CN104911657A - 上游泵送机械密封流体动压槽的增材制造装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于机械制造领域，具体地，涉及一种上游泵送机械密封流体动压槽的增材制造装置。该装置包括：主轴系统、储液箱、镀液、工具电极、海绵擦头、绝缘隔套、工作台、电镀电源、弹簧、数字控制系统；其中：主轴系统分别与机床和储液箱相连接，储液箱内装有镀液，储液箱通过其下端的外螺纹连接工具电极，工具电极下端抵有海绵擦头，工具电极和海绵擦头的外部套有同轴的绝缘隔套，弹簧套设在工具电极的外部；工件、工具电极分别与电镀电源的负极和正极相连，数字控制系统与主轴系统、工作台相连。本发明采用逐层生长的方法通过控制工件的移动轨迹增材制造上游泵送机械密封流体动压槽，不受密封环槽型结构的限制，不需制作掩膜，加工成本较低。

Description

上游泵送机械密封流体动压槽的增材制造装置

技术领域

本发明属于机械制造领域，具体地，涉及一种上游泵送机械密封流体动压槽的增材制造装置。

背景技术

上游泵送机械密封是一种流体润滑的非接触式机械密封，可实现密封介质的零泄漏甚至零逸出、彻底消除对环境的污染，具有磨损少、发热小、使用寿命长、运行维护费用低、经济效益明显等优点，特别适用于高温、高压、易汽化、高危险及高污染性等难密封场合，可替代普通的接触式双端面密封，具有广阔的应用前景。密封环上的流体动压槽是影响上游泵送机械密封使用性能的关键部件，其槽形结构复杂，且加工精度和表面质量要求高(槽深精度<1μm，槽底面和槽顶面的表面粗糙度Ra<0.1μm，平面度<0.9μm，各槽在密封端面上的位置精度<1μm)，为了提高密封的使用寿命，国内外多采用金属基陶瓷或硬质合金等制作密封环，它们都具有很高的硬度，很强的耐磨性和耐腐蚀性。复杂的端面形貌结构、较高的加工精度要求以及难加工材料的应用给上游泵送机械密封的加工带来了很大的困难，是影响其推广应用的关键因素。

目前国内外常用的上游泵送机械密封加工方法主要有电火花加工、激光加工、喷砂法、化学蚀刻、光化学腐蚀等减材制造方法。

电火花加工是利用工具电极和动压槽之间放电时产生的高温高压作用，将动压槽内待去除的材料蚀刻掉，该方法要求放电间隙内的电介质均一且性能稳定、工具电极端面与密封环端面保持较高的平行度，才能获得均匀放电的效果，否则难以保证各槽的槽深。此外，该方法加工上游泵送机械密封时，要制作与动压槽形状一致的工具电极端面，存在加工效率低、加工成本高、加工表面易产生微裂纹降低材料强度等问题，同时，加工过程中工具电极和动压槽工件的二次放电现象还会使得动压槽边缘不齐，影响其使用性能。

激光加工是一种瞬时局部熔化和气化的热加工，加工上游泵送机械密封时，其加工表面易存在微裂纹、变质层以及热影响区等缺陷，同时易造成动压槽的边缘不齐。

喷砂法首先要制造喷砂掩膜，掩膜上开孔的图案与动压槽结构相同。当掩膜置于密封件端面上时，端面上动压槽以外的部位被盖住，露出部位的材料被高能喷砂去除，形成一定深度的动压槽。该方法存在的问题是制造精度较低、加工的动压槽边缘不齐、尖角等精细部位的失真严重、截面槽形较差、喷砂面粗糙等，这些都会影响槽线的流体动压效果及密封特性。

化学蚀刻是利用化学腐蚀液对上游泵送机械密封环进行腐蚀刻槽。光化学腐蚀法是先在被刻槽的工件上涂以感光胶膜，然后将事先准备好的底片放于其上，经曝光，显影，涂保护层，再在蚀刻液中浸蚀，以得到所需的上游泵送机械密封动压槽。化学蚀刻和光化学腐蚀不易加工材质均一性差的金属基陶瓷或硬质合金，且难以加工出高形状精度的槽形。

目前国内外常用的上游泵送机械密封流体动压槽的加工装置，其工作原理均是基于上述减材制造方法，普遍存在加工成本高、质量差、效率低和废品率高等缺陷，用于上游泵送机械密封流体动压槽的增材制造装置，目前国内外尚未见报道。

发明内容

为克服现有技术存在的缺陷，本发明提供一种上游泵送机械密封流体动压槽的增材制造装置，该制造装置采用逐层生长的方法增材制造上游泵送机械密封流体动压槽，可解决上游泵送机械密封的加工难题，提高上游泵送机械密封的使用寿命、降低其加工成本。

为实现上述目的，本发明采用下述方案：

上游泵送机械密封流体动压槽的增材制造装置，包括：主轴系统、储液箱、镀液、工具电极、海绵擦头、绝缘隔套、工作台、电镀电源、弹簧、数字控制系统；其中：主轴系统连接在机床上，主轴系统的下端通过螺栓连接储液箱，储液箱内部装有镀液，储液箱下端的外部设有外螺纹，储液箱通过外部螺纹连接管状工具电极，工具电极下端抵有海绵擦头，工具电极和海绵擦头的外部套有同轴的绝缘隔套，弹簧套设在工具电极的外部，弹簧的上下两端分别抵靠在储液箱的底面和绝缘隔套的顶面；工件安装工作台上，工件、工具电极分别与电镀电源的负极和正极相连接，数字控制系统与主轴系统、工作台相连。

相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、采用逐层生长的方法增材制造上游泵送机械密封流体动压槽，不受密封环槽型结构和材料的限制，制造过程中易控制增长表面的尺寸、形状和位置精度，能够制造出性能优于金属环基体的流体动压槽，克服了传统的减材制造方法存在的难以保证槽底和槽顶面的表面粗糙度、平面度等问题。

2、通过控制工件的移动轨迹制造出形状复杂的流体动压槽，避免了掩膜的制作，降低了加工成本。

3、上游泵送机械密封环的基体可采用普通金属材料，解决了整个密封环全为高性能材料时成本高的问题，且易于加工基体。

附图说明

图1是上游泵送机械密封流体动压槽的增材制造装置结构示意图；

图中：1、主轴系统，2、储液箱，3、镀液，4、工具电极，5、海绵擦头，6、绝缘隔套，7、工件，8、工作台，9、电镀电源，10、弹簧，11、数字控制系统。

具体实施方式

如图1所示，上游泵送机械密封流体动压槽的增材制造装置，包括：主轴系统1、储液箱2、镀液3、工具电极4、海绵擦头5、绝缘隔套6、工件7、工作台8、电镀电源9、弹簧10、数字控制系统11；其中：主轴系统1连接在机床上，主轴系统1中装有主轴头、可驱动主轴头做Z方向移动的直流伺服电机和可驱动主轴头做旋转运动的直流电机；主轴系统1包括主轴头，主轴头的下端通过螺栓连接储液箱2，储液箱2由直径上大下小的两段圆柱壳体构成，上大下小的两段圆柱壳体通过圆环面相连，储液箱2与主轴头保持同轴，储液箱2的顶端封闭，储液箱2内部装有镀液3，储液箱2的小圆柱壳体的下端设有开口，便于镀液3流出；储液箱2的小圆柱壳体的下端的外部设有外螺纹，储液箱3通过其小圆柱壳体外部的螺纹连接管状工具电极4，工具电极4下端抵有海绵擦头5，工具电极4和海绵擦头5的外部套有同轴的绝缘隔套6，工具电极4和绝缘隔套6保持间隙配合，使得工具电极4可在绝缘隔套6内移动，在绝缘隔套6的作用下，海绵擦头5保持圆柱形；弹簧10套设在工具电极的外部，弹簧10的上下两端分别抵靠在储液箱2的圆环面和绝缘隔套6的顶面，确保绝缘隔套6和海绵擦头5始终与工件7保持接触，以保证在工作过程中仅在动压槽壁位置处有镀液3覆盖工件7表面，并防止过多镀液3流到工件7表面的其他位置而影响制造精度。

工件7安装工作台8上，工作台8可进行X、Y方向的移动；工件7、工具电极4分别与电镀电源9的负极和正极相连接，在电镀电源9的作用下，镀液3中的金属离子在工件7处被还原为金属，从而在工件7表面沉积得到金属层，工具电极4则失去电子产生金属离子进入镀液3，以补充镀液3中消耗的金属离子。

数字控制系统11与主轴系统1、工作台8相连，在数字控制系统11的作用下，主轴系统1的主轴头做旋转运动和Z方向的移动，同时带动工具电极、海绵擦头、绝缘隔套等做旋转运动和Z方向的移动；工作台8在数字控制系统11的控制下做X、Y方向的移动。

镀液3的成分为蒸馏水1000mL、硼酸55-60g、硫酸镍380-400g、氯化镍17-20g、十二烷基硫酸钠0.1-0.2g、活性炭6-8g、双氧水4-6mL。在配制过程中，先在烧杯中依次倒入硼酸和990mL蒸馏水，70-90℃水浴加热并用玻璃棒搅拌使硼酸溶解；然后倒入硫酸镍和氯化镍，继续水浴加热并用玻璃棒搅拌至全部溶解；倒入活性炭颗粒和双氧水试剂活化30min，并用滤纸过滤待用；在另一烧杯中倒入十二烷基硫酸钠和剩余的10mL的蒸馏水，70-90℃水浴加热得到十二烷基硫酸钠溶液，并将其倒入过滤后的试剂中，用均质机以6000-7000r/min转速搅拌10min，静置至室温待用。

在工作过程中，主轴系统1中的主轴头在数字控制系统11的控制下做旋转运动，从而带动工具电极4、海绵擦头5等做旋转运动。镀液3从储液箱2中流出，经管状工具电极4的内孔和海绵擦头5刷涂在工件7表面，在电镀电源9的作用下，镀液3中的金属离子在工件7表面沉积形成流体动压槽壁。工件7安装在可做X、Y方向移动的工作台8上，在数字控制系统11的控制下，工作台带动工件沿流体动压槽轮廓轨迹移动，使得工件表面除动压槽底之外其他位置均能形成金属层，从而在工件表面生长出一层均匀的流体动压槽金属层；主轴系统1在数字控制系统11的控制下，其主轴头做Z方向的上下移动，从而带动工具电极4、海绵擦头5等沿Z正方向上移所生长的金属层的厚度，继续进行增材制造出一层均匀厚度的流体动压槽金属层，循环往复可逐层增材制造出符合动压槽深度要求的上游泵送机械密封流体动压槽。绝缘隔套6在弹簧10的作用下一直与工件7表面保持接触，使海绵擦头5保持圆柱形，以保证在工作过程中仅在动压槽壁位置处有镀液3覆盖工件7表面，并防止过多镀液3流到工件7表面的其他位置而影响制造精度，可得到几何精度较高的金属层。

Claims (3)

1.一种上游泵送机械密封流体动压槽的增材制造装置，包括：主轴系统、储液箱、镀液、工具电极、海绵擦头、绝缘隔套、工作台、电镀电源、弹簧、数字控制系统；其特征在于：主轴系统连接在机床上，主轴系统的下端通过螺栓连接储液箱，储液箱内部装有镀液，储液箱下端的外部设有外螺纹，储液箱通过外部螺纹连接管状工具电极，工具电极下端抵有海绵擦头，工具电极和海绵擦头的外部套有同轴的绝缘隔套，弹簧套设在工具电极的外部，弹簧的上下两端分别抵靠在储液箱的底面和绝缘隔套的顶面；工件安装工作台上，工件、工具电极分别与电镀电源的负极和正极相连接，数字控制系统与主轴系统、工作台相连。

2.根据权利要求1所述的上游泵送机械密封流体动压槽的增材制造装置，其特征在于：主轴系统包括主轴头，储液箱由直径上大下小的两段圆柱壳体构成，上大下小的两段圆柱壳体通过圆环面相连，储液箱与主轴头保持同轴，储液箱的顶端封闭，储液箱的小圆柱壳体的下端设有开口，便于镀液流出；储液箱的小圆柱壳体的下端的外部设有外螺纹，工具电极和绝缘隔套保持间隙配合。

3.根据权利要求1-2所述的上游泵送机械密封流体动压槽的增材制造装置，其特征在于：镀液的成分为蒸馏水1000mL、硼酸55-60g、硫酸镍380-400g、氯化镍17-20g、十二烷基硫酸钠0.1-0.2g、活性炭6-8g、双氧水4-6mL；在配制过程中，先在烧杯中依次倒入硼酸和990mL蒸馏水，70-90℃水浴加热并用玻璃棒搅拌使硼酸溶解；然后倒入硫酸镍和氯化镍，继续水浴加热并用玻璃棒搅拌至全部溶解；倒入活性炭颗粒和双氧水试剂活化30min，并用滤纸过滤待用；在另一烧杯中倒入十二烷基硫酸钠和剩余的10mL的蒸馏水，70-90℃水浴加热得到十二烷基硫酸钠溶液，并将其倒入过滤后的试剂中，用均质机以6000-7000r/min转速搅拌10min，静置至室温待用。