離心壓縮機風筒法蘭密封面水紋線加工方法研究

白俊峰 張弛 田東升 劉姝鑫 范海宇

摘 要：在離心壓縮機機殼設計中選用密封水線形式的風筒法蘭在相應條件時能有效加強法蘭密封能力。將離心壓縮機風筒法蘭設計標準作為理論依據(jù)，采用龍門銑床加工風筒法蘭密封水紋線的方法，驗證了理論方案能夠符合設計要求，并對此加工方法進行總結、優(yōu)化。為離心壓縮機風筒法蘭密封水紋線的加工提供實踐經驗，同時為加工方法的持續(xù)優(yōu)化奠定基礎。

關鍵詞：離心壓縮機；法蘭密封面；水紋線；加工方法

0 引言

在工藝設備、管線及閥門的連接中，法蘭連接是靜密封的主要形式，應用十分廣泛。法蘭與墊片交界面上發(fā)生的泄漏稱為界面泄漏，界面泄漏是泄漏產生的主要途徑。密封面水紋線的作用主要是加強法蘭之間的密封，螺栓產生的壓緊力通過法蘭密封面（壓緊面）傳遞給墊片，使墊片產生足夠的彈塑性變形，從而將法蘭壓緊面間凹凸不平的縫隙用非金屬墊片受壓填充到密封水線里填滿壓實，使得接觸面處沒有泄漏通道，達到密封的目的。如果使用的是金屬墊片，而金屬墊片不易塑性變形，所以使用的法蘭一般可以不用水溫線，法蘭密封面粗糙度越高，其密封性能越好。如用軟質墊片或纏繞式墊片，壓緊面的粗糙度一般為12.5μm或6.3μm；如用金屬墊片，壓緊面的加工要求較高，表面粗糙度要求1.6μm或0.8μm。

1 國內外標準要求

目前離心壓縮機的設計標準通常采用SH/T 3144-2012及API617。根據(jù)SH/T 3144-2012要求，機殼接口法蘭通常采用ASME B16.1，或ASME B16.5，或ASME B16.42，或ASME B16.47標準，也可對應采用GB/T 9115，或HG 20615標準。同時，根據(jù)API617規(guī)定，法蘭應符合ASME B16.1，B16.5或B16.42的規(guī)定，大于24英寸的鋼法蘭應符合API 605或MSS SP-44的規(guī)定。

1.1 ASMEB16.5-2013和ASMEB16.47-2011以及API 605

API605、ASME B16.5-2013及ASME B16.47-2003中的第6.4.5.3條規(guī)定，除了榫槽面和環(huán)連接面外，其它法蘭密封面應當提供同心圓式或者螺旋式的細齒表面，其綜合表面平均粗糙度為3.2-6.3μm，所使用的切削刀具應當選用半徑大于或等于1.5mm的刀具，每毫米的細齒數(shù)為1.8-2.2。

1.2 HG 20603-1997

HG 20603-1997規(guī)定，小于等于PN40的突面法蘭采用非金屬平墊片、聚四氟乙烯包覆墊和柔性石墨復合墊時，需加工密紋水線，密封面代號為RF（A），密封面粗糙度為Ra（6.3-12.5）μm，水紋線深度為0.05mm，水線節(jié)距為0.8mm，加工刀具圓角半徑為1.6mm。

1.3 HG/T 20592-20635—2009

HG/T 20592～20635-2009中要求，法蘭密封面表面粗糙度表下注明，突面、凹面/凸面及全平面密封面是采用加工刀具加工時自然形成的一種鋸齒形同心圓或螺旋齒槽。加工刀具的圓角半徑應不小于1.5mm，形成的鋸齒形同心圓或螺旋齒槽深度約為0.05mm，節(jié)距為0.45-0.55mm。

1.4 ASME B16.1，ASME B16.42，MSS SP-6和MSS SP-44

ASME B16.1，B16.42，MSS SP-44和MSS SP-6要求，兩法蘭面配合面為平面時，需要進行水紋線加工，同時建議每英寸45-50（每厘米18-20）條螺紋形水紋線或同心圓水紋線所獲得的表面精度Ra應為125-250微英寸（3.2-6.3微米）。

1.5 GB/T 9115

GB/T 9115要求，法蘭的技術要求需符合GB/T 9124的規(guī)定，其中GB/T 9124要求對于全平面和突面（加工密紋水線，僅用于軟墊片），密封面代號為FF（A）和RF（A）的法蘭密封面，加工表面粗糙度應符合Ra3.2至Ra12.5，水紋線深度為0.05mm，節(jié)距為0.8mm，加工刀具圓角為1.6mm。墊片形式為非金屬平墊片，柔性石墨復合墊片以及聚四氟乙烯包覆墊片。

2 現(xiàn)狀分析

對于水平剖分式離心壓縮機，風筒與機殼通常為組立焊接而成，由于焊接后機殼尺寸較大，無法采用傳統(tǒng)車床加工水紋線，同時根據(jù)工藝要求，機殼焊接后需對風筒法蘭密封面進行精加工，精加工后方可進行水紋線加工，因此離心壓縮機風筒法蘭水紋線的加工成為了壓縮機生產制造的重要難題。

3 水紋線加工方法

3.1 水紋線理論模型

以HG/T20615-2009為例，根據(jù)標準要求，水紋線節(jié)距設定為0.5mm，刀具圓角半徑采用R=1.5mm，因此水紋線的理論示意圖如圖1所示。

3.2 同心圓水紋線加工方法

根據(jù)標準要求，刀具圓角半徑不小于1.5mm，那么本次試驗加工將采用φ3的球頭銑刀，通過龍門銑床X軸與Y軸聯(lián)動實現(xiàn)加工，如圖2所示。由于機殼水紋線加工精度較高，加工前需將風筒法蘭密封面找平，找平后方可進行加工，首次試驗考慮到編程效率，水紋線形式為同心圓。加工走刀如圖3所示，球頭銑刀從起始點1開始，切深0.10mm，從密封面內側圓逐漸向外加工，切削一周后回至終止點，其中起始點即終止點。抬刀后，移動至下一個起始點2，重復上述加工過程，每個起始點距離即為螺紋節(jié)距0.5mm。

此加工方案編程方法簡單，但頻繁抬刀、落刀動作浪費加工時間，降低切削效率；同時由于采用銑削加工方式，同心圓較密，因此多個圓的起始點（終止點）連接會出現(xiàn)明顯接刀痕。經過實際驗證，應用此方案銑削水紋線總體加工質量較好，但出現(xiàn)明顯接刀痕，影響外觀質量，甚至影響法蘭密封效果，如圖4所示。

3.3 螺旋水紋線加工方法

經過對標準的分析研究，密封面水紋線形式也可為螺旋線，螺旋線加工節(jié)省了抬刀和落刀的時間，同時僅從法蘭密封面一側進刀，從另一側出刀，不會產生接刀痕，螺旋水紋線示意圖如圖5所示。

從圖中可以看出，刀具從起始點1開始進刀，連續(xù)加工完成后從終止點2退出。此方法節(jié)省抬刀、落刀時間，同時只有1個進刀點和1個出刀點，不會形成接刀痕，理論上此方案可行。

根據(jù)法蘭面實際加工尺寸，設定法蘭內圓半徑為200mm，外圓半徑為300mm，螺旋線在編程中由若干直線段組成，并隨著直徑的增大，多邊形現(xiàn)象越嚴重，為保證加工后螺旋線無明顯多邊形現(xiàn)象，編程時可適當調低角度增量，考慮到數(shù)控設備計算速度，適當降低機床進給量可保證機床正常運轉，故本次試驗角度增量設為0.1mm。實際加工后，密封面水紋線未再出現(xiàn)接刀痕，實際驗證了采用螺旋線的方式加工密封面水紋線能夠滿足標準要求，符合加工工藝標準，加工后水紋線如圖6所示。

4 結論

針對離心壓縮機風筒法蘭密封面，研究了離心壓縮機風筒法蘭制造標準，繪制了法蘭密封面水紋線理論模型，通過理論分析，證明了龍門銑床加工離心壓縮機風筒法蘭密封面水紋線的工藝方案的合理有效，經過實踐驗證，發(fā)現(xiàn)了龍門銑床采用螺旋線方式加工水紋線能有效避免接刀痕的出現(xiàn)，相比于同心圓方式節(jié)省了加工作業(yè)時間。此方案豐富了水紋線加工方案，為今后水紋線的生產加工提供實踐經驗。

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