高精度閥芯成型工藝與密封性能關(guān)系的研究

劉 明，晁海洋，李飛翔

（西北橡膠塑料研究設(shè)計院有限公司，陜西 咸陽 712023）

閥芯是由金屬基體與彈性密封材料組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)制件，它是閥門實現(xiàn)功能性的重要組成部件，閥門依靠其內(nèi)部閥芯的移動，可以實現(xiàn)工作介質(zhì)的流向和流量控制。在閥門工作的過程中，閥芯的彈性密封材料起著至關(guān)重要的作用。閥芯的彈性密封面與相應(yīng)金屬刃口進(jìn)行壓縮與分離，以實現(xiàn)閥芯密封與設(shè)備開啟，閥芯的彈性密封材料包括橡膠、聚氨酯和氟塑料等。

本文介紹高精度閥芯的橡膠/金屬復(fù)合結(jié)構(gòu)及其粘合性能，分析高精度閥芯的成型工藝與密封性能的關(guān)系，并結(jié)合科研和生產(chǎn)情況給出每種成型工藝閥芯的密封解決方案，還對成型過程涉及到的模具和工裝給出合理化建議。

1 閥芯結(jié)構(gòu)介紹

閥芯如圖1所示，該結(jié)構(gòu)閥芯可以實現(xiàn)流體單向流動，一般稱為單向閥[1]。

圖1 閥芯示意Fig.1 Schematic diagram of valve core

1.1 閥芯結(jié)構(gòu)分類

閥芯按照密封面（橡膠面）運(yùn)動形式和自身結(jié)構(gòu)形式可以分為旋轉(zhuǎn)式和平移式，旋轉(zhuǎn)式主要用于蝶閥。下面重點研究往復(fù)運(yùn)動閥芯成型工藝與密封性能的關(guān)系。

1.2 閥芯基體材料

閥芯基體一般為金屬材料，航空航天領(lǐng)域常用的閥芯基體金屬材料為鈦合金（TC4，TC11，TA2等）、不銹鋼（316L）、鋁合金、黃銅等抗腐蝕性金屬材料。在實際使用時，依據(jù)閥芯組合體的使用工況，對金屬基體表面進(jìn)行相應(yīng)的處理。例如對鋁合金表面進(jìn)行硫酸陽極化或硬質(zhì)陽極化處理，可以提高其耐腐蝕、耐鹽霧、耐霉菌、耐濕熱性能；對不銹鋼、鈦合金等表面進(jìn)行鍍鉻或化學(xué)鍍鎳處理，可以減小其摩擦因數(shù)和提高耐磨性能。金屬基體的材質(zhì)不同，其與橡膠復(fù)合成型的工藝會有較大差異。

1.3 閥芯橡膠密封材料

目前，所有品種橡膠均可用作閥芯的密封材料，不同橡膠與不同金屬基體有不同的粘合處理工藝。航空航天領(lǐng)域常用的閥芯密封材料膠種有氟橡膠、氟醚橡膠（包括全氟醚橡膠）、三元乙丙橡膠、硅橡膠（包括氟硅橡膠）和丁腈橡膠等。航空航天領(lǐng)域的動力系統(tǒng)和溫控系統(tǒng)常用的工作介質(zhì)包括燃料（單推-3、肼類燃料、煤油、液氫）、氧化劑（純氧、四氧化二氮）和制冷劑（乙二醇、含氟制冷劑），每種工作介質(zhì)均對應(yīng)適用的膠種。航空發(fā)動機(jī)和空間站閥芯的密封材料膠種以耐熱空氣老化、耐航空燃油且能夠滿足高真空度要求的氟橡膠和氟醚橡膠應(yīng)用較多[2-5]。

與各工作介質(zhì)匹配的膠種為：氟橡膠 空氣、氮氣、煤油，偏氟醚橡膠 空氣、氮氣、煤油、四氧化二氮（短期≤4 h），全氟醚橡膠 所有工作介質(zhì)，三元乙丙橡膠 單推-3、肼類燃料、液氫、純氧、乙二醇、含氟制冷劑，丁腈橡膠 各種燃油。

2 成型工藝

閥芯的剖面結(jié)構(gòu)如圖2所示，其生產(chǎn)工藝流程為：金屬基體表面處理→半成品制備→硫化成型→去除飛邊→二段硫化→檢驗發(fā)貨。

圖2 閥芯的剖面結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Schematic diagram of section structure of valve core

本文重點討論與閥芯質(zhì)量關(guān)系較大的金屬基體表面處理、硫化成型和去除飛邊工藝步驟。

2.1 金屬基體表面處理

金屬基體表面處理是閥芯成型工藝的首要環(huán)節(jié)，這里所說的表面處理是指對其粘貼橡膠的部位（粘合界面見圖2）進(jìn)行物理（噴砂）或化學(xué)（有機(jī)溶劑清洗）處理[6-7]，處理的目的是增大膠粘劑與金屬基體的附著力。值得注意的是，并不是所有的金屬基體表面都需要進(jìn)行噴砂處理，采用硫酸陽極化處理的金屬基體表面不需要進(jìn)行噴砂處理，即依靠硫酸陽極化處理的金屬基體表面具有微觀多孔特性，其與橡膠的粘合性能好。

2.1.1 噴砂工藝

（1）噴砂工裝的優(yōu)化設(shè)計。對于需要噴砂的金屬材料，其噴砂工裝、砂粒材質(zhì)、清洗劑和施工工藝均會對產(chǎn)品的粘合性能造成影響。為了有效保護(hù)閥芯金屬基體工作面在噴砂過程中不被損傷，噴砂工裝必不可少。噴砂工裝需要有效地保護(hù)防護(hù)部位。噴砂工裝一般采用硬度較小的工程塑料（如尼龍、聚四氟乙烯等）進(jìn)行加工，以防止將金屬基體劃傷。合理與不合理的噴砂工裝結(jié)構(gòu)對比如圖3所示。

圖3 金屬基體的噴砂工裝結(jié)構(gòu)Fig.3 Sandblasting tooling structures of metal matrix

通過兩種結(jié)構(gòu)的噴砂工裝對比可知，合理的噴砂工裝有兩個特點：噴砂時，金屬蓋板與砂粒直接接觸，屬于易耗品，金屬蓋板的強(qiáng)度大和抗沖擊性比尼龍等非金屬材料蓋板高，使用壽命長；金屬蓋板的加工容易，更換成本低。

（2）噴砂參數(shù)的優(yōu)選。砂粒材質(zhì)和噴砂壓力會影響粘合面粗糙度。棕剛玉的硬度適中、堆積密度高、無游離二氧化硅、密度大、韌性好、環(huán)保，因此其用于生產(chǎn)閥芯金屬骨架的噴砂。棕剛玉噴砂壓力為0.4～0.6 MPa，被噴部位不能有鏡面狀態(tài)存在。

2.1.2 金屬基體表面清洗

閥芯金屬基體表面清洗是在噴砂后進(jìn)行，目的是除油、脫脂、除塵、活化，其清洗劑會直接影響橡膠與金屬基體的粘合強(qiáng)度。清洗劑應(yīng)當(dāng)符合以下幾點要求：（1）易揮發(fā)，不含水分；（2）不損傷金屬基體表面（如不腐蝕金屬基體、不破壞金屬表面處理層）；（3）不含油性成分；（4）對人體無害或毒性小。

采用平行對比試驗方式驗證不同清洗劑對橡膠與金屬粘合強(qiáng)度的影響。采用120#汽油、醋酸乙酯、120#汽油/醋酸乙酯和醋酸乙酯/丙酮清洗劑處理（兩種清洗劑處理是先用一種清洗劑對金屬基體清洗，待其晾干后再采用另一種清洗劑清洗）后，橡膠與金屬的90°剝離強(qiáng)度分別為2.4，3.2，4.6和5.6 kN·m-1。

由此可見，先采用醋酸乙酯對金屬基體進(jìn)行清洗、待其晾干后再采用丙酮進(jìn)行清洗的工藝，橡膠與金屬的粘合強(qiáng)度最大，表明清洗劑的分子極性越強(qiáng)，橡膠與金屬的粘合強(qiáng)度越大，這可能與粘合界面形成的化學(xué)鍵有關(guān)。因此，在實際生產(chǎn)中，可以采用多種極性清洗劑配合使用的方式，對金屬基體按照先除油后清洗的順序進(jìn)行處理。

2.1.3 金屬基體涂刷膠粘劑

2.1.3 .1 膠粘劑選擇

橡膠與金屬采用熱硫化的方式整體成型，膠粘劑是橡膠與金屬整體成型的橋梁，各膠種均有相匹配的膠粘劑。在選擇膠粘劑種類和牌號時，應(yīng)以膠種而不是以金屬作為選擇依據(jù)。在選擇膠粘劑時，應(yīng)當(dāng)遵循以下思路。

（1）膠粘劑的耐溫級別應(yīng)滿足閥芯的使用工況。膠粘劑是有機(jī)材料，應(yīng)當(dāng)依據(jù)閥芯的使用工況選擇耐溫等級與之匹配的膠粘劑。例如某閥芯用于200 ℃的高溫環(huán)境，可采用氯丁橡膠為基材的膠粘劑。

（2）膠粘劑的固化反應(yīng)速度應(yīng)與橡膠硫化速度匹配。膠粘劑的粘合固化反應(yīng)有：（1）與橡膠硫化同步進(jìn)行的橡膠與膠粘劑的固化反應(yīng)，橡膠與膠粘劑粘合界面形成的粘合力屬于有機(jī)材料分子間的范德華力；（2）膠粘劑自身的固化反應(yīng)，其形成過渡層；（3）膠粘劑與金屬基體的固化反應(yīng)，其主要形成離子鍵力。需要說明的是，這3方面的反應(yīng)同步進(jìn)行，因此其反應(yīng)速度應(yīng)當(dāng)匹配，如果不匹配則會出現(xiàn)粘合力下降和脫粘的現(xiàn)象。橡膠與金屬基體的粘合界面如圖4所示。

圖4 橡膠與金屬基體的粘合界面Fig.4 Bonding interfaces of rubber and metal matrix

（3）膠粘劑不能與工作介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。工作介質(zhì)會將橡膠溶脹，該溶脹效應(yīng)會使膠粘劑間接接觸工作介質(zhì)，如果膠粘劑與工作介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，會造成粘合界面破壞，導(dǎo)致閥芯失效。

（4）膠粘劑的使用壽命不短于閥芯的設(shè)計使用壽命。膠粘劑屬于有機(jī)材料，其老化壽命應(yīng)當(dāng)達(dá)到閥芯的使用壽命。例如某飛行器在軌道運(yùn)行時間為18年，所用膠粘劑的耐老化壽命必須滿足該要求，并且膠粘劑還應(yīng)當(dāng)具備耐紫外線和宇宙輻射的性能。

（5）膠粘劑不腐蝕金屬表面處理層。膠粘劑不應(yīng)當(dāng)為酸性或強(qiáng)堿性，以免對金屬基體造成損傷。

2.1.3 .2 膠粘劑涂刷工藝

實際科研和生產(chǎn)中，無法對金屬基體的膠粘劑膜厚精確控制，但是可以采用一些有效方法對膜厚度進(jìn)行考核，例如采用烘箱對涂刷好膠粘劑的金屬基體在70～80 ℃下進(jìn)行烘烤，若出現(xiàn)起皮、裂紋、脫落等現(xiàn)象，說明膜厚過大，應(yīng)當(dāng)對膠粘劑進(jìn)行稀釋。依據(jù)實際科研和生產(chǎn)經(jīng)驗，為了有效增大橡膠與金屬基體的粘合強(qiáng)度，建議膠粘劑采用低濃度、多次涂刷的工藝。金屬基體的膠粘劑膜厚控制效果如圖5所示。

圖5 金屬基體的膠粘劑膜厚控制效果Fig.5 Control effect of adhesive film thicknesses of metal matrix

2.2 硫化成型

閥芯采用模具進(jìn)行成型加工，模具的精度直接影響閥芯的尺寸，并且會對閥芯的密封性能造成影響。閥芯的橡膠面會存在一定的收縮率，導(dǎo)致橡膠面收縮后存在不平整現(xiàn)象。因此，在實際科研和生產(chǎn)中會依據(jù)閥芯的實際使用工況制定相應(yīng)的閥芯成型工藝。一般來講，按照橡膠面狀態(tài)，閥芯的密封結(jié)構(gòu)分為3種：一次成型結(jié)構(gòu)、超平橡膠面結(jié)構(gòu)、超平橡膠面/聚四氟乙烯（PTFE）膜復(fù)合結(jié)構(gòu)。這3種密封結(jié)構(gòu)如圖6所示[8]。

圖6 閥芯的3種密封結(jié)構(gòu)Fig.6 Three kinds of sealing structures of valve cores

2.2.1 一次成型結(jié)構(gòu)

閥芯一次成型屬于傳統(tǒng)的成型方式，該成型工藝需要依據(jù)模具的設(shè)計圖，結(jié)合橡膠的收縮率，確定模腔的尺寸。例如圖紙上規(guī)定了橡膠面超出金屬基準(zhǔn)面的尺寸（即凸出量），要達(dá)到該指標(biāo)就需要考慮模腔的凹陷尺寸。閥芯的橡膠面凸出量如圖7（a）所示，模腔凹陷量如圖7（b）所示[9]。

圖7 閥芯的橡膠面凸出量和模腔凹陷量示意Fig.7 Schematic diagram of rubber surface protrusions and mold cavity depressions of valve core

模腔凹陷量與橡膠面高度及貼膠溝槽尺寸有密切關(guān)系。一般來講，貼膠溝槽（見圖8）越深，橡膠面向下收縮的尺寸越大；同樣深度的溝槽，連續(xù)貼膠的面積越大，溝槽凹陷量也越大。模腔凹陷量與橡膠面所用膠種和溝槽尺寸都有一定關(guān)系。結(jié)合科研和生產(chǎn)經(jīng)驗，給出橡膠面常用膠種和貼膠溝槽尺寸所對應(yīng)的模腔凹陷量，如表1所示[10-12]。

表1 一次成型閥芯的橡膠面常用膠種和貼膠溝槽尺寸與模腔凹陷量的對應(yīng)關(guān)系Tab.1 Correspondence between common rubber types of rubber surfaces and rubber fitting groove sizes and mold cavity depressions for once molding valve cores mm

圖8 不同類型溝槽貼膠示意Fig.8 Schematic diagram of rubber fitting for different types of grooves

一次成型工藝的優(yōu)點是閥芯的橡膠面為一次成型，無需后續(xù)二次加工，橡膠面粗糙度較小，甚至可以實現(xiàn)鏡面密封；缺點是橡膠面平整性較差，特別是橡膠面尺寸較大時，會出現(xiàn)橡膠面不均勻接觸，從而導(dǎo)致密封效果較差，閥芯在進(jìn)行裝配時需要反復(fù)調(diào)整，才能實現(xiàn)良好的密封效果。出現(xiàn)這種情況時除了調(diào)整裝配工藝外，還可以通過增大金屬密封刃口壓縮量（增大彈簧作用力）的方式進(jìn)行調(diào)整，實現(xiàn)閥芯的密封；如果工藝允許，也可以采用降低橡膠硬度的方式來增大壓縮量，實現(xiàn)閥芯的密封。

2.2.2 超平橡膠面結(jié)構(gòu)

為了解決閥芯的一次成型結(jié)構(gòu)缺點，可采用后續(xù)磨削工藝，獲得超平橡膠面結(jié)構(gòu)閥芯[見圖9（a）]，其密封效果良好，閥芯裝配時基本無需調(diào)整。

超平橡膠面閥芯模具設(shè)計時要考慮預(yù)留一定的橡膠面高度，即橡膠面收縮后其仍要高于金屬面，然后采用平面磨床[見圖9（b）]對橡膠面進(jìn)行平面磨。需要注意的是，采用磨床加工時應(yīng)提前對砂輪平整度進(jìn)行調(diào)整，實際操作時不允許使用冷卻液對工件進(jìn)行降溫，要確保在干燥的加工環(huán)境中將磨削的橡膠飛沫快速甩掉，防止磨出的膠粉對砂輪的多孔結(jié)構(gòu)造成損壞。

圖9 超平橡膠面閥芯和平面磨床Fig.9 Ultra-flat rubber surface valve cores and surface grinder

超平橡膠面閥芯的優(yōu)點為：（1）橡膠面平整度高，相對于金屬面橡膠面平整一致性好；（2）閥芯安裝時調(diào)整少，密封效果好。該閥芯的缺點為：（1）磨床磨削時，橡膠面生熱會影響其最終高度，因此磨削過程中應(yīng)當(dāng)控制好橡膠面溫度；（2）需要制作專門的磨削工裝，磨削工作量大，生產(chǎn)效率較低。

2.2.3 超平橡膠面/PTFE膜復(fù)合結(jié)構(gòu)

在低溫下，隨著溫度的降低，橡膠材料中的橡膠大分子的柔順性變差，橡膠材料的彈性降低。在實際工程中，閥芯在低溫情況下會經(jīng)常出現(xiàn)橡膠面與金屬刃口粘連的現(xiàn)象，導(dǎo)致橡膠面與金屬刃口不能分離，從而造成設(shè)備開啟壓力變高。

為了解決閥芯橡膠面在低溫下與金屬刃口粘連的問題，可以在橡膠面上貼附外形尺寸與其一致的PTFE膜，從而有效避免橡膠面與金屬刃口低溫粘連的問題。橡膠面的貼膜工藝和貼膜效果如圖10所示。通過實際驗證，超平橡膠面/PTFE膜復(fù)合閥芯在低溫環(huán)境下的密封效果及其設(shè)備的開啟壓力與常溫下基本保持一致。

圖10 超平橡膠面/PTFE膜復(fù)合閥芯的貼膜工藝和貼膜效果Fig.10 Film fitting process and effect of ultra-flat rubber surface/PTFE film composite valve core

在成型該結(jié)構(gòu)閥芯時，貼PTFE膜的膠粘劑的選擇和PTFE膜飛邊的去除至關(guān)重要。由于PTFE膜是在橡膠面磨平后粘貼，因此貼膜工藝也至關(guān)重要。

2.3 去除飛邊

閥芯與傳統(tǒng)的純膠制件不同，純膠制件可以借助刀片和剪刀之類的輔助工具去除飛邊，閥芯屬于復(fù)合結(jié)構(gòu)制件，傳統(tǒng)的修邊方式已不適用，而對諸如發(fā)動機(jī)油路的一些閥芯，如果飛邊去除不干凈，工作介質(zhì)有可能會沖進(jìn)發(fā)動機(jī)，導(dǎo)致事故發(fā)生。

閥芯的修邊可以采用車床進(jìn)行，即將閥芯夾持在工裝內(nèi)快速旋轉(zhuǎn)，依靠旋轉(zhuǎn)時的離心力，將膠邊均勻離散，然后借助輔助工具進(jìn)行飛邊清理，這種方式稱為旋轉(zhuǎn)打邊，采用此類方式可以達(dá)到很好的去除飛邊效果。旋轉(zhuǎn)打邊和傳統(tǒng)修邊去除閥芯飛邊的效果如圖11所示。在旋轉(zhuǎn)打邊時，車床轉(zhuǎn)速一般需大于2 500 r·min-1。在實際科研和生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)打邊的較快轉(zhuǎn)速對閥芯的去邊效果有利。

圖11 閥芯旋轉(zhuǎn)打邊和傳統(tǒng)修邊的效果Fig.11 Effect of rotary edge-trimming and traditional edge-trimming of valve cores

3 結(jié)語

本文對高精度閥芯成型的關(guān)鍵工藝進(jìn)行探討，分析閥芯成型工藝與密封性能的關(guān)系，所述工藝技術(shù)適合多種閥芯的研究和生產(chǎn)，也可為其他橡膠/金屬復(fù)合結(jié)構(gòu)制件的研制借鑒，對橡膠與金屬復(fù)合結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的研究和生產(chǎn)具有很好的指導(dǎo)意義。