CN103236393A - 单电极大气等离子体加工碳化硅密封环类零件的方法 - Google Patents

Abstract

单电极大气等离子体加工碳化硅密封环类零件的方法。它属于等离子体加工碳化硅密封环类零件的技术领域。它是为了解决碳化硅密封环类零件的难加工问题。它的步骤一：圆盘形电极架外圆面上竖直设置有一片薄片形电极；步骤二：待加工碳化硅密封环类零件装卡在地电极上；步骤三：薄片形电极的下端面靠近待加工表面；步骤四：预热射频电源和混合等离子体气源；步骤五：通入混合气体，启动射频电源；步骤六：控制薄片形电极的运动轨迹和在零件表面的驻留时间；步骤七：取出待加工碳化硅密封环类零件。本发明能对那些表面微结构形状比较复杂的、不规则的尤其是在圆周方向上不具有周期重复性的密封环类零件表面进行高精度、高效率的加工。

Description

单电极大气等离子体加工碳化硅密封环类零件的方法

技术领域

本发明属于等离子体加工碳化硅密封环类零件的技术领域。

背景技术

随着现代科学技术的迅速发展，在核工业、石油工业、化工工业、化纤、化肥、原子能、航空航天和机械制造等工业领域中，对机械密封提出了更高的要求。

碳化硅(SiC)的耐化学腐蚀性好、强度高、硬度高，耐磨性能好、摩擦系数小，抗氧化性强、极高的温度下有良好的尺寸稳定性、热膨胀系数低、热稳定性好。另外，碳化硅材料具有适中的密度、较高的比刚度、较好的导热系数、耐热冲击性、抗热震、各向同性的机械性能、高弹性模量和使用寿命长等特点。可用于放射性、腐蚀性、剧毒、易燃、易爆、高温、高纯、超净等诸多复杂工况条件。因而是制造密封环的理想材料。

但同时碳化硅材料硬度高，脆性大，表面的加工难度大。用传统的加工方法加工，加工过程相当耗时并且效率相当低，面型修整困难，费用高；另外加工质量不可控，加工质量一致性差；并且精度低，工具磨损非常快，磨损严重。这使得碳化硅密封环类零件的加工非常不易。

为了使密封环能起到较好的密封效果，密封环表面需要加工出微结构。在这种情况下，装配密封环时，密封环表面上存在的微结构可以弥补装配过程中产生的变形，从而起到更好的密封作用。但是这会增加加工过程算法的复杂程度和控制过程的复杂程度，增加对加工过程稳定性的要求，使得加工难度更大。

发明内容

本发明的目的是提供一种单电极大气等离子体加工碳化硅密封环类零件的方法，为了解决碳化硅密封环类零件的难加工问题。

所述的目的是通过以下方案实现的：所述的一种单电极大气等离子体加工碳化硅密封环类零件的方法，它的步骤方法是：

步骤一：将圆盘形电极架的上端面绝缘连接在龙门加工机床的竖直运动工作转轴上，圆盘形电极架外圆面上竖直设置有一片薄片形电极，薄片形电极与圆盘形电极架的直径所在直线共线，使薄片形电极通过圆盘形电极架与射频电源的输出端连接作为大气等离子体放电的阳极；圆盘形电极架上的出气孔通过圆盘形电极架中心的导气孔、气管与混合等离子体气源导气连通，圆盘形电极架出气孔的出口端设置在薄片形电极附近；

步骤二：将待加工碳化硅密封环类零件装卡在地电极上，地电极固定在龙门加工机床的工作平台上；将地电极接地作为大气等离子体放电的阴极；将龙门加工机床设置在密闭工作舱中；

步骤三：圆盘形电极架的回转轴心线与待加工碳化硅密封环类零件的轴心线重合，使薄片形电极的下端面靠近待加工碳化硅密封环类零件的待加工表面，并使它们之间保持一定的放电间隙，放电间隙范围为1mm-5mm；

步骤四：预热射频电源，预热时间为5-10分钟；然后打开混合等离子体气源，混合等离子体气源包含反应气体、大气等离子体激发气体和辅助气体，使大气等离子体激发气体的流量为1升/分钟~40升/分钟，反应气体与大气等离子体激发气体的流量比为1：10~1：1000；辅助气体与反应气体的流量比为1：10~1：1；

步骤五：当薄片形电极和待加工碳化硅密封环类零件的待加工表面之间的区域内充满大气等离子体激发气体、反应气体与辅助气体的混合气体后，启动射频电源，逐步增加射频电源的功率，使功率达到100W-400W，同时控制射频电源的反射功率为零，在射频电源工作的过程中持续稳定的通入混合气体，使薄片形电极和待加工碳化硅密封环类零件的待加工表面之间的放电区域产生稳定的等离子体放电，同时启动龙门加工机床的转轴转动，使圆盘形电极架做回转运动，从而带动薄片形电极绕回转轴心线做回转运动；

步骤六：根据去除量的要求，控制薄片形电极的运动轨迹和在零件表面的驻留时间，用上述产生的大气等离子体对零件表面进行加工；

步骤七：待加工完成后，关闭射频电源的电源，关闭混合等离子体气源，停止龙门加工机床的转轴转动，取出待加工碳化硅密封环类零件，对加工去除深度进行测量，以判断是否达到加工要求。

本发明能对那些表面微结构形状比较复杂的、不规则的尤其是在圆周方向上不具有周期重复性的密封环类零件表面进行高精度、高效率的加工。

本发明与现有技术相比还具有下列优点：

1.等离子体电极结构简单，电极为常见金属制成，制造简单，大气等离子体加工过程对电极的损伤很小，因此加工过程稳定可控，加工质量一致性好，费用低； 

2. 本方法针对微结构表面，利用等离子体电极的加工表面，计算驻留时间，只需要一个方向的回转运动就可以实现微结构的加工，算法和数控过程简单；

3.等离子体的产生是在开放的大气条件下实现的，避免了采用真空反应容器，大大降低了使用成本。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是图1中圆盘形电极架1、薄片形电极1-1与待加工碳化硅密封环类零件4相对位置结构示意图；

图3是图2的俯视结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1、图2、图3所示，它的步骤方法是：

步骤一：将圆盘形电极架1的上端面绝缘连接在龙门加工机床2的竖直运动工作转轴2-1上，圆盘形电极架1外圆面上竖直设置有一片薄片形电极1-1，薄片形电极1-1与圆盘形电极架1的直径所在直线共线，使薄片形电极1-1通过圆盘形电极架1与射频电源3的输出端连接作为大气等离子体放电的阳极；圆盘形电极架1上的出气孔1-2通过圆盘形电极架1中心的导气孔1-3、气管6-1与混合等离子体气源6导气连通，圆盘形电极架1出气孔1-2的出口端设置在薄片形电极1-1附近；

步骤二：将待加工碳化硅密封环类零件4装卡在地电极2-3上，地电极2-3固定在龙门加工机床2的工作平台2-2上；将地电极2-3接地作为大气等离子体放电的阴极；将龙门加工机床2设置在密闭工作舱5中；

步骤三：圆盘形电极架1的回转轴心线与待加工碳化硅密封环类零件4的轴心线重合，使薄片形电极1-1的下端面靠近待加工碳化硅密封环类零件4的待加工表面，并使它们之间保持一定的放电间隙，放电间隙范围为1mm-5mm；

步骤四：预热射频电源3，预热时间为5-10分钟；然后打开混合等离子体气源6，混合等离子体气源6包含反应气体、大气等离子体激发气体和辅助气体，使大气等离子体激发气体的流量为1升/分钟~40升/分钟，反应气体与大气等离子体激发气体的流量比为1：10~1：1000；辅助气体与反应气体的流量比为1：10~1：1；

步骤五：当薄片形电极1-1和待加工碳化硅密封环类零件4的待加工表面之间的区域内充满大气等离子体激发气体、反应气体与辅助气体的混合气体后，启动射频电源3，逐步增加射频电源3的功率，使功率达到100W-400W，同时控制射频电源3的反射功率为零，在射频电源3工作的过程中持续稳定的通入混合气体，使薄片形电极1-1和待加工碳化硅密封环类零件4的待加工表面之间的放电区域产生稳定的等离子体放电，同时启动龙门加工机床2的转轴2-1转动，使圆盘形电极架1做回转运动，从而带动薄片形电极1-1绕回转轴心线做回转运动；

步骤六：根据去除量的要求，控制薄片形电极1-1的运动轨迹和在零件表面的驻留时间，用上述产生的大气等离子体对零件表面进行加工；

步骤七：待加工完成后，关闭射频电源3的电源，关闭混合等离子体气源6，停止龙门加工机床2的转轴2-1转动，取出待加工碳化硅密封环类零件4，对加工去除深度进行测量，以判断是否达到加工要求。

所述薄片形电极1-1的材质为铝。所述薄片形电极1-1的下加工表面可设计成平面型、内斜梯形或外斜梯形。

所述龙门加工机床2为龙门铣床或龙门刨床。

所述射频电源3的频率为13.56MHz或27.12MHz，最大功率为2KW。

所述混合等离子体气源6为三元气体混合系统，供气流量为1-100L/min。

所述混合等离子体气源6中的大气等离子体激发气体为氦气或氩气；反应气体为六氟化硫、四氟化碳或三氟化氮；辅助气体为氧气、氢气或氮气。

工作原理：由射频电源3输出端连接薄片形电极1-1作为大气等离子体放电的阳极，零件地电极接地作为大气等离子体放电的地电极，由混合等离子体气源6提供的能被激发产生等离子体的气体充满薄片形电极1-1和零件之间的间隙，由射频电源3提供输出电能，在薄片形电极1-1和待加工碳化硅密封环类零件4的放电间隙产生等离子体，同时反应气体被激发，产生具有反应活性的原子与待加工碳化硅密封环类零件4的表面发生化学反应，生成挥发性的反应产物并被旋转的薄片形电极带离零件表面，由此实现对碳化硅密封环类零件的无损伤快速加工。

四氟化碳在等离子体的作用下，发生电离，产生激发态的活性F原子，激发态的活性F原子与碳化硅材料的密封环类零件发生化学反应，生成挥发性产物，可以很顺利地从零件表面挥发，从而实现材料的原子级去除，最终生成超光滑表面，并且不会在零件表面产生新的损伤层；

。

所述薄片形电极1-1的设计原则：等离子体电极的长度范围根据待加工碳化硅密封环类零件4的内外半径差为2 mm到100 mm可选。等离子体电极宽度范围由待加工微结构的波长决定，由于电极宽度约为单位去除函数的半高宽的二分之一，且为了保证加工的精确性，要求单位去除函数的半高宽小于待加工波长的五分之一，因此电极的宽度范围要求小于待加工碳化硅密封环类零件4的内圈待加工波长的十分之一，建议范围为0.5mm到2mm。

Claims (3)

1.单电极大气等离子体加工碳化硅密封环类零件的方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：将圆盘形电极架（1）的上端面绝缘连接在龙门加工机床（2）的竖直运动工作转轴（2-1）上，圆盘形电极架（1）外圆面上竖直设置有一片薄片形电极（1-1），薄片形电极（1-1）与圆盘形电极架（1）的直径所在直线共线，使薄片形电极（1-1）通过圆盘形电极架（1）与射频电源（3）的输出端连接作为大气等离子体放电的阳极；圆盘形电极架（1）上的出气孔（1-2）通过圆盘形电极架（1）中心的导气孔（1-3）、气管（6-1）与混合等离子体气源（6）导气连通，圆盘形电极架（1）出气孔（1-2）的出口端设置在薄片形电极（1-1）附近；

步骤二：将待加工碳化硅密封环类零件（4）装卡在地电极（2-3）上，地电极（2-3）固定在龙门加工机床（2）的工作平台（2-2）上；将地电极（2-3）接地作为大气等离子体放电的阴极；将龙门加工机床（2）设置在密闭工作舱（5）中；

步骤三：圆盘形电极架（1）的回转轴心线与待加工碳化硅密封环类零件（4）的轴心线重合，使薄片形电极（1-1）的下端面靠近待加工碳化硅密封环类零件（4）的待加工表面，并使它们之间保持一定的放电间隙，放电间隙范围为1mm-5mm；

步骤四：预热射频电源（3），预热时间为5-10分钟；然后打开混合等离子体气源（6），混合等离子体气源（6）包含反应气体、大气等离子体激发气体和辅助气体，使大气等离子体激发气体的流量为1升/分钟~40升/分钟，反应气体与大气等离子体激发气体的流量比为1：10~1：1000；辅助气体与反应气体的流量比为1：10~1：1；

步骤五：当薄片形电极（1-1）和待加工碳化硅密封环类零件（4）的待加工表面之间的区域内充满大气等离子体激发气体、反应气体与辅助气体的混合气体后，启动射频电源（3），逐步增加射频电源（3）的功率，使功率达到100W-400W，同时控制射频电源（3）的反射功率为零，在射频电源（3）工作的过程中持续稳定的通入混合气体，使薄片形电极（1-1）和待加工碳化硅密封环类零件（4）的待加工表面之间的放电区域产生稳定的等离子体放电，同时启动龙门加工机床（2）的转轴（2-1）转动，使圆盘形电极架（1）做回转运动，从而带动薄片形电极（1-1）绕回转轴心线做回转运动；

步骤六：根据去除量的要求，控制薄片形电极（1-1）的运动轨迹和在零件表面的驻留时间，用上述产生的大气等离子体对零件表面进行加工；

步骤七：待加工完成后，关闭射频电源（3）的电源，关闭混合等离子体气源（6），停止龙门加工机床（2）的转轴（2-1）转动，取出待加工碳化硅密封环类零件（4），对加工去除深度进行测量，以判断是否达到加工要求。

2.根据权利要求1所述的单电极大气等离子体加工碳化硅密封环类零件的方法，其特征在于所述薄片形电极（1-1）的材质为铝。

3.根据权利要求1所述的单电极大气等离子体加工碳化硅密封环类零件的方法，其特征在于所述混合等离子体气源（6）中的大气等离子体激发气体为氦气或氩气；反应气体为六氟化硫、四氟化碳或三氟化氮；辅助气体为氧气、氢气或氮气。

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