大型金属密封圈加工工艺研究*＊

金属密封圈是工业生产中极为常见的密封件，其密封功能可以防止水、油、气体等介质泄漏，广泛应用于机械、管道等设备。机械密封也称端面密封，用于泵、釜、压缩机、液压传动和其他类似设备的旋转轴的密封。一般密封装置包括壳体、密封圈和端盖，组成平面摩擦副，依靠弹性构件和密封介质的压力在接触表面(端面)上产生适当的压紧力，使这两个端面紧密贴合，达到密封的效果。

某公司生产的压缩机用大型金属密封圈，其零件图如图1 所示，该零件属于小批量生产，其结构并不复杂，外径为Φ410 mm，内径为Φ330 mm，厚度为10 mm。尺寸的精度均为常规要求，唯有两点难以保证:(1)以Φ330 mm 圆为基准(即基准A)，密封圈正、反两个端面的圆跳动为0.03 mm;(2)密封圈正面直径Φ365 ～410 mm 范围内，沿圆周方向粗糙度达到0.8 μm以下。加工后采用三坐标测量仪进行检测，假定密封圈正面相对于基准A 的圆跳动为x1，反面相对于基准A 的圆跳动为x2，正面直径Φ365 ～410 mm 范围内的粗糙度为y，几组试样检测结果如表1 所示。检测数据显示密封圈达不到图纸规定的精度要求，造成密封效果不理想，影响压缩机的正常工作。本文通过对机床设备、夹具等方面进行分析研究，优化密封圈工件的加工工艺，提出了行之有效的解决方法。

表1 密封圈圆跳动、粗糙度检测记录表

1 金属密封圈的加工技术分析

根据图纸要求，密封圈的材料采用45 号钢，该材料属于中碳调质结构钢，经适当的热处理以后可获得一定的韧性、塑性和耐磨性，具有较高的强度和较好的切削加工性能，调质处理后零件具有良好的综合机械性能，应用极为广泛。在原加工工艺中，根据板材的厚度规格，毛坯选用14 mm 厚的板材，采用等离子切割，加工成外径为Φ420 mm，内径为Φ320 mm 的圆环。根据图1 中金属密封圈的结构，加工分为车削和铣削两部分完成。首先利用数控车床完成密封圈的主体结构，包括正、背端面和内、外圆的加工;其次，利用立式加工中心的铣削功能，完成沉孔和通孔的加工。机床采用云南机床厂生产的CK6150 型数控车床和美国HAAS- VF1 型立式加工中心，原加工工序如表2所示。

表2 金属密封圈原加工工序

从原工序可以看出，夹具均采用了三爪卡盘，首先利用数控车床进行正面加工时，正爪撑持毛坯的内孔，实现了正面和外圆的加工;其次，在反面加工时，反爪抱持已加工完成的外圆，实现工件反面和内孔的加工;最后，三爪卡盘安装于加工中心工作台，正爪撑持工件内孔，完成后续通孔和沉孔的加工。

2 影响因素分析

根据图1 中金属密封圈的结构，通过对原加工工序及检测数据分析，可以排除加工设备和刀具的影响，而推断出夹具和密封圈的结构是产生问题的主因，导致加工精度达不到要求，具体影响因素如下:

(1)金属密封圈结构影响

因为密封圈直径为410 mm，厚度仅为10 mm，径向远大于轴向尺寸，该工件在车削过程中易受内应力的影响，发生翘曲变形，造成圆跳动误差。

(2)夹具自身误差的影响

通常使用的三爪自动定心卡盘使用久了，随着卡盘的磨损，三爪会出现喇叭口状，三爪也会慢慢偏离车床主轴中心，造成三爪定心误差增大，加工工件的形位公差随之增大，导致工件达不到精度要求。

(3)夹持方式影响

在采用三爪卡盘夹持方式车削密封圈的正面时，工件的背面则紧贴三爪的台阶，但三爪的台阶宽度仅为20 ～30 mm 左右，反面其他部位则为悬空状态，这样会使得车床主轴在旋转一周时，端面刀车削正面过程中三次接触牢靠，悬空部位则存在让刀现象，导致工件振动，伴随着很强的噪音，影响了表面质量。另外，三爪的夹持力集中在与三爪接触的工件局部位置，导致工件变形，微观上内、外径均不是一个圆，且直接造成了工件沿径向、间接轴向变形。

(4)钻孔力的影响

在加工中心上钻孔时，因工件反面是三爪台阶支撑，大部分孔位处于悬空状态，钻头垂直向下钻削工件，受钻头向下力的影响，致使工件变形。

3 新加工工艺设计

根据以上所述，受密封圈自身结构的影响，夹具是造成工件加工精度达不到图纸精度要求的关键因素。为了解决圆跳动超差问题，提高加工效率，设计了新的夹具且制定了新的加工工艺，加工工序如表3 所示。加工设备不变，工序1 ～14 为车床加工环节，工序15 ～17 为加工中心加工环节，与原加工工艺相比，主要是使用夹具的变化:

(1)工序1、12 和15 均采用了如图2 的夹具，该夹具由三个台阶的圆盘，直径分别为Φ408 mm、Φ330 mm、Φ60 mm，三等分铣削后分别安装于三爪卡盘上。在车床加工环节，工件安装后的情形如图3 所示，在加工中心加工环节，夹具安装如图4 所示。夹具的Φ330 mm 圆撑住工件，Φ408 mm 圆端面紧贴工件的反面，实现外圆和端面的车削，以及钻孔铣削功能。采用夹具的目的，加大了工件夹持轴向(端面)和径向(内、外圆)的接触面，解决了影响因素(3)和(4)对工件的影响。

表3 密封圈新加工工序

(2)工序5 中的夹具如图5 所示，该夹具由外径为Φ440 mm、型腔直径Φ410 mm 的圆盘，三等分铣削后分别安装于三爪卡盘上。安装后用于抱持已加工的工件外圆，加工工件的内圆，此夹具的目的同上。

(3)增加了工序9 和12 ，工序9 是在抱持夹具内夹圆棒时对型腔Φ410 mm 的圆进行车削，工序12 是在撑持夹具Φ60 mm 台阶套住圆环时，对Φ330 mm 外圆进行车削，目的是为了消除三爪卡盘内的拨盘内圆与中心轴的间隙，解决了夹具自身误差，即影响因素(2)对工件的影响。

(4)表3 新工序中，分多次车削工件端面和外圆，其目的是消除内应力对工件变形的影响，解决了影响因素⑴对工件的影响。

消除振动后，工件端面的粗糙度也随之明显提高，基本达到图纸0.8 μm 的要求，铣削加工后的密封圈如图6 所示。

4 结语

针对大型金属密封圈的加工误差分析，提出了影响精度的关键因素是密封圈自身结构所限，采用了不合理的夹具所致。通过设计新夹具且制定新的加工工艺，虽然加工工序有所增加，但加工出的密封圈精度得以明显提高，达到了图纸要求。完成了既定的生产目标，取得较大的经济效益。