單聯圓周石墨密封環加工工藝探討范文

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摘要：在我國航空發動機密封裝置中，石墨密封環是一個重要的密封結構組成部分。石墨密封環的加工質量直接影響到發動機密封裝置的可靠性和安全性，進而影響整臺發動機的性能。本文主要研究分析了單聯圓周形式石墨密封環的機械加工過程，優化單聯圓周石墨密封環加工工藝。從而達到提高其加工質量，滿足發動機使用要求的目的。

關鍵詞：單聯圓周；石墨密封環；加工工藝

1　前言

航空發動機中的密封裝置對燃油消耗率、推重比、維護成本及發動機可靠性具有關鍵性作用[1]。單聯圓周石墨密封環作為航空發動機主軸密封中的關鍵密封裝置，是用于航空發動機主軸密封的重要部件，屬于接觸式密封，是目前航空發動機最先進的密封形式之一[2]。本文研究的單聯圓周石墨密封環是由多個扇形段組成的環形零件[3]，因其結構具有特殊性，因此使得其加工困難，同時質量也難以保證，這使得生產成本大大增加[4]。如何解決上述問題，就需要認真分析加工過程，確定合理高效的工藝路線，查找出現的問題，進行有針對性的調整和改進。

2　石墨密封環的分析

2.1　結構特點分析

單聯圓周石墨密封環是由多個扇形段組成的薄壁環零件，每個扇形段之間是靠雙斜面角度搭接組成的，如圖1所示。圓周石墨密封環的端面為軸向密封帶,內孔為徑向密封帶,端面和內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下的補償間隙[9-10]。

2.2　工藝難點分析

2.2.1　單聯圓周石墨密封環是薄壁圓環的同時一個整環還是由多段相同形狀的扇形段（如圖2）組成的組合件，內孔部分密封面的粗糙度要求為Ra0.2；內控的尺寸精度要求是0.04mm；同軸度為φ0.1；密封端面和內孔的垂直度為0.01。2.2.2　單聯圓周石墨密封環由于其整環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　本次介紹的單聯圓周石墨密封環的最大難點在于兩個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。在保證這個雙斜面角度搭接組成的密封副的密封效果的同時還要保證端面的軸向密封帶、內孔徑向密封帶的尺寸，三者相輔相成息息相關。

2.2.4　石墨制品的共有難點就是要求制成的密封面要保持銳邊。

3　問題的提出

3.1　石墨密封環的內孔密封問題

因為單聯圓周石墨密封環是多段組成的密封結構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床上進行檢測。這一步的檢測效果要通過最后的氣密性實驗來驗證密封環的質量，為保證氣密性試驗的高通過率，通過大量的試驗對比分析得知內孔的加工質量需要高質量的內孔加工來保證密封環的密封性能。如何提高內孔尺寸精度就是保證密封環質量要解決的問題。

3.2　石墨密封化的端面密封問題

單聯圓周石墨密封環的多扇形段組成結構的特殊性，這使得密封端面的加工首要解決的問題就是裝夾問題。不合理的裝夾設計和工藝順序就會使得密封端面的質量難以保證，在氣密性試驗之前又不能及時得到檢測，嚴重的影響密封效果，使得氣密性試驗的成功率得不到保證。如何設計合適的工裝加工密封環端面就是保證氣密性試驗質量要解決的問題。

3.3　石墨密封環的搭接密封問題

雙斜面角度搭接組成的密封副是整個單聯圓周石墨密封環的設計亮點，也是最難調和的加工難點。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計出合適的工裝和加工參數。

3.4　石墨密封環的銳邊保證問題

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問題。針對石墨材料的非金屬脆性材料特點，為保證其加工時的銳邊保持和不會崩邊、掉角，合理的加工運行參數選擇就是解決問題的關鍵。

4　問題的解決

依據產品要求的特性結合生產能力和技術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　內孔加工質量保證方案

為保證內孔加工質量，用車床自身加工芯軸。采用芯軸對石墨環定位、定心，加工出石墨環的外圓和一端面，控制外圓尺寸。用車床加工開口外胎，以石墨環加工好的端面定位裝夾外圓，加工石墨環的內孔和另一端面，保證垂直度、同軸度。內孔的車削加工，依據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。經過大量實踐和實驗，排除了高速鋼（圖4）、YT硬質合金等刀具，考慮到經濟性將一些高價格的新型刀具排除在外。YG系列的硬質合金刀具就成為了首選，YT、YG系列刀具物理性能參見表1。刃具的幾何參數為前角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“高轉數、低進給”的加工原則，針對這次加工的石墨密封環制定的加工參數為切削速度400-500m/min，進給量為0.3-0.5mm/r。為解決內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、推環和卡簧按要求組裝完成后對內孔進行珩磨加工。在此工序之前一定要保證密封端面的加工精度，以此定位完成內孔加工，保證內孔和密封端面的垂直度。內孔的珩磨加工，選擇自制的珩磨頭。珩磨頭材料可以選用一般的45#鋼，在設計珩磨頭時為保證石墨邊緣的銳邊要注意在珩磨頭加入引導角。珩磨要本著“低轉速、慢進給”的原則加工，珩磨頭的轉速速度100-150s/min，進給量為50mm/min。

4.2　端面加工質量保證方案

兩端面平行度的加工由平磨磨床進行加工。依據石墨的非金屬材料特性，砂輪粒度過小會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生明顯的劃痕，使得加工出的石墨表面質量差。經過大量實驗所知選用粒度120-140目的白剛玉砂輪（如圖5）最為合適。平磨加工時依靠石墨環外圓定位加工兩端面來保證兩端面0.02的平行度。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到要求。普通的干研磨加工出的平面度和表面粗糙度遠遠達不到標準，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。但是本產品在個表面內不允許嵌入研磨顆粒，而傳統的研磨劑都是顆粒狀居多。這就需要我們有所轉變，可將顆粒狀研磨劑替換為可用作石墨環工況中使用到的液態物質。

4.3　搭接密封面加工質量保證方案

為能加工出高要求的搭接密封面，結合一般工廠的三軸加工中心設計，通過工裝實現搭接密封面的一個角度，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，在加工參數上要諸多注意。經過大量的實驗，為達到搭接密封面的尺寸和表面粗糙度要求，依據“高轉速，低進給”原則暫將加工參數控制在轉速400-600s/min，進給量為10mm/min

4.4　銳邊加工質量保證方案

石墨這種非金屬材料的材料特性使得崩邊、掉角現象經常發生。針對不同的加工方式有不同的加工方法來避免或減輕這個問題的出現。因為石墨材料的結構特點在加工是時應考慮刀具路線問題，在加工邊、角等位置時應讓邊緣處的材料少受“拉”的應力、盡可能的用“推”的應力來解決加工。

5　結語

在航空發動機上石墨密封環是重要的密封組件，依照目前的發展情況石墨密封環必然將占據航空密封的主要地位，因其技術先進、形勢新穎，發展前景廣闊。國際上的應用已經相對成熟，我國的石墨密封研究起步較晚，與國際先進技術有不小的差距。因此為保障我國的航空密封發展需要在此大量的投入研究力量。本文僅對單聯圓周石墨密封環中多段搭接密封形勢的密封環進行了淺顯的研究，期望各位同行在航空石墨密封環加工制造上能工不斷探索、互幫互助、共同進步。

作者：殷景峰 鄔寧杰 嵇博文 單位：哈爾濱電碳廠