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機械密封環端麵流體動壓槽的加工方法

作者:亚美真人来源:[亚美真人公司]访问:966时间:2019-12-08

1引言 接觸式機械密封在運轉時,動環和靜環的接觸麵要摩擦生熱,對於高PV值係統,摩擦熱在密封麵上造成高溫,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;假如溫度大大超過材料許可的使用溫度,則密封環可能產生熔融、膠合或熱裂等故障 ,造成停工停產,帶來巨大的經濟損失或環境汙染 。因此,接觸式機械密封有必要利用流體動壓效應來進步密封的承載能力 ,減小摩擦、磨損和漏損,進步密封的可靠性,延長密封的壽命。利用流體動壓效應的通常做法是在摩擦副的一個密封麵上開設某種外形的流體動壓槽。在這些流槽的感化下 ,普通的接觸式密封變成流體動壓非接觸式密封。這些流槽能起流體動力潤滑感化,使密封端麵脫離接觸 ,又能起密封感化防止泄漏。根據機械密封的工況條件、工作參數及使用要求,流槽可以設計成不同的平麵圖形和截麵槽形。平麵圖形有人字槽、八字槽、螺旋槽、圓弧槽、直線槽等,截麵槽形有梯形槽、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。不同深度的流槽感化機理不同,淺槽的密封機理為流體動壓效應,而深槽的密封機理為熱流體動力模效應或流體動壓墊效應 。流槽的幾何參數對密封性能影響很大,如槽深、槽數、槽徑比、進口角及槽麵粗糙度等都直接關係到開啟力、泄漏量、剛漏比、端麵溫升、摩擦係數等密封性能參數的大小。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,因此精確設計和加工動壓槽直接影響著機械密封的質量 。目前,我國的機械密封產業已有長足的發展,國產的機械密封產品正運行在某些大型或關鍵的設備上 ,有的還取代了進口產品,累計運行已達5年以上。但是要進一步進步機械密封產品的檔次,還必須從設計、材料 、工藝等諸方麵作很多工作,如密封環端麵流體動壓槽的加工題目便是其中突出的一個。 2密封材料 密封材料的性能直接關係到動壓槽的加工 。在通常的情況下,摩擦副的硬環多選用WC硬質合金建造。因WC硬質合金具備硬度較高、耐磨損性能較好、強度較高等特點,所所以一種較好的密封材料。但是,隨著產業的發展,機械設備的性能要求愈來愈高,工況條件可能是高壓 、高速、高溫等,而密封介質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製提出了新的要求,特別是作為摩擦副硬質材料的質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、可加工性和與之配對的材料無過大磨損和電化學腐蝕等。而SiC陶瓷幾乎滿足了上述的所有要求,是近年開發並投進使用的新的硬質密封材料,在化工、煉油、造紙、汽車、原子能、航空、航天等各個產業部分的機械密封中,被愈來愈多地選為摩擦副材料。可以說,為適應機械密封的發展,新的密封材料會不斷地被開發。 3密封環端麵流體動壓槽的加工方法 密封環動壓槽在非接觸機械密封中得到愈來愈多的利用,但是動壓槽的外形複雜,結構精細而精度高,粗糙度要求也嚴格,特別是加工動壓槽的密封環多是硬質材料的,所以動壓槽的加工困難很大,常規的機械加工法幾乎無能為力,因此,人們探索了多種方法,首要有以下幾種: 3.1光刻法(化學腐蝕) 先在被刻槽的工件上塗以感光膠膜,然後將事先籌辦好的底片放於其上,經曝光,顯影,塗保護層,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,在硬質合金上刻槽時,由於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,將動壓槽內待往除的材料蝕刻掉。該方法的關鍵是建造放電頭,放電頭端麵結構和密封環端麵動壓槽結構相同,但圖案是突出的。密封環和放電頭分別作兩個電極通電,當兩個端麵接觸時 ,產生放電,密封環端麵動壓槽部位的材料即被蝕刻掉。不過這一方法要求電介質性能要好,放電頭端麵與密封環端麵要平行等,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;加工本錢高;效果也欠佳;同時電加工產生的表麵應力釀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端麵動壓槽以外的部位鍍上一層硬質材料,從而製成動壓槽的圖案。這一方法的使用條件首先槽要淺,其次被鍍端麵必須是能夠電鍍的材料,而且鍍層要致密,和被鍍麵結合強度要足夠高。同時電鍍過程中被鍍件懸掛要精確,否則不同部位的鍍層厚度誤差將加大 ,造成槽深的不均勻,如許也破壞了密封環兩個端麵的極高的平行度。 3.4噴砂法 這一方法首先要製造噴沙掩膜 ,掩膜上開孔的圖案同於動壓槽結構。當掩膜置於密封件端麵上時 ,端麵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往除,形成一定深度的動壓槽。這一方法的技術關鍵在於掩膜材料的選擇、掩膜的製造、掩膜與密封環端麵的貼合及噴砂工藝的把握等。噴沙方法的題目是製造精度較低,加工的動壓槽的邊沿不齊,尖角等精細部位的失真嚴重,截麵槽形不好,噴砂麵粗糙等,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,進行產業熱加工的一種方法。該方法用於材料往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被汽化、熔化而被往除。用激光加工密封環動壓槽的工藝實際上是激光打標,這是一項較新的工作,筆者曾作了較深進地研究並取得了較好的效果,故作較多的先容。 激光打標就是利用激光束照耀工件表麵,雕刻上所需要的圖形標記。雕刻效應是通過表層物質的蒸發 ,暴露出深層物質。與傳統的雕刻技術相比,激光打標適用麵廣,對不同材料、不同外形的加工表麵均適合,具有工件無機械變形 、無汙染,速度快 、反複 性好、主動化程度高等特點,在產業、國防、科研等很多領域具有廣泛的用處 。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類方式。在采用掃描方式打標的係統中,計算機對圖形的處理可以采用點陣和矢量兩種方式 。經實驗發現,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係統[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係統對圖形進行處理,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端麵動壓槽的速度和質量。 3.5.1激光打標係統的構成 激光打標係統由激光部分、振鏡掃描頭、控製係統和計算機等多部分構成。激光部分由固體激光器和激光電源構成,連續泵浦,然後再聲光調Q。工作物質為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構成。刻線線寬小於100μm,分辨率是1.7μm,完全滿足打標和雕刻的要求。控製係統通過控製軟件控製全部激光打標係統,其道理是:控製係統的計算機將編輯好的圖形轉換成電信號,按一定的頻率分外傳送到振鏡和激光器,在一係列信號的控製下,振鏡在X、Y二維進行有序振動,使激光點掃描出相應的圖形 ,與此同時激光器在電信號的控製下,發出一定頻率和能量的激光脈衝,將激光焦斑掃描出的圖形刻蝕在工件上。作為一台高性能的激光打標機,控製軟件非常首要,該機打標控製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繪圖軟件處理的矢量圖形,首要是*.PLT矢量格式的文件。此外該軟件的圖形界麵非常方便,可以在顯示器屏幕上真實地顯示*.PLT的矢量圖形 ,並可通過鍵盤或菜單輸進命令,選擇、修改圖形,如大小變換、移動、旋轉鏡像、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 ,作為動壓槽零件圖天生加工軟件的工具 ,文件為*.PLT矢量格式。 係統首要性能參數如下:YAG激光器功率為100W;Q調製頻率範圍為1~50kHz;調製後輸出功率為1~47W;焦斑直徑為50~150μm;位置精度為0.1%(光束);反複定位精度為士25μm(工作台);打標速度為0~3000mm/s;打標範圍為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製掃描振鏡,使高度聚焦的激光束在工件上移動掃描。激光焦斑的堆疊狀況影響激光束對工件材料的感化,堆疊量由焦斑大小、掃描速度和頻率Q來決定。動壓槽圖形是由很多等距的平行矢量構成的,矢量的間隔(填充率,單位:英)可任意設定,各矢量的長度以槽的邊沿為界。連續的YAG激光被Q調製後產生了一係列的激光脈衝,安裝於X 、Y掃描頭裏的檢流計用來控製激光脈衝沿著圖形的矢量路徑進行打標,其過程是如許的:在矢量的始端光閘開,打標開始,在矢量的末端光閘關,打標結束,同時光束跳躍,到達下一矢量的始端 ,開始新的打標,直到全部動壓槽圖形被矢量填滿為止。最後 ,激光沿槽的邊沿掃描一周,以消除相鄰矢量因長度不等釀成的不光滑。假如深度不夠,可反複多遍進行掃描 。在矢量方式激光打標時,首要工藝參數有激光功率、開關頻率Q、打標速度和填充率、打標延遲、跳躍延遲、激光開/關延遲等。各工藝參數對加工質量都有較大的影響,對不同的材料都要進行工藝實驗 ,以期取得加工動壓槽最好的工藝數據。筆者曾對SiC陶瓷材料作過深進地研究,得到了有關的工藝數據,加工出符合要求的SiC陶瓷密封環端麵動壓槽。 3.5.3激光打標加工SiC陶瓷密封環動壓槽 對任意外形的SiC陶瓷密封動壓槽本係統都能編程與加工 ,而且能達到相當高的精度,用激光加工的動壓槽 ,深度範圍很大,而且槽深精度可控,從而滿足了1頁

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