秦杰1 王志刚2 张雨前3
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摘 要： 本文根据多年金属密封件的研究和制作经验，系统地介绍了金属螺旋挡圈类零件的工艺制作技术，从材料制备到零部件出厂检验，整个生产工艺过程进行了阐述，围绕材料制备、压台阶的通用方案和热处理方案几个关键点展开重点论述。通过此文可以清楚地了解螺旋挡圈的工艺过程，对螺旋挡圈的工艺制定具有指导意义。
关键词： 螺旋挡圈；工艺技术；
1、引言
螺旋挡圈（Spiral Retaining Ring)，也称螺旋弹性挡圈，由扁平金属丝线卷制而成，经热处理、表面处理，具有良好的弹性和韧性。因为没有带凸耳，所以一般用于空间受限的场合。分轴用和孔用、双圈及多圈，用于轴向定位。螺旋挡圈广泛应用于液压件装配、阀门、仪表、各种锁心组件、滚针轴承、皮带轮、连接器、快速接头及其他机械装配，在航空发动机领域也得到很好的应用。
螺旋挡圈可选用多种材料制作，如弹簧钢，不锈钢，铜及其他金属材料均可方便的生产，目前市场上常用的螺旋挡圈材料为65Mn，不锈钢304（美国常用302），316，17-7PH，有些场合会用到铍青铜合金以及高温合金等材料。
2、金属螺旋挡圈工艺路线概述
金属螺旋挡圈工艺路线根据材料不同，有部分差别。
对于奥氏体不锈钢材料，无法进行热处理强化，只能靠冷作硬化进行强化，因为设计有硬度要求（HRC42~52），故工艺路线如下：
奥氏体不锈钢圆丝-辊轧拉拔制坯-绕圆-切断-压台阶-冲缺口-磨内孔（外圆）-双面磨-校正-检验-包装入库；
对于可以热处理强化的其它材料，如GH2132等，工艺路线中需要增加热处理工序，工艺路线如下：
圆丝-辊轧拉拔制坯-辊圆-切断-压台阶-冲缺口-热处理-磨内孔（外圆）-双面磨-校正-检验-包装入库。
3. 金属螺旋挡圈工艺分析
3.1 绕圆料坯的计算:
绕圆需要料坯规格由最终设计图纸决定，同时需要考虑以下两个因素：
1）磨内外孔及双面余量及变形情况。
2）绕圆过程中材料变厚和变薄情况。
反向推算出绕圆需要的材料截面尺寸。
某航空公司订单零件A-150为例进行计算和说明，材料为1Cr18Ni9Ti的孔用螺旋挡圈，设计要求双圈挡圈，T=1.32，除以2，得到单板厚0.66；W=3.33。
查机加工手册半精磨加工余量也最小是0.1，因为材料本身厚度小，所以按最小量选取磨量0.1，外圆加余量0.3，由此得到需方形截面为3.63×0.76
最后考虑A150零件材料在绕圆过程中变厚和变薄的情况，在绕圆过程中外圆周周长增长，材料变薄，内圆周周长缩短，材料变厚。变厚变薄量根据中性层体积不变原理进行计算。内厚=中性层周长×材料厚度/内周长=中性层直径×材料厚度/内直径=（A-W）×t/（A-2W）=（54.81-3.33）×0.66/（54.81-6.66）=0.71,内层增厚0.05；用同样方法计算出外层减薄0.05，内外层相差0.1，我们得到绕圆前需要的截面形状为梯形截面为3.63×（0.81+0.71），绕圆前毛坏做成梯形形状，绕圆时厚度大的一边在外圆方向，绕圆出来后能保证内外厚度基本一致。
3.2 订购材料规格计算：
材料规格确定需要分两种情况：一种是可以热处理强化的材料，如65Mn、高温合金等；另一种是不能热处理强化的奥氏体不锈钢，需要冷作硬化，要考虑在拉拔过程中有足够变形量，能够达到通过冷作硬化达到设计硬度要求：
第一种可以热处理强化的材料，用圆丝辊轧拉拔成梯形截面，面积基本不变或稍微减小一点（5%左右）如表一中B161，计算直径3.14×D2/4=4.1×0.76×1.05,得到D=2.05。
第二种奥氏体不锈钢材料，计算要复杂一些，同样是用圆丝辊轧拉拔成梯形截面，但必须保证冷变形量，截面必须缩小比较多。
首先第一步必须确定冷变形量，以某航企业订单中的零件A-150为例进行计算和说明，材料为1Cr18Ni9Ti的孔用螺旋挡圈，热处理硬度要求：HRC42-HRC52，按标准对照表对应的强度1320-1775 MPa。根据表一中标准资料，材料为1Cr18Ni9Ti要达到这个抗拉强度，需要76℃，40%冷变形，材料抗拉强度可达到1543.5 MPa，所以冷变形量必须大于40%。
表一：1Cr18Ni9Ti冷变形量及温度对材料性能的影响
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3.3 绕圆料坯的制备：
将订购的圆丝采用辊轧拉拔生产线进行加工。辊轧拉拔生产线由五组横向轧辊、三组侧向轧辊、一套拉拔装置和一套扁丝盘圆装置组成。可以将圆丝加工成定厚、定宽、截面为矩形或梯形的盘圆扁丝。加工的扁丝厚度精度可以控制在0.005以内，宽度精度可以控制在0.01以内，表面粗糙度在3.2以上。经过实际检测，奥氏体不锈钢圆丝通过辊轧拉拔得到的盘圆扁丝，其表面硬度为HRC42~45,满足设计要求。
3.4 绕圆：
将盘圆扁丝送入数控绕圆机进行绕制, 绕制时需要控制两个主要参数,一是螺距,螺距太小绕制不开, 螺距太大,绕出来的零件两面不贴合,一般地,螺距取材料厚度的一倍进行试绕,根据试绕情况进行调整,如果两面不贴合，适当减小螺距。二是外圆直径,这个根据数控机床参数进行试绕,也是要进行细致调整的，绕圆可以根据零件大小，一次绕出十几个至几十个零件，绕圆后再按零件长度进行切断。绕圆后应保证层间紧密贴合，自由状态下层间间隙不大于0.1；绕圆的直径公差应保证在0.5以内。
3.5 压台阶:
压台阶采用模具在冲床上进行压制，效率很高，为了减少模具费用，需要对模具进行通用性设计，对于上表中的几种零件，压制台阶深度均等于料厚度，由前面论述，材料厚度规格有0.45，0.62，0.92，1.06，1.25五种规格，采用在模具上设计可替换标准垫块的方式做成一套通用模具，模具结构简图如下图所示,通过更换件号10压板，来调整压台阶的高度。
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①模柄 ②上模板 ③挡板 ④弹性垫板 ⑤上压板 ⑥上模 ⑦下模 ⑧下模板 ⑨挡板 ⑩可换垫板 ⑾下压板 ⑿顶杆
3.6 冲缺口:
冲缺口也是采用模具在冲床上进行，如果尺寸L相同，N不同，可以在模具上设计定位板，通过调整定位尺寸用一套模具进行冲缺口，如果L尺寸不一样，就没有办法通用了，下表中L尺寸有五种，需要的零件做五套冲缺口的小模具，才能满足设计要求。
3.7 热处理:
对于除了奥氏体不锈钢以处的其它材料，基本都可以用热处理来提高硬度，表一下部中六种零件，材料都是GH2132高温合金，设计要求热处理硬度HRC42-52，根据研究资料介绍热处理方案为：982℃×1h固溶＋718℃×1h时效。
3.8磨内孔（或外圆）
孔用螺旋挡圈需要磨外圆，轴用螺旋挡圈需要麻内孔，来保证装配和图纸要求。
3.9 双面磨
为了保证两片厚度一致，需要用到双面磨工艺，就是两面同时进给，保证两面的磨削量一致。
3.10校正
将加工好的零件手工锐角倒圆，校正零件加工过程的变形。
3.11检验、包装入库
依据设计图和标准要求，对零件进行检验，出具检验报告，最后采用袋装法包装入库。
4、结束语
按照上述工艺过程及技术要点生产了多款螺旋挡圈零件，经反复试装和机台长试验证，产品尺寸稳定性完全符合设计要求，综合机械性能优良，能够满足航空发动机的使用要求。
参考文献：
[1] GJB3320-98航空用不锈钢弹簧钢丝规范，中华人民共和国国家军用标准
[2] GJB3167-98冷墩用高温合金冷拉丝材规范，中华人民共和国国家军用标准
[3] Q/8S 1316.2-2013孔用螺旋挡圈中航工业航空动力机械研究所标准
[4] Q/8S 1316.3-2013轴用螺旋挡圈中航工业航空动力机械研究所标准