石墨圓周密封環(huán)車削加工工藝研究

嵇博文，鄔寧杰

（哈爾濱電碳廠，哈爾濱 150025）

1 前言

在航空航天工業(yè)快速發(fā)展的背景下，隨著航空發(fā)動機(jī)技術(shù)發(fā)展到新水平，密封技術(shù)儼然已成為影響發(fā)動機(jī)性能及壽命的主要因素，其地位變得愈發(fā)關(guān)鍵；石墨圓周密封裝置為接觸式圓周密封裝置，其作為航空發(fā)動機(jī)主軸承密封中的關(guān)鍵密封裝置，是目前航空發(fā)動機(jī)最先進(jìn)的密封技術(shù)之一，具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、不易泄漏、不限制轉(zhuǎn)子的軸向竄動和易于裝配等優(yōu)點[1]。

然而在石墨圓周密封環(huán)的機(jī)械加工中，由于材料為脆性材料，再加上材料本身存在一定孔隙，使其不能像金屬材料連續(xù)順滑切屑加工，而是存在崩碎粉末狀現(xiàn)象，導(dǎo)致圓周密封環(huán)產(chǎn)生裂紋、表面出現(xiàn)凹坑或邊緣崩角等缺陷，一定程度上會影響工件的密封性能。為提高石墨圓周密封環(huán)加工質(zhì)量，文章從石墨圓周密封環(huán)結(jié)構(gòu)、石墨機(jī)械加工性能、工藝及措施等方面研究其車削加工工藝，從而解決石墨圓周密封環(huán)加工難點，保證加工質(zhì)量，提高生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本。

2 石墨圓周密封環(huán)結(jié)構(gòu)分析

石墨圓周密封環(huán)主要是由布若干等分的弧形段組構(gòu)而成的高精度碳石墨材料圓周密封環(huán)。圓周密封環(huán)內(nèi)孔表面與轉(zhuǎn)軸上具有高粗糙精度的外圓柱面相接觸，構(gòu)成主密封界面[2]；圓周密封環(huán)端面與密封座內(nèi)伸凸邊端面貼合組成輔助密封界面；石墨密封環(huán)密封跑道、主密封、輔助密封界面及周向彈簧共同實現(xiàn)密封作用。

對于航空發(fā)動機(jī)主軸承腔滑油密封應(yīng)用的圓周密封環(huán)，其組成的弧形段一般是分成3-5段；每段之間的端頭留有適量的空隙，用以補(bǔ)償磨損和制造、裝配誤差，防止端頭頂死而導(dǎo)致主密封界面出現(xiàn)間隙[2-4]；一般將石墨圓周密封環(huán)分為三環(huán)結(jié)構(gòu)和單環(huán)結(jié)構(gòu)兩種形式。

2.1 三環(huán)結(jié)構(gòu)

石墨密封環(huán)的分段端口為直口，與分段數(shù)目相同的背環(huán)和蓋環(huán)共同組成一套，從而實現(xiàn)密封環(huán)軸向和徑向的間隙密封，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 石墨圓周密封環(huán)三環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of three-ring structure of graphite circumferential sealing ring

2.2 單環(huán)結(jié)構(gòu)

單環(huán)結(jié)構(gòu)的石墨密封環(huán)端頭為Z型接頭（如圖2所示），且取消了原三環(huán)結(jié)構(gòu)密封環(huán)中的背環(huán)及蓋環(huán)，以相鄰端頭表面相接從而保證軸向和徑向的間隙密封，整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 石墨圓周密封環(huán)單環(huán)結(jié)構(gòu)搭口示意圖Fig.2 Schematic diagram of single ring structure lap of graphite circumferential sealing ring

圖3 石墨圓周密封環(huán)單環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Single ring structure diagram of graphite circumferential sealing ring

3 石墨材料切削加工性能分析

石墨材料屬于非均質(zhì)結(jié)構(gòu)的脆性材料，切削加工時刀具磨損嚴(yán)重，容易發(fā)生崩角、邊崩和碎裂，尤其是加工具有清晰棱角以及薄窄類零件時，加工質(zhì)量難以保證[5,6]，石墨材料切削機(jī)理模型如圖4所示。

圖4 石墨切削機(jī)理模型Fig.4 Cutting mechanism model of graphite

針對石墨材料特性及加工中的問題，國內(nèi)外學(xué)者從石墨切削加工性質(zhì)、刀具磨損形式及加工質(zhì)量控制等多角度進(jìn)行了一系列深入的研究。

Schroeter R B 等[7]研究了切削參數(shù)及銑削方向?qū)κ牧媳砻嫱暾缘挠绊?，通過實驗發(fā)現(xiàn)順銑時刀具磨損較輕，而隨著切削速度的提高，順銑較逆銑對于刀具磨損的減輕更加明顯，但是在順銑中，由于接觸角較大，加工邊緣崩邊會更加嚴(yán)重，缺陷的嚴(yán)重程度與背吃刀量成正比，而逆銑由于接觸角較小，邊緣崩邊較輕且不受背吃刀量的影響。

王明海等[8]利用不同的切削參數(shù)，并使用不同前角的刀具對各向同性熱解石墨進(jìn)行了車削試驗，發(fā)現(xiàn)切削參數(shù)中進(jìn)給量對表面粗糙度影響最大，切削速度的影響最小，而對于刀具前角來說，負(fù)前角刀具可以對材料的被切削區(qū)域施加一個壓應(yīng)力場，從而抑制了材料內(nèi)被切削區(qū)域裂紋的擴(kuò)展，因此刀具前角為負(fù)前角時表面質(zhì)量能有所提升。

4 墨圓周密封環(huán)車削加工工藝分析

下面主要以某型航空發(fā)動機(jī)石墨圓周密封環(huán)為例進(jìn)行工藝分析。由于圓周石墨密封環(huán)結(jié)構(gòu)的特殊性，加工完成的徑向尺寸需在機(jī)床上進(jìn)行檢測，工件的加工質(zhì)量則需整體組裝后通過實驗器進(jìn)行氣體泄漏性試驗來確定。氣體泄漏性試驗一次提交合格率較低，通過大量實際試驗對比分析，認(rèn)定工件內(nèi)孔的車削質(zhì)量是影響密封性能因素的主要原因。

5 墨圓周密封環(huán)車削加工工藝措施

由于石墨圓周密封環(huán)結(jié)構(gòu)、材料特殊，是多個扇形段組成的薄壁環(huán)形件，加工過程中需要考慮的細(xì)節(jié)比較多，因此為了提高加工質(zhì)量和效率，根據(jù)實際車削加工情況分析，采取相應(yīng)的工藝措施。

5.1 調(diào)整工序順序，細(xì)化工序內(nèi)容

為了保證石墨圓周密封環(huán)加工質(zhì)量、提高加工效率，在車削加工中避免超出垂直度要求等情況的發(fā)生，調(diào)整車削工序順序，細(xì)化工序內(nèi)容，為更好控制、保證并滿足工件內(nèi)孔車削尺寸精度及垂直度，在原工序基礎(chǔ)上調(diào)整車削工序順序，通過芯軸定位加工密封環(huán)外圓尺寸，通過已加工的端面定位精車加工內(nèi)孔尺寸至車削工序要求尺寸精度，從而保證垂直度后，再通過立式加工中心等進(jìn)行外形銑切、端面凹槽銑切后續(xù)加工。

5.2 切削工藝措施及刀具的選擇

目前，可用于石墨加工的刀具材料較多，如：高速鋼、硬質(zhì)合金、立方氮化硼、陶瓷、金剛石等。如圖5所示，石墨切削加工用刀具材料的選用應(yīng)與石墨材料本身的硬度相適宜[9]。各種材料的刀具大致壽命為：金剛石刀具＞陶瓷刀具＞涂層硬質(zhì)合金刀具＞高速鋼刀具[10]。

圖5 石墨加工刀具材料的選用Fig.5 Graphite processing tool material selection

鑒于此，如表1車削石墨通常選擇性能合適且性價比高的硬質(zhì)合金刀具。

表1 刀具性能特點比較Table 1 Comparison of tool performance characteristics

石墨在車削過程中，塊屑并不會沿著切削平面形成，而是取決于初始裂紋的形成位置，而初始裂紋的位置是刀具前刀面、切屑與工件之間擠壓過程中，工件受到擠壓應(yīng)力最大的點是在切削初期，刀具與工件邊緣擠壓形成由碎屑組成的壓碎域之后，由壓碎域中碎屑與未加工工件的擠壓及工件表面隨機(jī)的孔隙分布決定初始裂紋的產(chǎn)生位置，同時初始裂紋的產(chǎn)生位置也受到刀具前角的影響[11]。加工中刀具前角變化會使得在后續(xù)切削過程中（如圖6所示），材料斷裂所受拉伸作用于擠壓作用參與的多少，拉伸斷裂會形成更多不均勻的粗糙端口，甚至?xí)霈F(xiàn)較大的凹坑形貌，從而呈現(xiàn)更低的表面粗糙度[12]，直接影響到最終的加工質(zhì)量，故石墨加工刀具還需要選擇合適的幾何角度。

圖6 后續(xù)切削現(xiàn)象示意圖Fig.6 Schematic diagram of subsequent cutting phenomena

通過對不同前角刀具加工的石墨已加工表面形貌觀察，由圖7可見，其加工表面無規(guī)律分布大小不一的凹坑，正前角刀具中，隨前角增大，加工質(zhì)量變好，而負(fù)前角刀具中，隨負(fù)前角的增大加工質(zhì)量也逐漸變好[13]。

圖7 不同前角刀具已加工表面形貌圖Fig.7 Topography of surfaces machined by different rake tools

整理刀具前角與加工表面粗糙度的關(guān)系曲線如圖8所示，近似于拋物線，0°前角刀具加工表面粗糙度最大，而隨著正前角的增大或負(fù)前角的增大，加工表面粗糙度均下降。

圖8 刀具前角與加工表面粗糙度的關(guān)系Fig.8 The relation between tool rake Angle and machined surface roughness

另在車削加工密封環(huán)時，切削方式也是影響加工的重要因素，需要合理選擇。通常情況順銑時的切削振動小于逆銑時的切削振動，順逆逆襲銑刀受力差異如圖9所示；順銑時的刀具切入厚度從最大減小到零，不會產(chǎn)生彈刀現(xiàn)象，故常選取順銑。

圖9 銑削順銑逆銑銑刀受力差異Fig.9 Milling milling cutter force difference

5.3 切削參數(shù)的選擇

合理的切削參數(shù)對于工件的加工質(zhì)量地優(yōu)劣起著決定性的作用。對于石墨密封環(huán)的車削加工來說，進(jìn)給量即為工件每旋轉(zhuǎn)一圈，刀具前刀與工件接觸的長度大小，即進(jìn)給方向的實際切削深度，通過大量試驗，進(jìn)給量是石墨圓周密封環(huán)加工表面粗糙度最大的影響因素，而切削深度與切削速度對其影響較小。在切削深度較為適宜加工的范圍內(nèi)，工件崩邊的缺陷并沒有太大區(qū)別，而切削速度過高或過低都會造成工件崩邊缺陷的加重[13,14]。

經(jīng)過對石墨圓周密封環(huán)車削工藝路線的調(diào)整，對工序內(nèi)容的細(xì)化、對車削參數(shù)改進(jìn)，顯著提高了石墨圓周密封環(huán)的加工質(zhì)量，經(jīng)過一段時間驗證，加工效果穩(wěn)定，保證了產(chǎn)品質(zhì)量。

6 結(jié)語

石墨圓周密封環(huán)是航空發(fā)動機(jī)密封設(shè)計體系的重要組成部分，該技術(shù)的發(fā)展對提高發(fā)動機(jī)性能有著更廣闊的應(yīng)用前景，需要不斷地深入研究，本文只是對石墨圓周密封環(huán)加工工藝中的車削加工工藝進(jìn)行較為膚淺的研究，還需各位同行共同努力，不斷探索。