一種航空發(fā)動機漲圈加工方法研究

劉斌 戶建軍 葉文龍

摘要： 某型發(fā)動機銅漲圈是典型的等壓矩形壓縮漲圈，是一種金屬動密封件，其主要功能就是在發(fā)動機減速器中用于隔離大距、小距、定距及潤滑油路。漲圈的可靠性對整臺發(fā)動機系統(tǒng)的良好工作運轉(zhuǎn)是十分重要的，且必須有較長的使用壽命，通過對漲圈設(shè)計結(jié)構(gòu)和加工過程中常出現(xiàn)的彈力、光隙超標(biāo)故障進(jìn)行分析，結(jié)合行業(yè)中漲圈加工的正圓法和仿形法，研究一種適應(yīng)于小批量加工的漲圈加工方法。

Abstract： A certain type of engine copper expansion ring is a typical isobaric rectangular compression expansion ring， which is a metal dynamic seal. Its main function is to isolate the large distance， small distance， fixed distance and lubricating oil circuit in the engine reducer. The reliability of the expansion ring is very important to the good operation of the entire engine system， and it must have a long service life. Through the analysis of the design structure of the expansion ring and the failure of the elasticity and optical gap that often occur in the processing process， combined The circle method and the profiling method of the ring expansion in the industry are researched on a method of ring expansion that is suitable for small batch processing.

關(guān)鍵詞： 漲圈;熱定型;彈力;光隙

Key words： expanding circle;heat setting;elasticity;optical gap

中圖分類號：V271.9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）23-0060-02

0? 引言

漲圈類零件為保證漲圈在樣圈中不漏光，行業(yè)內(nèi)加工方法主要有兩種：一種是按照漲圈的自由形狀仿形加工成橢圓，再按自由形態(tài)開口尺寸加工開口的方法，這種方法稱為仿形加工法;一種是熱定型開口的方法，即先將零件加工成正圓，再通過熱處理將零件口部張開至自由形狀的大小，使?jié)q圈具有彈性，再將漲圈箍成正圓，精加工的方法，這種方法稱為熱定型法。

仿形加工法在生產(chǎn)中在使用專用機床加工，這種方法既可以保證漲圈的質(zhì)量又可保證有較高的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)性，但是需要定制專用仿形機床，單種產(chǎn)品一臺設(shè)備，適合大批量產(chǎn)品加工的專業(yè)工廠加工。而熱定型法，方法靈活，可在通用設(shè)備上完成多種不同規(guī)格的漲圈加工，但是產(chǎn)品合格率對熱處理定型方式和工裝要求較高。

1? 漲圈結(jié)構(gòu)功能分析

1.1 漲圈結(jié)構(gòu)及功能

擬生產(chǎn)的漲圈材料為ZQSn16-5，硬度規(guī)定為HRB≥55，表面鍍鉛錫，錫青銅材料本身具有較高的耐磨性，在漲圈的兩端面都設(shè)計有楔形槽，以便在工作狀態(tài)下與接觸面形成壓力油膜。漲圈是典型的等壓矩形壓縮漲圈，是一種金屬動密封件，其主要功能就是用于隔離大、小、定距及潤滑油路。為實現(xiàn)既有功能，漲圈需要通過自身的張力來實現(xiàn)與分油襯套內(nèi)壁接觸和密封，因此，作為動密封類零件，漲圈的關(guān)鍵指標(biāo)就是彈力值和光隙值。

1.2 漲圈配合件情況

11件漲圈安裝于槳軸外分油襯套槽中，并與槳軸一起裝入減速器殼體上的分油襯套內(nèi)，漲圈外圓表面與分油襯套內(nèi)壁貼合。工作中，槳軸外分油襯套隨槳軸一起轉(zhuǎn)動，漲圈與分油襯套相對靜止，與外分油襯套相對運動。槳軸外分油襯套材料為38CrMoAlA，槽壁表面氮化處理，硬度規(guī)定為HR30N≥80;分油襯套材料為2Cr18Ni8W2，表面氮化處理，硬度規(guī)定為HR15N≥88;漲圈材料為ZQSn16-5，硬度規(guī)定為HRB≥55，硬度較槳軸外分油襯套和分油襯套硬度低。

1.3 漲圈失效機理分析

正常情況下，漲圈在漲圈槽內(nèi)僅有軸向運動。當(dāng)兩端滑油腔壓差小于一定值，即作用于漲圈端面的力不足以克服漲圈軸向活動的摩擦力時，漲圈保持先前位置并與分油襯套保持相對靜止;當(dāng)兩端滑油腔壓差大于一定值，使得作用于漲圈端面的力可以克服漲圈軸向活動量的摩擦力時，漲圈軸向移動到漲圈槽的一端，由于漲圈特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計，在漲圈與槳軸外分油襯套之間形成了一層動壓油膜并保持兩端滑油腔具有一定壓差，起到隔開滑油通道的作用。

在工作狀態(tài)變化以及其他一些非穩(wěn)定狀態(tài)下，漲圈與槳軸外分油襯套、分油襯套之間的相對轉(zhuǎn)動是不可避免也是客觀存在的，所以分油襯套內(nèi)孔以及槳軸外分油襯套漲圈槽壁都采用氮化處理，以耐漲圈磨損。當(dāng)漲圈與槳軸外分油襯套、分油襯套發(fā)生相對運動時，因漲圈銅基體的硬度遠(yuǎn)低于相配合件的硬度，一但起減摩作用的鉛錫層脫落，漲圈基體會產(chǎn)生磨損。

2? 漲圈加工工藝生成

2.1 加工方法選擇

①仿形法屬于機械定型。既可用于制造等壓環(huán)，又可用于制造非等壓環(huán);但主要用于制造非等壓環(huán)。它在造型過程中，設(shè)計橢圓形狀時就考慮了彈力和漲圈的結(jié)構(gòu)尺寸等方面的關(guān)系。而熱定型法，環(huán)自由形狀的形成主要靠熱定型，在高溫促使?jié)q圈變形至。由于定型性質(zhì)不同，所以在用前一種方法制成的漲圈壽命比較長。熱定型法主要用于制造等壓環(huán)。

②從加工過程看，單體橢圓法在鑄造和機械加工時要用專用模具和靠模車床，設(shè)備復(fù)雜，而熱定型法無論從鑄造或機械加工看都比前法簡單，所以它的生產(chǎn)率高，成本低。前一種方法適用于大批量生產(chǎn)，后一種方法大、中、小批量生產(chǎn)均可?；诠S的生產(chǎn)模式，現(xiàn)階段漲圈的加工方法宜選用熱定型法。

2.2 自由開口尺寸計算

上面已經(jīng)介紹，漲圈為滿足其使用功能，漲圈的關(guān)鍵指標(biāo)就是彈力值和光隙值。當(dāng)漲圈的材料和彈力在設(shè)計圖樣給定時，漲圈自由狀態(tài)的加工是保證彈力要求的指標(biāo)。但是漲圈設(shè)計圖樣中未給定零件自由狀態(tài)下的開口尺寸。根據(jù)南京飛燕活塞環(huán)公司翻譯的《GOETZE活塞環(huán)手冊》中對漲圈的自由狀態(tài)開口尺寸給出了計算公式：

■

其中：

m=漲圈自由狀態(tài)的開口尺寸;

d1=漲圈工作狀態(tài)直徑;

a1=漲圈徑向厚度;

Ft=漲圈的切向彈力;

E=材料的彈性模量;

h1=漲圈的厚度;

K=對于矩形環(huán)此系數(shù)為1。

根據(jù)公式可知，在漲圈材料、厚度、徑向厚度、工作狀態(tài)直徑、材料、漲圈類型、彈力均確定的情況下，自由狀態(tài)的開口尺寸是固定的，通過設(shè)計圖樣給定的參數(shù)，可算出自由狀態(tài)的開口尺寸，公式計算可得漲圈需要保證彈力為24.5N～29.4N時，開口值需要需為17.9mm～21mm，考慮到材料的反彈和后續(xù)加工裝夾的影響，并經(jīng)過不同開口尺寸的試驗驗證，熱處理夾具開口值定為25mm。

2.3 仿形熱處理芯軸設(shè)計

用熱定型法加工漲圈幾乎已有半個世紀(jì)。最初是加上間隔塊進(jìn)行熱定型，以后才是在仿形芯軸上進(jìn)行熱定型。在這兩種情況下的熱定型法都以其簡單易行引起注意，而在仿形芯軸上進(jìn)行熱定型時，可以保證消除漲圈在環(huán)規(guī)中的出現(xiàn)漏光并能保證給定的接觸壓力分布圖。盡管在間隔塊上用熱定型法制造等壓環(huán)的方法有理論根據(jù)，但是，實驗證明，用這一方法制造出來的漲圈，不僅圓周上接觸壓力不均勻，而且，往往不能處處都與環(huán)規(guī)相貼合。通常這樣的漲圈大都出現(xiàn)漏光。漲圈在仿形芯軸上的熱定型與在間隔塊上的熱定型之差別在于：為了賦予零件必要的形狀，不是把零件裝在間隔塊上，而是裝到特殊的仿形芯軸上（或成型芯軸），仿形芯軸的外形輪廓線與漲圈在給定的接觸壓力分布下的自由形狀的內(nèi)輪廓線相符，這一形狀也用熱處理的方法固定下來，可以也可以同樣地證明，零件應(yīng)當(dāng)完全的與外輪廓線等于漲圈自由形態(tài)下的內(nèi)輪廓線的仿形芯軸靠合在一起。試驗也證明了這一點。

從蘇聯(lián)科學(xué)家根茨布爾克的《活塞環(huán)理論》給我們的指導(dǎo)可知，要提高漲圈的合格率，選用仿形芯軸熱定型法是種很好的選擇，下一步我們就要得出漲圈自由形態(tài)的輪廓曲線。根據(jù)計算出的漲圈自由狀態(tài)開口尺寸，在漲圈的開口兩端面加載開口彈力，在漲圈開口的圓周對面加載固定約束。此狀態(tài)為模擬漲圈收口的反向受力過程，其力學(xué)性能應(yīng)滿足圖紙技術(shù)要求。該有限元分析是模擬漲圈的實際工作的逆向狀態(tài)，得到漲圈受力前的位移云圖。位移云圖中所顯示的變形后的狀態(tài)即為漲圈自由狀態(tài)下的橢圓模型。此時的橢圓漲圈模型為非結(jié)構(gòu)狀態(tài)模型，其變形位移云圖所顯示的值是相對原漲圈狀態(tài)的相對位移量。故需對漲圈變形前后相對原坐標(biāo)原點的位置關(guān)系進(jìn)行計算。通過選取漲圈內(nèi)圈的節(jié)點，查看其原節(jié)點位置以及位移變化值，并導(dǎo)入Excel表格，得到數(shù)據(jù)。根據(jù)原坐標(biāo)值和變形量即可計算出變化后相對原點的坐標(biāo)值。得到漲圈橢圓點云，其形狀連線即為漲圈內(nèi)圈曲線，將曲線模型直接導(dǎo)入CAM編程軟件進(jìn)行數(shù)控編程加工，得到實際加工好的橢圓型熱定型芯軸。

熱定型后的漲圈自由形態(tài)不是零件的最終形態(tài)，熱定型的目的主要有三點，第一使?jié)q圈在自由狀態(tài)下圓周各點應(yīng)力值相當(dāng)，第二使?jié)q圈自由狀態(tài)的開口達(dá)到實現(xiàn)彈力要求的規(guī)定值，第三是在后續(xù)箍成正圓的精加工中，圓度能符合后續(xù)加工的要求，能在規(guī)定尺寸完全車光，因半精車到精車外圓余量有0.4mm，所以綜合考慮裝夾、定位等多方面原因，漲圈熱處理后箍在相對應(yīng)環(huán)內(nèi)漏光不大于0.2mm均可滿足要求。實際生產(chǎn)過程中，使用仿形芯軸的定型夾具后，精車時外圓無法車光的現(xiàn)象已不存在。

實際漲圈加工過程中，控制漲圈光隙值的除上述仿形芯軸熱定型使?jié)q圈每點的切向應(yīng)力值相近的同時，還需在后續(xù)加工中產(chǎn)生切削應(yīng)力各點也相近，所以需要在熱定型后減少切削余量，從而控制因切削應(yīng)力產(chǎn)生的不良影響，從而保證零件在環(huán)規(guī)內(nèi)檢查不漏光。

3? 與傳統(tǒng)加工工藝的比較

前文已經(jīng)介紹漲圈類零件的加工主要是仿形法和熱定型法，本文介紹的加工方法將兩種方法進(jìn)行了結(jié)合，以適應(yīng)常規(guī)機床加工的同時提高熱定間隔塊法的合格率。本文介紹的加工方法，使用傳統(tǒng)機床進(jìn)行正圓加工，并且使用計算出的與漲圈自由形態(tài)相符的仿形芯軸進(jìn)行熱定型，解決了小批量漲圈加工過程中，引用專用仿形機床成本高和常規(guī)間隔塊法成品漲圈漏光的問題。

4? 結(jié)束語

根據(jù)漲圈所要求的性能，機械加工中的外圓加工和端面加工為決定其性能的重要工序，作為端面加工，現(xiàn)在多種端面研磨設(shè)備的出現(xiàn)，已完全可滿足各種漲圈類產(chǎn)品加工的需要，對產(chǎn)品材料是否有磁性已無要求。而外圓加工還多使用傳統(tǒng)的加工方法進(jìn)行加工，特別是一些小批量多品種加工的企業(yè)，漲圈加工合格率不高一直是困擾企業(yè)的難題，本文介紹的加工方法可解決此項問題。

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