機(jī)械密封環(huán)端面流體動(dòng)壓槽的加工方法
1引言
接觸式機(jī)械密封在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)腐魂，動(dòng)環(huán)和靜環(huán)的接觸面要摩擦生熱册踩，對于高PV值系統(tǒng)，摩擦熱在密封面上造成高溫，會(huì)使磨損和熱變形增大;當(dāng)溫度超過一定值時(shí)流码，潤滑膜汽化，摩擦和磨損加劇;如果溫度機(jī)械密封大大超過材料允許的使用溫度，則密封環(huán)可能產(chǎn)生熔融、膠合或熱裂等故障谴蔑，造成停工停產(chǎn)，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失或環(huán)境污染龟梦。因而隐锭，接觸式機(jī)械密封有必要利用流體動(dòng)壓效應(yīng)來提高密封的承載能力，減小摩擦计贰、磨損和漏損钦睡，提高密封的可靠性，延長密封的壽命躁倒。利用流體動(dòng)壓效應(yīng)的通常做法是在摩擦副的一個(gè)密封面上開設(shè)某種形狀的流體動(dòng)壓槽荞怒。在這些流槽的作用下洒琢，普通的接觸式密封變成機(jī)械密封件流體動(dòng)壓非接觸式密封。這些流槽能起流體動(dòng)力潤滑作用褐桌，使密封端面脫離接觸衰抑，又能起密封作用防止泄漏。根據(jù)機(jī)械密封的工況條件荧嵌、工作參數(shù)及使用機(jī)械軸封要求停士，流槽可以設(shè)計(jì)成不同的平面圖形和截面槽形。平面圖形有人字槽完丽、八字槽、螺旋槽拇舀、圓弧槽逻族、直線槽等，截面槽形有梯形槽骄崩、方形槽聘鳞、V形槽、斜底槽等要拂。流槽按槽深可分為兩大類：一類是淺槽抠璃，深度在μm量級(jí);一類是深槽，深度在mm量級(jí)脱惰。不同深度的流槽作用機(jī)理不同搏嗡，淺槽的密封機(jī)理為流體動(dòng)壓效應(yīng)，而深槽的密封機(jī)理為熱流體動(dòng)力模效應(yīng)或流體動(dòng)壓墊效應(yīng)拉一。流槽的幾何參數(shù)對密封性能影響很大采盒，如槽深、槽數(shù)蔚润、槽徑比磅氨、入口角及槽面粗糙度等都直接關(guān)系到開啟力、泄漏量嫡纠、剛漏比烦租、端面溫升、摩擦系數(shù)等密封性能參數(shù)的大小除盏。μm級(jí)的淺流槽當(dāng)槽深僅差幾個(gè)μm時(shí)叉橱，泄漏量就會(huì)有很大的變化，因而精確設(shè)計(jì)和加工動(dòng)壓槽直接影響著機(jī)械密封的質(zhì)量痴颊。目前赏迟，我國的機(jī)械密封工業(yè)已有長足的發(fā)展，國產(chǎn)的機(jī)械密封產(chǎn)品正運(yùn)行在某些大型或關(guān)鍵的設(shè)備上蠢棱，有的還取代了進(jìn)口產(chǎn)品锌杀，累計(jì)運(yùn)行已達(dá)5年以上甩栈。但是要進(jìn)一步提高機(jī)械密封產(chǎn)品的檔次，還必須從設(shè)計(jì)糕再、材料量没、工藝等諸方面作許多工作，如密封環(huán)端面流體動(dòng)壓槽的加工問題便是其中突出的一個(gè)突想。
2密封材料
密封材料的性能直接關(guān)系到動(dòng)壓槽的加工殴蹄。在通常的情況下，摩擦副的硬環(huán)多選用WC硬質(zhì)合金制作猾担。因WC硬質(zhì)合金具備硬度較高袭灯、耐磨損性能較好、強(qiáng)度較高等特點(diǎn)绑嘹，所以是一種較好的密封材料稽荧。但是，隨著工業(yè)的發(fā)展工腋，機(jī)械設(shè)備的性能要求越來越高姨丈，工況條件可能是高壓、高速擅腰、高溫等蟋恬，而密封介質(zhì)又可能具有強(qiáng)腐蝕性或者含有磨料顆粒等，在這些情況下趁冈，WC硬質(zhì)合金就不是理想的密封材料了歼争。高參數(shù)的工況條件給機(jī)械密封的研制提出了新的要求，尤其是作為摩擦副硬質(zhì)材料的質(zhì)量應(yīng)達(dá)到更高的標(biāo)準(zhǔn)箱歧，如耐磨損性矾飞、耐腐蝕性、機(jī)械強(qiáng)度呀邢、耐熱性洒沦、自潤滑性、氣密性价淌、可加工性以及與之配對的材料無過大磨損和電化學(xué)腐蝕等申眼。而SiC陶瓷幾乎滿足了上述的所有要求，是近年開發(fā)并投入使用的新的硬質(zhì)密封材料蝉衣，在化工括尸、煉油、造紙病毡、汽車濒翻、原子能、航空、航天等各個(gè)工業(yè)部門的機(jī)械密封中有送，被越來越多地選為摩擦副材料淌喻。可以說雀摘，為適應(yīng)機(jī)械密封的發(fā)展裸删，新的密封材料會(huì)不斷地被開發(fā)。
3密封環(huán)端面流體動(dòng)壓槽的加工方法
密封環(huán)動(dòng)壓槽在非接觸機(jī)械密封中得到越來越多的應(yīng)用阵赠，但是動(dòng)壓槽的形狀復(fù)雜涯塔，結(jié)構(gòu)精細(xì)而精度高，粗糙度要求也嚴(yán)格清蚀，尤其是加工動(dòng)壓槽的密封環(huán)多是硬質(zhì)材料的匕荸，所以動(dòng)壓槽的加工困難很大，常規(guī)的機(jī)械加工法幾乎無能為力枷邪，因而每聪，人們探索了多種方法，主要有以下幾種：
3.1光刻法(化學(xué)腐蝕)
先在被刻槽的工件上涂以感光膠膜齿风，然后將事先準(zhǔn)備好的底片放于其上，經(jīng)曝光绑洛，顯影救斑，涂保護(hù)層，再在蝕刻液中浸蝕真屯，便可得到所需的動(dòng)壓槽脸候。這一方法在青銅上刻槽尚可，在硬質(zhì)合金上刻槽時(shí)绑蔫，由于膠膜在較高溫度下耐不住浸蝕液的的長時(shí)間腐蝕运沦，所以刻出的槽形質(zhì)量不高。
3.2電火花加工(電蝕刻)
該方法是利用兩個(gè)電極放電的方法配深，將動(dòng)壓槽內(nèi)待去除的材料蝕刻掉携添。該方法的關(guān)鍵是制作放電頭，放電頭端面結(jié)構(gòu)和密封環(huán)端面動(dòng)壓槽結(jié)構(gòu)相同篓叶，但圖案是突出的烈掠。密封環(huán)和放電頭分別作兩個(gè)電極通電，當(dāng)兩個(gè)端面接觸時(shí)缸托，產(chǎn)生放電左敌，密封環(huán)端面動(dòng)壓槽部位的材料即被蝕刻掉。不過這一方法要求電介質(zhì)性能要好俐镐，放電頭端面與密封環(huán)端面要平行等矫限，以取得均勻放電的效果，否則各槽的槽深將難以保證。這一方法的缺點(diǎn)是加工放電頭困難;電蝕刻的效率太低叼风，否則放電頭損耗又較大;加工成本高;效果也欠佳;同時(shí)電加工產(chǎn)生的表面應(yīng)力造成的微裂紋會(huì)使材料的強(qiáng)度降低取董。
3.3電鍍法
這一方法是將密封環(huán)端面動(dòng)壓槽以外的部位鍍上一層硬質(zhì)材料，從而制成動(dòng)壓槽的圖案咬扇。這一方法的使用條件首先槽要淺甲葬，其次被鍍端面必須是能夠電鍍的材料，而且鍍層要致密懈贺，和被鍍面結(jié)合強(qiáng)度要足夠高经窖。同時(shí)電鍍過程中被鍍件懸掛要正確，否則不同部位的鍍層厚度誤差將加大梭灿，造成槽深的不均勻画侣，這樣也破壞了密封環(huán)兩個(gè)端面的極高的平行度。
3.4噴砂法
這一方法首先要制造噴沙掩膜堡妒，掩膜上開孔的圖案同于動(dòng)壓槽結(jié)構(gòu)配乱。當(dāng)掩膜置于密封件端面上時(shí)，端面上動(dòng)壓槽以外的部位被蓋住皮迟，露出的部位的材料被高能噴沙去除搬泥，形成一定深度的動(dòng)壓槽。這一方法的技術(shù)關(guān)鍵在于掩膜材料的選擇伏尼、掩膜的制造忿檩、掩膜與密封環(huán)端面的貼合及噴砂工藝的掌握等。噴沙方法的問題是制造精度較低爆阶，加工的動(dòng)壓槽的邊緣不齊燥透，尖角等精細(xì)部位的失真嚴(yán)重，截面槽形不好辨图，噴砂面粗糙等班套，這些都會(huì)影響槽線的流體動(dòng)壓效果及密封特性。
3.5激光加工法
激光加工是利用激光的高能量故河，進(jìn)行工業(yè)熱加工的一種方法吱韭。該方法用于材料去除的實(shí)用化加工有切割、打孔鱼的、動(dòng)平衡杉女、打標(biāo)等，此時(shí)激光的功率密度可以高達(dá)107W/cm2以上鸳吸，任何材料都能在極短的時(shí)間內(nèi)被汽化熏挎、熔化而被去除。用激光加工密封環(huán)動(dòng)壓槽的工藝實(shí)際上是激光打標(biāo)晌砾，這是一項(xiàng)較新的工作坎拐，筆者曾作了較深入地研究并取得了較好的效果，故作較多的介紹。
激光打標(biāo)就是利用激光束照射工件表面哼勇，雕刻上所需要的圖形標(biāo)記都伪。雕刻效應(yīng)是通過表層物質(zhì)的蒸發(fā)，暴露出深層物質(zhì)积担。與傳統(tǒng)的雕刻技術(shù)相比陨晶，激光打標(biāo)適用面廣，對不同材料帝璧、不同形狀的加工表面均適合先誉，具有工件無機(jī)械變形、無污染的烁，速度快褐耳、重復(fù)性好、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)渴庆，在工業(yè)铃芦、國防、科研等許多領(lǐng)域具有廣泛的用途襟雷。在激光打標(biāo)方法中刃滓，掃描方式適應(yīng)任意圖形和任意批量的加工，本文所采用的就是這種方式耸弄。在采用掃描方式打標(biāo)的系統(tǒng)中注盈，計(jì)算機(jī)對圖形的處理可以采用點(diǎn)陣和矢量兩種方式。經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)叙赚，點(diǎn)陣方式速度較慢，而且圖形放大時(shí)邊界不光滑僚饭，所以我們采用了使用矢量方式的激光打標(biāo)系統(tǒng)[1]震叮。矢量方式最大的特點(diǎn)是用矢量(有方線段)來表示圖形，采用計(jì)算機(jī)高級(jí)圖形系統(tǒng)對圖形進(jìn)行處理鳍鸵，具有作圖效率高苇瓣、圖形精度高、可無失真和無變形地任意放大和縮小圖形的功能偿乖，故能保證激光加工密封環(huán)端面動(dòng)壓槽的速度和質(zhì)量击罪。
3.5.1激光打標(biāo)系統(tǒng)的組成
激光打標(biāo)系統(tǒng)由激光部分、振鏡掃描頭贪薪、控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)等多部分組成媳禁。激光部分由固體激光器和激光電源組成，連續(xù)泵浦画切，然后再聲光調(diào)Q竣稽。工作物質(zhì)為Nd:YAG，波長為1.06μm。掃描頭由能在X毫别、Y二維方向進(jìn)行有序振動(dòng)的振鏡和平場聚焦鏡組成娃弓。刻線線寬小于100μm岛宦，分辨率是1.7μm台丛，完全滿足打標(biāo)和雕刻的要求±危控制系統(tǒng)通過控制軟件控制整個(gè)激光打標(biāo)系統(tǒng)挽霉，其原理是：控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)將編輯好的圖形轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，按一定的頻率分別傳送到振鏡和激光器债沮，在一系列信號(hào)的控制下炼吴，振鏡在X、Y二維進(jìn)行有序振動(dòng)疫衩，使激光點(diǎn)掃描出相應(yīng)的圖形硅蹦，與此同時(shí)激光器在電信號(hào)的控制下，發(fā)出一定頻率和能量的激光脈沖闷煤，將激光焦斑掃描出的圖形刻蝕在工件上童芹。作為一臺(tái)高性能的激光打標(biāo)機(jī)，控制軟件非常重要鲤拿，該機(jī)打標(biāo)控制軟件是一功能較強(qiáng)的軟件假褪，用它不但可以進(jìn)行手工編程，而且可以接受一些基礎(chǔ)繪圖軟件處理的矢量圖形近顷，主要是*.PLT矢量格式的文件生音。此外該軟件的圖形界面非常方便，可以在顯示器屏幕上真實(shí)地顯示*.PLT的矢量圖形窒升，并可通過鍵盤或菜單輸入命令缀遍，選擇、修改圖形饱须，如大小變換域醇、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)鏡像蓉媳、成組等譬挚，同時(shí)可以對屏幕上不同的圖形選擇不同的工藝參數(shù)以達(dá)到不同層次的雕刻。外設(shè)計(jì)算機(jī)用以完成激光打標(biāo)圖形的掃描或編程酪呻，使用Core1DRAW圖形設(shè)計(jì)軟件减宣，作為動(dòng)壓槽零件圖生成加工軟件的工具，文件為*.PLT矢量格式玩荠。
系統(tǒng)主要性能參數(shù)如下：YAG激光器功率為100W;Q調(diào)制頻率范圍為1～50kHz;調(diào)制后輸出功率為1～47W;焦斑直徑為50～150μm;位置精度為0.1%(光束);重復(fù)定位精度為士25μm(工作臺(tái));打標(biāo)速度為0～3000mm/s;打標(biāo)范圍為114×114mm蚪腋。
3.5.2SiC陶瓷矢量方式激光打標(biāo)工藝概述
打標(biāo)過程是用計(jì)算機(jī)控制掃描振鏡丰歌，使高度聚焦的激光束在工件上移動(dòng)掃描。激光焦斑的重疊狀態(tài)影響激光束對工件材料的作用屉凯，重疊量由焦斑大小立帖、掃描速度和頻率Q來決定。動(dòng)壓槽圖形是由許多等距的平行矢量組成的悠砚，矢量的距離(填充率晓勇，單位：英)可任意設(shè)定，各矢量的長度以槽的邊緣為界灌旧。連續(xù)的YAG激光被Q調(diào)制后產(chǎn)生了一系列的激光脈沖绑咱，安裝于X、Y掃描頭里的檢流計(jì)用來控制激光脈沖沿著圖形的矢量路徑進(jìn)行打標(biāo)枢泰，其過程是這樣的：在矢量的始端光閘開描融，打標(biāo)開始，在矢量的末端光閘關(guān)衡蚂，打標(biāo)結(jié)束窿克，同時(shí)光束跳躍，到達(dá)下一矢量的始端毛甲，開始新的打標(biāo)年叮，直到整個(gè)動(dòng)壓槽圖形被矢量填滿為止。最后玻募，激光沿槽的邊緣掃描一周只损，以消除相鄰矢量因長度不等造成的不光滑。如果深度不夠七咧，可重復(fù)多遍進(jìn)行掃描跃惫。在矢量方式激光打標(biāo)時(shí)，主要工藝參數(shù)有激光功率艾栋、開關(guān)頻率Q爆存、打標(biāo)速度和填充率、打標(biāo)延遲裹粤、跳躍延遲、激光開/關(guān)延遲等蜂林。各工藝參數(shù)對加工質(zhì)量都有較大的影響遥诉，對不同的材料都要進(jìn)行工藝實(shí)驗(yàn)，以期取得加工動(dòng)壓槽最佳的工藝數(shù)據(jù)噪叙。筆者曾對SiC陶瓷材料作過深入地研究矮锈，得到了有關(guān)的工藝數(shù)據(jù)，加工出符合要求的SiC陶瓷密封環(huán)端面動(dòng)壓槽睁蕾。
3.5.3激光打標(biāo)加工SiC陶瓷密封環(huán)動(dòng)壓槽
對任意形狀的SiC陶瓷密封動(dòng)壓槽本系統(tǒng)都能編程與加工苞笨，而且能達(dá)到相當(dāng)高的精度债朵，用激光加工的動(dòng)壓槽，深度范圍很大瀑凝，而且槽深精度可控序芦，從而滿足了淺槽和深槽這兩種類型的需要，為機(jī)械密封的設(shè)計(jì)和研制提供了范圍很廣的選擇條件;加工面比較光潔粤咪，粗糙度很低谚中，槽口的邊緣整齊，尖角部位清晰寥枝，沒有毛刺宪塔，這樣不但延長了與之配對的軟環(huán)的壽命，而且也提高了流槽的動(dòng)壓效果;可以精確地保證動(dòng)壓槽圓心所在圓與密封環(huán)內(nèi)孔的同心度囊拜，使密封性和可靠性提高;工程陶瓷多為硬脆材料某筐，適合用激光加工，但經(jīng)激光加工的陶瓷構(gòu)件冠跷，容易產(chǎn)生加工裂紋和變質(zhì)層南誊，使強(qiáng)度大大降低，限制了實(shí)際應(yīng)用蔽莱，對于機(jī)械密封環(huán)則要求更高一些弟疆，產(chǎn)生加工裂紋是絕對不允許的。筆者曾對結(jié)構(gòu)陶瓷進(jìn)行過消除激光加工缺陷的研究[2～4]盗冷，本工作采用了相關(guān)的結(jié)論怠苔，使加工的動(dòng)壓槽較為理想，用電鏡×2000以上的倍率觀察仪糖，都沒有發(fā)現(xiàn)裂紋柑司。
用激光打標(biāo)加工的SiC陶瓷密封環(huán)動(dòng)壓槽的形狀、法向?qū)挾裙啊⒉坌螆A心所在圓直徑攒驰、槽長限界外圓直徑、槽長限界內(nèi)圓直徑故爵、槽數(shù)均可達(dá)到任意值玻粪，槽深范圍：幾μm～幾百μm任意;槽面粗糙度：Ra≤1.6～0.4μm;槽形圓心所在圓與密封環(huán)內(nèi)孔的同心度：0.1mm;用激光打標(biāo)加工的SiC陶瓷密封環(huán)端面動(dòng)壓槽的樣件掃描圖見圖1。
作者：嘉善日益機(jī)械密封件廠
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關(guān)鍵詞：機(jī)械密封诬垂，機(jī)械密封件劲室，機(jī)械軸封