石墨密封环精密加工工艺研究

石墨密封环精密加工工艺研究

 

阐述了石墨密封环的精密加工过程

关键词： 石墨密封环； 平面度； 光学平晶； 比较法；

 石墨密封环加工项目系填补国内石墨密封环超精 加工方面空白项目。研究内容包括： 工艺方案的确定； 机床选用； 工装研制； 切削参数的确定以及整体产品完 工后的检查计量方式。本文重点介绍其工艺难点及工 艺过程。 加工 时 采 用 高 精 度 的 精 密 仪 器 车 床 ＭＳＧ３２５ 进 行 车 削 ， 用 ００ 级 平 板 进 行 研 磨 ， 用 光 学 平晶 进 行 检 查 ， 并 利 用 比 较法原理和光学原理进行平面度的计算和对比。下面以 涡轮机气封和油封用的石墨密封环加工方案为例介绍

如下： 化学性能检

（ １） 毛坯 Ｘ 射线检查及试样的机械性能、 查。

（ ２） 车： 按 密 封 环 自 由 状 态 下 的 尺 寸 粗 车 ， 内 孔 每 面 留 ２ｍｍ 余量、 外圆每面留 １ｍｍ 余量， 则 外圆车至 !２６１＋ ５ ＋２＝!２６４．６± ； 厚度车至 ３８ ； ０．１０ １ 工况简介 石墨密封环一般用于涡轮机转子上利用端面和外圆 进行气、 油密封， 零件工作介质为： 滑 油 ８Ａ／ 压 缩 空 气 ； 压 力 ： ０．４６ＭＰａ； 摩 擦 对 材 料 ： ４０ＣｒＮｉＭｏＡ／１Ｃｒ１２Ｎｉ３ＭｏＶＮ； （ 滑动速度： ３６００ｒ／ｍｉｎ ； 温度： ２８０℃ 压缩空气温度， 未考虑 摩擦产生的热量） 。 "

２ 工艺难点

（ １） 该密封环形位公差要求严格。如图 １ 所示， 要求 内孔车至 !２６４．６－ ２× １２．７５－ ４＝!２３５．１ 。

（ ３） 铣 ： 检 查 铣 刀 跳 动 不 大 于 ０．０２ ， 铣 准 Б ＋０．０５ ｍｍ ＝５ ０ 开口， 钳工修平整。

（ ４） 车： 用工艺夹头夹紧零件， 按夹紧零件配准心轴。 把工件装夹在心轴上， 用夹头把零件夹紧后， 开口处夹 两端面粗糙度 Ｒａ０．１６ ， 在心轴上检查项目 Ｂ 和 Ｂ１ 的表面 不平度不大于 ０．００１ｍｍ。 ０．０５ ＋０．０５ 垫 片 。 车 准 内 外 圆 及 １ｍｍ 深 槽 。 按 端 面 每 面 留 ０ ０．５ｍｍ 余量车准。

（ ５） 加工 ２０ 个 Ｒ３．６ 槽， 钻 ２０ 个 !１ 孔。

（ ６） 车： 本 道 工 序 采 用 美 国 精 密 仪 器 车 床 ＭＳＧ３２５ 。 按图 ２ 所 示 的 零 件 图 加工胎具， 材料硬铝合金。 其中法兰孔为装夹胎具时 拉紧在机床上时用。

① 将胎具拉紧 在 机 床 （ ２） 密封环开口后回弹不足 此问题在 ＧＨ２１３６ 材料 （ 的密封环上也存在） 。 （ ３） 测量 方 法 上 ， 由 于 材 料 材 质 较 软 而 且 脆 ， 无 法 进 行接触式测量。

（ ４） 不能使用含磨砾的工具或研磨剂进行研磨。 （ 上， 胎具定位外圆按产品内孔 ! ２６１－ １２．７５×） ＝２３５．５ ＋０．０１ ２ ０ 车出， 车准胎具端面。

② 将石墨装在胎具上， 将零件一端面靠紧胎具端面， 在开口处垫 ０．０５＋０．０５ 垫片， 用夹箍夹紧外圆， 车准一端面。 ０

③ 卸下夹箍， 翻身， 按步骤 ② 车准另一端面。保证 Ｒａ０．８μ 。 ｍ 此工序的工艺参数见表 １ 。 （ ７） 把 环 装 入 !２６１ ＋０．０３２ 检 测 套 筒 中 检 查 ， 保 证 ： 沿 表 ０ ３ 工艺过程 图 １ 中， Б开口在自由状态下为 ５ｍｍ， 工作状态下为 ０．３０ｍｍ， 夹紧状态为 ０．０５ｍｍ。为解决上述难点， 我们在精 机械工程师 ２００８ 年第 ５ 期 ９９ 解决方案 Ｓ ＯＬＵＴＩＯＮ 工艺 ／ 工装 ／ 诊断 ／ 检测 ／ 维修 ／ 改造 表１ 机床 刀具 名称 制造商 工艺参数 １｜Ｎ∈ 自然数｝） 倍 变 化 时 ， 产生明暗相间的干涉条纹 （ 图 ３） 。 光 学 原 理 图 见 图 按照下式计算平面度实 ４。 际值： ＭＳＧ３２５ 美国 Ｎａｎｏ－ Ｔｅｃｈ 公司 单晶金刚石圆弧刃车刀 ， 。 刀尖半径 Ｒ１．５ｍｍ， 前角 ０°后角 １１° 主轴转速 ｎ＝１０００ｒ／ｍｉｎ ａｐ＝０．０２￣０．０５ｍｍ， ０．０５× ４＋０．０２× ， 共 ５ 次 １ ｆ＝１０"ｍ／ｒ ｎ＝１０００ｒ／ｍｉｎ １＋０．２× ， ２ 次 １ ａｐ＝０．２"ｍ， １× ｆ＝２"ｍ／ｒ 精加工参数 切削深度 进给量 主轴转速 ! ｆ＝ ｂ × ａ ２ （ １） 其中：ｆ 为平面度；ａ 为相 邻两条纹的平均间隔；ｂ 为光干涉条纹的最大弯 （ 曲； λ为可见光平均波长 取 λ ＝０．５５μ ） 。 ｍ 超精加工参数 切削深度 进给量 冷却方式 干切削 面 Ａ 的 贴 合 率 允 许 在 不 大 于 １００° 总 弧 长 上 透 光 不 大 的 于 ０．０３ｍｍ； 间隙 Б应为 ０．３＋０．１ 。 ０ （ ８） 用 ００ 级 研 磨 平 板 研 磨 Ｂ、 １ 面 ， 不 允 许 用 磨 料 ， Ｂ 在平板上研磨抛光时允许滴少许油， 在标签上打印图号 材料牌号。 光栅平板检查衍射条纹的相应参数， 计算实际 平面度确定是否达到 ０．００１ｍｍ。 ４ 研磨试验 本产品在车后经用粗糙度检查， 达到 Ｒａ０．７６ ， 符合研 使 用 粗 糙 度 检 查 仪 检 查 ， 当 粗 糙 度 Ｒａ 达 到 ０．２μ ｍ 时 滴 少 许 机 油 ， 继 续 研 磨 。 终 Ｒａ 达 到 ０．１μ ， 符 合 图 最 ｍ 纸 要 求 的 Ｒａ０．１６ ， 平 面 度 用 "１５０ 光 学 平 晶 检 查 ， 按 公 （ （ 式 １） 计 算 ， 其 中 ａ＝２．５ｍｍ， ｂ＝２．０ｍｍ， 代 入 式 １） ， 按 照 比较法原理， 相对两方向弦长误差结果应为单一方向 误差的 ２ 倍， 所以结果为： 磨要求。在 ００ 级平板上将工件装在硬铝合金的胎具上， 但由于密封环已开口， 为研磨造成一定的困难， 经反复研 究试验， 确定将工件装在胎具上， 在保证底面贴和面积较 大的情况下用手带紧夹箍上的紧固螺丝， 并用标准量块 在开口处检查开口两侧的端面是否处于相同平面。研磨 按如下要求进行： （ １） 首先采用干研磨， 利用胎具自身重量在平板上按 形路径进行研磨。 “ Ｓ”

（ ２） 研磨工作在恒温室进行。要求着装整洁， 不许有 易脱落粗纤维进入操作间。

（ ３） 操作 间 恒 温 ２０℃， 热 源 不 能 超 过 ３ 个 ， 以 免 造 成 平板变形。

（ ４） 石墨在平板上研磨 １０ 圈以内需用脱脂棉纱仔细 擦拭平板和工件表面， 以免脱落石墨颗粒磨损工件及平 板表面。

（ ５） 粗研时可用汽油或酒精清理平板， 但需等待平板 无液体残留后再进行研磨。 精磨过程中， 不许用手触摸工件研磨表面， 以

（ ６） 粗、 免残留脂肪； 不许用手触磨平板表面， 以免过热产生局部 硬化。

（ ７） 研磨 一 面 完 成 后 翻 身 ， 按 相 同 方 法 把 紧 ， 研 磨 另 一面。 ２．０ ０．５５ ＝０．４４μ ｂ ! ｍ ｐ 比 较 ＝２× ｆ＝２× × ＝２× × ａ ２ ２ ２．５ 结果符合图纸要求的平面度 ０．００１ｍｍ。 ６

 

结 语

平行度是依靠车床精度保证的； 端面粗糙度是依靠 环境及操作 车削后研磨达到的； 平面度是依靠平板精度、 者的研磨技术保证的； 工件的实际平面度是研磨后在胎 具上用光学平晶检验的； 粗糙度与平面度存在关联关系， 即控制粗糙度的过程由能否出现衍射条纹来反映粗糙度 水平； 密封环开口后回弹不足是依靠预先将开口加大达 到的。 脆 因此 ， 对 于 产 品 材 质 具 有 软 、 的 特 性 ， 检 测 时 不 能 接触测量时， 必须通过控制工艺装备及加工设备的精度 来保证产品的精度。 通过上述工艺方法， 解决了石墨密封 环的超精密加工的问题， 机械加工与光学原理的结合， 使 对产品的检验手段发生了质的飞跃。科研过程及结果满 足石墨密封环的国产化要求， 且部分指标优于图纸要求， 为今后石墨密封的广泛应用打下坚实的基础。

 ５ 检查计量 根据 光 的 同 一 性 和 单 向 性 ， 用 光 栅 检 测 平 面 时 ， 工 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 ， 当 平 晶 下 表 面 与 工 件 表 面间 隙 为 可 见 光波长的 １／４ 的奇数倍时， 发生湮灭， 即视觉上为 暗 条 纹 ， 反 之 当 间 隙 为 光 波 长 的 １／４ 的 偶 数 倍 时 光 线 最 强 。 即当平 面变化在波长的 １／４ 到波长的 １／４ 的 ｎ ｎ＝ ０ ， ２Ｎ