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(dāng)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(dāng)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(biāo)準(zhǔn),，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?？梢哉f,，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(xì)而精度高,，粗糙度要求也嚴(yán)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(zhǔn)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(dāng)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(dāng)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(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(biāo)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(biāo),，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(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(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(biāo)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(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,。刻線線寬小于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激光打標(biāo)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(biāo)機，控制軟件非常重要,，該機打標(biāo)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(biāo)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(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(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，同時光束跳躍,，到達下一矢量的始端,，開始新的打標(biāo)，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(biāo)時，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(biāo)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(dāng)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(biāo)加工的SiC陶瓷密封環(huán)動壓槽的形狀,、法向?qū)挾取⒉坌螆A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(biāo)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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