CN102528613A - 核主泵用流体动静压结合型机械密封环复杂形面加工方法 - Google Patents
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Abstract
一种核主泵用流体动静压结合型机械密封环复杂形面加工方法，属于精密加工技术领域。其特征是杯形砂轮直径的平方与密封环等倾波纹面中径的平方和等于杯形砂轮端面与杯形砂轮回转轴线交点到回转工作台回转轴线的距离2倍的平方，磨削等倾波纹面时两回转轴线夹角等于等倾波纹面的径向轮廓倾角，并且杯形砂轮与密封环的磨削接触弧线中点和砂轮端面与砂轮回转轴线交点到回转工作台面的距离相等；磨削密封坝面时两回转轴线平行，通过砂轮端面做恒定砂轮切削深度的微进给切入磨削。本发明的效果和益处是能实现由平的坝面和径向轮廓为略微倾斜直线且其倾角沿周向恒定不变的等倾波纹面构成的核主泵用流体动压密封环复杂形面高面形精度、低表面粗糙度加工。
Description
技术领域
本发明属于核主泵用流体动静压结合型机械密封环复杂形面加工技术领域，涉及机械密封环的加工，特别涉及一种由平的坝面和径向轮廓为略微倾斜直线且其倾角沿周向恒定不变的等倾波纹面构成的核主泵用流体动静压结合型机械密封环复杂形面的超精密磨削方法。
背景技术
轴封式核主泵多采用能承受高压和重载、长寿命的端面机械密封来防止具有放射性的冷却剂泄漏。在动环也可以是静环的端面外侧开设等倾波纹面的流体动静压混合型机械密封是核主泵轴密封的重要形式之一。这种密封环的端面是由平的坝面和径向轮廓为略微倾斜直线且其倾角沿周向恒定不变的等倾波纹面构成的复杂形面，坝面与等倾波纹面的相交曲线为一沿圆周方向延展的闭合波浪线。与另一平端面密封环配对使用时，在密封界面沿周向形成波纹状间隙、沿径向形成收敛间隙，其优点是由径向收敛间隙产生的流体静压效应保证停止和运转状态时密封界面之间始终存在液膜，由周向波纹状间隙产生的流体动压效应保证足够的开启力使两密封端面分离，而密封坝面增强泄漏控制能力。核主泵用流体动静压结合型机械密封环外径为300毫米左右，由高硬材料如碳化硅、氮化硅、碳化钨制成，密封坝面和等倾波纹面的面形精度要求在1～2个氦光带以内(1个氦光带长0.29微米)，表面粗糙度Ra在5纳米以内。由于等倾波纹面是一种空间自由曲面，无法采用传统磨削方法加工，而采用多轴联动数控点接触磨削时，砂轮磨损快，形状保持性差，很难获得令人满意的面形精度；气囊抛光、磁流变抛光、离子束抛光等计算机控制光学表面修形技术可实现光学曲面的高精度加工，但是加工效率较低，加工环状零件时不同程度存在着边缘效应问题，密封坝面与等倾波纹面交接处是一阶微分不连续的，精确修形极其困难。
发明内容
本发明的目的在于提供一种核主泵用流体动静压结合型机械密封环复杂形面加工方法，能够对由平的坝面和径向轮廓为略微倾斜直线且其倾角沿周向恒定不变的等倾波纹面构成的核主泵用流体动静压结合型机械密封环复杂形面进行高面形精度和低表面粗糙度加工。
本发明的技术方案是采用回转工作台带动密封环回转，并且利用杯形砂轮的端面做恒定砂轮切削深度的微进给切入磨削。杯形砂轮直径为150～700毫米，杯形砂轮端面的工作面宽度为2～5毫米，杯形砂轮所用磨料为1000#或更细粒度的金刚石。杯形砂轮直径的平方与密封环等倾波纹面中径的平方之和等于杯形砂轮端面与杯形砂轮回转轴线交点到回转工作台回转轴线的距离2倍的平方。杯形砂轮安装在精密主轴上，该杯形砂轮绕其回转轴线做高精度回转运动，精密主轴的回转运动误差为0～0.1微米。回转工作台把待加工密封环夹持在回转工作台的中心并能带动密封环绕回转工作台的回转轴线做高精度回转运动，回转工作台的回转运动误差为0～0.1微米。杯形砂轮的端面与回转工作台相对。杯形砂轮回转轴线的方向角可以调整。杯形砂轮可沿回转工作台的回转轴线向回转工作台做微进给运动，杯形砂轮或回转工作台可沿回转工作台的回转轴线做周期性跟随运动，周期性跟随运动是回转工作台相位角的函数，周期性跟随运动使回转工作台或杯形砂轮产生的位移等于等倾波纹面与外圆周面相交曲线上与此相位角对应的点与密封坝面的距离，周期性跟随运动的运动误差为0～0.3微米。回转工作台的回转运动与周期性跟随运动可联动控制。杯形砂轮转速为500～5000转/分，回转工作台绕回转工作台的回转轴线回转，回转工作台转速为10～500转/分，杯形砂轮可沿回转工作台的回转轴线以恒定速度微进给，微进给速度为0～3微米/分，微进给运动分辨率为0～0.1微米。
首先磨削等倾波纹面，磨削等倾波纹面时杯形砂轮的回转轴线与回转工作台的回转轴线的夹角等于等倾波纹面的径向轮廓倾角；杯形砂轮与密封环的磨削接触弧线中点和杯形砂轮的端面与杯形砂轮的回转轴线交点到回转工作台面的距离相等；回转工作台绕其回转轴线等速回转；杯形砂轮绕其回转轴线等速回转；杯形砂轮或回转工作台沿回转工作台的回转轴线做周期性跟随运动，杯形砂轮沿回转工作台的回转轴线向回转工作台做微进给运动，利用杯形砂轮的端面做恒定砂轮切削深度的微进给切入磨削，直到磨削到最终尺寸为止。
在等倾波纹面加工完成后磨削密封坝面，磨削密封坝面时砂轮轴线与回转工作台轴线平行，回转工作台绕其回转轴线等速回转；杯形砂轮绕其回转轴线等速回转；杯形砂轮沿回转工作台的回转轴线向回转工作台做微进给运动，利用杯形砂轮的端面做恒定砂轮切削深度的微进给切入磨削，直到磨削到最终尺寸为止。
由于采用工作面宽度只有2～5毫米杯形砂轮的端面进行切入磨削，磨削时杯形砂轮与密封环为线接触，砂轮端面上各部位有效磨粒的切削速度、切削深度和磨削接触弧长度基本一致，磨削时杯形砂轮端面的几何形状保持不变，不存在砂轮修形、砂轮形状测量和补偿难题。
由于磨削等倾波纹面时杯形砂轮与密封环的接触弧长度、接触面积、切入角恒定不变，因此磨削力保持恒定，加工状态稳定，有利于保证加工精度。
由于磨削时砂轮只需要几十转至上百转就能完全遍历密封环被加工表面一次，因此砂轮端面磨损对密封环的面形精度影响小于砂轮切削深度，例如当砂轮切削深度在0.1微米以内时，砂轮端面磨损对密封环的面形精度影响在0.1微米以内，而当砂轮切削深度在0.05微米以内时，砂轮端面磨损对密封环的面形精度影响在0.05微米以内，因此砂轮端面磨损对密封环的面形精度影响可以忽略不计，面形精度主要取决于回转台回转运动精度、同步跟随运动精度和安装杯形砂轮的精密主轴的回转运动精度，当回转工作台的回转运动误差和安装杯形砂轮的精密主轴的回转运动误差为0～0.1微米、回转工作台或杯形砂轮的同步跟随运动误差为0～0.3微米时，能使磨削后的密封环面形误差在1～2个氦光带以内。
由于砂轮端面磨损对密封环的面形精度影响可以忽略不计，避免了现有磨削方法存在的由于细粒度砂轮过快磨损而导致磨削精度无法保证的难题。当采用1000#或更细粒度金刚石杯形砂轮做砂轮切削深度为0～0.1微米范围内的微切深磨削，可使核主泵用流体动静压结合型机械密封环复杂形面的表面粗糙度Ra在5纳米以内。只需一次装夹就可以加工出密封坝面和波纹面，可避免重复装夹定位引起的面形误差。
本发明的效果和益处是能够对由平的坝面和径向轮廓为略微倾斜直线且其倾角沿周向恒定不变的等倾波纹面构成的核主泵用流体动静压结合型机械密封环复杂形面进行高面形精度和低表面粗糙度加工，而且机床结构简单，加工效率高，成本低。
附图说明
图1是本发明要加工的密封环复杂形面示意图。
图2是本发明的等倾波纹面加工原理示意图。
图3是本发明的密封坝面加工原理示意图。
图中：1密封环；2密封坝面；3等倾波纹面；4回转工作台；5杯形砂轮。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
如附图1所示，待加工核主泵用流体动静压结合型机械密封环外径为304毫米、内径为277毫米、密封环端面由密封坝面和等倾波纹面构成，其中密封坝面为平面，等倾波纹面的径向轮廓倾角处处相等，径向轮廓倾角为0.001弧度、坝面与等倾波纹面的相交曲线为一沿圆周方向延展的闭合波浪线，波数为9个，材料为碳化钨。将内圆周面、外圆周面以及另一端面已经加工好的待加工密封环夹持在由空气轴承支撑的超精密回转工作台的中心，回转工作台可带动密封环绕回转工作台的回转轴线做高精度回转运动，回转工作台的回转运动误差在0.05微米以内。杯形砂轮安装在超精密空气轴承电主轴上，杯形砂轮在超精密空气轴承电主轴驱动下可绕杯形砂轮的回转轴线回转，杯形砂轮直径为350毫米，杯形砂轮端面的工作面宽度为3毫米，杯形砂轮所用磨料为1000#或更细粒度金刚石。杯形砂轮直径的平方与密封环等倾波纹面中径的平方和等于杯形砂轮的端面与杯形砂轮的回转轴线交点到回转工作台的回转轴线的距离2倍的平方。超精密空气轴承电主轴可以带动杯形砂轮绕超精密空气轴承电主轴的回转轴线做高精度回转运动，超精密空气轴承电主轴的回转运动误差在0.05微米以内。杯形砂轮的端面与回转工作台相对。杯形砂轮可以在精密直线运动机构驱动下沿回转工作台的回转轴线做微进给运动。杯形砂轮回转轴线的倾斜角度可以调整。回转工作台带动密封环在超磁致伸缩微位移机构驱动下可沿回转工作台的回转轴线做周期性跟随运动，周期性跟随运动是回转工作台相位角的函数，周期性跟随运动使回转工作台产生的瞬时位移等于等倾波纹面与外圆周面相交曲线上与此相位角对应的点与密封坝面的距离，周期性跟随运动的运动误差为0.1微米。回转工作台的回转运动与周期性跟随运动可联动控制。杯形砂轮转速为500～5000转/分，回转工作台绕回转工作台的回转轴线回转，回转工作台转速为10～500转/分，杯形砂轮可沿回转工作台的回转轴线微进给，微进给速度为0～3微米/分，微进给运动分辨率为0.1微米。
首先磨削等倾波纹面，如附图2所示，磨削等倾波纹面时杯形砂轮的回转轴线与回转工作台的回转轴线的夹角等于等倾波纹面的径向轮廓倾角；杯形砂轮与密封环的磨削接触弧线中点和杯形砂轮的端面与杯形砂轮的回转轴线交点到回转工作台面的距离相等；回转工作台绕其回转轴线等速回转，转速为20转/分；杯形砂轮绕其回转轴线等速回转，转速为1500转/分；杯形砂轮或回转工作台沿回转工作台的回转轴线做周期性跟随运动，杯形砂轮沿回转工作台的回转轴线向回转工作台做微进给运动，微进给运动速度为1微米/分，微进给运动分辨率为0.1微米，直到磨削到最终尺寸为止。
在等倾波纹面加工完成后磨削密封坝面，如附图3所示，磨削密封坝面时砂轮轴线与回转工作台轴线平行，回转工作台绕其回转轴线等速回转，转速为50转/分；杯形砂轮绕其回转轴线等速回转，转速为1500转/分；杯形砂轮沿回转工作台的回转轴线向回转工作台做微进给运动，微进给运动速度为1微米/分，微进给运动分辨率为0.1微米，直到磨削到最终尺寸为止。
上述实施例中周期性跟随运动由一个单独的微位移机构实现，当然周期性跟随运动也可由负责微进给运动的直线驱动机构来实现，在这种情况下，所述直线驱动单元需要具有往复直线运动功能，直线往复运动分解为周期性跟随运动和微进给运动，其技术特征与上述实例相同。
Claims (1)
1.一种核主泵用流体动静压结合型机械密封环复杂形面加工方法，采用一个回转工作台和一个杯形砂轮，其中杯形砂轮绕杯形砂轮的回转轴线回转，回转工作台将密封环夹持在回转工作台中心并能带动密封环绕回转工作台的回转轴线回转，杯形砂轮沿回转工作台的回转轴线向回转工作台做微进给运动，杯形砂轮回转轴线的方向角可以调整，其特征是：
(1)杯形砂轮直径为150～700毫米，杯形砂轮端面的工作面宽度为2～5毫米，杯形砂轮所用磨料为1000#或更细粒度金刚石；杯形砂轮直径的平方与密封环等倾波纹面中径的平方和等于杯形砂轮的端面与杯形砂轮的回转轴线交点到回转工作台的回转轴线的距离2倍的平方；
(2)回转工作台的转速为10～500转/分，回转工作台的回转运动误差为0～0.1微米，杯形砂轮转速为500～5000转/分，微进给速度为0～3微米/分，微进给运动分辨率为0～0.1微米；
(3)杯形砂轮或回转工作台能沿回转工作台的回转轴线做周期性跟随运动，周期性跟随运动是回转工作台相位角的函数，周期性跟随运动使回转工作台或杯形砂轮产生的瞬时位移等于等倾波纹面与外圆周面相交曲线上与此相位角对应的点与密封坝面的距离，周期性跟随运动的运动误差为0～0.3微米；
(4)磨削等倾波纹面时杯形砂轮的回转轴线与回转工作台的回转轴线的夹角等于等倾波纹面的径向轮廓倾角，杯形砂轮与密封环的磨削接触弧线中点和杯形砂轮的端面与杯形砂轮的回转轴线交点到回转工作台面的距离相等，回转工作台绕其回转轴线等速回转，杯形砂轮绕其回转轴线等速回转，杯形砂轮或回转工作台沿回转工作台的回转轴线做周期性跟随运动，杯形砂轮沿回转工作台的回转轴线向回转工作台做微进给运动，利用杯形砂轮的端面做恒定砂轮切削深度的微进给切入磨削；
(5)磨削密封坝面时杯形砂轮回转轴线与回转工作台回转轴线平行，回转工作台绕其回转轴线等速回转，杯形砂轮绕其回转轴线等速回转，杯形砂轮沿回转工作台的回转轴线向回转工作台做微进给运动，利用杯形砂轮的端面做恒定砂轮切削深度的微进给切入磨削。
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