壓力膜片的 制造技術(shù)研究初探

　　0 引言

　　彈性敏感元件是多種航空、航天傳感器和儀表的核心部 件，它直接感受被測(cè)介質(zhì)的能量，并以變形或響應(yīng)被測(cè)量而 輸出，再經(jīng)變換元件變?yōu)榭捎玫碾娦盘?hào)或位移量。我廠生產(chǎn) 的包端管按其外形結(jié)構(gòu)分為C形包端管，螺旋形包端管(單層 和雙層)，渦線形包端管(又稱盤(pán)旋管)，分類及特點(diǎn)如表1所示。按其截面形狀分為平橢圓形、D形及8字形。

　　C型包端管，螺旋包端管(單層和雙層)，渦線包端管(又 稱盤(pán)旋管)是我廠目前主要生產(chǎn)的敏感元件，但隨著近幾年 新機(jī)型對(duì)壓力表的性能及環(huán)境要求越來(lái)越嚴(yán)格，對(duì)壓力表的 抗振、抗沖擊性能、小型化提出要求，目前C型包端管式壓 力表在抗振環(huán)境中出現(xiàn)過(guò)齒輪及銷(xiāo)子磨損等故障，且尺寸較 大，外徑尺寸均大于60mm，已經(jīng)不太適用于目前新機(jī)型 的要求。螺旋包端管(單層和雙層)式壓力表目前尺寸符合要 求，且經(jīng)過(guò)優(yōu)化可以耐受一定振動(dòng)量值的環(huán)境，但是在飛機(jī) 機(jī)翼中部及翼尖出現(xiàn)過(guò)破裂故障。渦線包端管式壓力表主要 用于滅火瓶，其指示精度低，但是其尺寸小且可以耐受一定 范圍內(nèi)的振動(dòng)環(huán)境，適用范圍較小，還沒(méi)有在其他系統(tǒng)使用 過(guò)。膜片式壓力表目前來(lái)說(shuō)可以耐受任何振動(dòng)環(huán)境且性能完 好，可解決目前振動(dòng)問(wèn)題。

　　綜上對(duì)于新機(jī)型來(lái)說(shuō)，膜片式壓力表不論是性能要求還 是環(huán)境要求是最好的選擇，也是未來(lái)重點(diǎn)發(fā)展的方向，但制 約其發(fā)展速度的因素是膜片的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造核心技術(shù)均不 在我廠，因此研究膜片的設(shè)計(jì)及制造技術(shù)勢(shì)在必行。

　　1 目前現(xiàn)狀

　　隨著近年來(lái)市場(chǎng)的拓展，膜片類壓力表產(chǎn)量增長(zhǎng)迅速， 2020年及2021年連續(xù)增長(zhǎng)，膜片需求達(dá)到6000~8000片/ 年，一方面由于外協(xié)廠家壓力膜片供應(yīng)不及時(shí)，另一方面壽 命不夠及性能不一致等問(wèn)題。外協(xié)廠家的膜片加工方法為板 料機(jī)加成型，通過(guò)熱處理進(jìn)行調(diào)整其性能，雖然機(jī)加尺寸精 度保持一致，但是纖維組織破壞會(huì)導(dǎo)致膜片性能不一致，所 以必須對(duì)壓力膜片設(shè)計(jì)及制造技術(shù)進(jìn)行研究。

　　2 制造工藝

　　目前只對(duì)某型壓力表膜片的制造工藝進(jìn)行部分研究，尚 處于研制階段，本文不提及設(shè)計(jì)部分。

　　2.1 調(diào)研資料分析

　　膜片材料為3J53恒彈合金，其特點(diǎn)為彈性模量在一定 溫度范圍內(nèi)(-60～+100℃)不隨溫度變化或變化微小，3J53 恒彈合金廣泛應(yīng)用于航空儀表與精確控制裝置的彈性敏感元 件、制造膜片、膜盒、波紋管等，要求這類合金有較高的強(qiáng) 度、較低的彈性后效及較好的耐蝕性。

　　3J53恒彈合金在時(shí)效之前經(jīng)過(guò)預(yù)先冷變形(>40%)，能 促進(jìn)彌散相的析出和分布，使合金的性能顯著地提高。因此，3J53恒彈合金在時(shí)效之前給以一定的變形量，能夠大大 促進(jìn)合金的強(qiáng)化效果，造成了晶格扭曲和不完整性，并產(chǎn)生 一定數(shù)量的滑移帶、孿晶組織、纖維組織及亞結(jié)構(gòu)等高能 區(qū)。發(fā)生固態(tài)相變時(shí)，新相晶核多產(chǎn)生在高能區(qū)，脫溶也在 局部地區(qū)加速，這是由于在該區(qū)域的形核能小，擴(kuò)散速率大 之故。強(qiáng)化效果隨著變形量增加而提高，但在較大變形量 時(shí)，則上升很慢。若變形量太大或時(shí)效溫度過(guò)高、時(shí)間太 長(zhǎng)， 由于析出相的聚集長(zhǎng)大，導(dǎo)致晶界過(guò)早的軟化，使晶界 松弛，降低了合金性能。通過(guò)上述資料的分析，確定膜片的 加工工藝流程。

　　2.2制造工藝初探

　　通過(guò)查詢資料，結(jié)合我公司現(xiàn)有設(shè)備，制定如下工藝流 程(表2)：

　?、賯淞稀陔娂庸は铝稀酃倘芴幚怼艽周?chē)外形→⑤ 冷擠成形→⑥精車(chē)成形→⑦與頂桿激光焊接→⑧時(shí)效處理。

　　3 膜片試驗(yàn)

　　3.1 膜片性能測(cè)試 3.1.1 釋放應(yīng)力

　　0～27MPa交變10次。 3.1.2 位移檢測(cè)

　　加壓至5MPa、10MPa、15MPa、25MPa時(shí)檢測(cè)位 移，位移見(jiàn)表3。

3.1.3 壽命檢測(cè)

　　工作交變：(2~23)MPa的交變?cè)囼?yàn)，每10000次交 變檢測(cè)性能，性能見(jiàn)表4。

　　3.2 試驗(yàn)結(jié)論

　　(1) ①、②、③狀態(tài)位移、線性度及遲滯誤差均符 合技術(shù)要求，線性度：①狀態(tài)<②狀態(tài)<③狀態(tài)，遲滯誤 差：②狀態(tài)<①狀態(tài)<③狀態(tài);

　　(2)②、③狀態(tài)到達(dá)所期望的次數(shù)，且10000次壽命 后性能幾乎無(wú)變化，③狀態(tài)壽命以接近外購(gòu)膜片的次數(shù)：

　?、贍顟B(tài)<②狀態(tài)<③狀態(tài);

　　(3) 在相同熱處理情況下隨著擠壓率的升高， 線性 度下降; 50%的擠壓率時(shí)遲滯誤差最佳;隨著擠壓率的升 高，膜片壽命升高;

　　(4)目前試驗(yàn)只針對(duì)膜片性能，未進(jìn)行裝表進(jìn)行環(huán)境 試驗(yàn)，作為后續(xù)計(jì)劃。目前試驗(yàn)證明，用本文介紹的工藝方法可以滿足基本性能要求，后續(xù)還需進(jìn)行熱處理及材料 狀態(tài)等工藝摸索。

　　4 后續(xù)工作

　　4.1 材料固溶處理方面

　　3J53恒彈合金一般在950～1050℃,保溫15～40min 之后，迅速水淬，可獲得晶粒較細(xì)的單相奧氏體組織。下 一階段根據(jù)膜片結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，材料固溶處理方面，將對(duì)900 ~1050℃溫度段進(jìn)行試驗(yàn)，摸索出最佳的固溶處理工藝， 以提高膜片的性能和壽命。

　　4.2 冷應(yīng)變方面

　　3J53恒彈合金在時(shí)效之前經(jīng)過(guò)預(yù)先冷應(yīng)變(40%～75 %)，能促進(jìn)彌散相的析出和分布，使合金的性能顯著地提 高。通過(guò)前期的試驗(yàn)，證明了一次變形量30%的膜片比一 次變形量50%的膜片的線性度和遲滯誤差好;變形量50% 的膜片比變形量30%的膜片壽命高。

　　因此，下一階段將對(duì)膜片冷應(yīng)變的模具進(jìn)行改進(jìn)，增 加模具數(shù)量或改進(jìn)模具結(jié)構(gòu)。將一次變形量控制在30%左右，通過(guò)多次固溶處理和冷應(yīng)變，使總變形量到達(dá)60%~ 75%。摸索出合理的固溶和變形參數(shù)，到達(dá)最佳的性能和 壽命。

　　4.3 時(shí)效處理方面

　　固溶和冷應(yīng)變后時(shí)效處理，從過(guò)飽和固溶體中洗出γ′ 相，使合金獲得沉淀強(qiáng)化;與此同時(shí)，由于γ′相的析出， 使合金基體中的鎳含量減少，導(dǎo)致合金磁化性能參數(shù)的變 化，這也是獲得良好恒彈性性能的重要條件。時(shí)效處理過(guò) 程就是選擇適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に?，控制γ′相的析出量和分布? 態(tài)，以獲得良好性能的過(guò)程。

　　因此，下一階段將對(duì)600～700℃溫度段進(jìn)行試驗(yàn)，摸 索出最佳的時(shí)效處理工藝，以提高膜片的綜合性能和壽命。

　　4.4 膜片設(shè)計(jì)方面

　　目前我廠涉及到的為碗狀膜片及平膜片，后續(xù)針對(duì)不 同膜片進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，確認(rèn)膜片參數(shù)算法。

　　5 展望

　　(1)通過(guò)對(duì)膜片的固溶處理、冷應(yīng)變和時(shí)效處理工藝 摸索，最終確定最佳工藝參數(shù)，制造出高性能、長(zhǎng)壽命的 膜片是切實(shí)可行的;

　　(2)因熱處理對(duì)膜片性能影響較大，目前沒(méi)有自己的 熱處理能力，如果想完全摸索整套工藝參數(shù)，需建立熱處 理能力;

　　(3)本文只針對(duì)膜片的性能進(jìn)行部分試驗(yàn)，目前性能滿 足要求，但是還未對(duì)裝表后進(jìn)行技術(shù)性能及環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證;

　　(4)針對(duì)振動(dòng)量值大，尺寸要求小的環(huán)境下，研制 一 款新型小型化膜片抗振壓力表成為可能。

　　4 驗(yàn)證及結(jié)論

　　互聯(lián)網(wǎng)上有眾多小工具可以進(jìn)行TCP通訊的驗(yàn)證，如 “SocketTool”、“TCP&UDP測(cè)試工具”等。在調(diào)試過(guò)程 中，首先在PG上安裝TCP通訊測(cè)試工具，以PG作服務(wù)器測(cè) 試PLC與PG的TCP協(xié)議是否正常，若正常即可與劃線裝置進(jìn) 行聯(lián)機(jī)調(diào)試。

　　在該項(xiàng)目中，應(yīng)用西門(mén)子S7 “IBLKMOV”功能塊快速 實(shí)現(xiàn)了字符串?dāng)?shù)據(jù)類型的數(shù)據(jù)傳輸，減少了PLC編程工作 量;而NCU X130網(wǎng)口進(jìn)行TCP通訊的具體應(yīng)用，對(duì)于將自 動(dòng)化設(shè)備掛接在西門(mén)子840DSL數(shù)控機(jī)床上，以及將機(jī)床組 網(wǎng)至非標(biāo)自動(dòng)化產(chǎn)線中也有一定的借鑒作用。