單聯(lián)圓周石墨密封環(huán)加工工藝研究

殷景峰，鄔寧杰，嵇博文

（哈爾濱電碳廠，哈爾濱 150025）

1 前言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的密封裝置對(duì)燃油消耗率、推重比、維護(hù)成本及發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性具有關(guān)鍵性作用[1]。單聯(lián)圓周石墨密封環(huán)作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸密封中的關(guān)鍵密封裝置，是用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸密封的重要部件，屬于接觸式密封，是目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)最先進(jìn)的密封形式之一[2]。本文研究的單聯(lián)圓周石墨密封環(huán)是由多個(gè)扇形段組成的環(huán)形零件[3]，因其結(jié)構(gòu)具有特殊性，因此使得其加工困難，同時(shí)質(zhì)量也難以保證，這使得生產(chǎn)成本大大增加[4]。如何解決上述問題，就需要認(rèn)真分析加工過程，確定合理高效的工藝路線，查找出現(xiàn)的問題，進(jìn)行有針對(duì)性的調(diào)整和改進(jìn)。

2 石墨密封環(huán)的分析

2.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

單聯(lián)圓周石墨密封環(huán)是由多個(gè)扇形段組成的薄壁環(huán)零件，每個(gè)扇形段之間是靠雙斜面角度搭接組成的，如圖1所示。圓周石墨密封環(huán)的端面為軸向密封帶,內(nèi)孔為徑向密封帶,端面和內(nèi)孔的垂直度直接影響密封效果[5-6]。另外每段扇形段的雙斜面角度為連接處密封帶，是兩扇形段組成密封副，各密封面的銳邊是防止楔形泄露，能夠使密封效果更好[7-8]。防止在工作中造成密封失效，必須要保證每段扇形段之間的工作狀態(tài)下的補(bǔ)償間隙[9-10]。

圖1 單聯(lián)圓周石墨密封環(huán)示意圖Fig.1 Schematic diagram of single circular graphite sealing ring

2.2 工藝難點(diǎn)分析

2.2.1 單聯(lián)圓周石墨密封環(huán)是薄壁圓環(huán)的同時(shí)一個(gè)整環(huán)還是由多段相同形狀的扇形段（如圖2）組成的組合件，內(nèi)孔部分密封面的粗糙度要求為Ra0.2；內(nèi)控的尺寸精度要求是0.04mm；同軸度為φ0.1；密封端面和內(nèi)孔的垂直度為0.01。

圖2 單聯(lián)石墨密封環(huán)扇形段示意圖Fig.2 Diagram of single graphite sealing ring sector

2.2.2 單聯(lián)圓周石墨密封環(huán)由于其整環(huán)是由多段相同扇形段組成，這使得和密封座組成密封副的石墨環(huán)的端面要保證其平面度0.0012；密封端面的表面粗糙度Ra0.2；同時(shí)還要保證多段的扇形段的兩端面平行度0.02。

2.2.3 本次介紹的單聯(lián)圓周石墨密封環(huán)的最大難點(diǎn)在于兩個(gè)扇形段之間的雙斜面角度搭接組成的密封副的加工，如圖3所示。在保證這個(gè)雙斜面角度搭接組成的密封副的密封效果的同時(shí)還要保證端面的軸向密封帶、內(nèi)孔徑向密封帶的尺寸，三者相輔相成息息相關(guān)。

圖3 石墨密封環(huán)搭口示意圖Fig.3 Schematic diagram of lap of graphite sealing ring

2.2.4 石墨制品的共有難點(diǎn)就是要求制成的密封面要保持銳邊。

3 問題的提出

3.1 石墨密封環(huán)的內(nèi)孔密封問題

因?yàn)閱温?lián)圓周石墨密封環(huán)是多段組成的密封結(jié)構(gòu)和用石墨為原材料加工而成的制品，這使得工件的徑向尺寸要在加工過程中在機(jī)床上進(jìn)行檢測(cè)。這一步的檢測(cè)效果要通過最后的氣密性實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證密封環(huán)的質(zhì)量，為保證氣密性試驗(yàn)的高通過率，通過大量的試驗(yàn)對(duì)比分析得知內(nèi)孔的加工質(zhì)量需要高質(zhì)量的內(nèi)孔加工來(lái)保證密封環(huán)的密封性能。如何提高內(nèi)孔尺寸精度就是保證密封環(huán)質(zhì)量要解決的問題。

3.2 石墨密封化的端面密封問題

單聯(lián)圓周石墨密封環(huán)的多扇形段組成結(jié)構(gòu)的特殊性，這使得密封端面的加工首要解決的問題就是裝夾問題。不合理的裝夾設(shè)計(jì)和工藝順序就會(huì)使得密封端面的質(zhì)量難以保證，在氣密性試驗(yàn)之前又不能及時(shí)得到檢測(cè)，嚴(yán)重的影響密封效果，使得氣密性試驗(yàn)的成功率得不到保證。如何設(shè)計(jì)合適的工裝加工密封環(huán)端面就是保證氣密性試驗(yàn)質(zhì)量要解決的問題。

3.3 石墨密封環(huán)的搭接密封問題

雙斜面角度搭接組成的密封副是整個(gè)單聯(lián)圓周石墨密封環(huán)的設(shè)計(jì)亮點(diǎn)，也是最難調(diào)和的加工難點(diǎn)。如何加工出符合圖紙要求多角度配合的搭接密封斜面，需要解決的問題就是設(shè)計(jì)出合適的工裝和加工參數(shù)。

3.4 石墨密封環(huán)的銳邊保證問題

如何保證石墨制品的銳邊一直是石墨加工必然面臨的一個(gè)問題。針對(duì)石墨材料的非金屬脆性材料特點(diǎn)，為保證其加工時(shí)的銳邊保持和不會(huì)崩邊、掉角，合理的加工運(yùn)行參數(shù)選擇就是解決問題的關(guān)鍵。

4 問題的解決

依據(jù)產(chǎn)品要求的特性結(jié)合生產(chǎn)能力和技術(shù)水平制定出工藝路線：粗車加工-精車加工-平磨加工-銑削加工-研磨加工-珩磨加工。

4.1 內(nèi)孔加工質(zhì)量保證方案

為保證內(nèi)孔加工質(zhì)量，用車床自身加工芯軸。采用芯軸對(duì)石墨環(huán)定位、定心，加工出石墨環(huán)的外圓和一端面，控制外圓尺寸。用車床加工開口外胎，以石墨環(huán)加工好的端面定位裝夾外圓，加工石墨環(huán)的內(nèi)孔和另一端面，保證垂直度、同軸度。內(nèi)孔的車削加工，依據(jù)石墨非金屬材料的材料特性，車刀選擇鋒利、有足夠的耐磨性的刀具才能夠保證切削效果。

經(jīng)過大量實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)，排除了高速鋼（圖4）、YT硬質(zhì)合金等刀具，考慮到經(jīng)濟(jì)性將一些高價(jià)格的新型刀具排除在外。YG系列的硬質(zhì)合金刀具就成為了首選，YT、YG系列刀具物理性能參見表1。

圖4 高速鋼刀具示意圖Fig.4 Schematic diagram of high speed steel tool

表1 刀具物理、力學(xué)性能Table 1 Physical and mechanical properties of cutting tools

刃具的幾何參數(shù)為前角 8 °-12 °； 后角為 15 °-18 °；刀尖圓弧半徑為 1。石墨材料這類非金屬材料的加工需要的就是“高轉(zhuǎn)數(shù)、低進(jìn)給”的加工原則，針對(duì)這次加工的石墨密封環(huán)制定的加工參數(shù)為切削速度400-500m/min，進(jìn)給量為0.3-0.5mm/r。

為解決內(nèi)孔的表面粗糙度問題，自制工裝和刀具。配合密封座、波簧組件、圍簧、推環(huán)和卡簧按要求組裝完成后對(duì)內(nèi)孔進(jìn)行珩磨加工。在此工序之前一定要保證密封端面的加工精度，以此定位完成內(nèi)孔加工，保證內(nèi)孔和密封端面的垂直度。內(nèi)孔的珩磨加工，選擇自制的珩磨頭。珩磨頭材料可以選用一般的45#鋼，在設(shè)計(jì)珩磨頭時(shí)為保證石墨邊緣的銳邊要注意在珩磨頭加入引導(dǎo)角。珩磨要本著“低轉(zhuǎn)速、慢進(jìn)給”的原則加工，珩磨頭的轉(zhuǎn)速速度100-150s/min，進(jìn)給量為50mm/min。

4.2 端面加工質(zhì)量保證方案

兩端面平行度的加工由平磨磨床進(jìn)行加工。依據(jù)石墨的非金屬材料特性，砂輪粒度過小會(huì)造成石墨殘余顆粒大量附著在砂輪上，使得砂輪損耗過快影響加工效率；砂輪粒度選用過大，容易在所加工的石墨表面產(chǎn)生明顯的劃痕，使得加工出的石墨表面質(zhì)量差。經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)所知選用粒度120-140目的白剛玉砂輪（如圖5）最為合適。平磨加工時(shí)依靠石墨環(huán)外圓定位加工兩端面來(lái)保證兩端面0.02的平行度。

圖5 白剛玉砂輪示意圖Fig.5 Schematic diagram of white corundum grinding wheel

上述可知平磨加工只能保證0.02的平行度但是滿足不了端面0.0012平面度和Ra0.2的表面粗糙度要求。這就需要通過研磨手段來(lái)達(dá)到要求。普通的干研磨加工出的平面度和表面粗糙度遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)，一般形式可通過在研磨的過程中添加一定的研磨劑來(lái)加工出合乎要求的端面。但是本產(chǎn)品在個(gè)表面內(nèi)不允許嵌入研磨顆粒，而傳統(tǒng)的研磨劑都是顆粒狀居多。這就需要我們有所轉(zhuǎn)變，可將顆粒狀研磨劑替換為可用作石墨環(huán)工況中使用到的液態(tài)物質(zhì)。

4.3 搭接密封面加工質(zhì)量保證方案

為能加工出高要求的搭接密封面，結(jié)合一般工廠的三軸加工中心設(shè)計(jì)，通過工裝實(shí)現(xiàn)搭接密封面的一個(gè)角度，選擇直徑0.8的定制銑刀（圖6）加工搭接密封面。由于使用的刀具直徑太細(xì)，在加工參數(shù)上要諸多注意。經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)，為達(dá)到搭接密封面的尺寸和表面粗糙度要求，依據(jù)“高轉(zhuǎn)速，低進(jìn)給”原則暫將加工參數(shù)控制在轉(zhuǎn)速400-600s/min，進(jìn)給量為10mm/min

圖6 定制銑刀Fig.6 Customize the cutter

4.4 銳邊加工質(zhì)量保證方案

石墨這種非金屬材料的材料特性使得崩邊、掉角現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生。針對(duì)不同的加工方式有不同的加工方法來(lái)避免或減輕這個(gè)問題的出現(xiàn)。因?yàn)槭牧系慕Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)在加工是時(shí)應(yīng)考慮刀具路線問題，在加工邊、角等位置時(shí)應(yīng)讓邊緣處的材料少受“拉”的應(yīng)力、盡可能的用“推”的應(yīng)力來(lái)解決加工。

5 結(jié)語(yǔ)

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上石墨密封環(huán)是重要的密封組件，依照目前的發(fā)展情況石墨密封環(huán)必然將占據(jù)航空密封的主要地位，因其技術(shù)先進(jìn)、形勢(shì)新穎，發(fā)展前景廣闊。國(guó)際上的應(yīng)用已經(jīng)相對(duì)成熟，我國(guó)的石墨密封研究起步較晚，與國(guó)際先進(jìn)技術(shù)有不小的差距。因此為保障我國(guó)的航空密封發(fā)展需要在此大量的投入研究力量。本文僅對(duì)單聯(lián)圓周石墨密封環(huán)中多段搭接密封形勢(shì)的密封環(huán)進(jìn)行了淺顯的研究，期望各位同行在航空石墨密封環(huán)加工制造上能工不斷探索、互幫互助、共同進(jìn)步。