石墨涨圈机械加工及密封试验工艺技术研究

瓮滨滨

沈阳黎明航空零部件制造有限公司 辽宁沈阳 110043

某新型发动机采用了涨圈形式的石墨密封环，其加工难度很大。经过工艺人员对零件结构及技术要求的分析，认为在零件开口加工、研磨、珩磨及泄漏试验等方面存在较大的加工难度，需要工艺上合理安排加工路线，细化加工方法，同时需要设计出专用夹具、测具，用以保证零件的加工

1 零件结构及材料

1.1 密封组件结构分析

石墨密封组件结构较为复杂，由上下两层石墨密封环、前后挡环、内外衬套及波簧组件等单件组成。其中上游石墨密封环与前挡环、下游石墨密封环与后挡环形成两组端面密封副，上、下游石墨密封环与外衬套形成径向密封副，共同完成组件的密封功能[1]。

1.2 石墨密封环零件结构分析

石墨密封环的尺寸、表面粗糙度、形位公差要求都很严格，其中起到径向密封作用的外圆尺寸公差在0．02以内，粗糙度要求Ra0．2，圆柱度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。并且有多处要求保持尖边，加工难度较大[2]。

图1 上游石墨密封环

1.3 石墨密封环材料介绍（M211W）

石墨材料具有独特的自润滑性能、良好的耐磨性能和良好的加工性能，在机械密封领域，作为机械密封结构材料得到应用广泛。石墨密封的介质，一般为合成润滑油。

2 工艺路线

通过对碳石墨密封环的分析、研究，考虑到石墨材料的特殊性，结合以往对加工石墨密封环的经验，最终确定了以下的加工路线：

粗车、平磨两端面、X光检查、切开口、修开口、半精车内孔、半精车外圆、铣端面槽、铣外圆槽、平磨两端面、精车内孔、精车外圆、中间检验、粗研端面、粗珩磨外圆、精珩磨外圆、精研端面、浸油、泄漏试验[3]。

3 加工技术难点

3.1 粗加工余量的确定

石墨材料毛料状态一般为管料，粗加工时切成单个环形件，然后进行开口加工，合并开口间隙到工作状态间隙后进行精加工，因此确定粗加工尺寸成为加工的关键。若粗加工余量留的过大合并后容易造成密封环的折断。若留的余量过小，切开口后合并精加工会有一部分加工余量不够，影响零件的圆度。根据涨圈类零件粗加工的经验公式：粗加工外圆尺寸=精加工后外圆尺寸（设计要求尺寸）+（2Δ/3π+Δ/6）+Z；粗加工内孔尺寸=精加工后内孔尺寸（设计要求尺寸）+2Δ/3π-Z，其中Δ为自由开口与工作开口之差，Z为工艺要留的加工余量。

根据经验公式计算得到粗加工外圆尺寸为φ43．778mm，粗加工内孔尺寸为φ43．778mm。

3.2 研磨加工

零件的密封端面粗糙度要求Ra0．1，平面度为0．0006，精度非常高，需要通过研磨来保证设计的要求。石墨密封环的端面是密封面，对零件密封起关键作用，因此研磨也成为此零件加工的重中之重[4]。

（1）研磨的加工过程。零件的粗研磨：将零件装配到研磨夹具中，在研磨平台上滴少许酒精，将研磨夹具及零件放到研磨平台上进行循环的螺旋状运动，两手作用到夹具上的力要均匀，注意勤擦平台，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时，对零件进行无液体研磨（不加酒精），提高表面光洁度。零件研磨完成后，用干净的纱布擦拭干净[5]。

（2）研磨工序的检测。粗糙度的检测：零件的端面粗糙度一般采用对比样块进行检测，也可以用粗糙度检测仪进行，利用粗糙度检测仪检测时需要多点测量，取最大值。

平面度的检测：要求如此之高的平面度，生产上一般采用光学平晶进行检测。根据光的同一性和单向性，用光栅检测平面时，零件表面与光学平晶下表面的反射光线将在平晶的下表面产生干涉条纹。检测人员根据干涉条纹形成的图像来判断平面度是否合格。

3.3 零件外圆的珩磨

零件的外圆需要与外衬套的内孔组成密封副，是实现零件密封的关键。设计对其要求也十分严格。其中粗糙度要求为Ra0．2，圆柱度为0．005，需要通过珩磨实现设计要求。

珩磨工序分为粗珩磨和精珩磨，根据零件大小不同，珩磨加工的余量也有所不同，一般为0．03-0．08mm。珩磨过程中零件随珩磨头相对珩磨套进行周向旋转运动，同时操作者操作机床上下运动，从而实现螺旋线式珩磨运动轨迹。机床转速：30n/min-40n/min；珩磨头上下运动速度：16．6mm/s-50mm/s

4 结语

通过解决开口加工、研磨、珩磨及泄漏试验等技术难点，我们初步的掌握此类零件的加工特点。通过实际加工验证，石墨密封环的加工路线安排合理，零件的尺寸、形位公差、粗糙度满足了设计要求，零件的回弹性良好，能够保证零件的密封效果，为最终的批生产奠定了坚实的基础。在今后的工作中，我们还需要不断地探索新的工艺方法，对碳石墨密封环类零件加工的关键技术进行深入探索，以满足航空发动机进一步提高性能、改进和发展密封技术的需要。