碳石墨弹性开口环加工技术

摘要：碳石墨弹性开口环属于非金属涨圈类，加工难度较大，对加工刃具及工艺都有一定的特殊要求。文章主要对碳石墨弹性开口环的精密加工进行介绍，碳石墨弹性开口环外圆和端面的超精密加工的完成，保证了先进发动机所需要的密封效果，为新型飞机运行的安全性和可靠性提供了一定的技术保障。

关键词：珩磨；碳石墨弹性开口环；精密加工

中图分类号：V261　　　文献标识码：A 　　　　文章编号：1009-2374（2012）20-0070-02

1　概述

碳石墨弹性开口环属于非金属涨圈类，其加工难度较大，对加工刃具及工艺都有一定的特殊要求。通过对碳石墨弹性开口环零件的加工分析、研究，设计了有一定使用价值的加工工具及加工工艺，取得了较好的加工效果。

碳石墨弹性开口环种类较多，零件材料一般都是高精度、抗摩擦弹性模量较大的石墨材料，对于高精度碳石墨弹性开口环的加工工艺安排是否合理，直接影响其使用性能。弹性开口环应具有高的加工精度和低的粗糙度值，并对零件的外圆与衬套内孔的贴合度有严格的要求，加工难度非常大。

另外，每个零件都要检查其弹力，弹力不足，零件外圆与衬套的贴合度难以保证，弹性开口环将随轴旋转与衬套发生摩擦，使工作温度升高，破坏材料的热安全性，引起更大的摩擦发热，导致密封装置损坏。除了零件材料本身的弹性模量以外，碳石墨弹性开口环的工艺处理、自由状态下的开口间隙和工作状态下的开口间隙等都是影响零件弹力的决定性因素。

通过对碳石墨弹性开口环的加工精度、形状结构、技术要求等进行分析、研究，了解、掌握碳石墨材料主要的性能和材料的切削性能，确定了合理的碳石墨弹性开口环工艺处理方法，达到了预期目的，满足了设计要求，使得碳石墨弹性开口环加工工艺有效、可靠。

2　零件的特点及加工难点

碳石墨弹性开口环是单开口的薄壁环形件，开口之间存在一定的间隙：工作间隙和自由状态间隙。工作状态下存在的开口间隙为0.1～0.25mm，是热补偿间隙，用以确保零件在工作时热膨胀而不发生顶死现象，以防止密封失效。自由状态下存在的开口间隙4.5mm，是弹力补偿间隙，用以确保零件工作时其外圆一直与相对静止的衬套内壁紧密贴合，避免弹性不足，零件随轴转动，零件的外圆与衬套内孔发生摩擦，影响零件的密封效果，导致密封失效。

碳石墨弹性开口环外圆表面、两端面及衬套内孔工作表面加工应具有小的粗糙度，碳石墨弹性开口环外圆与衬套内孔贴合表面允许透光沿周不大于20%，最大透光量不大于0.02mm，碳石墨弹性开口环加工精度要高，工作端面粗糙度小于0.2～0.4μm，两端面对外圆的垂直度不得大于0.01mm。

该零件材料为高精度细颗粒抗摩擦石墨，具有硬度和强度较低、脆性较大、加工难度大等特点。其主要表现在：

（1）由于材料本身的性能及传统的加工工艺的限制，零件自由状态下的开口间隙很难保证。

（2）采用常规研磨、珩磨加工等，表面粗糙度、透光度、平面度等要素很难保证。

（3）保证零件外圆等的技术、粗糙度等的要求，必须采用珩磨，无磨料加工来完成。

（4）由于碳石墨弹性开口环结构特殊性的限制，石墨涨圈无法在珩磨时止转，珩磨加工非常困难。

3　碳石墨弹性开口环加工难点解决措施

针对碳石墨弹性开口环的加工难点，我们对该零件进行了认真的分析研究。需要解决的问题是：

（1）零件外圆的精密加工：粗珩外圆——精珩外圆。

（2）零件自由状态下的开口间隙和外圆贴合度的保证：为保证零件在自由状态下的开口间隙和贴合度，必须保证碳石墨的弹性，满足零件的综合性能的需要，为此在加工中安排了零件的热处理工序。

3.1　碳石墨弹性开口环的精密加工

零件的外圆表面粗糙度为0.4μm，尺寸公差为0.02mm，在加工中只能用珩磨加工来完成，这也是以密封为特点的碳石墨弹性开口环精加工的必经

之路。

零件在珩磨加工前，其零件的加工状态为：工作状态开口间隙为0.05mm，外圆加工余量为0.04～0.06mm，粗糙度为1.6μm。

零件在珩磨时，模仿工作状态进行加工，由于零件工作状态时开口间隙较小，在珩磨加工时无法防止零件转动。由于自身的弹力，零件在加工时将随珩磨套一起旋转，外圆只有少量的不规则的相对运动来去除一定的余量，珩磨加工质量较差，根本达不到珩磨要求，也无法保证零件的加工要求。

从零件径向尺寸结构和加工精度着手分析，经过工艺试验，珩磨外圆工艺步骤如下：将零件的珩磨工序分为粗珩和精珩。

粗珩时，根据精珩的夹具结构，将珩磨套的内孔尺寸和珩磨夹具的结构进行调整：将珩磨套内孔直径尺寸按外径尺寸加大0.025～0.03mm，使零件在粗珩时适当地增大其开口间隙；改变珩磨夹具的设计结构，由于粗珩珩磨套内孔尺寸的加大，使零件的粗珩状态的工作间隙加大，因此可以在其夹具上增设止转片，防止零件在粗珩时随珩磨套一起转动，影响零件的粗珩质量。这样粗珩时的珩磨运动轨迹既有转动又有上下运动，使珩磨轨迹产生交叉花纹，符合珩磨要求，从而确保粗珩的加工质量，使粗珩顺利进行。

粗珩后，实际零件的外圆直径和工作状态的开口间隙也相应加大，要满足设计的要求，必须通过精珩来完成。精珩时，使用高清洁度的煤油进行加工，珩磨套尺寸与工艺尺寸相一致，粗糙度为0.2μm以上。在加工过程中，只是去除微小的加工余量，以修正外圆的尺寸、圆度和粗糙度，精珩使珩磨质量得到保证。

3.2　热处理工序的安排

原加工工艺加工完成后，零件的自由开口间隙变小，零件本身的弹力不足，与检查环规的贴合度不够。为了满足零件的开口间隙的要求，保证零件的弹力，在加工中安排了热处理工序。

毛坯在惰性气体的保护下，以一定的温度进行一定时间的稳定处理。经过试验加工，还是满足不了零件的要求。最后根据分析、试验，将热处理工序调整到粗加工后进行热处理。

加工步骤为：粗车环→粗磨平面→切开口→热处理→修开口。为了保证零件的开口处的质量，切开口间隙要小于零件要求的自由开口间隙，热处理后再修开口，保证零件最终要求的自由开口间隙。

根据上述的加工方法加工出的零件，外圆粗糙度、加工尺寸精度、形状精度、位置精度等都满足了工艺和设计要求，工艺效果稳定。

4　结语

经过实际加工验证，这些工艺方法的改进取得了良好的加工效果，为后续零件加工提供了良好的条件，为零件的批量生产奠定了坚实的基础。在今后的实际应用中，我们还需要不断地探索新的工艺方法，对碳石墨开口环类零件加工的关键技术进行深入研究，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。

参考文献

[1]　张云电．现代珩磨技术[M]．北京：科学出版社，2007．

[2]　林基恕．航空燃气涡轮发动机机械系统设计[M]．北京：航空工业出版社，2005．

作者简介：裴宇飞（1976-），男（满族），辽宁阜新人，沈阳黎明航空零部件制造有限公司工程师，研究生。

（责任编辑：秦逊玉）

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