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機械密封環(huán)端面流體動壓槽的加工方法

1引言

接觸式機械密封在運轉(zhuǎn)時,動環(huán)和靜環(huán)的接觸面要摩擦生熱,對于高PV值系統(tǒng),摩擦熱在密封面上造成高溫,會使磨損和熱變形增大;當溫度超過一定值時,潤滑膜汽化,摩擦和磨損加劇;如果溫度機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,延長密封的壽命。利用流體動壓效應(yīng)的通常做法是在摩擦副的一個密封面上開設(shè)某種形狀的流體動壓槽。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壓非接觸式密封。這些流槽能起流體動力潤滑作用,使密封端面脫離接觸,又能起密封作用防止泄漏。根據(jù)機械密封的工況條件、工作參數(shù)及使用機械軸封要求,流槽可以設(shè)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;一類是深槽,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壓效應(yīng),而深槽的密封機理為熱流體動力模效應(yīng)或流體動壓墊效應(yīng)。流槽的幾何參數(shù)對密封性能影響很大,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級的淺流槽當槽深僅差幾個μm時,泄漏量就會有很大的變化,因而精確設(shè)計和加工動壓槽直接影響著機械密封的質(zhì)量。目前,我國的機械密封工業(yè)已有長足的發(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(shè)備上,有的還取代了進口產(chǎn)品,累計運行已達5年以上。但是要進一步提高機械密封產(chǎn)品的檔次,還必須從設(shè)計、材料、工藝等諸方面作許多工作,如密封環(huán)端面流體動壓槽的加工問題便是其中突出的一個。

2密封材料

密封材料的性能直接關(guān)系到動壓槽的加工。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,所以是一種較好的密封材料。但是,隨著工業(yè)的發(fā)展,機械設(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、航天等各個工業(yè)部門的機械密封中,被越來越多地選為摩擦副材料。可以說,為適應(yīng)機械密封的發(fā)展,新的密封材料會不斷地被開發(fā)。

3密封環(huán)端面流體動壓槽的加工方法

密封環(huán)動壓槽在非接觸機械密封中得到越來越多的應(yīng)用,但是動壓槽的形狀復(fù)雜,結(jié)構(gòu)精細而精度高,粗糙度要求也嚴格,尤其是加工動壓槽的密封環(huán)多是硬質(zhì)材料的,所以動壓槽的加工困難很大,常規(guī)的機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,便可得到所需的動壓槽。這一方法在青銅上刻槽尚可,在硬質(zhì)合金上刻槽時,由于膠膜在較高溫度下耐不住浸蝕液的的長時間腐蝕,所以刻出的槽形質(zhì)量不高。

3.2電火花加工(電蝕刻)

該方法是利用兩個電極放電的方法,將動壓槽內(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電極通電,當兩個端面接觸時,產(chǎn)生放電,密封環(huán)端面動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;同時電加工產(chǎn)生的表面應(yīng)力造成的微裂紋會使材料的強度降低。

3.3電鍍法

這一方法是將密封環(huán)端面動壓槽以外的部位鍍上一層硬質(zhì)材料,從而制成動壓槽的圖案。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)合強度要足夠高。同時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壓槽結(jié)構(gòu)。當掩膜置于密封件端面上時,端面上動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,這些都會影響槽線的流體動壓效果及密封特性。
3.5激光加工法

激光加工是利用激光的高能量,進行工業(yè)熱加工的一種方法。該方法用于材料去除的實用化加工有切割、打孔、動平衡、打標等,此時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間內(nèi)被汽化、熔化而被去除。用激光加工密封環(huán)動壓槽的工藝實際上是激光打標,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(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,具有工件無機械變形、無污染,速度快、重復(fù)性好、自動化程度高等特點,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(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的系統(tǒng)中,計算機對圖形的處理可以采用點陣和矢量兩種方式。經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn),點陣方式速度較慢,而且圖形放大時邊界不光滑,所以我們采用了使用矢量方式的激光打標系統(tǒng)[1]。矢量方式最大的特點是用矢量(有方線段)來表示圖形,采用計算機高級圖形系統(tǒng)對圖形進行處理,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)端面動壓槽的速度和質(zhì)量。

3.5.1激光打標系統(tǒng)的組成

激光打標系統(tǒng)由激光部分、振鏡掃描頭、控制系統(tǒng)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(xù)泵浦,然后再聲光調(diào)Q。工作物質(zhì)為Nd:YAG,波長為1.06μm。掃描頭由能在X、Y二維方向進行有序振動的振鏡和平場聚焦鏡組成??叹€線寬小于100μm,分辨率是1.7μm,完全滿足打標和雕刻的要求。控制系統(tǒng)通過控制軟件控制整個激光打標系統(tǒng),其原理是:控制系統(tǒng)的計算機將編輯好的圖形轉(zhuǎn)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二維進行有序振動,使激光點掃描出相應(yīng)的圖形,與此同時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、旋轉(zhuǎn)鏡像、成組等,同時可以對屏幕上不同的圖形選擇不同的工藝參數(shù)以達到不同層次的雕刻。外設(shè)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(shè)計軟件,作為動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);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來決定。動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掃描頭里的檢流計用來控制激光脈沖沿著圖形的矢量路徑進行打標,其過程是這樣的:在矢量的始端光閘開,打標開始,在矢量的末端光閘關(guān),打標結(jié)束,同時光束跳躍,到達下一矢量的始端,開始新的打標,直到整個動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度不等造成的不光滑。如果深度不夠,可重復(fù)多遍進行掃描。在矢量方式激光打標時,主要工藝參數(shù)有激光功率、開關(guān)頻率Q、打標速度和填充率、打標延遲、跳躍延遲、激光開/關(guān)延遲等。各工藝參數(shù)對加工質(zhì)量都有較大的影響,對不同的材料都要進行工藝實驗,以期取得加工動壓槽最佳的工藝數(shù)據(jù)。筆者曾對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)端面動壓槽。

3.5.3激光打標加工SiC陶瓷密封環(huán)動壓槽

對任意形狀的SiC陶瓷密封動壓槽本系統(tǒng)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,為機械密封的設(shè)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,沒有毛刺,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壓效果;可以精確地保證動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,使強度大大降低,限制了實際應(yīng)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(jié)構(gòu)陶瓷進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。

用激光打標加工的SiC陶瓷密封環(huán)動壓槽的形狀、法向?qū)挾?、槽形圓心所在圓直徑、槽長限界外圓直徑、槽長限界內(nèi)圓直徑、槽數(shù)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(nèi)孔的同心度:0.1mm;用激光打標加工的SiC陶瓷密封環(huán)端面動壓槽的樣件掃描圖見圖1。



作者:嘉善日益機械密封件廠

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關(guān)鍵詞:機械密封機械密封件,機械軸封

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