涨圈类零件的加工及检验方法研究

涨圈类零件的加工及检验方法研究

刘英杰,赵宏伟,田博雅

中国航发哈尔滨东安发动机有限公司 黑龙江哈尔滨 150066

摘要：涨圈类零件具有加工精度高、变形量大、检验难度大、加工批量大等特点。其常规尺寸的检测与其他零件并无不同，该类零件的透光性检验、弹力检验和翘曲度检验是主要的特点，本文主要介绍其分类、主要加工过程、测量设备、普及其测量方法，使得检验人员能更加便利的掌握涨圈类零件的检验方法。

关键词：涨圈类零件加工过程  检验方法  透光性检验

1涨圈类零件的分类

涨圈是一种密封件，一种带切口的弹性环，利用本身的弹力，使其外圆紧贴壳体上，涨圈外径与壳体间无相对转动，由于介质压力的作用，涨圈一端面贴合在涨圈槽的一侧产生相对运动，用液体进行了润滑和堵漏，从而达到密封。根据工作原理，涨圈外径的圆度越好，密封效果越理想。但是由于结构特殊，属于开口的圆环形，装夹、加工参数、工艺方法等与其他产品有很大的差异，需要摸索出专属的工艺方案。加工时数控设备应用少，磨工、钳工等工序应用比例大。虽然涨圈的结构比较简单，但加工工艺确很复杂。具体按以下几方面进行分类。

1.1按材料分类

目前比较常见的用于涨圈的材料一般为2#耐磨合金铸铁、稀土球铁B2、锡青铜、高温合金等。

1.2按结构分类

高温合金涨圈普遍以内径为定位基准，自由状态开口折叠，可统称为内封严涨圈。其检验控制要点主要为径向壁厚、自由状态开口及装配状态下的内径尺寸。

其余涨圈一般以外径为定位基准，自由状态为开口，可统称为外封严涨圈。其检验控制要点主要为径向壁厚、弹力及装配状态下的外径尺寸。

1.2按开口形状分类

开口形状一般有普通“一”字型开口、“Z”字型开口、“S”型开口。

“一”字型开口一般采用线切割、慢走丝、卧铣等方法加工；“Z”字型开口分为线切割和铣工两种加工方式，一般小型涨圈采用铣工加工，大型涨圈采用线切割加工；“S”型开口一般采用慢走丝加工。

为满足涨圈弹力要求，需要将涨圈进行热固定处理，处理后的开口无法直接测量。所以涨圈的开口一般都会选择在机床测量，或者用样圈将其恢复至装配状态再测量。测量工具为常用的数显卡尺、塞尺等。

2涨圈的主要加工路线

涨圈的主要工艺路线有：粗车内外径--切断—粗磨平面—粗磨内外径—热固定—精磨内外径—精磨平面—钳工校口。

不同结构涨圈加工路线也不相同，但其核心方法都是反复加工内径、外径、平面，少量多次去除加工余量，并保证其核心尺寸在最终形成。

3涨圈加工过程中存在的主要问题及解决方法

3.1中小型稀土球铁类涨圈

存在的主要问题有以下几种：1）该涨圈材料为稀土球铁B2，硬度高，耐磨性高， 且涨圈属于薄壁件，在磨削时，受磨削力和磨削热的影响，导致零件易变形，透光超差；2）该材料具有高硬度和较高的热强度，切削时连续工作时间长，容易出现工装磨损严重等问题；3）磨外径涨圈用夹具心轴螺杆部分直径小，且螺纹牙型间距大，用螺母拧紧时螺杆易弯曲，使两顶尖孔不在同一轴线造成零件径向跳动大、局部外径磨不起来。

该类型涨圈主要从以下两个方面改进：1） 定制SA60J单晶刚玉砂轮代替原有的WA70K砂轮，该砂轮硬度略低、粒度略低，相比之下能够减少磨削变形烧伤；2）重新设计夹具，将心轴和套筒各个尺寸加以改进使其配合更加紧密，将粗牙螺纹改为细牙螺纹、尽可能加大螺杆直径，以保证螺母拧紧时，两顶尖孔在同一轴线上，保证加工时，各部分都能够磨削起来。

3.2中型锡青铜类涨圈

该涨圈为铸造锡青铜材料，硬度较高，脆性较大。原加工工序采用车工车倒角，主要存在以下问题：1）材料为铸造锡青铜，脆性较大，用车工加工抗力大，加工后会使表面出现像震纹形状的缺陷，使表面密布像砂眼似的小缺陷；2）车倒角时，采用45°成型倒角刀直接加工成型，该倒角刀会使整个刀面宽度与待加工零件倒角接触，接触面积大，同样会出现切削抗力大，出现表面金属屑掉落现象。

该类涨圈因为车削抗力大，可增加磨倒角工序，将倒角分为两部分进行加工，具体加工要求如下：1）先采用车工去除大部分量，留0.1～0.2mm余量；2）然后采用磨工加工剩下部分余量，将砂轮磨成45度倒角，一次去除余量0.1～0.2，可保证涨圈倒角一次加工成型；3）用该方法加工后，磨工加工1件涨圈的两面倒角只需1分钟，可保证加工效率不降低；4）用新方法加工后，外观问题的报废率降低40%。

3.3大型2#耐磨合金铸铁类涨圈

2#耐磨合金铸件：指高硬度、在一定的磨损条件下具有高耐磨性的铸铁。其组织具有均匀的高硬度和耐磨性。存在的主要问题是：磨削完外径的涨圈与内磨夹具的内径贴合度不够，存在间隙，当零件装在夹具内被夹紧后，间隙不会被消除，同时材料难加工。因此在磨削过程中，有间隙的部位内壁会被磨薄，导致局部超差。

该类涨圈主要从以下方面进行改进：1）在零件外径与夹具内径配合间隙较大时，采用挂胶的形式，即用金属胶均匀的涂在内磨夹具的内径处，然后在内圆磨床上磨削挂胶的内孔，使零件与夹具配合紧密；2）当配合间隙不是很大时，利用在涨圈开口处夹塞片的形式，增加涨圈的撑力，从而保证涨圈的外径与夹具紧密贴合。

3.4高温合金内封严薄壁涨圈

高温合金内封严薄壁涨圈存在的主要问题是,材料硬度大、难加工,对于加工过程中使用的车刀、磨削砂轮的选择具有很高的要求；热处理参数确定难度大，高温合金本身的固溶时效温度为1120℃±10℃，需选用合适的热固定参数及工装以保证其开口尺寸；薄壁易变形，需要定制多套专用工装，配合加工，同时加工过程中变形量难控制，需要多次试验摸索加工参数。

加工过程中，通过调整优化加工工艺路线、加工参数，摸索新的加工方法等，摸索出该类型涨圈的加工过程参数和变形控制方法，但提高其加工稳定性和合格率一直是该类型涨圈应该研究的方向。同时可将该加工工艺方法推广和应用到其他所有高温合金类产品中，用于提高零件合格率。

4涨圈类零件的检验方法

4.1产品检测设备

弹力检验：弹力秤（测量时需将压力换算成千克力）。

透光检验：样圈，塞尺（此项检验主要目视检查透光缝隙，需一定检验经验）。

挠曲度检验：自制的宽度工装；压力工装，百分表。

4.2产品检验方法

1.弹力检验

图样要求“在箭头Q2方向加负荷压缩涨圈至锁扣间隙为0.3～0.6时弹力为19.6～24.5N”为弹力检验。

由于该工装为自制工装，为校验其正确性，将涨圈的UG模型倒入ANSYS中计算在达到19.6N力时涨圈的自由状态开口间隙。在分析中做了一些简化，将整体的涨圈切剩一半，用一半的模型来做分析。

材料参数：

——弹性模量：E=159GPa；

——断裂极限： 600MPa。

在涨圈中间位置加载19.6N的力，计算涨圈开口端面的X方向位移情况，如图1所示，其内径的位移为12.873mm，即涨圈的自由开口为25.8mm。

图1

查看涨圈的设计图样，涨圈自由状态开口调整为26±1mm进行热固定，所以自制工装测量结果、实际加工情况和设计要求基本相符。涨圈的自由状态开口大于满足强度要求需要的开口，所以能够满足工作要求。

2.透光检验

图样要求“零件在Φ328.8.8的样圈中检查面密接度50%长度上不大于0.02，其余长度允许透光不大于0.03。”为透光检查。具体如图2。

图2

3.翘曲度检验

在图样中对于涨圈类翘曲度要求主要有2种，具体检验方法为：

（1）“在不大于0.3MPa均匀载荷下检查端面不平度不大于0.05，端面不允许中凹”。具体如图3。

图3

（2）“涨圈在本身重量作用下应自由通过宽度不大于2.03的间隙”。具体如图4。

图4

结束语：

涨圈的加工及检验方法研究是一个专业性较强的方向，本文对于该类零件的加工及检验，提供一个基础性的论述。

参考文献：

【1】陈宏钧  机械加工工艺手册[M].北京：机械工业出版社

【2】尹建山  机械产品检验工[M].北京：机械工业出版社，2016