銅合金密封環(huán)變形控制工藝研究

林 靜，唐偉東，那 帥

(1. 沈陽博帥材料科技有限公司，遼寧 沈陽 110000；2. 惠州學(xué)院電子信息與電子工程學(xué)院，廣東 惠州 516007)

密封環(huán)是一種中間位置帶有某種缺口的環(huán)狀密封件，與內(nèi)孔壁上與靜止件之間相互產(chǎn)生的壓力，這種壓力讓密封環(huán)與內(nèi)控壁之間產(chǎn)生了彈力，相互抵緊彼此來起到密封的作用。還可以將密封環(huán)放置在套筒的環(huán)槽內(nèi)，當(dāng)套筒與軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，密封環(huán)的缺口被套筒壓攏后產(chǎn)生的彈力，可以幫助密封環(huán)抵緊在靜止件的內(nèi)孔壁上，起到密封作用。在密封環(huán)使用時(shí)，應(yīng)先將密封環(huán)與密封環(huán)接觸面硬化處理并磨光，增強(qiáng)密封能力。當(dāng)復(fù)合材料構(gòu)件變形時(shí)，進(jìn)行零件與構(gòu)件之間的連接匹配會不順利。究其變形原因，無外乎就是銅合金的熱膨脹系數(shù)不一致而引起的變形、外部環(huán)境影響銅合金密封環(huán)收縮變形以及模具與構(gòu)件相互作用而導(dǎo)致的變形[1]。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，密封環(huán)應(yīng)結(jié)構(gòu)簡單、形狀呈對稱型。作為連接零件，密封環(huán)應(yīng)先采用整體型結(jié)構(gòu)。也可設(shè)計(jì)為鑲裝式密封環(huán)結(jié)構(gòu)。盡量避免用密封端面噴涂式結(jié)構(gòu)。密封環(huán)是一種較為加工制造的連接部件，安裝和更換也很方便。

1 銅合金密封環(huán)變形控制方法

銅合金密封環(huán)生產(chǎn)主要為將原材料置于坩堝中加熱后，加入定向凝固爐中進(jìn)行定型，形成成品。定向凝固爐是由兩個(gè)獨(dú)立加熱區(qū)構(gòu)成，具體是由加熱區(qū)的加熱系統(tǒng)、頂部設(shè)置托盤的冷卻系統(tǒng)、升降系統(tǒng)和控制系統(tǒng)構(gòu)成的。工控機(jī)聯(lián)合傳感器對定向凝固爐進(jìn)行控制，PLC控制方法是基于工控機(jī)提出的，PLC數(shù)字控制方法主要是把傳感變送器與工控機(jī)之間的連接進(jìn)行強(qiáng)化。PLC控制方法主要在控制工藝中進(jìn)行信號檢測、傳感器信號檢測、輸出信號控制、模擬量信號輸出等工作[2]。定向凝固爐中接收到的操作指令是由PLC通過數(shù)字量模塊與定向凝固爐進(jìn)行信息交換產(chǎn)生的。

1.1 聯(lián)合工控機(jī)維持膨脹系數(shù)

PLC數(shù)字控制方法還可以與工控機(jī)通訊，實(shí)時(shí)檢測工控機(jī)的數(shù)據(jù)變化并進(jìn)行調(diào)整。檢測的輸入信號主要反應(yīng)銅合金在進(jìn)入鑄型設(shè)備時(shí)的膨脹系數(shù)。同時(shí)檢測傳感器在銅合金高溫處理過的膨脹系數(shù)反饋回工控機(jī)。同時(shí)工控機(jī)再通過PLC數(shù)字量模塊下達(dá)改善膨脹系數(shù)的工作指令。PLC控制定向凝固法可以加固高溫合金鑄態(tài)組織，縮小合金枝晶間共晶組織的尺寸，控制在凝固過程封閉環(huán)的偏析程度。膨脹系數(shù)變小，銅合金密封環(huán)組織更加均勻，鑄態(tài)組織更加堅(jiān)固。可以發(fā)現(xiàn)PLC數(shù)字控制定方法在進(jìn)行加工時(shí)、根據(jù)傳感器反饋出的數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整變形控制工作，可以抑制密封環(huán)的顯微疏松。如圖1為PLC數(shù)字控制在密封環(huán)加工變形工藝流程的工作位置[3]。

1.2 固化變形預(yù)測及設(shè)計(jì)工藝補(bǔ)償

找到成型中反變形補(bǔ)償方式，使局部特征試驗(yàn)件滿足密封環(huán)制件的膨脹系數(shù)要求。預(yù)測密封環(huán)制件的固化變形后，匹配反變形補(bǔ)償方式局部特征相一致。選取固化變形補(bǔ)償值為1.25°為密封環(huán)彎度值。密封環(huán)的O型圈外表面可分割成若干個(gè)截面，將這些截面沿切點(diǎn)分別全部旋轉(zhuǎn)1.25°順滑連接，組成一個(gè)補(bǔ)償后的O型密封環(huán)工藝型面模型。這種工藝補(bǔ)償可以使用到控制密封環(huán)控制工藝上，實(shí)現(xiàn)成型后的密封環(huán)產(chǎn)品達(dá)到期望的密封效果。

圖1 溫下銅合金密封環(huán)變形控制流程

密閉環(huán)將通過提取特征信息構(gòu)建局部特征值模型，具體的特征值應(yīng)注意三個(gè)變厚區(qū)，設(shè)定每一個(gè)上陷區(qū)域厚度尺寸為100 mm，下陷區(qū)厚度尺寸設(shè)為25 mm，過渡區(qū)長度尺寸為100 mm。密封環(huán)O型環(huán)的補(bǔ)償系數(shù)上陷區(qū)厚度為20mm，下陷區(qū)則要控制在15mm上，渡區(qū)長度則要控制在75mm上。除去這些零件特征值外，工藝模型構(gòu)建時(shí)考慮反變形補(bǔ)償值，一側(cè)按照名義型面，另一側(cè)按照反變形補(bǔ)償型面。

表1 密閉環(huán)補(bǔ)償工藝的特征值

1.3 模具型面構(gòu)建

將這種變形以反變形的方式補(bǔ)償?shù)矫芊猸h(huán)模具型面的設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)減小或消除最終成型后的密閉環(huán)產(chǎn)品的固化變形，降低或是減少由反復(fù)修模、優(yōu)化工藝流程帶來的高成本[4]。減少密閉環(huán)的制造周期。密閉環(huán)薄壁處的比熱容較小，很容易在高溫切削的影響下產(chǎn)生變形，密閉環(huán)O型處零件尺寸增大。加工過程中要充分考慮到零件在高溫條件下銅合金膨脹后的問題。膨脹后會導(dǎo)致軸向的剛性壓緊，在升溫后可以使夾緊力的增大，密封環(huán)的變形難以控制[5]。

2 高溫下銅合金密封環(huán)變形控制實(shí)驗(yàn)

將相同的工業(yè)級金屬原料分為等量的兩份。先將一份金屬原料用于加入預(yù)先設(shè)計(jì)了工藝指數(shù)的工控機(jī)中進(jìn)行加工。無PLC數(shù)字控制方法的變形控制的干擾。將此作為對照組。待密封環(huán)變形加工完成后，清理加工變型設(shè)備，將PLC控制設(shè)備外接在工控機(jī)中。將另一份金屬原料加入在定向凝固爐工藝中正常流程加工。加工控制出的密封環(huán)采用X射線熒光光譜儀進(jìn)行分析。

3 實(shí)驗(yàn)效果及分析

用常規(guī)方法定向凝固變形而成的銅合金密封環(huán)與PLC數(shù)字控制凝固制備的銅合金密封環(huán)，拉伸強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度性能測試具體結(jié)果如圖2。

圖2 拉伸強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度對比

由圖2可以看出，正常流程下的銅合金密封環(huán)拉伸強(qiáng)度在1000MPa，屈服輕度在700MPa，而采用PLC數(shù)字控制凝固制備的銅合金的拉伸強(qiáng)度在1100MPa，屈服強(qiáng)度在1000MPa。正常流程下生產(chǎn)的銅合金密封環(huán)和PLC數(shù)字控制變形的銅合金密封環(huán)，不同強(qiáng)度下的銅合金拉伸斷口決定了等軸韌窩和撕裂棱的組成。拉伸強(qiáng)度將表現(xiàn)塑性斷裂的強(qiáng)度。

本文通過分析高溫下銅合金密封環(huán)變形控制工藝，融合了PLC數(shù)字控制技術(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，采用PLC數(shù)字控制方法對銅合金的膨脹系數(shù)有了一個(gè)很好的控制。顯微鏡下觀察的兩組控制工藝的密封環(huán)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，高溫下的銅合金密封環(huán)的鑄態(tài)組織細(xì)化，縮減了合金枝晶間共晶組織的大小[5]。維持銅合金的膨脹系數(shù)，控制在凝固過程中略微的變形程度。研究發(fā)現(xiàn)，有效的控制膨脹系數(shù)可以增強(qiáng)密封環(huán)的密封性能。因此，基于PLC數(shù)字控制方法的高溫下銅合金密封環(huán)變形控制工藝，可以增強(qiáng)密封環(huán)的密封性能。

4 結(jié)語

密封環(huán)在高溫、高壓、高速等高參數(shù)機(jī)械作用時(shí)，常常會承受不住載荷作用而不可避免的產(chǎn)生嚴(yán)重的力變形或是熱變形。在銅合金密封環(huán)變形控制工藝中加入PLC數(shù)字控制方法，可以有效地控制銅合金密封環(huán)的膨脹系數(shù)。與正常流程下的密封環(huán)變形工藝相比，PLC數(shù)字控制銅合金密封環(huán)變形控制工藝韌窩更細(xì)小，可以讓密封環(huán)具有更好的密封效果。有效的控制密封環(huán)枝晶間的共晶組織大小，進(jìn)而控制拉伸輕度與屈服強(qiáng)度。增加密封環(huán)的密封性能。因此，研究高溫下銅合金密封環(huán)變形控制工藝具有非常重要的意義。