石墨漲圈機械加工及密封試驗工藝技術研究

甕濱濱

沈陽黎明航空零部件制造有限公司 遼寧沈陽 110043

某新型發動機采用了漲圈形式的石墨密封環，其加工難度很大。經過工藝人員對零件結構及技術要求的分析，認為在零件開口加工、研磨、珩磨及泄漏試驗等方面存在較大的加工難度，需要工藝上合理安排加工路線，細化加工方法，同時需要設計出專用夾具、測具，用以保證零件的加工

1 零件結構及材料

1.1 密封組件結構分析

石墨密封組件結構較為復雜，由上下兩層石墨密封環、前后擋環、內外襯套及波簧組件等單件組成。其中上游石墨密封環與前擋環、下游石墨密封環與后擋環形成兩組端面密封副，上、下游石墨密封環與外襯套形成徑向密封副，共同完成組件的密封功能[1]。

1.2 石墨密封環零件結構分析

石墨密封環的尺寸、表面粗糙度、形位公差要求都很嚴格，其中起到徑向密封作用的外圓尺寸公差在0．02以內，粗糙度要求Ra0．2，圓柱度0．005。起到端面密封作用的端面粗糙度要求Ra0．1，平面度要求0．0006。并且有多處要求保持尖邊，加工難度較大[2]。

圖1 上游石墨密封環

1.3 石墨密封環材料介紹（M211W）

石墨材料具有獨特的自潤滑性能、良好的耐磨性能和良好的加工性能，在機械密封領域，作為機械密封結構材料得到應用廣泛。石墨密封的介質，一般為合成潤滑油。

2 工藝路線

通過對碳石墨密封環的分析、研究，考慮到石墨材料的特殊性，結合以往對加工石墨密封環的經驗，最終確定了以下的加工路線：

粗車、平磨兩端面、X光檢查、切開口、修開口、半精車內孔、半精車外圓、銑端面槽、銑外圓槽、平磨兩端面、精車內孔、精車外圓、中間檢驗、粗研端面、粗珩磨外圓、精珩磨外圓、精研端面、浸油、泄漏試驗[3]。

3 加工技術難點

3.1 粗加工余量的確定

石墨材料毛料狀態一般為管料，粗加工時切成單個環形件，然后進行開口加工，合并開口間隙到工作狀態間隙后進行精加工，因此確定粗加工尺寸成為加工的關鍵。若粗加工余量留的過大合并后容易造成密封環的折斷。若留的余量過小，切開口后合并精加工會有一部分加工余量不夠，影響零件的圓度。根據漲圈類零件粗加工的經驗公式：粗加工外圓尺寸=精加工后外圓尺寸（設計要求尺寸）+（2Δ/3π+Δ/6）+Z；粗加工內孔尺寸=精加工后內孔尺寸（設計要求尺寸）+2Δ/3π-Z，其中Δ為自由開口與工作開口之差，Z為工藝要留的加工余量。

根據經驗公式計算得到粗加工外圓尺寸為φ43．778mm，粗加工內孔尺寸為φ43．778mm。

3.2 研磨加工

零件的密封端面粗糙度要求Ra0．1，平面度為0．0006，精度非常高，需要通過研磨來保證設計的要求。石墨密封環的端面是密封面，對零件密封起關鍵作用，因此研磨也成為此零件加工的重中之重[4]。

（1）研磨的加工過程。零件的粗研磨：將零件裝配到研磨夾具中，在研磨平臺上滴少許酒精，將研磨夾具及零件放到研磨平臺上進行循環的螺旋狀運動，兩手作用到夾具上的力要均勻，注意勤擦平臺，粗研需要去除大部分研磨余量。

零件的精研磨：待研磨余量基本去除時，對零件進行無液體研磨（不加酒精），提高表面光潔度。零件研磨完成后，用干凈的紗布擦拭干凈[5]。

（2）研磨工序的檢測。粗糙度的檢測：零件的端面粗糙度一般采用對比樣塊進行檢測，也可以用粗糙度檢測儀進行，利用粗糙度檢測儀檢測時需要多點測量，取最大值。

平面度的檢測：要求如此之高的平面度，生產上一般采用光學平晶進行檢測。根據光的同一性和單向性，用光柵檢測平面時，零件表面與光學平晶下表面的反射光線將在平晶的下表面產生干涉條紋。檢測人員根據干涉條紋形成的圖像來判斷平面度是否合格。

3.3 零件外圓的珩磨

零件的外圓需要與外襯套的內孔組成密封副，是實現零件密封的關鍵。設計對其要求也十分嚴格。其中粗糙度要求為Ra0．2，圓柱度為0．005，需要通過珩磨實現設計要求。

珩磨工序分為粗珩磨和精珩磨，根據零件大小不同，珩磨加工的余量也有所不同，一般為0．03-0．08mm。珩磨過程中零件隨珩磨頭相對珩磨套進行周向旋轉運動，同時操作者操作機床上下運動，從而實現螺旋線式珩磨運動軌跡。機床轉速：30n/min-40n/min；珩磨頭上下運動速度：16．6mm/s-50mm/s

4 結語

通過解決開口加工、研磨、珩磨及泄漏試驗等技術難點，我們初步的掌握此類零件的加工特點。通過實際加工驗證，石墨密封環的加工路線安排合理，零件的尺寸、形位公差、粗糙度滿足了設計要求，零件的回彈性良好，能夠保證零件的密封效果，為最終的批生產奠定了堅實的基礎。在今后的工作中，我們還需要不斷地探索新的工藝方法，對碳石墨密封環類零件加工的關鍵技術進行深入探索，以滿足航空發動機進一步提高性能、改進和發展密封技術的需要。