CN102785147B - 一种四轴联动机械密封环磨削方法 - Google Patents

Abstract

一种四轴联动机械密封环磨削方法，属于复杂形面磨削技术领域。其特征是采用一个工件轴、一个杯形砂轮、一个砂轮轴、一个摆动工作台、一个X向直线移动平台和一个Z向直线移动平台，工件轴安装在Z向直线移动平台上，砂轮轴安装在摆动工作台上，摆动工作台安装在X向直线移动平台上，通过砂轮端面做切入磨削。磨削斜波纹面时联动控制工件轴的回转运动、摆动工作台的往复摆动、X向直线移动平台和Z向直线移动平台的直线运动，磨削密封坝面时砂轮轴回转轴线与工件轴回转轴线平行。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

一种四轴联动机械密封环磨削方法

技术领域

本发明属于复杂形面磨削技术领域，涉及机械密封环的磨削，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。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四轴联动机械密封环复杂形面磨削方法，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。

本发明采用如下技术方案来实现：

采用一个工件轴、一个杯形砂轮、一个砂轮轴、一个摆动工作台、一个X向直线移动平台和一个Z向直线移动平台，通过杯形砂轮端面做切入磨削。

密封环被夹持在工件轴前端中心处，工件轴带动密封环绕工件轴的回转轴线做高精度回转运动，工件轴的径向跳动和端面跳动为0~0.1微米，回转定位误差为0~1分。杯形砂轮安装在砂轮轴上，该杯形砂轮绕其回转轴线做高精度回转运动，砂轮轴的径向跳动和端面跳动为0~0.1微米。工件轴安装在Z向直线移动平台的溜板上，砂轮轴安装在摆动工作台上，砂轮轴的回转轴线与摆动工作台的摆动轴线垂直相交，摆动工作台的摆动定位误差为0~20秒，摆动工作台安装在X向直线移动平台的溜板上。X向直线移动平台和Z向直线移动平台安装在机床床身上，X向直线移动平台的运动方向和Z向直线移动平台的运动方向垂直。工件轴的回转轴线与Z向直线移动平台的运动方向平行，杯形砂轮的端面朝向工件轴。X向直线移动平台带动摆动工作台和砂轮轴做高精度直线运动，定位精度为0~20纳米，Z向直线移动平台带动工件轴做高精度直线运动，定位精度为0~20纳米。杯形砂轮直径为150~700毫米，杯形砂轮端面宽度为2~5毫米，杯形砂轮所用磨料为1000#或更细粒度的金刚石。当杯形砂轮回转轴线与工件轴回转轴线平行时，工件轴回转轴线上任意一点到过杯形砂轮回转轴线和摆动工作台摆动轴线的平面的距离等于斜波纹面中径的二分之一，杯形砂轮回转轴线与工件轴回转轴线距离大于砂轮半径和斜波纹面内半径平方和后开平方，杯形砂轮回转轴线与工件轴回转轴线距离小于砂轮半径和斜波纹面外半径平方和后开平方。工件轴的回转运动、摆动工作台的往复摆动、X向直线移动平台的直线运动和Z向直线移动平台的直线运动能够联动控制。杯形砂轮转速为50~5000转/分，工件轴转速为1~500转/分。

首先磨削斜波纹面，磨削斜波纹面时，砂轮轴带动杯形砂轮绕砂轮轴的回转轴线回转，工件轴带动密封环绕工件轴的回转轴线回转，X向直线移动平台带动摆动工作台和砂轮轴做直线运动，Z向直线移动平台带动工件轴做直线运动。需要联动控制工件轴的回转运动、摆动工作台的往复摆动、X向直线移动平台的直线运动和Z向直线移动平台的直线运动来生成斜波纹面。杯形砂轮的进给运动由Z向直线移动平台的直线运动来实现。

磨削斜波纹面时，若不计Z向直线移动平台带动工件轴所做的进给运动，也不计砂轮磨损以及各种误差，工件轴的回转运动、摆动工作台的往复摆动、X向直线移动平台的直线运动和Z向直线移动平台的直线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，并同时使杯形砂轮与包含斜波纹面外周边的圆柱面交点始终在理论正确几何形状的斜波纹面外周边上。磨削斜波纹面时，杯形砂轮转速为100~5000转/分，工件轴转速为0.1~50转/分，利用杯形砂轮的端面做切入磨削。

斜波纹面加工完成后磨削密封坝面，磨削密封坝面时锁定X向移动移动平台，摆动工作台被锁定在杯形砂轮回转轴线与工件轴回转轴线平行的位置，工件轴带动密封环绕工件轴的回转轴线等速回转，Z向直线移动平台带动工件轴做进给运动，杯形砂轮转速为1000~10000转/分，工件轴转速为10~500转/分，利用杯形砂轮的端面做切入磨削，直到磨削到最终尺寸为止。

由于采用端面宽度只有2~5毫米的杯形砂轮的端面进行切入磨削，杯形砂轮与工件的磨削接触区从被加工表面的内周边一直贯穿到外周边，不需要沿径向的进给运动就能实现斜波纹面或坝面的磨削，因此不存在采用多轴联动数控点接触磨削时需要做复杂轨迹规划问题。

由于密封环斜波纹面的径向轮廓倾角的最大值只有几百微弧度，磨削密封环斜波纹面时，杯形砂轮回转轴线与工件轴回转轴线的夹角极小，在几百微弧度以内，两轴线大体上是平行的，X向直线移动平台的移动行程在0.3毫米以内，因此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、切入角几乎不变，磨削力保持恒定，加工状态稳定，有利于保证加工精度。

由于采用端面宽度只有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，砂轮端面上各处的有效磨粒的切削速度、切削深度和切削路径长度基本一致，因此砂轮端面各处的磨损是均匀的，磨削时杯形砂轮端面的几何形状保持不变，不存在砂轮精确修形难题。

由于砂轮磨损只表现为杯形砂轮端面的均匀损耗，杯形砂轮磨损只对杯形砂轮端面与摆动工作台摆动轴线的距离产生影响，能够通过Z向直线移动平台的直线运动对砂轮磨损进行有效补偿。

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。

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是本发明的磨削原理图。

图中：1密封环；2斜波纹面；3坝面；4 Z向直线移动平台；5工件轴；6杯形砂轮；7 砂轮轴；8摆动工作台；9 Z向直线移动平台。

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160毫米、外径为200毫米、密封坝面外径为170毫米、斜波纹面径向轮廓线倾角在0~0.0006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。

如附图2所示，采用一个高精度空气轴承支撑的工件轴、一个杯形砂轮、一个高精度空气轴承支撑砂轮轴、一个高精度液体静压轴承支撑的摆动工作台、一个高精度液压X向直线移动平台和一个高精度液压Z向直线移动平台，通过杯形砂轮端面做切入磨削。

密封环被夹持在工件轴前端中心处，工件轴带动密封环绕工件轴的回转轴线做高精度回转运动，工件轴的径向跳动和端面跳动小于0.05微米，回转定位误差小于0.5分。杯形砂轮安装在砂轮轴上，该杯形砂轮绕其回转轴线做高精度回转运动，砂轮轴的径向跳动和端面跳动小于0.05微米。工件轴安装在Z向直线移动平台的溜板上，砂轮轴安装在摆动工作台上，砂轮轴的回转轴线与摆动工作台的摆动轴线垂直相交，摆动工作台的摆动定位误差小于8秒，摆动工作台安装在X向直线移动平台的溜板上。X向直线移动平台和Z向直线移动平台安装在机床床身上，X向直线移动平台的运动方向和Z向直线移动平台的运动方向垂直。工件轴的回转轴线与Z向直线移动平台的运动方向平行，杯形砂轮的端面朝向工件轴。Z向直线移动平台带动工件轴及密封环做高精度直线运动，定位精度小于20纳米，X向直线移动平台带动摆动工作台、砂轮轴及杯形砂轮做高精度直线运动，定位精度小于20纳米。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#金刚石。当杯形砂轮回转轴线与工件轴回转轴线平行时，杯形砂轮回转轴线上任意一点到过杯形砂轮回转轴线和摆动工作台摆动轴线的平面的距离等于92.5毫米，杯形砂轮回转轴线与工件轴回转轴线距离为197毫米。工件轴的回转运动、摆动工作台的往复摆动、X向直线移动平台的直线运动和Z向直线移动平台的直线运动能够联动控制。杯形砂轮转速为50~5000转/分，工件轴转速为1~500转/分。

首先磨削斜波纹面，磨削斜波纹面时，砂轮轴带动杯形砂轮绕砂轮轴的回转轴线回转，工件轴带动密封环绕工件轴的回转轴线回转，Z向直线移动平台带动工件轴做直线运动，X向直线移动平台带动摆动工作台和砂轮轴做直线运动。需要联动控制工件轴的回转运动、摆动工作台的往复摆动、X向直线移动平台的直线运动和Z向直线移动平台的直线运动来生成斜波纹面。杯形砂轮的进给运动由Z向直线移动平台的直线运动来实现。

磨削斜波纹面时，若不计Z向直线移动平台带动工件轴所做的进给运动，也不计砂轮磨损以及各种误差，工件轴的回转运动、摆动工作台的往复摆动、X向直线移动平台的直线运动和Z向直线移动平台的直线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，并同时使杯形砂轮与包含斜波纹面外周边的圆柱面交点始终在理论正确几何形状的斜波纹面外周边上。磨削斜波纹面时，杯形砂轮转速为1000转/分，工件轴转速为1转/分，进给速度为0.5微米/分，利用杯形砂轮的端面做切入磨削。

斜波纹面加工完成后磨削密封坝面，磨削密封坝面时锁定X向移动移动平台，摆动工作台被锁定在杯形砂轮回转轴线与工件轴回转轴线平行的位置，工件轴带动密封环绕工件轴的回转轴线等速回转，Z向直线移动平台带动工件轴做进给运动，杯形砂轮转速为2000转/分，工件轴转速为50转/分，利用杯形砂轮的端面做切入磨削，进给速度为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。

Claims (4)

1.一种四轴联动机械密封环磨削方法，采用一个工件轴、一个杯形砂轮、一个砂轮轴、一个摆动工作台、一个X向直线移动平台和一个Z向直线移动平台，通过杯形砂轮端面做切入磨削，其特征是工件轴安装在Z向直线移动平台的溜板上，砂轮轴安装在摆动工作台上，摆动工作台安装在X向直线移动平台的溜板上，X向直线移动平台和Z向直线移动平台安装在机床床身上，X向直线移动平台的运动方向和Z向直线移动平台的运动方向垂直，砂轮轴的回转轴线与摆动工作台的摆动轴线垂直相交，工件轴的回转轴线与Z向直线移动平台的运动方向平行，杯形砂轮的端面朝向工件轴，联动控制工件轴的回转运动、摆动工作台的往复摆动、X向直线移动平台的直线运动和Z向直线移动平台的直线运动来生成斜波纹面，磨削坝面时杯形砂轮回转轴线与工件轴回转轴线平行。

2.根据权利要求1所述的一种四轴联动机械密封环磨削方法，其特征在于，当杯形砂轮回转轴线与工件轴回转轴线平行时，工件轴回转轴线上任意一点到过杯形砂轮回转轴线和摆动工作台摆动轴线的平面的距离等于斜波纹面中径的二分之一，杯形砂轮回转轴线与工件轴回转轴线距离大于砂轮半径和斜波纹面内半径平方和后开平方，杯形砂轮回转轴线与工件轴回转轴线距离小于砂轮半径和斜波纹面外半径平方和后开平方。

3.根据权利要求1所述的一种四轴联动机械密封环磨削方法，其特征在于，磨削斜波纹面时，若不计Z向直线移动平台带动工件轴所做的进给运动，也不计砂轮磨损以及各种误差，工件轴的回转运动、摆动工作台的往复摆动、X向直线移动平台的直线运动和Z向直线移动平台的直线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，并同时使杯形砂轮与包含斜波纹面外周边的圆柱面交点始终在理论正确几何形状的斜波纹面外周边上。

4.根据权利要求1所述的一种四轴联动机械密封环磨削方法，其特征在于，斜波纹面加工完成后磨削密封坝面。