機械密封環(huán)端面流體動(dòng)壓槽的加工方法

1引言

接觸式機械密封在運轉時(shí)，動(dòng)環(huán)和靜環(huán)的接觸面要摩擦生熱，對于高PV值系統，摩擦熱在密封面上造成高溫，會(huì )使磨損和熱變形增大;當溫度超過(guò)一定值時(shí)，潤滑膜汽化，摩擦和磨損加劇;如果溫度機械密封大大超過(guò)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(lái)巨大的經(jīng)濟損失或環(huán)境污染。因而，接觸式機械密封有必要利用流體動(dòng)壓效應來(lái)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(cháng)密封的壽命。利用流體動(dòng)壓效應的通常做法是在摩擦副的一個(gè)密封面上開(kāi)設某種形狀的流體動(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，使密封端面脫離接觸，又能起密封作用防止泄漏。根據機械密封的工況條件、工作參數及使用機械軸封要求，流槽可以設計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(xiàn)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(lèi)：一類(lèi)是淺槽，深度在μm量級;一類(lèi)是深槽，深度在mm量級。不同深度的流槽作用機理不同，淺槽的密封機理為流體動(dòng)壓效應，而深槽的密封機理為熱流體動(dòng)力模效應或流體動(dòng)壓墊效應。流槽的幾何參數對密封性能影響很大，如槽深、槽數、槽徑比、入口角及槽面粗糙度等都直接關(guān)系到開(kāi)啟力、泄漏量、剛漏比、端面溫升、摩擦系數等密封性能參數的大小。μm級的淺流槽當槽深僅差幾個(gè)μm時(shí)，泄漏量就會(huì )有很大的變化，因而精確設計和加工動(dòng)壓槽直接影響著(zhù)機械密封的質(zhì)量。目前，我國的機械密封工業(yè)已有長(cháng)足的發(fā)展，國產(chǎn)的機械密封產(chǎn)品正運行在某些大型或關(guān)鍵的設備上，有的還取代了進(jìn)口產(chǎn)品，累計運行已達5年以上。但是要進(jìn)一步提高機械密封產(chǎn)品的檔次，還必須從設計、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(wèn)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、強度較高等特點(diǎn)，所以是一種較好的密封材料。但是，隨著(zhù)工業(yè)的發(fā)展，機械設備的性能要求越來(lái)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。高參數的工況條件給機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)量應達到更高的標準，如耐磨損性、耐腐蝕性、機械強度、耐熱性、自潤滑性、氣密性、可加工性以及與之配對的材料無(wú)過(guò)大磨損和電化學(xué)腐蝕等。而SiC陶瓷幾乎滿(mǎn)足了上述的所有要求，是近年開(kāi)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(chē)、原子能、航空、航天等各個(gè)工業(yè)部門(mén)的機械密封中，被越來(lái)越多地選為摩擦副材料?？梢哉f(shuō)，為適應機械密封的發(fā)展，新的密封材料會(huì )不斷地被開(kāi)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)壓槽在非接觸機械密封中得到越來(lái)越多的應用，但是動(dòng)壓槽的形狀復雜，結構精細而精度高，粗糙度要求也嚴格，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，常規的機械加工法幾乎無(wú)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，然后將事先準備好的底片放于其上，經(jīng)曝光，顯影，涂保護層，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(cháng)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，放電頭端面結構和密封環(huán)端面動(dòng)壓槽結構相同，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(guò)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)生的表面應力造成的微裂紋會(huì )使材料的強度降低。

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，和被鍍面結合強度要足夠高。同時(shí)電鍍過(guò)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(kāi)孔的圖案同于動(dòng)壓槽結構。當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?chē)娚橙コ?，形成一定深度的?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(wèn)題是制造精度較低，加工的動(dòng)壓槽的邊緣不齊，尖角等精細部位的失真嚴重，截面槽形不好，噴砂面粗糙等，這些都會(huì )影響槽線(xiàn)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、打標等，此時(shí)激光的功率密度可以高達107W/cm2以上，任何材料都能在極短的時(shí)間內被汽化、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，這是一項較新的工作，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。

激光打標就是利用激光束照射工件表面，雕刻上所需要的圖形標記。雕刻效應是通過(guò)表層物質(zhì)的蒸發(fā)，暴露出深層物質(zhì)。與傳統的雕刻技術(shù)相比，激光打標適用面廣，對不同材料、不同形狀的加工表面均適合，具有工件無(wú)機械變形、無(wú)污染，速度快、重復性好、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，在工業(yè)、國防、科研等許多領(lǐng)域具有廣泛的用途。在激光打標方法中，掃描方式適應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的系統中，計算機對圖形的處理可以采用點(diǎn)陣和矢量?jì)煞N方式。經(jīng)實(shí)驗發(fā)現，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系統[1]。矢量方式最大的特點(diǎn)是用矢量(有方線(xiàn)段)來(lái)表示圖形，采用計算機高級圖形系統對圖形進(jìn)行處理，具有作圖效率高、圖形精度高、可無(wú)失真和無(wú)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激光打標系統的組成

激光打標系統由激光部分、振鏡掃描頭、控制系統和計算機等多部分組成。激光部分由固體激光器和激光電源組成，連續泵浦，然后再聲光調Q。工作物質(zhì)為Nd:YAG，波長(cháng)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€(xiàn)線(xiàn)寬小于100μm，分辨率是1.7μm，完全滿(mǎn)足打標和雕刻的要求?？刂葡到y通過(guò)控制軟件控制整個(gè)激光打標系統，其原理是：控制系統的計算機將編輯好的圖形轉換成電信號，按一定的頻率分別傳送到振鏡和激光器，在一系列信號的控制下，振鏡在X、Y二維進(jìn)行有序振動(dòng)，使激光點(diǎn)掃描出相應的圖形，與此同時(shí)激光器在電信號的控制下，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。作為一臺高性能的激光打標機，控制軟件非常重要，該機打標控制軟件是一功能較強的軟件，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(guò)鍵盤(pán)或菜單輸入命令，選擇、修改圖形，如大小變換、移動(dòng)、旋轉鏡像、成組等，同時(shí)可以對屏幕上不同的圖形選擇不同的工藝參數以達到不同層次的雕刻。外設計算機用以完成激光打標圖形的掃描或編程，使用Core1DRAW圖形設計軟件，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。

系統主要性能參數如下：YAG激光器功率為100W;Q調制頻率范圍為1～50kHz;調制后輸出功率為1～47W;焦斑直徑為50～150μm;位置精度為0.1%(光束);重復定位精度為士25μm(工作臺);打標速度為0～3000mm/s;打標范圍為114×114mm。

3.5.2SiC陶瓷矢量方式激光打標工藝概述

打標過(guò)程是用計算機控制掃描振鏡，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)影響激光束對工件材料的作用，重疊量由焦斑大小、掃描速度和頻率Q來(lái)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)可任意設定，各矢量的長(cháng)度以槽的邊緣為界。連續的YAG激光被Q調制后產(chǎn)生了一系列的激光脈沖，安裝于X、Y掃描頭里的檢流計用來(lái)控制激光脈沖沿著(zhù)圖形的矢量路徑進(jìn)行打標，其過(guò)程是這樣的：在矢量的始端光閘開(kāi)，打標開(kāi)始，在矢量的末端光閘關(guān)，打標結束，同時(shí)光束跳躍，到達下一矢量的始端，開(kāi)始新的打標，直到整個(gè)動(dòng)壓槽圖形被矢量填滿(mǎn)為止。最后，激光沿槽的邊緣掃描一周，以消除相鄰矢量因長(cháng)度不等造成的不光滑。如果深度不夠，可重復多遍進(jìn)行掃描。在矢量方式激光打標時(shí)，主要工藝參數有激光功率、開(kāi)關(guān)頻率Q、打標速度和填充率、打標延遲、跳躍延遲、激光開(kāi)/關(guān)延遲等。各工藝參數對加工質(zhì)量都有較大的影響，對不同的材料都要進(jìn)行工藝實(shí)驗，以期取得加工動(dòng)壓槽最佳的工藝數據。筆者曾對SiC陶瓷材料作過(guò)深入地研究，得到了有關(guān)的工藝數據，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)壓槽本系統都能編程與加工，而且能達到相當高的精度，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(mǎn)足了淺槽和深槽這兩種類(lèi)型的需要，為機械密封的設計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(méi)有毛刺，這樣不但延長(cháng)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)激光加工的陶瓷構件，容易產(chǎn)生加工裂紋和變質(zhì)層，使強度大大降低，限制了實(shí)際應用，對于機械密封環(huán)則要求更高一些，產(chǎn)生加工裂紋是絕對不允許的。筆者曾對結構陶瓷進(jìn)行過(guò)消除激光加工缺陷的研究[2～4]，本工作采用了相關(guān)的結論，使加工的動(dòng)壓槽較為理想，用電鏡×2000以上的倍率觀(guān)察，都沒(méi)有發(fā)現裂紋。

用激光打標加工的SiC陶瓷密封環(huán)動(dòng)壓槽的形狀、法向寬度、槽形圓心所在圓直徑、槽長(cháng)限界外圓直徑、槽長(cháng)限界內圓直徑、槽數均可達到任意值，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)內孔的同心度：0.1mm;用激光打標加工的SiC陶瓷密封環(huán)端面動(dòng)壓槽的樣件掃描圖見(jiàn)圖1。



作者：嘉善日益機械密封件廠(chǎng)

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