1 引言
空間用閥門(mén)一般具有密封性好、重量輕、操作靈活省力等特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)時(shí)既要考慮活門(mén)所需的*小密封力，又要考慮*小開(kāi)啟拉力。從理論上講，密封力越大，密封性能越好，而閥門(mén)所需的開(kāi)啟力也就越大，這給閥門(mén)的設(shè)計(jì)帶來(lái)一定的難度。
在滿足*小開(kāi)啟力設(shè)計(jì)的約束條件下，保證閥門(mén)密封性能，確保其可靠性和安全性是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。影響密封的因素有很多[1]，主要因素包括：密封面的表面狀況、密封面材料、密封面寬度、密封比壓等。其中密封面的加工精度和表面粗糙度越高[2]，則密封面的間隙越小，從而有利于密封，尤其是由于*小開(kāi)啟力的限制，密封比壓較小，密封面的加工精度和表面粗糙度的影響更加顯著。
通過(guò)分析計(jì)算及驗(yàn)證試驗(yàn)[3～5]，一方面，對(duì)產(chǎn)生密封力的彈性元件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，合理篩選、控制相關(guān)工藝參數(shù)，嚴(yán)格性能參數(shù)篩選，保證所需的密封力的同時(shí)，又能滿足*小開(kāi)啟力的要求；另一方面，對(duì)閥體的設(shè)計(jì)加工提出更高的要求，嚴(yán)格保證加工精度，尤其是閥口密封面的成形和表面質(zhì)量。采取以上措施，既保證了閥門(mén)具有良好的密封性，又保證了閥門(mén)操作的*小開(kāi)啟拉力。
由于該閥體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，不能采用常規(guī)的方法檢測(cè)密封座的加工精度和表面質(zhì)量，本文提出了采用微觀顯微的檢測(cè)方式，解決了該檢測(cè)問(wèn)題，并經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，得到了滿意的結(jié)果。此方法的實(shí)現(xiàn)，能夠更好地保證閥門(mén)密封的可靠性、安全性。
2 閥體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及加工難點(diǎn)
2.1 閥體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
為了保證閥門(mén)的可靠性和安全性，閥體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成大小兩個(gè)活門(mén)座，形成雙密封結(jié)構(gòu)。在一道密封失效的情況下，還有一道密封作保證。具體閥體結(jié)構(gòu)和尺寸如圖1、圖2所示。
圖1 閥體結(jié)構(gòu)實(shí)體模型圖
圖2 閥體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖
閥體總長(zhǎng)142mm，小閥口直徑Φ15mm，閥口半徑R0.5mm，要求閥口表面粗糙度為Ra0.4μm，形位公差為：垂直度0.03mm，同軸度0.03mm；大閥口直徑Φ21.5mm，閥口半徑R0.5mm，要求表面粗糙度為Ra0.4μm，形位公差為：垂直度0.03mm，同軸度Φ0.03mm；從閥體端面到小閥口底面的長(zhǎng)度為84mm，從閥體端面到大閥口底面的長(zhǎng)度為65mm，閥體材料為2A12硬鋁合金，材料狀態(tài)為T(mén)4。
2.2 加工難點(diǎn)
由于閥體端面到閥口的距離深度較深，且兩道閥口的垂直度、同軸度要求高，在切削加工時(shí)，操作者無(wú)法觀察和測(cè)量閥口的表面狀態(tài)和輪廓尺寸，這給閥口的加工和檢測(cè)造成較大的難度。目前采用的方法為：每批產(chǎn)品投產(chǎn)時(shí)，在進(jìn)行正式加工前，先行投產(chǎn)一件工藝件。在工藝件上，利用專門(mén)制作的閥口成形樣板刀，進(jìn)行閥口的摸底加工和工藝參數(shù)的確定。然后，將固化后的加工工藝移植到正式閥體閥口的加工上，使大、小兩個(gè)閥口一次加工成形，靠刀具來(lái)保證閥口的成形、表面質(zhì)量和加工精度。
3 閥口成形及表面質(zhì)量檢測(cè)
閥口成形狀態(tài)和表面質(zhì)量的好壞直接影響閥門(mén)的密封性。由于閥體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)所限，使閥口加工時(shí)進(jìn)刀位置較深。在閥體加工過(guò)程中或在加工完成后，無(wú)法采用常規(guī)的檢測(cè)手段，直接對(duì)閥口的相關(guān)尺寸及表面質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量。普通量具無(wú)法進(jìn)入閥體內(nèi)部檢測(cè)，而內(nèi)窺鏡由于放大倍數(shù)不夠，觀測(cè)不到閥口表面的加工紋絡(luò)、加工缺陷，不能對(duì)閥口加工精度和表面粗糙度準(zhǔn)確判定。目前的做法是，利用在工藝件上確定的工藝參數(shù)，同時(shí)固定設(shè)備，固定人員，利用成形樣板刀，同批加工數(shù)個(gè)閥體零件的閥口，待閥體零件全部加工完成后，從中隨機(jī)抽取一件進(jìn)行剖切，來(lái)檢驗(yàn)和計(jì)量閥口的成形尺寸和表面質(zhì)量。通過(guò)上述加工和檢測(cè)方法，閥體閥口的加工精度及表面質(zhì)量總體上得到了控制，也取得了較好的效果。但從閥門(mén)組裝后氦質(zhì)譜檢漏的結(jié)果來(lái)看，仍存在加工不一致性的問(wèn)題。經(jīng)分析認(rèn)為，理論上，同一批工件，若采用同樣的工藝參數(shù)，同一臺(tái)加工設(shè)備，同一個(gè)操作者，同樣的刀具，閥口的成形狀態(tài)是不會(huì)改變的，加工質(zhì)量可以保證。但實(shí)際上，由于整個(gè)加工過(guò)程畢竟靠人工操作，難免有些因素考慮不周，加上加工位置不好，操作上存在一些差異性也是有可能的。這種細(xì)微的差異，由于閥口位置深度所限，一般用肉眼很難發(fā)現(xiàn)，借助45倍體視顯微鏡，就能明顯地觀察到閥口的微觀形貌及缺陷情況，如圖3、圖4所示。從圖3可看出密封座表面的加工紋絡(luò)，從圖4可看出密封座表面加工后形成的凹坑缺陷。利用顯微檢測(cè)方法，可發(fā)現(xiàn)局部微小缺陷，對(duì)閥口的表面質(zhì)量作出準(zhǔn)確的判斷。
圖3 典型的閥口微觀形貌照片（45倍局部）
圖4 典型的閥口缺陷照片（45倍局部）
4 閥口微觀檢查及分析
在45倍體視顯微鏡下，對(duì)同批加工的3件閥體的大閥口用45倍的體式顯微鏡進(jìn)行檢查。從觀察到的微觀圖像來(lái)看，每個(gè)閥體（1#、2#、3#）的微觀形貌各不相同，如圖5、圖6、圖7所示。1#閥體閥口表面質(zhì)量好，基本看不到切削刀痕紋路，方向一致，平整均勻；2#閥體閥口能看到刀痕紋路，但有輕微劃痕缺陷；3#閥體閥口，能清楚看到刀痕紋路。這種閥口表面狀態(tài)加工的不一致性，勢(shì)必對(duì)閥門(mén)的密封性造成影響。
圖5 1#閥口形貌照片（45倍局部）
圖6 2#閥口形貌照片（45倍局部）
圖7 3#閥口形貌照片（45倍局部）
5 試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果
圖8 閥體檢漏結(jié)果
用上述三個(gè)閥體與其它零、部件組裝形成閥門(mén)后，分別對(duì)三個(gè)閥體在同一狀態(tài)下進(jìn)行氦質(zhì)譜真空檢漏，檢漏結(jié)果見(jiàn)圖8，具體數(shù)值為：1#閥體*好，漏率為5.86×10-9Pa·m3/s；2#閥體*差，漏率為6.12×10-8Pa·m3/s；3#閥體中等，漏率為1.35×10-8Pa·m3/s。比較三個(gè)閥門(mén)的漏率結(jié)果可以看出，1#閥體的漏率值比2#和3#小一個(gè)數(shù)量級(jí)，2#、3#閥體沒(méi)有數(shù)量級(jí)上的差別，只是在同一量級(jí)范圍內(nèi)有不同。漏率檢測(cè)結(jié)果與上述顯微鏡觀察到的各個(gè)不同閥口微觀形貌狀態(tài)吻合。試驗(yàn)結(jié)果表明：通過(guò)顯微微觀形貌的觀察，可以檢查閥口表面質(zhì)量的差異，能夠反映出閥口加工的不一致性和局部微小缺陷，進(jìn)而表現(xiàn)出對(duì)閥門(mén)密封性造成的影響。
6 結(jié)束語(yǔ)
a.由于閥體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，設(shè)計(jì)上造成閥口位置較深不易檢測(cè)的缺陷，可通過(guò)固化工藝參數(shù)，進(jìn)行一定數(shù)量閥體的加工。完成加工后，從同批次閥體中，采用抽樣剖切的方法檢驗(yàn)閥口的外形尺寸及表面質(zhì)量是一種實(shí)用的檢測(cè)方法。但該方法仍存在不足，由于各閥體加工過(guò)程中還存在一定的不一致性，致使閥口一些微小缺陷利用常規(guī)檢驗(yàn)手段難以發(fā)現(xiàn)，進(jìn)而影響到產(chǎn)品質(zhì)量；
b.利用顯微檢測(cè)方法，通過(guò)顯微圖像觀察閥口的微觀形貌和發(fā)現(xiàn)局部微小缺陷，對(duì)閥口表面質(zhì)量作出準(zhǔn)確的判斷，起到了良好的效果。同時(shí)是對(duì)剖切檢驗(yàn)方法的一種補(bǔ)充；
c.在對(duì)閥體剖切檢測(cè)閥口表面質(zhì)量的同時(shí)，再結(jié)合顯微檢測(cè)不外乎是一種好的檢測(cè)方法。這樣可使每個(gè)閥體閥口的表面質(zhì)量都得到檢測(cè)，通過(guò)對(duì)每個(gè)閥體微觀形貌的觀察和細(xì)部微小缺陷的顯現(xiàn)，準(zhǔn)確判斷閥體閥口的表面質(zhì)量，進(jìn)而確保產(chǎn)品的密封質(zhì)量和可靠性。
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