闕燚彬

(柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣西 柳州 545006)

0 引言

鋁合金是農(nóng)機(jī)輕量化的首選材料,一般農(nóng)機(jī)零部件采用壓鑄制造工藝,但普通的制造工藝會(huì)因?yàn)殇X液高速噴射造成孔洞類和氧化皮缺陷,從而導(dǎo)致無(wú)法通過(guò)熱處理提高零部件整理性能。為此,設(shè)計(jì)了一種鋁合金精煉裝置的關(guān)鍵密封結(jié)構(gòu),由石墨轉(zhuǎn)子與石墨轉(zhuǎn)軸組成。工作時(shí),石墨轉(zhuǎn)子的內(nèi)螺紋與石墨轉(zhuǎn)軸外螺紋聯(lián)結(jié),由石墨轉(zhuǎn)子的端面與石墨轉(zhuǎn)軸的端面組成密封結(jié)構(gòu),以實(shí)現(xiàn)軸向靜密封;鋁液除氣機(jī)運(yùn)行期間,石墨轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)石墨轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn),氣體熔劑(N2或Ar等)經(jīng)由轉(zhuǎn)子噴嘴噴入鋁熔體后,形成的微小氣泡尺寸螺旋上升,并帶走鋁熔體中的氫,從而去掉鋁熔體雜質(zhì),保證農(nóng)機(jī)零部件的質(zhì)量。

1 農(nóng)機(jī)機(jī)械輕量化

農(nóng)機(jī)輕量化包括以下兩種方法:①選用新型的輕量化制造材料;②采用先進(jìn)制造方法和工藝。就現(xiàn)狀而言,為了實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)輕量化,目前的研究主要集中在新型材料的生產(chǎn)工藝上,但往往這些材料的生產(chǎn)工藝要求很高,成本和保護(hù)環(huán)境也存在一定的問(wèn)題。因此,在設(shè)計(jì)時(shí)要對(duì)工藝、成本和環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化,從而滿足零部件生產(chǎn)性能。

解決農(nóng)機(jī)輕量化的關(guān)鍵是采用新型的輕量化制造材料,在農(nóng)業(yè)機(jī)械結(jié)構(gòu)中,如車身框架、座椅、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、懸架、車輪、底盤、內(nèi)飾和外飾等,都可以采用輕量化制造材料。輕量化材料主要包括鋁合金、鎂合金、高強(qiáng)度鋼和碳纖維等復(fù)合材料,采用輕量化的替代材料是比較有前景的輕量化技術(shù)。插秧機(jī)的鋁合金轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)如圖1所示。

圖1 插秧機(jī)的鋁合金轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)Fig.1 The aluminum alloy steering mechanism of rice transplanter

鋁合金是僅次于鋼材的機(jī)械設(shè)備零部件原材料,生產(chǎn)加工方法包括壓鑄、擠壓和壓延3種,這些工藝對(duì)鋁合金純度要求都較高,需要排出鋁熔體雜質(zhì),提高零部件產(chǎn)品質(zhì)量。為此,基于石墨材料設(shè)計(jì)了一種農(nóng)機(jī)輕量化所用鋁合金精煉裝置使用的關(guān)鍵密封結(jié)構(gòu),旨在通過(guò)石墨轉(zhuǎn)子與石墨轉(zhuǎn)軸密封結(jié)構(gòu)服役的可靠性直接影響鋁液除氣機(jī)的除氫效率。

2 石墨材料的組織、特性和工藝

石墨是一種晶體,在自然界中為一種鱗片狀,也被稱為鱗片石墨。粉末形狀的石墨比較難以使用,一般為了讓石墨保持原有的柔性特征,都是將石墨進(jìn)行氧化后,讓石墨間的“范德華”力被克服,并在其間插入易揮發(fā)的離子,使整個(gè)石墨重新排列。石墨微觀組織結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 石墨微觀組織結(jié)構(gòu)Fig.2 The microstructure of graphite

石墨具有質(zhì)地柔軟、壓縮回彈性良好的特征,可以代替石棉、橡膠、聚四氟乙烯等密封材料。石墨的密封效果非常高,具有節(jié)約能源、減少環(huán)境污染的特點(diǎn)。柔性石墨復(fù)合材料制成的零部件具有耐腐蝕、不易蠕變、耐水、耐油、低溫不冷流、抗壓及能夠承受溫度變化等特質(zhì)。與石棉相比,石墨壽命更長(zhǎng)和更清潔,完全可以替代石棉作為密封材料。石墨和其他密封材料的對(duì)比數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 石墨和其他密封材料之間數(shù)據(jù)對(duì)比Table 1 Data comparison between graphite and other sealing materials

3 鋁合金的精煉裝置關(guān)鍵密封結(jié)構(gòu)的研究

3.1 傳統(tǒng)石墨密封結(jié)構(gòu)的不足

1)受高溫鋁液沖擊,兩者密封端面易于發(fā)生相對(duì)傾斜而造成局部出現(xiàn)密封氣體熔劑可通過(guò)的空隙,使得氣體熔劑(N2或Ar等)不再經(jīng)由噴嘴射入鋁液,而改道由失效部位溢出,導(dǎo)致氣泡形成的尺寸較大,除氫效率急劇下降;

2)密封結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)部位過(guò)多,夾緊力不足,導(dǎo)致密封表面無(wú)法充分接觸;

3)石墨轉(zhuǎn)子與石墨轉(zhuǎn)軸密封結(jié)構(gòu)的表面加工質(zhì)量、尺寸和形狀加工精度較低,不能對(duì)氣體熔劑的泄漏形成有效的封阻;

4)裝配工藝不合理,造成密封表面損傷,形成泄漏源。另外,載荷不均或不足造成密封表面接觸不充分,降低了密封表面的結(jié)合程度,以致氣體熔劑通過(guò)兩者的接觸面滲出。

3.2 改進(jìn)后的石墨轉(zhuǎn)子與石墨轉(zhuǎn)軸密封結(jié)構(gòu)

為解決以上不足,設(shè)計(jì)的石墨轉(zhuǎn)子與石墨轉(zhuǎn)軸通過(guò)石墨轉(zhuǎn)子的內(nèi)螺紋與石墨轉(zhuǎn)軸外螺紋聯(lián)結(jié),并由石墨轉(zhuǎn)子的端面與石墨轉(zhuǎn)軸的端面組成密封副,以實(shí)現(xiàn)軸向靜密封。鋁液除氣機(jī)運(yùn)行期間,石墨轉(zhuǎn)子帶動(dòng)石墨轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn),氣體熔劑(N2或Ar等)經(jīng)由轉(zhuǎn)子噴嘴噴入鋁熔體后,形成的微小氣泡尺寸螺旋上升,并帶走鋁熔體中的氫,從而去除鋁液雜質(zhì)。該密封結(jié)構(gòu)及其制備裝配工藝,特征在于:采用了石墨轉(zhuǎn)子與石墨轉(zhuǎn)軸的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及加工工藝設(shè)計(jì)、制造、工裝設(shè)計(jì)及裝配,具體步驟及工藝條件如下:

1)石墨材料選用熱膨脹系數(shù)性能測(cè)試。選用信瑞達(dá)石墨制造有限公司生產(chǎn)的牌號(hào)為XRD-1石墨材料,體積密度為1.83g/cm3,石墨粉粒度為12μm,抗折強(qiáng)度為45MPa,抗壓強(qiáng)度為100MPa。將石墨材料加工成尺寸為φ5mm×30mm的圓柱試樣,并采用德國(guó)耐馳熱膨脹儀DIL402測(cè)試石墨試樣從室溫至1000℃區(qū)間的熱膨脹特性,以獲得如圖3所示的石墨材料熱膨脹系數(shù)。

圖3 石墨材料熱膨脹系數(shù)Fig.3 The coefficient of thermal expansion of graphite material

2)優(yōu)選梯形螺紋作為石墨轉(zhuǎn)子與石墨轉(zhuǎn)軸的聯(lián)結(jié)螺紋?？紤]到石墨材料的脆性較大、韌性較低,加工內(nèi)螺紋過(guò)程中極易掉塊、掉渣,且三角形螺紋容易造成應(yīng)力集中,進(jìn)而引發(fā)微裂紋;而梯形螺紋牙型為等腰梯形,易于加工、對(duì)中性好,牙根強(qiáng)度較高。因此,采用梯形螺紋作為聯(lián)結(jié)石墨轉(zhuǎn)子與石墨轉(zhuǎn)軸的螺紋類型。

3)優(yōu)選熱裝配工藝。為了增大石墨轉(zhuǎn)子和石墨轉(zhuǎn)軸之間接觸面的夾持力,以形成有效的封阻,采用熱裝工藝實(shí)現(xiàn)石墨轉(zhuǎn)子和石墨轉(zhuǎn)軸的聯(lián)結(jié)。同時(shí),為了避免石墨轉(zhuǎn)子的高溫氧化及因夾持力過(guò)高而在石墨轉(zhuǎn)子內(nèi)孔引發(fā)裂紋而造成損傷,優(yōu)選石墨轉(zhuǎn)子的熱裝溫度區(qū)域,即200～300℃,保溫時(shí)間為1～2h。依據(jù)石墨材料熱膨脹特性的測(cè)試數(shù)據(jù),確定熱裝溫度T所對(duì)應(yīng)的膨脹量Δδ。

4)優(yōu)選石墨轉(zhuǎn)子和石墨轉(zhuǎn)軸熱裝的公差配合等級(jí)。為了順利實(shí)現(xiàn)石墨轉(zhuǎn)子和石墨轉(zhuǎn)軸的熱裝配,需要石墨轉(zhuǎn)子和石墨轉(zhuǎn)軸之間具有合理的間隙,按基軸制,優(yōu)選石墨轉(zhuǎn)子梯形內(nèi)螺紋與石墨轉(zhuǎn)軸梯形外螺紋的公差配合等級(jí)為h8/e8,螺距優(yōu)選6、7、9mm。

5)石墨轉(zhuǎn)子各個(gè)組成部位的功能界定。根據(jù)石墨轉(zhuǎn)子各個(gè)組成結(jié)構(gòu)的功能,劃分為承擔(dān)與石墨轉(zhuǎn)軸聯(lián)結(jié)配合的裝配圓柱1和承擔(dān)噴吹氣體熔劑的扇形葉輪2。其中,相鄰扇形葉輪2之間開(kāi)設(shè)有噴嘴3。石墨轉(zhuǎn)子如圖4所示。

圖4 石墨轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)Fig.4 The Graphite rotor structure

圖5中,裝配圓柱包括密封面4和裝配孔5。其中,裝配孔5的結(jié)構(gòu)由圓弧6、內(nèi)錐面7、退刀槽8、梯形內(nèi)螺紋9和空腔10組成,如圖6所示。

圖5 石墨轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)軸裝配面Fig.5 The assembly surface of graphite rotor and shaft

圖6中,內(nèi)錐面7的錐度為1∶5或7∶24,長(zhǎng)度15～20mm。另外,噴嘴3與空腔10連通,根據(jù)石墨轉(zhuǎn)軸各組成結(jié)構(gòu)的功能,將其劃分為承擔(dān)與石墨轉(zhuǎn)子聯(lián)結(jié)配合的梯形外螺紋11、密封面12、退刀槽13、外錐面14、圓弧15和承擔(dān)通氣功能的軸16,如圖7所示。

圖6 裝配孔5的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 The structural diagram of assembly Hole 5

圖7 石墨轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 The structural diagram of graphite shaft

為了避免石墨轉(zhuǎn)子和石墨轉(zhuǎn)軸旋合過(guò)程中,出現(xiàn)尺寸干涉的現(xiàn)象,圓弧15的半徑小于圓弧6的半徑。同時(shí),外錐面14的錐度與內(nèi)錐面7的錐度相同,均為1∶5或7∶24,且外錐面14的長(zhǎng)度比內(nèi)錐面7的長(zhǎng)度短2～5mm,退刀槽13的寬度也比退刀槽8的寬度短2～5mm。

6)通規(guī)和止規(guī)的制備。考慮到石墨轉(zhuǎn)子梯形內(nèi)螺紋中徑的尺寸精度無(wú)法直接檢測(cè),制備通規(guī)和止規(guī)分別檢測(cè)石墨轉(zhuǎn)子梯形內(nèi)螺紋中徑的上/下限尺寸。

3.3 石墨轉(zhuǎn)子與石墨轉(zhuǎn)軸的加工工藝設(shè)計(jì)

石墨轉(zhuǎn)軸的梯形內(nèi)螺紋9和梯形外螺紋11優(yōu)選PVD涂層梯形螺紋車刀加工;石墨轉(zhuǎn)軸的圓弧6、內(nèi)錐面7、退刀槽8、梯形內(nèi)螺紋9、空腔10、密封面12、退刀槽13、外錐面14及圓弧15優(yōu)選金剛石刀具加工。

石墨轉(zhuǎn)軸的梯形內(nèi)螺紋9和梯形外螺紋11優(yōu)選加工參數(shù):轉(zhuǎn)速約為800r/min,粗加工單次徑向切深為0.05mm,精加工單次徑向、軸向切深均為0.02mm,每刀精加工跟一刀空切削加工。

石墨轉(zhuǎn)子和石墨轉(zhuǎn)軸其余部位優(yōu)選加工參數(shù):轉(zhuǎn)速為350～480r/min,粗加工進(jìn)給量為0.2～0.4mm/r,精加工進(jìn)給量為0.08～0.12mm/r。

將石墨轉(zhuǎn)子分別與通規(guī)和止規(guī)旋合,如果石墨轉(zhuǎn)子滿足與通規(guī)轉(zhuǎn)動(dòng)自如且擰不進(jìn)止規(guī),判定石墨轉(zhuǎn)子梯形內(nèi)螺紋中徑滿足尺寸精度的要求;否則,均視為石墨轉(zhuǎn)子梯形內(nèi)螺紋中徑尺寸不合格。另外,石墨轉(zhuǎn)軸梯形外螺紋中徑的尺寸精度控制采用三針?lè)z測(cè)。

為了便于充分填充石墨轉(zhuǎn)子和石墨轉(zhuǎn)軸表面微觀的低凹部位,必須控制石墨轉(zhuǎn)子和石墨轉(zhuǎn)軸表面微凸起形貌及波動(dòng)。檢測(cè)石墨轉(zhuǎn)軸密封面12及外錐面14加工的表面質(zhì)量,要求其表面粗糙度Ra≤4μm,且兩粗糙表面的最大間隙和h≤35μm。因石墨轉(zhuǎn)子和石轉(zhuǎn)軸均采用相同的加工工藝,故默認(rèn)石墨轉(zhuǎn)子的密封面4及內(nèi)錐面7的表面粗糙度與石墨轉(zhuǎn)軸密封面12及外錐面14的表面粗糙度處于相同等級(jí)。

制備密封填料溶膠,采用乙基纖維素 = 15∶1～20∶1的質(zhì)量比配置溶膠。隨后,采用玻璃器皿盛裝松油醇和乙基纖維素的混合液,通過(guò)水浴加熱法,加熱溫度控制在80～100℃,制成均勻透明的溶膠;接著,選用粒徑≤300nm的SiC或Al2O3粉為溶質(zhì)填料,按溶質(zhì)填料:溶膠 = 1∶10～1∶15的質(zhì)量比,將SiC或Al2O3投入溶膠,并攪拌均勻;最后,將溶膠均勻涂敷在石墨轉(zhuǎn)軸的密封面12和外錐面14的表面。

最后將石墨轉(zhuǎn)子放入馬弗爐中,加熱至溫度T℃,保溫時(shí)間為1～2h;接著,將裝配輔件固定在虎鉗上;隨后,取出石墨轉(zhuǎn)子,并放置在裝配輔件上固定住。

4 農(nóng)機(jī)輕量化所用鋁合金生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)中,首先進(jìn)行熱裝配,將石墨轉(zhuǎn)軸的梯形外螺紋11旋入石墨轉(zhuǎn)子梯形內(nèi)螺紋9。其中,因溶膠(包含SiC或Al2O3或石墨粉)不能停駐在石墨轉(zhuǎn)子和石墨轉(zhuǎn)軸密封面的微凸起部位,隨著旋合,被刮入兩者之間的微凹隙,從而在石墨轉(zhuǎn)子和石墨轉(zhuǎn)軸密封面上多個(gè)點(diǎn)位形成微觀的密封填料,增大了密封的可靠性。石墨轉(zhuǎn)子和石墨轉(zhuǎn)軸旋合后,空冷;隨后,將旋合的石墨轉(zhuǎn)子和石墨轉(zhuǎn)軸放置入熱處理爐,加熱至300℃,保溫3～5h;接著,加熱至400℃,保溫15～30min;最后,加熱至500℃,保溫10～15min,以便充分去除溶膠的有機(jī)成分,從而為后續(xù)用于鋁合金精煉奠定基礎(chǔ)。石墨轉(zhuǎn)子和石墨轉(zhuǎn)軸之間密封面的微填料形貌,如圖8所示。采用輪廓測(cè)試儀對(duì)石墨轉(zhuǎn)子和石墨轉(zhuǎn)軸之間密封面縫隙進(jìn)行實(shí)際的測(cè)試,結(jié)果如圖9所示。

由圖8和圖9可以看出:石墨轉(zhuǎn)子和石墨轉(zhuǎn)軸之間密封面縫隙較小,微填料形貌符合預(yù)期。最后,將熱處理后石墨轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)軸浸漬在水中,由石墨轉(zhuǎn)軸的通氣孔引入N2或Ar,觀察其貼合的密封部位是否存在泄漏現(xiàn)象,測(cè)試后發(fā)現(xiàn)無(wú)氣泡溢出,證明該結(jié)構(gòu)合格,可以用于生產(chǎn)農(nóng)機(jī)輕量化鋁合金零部件。

圖8 石墨轉(zhuǎn)子和石墨轉(zhuǎn)軸之間密封面的微填料形貌圖Fig.8 The morphology of micro packing on sealing surface between graphite rotor and graphite shaft

圖9 石墨轉(zhuǎn)子和石墨轉(zhuǎn)軸之間密封面縫隙Fig.9 The seal surface gap between graphite rotor and graphite shaft

5 結(jié)論

為了實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)輕量化零部件的生產(chǎn)制造,采用石墨轉(zhuǎn)子與石墨轉(zhuǎn)軸設(shè)計(jì)了一種精煉裝置關(guān)鍵密封結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)通過(guò)石墨轉(zhuǎn)子的內(nèi)螺紋與石墨轉(zhuǎn)軸外螺紋聯(lián)結(jié),利用熱裝技術(shù)在石墨轉(zhuǎn)子與石墨轉(zhuǎn)軸的密封接觸面形成夾持力,使兩者在密封部位充分接觸,達(dá)到從宏觀上阻塞氣體熔劑目的;同時(shí),還涉及利用微填料技術(shù)在石墨轉(zhuǎn)子與石墨轉(zhuǎn)軸光滑密封面產(chǎn)生碳化物,阻塞表面微觀空隙通道。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該結(jié)構(gòu)密封面縫隙較小,微填料形貌符合預(yù)期?？梢杂糜谏a(chǎn)農(nóng)機(jī)輕量化鋁合金零部件。