一种镶嵌式密封环的加工工装及加工方法与流程

1.本发明涉及镶嵌式密封环加工工艺，具体涉及一种镶嵌式密封环的加工工装及加工方法。


背景技术：

2.目前，液体火箭发动机端面密封静环多采用镶嵌式密封环结构，其通常采用石墨材料作为非金属密封环环片，同时采用s
‑
07、4j31等金属材料作为金属环座，依靠两者之间过盈配合时径向变形作用产生的作用力使非金属密封环与金属环座紧密的结合在一起。镶嵌式密封环结构不仅能够保证良好的对中性并有效地传递扭矩，满足高频冲击、振动下密封高可靠性要求，同时具有节省贵重材料、降低成本、结构简单易于加工制造等优点，因此广泛应用于航空、航天、石油化工、核能等领域。然而，受制于镶嵌式密封环结构的特殊性，其必然因金属环座内孔及石墨环外圆的形位误差导致过盈压装后两者因应力分布不均造成变形，使得尺寸精度及形位公差难以保证，严重影响镶嵌式密封环的密封性能。
3.因此，镶嵌式密封环加工技术的研究与应用现已成为制约液体火箭发动机端面密封可靠性的关键技术之一，其不仅能够用于改善石墨车削崩角现象，提高刀具使用寿命，减少压装后石墨局部切边及压裂等质量问题，还能大幅提高镶嵌式密封环的尺寸精度及形位公差精度，显著提升镶嵌式密封环的制品合格率及端面密封的密封性能可靠性。
4.现有的镶嵌式密封环加工技术的研究主要有以下不足之处：
5.(1)对于镶嵌式密封环压装技术，常用的压装方式包括常温压装和热装，常温压装适用于小过盈量产品，但当压装过盈量超过0.2mm甚至达到0.4mm以上时，压装后将产生明显的石墨切边甚至压裂现象，热装适用于金属环座为受热易膨胀材料的镶嵌式密封环，当金属环座采用线性膨胀系数低或类似低膨胀合金类的金属时，其加热温度需足够高方可满足热装要求，而较高的加热温度不仅将使金属材料性能发生变化导致无法满足设计要求，同时将加快金属环座表面氧化腐蚀从而降低端面密封的可靠性；
6.(2)对于镶嵌式密封环加工工装，现有轴向装夹加工工装依靠端面定位并通过轴向压板对镶嵌式密封环进行装夹，避免了镶嵌式密封环车削加工过程中存在的径向装夹变形问题，但由于镶嵌式密封环与轴向装夹加工工装之间存在径向间隙，使得无法对进行镶嵌式密封环径向定位，进而造成镶嵌式密封环的内孔在车削精加工时难以找正，致使同批次镶嵌式密封环的内孔在精车后圆度一致性差，极大的降低了生产效率和质量稳定性。


技术实现要素：

7.本发明的目的是解决现有镶嵌式密封环压装技术存在或是石墨局部切边甚至压裂现象，或是使金属材料性能发生变化导致无法满足设计要求，同时加快金属环座表面氧化腐蚀从而降低端面密封可靠性的不足之处，以及现有轴向装夹加工工装存在尺寸精度及形位公差精度不足、制品合格率地及端面密封可靠性差的不足之处，而提供一种镶嵌式密封环的加工工装及加工方法。
8.为了解决上述现有技术所存在的不足之处，本发明提供了如下技术解决方案：
9.一种镶嵌式密封环的加工工装，其特殊之处在于：包括夹具座、轴向定位装置和径向定位装置；
10.所述夹具座一端设置有与机床连接的夹持部，另一端设置有轴向盲孔，轴向盲孔，轴向盲孔包括由内向外依次设置且直径递增的第一轴向孔、第二轴向孔和第三轴向孔，第一轴向孔与第二轴向孔之间构成第一台阶端面，第二轴向孔与第三轴向孔之间构成第二台阶端面，待加工镶嵌式密封环通过其金属环座端面与第二台阶端面紧密接触实现轴向定位，待加工镶嵌式密封环的石墨环片位于第二轴向孔和第三轴向孔内，且与第一台阶端面保持间隙；所述夹具座位于轴向孔出口端周向均匀设置有n个宽度为w、深度为h的开口槽(n≥8)；
11.所述轴向定位装置位于第三轴向孔出口端，包括轴向压环和开口压环；所述轴向压环的一端与夹具座侧壁连接，另一端与开口压环紧密接触；所述开口压环设置在第三轴向孔且其外环壁与第三轴向孔内径适配，所述轴向压环沿轴向移动将开口压环压紧在待加工镶嵌式密封环的金属环座另一端面，对待加工镶嵌式密封环进行轴向定位，所述开口压环沿轴向开设有一个宽度为u的贯通槽，且u＝(n 1)
×
w；
12.所述径向定位装置套装在夹具座上，且与夹具座侧壁紧密接触，所述径向定位装置沿轴向移动通过开口槽和贯通槽对轴向盲孔内径进行调节。
13.进一步地，所述轴向压环包括压紧螺母和与压紧螺母一体的径向截面为u形的连接环，压紧螺母与夹具座侧壁螺纹连接，连接环的另一端与开口压环之间紧密接触。
14.进一步地，所述径向定位装置包括靠近夹持部一侧设置的径向压紧环，以及靠近轴向定位装置一侧设置的与夹具座侧壁螺纹连接的行程螺母，所述径向压紧环与行程螺母之间紧密接触。
15.进一步地，所述夹具座外壁为由第三轴向孔出口端开始逐渐扩张的锥角大于等于30
°
的锥面，所述径向压紧环内壁为与夹具座外壁适配的锥面。
16.进一步地，所述开口槽的数量n与待加工镶嵌式密封环金属环座的外径φd
m
关系如下：当φd
m
≤60mm，4≤n≤6；当60mm≤φd
m
≤120mm，6≤n≤8；当φd
m
≥120mm，n≥8；
17.所述n个开口槽的宽度w与待加工镶嵌式密封环金属环座的外径φd
m
关系如下：当φd
m
≤30mm，w≤1mm；当30mm＜φdm≤60mm，w＝1.5mm；当60mm＜φdm≤120mm，w＝2mm；当φdm≥120mm，w≥2mm。
18.所述n个开口槽的深度为h与夹具座的轴向盲孔深度h
z
及夹具座第二台阶端面深度g关系如下：1.1
×
g＜h≤0.75
×
h
z
。
19.同时，本发明还提供一种镶嵌式密封环的加工方法，其特殊之处在于，包括如下步骤：
20.步骤(1)：生产准备阶段
21.按设计要求加工镶嵌式密封环金属环座的内孔，同时按工艺要求加工镶嵌式密封环金属环座的外径，将加工完成的金属环座进行编号，并记录加工后各金属环座的内孔直径实测值φa；
22.步骤(2)：镶嵌式密封环石墨环片加工阶段
23.(2.1)依据设计要求的石墨环片外径与金属环座内孔直径的过盈量指标，确定两
者过盈配合的最小过盈量c
min
和最大过盈量c
max
；
24.(2.2)依据不同编号金属环座内孔直径实测值φa，采用车削加工方式，按设计要求加工石墨环片，再按工艺要求加工石墨环片内孔及端面，保证石墨环片外径实测值φb满足φa c
min
≤φb≤φa c
max
，石墨环片内孔及端面预留后续加工余量；
25.步骤(3)：镶嵌式密封环热压装准备阶段
26.(3.1)计算金属环座加热温度t：
27.t＝0.8
×
t
h
28.其中，t
h
为金属环座所用金属材料低温回火温度；
29.(3.2)计算石墨环片压装力f：
[0030][0031]
其中，k为压装安全系数，f
s
为石墨环片承受的最大静压力，f
j
为金属环座承受的最大静压力的乘积；
[0032]
步骤(4)：镶嵌式密封环热压装阶段
[0033]
将金属环座放入高温烘箱中加热至加热温度t后取出，然后立即将金属环座放置在压力机下压盘上的压装支撑工装上，压力机上压盘按预设压装力f和压装速度v下压使石墨环片与金属环座底部相贴合，压装结束；
[0034]
步骤(5)：镶嵌式密封环自然时效阶段
[0035]
在压装后的镶嵌式密封环底部铺垫镜头纸，单层平放在洁净的干燥箱中24h；
[0036]
步骤(6)：镶嵌式密封环精加工阶段
[0037]
磨削镶嵌式密封环的金属环座外径至设计要求尺寸φd
h
，然后将镶嵌式密封环装入加工工装中进行石墨环片内孔车削加工，最后对镶嵌式密封环密封端面进行研磨，待镶嵌式密封环尺寸及形位公差满足设计要求时，加工完成。
[0038]
进一步地，步骤(3.2)中，所述石墨承受的最大静压力f
s
：
[0039]
f
s
＝σ1×
s1≤σ
bc
×
s1[0040]
其中，σ1为石墨环片承受的最大静载荷，s1为石墨环片压装实际承力面积，σ
bc
为石墨环片抗压强度；
[0041]
所述金属环座承受的最大静压力f
j
：
[0042]
f
j
＝σ2×
s2≤σ
b0.2
×
s2[0043]
其中，σ2为金属环座承受的最大静载荷，s2为金属环座压装实际承力面积，σ
b0.2
为金属环座抗压强度。
[0044]
进一步地，步骤(3.2)中，所述压装安全系数k满足0.10≤k≤0.12，当石墨环片外径实测值φb＞60mm或最小过盈量c
min
＞0.15mm，k＝0.10；当30mm≤φb≤60mm或最大过盈量0.12mm≤c
max
≤0.15mm，k＝0.11；当φb＜30mm或最大过盈量c
max
＜0.12mm，k＝0.12。
[0045]
进一步地，步骤(2)和步骤(6)中，所述车削加工所使用的刀具前角γ0≥0
°
，刀尖圆角半径为0.2～0.4mm；所述车削加工的具体参数如下：切削速度设置为200m/min，切削深度设置为0.05～0.10mm，走刀量设置为0.030～0.035mm/r。
[0046]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0047]
(1)本发明公开了一种镶嵌式密封环的加工工装，该加工工装结构能够在保证镶
嵌式密封环径向不受力或受微小力但不足以使其径向产生变形的前提下，通过径向定位装置定量移动使夹具座轴向盲孔内径定量收缩至与镶嵌式密封环金属环座侧壁刚好接触，同时通过夹具座、轴向定位装置实现轴向定位和装夹功能，兼顾了径向间隙补偿和轴向定位装夹功能，从而显著提升镶嵌式密封环尺寸精度及形位公差精度，并为不宜采用径向装夹定位方式的相似结构产品加工及工装设计提供参考。
[0048]
(2)本发明进一步公开了镶嵌式密封环的加工工装的关键设计参数选用原则，具体包括具座的开口槽数量及开口槽宽度的量化选用原则，以及开口压环的贯通槽宽度的量化选用原则；上述设计参数选用原则有利于同类结构工装的规范化设计，减少了镶嵌式密封环加工工装的设计周期，从而提高了液体火箭发动机端面镶嵌式密封环的生产效率。
[0049]
(3)本发明公开了一种镶嵌式密封环的加工方法，该方法中量化的提出了热压过程压装力、加热温度和压装安全系数的选取依据，能够更好的适应不同过盈量要求的镶嵌式密封环加工，同时保证金属环座材料性能满足设计指标，减少金属环座表面氧化腐蚀，减少压装后石墨局部切边及压裂等质量问题；并且，该方法提供了车削加工的刀具前角、刀尖圆角、切削速度、切削深度及走刀量的量化选用原则，可有效的改善石墨车削崩角现象，提高刀具使用寿命，大幅提升制品合格率。
附图说明
[0050]
图1为本发明一个实施例的结构示意图；
[0051]
图2为图1中q处放大图；
[0052]
图3为图1实施例夹具座的结构示意图；
[0053]
图4为图3的a
‑
a向结构示意图；
[0054]
图5为图1实施例开口压环的结构示意图；
[0055]
附图标记说明如下：1
‑
夹具座，11
‑
夹持部，12
‑
开口槽；2
‑
轴向定位装置，21
‑
压紧螺母，22
‑
开口压环，23
‑
贯通槽；3
‑
径向定位装置，31
‑
径向压紧环，32
‑
行程螺母；4
‑
待加工镶嵌式密封环，41
‑
金属环座，42
‑
石墨环片。
具体实施方式
[0056]
下面结合附图和示例性实施例对本发明作进一步地说明。
[0057]
参照图1，一种镶嵌式密封环的加工工装，包括夹具座1、轴向定位装置2和径向定位装置3；夹具座1一端设置有与机床连接的夹持部11，另一端设置有轴向盲孔，轴向盲孔包括由内向外依次设置且直径递增的第一轴向孔、第二轴向孔和第三轴向孔，第一轴向孔与第二轴向孔之间构成第一台阶端面，第二轴向孔与第三轴向孔之间构成第二台阶端面，待加工镶嵌式密封环4通过其金属环座41端面与第二台阶端面紧密接触实现轴向定位，待加工镶嵌式密封环4的石墨环片42位于第二轴向孔和第三轴向孔内，且与第一台阶端面保持间隙；夹具座1位于第三轴向孔出口端周向均匀设置n个宽度为w、深度为h的开口槽12(n≥8)。
[0058]
轴向定位装置2位于第三轴向孔出口端，包括轴向压环和开口压环22；轴向压环包括压紧螺母21和与压紧螺母21一体的径向截面为u形的连接环，压紧螺母21与夹具座1侧壁螺纹连接，连接环的另一端与开口压环22之间紧密接触；开口压环22设置在第三轴向孔且
其外环壁与第三轴向孔内径适配，轴向压环沿轴向移动将开口压环22压紧在待加工镶嵌式密封环4的金属环座41另一端面，对待加工镶嵌式密封环4进行轴向定位，开口压环沿轴向开设有一个宽度为u的贯通槽23，且u＝(n 1)
×
w，以保证当n个开口槽12全部闭合时，开口压环22的贯通槽23仍能留有间隙，避免因开口压环22的贯通槽23闭合造成夹具座1开口槽12闭合异常。
[0059]
径向定位装置3套装在夹具座1上，且与夹具座1侧壁紧密接触；径向定位装置3包括靠近夹持部11一侧设置的径向压紧环31，以及靠近轴向定位装置2一侧设置的与夹具座1侧壁螺纹连接的行程螺母32，径向压紧环31与行程螺母32之间紧密接触，径向压紧环31随行程螺母32沿轴向移动通过开口槽12和贯通槽23对轴向盲孔内径进行调节。
[0060]
夹具座1外壁为由第三轴向孔出口端开始逐渐扩张的锥角为β的锥面，径向压紧环31内壁为与夹具座1外壁适配的锥角为β的锥面；夹具座1轴向盲孔内壁与待加工镶嵌式密封环4侧壁之间的径向间隙δ与径向定位装置3的轴向移动距离l之间满足l＝δ
×
cotβ；同时，径向间隙δ与夹具座1轴向盲孔直径最大值φm及磨削后镶嵌式密封环金属环座外径尺寸φd
h
满足δ＝φm
‑
φd
h
；避免由于夹具座1外径的收缩造成压紧螺母21和行程螺母32旋紧过程存在卡滞，两者均采用粗牙螺纹；当径向间隙δ的控制精度要求更高时可减小β取值，反之，当径向间隙δ的控制精度要求更低时可增大β取值，但β≤30
°
；本实施例中，β＝15
°
。
[0061]
为了保证不同直径尺寸的待加工镶嵌式密封环4在径向调节过程中具有良好的对中性和均匀性，开口槽12的数量n与待加工镶嵌式密封环4金属环座的外径φd
m
关系如下：当φd
m
≤60mm，4≤n≤6；当60mm≤φd
m
≤120mm，6≤n≤8；当φd
m
≥120mm，n≥8。
[0062]
为了保证夹具座1在在径向调节过程中具有良好的回弹性，n个开口槽12的宽度w与待加工镶嵌式密封环4金属环座的外径φd
m
关系如下：当φd
m
≤30mm，w≤1mm；当30mm＜φdm≤60mm，w＝1.5mm；当60mm＜φdm≤120mm，w＝2mm；当φdm≥120mm，w≥2mm。
[0063]
为了便于设计夹具座1，同时保证夹具座1在在径向调节过程中具有良好的回弹性，n个开口槽12的深度为h与夹具座1轴向盲孔深度h
z
及夹具座1第二台阶端面深度g关系如下：1.1
×
g＜h≤0.75
×
h
z
。
[0064]
本实施例中，待加工镶嵌式密封环4金属环座的外径φd
m
＝60mm，夹具座1位于第三轴向孔出口端周向均匀设置6个宽度为1.5mm、深度为h的开口槽12。
[0065]
同时，本发明还提供一种镶嵌式密封环的加工方法，包括如下步骤：
[0066]
步骤(1)：生产准备阶段
[0067]
按设计要求加工镶嵌式密封环金属环座41的内孔，同时按工艺要求加工镶嵌式密封环金属环座41的外径，其中金属环座41的内径实测值φa满足设计尺寸要求，而金属环座41的外径实测值φd
q
满足工艺所预留的后续加工余量要求；将加工完成的金属环座41进行编号，并记录加工后各金属环座41的内孔直径实测值φa；
[0068]
步骤(2)：镶嵌式密封环石墨环片42加工阶段
[0069]
(2.1)依据设计要求的石墨环片42外径与金属环座41内孔直径的过盈量指标，确定两者过盈配合的最小过盈量c
min
和最大过盈量c
max
；
[0070]
(2.2)依据不同编号金属环座41内孔直径实测值φa，采用车削加工方式，按设计要求加工石墨环片42，再按工艺要求加工石墨环片42内孔及端面，保证石墨环片42外径实测值φb满足φa c
min
≤φb≤φa c
max
，石墨环片42内孔及端面预留后续加工余量；
[0071]
步骤(3)：镶嵌式密封环热压装准备阶段
[0072]
(3.1)计算金属环座41加热温度t：
[0073]
t＝0.8
×
t
h
[0074]
其中，t
h
为金属环座41所用金属材料低温回火温度；
[0075]
(3.2)计算石墨环片42压装力f：
[0076][0077]
其中，k为压装安全系数，满足0.10≤k≤0.12，当石墨环片42外径实测值φb＞60mm或最小过盈量c
min
＞0.15mm，k＝0.10；当30mm≤φb≤60mm或最大过盈量0.12mm≤c
max
≤0.15mm，k＝0.11；当φb＜30mm或最大过盈量c
max
＜0.12mm，k＝0.12；
[0078]
f
s
为石墨环片42承受的最大静压力，满足f
s
＝σ1×
s1≤σ
bc
×
s1，其中，σ1为石墨环片42承受的最大静载荷，s1为石墨环片42压装实际承力面积，σ
bc
为石墨环片42抗压强度；
[0079]
f
j
为金属环座41承受的最大静压力的乘积，满足f
j
＝σ2×
s2≤σ
b0.2
×
s2，其中，σ2为金属环座41承受的最大静载荷，s2为金属环座41压装实际承力面积，σ
b0.2
为金属环座41抗压强度；
[0080]
步骤(4)：镶嵌式密封环热压装阶段
[0081]
将金属环座41放入高温烘箱中加热至加热温度t后取出，然后立即将金属环座41放置在压力机下压盘上的压装支撑工装上，压力机上压盘按预设压装力f和压装速度v下压使石墨环片42与金属环座41底部相贴合，压装结束；
[0082]
步骤(5)：镶嵌式密封环自然时效阶段
[0083]
在压装后的镶嵌式密封环底部铺垫镜头纸，单层平放在洁净的干燥箱中24h；
[0084]
步骤(6)：镶嵌式密封环精加工阶段
[0085]
磨削镶嵌式密封环的金属环座41外径至设计要求尺寸φd
h
，然后将镶嵌式密封环装入上述加工工装中进行内孔车削加工，最后对镶嵌式密封环密封端面进行研磨，待镶嵌式密封环尺寸及形位公差满足设计要求时，加工完成。
[0086]
为了改善石墨切削过程中存在的崩角现象，同时提高刀具的使用寿命，降低生产成本，步骤(2)和步骤(6)中，车削加工满足刀具前角γ0≥0
°
，刀尖圆角半径为0.2～0.4mm，切削速度设置为200m/min，切削深度设置为0.05～0.10mm，走刀量设置为0.030～0.035mm/r；本实施例中，刀具前角γ0＝0
°
，刀尖圆角半径为0.2mm，切削速度设置为200m/min，切削深度设置为0.05mm，走刀量设置为0.030mm/r。
[0087]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对前述各实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。