農機輕量化所用鋁合金精煉裝置關鍵密封結構研究

闕燚彬

(柳州職業技術學院,廣西 柳州 545006)

0 引言

鋁合金是農機輕量化的首選材料,一般農機零部件采用壓鑄制造工藝,但普通的制造工藝會因為鋁液高速噴射造成孔洞類和氧化皮缺陷,從而導致無法通過熱處理提高零部件整理性能。為此,設計了一種鋁合金精煉裝置的關鍵密封結構,由石墨轉子與石墨轉軸組成。工作時,石墨轉子的內螺紋與石墨轉軸外螺紋聯結,由石墨轉子的端面與石墨轉軸的端面組成密封結構,以實現軸向靜密封;鋁液除氣機運行期間,石墨轉軸帶動石墨轉子高速旋轉,氣體熔劑(N2或Ar等)經由轉子噴嘴噴入鋁熔體后,形成的微小氣泡尺寸螺旋上升,并帶走鋁熔體中的氫,從而去掉鋁熔體雜質,保證農機零部件的質量。

1 農機機械輕量化

農機輕量化包括以下兩種方法:①選用新型的輕量化制造材料;②采用先進制造方法和工藝。就現狀而言,為了實現農機輕量化,目前的研究主要集中在新型材料的生產工藝上,但往往這些材料的生產工藝要求很高,成本和保護環境也存在一定的問題。因此,在設計時要對工藝、成本和環境進行優化,從而滿足零部件生產性能。

解決農機輕量化的關鍵是采用新型的輕量化制造材料,在農業機械結構中,如車身框架、座椅、轉向機構、懸架、車輪、底盤、內飾和外飾等,都可以采用輕量化制造材料。輕量化材料主要包括鋁合金、鎂合金、高強度鋼和碳纖維等復合材料,采用輕量化的替代材料是比較有前景的輕量化技術。插秧機的鋁合金轉向機構如圖1所示。

圖1 插秧機的鋁合金轉向機構Fig.1 The aluminum alloy steering mechanism of rice transplanter

鋁合金是僅次于鋼材的機械設備零部件原材料,生產加工方法包括壓鑄、擠壓和壓延3種,這些工藝對鋁合金純度要求都較高,需要排出鋁熔體雜質,提高零部件產品質量。為此,基于石墨材料設計了一種農機輕量化所用鋁合金精煉裝置使用的關鍵密封結構,旨在通過石墨轉子與石墨轉軸密封結構服役的可靠性直接影響鋁液除氣機的除氫效率。

2 石墨材料的組織、特性和工藝

石墨是一種晶體,在自然界中為一種鱗片狀,也被稱為鱗片石墨。粉末形狀的石墨比較難以使用,一般為了讓石墨保持原有的柔性特征,都是將石墨進行氧化后,讓石墨間的“范德華”力被克服,并在其間插入易揮發的離子,使整個石墨重新排列。石墨微觀組織結構如圖2所示。

圖2 石墨微觀組織結構Fig.2 The microstructure of graphite

石墨具有質地柔軟、壓縮回彈性良好的特征,可以代替石棉、橡膠、聚四氟乙烯等密封材料。石墨的密封效果非常高,具有節約能源、減少環境污染的特點。柔性石墨復合材料制成的零部件具有耐腐蝕、不易蠕變、耐水、耐油、低溫不冷流、抗壓及能夠承受溫度變化等特質。與石棉相比,石墨壽命更長和更清潔,完全可以替代石棉作為密封材料。石墨和其他密封材料的對比數據如表1所示。

表1 石墨和其他密封材料之間數據對比Table 1 Data comparison between graphite and other sealing materials

3 鋁合金的精煉裝置關鍵密封結構的研究

3.1 傳統石墨密封結構的不足

1)受高溫鋁液沖擊,兩者密封端面易于發生相對傾斜而造成局部出現密封氣體熔劑可通過的空隙,使得氣體熔劑(N2或Ar等)不再經由噴嘴射入鋁液,而改道由失效部位溢出,導致氣泡形成的尺寸較大,除氫效率急劇下降;

2)密封結構聯結部位過多,夾緊力不足,導致密封表面無法充分接觸;

3)石墨轉子與石墨轉軸密封結構的表面加工質量、尺寸和形狀加工精度較低,不能對氣體熔劑的泄漏形成有效的封阻;

4)裝配工藝不合理,造成密封表面損傷,形成泄漏源。另外,載荷不均或不足造成密封表面接觸不充分,降低了密封表面的結合程度,以致氣體熔劑通過兩者的接觸面滲出。

3.2 改進后的石墨轉子與石墨轉軸密封結構

為解決以上不足,設計的石墨轉子與石墨轉軸通過石墨轉子的內螺紋與石墨轉軸外螺紋聯結,并由石墨轉子的端面與石墨轉軸的端面組成密封副,以實現軸向靜密封。鋁液除氣機運行期間,石墨轉子帶動石墨轉軸高速旋轉,氣體熔劑(N2或Ar等)經由轉子噴嘴噴入鋁熔體后,形成的微小氣泡尺寸螺旋上升,并帶走鋁熔體中的氫,從而去除鋁液雜質。該密封結構及其制備裝配工藝,特征在于:采用了石墨轉子與石墨轉軸的密封結構設計及加工工藝設計、制造、工裝設計及裝配,具體步驟及工藝條件如下:

1)石墨材料選用熱膨脹系數性能測試。選用信瑞達石墨制造有限公司生產的牌號為XRD-1石墨材料,體積密度為1.83g/cm3,石墨粉粒度為12μm,抗折強度為45MPa,抗壓強度為100MPa。將石墨材料加工成尺寸為φ5mm×30mm的圓柱試樣,并采用德國耐馳熱膨脹儀DIL402測試石墨試樣從室溫至1000℃區間的熱膨脹特性,以獲得如圖3所示的石墨材料熱膨脹系數。

圖3 石墨材料熱膨脹系數Fig.3 The coefficient of thermal expansion of graphite material

2)優選梯形螺紋作為石墨轉子與石墨轉軸的聯結螺紋。考慮到石墨材料的脆性較大、韌性較低,加工內螺紋過程中極易掉塊、掉渣,且三角形螺紋容易造成應力集中,進而引發微裂紋;而梯形螺紋牙型為等腰梯形,易于加工、對中性好,牙根強度較高。因此,采用梯形螺紋作為聯結石墨轉子與石墨轉軸的螺紋類型。

3)優選熱裝配工藝。為了增大石墨轉子和石墨轉軸之間接觸面的夾持力,以形成有效的封阻,采用熱裝工藝實現石墨轉子和石墨轉軸的聯結。同時,為了避免石墨轉子的高溫氧化及因夾持力過高而在石墨轉子內孔引發裂紋而造成損傷,優選石墨轉子的熱裝溫度區域,即200～300℃,保溫時間為1～2h。依據石墨材料熱膨脹特性的測試數據,確定熱裝溫度T所對應的膨脹量Δδ。

4)優選石墨轉子和石墨轉軸熱裝的公差配合等級。為了順利實現石墨轉子和石墨轉軸的熱裝配,需要石墨轉子和石墨轉軸之間具有合理的間隙,按基軸制,優選石墨轉子梯形內螺紋與石墨轉軸梯形外螺紋的公差配合等級為h8/e8,螺距優選6、7、9mm。

5)石墨轉子各個組成部位的功能界定。根據石墨轉子各個組成結構的功能,劃分為承擔與石墨轉軸聯結配合的裝配圓柱1和承擔噴吹氣體熔劑的扇形葉輪2。其中,相鄰扇形葉輪2之間開設有噴嘴3。石墨轉子如圖4所示。

圖4 石墨轉子結構Fig.4 The Graphite rotor structure

圖5中,裝配圓柱包括密封面4和裝配孔5。其中,裝配孔5的結構由圓弧6、內錐面7、退刀槽8、梯形內螺紋9和空腔10組成,如圖6所示。

圖5 石墨轉子與轉軸裝配面Fig.5 The assembly surface of graphite rotor and shaft

圖6中,內錐面7的錐度為1∶5或7∶24,長度15～20mm。另外,噴嘴3與空腔10連通,根據石墨轉軸各組成結構的功能,將其劃分為承擔與石墨轉子聯結配合的梯形外螺紋11、密封面12、退刀槽13、外錐面14、圓弧15和承擔通氣功能的軸16,如圖7所示。

圖6 裝配孔5的結構示意圖Fig.6 The structural diagram of assembly Hole 5

圖7 石墨轉軸的結構示意圖Fig.7 The structural diagram of graphite shaft

為了避免石墨轉子和石墨轉軸旋合過程中,出現尺寸干涉的現象,圓弧15的半徑小于圓弧6的半徑。同時,外錐面14的錐度與內錐面7的錐度相同,均為1∶5或7∶24,且外錐面14的長度比內錐面7的長度短2～5mm,退刀槽13的寬度也比退刀槽8的寬度短2～5mm。

6)通規和止規的制備。考慮到石墨轉子梯形內螺紋中徑的尺寸精度無法直接檢測,制備通規和止規分別檢測石墨轉子梯形內螺紋中徑的上/下限尺寸。

3.3 石墨轉子與石墨轉軸的加工工藝設計

石墨轉軸的梯形內螺紋9和梯形外螺紋11優選PVD涂層梯形螺紋車刀加工;石墨轉軸的圓弧6、內錐面7、退刀槽8、梯形內螺紋9、空腔10、密封面12、退刀槽13、外錐面14及圓弧15優選金剛石刀具加工。

石墨轉軸的梯形內螺紋9和梯形外螺紋11優選加工參數:轉速約為800r/min,粗加工單次徑向切深為0.05mm,精加工單次徑向、軸向切深均為0.02mm,每刀精加工跟一刀空切削加工。

石墨轉子和石墨轉軸其余部位優選加工參數:轉速為350～480r/min,粗加工進給量為0.2～0.4mm/r,精加工進給量為0.08～0.12mm/r。

將石墨轉子分別與通規和止規旋合,如果石墨轉子滿足與通規轉動自如且擰不進止規,判定石墨轉子梯形內螺紋中徑滿足尺寸精度的要求;否則,均視為石墨轉子梯形內螺紋中徑尺寸不合格。另外,石墨轉軸梯形外螺紋中徑的尺寸精度控制采用三針法檢測。

為了便于充分填充石墨轉子和石墨轉軸表面微觀的低凹部位,必須控制石墨轉子和石墨轉軸表面微凸起形貌及波動。檢測石墨轉軸密封面12及外錐面14加工的表面質量,要求其表面粗糙度Ra≤4μm,且兩粗糙表面的最大間隙和h≤35μm。因石墨轉子和石轉軸均采用相同的加工工藝,故默認石墨轉子的密封面4及內錐面7的表面粗糙度與石墨轉軸密封面12及外錐面14的表面粗糙度處于相同等級。

制備密封填料溶膠,采用乙基纖維素 = 15∶1～20∶1的質量比配置溶膠。隨后,采用玻璃器皿盛裝松油醇和乙基纖維素的混合液,通過水浴加熱法,加熱溫度控制在80～100℃,制成均勻透明的溶膠;接著,選用粒徑≤300nm的SiC或Al2O3粉為溶質填料,按溶質填料:溶膠 = 1∶10～1∶15的質量比,將SiC或Al2O3投入溶膠,并攪拌均勻;最后,將溶膠均勻涂敷在石墨轉軸的密封面12和外錐面14的表面。

最后將石墨轉子放入馬弗爐中,加熱至溫度T℃,保溫時間為1～2h;接著,將裝配輔件固定在虎鉗上;隨后,取出石墨轉子,并放置在裝配輔件上固定住。

4 農機輕量化所用鋁合金生產實驗研究

實驗中,首先進行熱裝配,將石墨轉軸的梯形外螺紋11旋入石墨轉子梯形內螺紋9。其中,因溶膠(包含SiC或Al2O3或石墨粉)不能停駐在石墨轉子和石墨轉軸密封面的微凸起部位,隨著旋合,被刮入兩者之間的微凹隙,從而在石墨轉子和石墨轉軸密封面上多個點位形成微觀的密封填料,增大了密封的可靠性。石墨轉子和石墨轉軸旋合后,空冷;隨后,將旋合的石墨轉子和石墨轉軸放置入熱處理爐,加熱至300℃,保溫3～5h;接著,加熱至400℃,保溫15～30min;最后,加熱至500℃,保溫10～15min,以便充分去除溶膠的有機成分,從而為后續用于鋁合金精煉奠定基礎。石墨轉子和石墨轉軸之間密封面的微填料形貌,如圖8所示。采用輪廓測試儀對石墨轉子和石墨轉軸之間密封面縫隙進行實際的測試,結果如圖9所示。

由圖8和圖9可以看出:石墨轉子和石墨轉軸之間密封面縫隙較小,微填料形貌符合預期。最后,將熱處理后石墨轉子和轉軸浸漬在水中,由石墨轉軸的通氣孔引入N2或Ar,觀察其貼合的密封部位是否存在泄漏現象,測試后發現無氣泡溢出,證明該結構合格,可以用于生產農機輕量化鋁合金零部件。

圖8 石墨轉子和石墨轉軸之間密封面的微填料形貌圖Fig.8 The morphology of micro packing on sealing surface between graphite rotor and graphite shaft

圖9 石墨轉子和石墨轉軸之間密封面縫隙Fig.9 The seal surface gap between graphite rotor and graphite shaft

5 結論

為了實現農機輕量化零部件的生產制造,采用石墨轉子與石墨轉軸設計了一種精煉裝置關鍵密封結構。該結構通過石墨轉子的內螺紋與石墨轉軸外螺紋聯結,利用熱裝技術在石墨轉子與石墨轉軸的密封接觸面形成夾持力,使兩者在密封部位充分接觸,達到從宏觀上阻塞氣體熔劑目的;同時,還涉及利用微填料技術在石墨轉子與石墨轉軸光滑密封面產生碳化物,阻塞表面微觀空隙通道。實驗結果表明:該結構密封面縫隙較小,微填料形貌符合預期。可以用于生產農機輕量化鋁合金零部件。