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)力來解決加工。

5 結(jié)語

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。國際上的應(yīng)用已經(jīng)相對(duì)成熟，我國的石墨密封研究起步較晚，與國際先進(jìn)技術(shù)有不小的差距。因此為保障我國的航空密封發(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。