，殼體上在銷連接處幾乎實(shí)現(xiàn)了銷子和銷孔的無間隙配合，從而大大改進(jìn)了產(chǎn)品的密封性能。

圖6 改進(jìn)完善后高壓電磁閥殼體產(chǎn)品銷連接斷面金相分析圖

由上文可知，基于本文的改進(jìn)措施，不僅保證了產(chǎn)品交付的準(zhǔn)時(shí)性，而且提高了高壓電磁閥產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的密封性能，為制造出更安全、更可靠的高壓電磁閥產(chǎn)品提供了理論依據(jù)和試驗(yàn)基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

本文針對高壓電磁閥殼體和銷釘在高低溫?zé)釋W(xué)環(huán)境和振動(dòng)沖擊力學(xué)環(huán)境下連接處密封失效的問題，依據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論知識(shí)，采用科學(xué)的方法，通過機(jī)理分析與試驗(yàn)研究，找到了解決此類問題的途徑：

1）銷孔采用先鉆孔至尺寸?1.8，再鏜孔至尺寸?1.95，最后鉸孔至?的加工工藝。

2）嚴(yán)格控制銷孔圓度（圓度：0.002～0.003）和銷釘圓柱度（圓柱度：0～0.002）尺寸，并明確要求端面銷釘與殼體過盈量控制在0.032～0.038 mm，圓弧面銷釘與殼體過盈量控制在0.038～0.042 mm。

3）采用自行設(shè)計(jì)相關(guān)工藝裝備進(jìn)行裝配，保證安裝時(shí)孔、軸同軸性，從而進(jìn)一步消除產(chǎn)品裝配時(shí)孔、軸同軸度差的缺陷。

通過改進(jìn)加工工藝和工藝裝備，不僅解決了類似軍用產(chǎn)品零件制造的瓶頸問題而且可以為新一代閥門產(chǎn)品的研制提供理論依據(jù)。