高壓電磁閥殼體銷釘連接密封技術方法研究

張文勝，孟金龍，馮盟蛟，徐世俊，李曉馳，夏勤

（上海航天設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，這對火箭的生產周期和可靠性提出了更高的要求[1]。航天閥門產品是運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，我國運載火箭持續(xù)處于高密度發(fā)射任務狀態(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，閥門產品對參數(shù)指標和裝配精度的要求越來越嚴格，對質量控制的要求也不斷增高[3]。

高壓電磁閥作為運載火箭飛行階段動作的關鍵單機[4]，在運載火箭各型號中主要服務于增壓輸送系統(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）℃高低溫熱學環(huán)境和5000 g的振動沖擊力學環(huán)境下無漏氣現(xiàn)象，因此對電磁閥產品的密封性能[7,8]要求極高。

某典型電磁閥的三維結構示意圖如圖1所示，電磁閥的背壓腔是通過殼體內部的兩個交叉孔連接實現(xiàn)的。殼體生產時，先從外部加工兩個垂直的交叉孔貫通，然后在殼體外壁上采用銷釘連接進行封堵密封，最后進行液壓和氣壓試驗考核密封性能。電磁閥殼體在（-50～60）℃高低溫熱學環(huán)境和5000 g的振動沖擊力學環(huán)境下進行壓力試驗[9-11]過程中經常出現(xiàn)銷連接處漏氣的質量問題，嚴重影響了產品質量和生產進度。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，展開機理分析與試驗驗證，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關系，并在此基礎上不斷改進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構示意圖

1 圖樣要求及試驗結果

電磁閥殼體—銷連接封堵密封結構圖如圖2所示。由圖可知，殼體上的兩個細長交叉孔（尺寸為?）均采用銷釘進行連接封堵密封。封堵完成后，電磁閥的密封性能試驗要求為：封堵密封后電磁閥殼體承受52.5 MPa的液壓強度，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—銷連接封堵密封結構圖

基于上述試驗要求，選擇4種不同時間生產（4個批次）的電磁閥殼體進行密封性能測試，試驗結果如表1所示。

觀察表1可知，嚴格按設計圖樣以及工藝文件操作，電磁閥殼體銷連接封堵密封后進行52.5 MPa液壓強度試驗和35 MPa氣壓試驗，試驗后產品絕大部分出現(xiàn)液壓強度試驗液體滲漏、氣壓試驗有氣泡冒出的等漏液、漏氣現(xiàn)象，同時存在封堵的銷釘從殼體孔中高速飛出的安全隱患，每批產品的合格率均較低，且銷釘1打壓強度試驗結果相對于銷釘2結果較好，氣壓試驗（35 MPa）結果相對于液壓試驗（52.5 MPa）結果較好。

表1 4個批次電磁閥殼體密封試驗結果

目前，高壓電磁閥殼體銷釘連接合格率低已經成為電磁閥生產的瓶頸，不僅嚴重影響了電磁閥的產品質量和生產進度，也給企業(yè)的經濟效益帶來負面影響，因此需要通過機理分析和試驗驗證，找到影響產品密封性能的因素，并不斷改進，提高產品合格率。

2 機理分析與試驗驗證

2.1 機理分析

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)的推理或機理分析打好基礎。

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個批次的生產結果主要是針對銷1、銷2和產品總體進行合格率統(tǒng)計，統(tǒng)計結果見表2。根據(jù)表2中以往批次的合格率統(tǒng)計結果，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)計結果為宏觀結果，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構圖可以看出，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施。

濕式電除塵器的結構與干式電除塵器相類似，均有相應的進出口喇叭、殼體、灰斗、電場陰陽極等基本的結構，其主要區(qū)別在于，干式除塵器采用機械振打清灰，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，煙氣水平進風水平出風；而導電玻璃鋼管式濕電采用立式布置，煙氣方向為上進下出或下進上出。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個批次電磁閥殼體銷連接合格率統(tǒng)計

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

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

表3 殼體孔、銷釘?shù)某叽缫约芭浜祥g隙

2.1.2 機理分析

在歸納分析的基礎上，為了進一步驗證銷釘和銷孔加工、裝配與密封性能的關系，需要進行機理分析。

工程實際中，由銷孔的加工工藝可知，銷孔在鉆削過程中可能會由于鉆頭剛性不足、偏鉆或者排屑困難等原因，鉆頭在銷孔的孔口部位會出現(xiàn)帶扭力旋轉，進而對已鉆銷孔造成不規(guī)則的二次切削，從而導致在銷孔的孔口處，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經過調質至HRC38～46，其硬度比殼體的硬度（經調質至HRC30～36）大，如果此時銷孔的圓度和銷釘?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，導致銷孔不圓，間隙產生。如果按此時加工的電磁閥殼體進行銷連接裝配時，銷子在強力銷入時會出現(xiàn)不同位置存在間隙，這些間隙一旦承受52.5 MPa液壓強度或者35 MPa氣體壓力時即會表現(xiàn)出液體泄漏或氣密冒泡現(xiàn)象。

根據(jù)以上機理分析，可以得到以下結論：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重，銷連接裝配時產生的間隙值越大，另一方面銷孔的圓度和銷釘?shù)膱A柱度較差，在安裝時也可能出現(xiàn)傾斜，從而會對配合銷孔的孔口出形成過切與擴口作用，進而也會導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時出現(xiàn)泄漏和冒泡現(xiàn)象。

2.2 試驗驗證

為了進一步驗證上述機理分析的準確性，本小節(jié)將出現(xiàn)泄漏的高壓電磁閥產品利用線切割的方法，沿銷子徑向對產品殼體進行截斷，拋光斷面后對斷面配合情況進行金相分析。圖3為泄露產品殼體的剖切金相圖，經金相顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，在銷連接處存在圓度偏差（見圖3（a）），一側出現(xiàn)較大的縫隙，一側則緊密配合，繼續(xù)對剖切面進行局部放大（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重偏差，從而造成高壓電磁閥液壓強度試驗和氣密壓力試驗泄漏，從而影響產品的密封性能。

圖3 泄露高壓電磁閥殼體產品銷連接斷面金相分析圖

3 采取措施

針對機理分析與試驗驗證的結果，采取以下措施：主要措施是改進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，利用作者自行設計的保證孔、軸同軸度的工藝裝備，提高產品的裝配質量，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，這是因為該加工方法具有導向作用，孔加工后的圓度和表面質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現(xiàn)無間隙配合，而且可以消除銷孔加工時孔口可能出現(xiàn)的宏觀的喇叭口和不規(guī)則的圓度偏差等缺陷。工藝方法改進后采用預先鉆打孔徑為?1.8的兩個交叉孔，然后在孔口配合處采取鏜孔的方法將孔徑擴鉆至?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，電磁閥漏氣的風險越大，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，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、軸加工制作質量好，配合間隙合理的情況下，采取輔助方法，自行設計了如圖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行軸向加力，保證安裝時孔、軸同軸性，從而消除產品裝配時孔、軸同軸度差的缺陷，提高電磁閥產品的裝配質量，實現(xiàn)了在銷連接處幾乎銷子和銷孔的無間隙配合，從而大大改進了產品的密封性能。

圖5 輔助工裝實物照片

3.3 工藝改進結果

采用改進的工藝方法和自制工藝裝備，隨后連續(xù)制造3個批次的電磁閥殼體，銷連接部位的一次制造合格率均在90 %以上，達到了設計要求。改進后產品的合格率統(tǒng)計結果如表4所示。

表4 改進后電磁閥殼體銷連接合格率統(tǒng)計

并從中隨機抽取改進后的高壓電磁閥產品，同樣采用線切割的方法，沿銷子徑向對產品殼體進行截斷，拋光斷面后對斷面配合情況進行金相分析。圖6為改進后高壓電磁閥產品殼體的剖切金相圖，經金相顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，殼體上在銷連接處幾乎實現(xiàn)了銷子和銷孔的無間隙配合，從而大大改進了產品的密封性能。

圖6 改進完善后高壓電磁閥殼體產品銷連接斷面金相分析圖

由上文可知，基于本文的改進措施，不僅保證了產品交付的準時性，而且提高了高壓電磁閥產品結構的密封性能，為制造出更安全、更可靠的高壓電磁閥產品提供了理論依據(jù)和試驗基礎。

4 結論

本文針對高壓電磁閥殼體和銷釘在高低溫熱學環(huán)境和振動沖擊力學環(huán)境下連接處密封失效的問題，依據(jù)實踐經驗和理論知識，采用科學的方法，通過機理分析與試驗研究，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）采用自行設計相關工藝裝備進行裝配，保證安裝時孔、軸同軸性，從而進一步消除產品裝配時孔、軸同軸度差的缺陷。

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