Требования к шероховатости поверхности графитового уплотнительного кольца: всесторонний анализ от Ra до Rz

Уменьшение шероховатости поверхности с Ra 0,4 μm до 0,05 μm сокращает утечку на 90% — именно поэтому шероховатость поверхности является обязательным параметром выходного контроля для уплотнительных колец из углеродного графита. Требования различаются в зависимости от региона: рабочие поверхности торцевых уплотнений требуют Ra ≤ 0,1 μm с оценкой Rz для износостойкости, а отверстия втулок проверяют в основном на наличие царапин. В этой статье изложены целевые значения шероховатости по деталям, методы измерения и управление процессом — включая порог износа инструмента, при котором резцы должны заменяться.

1. Объяснение параметров шероховатости

1.1 Ra (Среднее арифметическое отклонение)

Ra — самый распространённый параметр, среднее арифметическое абсолютных отклонений профиля по длине выборки. Ra отражает общую гладкость поверхности, но не различает пики и впадины и мало чувствителен к экстремальным пикам. Для графитовых уплотнительных поверхностей обычно требуется Ra ≤ 0,1 μm.

1.2 Rz (Максимальная высота шероховатости)

Rz — среднее значение 5 самых высоких пиков и 5 самых глубоких впадин в пределах длины выборки. Чувствителен к экстремальным пикам, лучше отражает износостойкость. При одинаковом Ra значения Rz могут значительно различаться. Для высококачественных уплотнений может требоваться Rz ≤ 0,5 μm.

1.3 Rq (Среднеквадратическое отклонение)

Rq более чувствителен к большим отклонениям, часто используется для статистического анализа. Обычно на 10–25% выше Ra.

1.4 Rmax (Максимальная глубина шероховатости)

Rmax — максимальное расстояние между пиком и впадиной в пределах одной длины выборки. Чувствителен к точечным дефектам, часто применяется для обнаружения царапин.

1.5 Rt (Общая глубина шероховатости)

Rt — максимальное расстояние между пиком и впадиной по всей длине оценки. Отражает максимальную неровность поверхности.

1.6 Выбор параметров

• Рабочая поверхность уплотнения: Ra + Rz (общая гладкость + износостойкость)
• Отверстие скользящей втулки: Ra + Rmax (обнаружение царапин)
• Нефункциональная поверхность: только Ra
• Критические применения: Ra + Rz + Rmax (ядерная, аэрокосмическая отрасли)

2. Требования к шероховатости по регионам

2.1 Рабочая поверхность торцевого уплотнения

Рабочая поверхность — ключевая рабочая зона, требующая высокой плоскостности и отделки.

• Общие условия эксплуатации: Ra 0,05–0,1 μm
• Среды с высокой вязкостью: Ra 0,1–0,2 μm (некоторая шероховатость удерживает масло)
• Среды с низкой вязкостью (например, сжиженный нефтяной газ): Ra ≤ 0,05 μm
• Плоскостность поверхности: ≤ 0,6 μm (с флуоресцентной проверкой)

2.2 Отверстие втулки

Отверстие сопрягается с валом — рабочая поверхность скользящего подшипника.

• Общие условия эксплуатации: Ra 0,4–0,8 μm
• Высокоскоростные условия: Ra 0,2–0,4 μm
• Низкоскоростные тяжелонагруженные условия: Ra 0,8–1,6 μm (умеренная шероховатость удерживает масло)

2.3 Наружный диаметр втулки

Наружный диаметр сопрягается с корпусом, в основном для позиционирования.

• С натягом: Ra 0,8–1,6 μm
• С зазором: Ra 0,4–0,8 μm

2.4 Разрезная поверхность разрезного кольца

Разрезная поверхность — ключевая уплотняющая поверхность разрезных колец, требующая высокой плоскостности.

• Плоскостность: ≤ 0,01 мм
• Шероховатость: Ra 0,4–0,8 μm

2.5 Переходная дуга от рабочей поверхности к наружному диаметру

Здесь возникает концентрация напряжений; требуется плавный переход.

• Шероховатость: Ra 0,4–0,8 μm
• Радиус дуги: R 0,5–1,0 мм

3. Методы измерения и оборудование

3.1 Контактный профилометр

Контактный профилометр (например, Mitutoyo SJ-210, Taylor Hobson Surtronic) использует алмазный стилус, который проводится по поверхности. Плюсы: измеряет Ra, Rz, Rmax с устойчивыми результатами. Минусы: стилус может царапать мягкие материалы; для графита рекомендуется использовать стилус с низкой силой нажатия (0,75 мН).

3.2 Оптический профилометр

Оптические профилометры (например, лазерный конфокальный микроскоп Keyence VK-X) сканируют поверхность лазером без контакта. Плюсы: неразрушающий метод, 3D топография. Минусы: для низкоотражающего графита требуется нанесение покрытия.

3.3 Интерферометрический профилометр

Интерферометрия измеряет поверхность с помощью интерференции оптических волн с точностью до нанометров. Подходит для ультраточного контроля поверхности уплотнительного кольца.

3.4 Сравнительный образец

Стандартные образцы шероховатости (GB/T 6060.2) сравниваются визуально с деталью. Подходит для быстрой проверки в цеху, но с ограниченной точностью.

3.5 Флуоресцентный контроль

На поверхность уплотнительного кольца наносится флуоресцентный краситель, который затем осматривают под ультрафиолетовым светом. Позволяет выявлять микротрещины и поры. Часто используется совместно с контролем плоскостности.

4. Рабочий процесс контроля Huahao Sealing

4.1 Контроль первой детали

100% проверка шероховатости первой детали из партии для подтверждения стабильности процесса.

4.2 Выборочный контроль в процессе

Отбор проб по стандарту GB/T 2828.1 с уровнем качества AQL 1.0. Основные параметры: Ra, Rz.

4.3 Финальный выходной контроль

100% проверка ключевых параметров шероховатости и внешнего вида каждой детали перед отгрузкой. К изделию прилагается отчет.

4.4 Оборудование

• Профилометр Mitutoyo SJ-410 (точность 0,01 μm)
• Taylor Hobson Form Talysurf PGI 1240 (точность 0,001 μm)
• Лазерный конфокальный микроскоп Keyence VK-X200
• Оптическая плита (φ 150 мм, точность λ/10)

5. Факторы процесса, влияющие на шероховатость

5.1 Факторы инструмента

• Износ: износ задней поверхности VB ≥ 0,2 мм значительно увеличивает шероховатость
• Геометрия: предпочтительный угол передней поверхности 5~10°, угол задней поверхности 8~12°, радиус закругления 0,4~0,8 мм
• Материал: инструменты с алмазным покрытием обеспечивают Ra ≤ 0,1 μm

5.2 Параметры резания

• Скорость: при увеличении скорости поверхность становится более гладкой
• Подача: меньшая подача улучшает гладкость, но снижает производительность
• Глубина резания: 0,1~0,2 мм для чистовой обработки

5.3 Факторы заготовки

• Плотность графита: при большей плотности шероховатость снижается
• Пропитка: высокая пористость приводит к появлению «пор» после обработки
• Анизотропия: свойства отличаются вдоль и поперек направления прессования

5.4 Факторы станка

• Биение шпинделя: ≤ 1 μm
• Точность подачи: ≤ 2 μm
• Жесткость: высокая жесткость снижает вибрации и улучшает качество поверхности

6. Типичные проблемы и решения

6.1 Пятнистость поверхности

Симптом: периодические полосы или пятна.

Причина: вибрация инструмента, недостаточная жесткость станка.

Решение: уменьшить глубину резания, увеличить скорость, проверить крепление инструмента.

6.2 Отломы кромок

Симптом: сколы на кромках.

Причина: чрезмерный угол задней поверхности, ударные нагрузки.

Решение: уменьшить угол задней поверхности, использовать дугообразный вход, добавить опору.

6.3 Поры

Симптом: мелкие отверстия на поверхности.

Причина: недостаточная пропитка, высокая пористость.

Решение: улучшить пропитку, увеличить давление пропитки.

6.4 Царапины

Симптом: глубокие направленные царапины.

Причина: загрязненная охлаждающая жидкость, изношенный инструмент.

Решение: проверить инструмент, фильтровать охлаждающую жидкость.

Заключение

Контроль шероховатости поверхности для графитовых уплотнений — это системная инженерная задача, охватывающая материал, процесс, оборудование и инспекцию. Компания Huahao Sealing Co., Ltd. разработала полную систему обеспечения шероховатости с жесткими технологическими требованиями на каждом этапе — от пропитки до притирки. Мы предоставляем отчеты по контролю шероховатости и консультации по процессам; пожалуйста, свяжитесь с нашей инженерной командой.