CN104311033A - 一种密封面具有泵送槽的机械密封环加工方法及成型模具 - Google Patents

Abstract

本发明为一种密封面具有泵送槽的机械密封环加工方法及成型模具，适用于粉料压制成型的机械密封环。本方法在粉料成型阶段，利用下冲模型芯在机械密封环环面压制出泵送槽，泵送槽的深度和宽度根据密封环的型号变化而变化。泵送槽在密封端面产生泵送效应和流体动压效应，实现非接触机械密封环的零泄漏密封。本发明方法具有压制成功率高、泵送槽尺寸无回弹的优点。实施本发明方法的成型模具，下冲模包括基座和型芯。型芯在粉料压制成型过程中，压制出所需泵送槽，粉料压制压力达额定值后，抽掉型芯时分保压和不保压两种情况。本发明方法在机械密封环面快速压制出泵送槽，极大的提升机械密封性能，并且不增加工艺成本。

Description

一种密封面具有泵送槽的机械密封环加工方法及成型模具

技术领域

    本发明涉及一种密封面具有泵送槽的机械密封环加工方法及成型模具，属于机械密封和碳化硅粉料模压成型领域，。

背景技术

    机械密封是一种旋转机械的轴封装置，自1885年英国第一个机械密封的发明专利以来，机械密封在许多工业领域发挥了巨大无可替代的作用。20世纪60年代后，鉴于宇航、核电、天然气输送和石油化工等工业等工业迅速发展的需要，研制出在高参数、高性能的机械密封已成为机械密封行业的现实需要和迫切要求。国内外一些专家先后把微织构技术应用于本领域，相继研究了一系列新型机械密封。

    碳化硅（SiC）是到目前为止发现的最好的摩擦副材料，具备各种优良性能，在机械密封行业有最广阔的应用前景，但碳化硅属于脆硬材料，硬度高脆性大，加工性能差，加工难度大，一般机械加工根本不能满足加工要求，虽然经过一些专家学者不懈的努力，研究出了一些加工方法，但都或多或少的存在一些缺陷。

    中国专利CN 1667302A中公布了一种实现机械密封零泄漏非接触的方法，即宏观泵送槽和微观凹腔相耦合的新型密封环，其加工手段是激光，激光器在加工微凹腔的时候效率较高，但在加工泵送槽时效率底下，一个密封环一般要加工2-4个小时，并且不易实现槽深变化，故效率问题成为制约此种高性能密封环的瓶颈。另外，中国专利CN 101592225B中公布了一种加工碳化硅密封环泵送槽的新方法，即在碳化硅密封环原有的成型工艺中，加入凸模压制泵送槽工艺，此方法简便易行，成型效率较高，节约了大量加工成本，但是一直存在着压制后粉料的粘模问题，使其成为本技术的关键问题。

     杂志《模具制造》在2004年发表过一篇名为“粉末冶金模具常用机构的设计”的文章，文中介绍了粉末冶金压制成型时的一种抽芯机构，但是文章中说的型芯在模压成型领域来讲仅仅是芯棒（2），只能起到控制圆环坯料径向尺寸的作用，并不能在坯料端面压制出槽形。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有零泄漏非接触功能的机械密封环加工方法极其成型模具。

本发明采取的技术方案为：一种密封面具有泵送槽的机械密封环加工方法，其特征在于包括以下五个步骤：

A）选择原料，选用碳化硅粉料：粉料湿度3%~6%，粉料中碳化硅颗粒尺寸为0.1μm~3μm，纯度大于99%；

B）压制成型，坯料压制成型分为五个步骤，一，取料，使用量具量取所需粉料；二，装料，把粉料均匀装入阴模；三，加压，对阴模一侧施加压力，使得粉料内部的压强为50~300MPa，粉料在压力作用下，被压制成坯料，坯料具有上表面和下表面，型芯和基座在压制过程中同时与下表面接触，型芯在下表面产生槽，槽深0.8mm~2mm，槽的形状与型芯和粉料接触形状一致，基座产生下表面平面；四，抽芯，将型芯与坯料分离；五，脱模，将基座与坯料分离；  

C）无压烧结，无压烧结分两步进行：首先将坯料放入氧化烧结炉内，在空气气氛下进行预烧，以5℃/min~10℃/min的升温速度加热到600℃，然后保温30~60min，冷却后取出坯料；其次将预烧后的坯料放入高温烧结炉，在氮气气氛下进行无压烧结，先以20℃/min~30℃/min的升温速度升至1400℃，随后以12.5℃/min~15℃/min的升温速度升至2200℃，在此温度下保温2~3h，随炉自然冷却至200℃，开炉取出坯料；

D）检测上一步骤中，坯料上槽的深度；

E）后处理，磨削加工无压烧结后的坯料，磨削过程去除余量小于槽深，由原先的槽产生泵送槽，得到最终成品；成品机械密封环平面度小于0.9μm，表面粗糙度Ra小于0.2μm，工作面上具有泵送槽。

步骤B中的第四步的两种实现方式为抽芯时压力机达到额定压力后先抽掉型芯再泄压；和抽芯时压力机达到额定压力后先泄压再抽芯。

进一步地，步骤D中，检测坯料上槽深的检测工具为表面轮廓仪。

进一步地，步骤E中，磨削加工方法，先粗磨再精磨，最后研磨和抛光同时进行；精确控制粗磨和精磨的去除余量，粗磨去除余量为0.6~1.2mm，精磨去除余量0.05~0.1mm，研磨和抛光的去除余量10~50μm。

进一步地，步骤E中，泵送槽的个数为8~30个，深度为8~800μm，实现泵送槽浅槽和深槽的加工。

一种密封面具有泵送槽的机械密封环的成型模具，包括单一圆柱体下冲模，所述单一圆柱体下冲模包括基座和型芯，基座上具有孔和型芯导向槽；型芯具有泵送槽型芯和型芯基座；其中基座下端面位于压力机底板上方，直接与压力机底板上端面接触，支撑整套模具；基座高度5~8mm处均布三个孔，孔沿基座径向；加压时插入孔的三个支撑棒与型芯基座下表面直接接触，起支撑型芯基座作用；型芯基座上表面沿基座轴心方向均布泵送槽型芯，型芯形状与所设计的泵送槽槽型一致；泵送槽型芯插入型芯导向槽，并根据槽深要求高出基座上端面0.8~2mm。

进一步地，型芯导向槽和泵送槽型芯为间隙配合，最大间隙在0~5μm之间，使得粉料无法大量进入型芯导向槽，同时泵送槽型芯能够在型芯导向槽中上下运动。

上述方案中，所述支撑棒可以用上滑块和下滑块代替，抽芯之前先把下滑块沿径向方向抽出，上滑块自动掉落，且在加压时两滑块的接触面要有自锁功能；

 上述方案中，所述支撑棒也可以用气缸或者液压缸代替，加压时气缸活塞支撑型芯基座，限制其往下运动，抽芯之前气缸先泄载使活塞往下运动。

本发明实现了机械密封环的跨尺度造型，在碳化硅密封环原有无压烧结工艺的基础上，重新设计下冲模结构，使其在压制时顺利实现模压成型上游泵送槽。经过后续烧结、磨削、研磨、抛光处理后，根据不同使用要求，使其槽深保持在8~800μm之间。然后在激光器上加工出需要的微凹腔，从而实现了新型陶瓷密封环的零泄漏非接触功能。

附图说明

附图1是保压抽芯新型模具的剖视图。

附图2是基座示意图。

附图3是型芯示意图。

附图4是压制出的上游泵送槽。

附图5是压制出的弧形槽。

附图6是使用滑块代替支撑棒后的结构示意图。

附图7是使用气缸代替支撑棒后的结构示意图。

1—上冲模     2—芯棒            3—阴模        4—坯料 

5—基座       6—型芯            7—支撑棒    8—孔  

9—型芯导向槽       10—泵送槽型芯     11—型芯基座  

12—上游泵送槽      13—圆弧槽         14—压力机压板  

15—压力机底板      16—上滑块         17—下滑块   

18—活塞            19—气缸。

具体实施方式

   下面结合附图对本发明的具体实施方式进一步详细说明。

   第一步：加工。根据不同槽型要求，利用端面铣、电火花、线切割等机加工手段加工出所需要的型芯6和基座5，然后在下冲模基座上加工三个均布的沿基座径向的孔8。

   第二步：装配。把加工好的型芯6和基座5装配起来，装入3根支撑棒7，限制其向下运动，然后一起导入阴模3中，使阴模下端面与型芯基座11上端面接触。

   第三步：装料。把芯棒2放入阴模3内正确位置后开始装料，主要原料：山东青州的碳化硅微粉，湿度3%~6%，颗粒尺寸为0.5μm，纯度>99%；粘结剂：聚乙烯醇（PVA）；辅助原料：制备工艺中的消泡剂、分散剂以及固相烧结用助烧剂为炭黑和硼化硼等。每次装粉料时轻轻敲打阴模3外壁并转动芯棒2尽量保证粉料同一疏密性和表层的平整性，确保压制密封环时模具各部分受力的均匀。

    第四步：加压。装完粉料后放入上冲模1开始加压，以10MPa/s的加压速度加压到100MPa后保压10s后，以同样速度卸载；再次用同样速度加压到200MPa并保压90s。分两次加压主要是为了排除粉料内的气体，以免在制品表面形成开裂。

    第五步：保压抽芯。达到200MPa的压力后保持不变，卸下3个支撑棒7，借助外力向下垂直抽出型芯部分6，接着卸载直到压力为零。然后在阴模3下端面加套筒，套筒高度大于等于阴模3中下冲模基座5与坯料4高度之和，利用压力机压板14在上冲模1上端面施加压力，直至从阴模3中压出基座5和坯料4；然后压力机压板14向上运动，取出上冲模1，分离基座5和坯料4。

    第六步：烧结。烧结方式为固相无压烧结，首先将坯料4放入氧化烧结炉内，在空气气氛下进行预烧，以5℃/min的升温速度加热到600℃，然后对其保温30min，使坯料4中残留的有机物添加剂充分挥发，冷却后取出密封环试样。然后将预烧后密封环试样放入高温烧结炉内，在氮气保护气氛下进行无压烧结，先以25℃/min的升温速度升至1400℃，再以12.5℃/min的升温速度升至2200℃，在此温度下保温2h，保温结束后切断热源让其随炉自然冷却，待温度降至200℃左右，开炉取出密封环试样。

    第七步：测量泵送槽深度。使用表面轮廓仪测量出泵送槽的深度，便于下一步计算磨削的加工余量。

    第八步：后处理。先粗磨再精磨，最后研磨和抛光同时进行；精确控制粗磨和精磨的去除余量，粗磨去除余量为0.6~1.2mm，精磨去除余量0.05~0.1mm，研磨和抛光的去除余量10~50μm。然后研磨、抛光到密封环平面度小于0.9μm、表面粗糙度小于0.2μm，加工总余量在0.7~1.4mm之间，保证槽深满足使用要求。

    另外，本实施例中的三个支撑棒7也可以用上滑块16和下滑块17代替，在第五步的过程中，抽芯之前先把下滑块17沿径向方向抽出，上滑块16就会自动掉落，在加压时两滑块的接触面要有自锁功能。支撑棒7也可以用气缸19或者液压缸代替，加压时气缸活塞18支撑型芯基座11，限制其往下运动，抽芯之前气缸先泄载使活塞往下运动。

实施例一的一种密封面具有泵送槽的机械密封环的成型模具，包括单一圆柱体下冲模，其特征在于：所述单一圆柱体下冲模包括基座5和型芯6，基座5上具有孔8和型芯导向槽9；型芯6具有泵送槽型芯10和型芯基座11；其中基座5下端面位于压力机底板15上方，直接与压力机底板15上端面接触，支撑整套模具；在基座5外圆，高度5~8mm处均布三个孔8，孔8沿基座5径向；加压时插入孔8的三个支撑棒7与型芯基座11下表面直接接触，起支撑型芯基座作用；型芯基座11上表面沿基座5轴心方向均布泵送槽型芯10，型芯形状与所设计的泵送槽槽型一致；泵送槽型芯10插入型芯导向槽9，并根据槽深要求高出基座5上端面0.8~2mm。型芯导向槽9和泵送槽型芯10为间隙配合，最大间隙在0~5μm之间，使得粉料无法大量进入型芯导向槽9，同时泵送槽型芯10能够在型芯导向槽9中上下运动。

Claims (10)

1.一种密封面具有泵送槽的机械密封环加工方法，其特征在于包括以下五个步骤：

A）原料选择，选用碳化硅粉料：粉料湿度3%~6%，粉料中碳化硅颗粒尺寸为0.1μm~3μm，纯度大于99%；

B）压制成型，坯料（4）压制成型分为五个步骤，一，取料，使用量具量取所需粉料；二，装料，把粉料均匀装入阴模（3）；三，加压，对阴模（3）一侧施加压力，使得粉料内部的压强为50~300MPa，粉料在压力作用下，被压制成坯料（4），坯料（4）具有上表面和下表面，型芯（6）和基座（5）在压制过程中同时与下表面接触，型芯（6）在下表面产生槽，槽深0.8mm~2mm，槽的形状与型芯（6）和粉料接触形状一致，基座（5）产生下表面平面；四，抽芯，将型芯（6）与坯料（4）分离；五，脱模，将基座（5）与坯料（4）分离；  

C）无压烧结，无压烧结分两步进行：首先将坯料（4）放入氧化烧结炉内，在空气气氛下进行预烧，以5℃/min~10℃/min的升温速度加热到600℃，然后保温30~60min，冷却后取出坯料（4）；其次将预烧后的坯料（4）放入高温烧结炉，在氮气气氛下进行无压烧结，先以20℃/min~30℃/min的升温速度升至1400℃，随后以12.5℃/min~15℃/min的升温速度升至2200℃，在此温度下保温2~3h，随炉自然冷却至200℃，开炉取出坯料（4）；

D）检测上一步骤中，坯料（4）上槽的深度；

E）后处理，磨削加工无压烧结后的坯料（4），磨削过程去除余量小于槽深，由原先的槽产生泵送槽（12），得到最终成品；成品机械密封环平面度小于0.9μm，表面粗糙度Ra小于0.2μm，工作面上具有泵送槽。

2.根据权利要求1所述的一种密封面具有泵送槽的机械密封环加工方法，其特征在于：步骤B中的第四步，抽芯时压力机达到额定压力后先抽掉型芯再泄压。

3.根据权利要求2所述的一种密封面具有泵送槽的机械密封环加工方法，其特征在于：步骤B中的第四步，抽芯时压力机达到额定压力后先泄压再抽芯。

4.根据权利要求1所述的一种密封面具有泵送槽的机械密封环加工方法，其特征在于：步骤D中，检测坯料（4）上槽深的检测工具为表面轮廓仪。

5.根据权利要求1或2或3所述的一种密封面具有泵送槽的机械密封环加工方法，其特征在于：步骤E中，磨削加工方法，先粗磨再精磨，最后研磨和抛光同时进行；精确控制粗磨和精磨的去除余量，粗磨去除余量为0.6~1.2mm，精磨去除余量0.05~0.1mm，研磨和抛光的去除余量10~50μm。

6.根据权利要求1或2或3所述的一种密封面具有泵送槽的机械密封环加工方法，其特征在于：步骤E中，泵送槽的个数为8~30个，深度为8~800μm，实现泵送槽浅槽和深槽的加工。

7.一种密封面具有泵送槽的机械密封环的成型模具，包括单一圆柱体下冲模，其特征在于：所述单一圆柱体下冲模包括基座（5）和型芯（6），基座（5）上具有孔（8）和型芯导向槽（9）；型芯（6）具有泵送槽型芯（10）和型芯基座（11）；其中基座(5)下端面位于压力机底板（15）上方，直接与压力机底板（15）上端面接触，支撑整套模具；在基座（5）外圆，高度5~8mm处均布三个孔(8)，孔（8）沿基座（5）径向；加压时插入孔（8）的三个支撑棒（7）与型芯基座（11）下表面直接接触，起支撑型芯基座作用；型芯基座（11）上表面沿基座（5）轴心方向均布泵送槽型芯（10），型芯形状与所设计的泵送槽槽型一致；泵送槽型芯（10）插入型芯导向槽（9），并根据槽深要求高出基座（5）上端面0.8~2mm。

8.根据权利要求7所述的一种密封面具有泵送槽的机械密封环的成型模具，其特征在于：型芯导向槽（9）和泵送槽型芯（10）为间隙配合，最大间隙在0~5μm之间，使得粉料无法大量进入型芯导向槽（9），同时泵送槽型芯（10）能够在型芯导向槽（9）中上下运动。

9.根据权利要求7所述的一种密封面具有泵送槽的机械密封环的成型模具，其特征在于：所述支撑棒（7）用上滑块（16）和下滑块（17）代替，加压时两滑块的接触面自锁，抽芯之前先把下滑块（17）沿径向方向抽出，上滑块（16）自动脱落。

10.根据权利要求7所述的一种密封面具有泵送槽的机械密封环的成型模具，其特征在于：所述支撑棒（7）用气缸（19）或者液压缸代替，加压时气缸活塞（18）支撑型芯基座（11），限制其往下运动，抽芯之前气缸先泄载使活塞往下运动。