CN103264414B - 大气等离子体加工含微结构的碳化硅密封环类零件的装置 - Google Patents

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Abstract

大气等离子体加工碳化硅密封环类零件的装置，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。它的圆盘形电极架的上端面上设置有多个薄片形电极模块的安装孔，当薄片形电极模块安装在圆盘形电极架上的安装孔时，薄片形电极模块与圆盘形电极架的直径所在直线共线，根据待加工面型的要求选择薄片形电极模块的个数；每片薄片形电极模块的下端面都靠近待加工碳化硅密封环类零件的待加工表面。本发明能对那些表面要求比较高的、加工难度比较大的、需要多个工序才能完成加工的密封环类零件表面进行先均匀的大去除、然后局部修琢的小去除、最后刻蚀微结构的高精度、高效率的加工。<u/>

Description

大气等离子体加工含微结构的碳化硅密封环类零件的装置
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，精度低；同时加工碳化硅会给加工工具造成非常快速和严重的磨损。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，对加工装置的要求更高。
发明内容
本发明的目的是提供一种大气等离子体加工含微结构的碳化硅密封环类零件的装置，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：所述的一种大气等离子体加工含微结构的碳化硅密封环类零件的装置，它由圆盘形电极架、薄片形电极模块、地电极、龙门加工机床、射频电源、密闭工作舱、混合等离子体气源组成，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；
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，圆盘形电极架的上端面上设置有多个薄片形电极模块的安装孔，当薄片形电极模块安装在圆盘形电极架上的安装孔时，薄片形电极模块与圆盘形电极架的直径所在直线共线，根据待加工碳化硅密封环类零件微结构面型的要求选择薄片形电极模块的个数；使每个薄片形电极模块都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；圆盘形电极架上的多个出气孔都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，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，圆盘形电极架上的每个出气孔的出口端分别设置在每个薄片形电极模块附近；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；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，使每片薄片形电极模块的下端面都靠近待加工碳化硅密封环类零件的待加工表面，并使它们之间都保持一定的放电间隙，放电间隙范围均为1mm-5mm；所述薄片形电极模块的设计原则：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的内外半径差为2mm到100mm；等离子电极的宽度范围要求小于待加工碳化硅密封环类零件的内圈待加工波长的十分之一。
本发明能对那些表面要求比较高的、加工难度比较大的、需要多个工序才能完成加工的密封环类零件表面进行先均匀的大去除、然后局部修琢的小去除、最后刻蚀微结构的高精度、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、薄片形电极模块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，本实施方式由圆盘形电极架1、薄片形电极模块1-1、地电极2-3、龙门加工机床2、射频电源3、密闭工作舱5、混合等离子体气源6组成，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；
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的上端面上设置有多个薄片形电极模块1-1的安装孔1-4，当薄片形电极模块1-1安装在圆盘形电极架1上的安装孔1-4时，薄片形电极模块1-1与圆盘形电极架1的直径所在直线共线，根据待加工碳化硅密封环类零件4微结构面型的要求选择薄片形电极模块1-1的个数；使每个薄片形电极模块1-1都通过圆盘形电极架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上的多个出气孔1-2都通过圆盘形电极架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，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，圆盘形电极架1上的每个出气孔1-2的出口端分别设置在每个薄片形电极模块1-1附近；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；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，使每片薄片形电极模块1-1的下端面都靠近待加工碳化硅密封环类零件4的待加工表面，并使它们之间都保持一定的放电间隙，放电距离范围都为1mm-5mm。
所述薄片形电极模块1-1的材质为铝。所述薄片形电极模块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模块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大气等离子体激发气体充满薄片形电极模块1-1和零件之间的间隙，由射频电源3提供输出电能，使功率达到100W-400W，同时控制射频电源3的反射功率为零，在薄片形电极模块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；
SiC+4O→SiO2+CO2↑
SiO2+4F→SiF4+O2↑。
所述薄片形电极模块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2mm到100mm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.大气等离子体加工含微结构的碳化硅密封环类零件的装置，其特征在于它由圆盘形电极架(1)、薄片形电极模块(1-1)、地电极(2-3)、龙门加工机床(2)、射频电源(3)、密闭工作舱(5)、混合等离子体气源(6)组成；
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)的上端面上设置有多个薄片形电极模块(1-1)的安装孔(1-4)，当薄片形电极模块(1-1)安装在圆盘形电极架(1)上的安装孔(1-4)时，薄片形电极模块(1-1)与圆盘形电极架(1)的直径所在直线共线，根据待加工碳化硅密封环类零件(4)微结构面型的要求选择薄片形电极模块(1-1)的个数；使每个薄片形电极模块(1-1)都通过圆盘形电极架(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)上的多个出气孔(1-2)都通过圆盘形电极架(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，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，圆盘形电极架(1)上的每个出气孔(1-2)的出口端分别设置在每个薄片形电极模块(1-1)附近；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；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，使每片薄片形电极模块(1-1)的下端面都靠近待加工碳化硅密封环类零件(4)的待加工表面，并使它们之间都保持一定的放电间隙，放电间隙范围均为1mm-5mm；所述薄片形电极模块(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2mm到100mm；等离子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。
2.根据权利要求1所述的大气等离子体加工含微结构的碳化硅密封环类零件的装置，其特征在于所述薄片形电极模块(1-1)的材质为铝。
3.根据权利要求1所述的大气等离子体加工含微结构的碳化硅密封环类零件的装置，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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