CN102581728A - 一种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平方与斜波纹面中径平方之和等于砂轮端面与砂轮回转轴线交点到回转工作台回转轴线距离2倍的平方，砂轮倾斜角度等于斜波纹面最大径向轮廓线倾角，磨削斜波纹面时联动控制回转工作台回转运动、摆动工作台往复摆动和周期性跟随运动，并且利用砂轮端面做恒定砂轮切削深度的微进给切入磨削，磨削密封坝面时回转工作台等速回转，并且利用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能实现由平的圆环形坝面和径向轮廓为略微倾斜直线且其倾角沿周向周期性变化的斜波纹面构成的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圆环形坝面和径向轮廓为略微倾斜直线且其倾角沿周向周期性变化的斜波纹面构成的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
机械密封广泛应用于泵、压缩机、反应釜、搅拌器、离心机和过滤机等传输液体或气体的旋转设备中。现代工业生产的发展对工作在高速、高压和高温等条件下的机械密封的性能和寿命要求越来越高。在早期的机械密封中，互相贴合的两个密封端面被设计和制造得尽可能平整，目的是使两个密封端面间的有效间隙尽可能小以便减小泄露。然而，在这两个平面间形成的流体薄膜容易破裂致使这两个密封端面多工作于接触状态，因而导致较大的摩擦、过早磨损甚至破损。为了减小磨损和避免破损，人们通过在密封环平端面开设深槽、浅槽、径向锥度、径向台肩、周向波度等结构来维持稳定的流体薄膜以避免两个密封端面直接接触，从而产生了一系列新型机械密封。其中最有代表性的是美国Lebeck A.O.等人于1980年代提出的一种流体动静压结合型机械密封，在这种流体动静压结合型机械密封中，动环也可以是静环的端面由平的圆环形坝面和径向轮廓为略微倾斜直线且其倾角沿周向周期性变化的斜波纹面构成，见图1。与另一平的密封环配对使用时，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机和运转状态时两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。试验结果表明这种密封形式比端面开槽的动压密封和沿径向开设收敛间隙的静压密封有更大的优越性。目前这种流体动静压结合型机械密封已经成功应用在汽轮机、油气管道泵、核主泵和石化设施的高温泵中。这种密封形式的密封环通常由高硬材料如碳化硅、氮化硅、碳化钨制成，密封环坝面和斜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。由于斜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，密封坝面与斜波纹面交接处是一阶微分不连续的，精确修形极其困难；采用激光加工时存在表面粗糙度偏大问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种针对由平的圆环形坝面和径向轮廓为略微倾斜直线且其倾角沿周向周期性变化的斜波纹面构成的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，能够实现由平的圆环形坝面和径向轮廓为略微倾斜直线且其倾角沿周向周期性变化的斜波纹面构成的流体动静压结合型机械密封环复杂形面高面形精度、低表面粗糙度加工。
本发明的技术方案是采用一个回转工作台带动密封环回转、一个摆动工作台带动回转工作台往复摆动，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。摆动工作台位于杯形砂轮正下方，摆动工作台能够绕摆动工作台的摆动轴线沿顺时针方向和逆时针方向做高精度往复摆动，其回转运动误差为0～0.1微米。回转工作台偏心安放在摆动工作台上面，摆动工作台的摆动轴线与回转工作台的回转轴线平行。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，其摆动运动误差为0～0.1微米。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，杯形砂轮的端面与回转工作台相对。杯形砂轮回转轴线相对于摆动工作台摆动轴线的夹角等于斜波纹面的最大径向轮廓线倾角。杯形砂轮直径的平方与密封环斜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。杯形砂轮能够沿回转工作台的回转轴线向回转工作台做微进给运动，杯形砂轮或摆动工作台带动回转工作台能够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周期函数，与砂轮进给运动不相关，若杯形砂轮向回转工作台进给到适当位置后停止进给，并忽略砂轮磨损以及各种运动误差，周期性跟随运动将使杯形砂轮与包含斜波纹面内周边的圆柱面交点始终在理论正确几何形状的斜波纹面内周边上，进而摆动工作台的往复摆动使杯形砂轮与密封环的外圆周面交点始终在同一理论正确几何形状的斜波纹面外周边上。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和摆动工作台的往复摆动运动能够联动控制。杯形砂轮转速为50～5000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1～100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。
首先磨削斜波纹面，磨削斜波纹面时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；摆动工作台绕其摆动轴线往复摆动，杯形砂轮或摆动工作台带动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。
在斜波纹面加工完成后磨削密封坝面，磨削密封坝面时将摆动工作台锁定在使砂轮端面最低点向回转工作台面的投影在密封坝面中径圆周向回转工作台面的投影上的位置；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。
由于磨削斜波纹面和密封坝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为0～0.1微米时，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0～0.05微米时，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工作台的回转运动精度、摆动工作台的摆动运动精度、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、摆动工作台的摆动运动误差、同步跟随运动误差和安装杯形砂轮的精密主轴的回转运动误差均在0.1微米以内时，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在0～0.1微米范围内的微切深磨削，可将密封环复杂形面的表面粗糙度Ra控制在5纳米以内。只需一次装夹就可以加工出密封坝面和斜波纹面，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圆环形坝面和径向轮廓为略微倾斜直线且其倾角沿周向周期性变化的斜波纹面构成的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是本发明所要加工的密封环复杂形面示意图。
图2是本发明的斜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斜波纹面；4回转工作台；5摆动工作台；6杯形砂轮。
具体实施方式
下面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，待加工密封环的端面为由平的圆环形坝面和径向轮廓为略微倾斜直线且其倾角沿周向周期性变化的斜波纹面构成的流体动静压结合型机械密封环复杂形面，其内径为260毫米、外径为300毫米、密封坝面外径为270毫米、斜波纹面径向轮廓线倾角在0～0.0002弧度之间沿周向周期性变化，波纹数量为9个，材料为无压烧结碳化硅。
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。高精度空气轴承支撑的精密摆动工作台位于杯形砂轮正下方，摆动工作台可以绕摆动工作台的摆动轴线沿顺时针方向和逆时针方向做高精度往复摆动，且摆动运动误差为0～0.1微米。高精度空气轴承支撑的精密回转工作台偏心安放在摆动工作台上面，回转工作台的回转轴线与摆动工作台的摆动轴线平行。回转工作台夹持待加工的密封环于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做高精度回转运动，转速为1～100转/分，回转运动误差为0～0.1微米。杯形砂轮安装在高精度空气轴承支撑的精密主轴上，该杯形砂轮绕其回转轴线做高精度回转运动，转速为50～5000转/分，杯形砂轮的端面与回转工作台相对。杯形砂轮回转轴线相对于摆动工作台摆动轴线的夹角等于斜波纹面径向轮廓线最大倾角。杯形砂轮直径的平方与密封环斜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。杯形砂轮能够在精密直线运动机构驱动下沿回转工作台的回转轴线做恒定速度微进给运动，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。在超磁致伸缩微位移机构驱动下摆动工作台带动回转工作台和待加工密封环可沿摆动工作台的摆动轴线做高精度周期性跟随运动，周期性跟随运动是回转工作台相位角的周期函数，与砂轮进给运动不相关，若杯形砂轮向回转工作台进给到适当位置后停止进给，并忽略砂轮磨损以及各种运动误差，周期性跟随运动将使杯形砂轮与包含斜波纹面内周边的圆柱面交点始终在理论正确几何形状的斜波纹面内周边上，进而摆动工作台的往复摆动使杯形砂轮与密封环的外圆周面交点始终在理论正确几何形状的斜波纹面外周边上。周期性跟随运动的运动误差为0～0.1微米。回转工作台的回转运动与周期性跟随运动和摆动工作台的摆动运动能够联动控制。
首先磨削斜波纹面，磨削斜波纹面时回转工作台绕其回转轴线等速回转，转速为1转/分；杯形砂轮绕其回转轴线等速回转，转速为50转/分；摆动工作台绕其摆动轴线往复摆动，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，其中回转工作台的回转运动与周期性跟随运动和摆动工作台的摆动运动需联动控制以使杯形砂轮端面做恒定微切削深度切入磨削，直到磨削到最终尺寸为止。
在斜波纹面加工完成后磨削密封坝面，磨削密封坝面时将摆动工作台锁定在适当位置以便使砂轮端面最低点向回转工作台面的投影在密封坝面中径圆周向回转工作台面的投影上；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，通过杯形砂轮端面做恒定微切削深度切入磨削，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 (6)
1.一种流体动静压结合型机械密封环复杂形面加工方法，其特征是采用一个能带动密封环回转的回转工作台、一个能带动回转工作台往复摆动的摆动工作台和一个杯形砂轮，摆动工作台的摆动轴线与回转工作台的回转轴线平行，杯形砂轮回转轴线相对于摆动工作台摆动轴线的夹角等于斜波纹面的最大径向轮廓线倾角，回转工作台的回转运动、摆动工作台的往复摆动、杯形砂轮或摆动工作台带动回转工作台沿摆动工作台摆动轴线所做的周期性跟随运动能够联动，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。
2.根据权利要求1所述的一种流体动静压结合型机械密封环复杂形面加工方法，其特征在于，回转工作台的转速为1～100转/分，回转工作台的回转运动误差为0～0.1微米，摆动工作台的摆动运动误差为0～0.1微米；杯形砂轮转速为50～5000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.根据权利要求1所述的一种流体动静压结合型机械密封环复杂形面加工方法，其特征在于，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，杯形砂轮直径的平方与密封环斜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。
4.根据权利要求1所述的一种流体动静压结合型机械密封环复杂形面加工方法，其特征在于，杯形砂轮或摆动工作台带动回转工作台能够沿摆动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周期函数，与砂轮进给运动不相关，若杯形砂轮向回转工作台进给到适当位置后停止进给，并忽略砂轮磨损以及各种运动误差，周期性跟随运动将使杯形砂轮与包含斜波纹面内周边的圆柱面交点始终在理论正确几何形状的斜波纹面内周边上，进而摆动工作台的往复摆动使杯形砂轮与密封环的外圆周面交点始终在同一理论正确几何形状的斜波纹面外周边上，周期性跟随运动的运动误差在0.3微米以内。
5.根据权利要求1、2、3和4所述的一种流体动静压结合型机械密封环复杂形面加工方法，其特征在于，磨削斜波纹面时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，摆动工作台绕其摆动轴线往复摆动，杯形砂轮或摆动工作台带动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。
6.根据权利要求1、2、3和4所述的一种流体动静压结合型机械密封环复杂形面加工方法，其特征在于，在斜波纹面加工完成后磨削密封坝面，磨削密封坝面时将摆动工作台锁定在使砂轮端面最低点向回转工作台面的投影在密封坝面中径圆周向回转工作台面的投影上的位置，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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