真空密封法蘭結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

邱燕超 張明宇 于 瀅

（中國計(jì)量科學(xué)研究院，北京102206）

1 概述

真空密封是真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)、工件裝配過程中的重要問題，它是用來保證零件的可靠連接以及接頭密封性。根據(jù)連接件的相互關(guān)系、密封方法、用途和材料的不同，分為靜密封連接和動(dòng)密封連接。常用的密封方式有填料密封、機(jī)械密封、干氣密封、迷宮密封等，其中使用密封法蘭達(dá)到密封要求是當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)最常見的一種密封技術(shù)，因其成本較低、制作簡單、安裝便捷，被廣泛應(yīng)用于航天、船舶、建筑、消防等領(lǐng)域。它的密封效果直接影響到設(shè)備的整體應(yīng)用效果，因而對(duì)法蘭的機(jī)械加工水準(zhǔn)也有一定要求。

2 法蘭的結(jié)構(gòu)與加工要求

2.1 法蘭的結(jié)構(gòu)

周邊帶有若干開孔的類似圓環(huán)狀的金屬體即為法蘭，又稱突緣，（如圖1 所示）它是軸與軸之間的連接件，多用于管端之間的連接。法蘭連接是指一對(duì)法蘭之間放置密封墊圈，再由若干個(gè)螺栓穿過法蘭上的孔眼，使兩法蘭緊密連接而成的密封結(jié)構(gòu)。這種連接方式具有承載壓力大、拆卸方便的優(yōu)勢，但對(duì)法蘭的表面粗糙度有一定要求，若法蘭或墊片表面有凹陷，或安裝時(shí)未均勻施力，就會(huì)影響到其密封性，發(fā)生泄漏的現(xiàn)象。

圖1 密封法蘭零件圖

真空技術(shù)原理是指在給定的空間內(nèi)低于一個(gè)大氣壓力的氣體狀態(tài)。真空狀態(tài)下的氣體壓力低于一個(gè)大氣壓，因此當(dāng)容器內(nèi)壓力很小時(shí)，則容器所承受的大氣壓力可達(dá)到一個(gè)大氣壓。不同壓強(qiáng)下單位面積上的作用力，如表1 所示。

表1 不用壓力單位面積的作用力

真空狀態(tài)下氣體稀薄，氣體的分子密度小于大氣壓力的氣體分子密度。因此，氣體的分子自由程增大。常溫下大氣分子平均自由程與大氣壓力的關(guān)系如表2 所示。

表2 大氣分子平均自由程與大氣壓的關(guān)系

2.2 法蘭的加工要求

在生產(chǎn)過程中，法蘭的技術(shù)要求主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：一是法蘭密封面的表面粗糙度，通常使用金屬類墊片進(jìn)行密封時(shí)，根據(jù)大氣壓值，其表面粗糙度須達(dá)到Ra3.2-1.6μm，但這對(duì)大直徑法蘭的加工有一定難度，可在表面貼柔性石墨板的方法彌補(bǔ)這樣的不利因素；二是所連接的管子應(yīng)垂直于法蘭端面，其偏差值不能超過法蘭外徑的1.5%，最大不能超過2mm，不可用擰緊螺栓的方法去除偏移量。在進(jìn)行加工時(shí)，為保證其表面粗糙度以及加工時(shí)所產(chǎn)生的形變量，可使用數(shù)控加工中心進(jìn)行加工。

3 法蘭的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)

3.1 加工工藝

改變毛坯的形狀、尺寸、相對(duì)位置以及性質(zhì)，使其成為一個(gè)合格零件的全過程就是機(jī)械加工工藝。通常一個(gè)普通零件的加工步驟是：①分析零件圖及裝配圖；②選擇毛坯，擬定工藝路線；③確定加工余量和尺寸公差；④確定設(shè)備刀具、夾具和輔助工具；⑤確定切削量和工時(shí)定額；⑥檢驗(yàn)。

3.2 加工圖紙

該零件的加工表面由凸臺(tái)平面、中心孔Φ90 及Φ102，4-Φ26-H15 的沉孔、8-Φ18、4-Φ14 的通孔組成，如圖2 所示。該零件圖為軸對(duì)稱圖形，輪廓有多次要求換向進(jìn)給；每當(dāng)坐標(biāo)移動(dòng)換向時(shí)（由正→負(fù)、負(fù)→正），都有可能帶入因機(jī)床磨損而產(chǎn)生的機(jī)械間隙，加工中要注意反向間隙補(bǔ)償。

圖2 密封法蘭二維圖

3.3 加工設(shè)備

本文將使用斗山DT400 數(shù)控加工中心，它是一臺(tái)三軸（X,Y,Z）機(jī)床，其系統(tǒng)為三菱品牌法那克系統(tǒng)，行程為X 軸500mm，Y軸450mm，Z 軸350mm，刀庫中可安裝12 把刀，且?guī)в凶詣?dòng)換刀功能，主軸電機(jī)功率為15kw，其強(qiáng)有力的驅(qū)動(dòng)，重負(fù)載結(jié)構(gòu)以及無與倫比的剛性保證了其杰出的精度、高生產(chǎn)率和多年無故障的良好性能。

4 法蘭盤的數(shù)控加工

4.1 工具選擇

按照切削工藝，可將刀具分為兩類：銑削刀具和孔加工刀具。常用的銑削刀具有面銑刀、立銑刀、模具銑刀、鍵槽銑刀、鼓形銑刀等。常用的孔加工刀具有鉆孔刀具、擴(kuò)孔刀具、鉸孔刀具、鏜孔刀具等。為了適應(yīng)數(shù)控機(jī)床對(duì)刀具耐用、穩(wěn)定、易調(diào)、可換等要求，近幾年機(jī)夾式可轉(zhuǎn)位刀具得到了廣泛應(yīng)用，在數(shù)量上達(dá)到了整個(gè)數(shù)控刀具的30%～40%，金屬切除量占總數(shù)的80%～90%。

根據(jù)法蘭的零件特點(diǎn)，采用平頭立銑刀進(jìn)行粗銑，去除大量毛坯，小面積水平平面和輪廓精銑。面銑刀剛性好能采用較大的進(jìn)給量，能同時(shí)多刀齒切削工作平穩(wěn)，用其精銑法蘭端面。鏜刀精度高，適用于加工內(nèi)孔、擴(kuò)孔、仿形等，因而用其加工密封槽。

數(shù)控加工選擇夾具時(shí)，應(yīng)遵從兩個(gè)基本原則：一是要保證夾具的坐標(biāo)方向與機(jī)床的坐標(biāo)方向相對(duì)固定；二是要協(xié)調(diào)零件和機(jī)床坐標(biāo)系的尺寸關(guān)系。

另外，數(shù)控車床上的夾具主要有兩類：一類用于盤類或短軸類零件，工件毛坯裝夾在帶可調(diào)卡爪的卡盤（分別為三爪、四爪）中，由卡盤傳動(dòng)旋轉(zhuǎn)；另一類用于軸類零件，毛坯裝在主軸頂尖和尾架頂尖間，工件由主軸上的撥動(dòng)卡盤傳動(dòng)旋轉(zhuǎn)。數(shù)控銑床上的夾具，一般安裝在工作臺(tái)上，其形式根據(jù)被加工工件的特點(diǎn)可多種多樣。如：通用臺(tái)鉗、數(shù)控分度轉(zhuǎn)臺(tái)、壓板等。

4.2 加工方案

該法蘭的加工順序應(yīng)由先里后外，先面后孔再外形的加工順序加工。根據(jù)圖紙要求，毛坯料應(yīng)采用不銹鋼316L，尺寸大小為280*280*40mm。為在一次裝夾中加工出所有需加工的表面，該零件以上表面中心為定位基準(zhǔn)面。

先對(duì)工件的毛坯進(jìn)行邊界設(shè)定，為提高效率采用大直徑面銑刀對(duì)上表面進(jìn)行粗銑和精銑。較大的進(jìn)給量、背吃刀量，以及較高的切削速度。精加工時(shí)為保證表面粗糙度和尺寸精度，選用較小的進(jìn)給量、背吃刀量，以及較高的切削速度。并使用切削液進(jìn)行冷卻，以保證刀具耐用度和表面粗糙度以及降低加工溫度要。

表面加工完成后，先使用φ6H04 中心鉆定位各孔，主軸正轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為800r/min；在使用φ18H05 鉆頭鉆通孔，主軸正轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為800r/min；最后使用φ26H07 平頭鉆鉆沉孔，主軸正轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為800r/min。鉆孔時(shí)以小進(jìn)給量，待鉆頭切削部分全部進(jìn)入工件后再正常鉆削。鉆小孔或較深孔時(shí)，須經(jīng)多退鉆頭以排清切削，防止因切屑堵塞而造成鉆頭被“咬死”或折斷。鉆削不銹鋼料時(shí)，須充分澆注切削液冷卻鉆頭，以防鉆頭發(fā)熱退火。

加工凹槽時(shí)，由于密封槽精度要求較高，直徑較小，只能用較小的立銑刀，為防止銑刀因切屑堵塞而造成鉆頭被“咬死”或折斷，必須小吃刀、高轉(zhuǎn)速、充分澆注泠卻液。使用φ6H03 的平底立銑刀，主軸正轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為1500r/min，圓弧插補(bǔ)；隨后用寬3mm 的精鏜刀銑密封槽，主軸正轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為800r/min。

4.3 操作要點(diǎn)

該零件加工時(shí)，采用普通壓板進(jìn)行裝夾，壓板須在加工范圍外，以免刀具與壓板碰撞，在壓板與平面間墊兩塊等高墊鐵，保證與工件平行。其只需進(jìn)行單面加工，選用大直徑的盤銑刀以提高效率，小直徑的銑刀和螺旋槽銑刀以提高轉(zhuǎn)速，從而保證表面粗糙度、預(yù)防刀具干涉。粗加工時(shí)盡量采用逆銑的方式加工，精加工時(shí)盡量采用順銑的方式加工。選用正確的對(duì)刀點(diǎn)和正確的對(duì)刀方式，并一次對(duì)刀完成所有加工，盡量減少定位誤差，保證位置精度。