進口低溫閥瓣制造工藝技術

熱壓成型工藝是將一定量的顆粒狀聚酰亞胺粉料置入金屬閥瓣基體密封槽內，整體放入成型的模具腔體內，利用帶熱源的壓機產生一定的溫度和壓力，使加入的顆粒狀聚酰亞胺粉料在高溫高壓下熔融流動，緩慢充滿整個密封槽，再整體放置于高溫的高壓試驗機上，施加一定的壓力后保壓，使形成固體的非金屬壓牢、壓實，最后，將成型的產品取出，從而完成整個熱壓成型的過程。從金屬閥瓣基體的機加工開始，經過一系列的工藝流程，到最后的合格產品，整個工藝流程如圖3所示。

圖3熱壓閥瓣制造工藝流程框圖

噴砂工藝是以壓縮空氣為驅動力，形成射流束，磨料(如銅礦石、石英砂、碳化硅、鐵砂等。)快速噴射到金屬基體密封槽的底部和側面。由于磨料粗糙度大，速度快，會對金屬基體密封槽的底面、側面和環面產生一定的切割和沖擊作用，使其達到不同程度的表面粗糙度，從而提高金屬基體與聚酰亞胺材料的粘接強度和粘接性能。影響噴砂的主要參數有:金屬基體的材質、磨料類型(球形和金剛石)、磨料粒度、磨料濃度、噴涂距離、噴涂角度、噴涂時間、壓縮空氣壓力等。根據以往產品噴砂的要求和經驗，試驗證明磨料粒度為24目時結合強度最高。具體噴砂工藝參數見表1。噴砂前，用汽油和酒精對閥瓣金屬基體進行超聲波清洗，嚴格保證表面的清潔度。然后用24目石英砂對閥瓣金屬基體的密封槽進行噴砂處理。噴嘴直徑3 mm，噴砂后不允許任何東西接觸噴砂面，并對噴砂面進行檢查。要求金屬基體溝槽底部和側面全面噴砂，粗糙度均勻。

表1 噴砂工藝參數

m=ρ×V                                 (1)

其中聚酰亞胺粉料的密度ρ=1.40 g/cm³，通過以上公式計算得出需要加入聚酰亞胺粉料的重量約66 g，通過精確稱重后，將粉料加入預先放入模具中閥瓣基體密封槽內。加料前，必須將原材料進行干燥處理，原材料的干燥對于閥瓣熱壓成型質量至關重要，如果原材料除水不干凈，會導致熱壓時產生大量氣泡。通過實踐驗證，本文的顆粒狀聚酰亞胺粉料選用溫度210 ℃，烘干時間2 h的參數進行干燥處理。加料時，需將聚酰亞胺粉料均勻的鋪在密封槽中。

圖5 燕尾槽結構示意圖

進料完成后，可以按壓閥盤。閥瓣熱壓過程中的非金屬變化可分為三個階段:

1)玻璃態向高彈性態轉變的過程，即非金屬逐漸從固態向液態轉變的過程。

2)高彈性狀態轉化為粘性狀態并保持粘性狀態的過程。

3)從粘性狀態向高彈性狀態轉變的過程。

根據文獻記載，非金屬轉變的三個階段都受到三個工藝參數的影響:成型壓力、成型溫度和成型時間。


成型壓力是指在非金屬轉變的三個階段中施加到模具上的不同壓力值。非金屬化第一階段，固態粉末熔化，在轉變過程中體積不斷收縮，造成上模壓板與上模之間有間隙，降低了加熱效果。因此，需要施加小的成型壓力來使上模具的壓板與上模具配合。非金屬變化的第二階段是粘性狀態，在這種狀態下不能施加壓力，否則會產生氣泡，導致熱壓后產品性能異常。在非金屬變化的第三階段，需要較大的成型壓力來冷卻和固化處于密封槽熔化狀態的非金屬，壓力不能超過模具的最大承載能力，以防止模具變形或損壞。


成型溫度是指非金屬變化的三個階段中模具表面的溫度。在第一、二階段，非金屬的溫度高于非金屬的熔點，使其充分熔化流動。第三階段，非金屬的溫度不得高于非金屬的熔點，使其充分冷卻固化。


成型時間是指非金屬化三個階段所需的全部時間，即聚酰亞胺粉末熔化固化全過程所需的全部時間。不同階段時間要求不同，第一階段非金屬變化完全熔化，成型時間較長；第二非金屬階段所需的成型時間短；第三階段非金屬需要完全固化，成型時間也較長。


從上面的描述可以看出，熱壓后閥瓣的外觀質量和力學性能與三個工藝參數密切相關:成型壓力、成型溫度和成型時間。成型壓力過低會導致非金屬與金屬的結合強度降低，熱壓成型的閥瓣非金屬表面會出現氣孔、凹坑等缺陷。成型壓力過高會損壞模具，導致壓制后的碟片無法脫模。成型溫度對閥瓣的質量和性能有很大影響。較低的成型溫度會導致非金屬固化時間較長，固化后非金屬硬度較低，而較高的成型溫度會導致非金屬變色，力學性能變差。同樣，成型時間對閥瓣的外觀質量和產品性能也有很大的影響。成型時間較短導致非金屬固化時間不足，非金屬受外力沖擊后容易變形翹曲。較長的成型時間導致非金屬內應力增加，機械性能下降，生產周期延長。因此，需要精確控制三個工藝參數:成型壓力、成型溫度和成型時間。


為了更清楚地找出成型壓力、成型溫度和成型時間三個工藝參數對閥盤質量和性能的影響因素，本文選擇了正交試驗方法進行分析和驗證。選取非金屬化第一階段的成型壓力、成型溫度和成型時間作為自變量進行分析。

第一階段中模壓壓力較小，因此選擇變化量為A1=0.3 MPa、A2=0.4 MPa、A3=0.5 MPa；由于聚酰亞胺粉料的熔點約為360 ℃，因此第一階段模壓溫度選擇變化量為B1=380 ℃、B2=400 ℃、B3=420 ℃；第一階段中模壓時間較長，因此選擇變化量為C1=10 min、C2=15 min、C3=20 min。第一階段的正交試驗組合如表2所示。

表2 正交試驗組合

第二階段和第三階段的模壓壓力、模壓溫度和模壓時間參數確認方法同樣采用正交試驗法。經過熱壓后閥瓣的外觀質量和力學性能試驗驗證，閥瓣熱壓成型過程中非金屬三個階段的具體工藝參數如表3所示。

表3 熱壓成型過程工藝參數

閥瓣密封結構

將熱壓成型好的閥瓣取出后，在大氣中緩慢冷卻，閥瓣熱壓成型后的實物圖如圖6所示。由于閥瓣經過噴砂、加料、壓制等多個過程，導致閥瓣金屬基體表面和非金屬表面粗糙度較差，不滿足使用要求，因此需要進行機加工處理，使其端面平整、光滑。

圖6 熱壓后閥瓣實物圖

試驗驗證

圖7 串氣試驗系統實物圖