大型金屬密封圈加工工藝研究*＊

郭秀華 陳祥林 周曲珠

(①蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電與信息技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州215009;②蘇州市職業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州215104)

金屬密封圈是工業(yè)生產(chǎn)中極為常見的密封件，其密封功能可以防止水、油、氣體等介質(zhì)泄漏，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、管道等設(shè)備。機(jī)械密封也稱端面密封，用于泵、釜、壓縮機(jī)、液壓傳動和其他類似設(shè)備的旋轉(zhuǎn)軸的密封。一般密封裝置包括殼體、密封圈和端蓋，組成平面摩擦副，依靠彈性構(gòu)件和密封介質(zhì)的壓力在接觸表面(端面)上產(chǎn)生適當(dāng)?shù)膲壕o力，使這兩個端面緊密貼合，達(dá)到密封的效果。

某公司生產(chǎn)的壓縮機(jī)用大型金屬密封圈，其零件圖如圖1 所示，該零件屬于小批量生產(chǎn)，其結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，外徑為Φ410 mm，內(nèi)徑為Φ330 mm，厚度為10 mm。尺寸的精度均為常規(guī)要求，唯有兩點(diǎn)難以保證:(1)以Φ330 mm 圓為基準(zhǔn)(即基準(zhǔn)A)，密封圈正、反兩個端面的圓跳動為0.03 mm;(2)密封圈正面直徑Φ365 ～410 mm 范圍內(nèi)，沿圓周方向粗糙度達(dá)到0.8 μm以下。加工后采用三坐標(biāo)測量儀進(jìn)行檢測，假定密封圈正面相對于基準(zhǔn)A的圓跳動為x1，反面相對于基準(zhǔn)A的圓跳動為x2，正面直徑Φ365 ～410 mm 范圍內(nèi)的粗糙度為y，幾組試樣檢測結(jié)果如表1 所示。檢測數(shù)據(jù)顯示密封圈達(dá)不到圖紙規(guī)定的精度要求，造成密封效果不理想，影響壓縮機(jī)的正常工作。本文通過對機(jī)床設(shè)備、夾具等方面進(jìn)行分析研究，優(yōu)化密封圈工件的加工工藝，提出了行之有效的解決方法。

表1 密封圈圓跳動、粗糙度檢測記錄表

1 金屬密封圈的加工技術(shù)分析

根據(jù)圖紙要求，密封圈的材料采用45 號鋼，該材料屬于中碳調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼，經(jīng)適當(dāng)?shù)臒崽幚硪院罂色@得一定的韌性、塑性和耐磨性，具有較高的強(qiáng)度和較好的切削加工性能，調(diào)質(zhì)處理后零件具有良好的綜合機(jī)械性能，應(yīng)用極為廣泛。在原加工工藝中，根據(jù)板材的厚度規(guī)格，毛坯選用14 mm 厚的板材，采用等離子切割，加工成外徑為Φ420 mm，內(nèi)徑為Φ320 mm 的圓環(huán)。根據(jù)圖1 中金屬密封圈的結(jié)構(gòu)，加工分為車削和銑削兩部分完成。首先利用數(shù)控車床完成密封圈的主體結(jié)構(gòu)，包括正、背端面和內(nèi)、外圓的加工;其次，利用立式加工中心的銑削功能，完成沉孔和通孔的加工。機(jī)床采用云南機(jī)床廠生產(chǎn)的CK6150 型數(shù)控車床和美國HAAS- VF1 型立式加工中心，原加工工序如表2所示。

表2 金屬密封圈原加工工序

從原工序可以看出，夾具均采用了三爪卡盤，首先利用數(shù)控車床進(jìn)行正面加工時，正爪撐持毛坯的內(nèi)孔，實現(xiàn)了正面和外圓的加工;其次，在反面加工時，反爪抱持已加工完成的外圓，實現(xiàn)工件反面和內(nèi)孔的加工;最后，三爪卡盤安裝于加工中心工作臺，正爪撐持工件內(nèi)孔，完成后續(xù)通孔和沉孔的加工。

2 影響因素分析

根據(jù)圖1 中金屬密封圈的結(jié)構(gòu)，通過對原加工工序及檢測數(shù)據(jù)分析，可以排除加工設(shè)備和刀具的影響，而推斷出夾具和密封圈的結(jié)構(gòu)是產(chǎn)生問題的主因，導(dǎo)致加工精度達(dá)不到要求，具體影響因素如下:

(1)金屬密封圈結(jié)構(gòu)影響

因為密封圈直徑為410 mm，厚度僅為10 mm，徑向遠(yuǎn)大于軸向尺寸，該工件在車削過程中易受內(nèi)應(yīng)力的影響，發(fā)生翹曲變形，造成圓跳動誤差。

(2)夾具自身誤差的影響

通常使用的三爪自動定心卡盤使用久了，隨著卡盤的磨損，三爪會出現(xiàn)喇叭口狀，三爪也會慢慢偏離車床主軸中心，造成三爪定心誤差增大，加工工件的形位公差隨之增大，導(dǎo)致工件達(dá)不到精度要求。

(3)夾持方式影響

在采用三爪卡盤夾持方式車削密封圈的正面時，工件的背面則緊貼三爪的臺階，但三爪的臺階寬度僅為20 ～30 mm 左右，反面其他部位則為懸空狀態(tài)，這樣會使得車床主軸在旋轉(zhuǎn)一周時，端面刀車削正面過程中三次接觸牢靠，懸空部位則存在讓刀現(xiàn)象，導(dǎo)致工件振動，伴隨著很強(qiáng)的噪音，影響了表面質(zhì)量。另外，三爪的夾持力集中在與三爪接觸的工件局部位置，導(dǎo)致工件變形，微觀上內(nèi)、外徑均不是一個圓，且直接造成了工件沿徑向、間接軸向變形。

(4)鉆孔力的影響

在加工中心上鉆孔時，因工件反面是三爪臺階支撐，大部分孔位處于懸空狀態(tài)，鉆頭垂直向下鉆削工件，受鉆頭向下力的影響，致使工件變形。

3 新加工工藝設(shè)計

根據(jù)以上所述，受密封圈自身結(jié)構(gòu)的影響，夾具是造成工件加工精度達(dá)不到圖紙精度要求的關(guān)鍵因素。為了解決圓跳動超差問題，提高加工效率，設(shè)計了新的夾具且制定了新的加工工藝，加工工序如表3 所示。加工設(shè)備不變，工序1 ～14 為車床加工環(huán)節(jié)，工序15 ～17 為加工中心加工環(huán)節(jié)，與原加工工藝相比，主要是使用夾具的變化:

(1)工序1、12 和15 均采用了如圖2 的夾具，該夾具由三個臺階的圓盤，直徑分別為Φ408 mm、Φ330 mm、Φ60 mm，三等分銑削后分別安裝于三爪卡盤上。在車床加工環(huán)節(jié)，工件安裝后的情形如圖3 所示，在加工中心加工環(huán)節(jié)，夾具安裝如圖4 所示。夾具的Φ330 mm 圓撐住工件，Φ408 mm 圓端面緊貼工件的反面，實現(xiàn)外圓和端面的車削，以及鉆孔銑削功能。采用夾具的目的，加大了工件夾持軸向(端面)和徑向(內(nèi)、外圓)的接觸面，解決了影響因素(3)和(4)對工件的影響。

表3 密封圈新加工工序

(2)工序5 中的夾具如圖5 所示，該夾具由外徑為Φ440 mm、型腔直徑Φ410 mm 的圓盤，三等分銑削后分別安裝于三爪卡盤上。安裝后用于抱持已加工的工件外圓，加工工件的內(nèi)圓，此夾具的目的同上。

(3)增加了工序9 和12 ，工序9 是在抱持夾具內(nèi)夾圓棒時對型腔Φ410 mm 的圓進(jìn)行車削，工序12 是在撐持夾具Φ60 mm 臺階套住圓環(huán)時，對Φ330 mm 外圓進(jìn)行車削，目的是為了消除三爪卡盤內(nèi)的撥盤內(nèi)圓與中心軸的間隙，解決了夾具自身誤差，即影響因素(2)對工件的影響。

(4)表3 新工序中，分多次車削工件端面和外圓，其目的是消除內(nèi)應(yīng)力對工件變形的影響，解決了影響因素⑴對工件的影響。

消除振動后，工件端面的粗糙度也隨之明顯提高，基本達(dá)到圖紙0.8 μm 的要求，銑削加工后的密封圈如圖6 所示。

4 結(jié)語

針對大型金屬密封圈的加工誤差分析，提出了影響精度的關(guān)鍵因素是密封圈自身結(jié)構(gòu)所限，采用了不合理的夾具所致。通過設(shè)計新夾具且制定新的加工工藝，雖然加工工序有所增加，但加工出的密封圈精度得以明顯提高，達(dá)到了圖紙要求。完成了既定的生產(chǎn)目標(biāo)，取得較大的經(jīng)濟(jì)效益。

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