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)，動(dòng)環(huán)和靜環(huán)的接觸面要摩擦生熱，對(duì)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)，潤(rùn)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，造成停工停產(chǎn)，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失或環(huán)境污染。因而，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、磨損和漏損，提高密封的可靠性，延長(zhǎng)密封的壽命。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。在這些流槽的作用下，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(rùn)滑作用，使密封端面脫離接觸，又能起密封作用防止泄漏。根據(jù)機(jī)械密封的工況條件、工作參數(shù)及使用機(jī)械軸封要求，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、八字槽、螺旋槽、圓弧槽、直線槽等，截面槽形有梯形槽、方形槽、V形槽、斜底槽等。流槽按槽深可分為兩大類：一類是淺槽，深度在μm量級(jí);一類是深槽，深度在mm量級(jí)。不同深度的流槽作用機(jī)理不同，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)。流槽的幾何參數(shù)對(duì)密封性能影響很大，如槽深、槽數(shù)、槽徑比、入口角及槽面粗糙度等都直接關(guān)系到開啟力、泄漏量、剛漏比、端面溫升、摩擦系數(shù)等密封性能參數(shù)的大小。μm級(jí)的淺流槽當(dāng)槽深僅差幾個(gè)μm時(shí)，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。目前，我國(guó)的機(jī)械密封工業(yè)已有長(zhǎng)足的發(fā)展，國(guó)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，有的還取代了進(jìn)口產(chǎn)品，累計(jì)運(yùn)行已達(dá)5年以上。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)、材料、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)。

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。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。因WC硬質(zhì)合金具備硬度較高、耐磨損性能較好、強(qiáng)度較高等特點(diǎn)，所以是一種較好的密封材料。但是，隨著工業(yè)的發(fā)展，機(jī)械設(shè)備的性能要求越來越高，工況條件可能是高壓、高速、高溫等，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，WC硬質(zhì)合金就不是理想的密封材料了。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)，如耐磨損性、耐腐蝕性、機(jī)械強(qiáng)度、耐熱性、自潤(rùn)滑性、氣密性、可加工性以及與之配對(duì)的材料無過大磨損和電化學(xué)腐蝕等。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，在化工、煉油、造紙、汽車、原子能、航空、航天等各個(gè)工業(yè)部門的機(jī)械密封中，被越來越多地選為摩擦副材料。可以說，為適應(yīng)機(jī)械密封的發(fā)展，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，但是動(dòng)壓槽的形狀復(fù)雜，結(jié)構(gòu)精細(xì)而精度高，粗糙度要求也嚴(yán)格，尤其是加工動(dòng)壓槽的密封環(huán)多是硬質(zhì)材料的，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，因而，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，然后將事先準(zhǔn)備好的底片放于其上，經(jīng)曝光，顯影，涂保護(hù)層，再在蝕刻液中浸蝕，便可得到所需的動(dòng)壓槽。這一方法在青銅上刻槽尚可，在硬質(zhì)合金上刻槽時(shí)，由于膠膜在較高溫度下耐不住浸蝕液的的長(zhǎng)時(shí)間腐蝕，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，將動(dòng)壓槽內(nèi)待去除的材料蝕刻掉。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，但圖案是突出的。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)，產(chǎn)生放電，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，放電頭端面與密封環(huán)端面要平行等，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，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。

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。這一方法的使用條件首先槽要淺，其次被鍍端面必須是能夠電鍍的材料，而且鍍層要致密，和被鍍面結(jié)合強(qiáng)度要足夠高。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，造成槽深的不均勻，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，掩膜上開孔的圖案同于動(dòng)壓槽結(jié)構(gòu)。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，露出的部位的材料被高能噴沙去除，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、掩膜的制造、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，加工的動(dòng)壓槽的邊緣不齊，尖角等精細(xì)部位的失真嚴(yán)重，截面槽形不好，噴砂面粗糙等，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，進(jìn)行工業(yè)熱加工的一種方法。該方法用于材料去除的實(shí)用化加工有切割、打孔、動(dòng)平衡、打標(biāo)等，此時(shí)激光的功率密度可以高達(dá)107W/cm2以上，任何材料都能在極短的時(shí)間內(nèi)被汽化、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)，這是一項(xiàng)較新的工作，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，雕刻上所需要的圖形標(biāo)記。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)。與傳統(tǒng)的雕刻技術(shù)相比，激光打標(biāo)適用面廣，對(duì)不同材料、不同形狀的加工表面均適合，具有工件無機(jī)械變形、無污染，速度快、重復(fù)性好、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，在工業(yè)、國(guó)防、科研等許多領(lǐng)域具有廣泛的用途。在激光打標(biāo)方法中，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。在采用掃描方式打標(biāo)的系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)對(duì)圖形的處理可以采用點(diǎn)陣和矢量?jī)煞N方式。經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，點(diǎn)陣方式速度較慢，而且圖形放大時(shí)邊界不光滑，所以我們采用了使用矢量方式的激光打標(biāo)系統(tǒng)[1]。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(duì)圖形進(jìn)行處理，具有作圖效率高、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，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。

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、控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)等多部分組成。激光部分由固體激光器和激光電源組成，連續(xù)泵浦，然后再聲光調(diào)Q。工作物質(zhì)為Nd:YAG，波長(zhǎng)為1.06μm。掃描頭由能在X、Y二維方向進(jìn)行有序振動(dòng)的振鏡和平場(chǎng)聚焦鏡組成?？叹€線寬小于100μm，分辨率是1.7μm，完全滿足打標(biāo)和雕刻的要求?？刂葡到y(tǒng)通過控制軟件控制整個(gè)激光打標(biāo)系統(tǒng)，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，在一系列信號(hào)的控制下，振鏡在X、Y二維進(jìn)行有序振動(dòng)，使激光點(diǎn)掃描出相應(yīng)的圖形，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，將激光焦斑掃描出的圖形刻蝕在工件上。作為一臺(tái)高性能的激光打標(biāo)機(jī)，控制軟件非常重要，該機(jī)打標(biāo)控制軟件是一功能較強(qiáng)的軟件，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，主要是*.PLT矢量格式的文件。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，并可通過鍵盤或菜單輸入命令，選擇、修改圖形，如大小變換、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)鏡像、成組等，同時(shí)可以對(duì)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，使用Core1DRAW圖形設(shè)計(jì)軟件，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。

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。

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，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(duì)工件材料的作用，重疊量由焦斑大小、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，矢量的距離(填充率，單位：英)可任意設(shè)定，各矢量的長(zhǎng)度以槽的邊緣為界。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，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)，其過程是這樣的：在矢量的始端光閘開，打標(biāo)開始，在矢量的末端光閘關(guān)，打標(biāo)結(jié)束，同時(shí)光束跳躍，到達(dá)下一矢量的始端，開始新的打標(biāo)，直到整個(gè)動(dòng)壓槽圖形被矢量填滿為止。最后，激光沿槽的邊緣掃描一周，以消除相鄰矢量因長(zhǎng)度不等造成的不光滑。如果深度不夠，可重復(fù)多遍進(jìn)行掃描。在矢量方式激光打標(biāo)時(shí)，主要工藝參數(shù)有激光功率、開關(guān)頻率Q、打標(biāo)速度和填充率、打標(biāo)延遲、跳躍延遲、激光開/關(guān)延遲等。各工藝參數(shù)對(duì)加工質(zhì)量都有較大的影響，對(duì)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)。筆者曾對(duì)SiC陶瓷材料作過深入地研究，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。

3.5.3激光打標(biāo)加工SiC陶瓷密封環(huán)動(dòng)壓槽

對(duì)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，而且能達(dá)到相當(dāng)高的精度，用激光加工的動(dòng)壓槽，深度范圍很大，而且槽深精度可控，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，粗糙度很低，槽口的邊緣整齊，尖角部位清晰，沒有毛刺，這樣不但延長(zhǎng)了與之配對(duì)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，使密封性和可靠性提高;工程陶瓷多為硬脆材料，適合用激光加工，但經(jīng)激光加工的陶瓷構(gòu)件，容易產(chǎn)生加工裂紋和變質(zhì)層，使強(qiáng)度大大降低，限制了實(shí)際應(yīng)用，對(duì)于機(jī)械密封環(huán)則要求更高一些，產(chǎn)生加工裂紋是絕對(duì)不允許的。筆者曾對(duì)結(jié)構(gòu)陶瓷進(jìn)行過消除激光加工缺陷的研究[2～4]，本工作采用了相關(guān)的結(jié)論，使加工的動(dòng)壓槽較為理想，用電鏡×2000以上的倍率觀察，都沒有發(fā)現(xiàn)裂紋。

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)挾取⒉坌螆A心所在圓直徑、槽長(zhǎng)限界外圓直徑、槽長(zhǎng)限界內(nèi)圓直徑、槽數(shù)均可達(dá)到任意值，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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