伺服機構(gòu)用星形密封圈充氣合格率提升

馮加印，鄒昊生

（上海航天控制技術(shù)研究所，上海 201109）

1 引言

星形密封圈為伺服機構(gòu)關(guān)鍵基礎(chǔ)件，是電液伺服機構(gòu)中的關(guān)鍵密封件，P214-A丁腈橡膠是為液壓伺服機構(gòu)研制的專用膠料，該膠料具有較好的耐高低溫、耐油的平衡性能以及優(yōu)異的耐磨性能。近年來，隨著各型號星形密封圈使用數(shù)量的增加和質(zhì)量要求的提高，按原有工藝生產(chǎn)的星形密封圈氣檢合格率較低，難以滿足產(chǎn)品裝配數(shù)量、質(zhì)量的要求。為解決這一問題，需要對星形密封圈生產(chǎn)過程進行試驗研究，優(yōu)化工藝過程，以提高星形密封圈的充氣合格率和表面質(zhì)量。

2 必要性分析

近年來，隨著科研生產(chǎn)任務(wù)的不斷增加，伺服機構(gòu)用星形密封圈配套數(shù)量也大幅度增加，產(chǎn)品生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，使用的P214-A膠料星形密封圈的充氣合格率不高，一直維持在20%左右，某些批次充氣合格率甚至不足10%，且由于生產(chǎn)廠家的生產(chǎn)效率有限，給產(chǎn)品生產(chǎn)進度造成了影響，適當提高星形密封圈的充氣合格率是很有必要的。

通過開展X形密封圈的充氣檢合格率提升研究工作，使得X型密封圈充氣合格率由改進前的20%以下提高到70%（含70%）以上。

3 原因分析及改進措施

3.1 原因分析

針對星形密封圈充氣合格率低的問題，首先開展氣檢方法研究，星形密封圈氣密檢查是將星形密封圈放入高壓密閉容器，充入高壓氮氣至13 MPa保壓24 h后取出產(chǎn)品，30 min以內(nèi)通過肉眼觀察表面是否起泡。

不同于金屬或塑料件，橡膠類高分子材料分子間空隙較大，在高壓下氮氣會有輕微滲透。卸壓后滲透進入橡膠材料的氣體發(fā)生溢出，出現(xiàn)起泡現(xiàn)象。

橡膠材料用于氣體密封或真空密封的場合時，要求其具有較低的氣體滲透性，以抵抗氣體分子的通過，具有較高的氣密性。橡膠材料的氣密性主要取決于大分子鏈的結(jié)構(gòu)，如果大分子鏈中含有極性基團或大的側(cè)基，分子鏈段的活動性就降低，對氣體分子的屏蔽作用就越大，氣體分子的滲透作用就較小，該類橡膠的透氣性就越低，丁基橡膠和高腈含量丁腈橡膠低的透氣性就是這個道理。相反，如果大分子鏈的柔性好，鏈段的運動性強，氣體的透氣性就比較高，天然橡膠和順丁橡膠等即為此類橡膠。

同時，橡膠結(jié)晶成分的存在或氣體分子尺寸的增大也增大了氣體透過的難度，使氣體的透過性降低。

炭黑和填料的加入使橡膠大分子鏈的運動性降低，并提高了膠料內(nèi)部的堆砌密度，使膠料的透氣性減少。具有片層狀結(jié)構(gòu)的云母、石墨粉等填料，由于其具有更好的阻滯作用，可顯著降低膠料的透氣性。而軟化劑提高了分子鏈的運動性，并使膠料的致密性降低，導(dǎo)致硫化橡膠的透氣性增大。提高膠料的交聯(lián)度，增大膠料的致密性也可使膠料的透氣性降低，不過交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的尺寸較氣體分子的尺寸要大許多，所以硫化狀態(tài)對透氣性的影響可能相對較小。

橡膠的透氣性與透過系數(shù)有關(guān)，透過系數(shù)越大，氣透性越好。橡膠透過系數(shù)（以空氣為例）比較為：硅橡膠＞天然膠＞氟橡膠＞丁苯膠＞氯丁膠＞丁腈膠＞丁基膠。

從表1中可以看出，丁基橡膠具有較好的耐透氣性；耐油橡膠，則一般選用高丙烯腈含量的丁腈橡膠。所以，對于要求高真空度的橡膠密封制品，一般采用丁基橡膠、丁腈橡膠制造。

表1 幾種橡膠的空氣滲透系數(shù)

3.2 改進措施

丁腈橡膠P214-A是專門為伺服機構(gòu)密封系統(tǒng)研發(fā)的膠料，它具有較高的耐油性（耐10#和15#液壓油）、耐高低溫性能，經(jīng)過產(chǎn)品例行試驗、可靠性增長試驗驗證，其性能穩(wěn)定，較好地滿足了產(chǎn)品使用要求。鑒于此，在產(chǎn)品已經(jīng)定型的前提下，調(diào)整膠料配方的方法可行性不高，如更換高丙烯腈含量的丁腈生膠，該方法會降低產(chǎn)品的低溫性能指標。換言之，任何更改和調(diào)整配方的方案是不可行的，只能對星形密封圈生產(chǎn)制造過程進行優(yōu)化，進行精細化管理，確保星形密封圈產(chǎn)品穩(wěn)定。

3.2.1 原材料準備及混煉膠制備過程的改進與優(yōu)化

嚴格按照工藝進行配料、混煉，保證每個過程干凈，避免其他雜質(zhì)帶入?；鞜捘z的主料丁腈生膠采用10噸開煉設(shè)備進行塑煉，然后用單層100目不銹鋼濾網(wǎng)過篩，過濾掉生膠中的雜質(zhì)。配料工段，P214-A膠料中使用的軍品噴霧炭黑用80目銅網(wǎng)過篩，粉料用80目不銹鋼濾網(wǎng)過篩，其他原材料均選用一級或軍品級，避免不明軟雜質(zhì)出現(xiàn)。配料過程中使用的小料用精度為2 g的電子天平稱量，保證配料的準確度。在煉膠的過程中，對生膠薄通3遍，待膠料煉好之后對混煉膠薄通3遍，保證生膠和其他填料混煉均勻（見圖1～2）。

圖1 生膠過濾

圖2 炭黑過濾

3.2.2 半成品制備過程的改進與優(yōu)化

性能測試合格后的混煉膠用單層100目不銹鋼過濾網(wǎng)過篩，過濾掉前道工序操作過程中帶入的雜質(zhì)。過篩后通過擠出機擠成對應(yīng)規(guī)格的半成品，用塑料布包裹，備用?；鞜捘z過濾及半成品制備（見圖3～4）。

圖3 混煉膠過濾

圖4 半成品制備

3.2.3 模具檢查、修模和重新加工過程的改進與優(yōu)化

對現(xiàn)有型號規(guī)格的星形圈，模具加工時選用優(yōu)質(zhì)模具鋼（見圖5～6），并對模具型腔進行精細拋光處理，保證后期生產(chǎn)的星形密封圈光澤度更優(yōu)，表面質(zhì)量更好，做到生產(chǎn)無縫對接。

圖5 KJ1-2/21-025 106×6.8×6.8

圖6 KJ2-2/102-010 62.5×5×5

同時對模具的保存、使用、管理工作進行優(yōu)化，在模具庫設(shè)定專業(yè)的貨架存放密封圈模具，避免非生產(chǎn)過程對模具造成的損傷，（見圖7）。

圖7 模具存放架

3.2.4 硫化工序的優(yōu)化與改進

建立無塵硫化專用凈化室（見圖8），采購專用平板硫化設(shè)備，硫化過程中，每天進行首模鑒定、并增加產(chǎn)品專檢。使用前對模具用細砂紙進行拋光處理，硫化后用干凈綢布對模具進行擦拭，保證生產(chǎn)出的星形密封圈表面光亮、無雜質(zhì)，保證后續(xù)產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性及產(chǎn)品表面光潔（見圖9）。

圖8 無塵硫化專用凈化室

圖9 工人硫化

4 試驗驗證

采用上述工藝改進措施之后，對改進后的星形密封圈按工藝文件要求進行氣檢。將星形密封圈放入高壓密閉容器中（充氣壓力為13 MPa，充氣后高壓密閉容器穩(wěn)壓24 h）。充氣結(jié)束后，將星形密封圈從密閉容器中取出，加嚴檢驗，用5倍放大鏡對星形密封圈表面質(zhì)量進行檢查。表面密封部位不允許有氣泡，非密封部位不允許有嚴重起泡或多于5個可見氣泡。檢驗合格后靜放24 h后，再進行檢查。檢查結(jié)果見表2所示。

表2 運載伺服機構(gòu)X形密封圈密實性檢查

進行工藝改進后，對2種規(guī)格星形密封圈氣檢合格率進行統(tǒng)計。從表3中可以看出，工藝改進后星形密封圈氣檢合格率達到70%以上，滿足伺服機構(gòu)星形密封圈氣檢合格率提高至70%（含70%）以上的技術(shù)指標。

表3 運載伺服機構(gòu)配套2種規(guī)格的X形密封圈氣檢合格率

5 結(jié)論

（1）通過對粉料及炭黑等填料的過篩，以及對生膠和混煉膠料的過濾，生產(chǎn)出的星形密封圈表面干凈、無雜質(zhì)、密實度高。

（2）通過對模具的檢查、修模以及重新加工，星形密封圈表面光潔度有很大提高。

（3）星形密封圈在硫化專用無塵凈化室中，采用專用平板硫化機進行生產(chǎn)，確保產(chǎn)品表面光潔、干凈、無雜質(zhì)；質(zhì)量穩(wěn)定性有了大幅提高

（4）通過改進工藝生產(chǎn)過程，改善生產(chǎn)設(shè)備及環(huán)境，星形密封圈的外觀質(zhì)量、產(chǎn)品密實度明顯提高，氣檢合格率也由原來的20%以下提高到70%（含70%）以上，個別規(guī)格氣檢合格率能達到80%以上，滿足伺服機構(gòu)用星形密封圈的充氣合格率技術(shù)指標要求。