石墨圓周密封環車削加工工藝研究

嵇博文，鄔寧杰

（哈爾濱電碳廠，哈爾濱 150025）

1 前言

在航空航天工業快速發展的背景下，隨著航空發動機技術發展到新水平，密封技術儼然已成為影響發動機性能及壽命的主要因素，其地位變得愈發關鍵；石墨圓周密封裝置為接觸式圓周密封裝置，其作為航空發動機主軸承密封中的關鍵密封裝置，是目前航空發動機最先進的密封技術之一，具有結構緊湊、重量輕、不易泄漏、不限制轉子的軸向竄動和易于裝配等優點[1]。

然而在石墨圓周密封環的機械加工中，由于材料為脆性材料，再加上材料本身存在一定孔隙，使其不能像金屬材料連續順滑切屑加工，而是存在崩碎粉末狀現象，導致圓周密封環產生裂紋、表面出現凹坑或邊緣崩角等缺陷，一定程度上會影響工件的密封性能。為提高石墨圓周密封環加工質量，文章從石墨圓周密封環結構、石墨機械加工性能、工藝及措施等方面研究其車削加工工藝，從而解決石墨圓周密封環加工難點，保證加工質量，提高生產率，降低生產成本。

2 石墨圓周密封環結構分析

石墨圓周密封環主要是由布若干等分的弧形段組構而成的高精度碳石墨材料圓周密封環。圓周密封環內孔表面與轉軸上具有高粗糙精度的外圓柱面相接觸，構成主密封界面[2]；圓周密封環端面與密封座內伸凸邊端面貼合組成輔助密封界面；石墨密封環密封跑道、主密封、輔助密封界面及周向彈簧共同實現密封作用。

對于航空發動機主軸承腔滑油密封應用的圓周密封環，其組成的弧形段一般是分成3-5段；每段之間的端頭留有適量的空隙，用以補償磨損和制造、裝配誤差，防止端頭頂死而導致主密封界面出現間隙[2-4]；一般將石墨圓周密封環分為三環結構和單環結構兩種形式。

2.1 三環結構

石墨密封環的分段端口為直口，與分段數目相同的背環和蓋環共同組成一套，從而實現密封環軸向和徑向的間隙密封，整體結構如圖1所示。

圖1 石墨圓周密封環三環結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of three-ring structure of graphite circumferential sealing ring

2.2 單環結構

單環結構的石墨密封環端頭為Z型接頭（如圖2所示），且取消了原三環結構密封環中的背環及蓋環，以相鄰端頭表面相接從而保證軸向和徑向的間隙密封，整體結構如圖3所示。

圖2 石墨圓周密封環單環結構搭口示意圖Fig.2 Schematic diagram of single ring structure lap of graphite circumferential sealing ring

圖3 石墨圓周密封環單環結構示意圖Fig.3 Single ring structure diagram of graphite circumferential sealing ring

3 石墨材料切削加工性能分析

石墨材料屬于非均質結構的脆性材料，切削加工時刀具磨損嚴重，容易發生崩角、邊崩和碎裂，尤其是加工具有清晰棱角以及薄窄類零件時，加工質量難以保證[5,6]，石墨材料切削機理模型如圖4所示。

圖4 石墨切削機理模型Fig.4 Cutting mechanism model of graphite

針對石墨材料特性及加工中的問題，國內外學者從石墨切削加工性質、刀具磨損形式及加工質量控制等多角度進行了一系列深入的研究。

Schroeter R B 等[7]研究了切削參數及銑削方向對石墨材料表面完整性的影響，通過實驗發現順銑時刀具磨損較輕，而隨著切削速度的提高，順銑較逆銑對于刀具磨損的減輕更加明顯，但是在順銑中，由于接觸角較大，加工邊緣崩邊會更加嚴重，缺陷的嚴重程度與背吃刀量成正比，而逆銑由于接觸角較小，邊緣崩邊較輕且不受背吃刀量的影響。

王明海等[8]利用不同的切削參數，并使用不同前角的刀具對各向同性熱解石墨進行了車削試驗，發現切削參數中進給量對表面粗糙度影響最大，切削速度的影響最小，而對于刀具前角來說，負前角刀具可以對材料的被切削區域施加一個壓應力場，從而抑制了材料內被切削區域裂紋的擴展，因此刀具前角為負前角時表面質量能有所提升。

4 墨圓周密封環車削加工工藝分析

下面主要以某型航空發動機石墨圓周密封環為例進行工藝分析。由于圓周石墨密封環結構的特殊性，加工完成的徑向尺寸需在機床上進行檢測，工件的加工質量則需整體組裝后通過實驗器進行氣體泄漏性試驗來確定。氣體泄漏性試驗一次提交合格率較低，通過大量實際試驗對比分析，認定工件內孔的車削質量是影響密封性能因素的主要原因。

5 墨圓周密封環車削加工工藝措施

由于石墨圓周密封環結構、材料特殊，是多個扇形段組成的薄壁環形件，加工過程中需要考慮的細節比較多，因此為了提高加工質量和效率，根據實際車削加工情況分析，采取相應的工藝措施。

5.1 調整工序順序，細化工序內容

為了保證石墨圓周密封環加工質量、提高加工效率，在車削加工中避免超出垂直度要求等情況的發生，調整車削工序順序，細化工序內容，為更好控制、保證并滿足工件內孔車削尺寸精度及垂直度，在原工序基礎上調整車削工序順序，通過芯軸定位加工密封環外圓尺寸，通過已加工的端面定位精車加工內孔尺寸至車削工序要求尺寸精度，從而保證垂直度后，再通過立式加工中心等進行外形銑切、端面凹槽銑切后續加工。

5.2 切削工藝措施及刀具的選擇

目前，可用于石墨加工的刀具材料較多，如：高速鋼、硬質合金、立方氮化硼、陶瓷、金剛石等。如圖5所示，石墨切削加工用刀具材料的選用應與石墨材料本身的硬度相適宜[9]。各種材料的刀具大致壽命為：金剛石刀具＞陶瓷刀具＞涂層硬質合金刀具＞高速鋼刀具[10]。

圖5 石墨加工刀具材料的選用Fig.5 Graphite processing tool material selection

鑒于此，如表1車削石墨通常選擇性能合適且性價比高的硬質合金刀具。

表1 刀具性能特點比較Table 1 Comparison of tool performance characteristics

石墨在車削過程中，塊屑并不會沿著切削平面形成，而是取決于初始裂紋的形成位置，而初始裂紋的位置是刀具前刀面、切屑與工件之間擠壓過程中，工件受到擠壓應力最大的點是在切削初期，刀具與工件邊緣擠壓形成由碎屑組成的壓碎域之后，由壓碎域中碎屑與未加工工件的擠壓及工件表面隨機的孔隙分布決定初始裂紋的產生位置，同時初始裂紋的產生位置也受到刀具前角的影響[11]。加工中刀具前角變化會使得在后續切削過程中（如圖6所示），材料斷裂所受拉伸作用于擠壓作用參與的多少，拉伸斷裂會形成更多不均勻的粗糙端口，甚至會出現較大的凹坑形貌，從而呈現更低的表面粗糙度[12]，直接影響到最終的加工質量，故石墨加工刀具還需要選擇合適的幾何角度。

圖6 后續切削現象示意圖Fig.6 Schematic diagram of subsequent cutting phenomena

通過對不同前角刀具加工的石墨已加工表面形貌觀察，由圖7可見，其加工表面無規律分布大小不一的凹坑，正前角刀具中，隨前角增大，加工質量變好，而負前角刀具中，隨負前角的增大加工質量也逐漸變好[13]。

圖7 不同前角刀具已加工表面形貌圖Fig.7 Topography of surfaces machined by different rake tools

整理刀具前角與加工表面粗糙度的關系曲線如圖8所示，近似于拋物線，0°前角刀具加工表面粗糙度最大，而隨著正前角的增大或負前角的增大，加工表面粗糙度均下降。

圖8 刀具前角與加工表面粗糙度的關系Fig.8 The relation between tool rake Angle and machined surface roughness

另在車削加工密封環時，切削方式也是影響加工的重要因素，需要合理選擇。通常情況順銑時的切削振動小于逆銑時的切削振動，順逆逆襲銑刀受力差異如圖9所示；順銑時的刀具切入厚度從最大減小到零，不會產生彈刀現象，故常選取順銑。

圖9 銑削順銑逆銑銑刀受力差異Fig.9 Milling milling cutter force difference

5.3 切削參數的選擇

合理的切削參數對于工件的加工質量地優劣起著決定性的作用。對于石墨密封環的車削加工來說，進給量即為工件每旋轉一圈，刀具前刀與工件接觸的長度大小，即進給方向的實際切削深度，通過大量試驗，進給量是石墨圓周密封環加工表面粗糙度最大的影響因素，而切削深度與切削速度對其影響較小。在切削深度較為適宜加工的范圍內，工件崩邊的缺陷并沒有太大區別，而切削速度過高或過低都會造成工件崩邊缺陷的加重[13,14]。

經過對石墨圓周密封環車削工藝路線的調整，對工序內容的細化、對車削參數改進，顯著提高了石墨圓周密封環的加工質量，經過一段時間驗證，加工效果穩定，保證了產品質量。

6 結語

石墨圓周密封環是航空發動機密封設計體系的重要組成部分，該技術的發展對提高發動機性能有著更廣闊的應用前景，需要不斷地深入研究，本文只是對石墨圓周密封環加工工藝中的車削加工工藝進行較為膚淺的研究，還需各位同行共同努力，不斷探索。