（机械工程专业论文）提高涡轮增压器密封环成品率的工艺改进及修口专机研制.pdf

捅要 密封环是机械领域应用广泛的一种零件，几乎在每一台机械设备上都有密 封环的存在。本文需要研究的涡轮增压器密封环是涡轮增压器中重要的零部件 之一，它存在于增压器的涡轮端和压气机端，主要作用是封气和封油，其质量 好坏直接影响到涡轮增压器的使用寿命。 本文研究的密封环是在常温常压下进行加工的，其工作条件是高温高压， 其技术要求的提出也是建立在受压缩的高温高压的情况下。因此如何保证密封 环符合技术要求就成了一件比较困难的事情。目前国内增压器密封环的生产工 艺比较陈旧，生产成品率普遍不高。以某企业生产情况为例，密封环的成品率 只有8 0 左右，剩下的次品报废或者进行人工修磨，费时费力且人工修磨的成 功率也并不高。 本文重点分析密封环装配到增压器后的侧向间隙和开口间隙，讨论对上述 两种间隙有影响的因素，进而对现有的加工工艺进行了改进，能够使密封环的 加工成品率有一定的提升。 为检验加工后的密封环是否符合技术要求，并能快速分拣出成品、可修磨 品和废品，本文利用c c d 测量技术的原理，设计出了一套在自然状态下密封环 开口最小值的自动检测方案，能够自动测量出自然状态下密封环的最小开口值。 尽管密封环的成品率有一定提高，但为了进二步减小报废率，本文提出了 一套对可修磨开口的密封环修口的专用机床总体方案，代替原先的人工修磨， 从而提高生产效率、降低加工成本。 本文的创新之处在于： ( 1 ) 优化了现有的密封环加工工艺。 ( 2 ) 设计出自动检测密封环开口最小值的方案，自动快速分拣出成品、可 修磨品和废品。 ( 3 ) 提出密封环修口专机总体方案，能够进一步提高密封环的成品率。 本论文的研究内容对国内现有的密封环生产现状具有实用价值，具有较强 的可应用性。 专机 关键词：涡轮增压器密封环，开口间隙、侧向间隙、c c d 测量技术、修口 a b s t r a c t s e a l i n gr i n g sa r ew i d e l yu s e di nt h em e c h a n i c a lf i e l d ，t h e ya p p e a ri nn e a r l y e v e r ys i n g l em a c h i n e t h et u r b o c h a r g e r ss e a l i n gr i n gw es t u d i e di nt h i st h e s i si so n e o ft h em o s ti m p o r t a n tp a r t si nt h et u r b o c h a r g e r i te x i s t si nt h ec h a r g e r sp a r ta n dt h e c o m p r e s s o r sp a r t t h ef u n c t i o no f t h et u r b o c h a r g e r ss e a l i n gr i n gi st op r e v e n tt h e g a sa n dt h eo i lf r o ml e a k i n g t h eq u a l i t yo f t h et u r b o c h a r g e r ss e a l i n gr i n gc a n d i r e c t l ya f f e c tt h et u r b o c h a r g e r ss e r v i c el i f e t h es e a l i n gr i n gw es t u d i e di nt h i st h e s i si sp r o d u c e du n d e rt h ec o n d i t i o no f n o r m a lp r e s s u r ea n d t e m p e r a t u r e ，b u ti tw o r k si nt h ec o n d i t i o no fh i g hp r e s s u r ea n d t e m p e r a t u r e ，s ot h et e c h n i c a lr e q u r i e m e n t sa r ea l s ob a s e do nt h ec o n d i t i o no fh i g , h p r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r e h o wt oa s s u r et h eq u a l i t yo ft h es e a l i n gr i n gi sq u i t ea d i f f i c u l tp r o b l e m a tp r e s e n t , t h ed o m e s t i cp r o c e s s i n gt e c h n i q u eo ft h es e a l i n gr i n gi s o u to fd a t e ，t h er a t e so ft h ef i n i s h e dp r o d u c ti sg e n e r a l l yn o t h i g h t a k ea 1 1e x a m p l eo f ac e r t a i nf a c t o r y ，t h er a t e so ft h eq u a l i f i e dp r o d u c t si so n l ya b o u t8 0 ，t h ed e f e c t i v e o n e sa r et h r o w na w a yo rt ob er e p a i r e db yt h ew o r k e r s t h et h e s i sa n a l y z e dt h es i d ed i r e c t i o nc l e a r a n c ea n dt h eg a pc l e a r a n c eo ft h e s e a l i n gr i n gu n d e rt h ew o r k i n gc o n d i t i o n , t h e nd i s c u s s e dt h ef a c t o r st h a ti n f l u e n c e t h e t w oc l e a r a n c e s ，a n dt h e ni m p r o v e dt h ee x i s t i n gp r o c e s s i n gt e c h n i q u ei no r d e rt o e n h a n c et h er a t e so ft h ef i n i s h e dp r o d u c t s i no r d e rt oc h e c kw h e t h e rt h es e a l i n gr i n g sa l e q u a l i f i e do rn o t , w eh a v et of i n da s o l u t i o nt oq u i c l ( 1 ys e p a r a t et h es e a l i n gr i n g si n t ot h eq u a l i f i e d 、t ob er e p a i r e da n d d i s q u a l i f i e d w cd e s i g n e dap l a nt oa u t o m a t i c a l l yd e t e c tt h em i n i m u mg a pc l e a r a n c e o ft h es e a l i n gr i n g su n d e rt h en a t u r es t a t e t h o u g hm o r es e a l i n gr i n g sa r eq u a l i f i e d , i no r d e rt om a k et h er a t e so ft h e d i s q u a l i f i e dl o w e r , t h i st h e s i sc a m eu p 、 r i t l lag e n e r a lp l a no fas p e c i f i e dm a c h i n et o o l t or e p a i rt h es e a l i n gr i n g sg a pt ot a k ep l a c eo ft h em a n u a lr e p a i r t h e r ea l e3i n n o v a t i v ep o i n t si nt h i st h e s i s ： ( 1 ) i m p r o v e d t h ee x i s t i n gp r o c e s s i n gt e c h n i q u eo ft h et u r b o c h a r g e r ss e a l i n g r i n g n ( 2 ) d e s i g n e dap l a nt od e c t e c tt h em i n i m u mg a pc l e a r a n c eo ft h es e a l i n gr i n g s ， a u t o m a t i c a l l ys e p a r a t et h es e a l i n gr i n g si n t ot h eq u a l i f i e d 、t ob er e p a i r e da n d d i s q u a l i f i e d ( 3 ) d e s i g n e dag e n e r a lp l a no fas p e c i f i e dm a c h i n et o o lt or e p a i rt h es e a l i n g r i n g sg a pt ot a k ep l a c eo ft h em a n u a lr e p a i r t h ec o n t e n to f t h i st h e s i si sh e l p f u lf o rt h ed o m e s t i cp r o d u c eo ft h e t u r b o c h a r g e r ss e a l i n gr i n g s k e y w o r d s ：t u r b o c h a r g e r ss e a l i n gr i n g ，g a pc l e a r a n c e ，s i d ed i r e c t i o nc l e a r a n c e ，c c d ， g a pr e p a i r i n gm a c h i n et o o l m 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究目的和意义 第1 章绪论 汽车制造业是我国的一项支柱产业，我国在数年前就已达汽车产量千万辆 以上，汽车已经成为大众的代步工具、运输工具，随着人们对汽车运动性能和 运输能力、燃油经济性能的要求的提升，带有涡轮增压器的汽车越来越受到人 们的青睐，并且在欧美国家得到了广泛的推广，带有涡轮增压器的汽车在国内 也得到普遍的认可【3 】。在我国，涡轮增压器的产业已经进行了几十年的发展， 形成了相当大的规模，但其产品的可靠性一直存在着比较大的问题，导致很难 与国外品牌进行竞争。目前，我国的涡轮增压器的可靠性问题主要表现在机油 泄漏上，而导致机油泄露的很大一部分原因可以归结为国产涡轮增压器密封环 的可靠性不高。 密封环是一种有这开口的弹性圆环，在动力换档变速器、液力变速器和液 力偶合器的密封装置中经常用到1 6 】。密封环本身存在的弹力而使其外圆端面紧 贴壳体，紧贴壳体产生的摩擦使密封环的外圆端面与壳体间无相对运动。涨圈 密封是一种端面接触密封型式。涨圈两侧的介质压差使密封环贴紧在环座槽的 侧面上，构成了阻碍介质泄漏的主要密封摩擦面：密封环依靠自身的弹力贴紧 在密封腔体的内表面上，与腔体内表面紧密贴合构成了阻碍介质泄漏的次要密 封界面。 本文针对我国某公司涡轮增压器密封环生产成品率不高的现状，对其现有 工艺进行分析。在现行工艺下生产的涡轮增压器密封环的成品率约为百分之八 十，主要表现出的问题是开口尺寸离散度较大，导致部分产品最终装配到涡轮 增压器里后的开口尺寸达不到所要求的0 0 5 r a m 0 1 0 m m 。另外，因为生产过程 中的工艺缺陷等问题，导致最终装配到涡轮增压器里后的密封环内应力分布不 均，与增压器内孔呈现多点接触，而不是理想状态的面面接触，从而导致装配 后出现较大的侧向侧隙。本文研究的重点就是解决密封环成品率不高的问题， 首先分析现行工艺并对其进行改进，其次是研究密封环开口尺寸的自动检测问 题，并对不合格但可修复密封环提出修磨工艺方案。 本文研究内容有助于提高国产涡轮增压器密封环的生产成品率，改善其密 武汉理工大学硕士学位论文 封性能，有助于以后国产涡轮增压器、发动机向着更高的技术品质发展。 1 2 本课题国内外研究现状分析 早在1 9 0 5 年，瑞士工程师a l f r e db u c h i 就申请了废气涡轮增压技术专利， 并且在1 9 1 5 年提出了在柴油机上应用废气涡轮增压这一技术的构想。 第一次应用涡轮增压技术的是一个名法国人a u g u s t er a t e a u 的法国人，他 在一战期间将加挂了增压器的雷诺发动机安装在一些战斗机上。 第一款量产的涡轮增压小客车是通用汽车的1 9 6 0 款c u t l a s s 。 第一款带有泄压阀的涡轮增压发动机由瑞典公司萨博在1 9 7 6 年生产。 经过了上百年的发展，国外的涡轮增压技术已经日趋成熟，而国内的涡轮 增压器的研制，在近几十年中，从无到有，也是发展迅速，但相对于外国的成 熟产品来说，特别是美国、德国等早已广泛应用涡轮增压技术的国家来说仍有 较大差距，就密封环的性能来说，国内密封环的机械性能、成品率和使用寿命 相对于国外水平，仍有很大差距。主要存在的问题是机械加工和热处理导致的 密封环的内应力分布不均、加工精度不高，致使最终产品在增压器中装配后呈 现椭圆形状，而不是预期的圆形，密封环最终装配后与涡轮增压器的内壁呈多 点接触，而不是面接触，最终导致密封环的密封性能不理想，出现较多的废品。 在对密封环的开口检测问题中，本文应用到了c c d 成像技术对密封环的自 由状态下的开口进行检测，1 9 6 9 年美国贝尔实验室的博伊尔( w i l l a r ds b o y l e ) 和乔治史密斯( g e o r g ee s m i t h ) 成功研制出c c d 技术。当时他们正致力于研 制视频电话和半导体气泡式内存，于是将这两种新科技结合使用后，博伊尔和 史密斯发明出了一种新型的装置，他们将其命名为“电荷气泡元件”( c h a r g e ”b u b b l e ”d e v i c e s ) 。此种新型装置有一种特殊的物理特性，它能在半导体的表 面进行电荷的传输，于是博伊尔和史密斯试着将这种元件应用于数据记录，但 是在研究的初期只能通过“输入”电荷的方法来进行对数据的记忆。但是随后人 们发现光电效应能在这种元件的表面生生电荷，从而形成数字影像。7 0 年代时， 贝尔实验室的科研人员开始能够使用简单设备捕捉图像，这就标志着c c d 技术 从此问世。在此之后多家大型公司根据这一新型技术，开始进行面向民用领域 的研究。其中快捷半导体( f a i r c h i l ds e m i c o n d u c t o r ) 公司的产品首先投放市场， 他们于1 9 7 4 年生产出5 0 0 单元的线性装置和l o o x l 0 0 像素的平面装置。 从c c d 诞生到如今的四十多年时间里，c c d 的理论和其实际应用都有了 2 武汉理工大学硕士学位论文 巨大的发展，尤其在图像传感和非接触测量方面的进步尤其突出。可以预知， 随着当今和未来c c d 技术的不断进步，其应用的范围必然会越来越广阔，其重 要性也必然会越来越大。c c d 是由某些具有感光性的半导体材料制成的，它可 以产生电荷信号，而这些电荷信号是由照射在c c d 表面的光引起，不同的光线 可以产生不同的电荷信号，这些电荷信号经过模数转换器的处理变换成o 或l 的数字信号，这种0 和1 的数字信号通过随后的程序化处理后，可将信号存入 计算机的闪存或硬盘中，此时的光信号已经转化成了计算机可以处理的数字信 号，就可以对被拍摄的目标进行数字化的测量。 目前的c c d 多作为感光元件进行应用，其广泛应用在数码相机、扫瞄仪及 摄像机中。c c d 制成的感光元件的光效率可高达百分之七十( 可捕获到百分之 七十的入射光) ，明显高于只有百分之二光效率的菲林底片，因此c c d 技术在 天文学领域被天文学家所广泛使用。在数码相机产品方面，c c d 更是被普及应 用，通常数码相机的c c d 芯片中安装有拜尔滤镜( b a y e rf i l t e r ) ，拜耳滤镜的 每一个单元都是由四个像素组成的，其中的一个像素起到过滤红色的作用，还 有一个负责过滤蓝色，因为人的眼睛对绿色的感知最敏感，所以单独用两个像 素来过滤绿色。 现有一种更为先进的3 c c d 系统，这种系统能将采集到的色彩分得更好， 它是由三片c c d 芯片和分光棱镜组成，其中的分光棱镜的作用是把捕获到的光 分解成红、蓝、绿三色，这三种色光分别由三片c c d 中的一片来负责成像。目 前几乎所有的专业相机和部份半专业相机都应用了这种3 c c d 技术。但如今的 超高分辨率的c c d 芯片价格仍然相当高。 分拣出可以修口的密封环、报废的密封环和合格的密封环后，为了将可修 口的密封环进行修口加工，进一步提高成品率，国内的生产企业都采用人工修 口。具体为熟练的操作工夹持密封环，将密封环的开口用磨片进行磨削，磨几 下重新检测一下开口，如尺寸还未达到设计要求则重新磨削，反复几次直到密 封环开口符合设计要求。但由于现有密封环的成品率只有百分之八十左右，仍 有大量次品密封环需要进行人工修口，在工厂的生产现场就能看到很多专门负 责密封环修口的工人，此种方法费时费力，给工厂涡轮增压器密封环的大批量 快速生产带来了很大的影响。为此，这些涡轮增压器密封环生产企业尝试进行 密封环修口专机的研制，但由于存在以下问题，专机的研制存在很大的困难： ( 1 ) 密封环在自由状态下是一个带有缺口的不规则椭圆圆环，难以进行准 确的定位。 3 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 无论在密封环的自由状态下还是工作状态下，密封环的开口都很小， 需要选取合适的加工工艺。 ( 3 ) 无论用密封环的外圈还是内圈进行定位夹紧，都会对密封环的开口大 小造成一定程度的影响。所以定位夹紧的方案需要进行特别的设计。 ( 4 ) 由于在密封环加工过程和热处理过程出现的加工误差和内应力等因 素，导致密封环的自由状态下的开口和工作状态下的开口值并没有完全的对应 关系，即密封环的修口余量难以确定。 ( 5 ) 根据密封环的技术要求可知，密封环在直径为1 0 m m 的环规中，密封 环的开口应当在0 0 5 - 4 ) 1 0 m m 之间，整个定位夹紧方案的精度要求极高。 综上，涡轮增压器密封环修口专机的研制存在着很多困难，而在国外有着 先进制造技术的国家，由于采用了更好的密封环加工工艺方案，密封环的成品 率比国内高很多，没有查阅到关于密封环修口专机的相关资料。 1 3 课题主要研究内容 本课题旨在解决涡轮增压器密封环的成品率不高的问题，则提高成品率所 涉及的工艺改进、可修口密封环的分拣以及可修口密封环的修磨都是需要进行 研究的，具体的研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 找出对涡轮增压器密封环密封性能有影响的因素及参数，分析这些因 素和参数对密封性能的影响程度，从而能够更合理的进行工艺调整。 ( 2 ) 设计两套检测方案，分别为激光测量方案和c c d 测量方案，根据密 封环自由状态下或工作状态下的开口值，分拣出可以修口的密封环、报废的密 封环和合格的密封环。进行方案对比，最终确定选取c c d 测量方案，将得到的 图像进行一系列数字化处理，最终得到想要得到的特征点，运用数学的方法对 特征点进行运算处理，得到密封环的最小开口值，并根据这个最小开口值自动 将密封环分拣为废品、成品和可修磨品。 ( 3 ) 提出可行的修口专机总体方案。主要包括提出恰当的修口工艺，设计 出合适的定位夹紧方案，计算出修口加工余量。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章密封环加工工艺及存在的问题 2 1 涡轮增压器密封环的作用 在涡轮增压器内的的涡轮端和压气机端都安装有密封环，主要作用是封气 和封油。封气在于防止压气机端和涡轮端的气体向轴承腔内泄漏；封油是防止 涡轮增压器腔内的机油向压气机和涡轮流道内泄漏。如果机油的密封性能不强 不仅会造成机油的消耗量增加，还会降低增压器和发动机的性能，严重时会造 成增压器损坏或不能正常工作。 1 ! 三j j 佟 嚼 呈 c 霹 五 每o 。 ) 8 博 匕才cc 婚i l ：0 蚝1 】4 础o ， 参 q 椤 z 二 f 卜 暑。 |耋 7 ，i 图2 1 本文要研究的密封环的零件图 2 2 密封环的技术要求 此次研究的涡轮增压器密封环的具体技术要求如下。 ( 1 ) 自由开口尺寸1 2 1 8 m m 。 ( 2 ) 热处理硬度：h v 3 6 0 - - - 4 4 0 。 5 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 外径与o1 0 0 + 0 0 0 2 环规密合处不超过1 5 透光，径向透光间隙不 超过o 0 2 5 m m ，间断针状光点及漫射可以接受。 ( 4 ) 去毛刺，钝边倒钝。 ( 5 ) 切向力2 5 5 5 n 。 ( 6 ) 表面不允许有裂纹等缺陷。 ( 7 ) 在直径为o i 0 的芯棒上划过，残余变形量不超过0 3 r a m 。 2 3 现有的密封环加工工艺流程 从棒料毛坯到成品密封环的现有加工工艺流程如下： ( 1 ) 在车床上对棒料毛坯外圆进行粗车。 ( 2 ) 精车外圆。 ( 3 ) 在车床上进行钻中心孔。 ( 4 ) 在车床上扩中心孔。 ( 5 ) 线切割开口。 ( 6 ) 插入插片，进行定型热处理。 ( 7 ) 线切割切片。 ( 8 ) 对密封环进行淬火处理。 ( 9 ) 在磨床上磨外圆。 ( 1 0 ) 平面磨床上进行磨端面。 2 4 现有密封环的问题 加工后的密封环成品率不高，大约在百分之八十左右，具体问题表现如图 2 2 ，密封环与a1 0 0 0 0 0 2 环规密合后，出现圆周向间隙和开口处的径向间隙， 这两种间隙都对密封环的密封性能带来较大影响；此外密封环在装配到涡轮增 压器后的开口尺寸原本设计为0 0 5 - 0 1 0 m m ，而上述两种间隙的出现使得装配 后的开口尺寸小于设计尺寸。密封环工作时受热膨胀，开口处可能会出现接触 干涉导致密封环的变形，这种变形无论是对密封环的密封性能还是对密封环的 使用寿命都有很大影响。 6 武汉理工大学硕士学位论文 八 图2 2 密封环与增压器内壁的实际接触图 工厂中为减小废品率，对加工后的产品进行检测，开口大于规定范围的密 封环报废，开口小于规定范围的密封环用砂轮片进行人工修口，但是人工修口 无论在效率还是成功率上都比较低，无形中增加了厂家的成本。 经过分析可知，生产过程中的工艺缺陷导致最终装配到涡轮增压器后的密 封环或因为内应力分布不均，或因为形状精度、尺寸精度不够，导致与增压器 内壁呈现多点接触，而不是理论分析所得出理想状态的面面接触，从而导致装 配后出现较大的圆周向间隙和开口处的径向侧隙。 2 5 本章小结 本章总体介绍了一下此次论文需要研究的涡轮增压器密封环，主要是它的 作用、技术要求以及工厂中现有的加工工艺流程，并指出在此加工条件下的密 封环出现的一些问题，引出下文的深入探讨。 7 、i、 武汉理工大学硕+ 学位论文 第3 章影响密封环成品率的相关因素分析 通过密封环的其中两点技术要求( 1 密封环外径与o1 0 0 0 0 0 2 环规密合处 不超过1 5 透光，径向透光间隙不超过0 0 2 5 r a m ，间断针状光点及漫射可以接 受。2 在0 1 0 0 m m 的环规中测量开口要求在o 0 5 0 1 0 m m 之间) 可知，在结构上 区分密封环为成品或者次品的主要依据为装配后的开口尺寸和侧向间隙的尺 寸，本章主要找出对这两个尺寸有影响的一些因素，并对这些因素的影响程度 进行分析。 3 1 装配后密封环开口尺寸影响因素分析 密封环成品率不高的其中一个原因是开口尺寸离散度较大，因为密封环在 理想状态下是与增压器内壁紧密贴合的，可以认为装配后的密封环的开口尺寸 理论上等于线切割开口的尺寸，所以线切割开口直接影响装配后的开口尺寸。 涡轮增压器密封环装配于直径为1 0 m m 的增压器内孔中，由于开口尺寸小，可以 近似理解为开口尺寸等于线切割的尺寸【8 】。则开口的尺寸计算公式： 彳= 万d c 上式中：彳开口尺寸，m i l l ； d 密封环直径，姗； c 密封环周长，舢。 由上式可知，如果要想使a 能控制在尺寸要求的范围之内，就必须要严格 控制d 以及c 的误差，根据密封环的技术要求，此密封环在压紧的工作状态下 开口的间隙公差为0 0 5 m m ，可知： a a = 拙一a c 上式中：鲋密封环开口间隙公差，姗； a d 密封环外径的变化量，l l l m ； a c 密封环周长的变化量，咖。 要想使鲋能够小于0 0 5 m ，则应当控制a d 和a c 。但是在实际生产加工 过程当中想要保持如此的精度却是非常困难的，这不仅要求理想的加工工艺， 此外还有很多因素影响c 和d 的精度，这就要求综合考虑很多相关因素。比如 在密封环的加工中产生的毛刺和热处理中产生的氧化皮都对密封环的成品率有 8 武汉理工大学硕士学位论文 比较大的影响。另外工人的心情、工作的熟练程度以及工作环境等客观因素同 样能够影响密封环的最终成品率f 9 1 。 下边用理论或者用有限元软件来分析上述几个主要的因素对成品率的影 响。 3 1 1 线切割开口尺寸的影响 在理论情况下，密封环与涡轮增压器内壁是紧密的面面接触，其接触示意 图如下： 图3 1 密封环与增压器内壁的理论接触图 图3 2 开口处放大图 在理论情况下，密封环是与涡轮增压器内壁紧密接触的，开口处间隙即为 线切割开口时的尺寸值，而实际要求装配后的开口值为o 0 5 0 i o t a 之间，则 线切割开口也应该在这个范围内，具体的取值区间结合下文进行讨论。 9 武汉理工大学硕士学位论文 3 1 2 直径的加工精度对开口尺寸的影响 由公式a a = z a d a c 可以知道，密封环的开口尺寸的变化受密封环的直径 和周长的变化影响，如果能先保证密封环的周长尺寸的稳定性，直径的波动就 成为影响开口尺寸的最主要的因素。假设a c 为0 ，要想使a , 4 控制在0 0 5 r a m 之 内，必须使a d 控制在0 0 1 6 n 叫n 之内；但是实际情况下a c 不可能等于o ，则必 须在机床加工精度范围内严格限定密封环的直径加工误差，把a d 设定为 0 0 0 5 r a m ，从而控制密封环开口间隙公差。 3 1 3 毛刺对开口尺寸的影响 图3 3 毛刺对密封环装配的影响 如上图所示，如果密封环的外表面存在毛刺，则对密封环的密封性能有很 大影响。毛刺的出现不仅使装配后的密封环开口变小，还导致侧向间隙的出现， 在某些情况下还能使密封环的开口两侧接触到一起，此种情况下不仅影响密封 环的密封效果，更会使密封环的使用寿命大大降低阴。 3 2 装配后密封环侧向间隙影响因素分析 装配后的侧向间隙主要是线切割开口和定型热处理中的涨开的开口尺寸综 合影响的。下边利用有限元分析软件a n s y s 来模拟分析a1 0 的密封环装配到 o1 0 的增压器内壁的接触情况。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 a n s y s 是一款大型的有限元分析软件，有着结构、流体、声场等多个分析 模块。是现代产品设计中的高级c a e 工具之一。 下边运用a n s y s 做的分析主要的难点在于进行接触分析，当两个分离的 表面互相碰触并共切时，我们就称它们处于接触状态。接触状态的表面有下列 特点： ( 1 ) 不互相渗透。 ( 2 ) 能够互相传递法向压力和切向摩擦力。 ( 3 ) 通常不传递法向拉力。 接触分类：刚性体和柔性体的接触、柔性体和柔性体的接触。对于刚形体 和柔性体之间的接触，潜在的接触面中的一个或者几个接触面相对于其它接触 面来说刚度要大很多，我们将这些不容易产生变形的接触面称为刚形体，相应 的那些在接触过程中容易产生变形的接触面我们称之为柔性体，通常来说，大 多数的金属成形过程可以假设为刚形体和柔性体的接触。相对于刚形体和柔性 体的接触，柔性体和柔性体的接触就更为普遍，在这种情况下，几个具有相似 刚度的物体被视为柔性体进行接触。接触问题通常都属于高度非线性的分析， 进行有限元分析时通常都需要占用大量的计算机内存和存储空间。为了更快更 准确的进行接触分析，分析接触情况的特性和构建恰当的接触分析模型都显得 尤其重要。下边所做的分析中，套筒可认为是刚体，在接触中几乎不会变形， 而密封环可作为柔体，接触中会出现较大变形1 2 0 】。 在接触分析过程当中通常有两个难以回避的问题：首先，在求解问题之前， 研究人员一般来说并不清楚具体的存在接触的表面。伴随着载荷、边界条件或 者其他条件的变化，物体的单元面之间可能接触也可能分开，这在求解成功之 前是一种难以预料的未知状态。其二，几乎所有的接触分析都需要考虑摩擦力 的存在，而现有存在的几种摩擦定律都是非线性的，这种非线性的模型使得接 触分析的收敛有时比较困难。 a n s y s 里的具体接触方式有以下几种t ( 1 ) 点与点的接触，( 2 ) 点与面的 接触，( 3 ) 面与面的接触。以上的每一种方式在a n s y s 里都有对应的单元集 合，且每一种方式都应当在某些特定的接触分析中使用。在进行具体接触分析 时应当对所要分析的例子进行建模，则要先预判所要分析的物体中哪些点或者 面之间会形成相互接触。如果形成接触的是其中的一个或几个点，则接触模型 对应一个或者几个节点。如果形成接触的是其中的一个或几个面，则接触模型 对应的是一个或几个单元。下边所做的分析中，密封环与套筒的接触可以看做 武汉理工大学硕士学位论文 是面_ - 面接触。 经过上文分析，可将密封环与套筒的接触问题作为一种刚懈体的面一面 接触，查看a n s y se l e m e n t sr e f e r e n c e ) ) ，使用t a r g e l 6 9 单元来模拟2 d 目 标面，选取c o n t a l7 2 单元来模拟接触面【列。 t a r g e l 6 9 和接触单元c o n t a l 7 1 和c o n t a l7 2 联用，代表二维“目标 面。接触单元位于实体单元的表面上，有一定的概率接触到用单元t a r g e l 6 9 模拟的目标面，而这个目标面是由多个目标单元( t a r g e l 6 9 ) 组成。目标单 元上可以施加的载荷有力和力矩，也可以施加位移或者旋转位移。 c o n t a l 7 2 用于表示二维“目标 面( t a r g e l 6 9 ) 和本单元所定义的变 形面之间的接触和滑移状态。此单元的每一个节点有两个自由度：节点坐标系 的x 、y 方向的平动。本单元位于有中间节点的二维实体单元( p l a n e 2 、 p l a n e l 8 3 、h y p e r 7 4 、p l a n e 8 2 、h y p e r 8 4 ( k e y o p t ( 1 ) = 1 ) 、v i s c 0 8 8 、 v i s c 0 1 0 8 、p l a n e 3 5 、p l a n e 7 7 或m a t x 5 0 ) 表面，并与其依附的实体单 元面有相同的几何特性。当单元表面穿透指定目标表面上的目标单元 ( t a r g e l 6 9 ) 时，接触状态开始。本单元允许处理库仑摩擦和剪应力摩擦状 态。 下边进行具体的分析： 首先选取密封环的单元为p l a n e 4 2 。p l a n e 4 2 用于建立二维实体结构模 型。该单元既能用作平面单元( 平面应力或平面应变) ，也能用作轴对称单元。 弹性模量选取为1 9 8 e l l p a ，泊松比为0 3 。 绘制外径为5 m m ，内径为4 3 m m 的圆环。 图3 4 绘制圆环 绘制对角坐标为( 0 ，0 0 5 ) ，( 6 ，- 0 0 5 ) 的矩形。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 图3 5 绘制矩形 利用布尔减操作，用圆环减矩形，得到线切割开口。 图3 6 得到线切割开口 对密封环进行映射网格划分。 图3 7 划分网格 在密封环的开口两侧的内侧添加线位移，模拟密封环在插片的作用下涨开 开口。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 图3 8 施加约束 分析求解，得到涨开后的形状，和原先涨开前的形状进行比较。 i t ：妻蔫誊| ? 一 ， - 1 ”。0 妻量妻参i 图3 9 变形前后对比 此时的密封环的应力云图如下图，具体的结果与实际情况相符合。 图3 1 0 应力云图 用u p g e o m 命令，得到变形后的密封环各节点并保存。 1 4 扩熬 武汉理工大学硕士学位论文 图3 1 1 得到变形后节点 绘制内径为l o m m ，外径为2 0 m m 的套筒并进行网格划分，载入上一步得 到的密封环节点单元。 图3 1 2 绘制套筒 选取套筒的内表面节点制成一个集合，选取密封环外表面结点为另一个集 合，两个节点的集合设置为一对接触对，设置好各项接触分析参数为下边的接 触分析做准备。 图3 1 3 建立接触对 选取套筒的外表面的所有节点，限制这些节点的所有的自由度，此时接触 武汉理工大学硕士学位论文 分析的边界条件已经全部确定。 图3 1 4 建立约束 进行接触分析，得到密封环装配到套筒后的形状。 图3 1 5 接触分析结果 开口处的放大图：可知装配后的密封环外壁与套筒的内径是紧密接触的， 理论情况下不存在侧向间隙，开口的大小也于线切割开口值完全一致。 图3 1 6 开口处放大图 查看密封环与套筒的接触应力，与实际情况相符，密封环开口的对侧的内 壁应力最大，密封环开口处附近无应力。而密封环在实际工作情况下受油压和 1 6 武汉理： 大学硕士学位论文 气压的影响出现应力，容易出现侧向问隙，侧向问隙的出现不仅使密封环装配 后的开口尺寸减小，更是影响密封环的密封作用。 图3 1 7 密封环应力云图一 密封环在0 1 0 的套筒中进行接触分析没有发现侧向间隙，但由于在开口处 无应力存在，装配后的实际工作状态下普遍存在侧向间隙。为方便分析侧向间 隙出现的难易程度，我们将同一个密封环放于内径为1 0 1 5 m m 的套筒中进行相 同的分析，下图为进行接触分析所得到的应力云图。 图3 1 8 密封环应力云图二 观察接触分析变形后的单元图形，放大开口处的图像如下，可知现在的密 封环与套筒的接触存在着比较明显的侧向间隙。测量最大侧向间隙的值为 o 0 1 2 m m 。 图3 1 9 开口处放大图 武汉理工大学硕士学位论文 再做一个在同一线切割开口条件下开口涨开为1 3 m m 的接触分析例子，分 析得出的侧向间隙要大于涨开开口为1 5 m m 的情况分析。由此可知，密封环装 配到直径为1 0 1 5 m m 的套筒的的侧向间隙大小是与定型热处理中的涨开开口大 小有关的，而这个侧向间隙的大小是与密封环的密封性能是有直接关系的。 3 3 本章小结 次品密封环的出现主要可以归结为装配后的开口尺寸和侧向间隙不符合要 求，本章即重点分析了对装配后的密封环的开口尺寸和侧向间隙有影响的因素， 对装配后密封环的开口尺寸有影响的因素有线切割开口尺寸、直径的加工精度 和毛刺等；对装配后密封环的侧向间隙有影响的因素有线切割开口尺寸和热处 理过程中的插片厚度。随后通过理论和有限元分析的方式对这些影响因素的影 响程度进行分析，为下一章的具体工艺改进做好准备。 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 第4 章密封环加工工艺改进 根据上一章对密封环成品率影响因素的分析，提出具体解决措施，并进行 可行性分析。 4 1 控制直径公差 由上一章的分析可知，理论的开口尺寸a = z r d c ，直径的变化对开口尺 寸有倍的影响，密封环在装配到涡轮增压器后的开口尺寸要求为 0 0 5 - - 0 1 0 r a m 之间，而原本密封环的直径要求为0 1 0 ；o 0 1h i m ，直径的上偏差 0 0 1 m m 可造成0 0 3 1 4 m m 的开口误差，已经很接近开口0 0 5 r a m 的公差范围， 综合考虑，为保险起见，将密封环的直径要求改为0 1 0 ；o 椰m i l l 。 4 2 控制毛刺 原本工艺流程中，有一道工艺为手工修毛刺。手工修毛刺不仅可能对毛刺 的锉修不够彻底，并且可能导致密封环的外圆不够均匀，有时还会造成密封环 的扭曲，这些都能影响密封环装配后的开口尺寸的一致性，降低密封环的成品 率。新工艺方案中考虑使用机床滚磨去毛刺，代替人工锉修，减少人的因素对 密封环成品率的干扰。 4 3 控制线切割开口和涨开开口尺寸 密封环属于精密机械元件，在设计及制造中对零件的几何形状和尺寸精度 有着严格的要求，其中的涨开开口尺寸即自然状态下的开口尺寸就是一个非常 重要的参数。密封环自由状态下开口值不能太小，否则无法套入轴上；也不能 太大，否则无论是在插入插片的定型热处理中还是装配到涡轮增压器中时，密 封环都会有较大的变形量，从而容易引起密封环的损坏。同时密封环自由状态 下开口值的大小又影响密封环外圈的涨力和摩擦力，开口值太小容易导致密封 环外圈打滑；太大引起外涨力过大，导致操作失效( 油推不动密封环圈，无法 形成密封) 。开口值的取值以越小越好为原则，外圈摩擦力可通过增加密封环厚 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 度来满足。密封环开口设计一般只设计装配后的开1 ：3 间隙值即冷间隙值，装配 冷间隙根据密封环工作状态下的热间隙并考虑密封环的热膨胀伸长量进行核 算，本文分析的冷间隙值是0 0 5 0 10 m m 。 由上一章的分析可知，线切割的开口和定型热处理中的涨开开口尺寸对装 配到涡轮增压器的密封环的开口尺寸和侧向间隙都有影响，下边运用有限元分 析软件a n s y s 做几组分析，选取一组合适的值，以便进行工艺改进。 参考上一章的分析过程，将几组密封环装配到内径为1 0 1 5 r a m 的套筒中进 行接触分析。 下表为线切割开口为0 0 8 n u n ，分别插入不同厚度的插片进行定型热处理后 装入直径为1 0 1 5 m m 的套筒分析得到的间隙值，其中当开口厚度为1 9 m m 时， 所做接触分析测量得的侧向间隙小到可以忽略不计。 一1：3 开口最小间隙开口最大间隙侧隙 开厚度( m 弧 1 30 4 6 9 8 00 5 1 2 5 60 0 1 7 1 5 0 4 4 5 8 4 0 4 8 6 8 2o 0 1 2 1 70 4 2 1 7 80 4 6 0 7 00 0 l 1 90 3 9 1 1 60 4 2 7 0 0 表4 1 线切割开口为0 0 8 m m 的分析情况 同样，线切割开口分别为0 0 9 m m ，o 1 0 m m ，0 1 l m m ，o 1 2 r a m 和0 1 3 m m 的 分析与上述过程相似。 一 开口最小间隙开口最大间隙侧隙 开口厚度( m 斋 1 30 5 0 0 9 00 5 4 3 6 20 0 1 8 1 50 4 8 1 8 0 0 5 2 3 3 4 0 0 1 5 1 70 4 5 6 2 00 4 9 5 5 4o o l l 1 90 4 2 6 2 2 0 4 6 2 6 0 表4 2 线切割开口为0 0 9 r a m 的分析情况 武汉理工大学硕士学位论文 = 1 3 开口最小间隙开口最大间隙侧隙 开厚度( m 浠人 1 3 0 5 3 5 5 00 5 7 8 5 8 0 0 1 3 1 5 0 5 1 5 3 2 0 5 5 7 1 20 0 0 8 5 1 70 4 9 0 4 20 5 3 0 1 60 0 0 6 1 9 0 4 6 1 1 80 4 9 8 0 6 _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ 一 表4 3 线切割开口为o 1 0 m m 的分析情况 开口厚度。m m m ) 开口最小间隙开口最大间隙侧隙 开口厚度( m 认 1 30 5 6 8 0 60 6 1 1 2 4o 0 1 5 1 5 0 5 4 8 6 80 5 9 0 7 2 0 0 i 1 70 5 2 4 5 40 5 6 4 6 20 0 0 6 1 90 4 9 5 9 80 5 3 3 3 6 表4 4 线切割开口为0 1 i m m 的分析情况 开口厚度。m m m m ) 开口最小间隙开口最大间隙侧隙 开口厚度( m 认 1 30 6 0 0 5 20 6 4 3 8 2 0 0 1 6 4 1 50 5 8 1 9 60 6 2 4 2 40 o l l 4 1 70 5 5 8 5 40 5 9 8 9 8 0 0 0 7 3 1 90 5 3 0 6 80 5 6 8 5 0 表4 5 线切割开口为0 1 2 r a m 的分析情况 一121 开口最小间隙开口最大间隙侧隙 开厚度( m 献 1 30 6 4 3 6