CN105299233A - 经过激光表面织构的涡轮增压器密封环及加工方法 - Google Patents

Abstract

一种经过激光表面织构的涡轮增压器密封环及加工方法，经过激光表面织构后，在涡轮增压器密封环的左、右端面及内圆表面形成直径大小不一、深浅不一的弧形微凹腔，弧形微凹腔呈疏密错落有致分布。其加工方法如下：通过建立涡轮增压器密封环表面流体润滑理论模型数值计算确定具有最佳润滑减摩效果的左、右端面弧形微凹腔、内圆表面弧形微凹腔的直径、深度以及面积占有率。再选用二极管泵浦Nd：YAG激光器，在激光加工图形软件界面下，输入弧形微凹腔几何参数与分布状态，采用单脉冲同点间隔多次加工工艺，对涡轮增压器密封环的左、右端面及内圆表面进行激光表面织构加工。

Description

经过激光表面织构的涡轮增压器密封环及加工方法

技术领域

本发明涉及机械密封技术领域，特别是涉及一种经过激光表面织构的涡轮增压器密封环及加工方法。

背景技术

涡轮增压器密封环是防止轴承系统的润滑油进入增压器的通流部分，并阻止压气机的空气以及涡轮端的废气进入增压器的润滑腔，是保证涡轮增压器正常工作的关键零部件之一。

现有的涡轮增压器密封环如附图7、8所示，涡轮增压器密封环1的左、右端面及内圆为光滑面。涡轮增压器密封环不仅与高速旋转的涡轮转子或密封套处的环槽构成摩擦副，还受到环槽轴向串动的作用。涡轮增压器密封环除了承受机械载荷、热负荷外，还承受酸性物质的腐蚀，其主要失效形式是磨损，包括左、右端面的磨损。由于涡轮增压器密封环左、右端面与高速转速涡轮转子或密封套处环槽的摩擦会对涡轮增压器密封环产生附加应力，再加上环槽轴向串动的作用，致使涡轮增压器密封环产生磨粒磨损、粘着磨损和疲劳失效；此外，涡轮增压器密封环与环槽间存在着积碳颗粒及硬质沉积物，这些将加速涡轮增压器密封环的磨粒磨损和炭化胶结，甚至将涡轮增压器密封环卡死在涡轮转子处的环槽内，涡轮增压器密封环的过度磨损致其密封性能降低，甚至丧失。

涡轮增压器密封环的密封性能降低，会使涡轮增压器出现大面积的漏油和因高温高压气体串入轴承体后，导致发动机曲轴箱压力过大；同时燃气的串入，使得润滑油变脏，使得轴承及发动机润滑条件恶化，降低轴承的可靠性。因此涡轮增压器密封环在环槽中的磨损状况在很大程度上影响着涡轮增压器密封环的使用耐久性和涡轮增压器的密封性能、工作可靠性与使用寿命。特别是脉冲增压以及排气制动阀置于涡轮箱后的涡轮增压器，其涡轮增压器密封环的质量极为关键，因此要求其涡轮增压器密封环工作表面具有良好的抗磨性能。

随着现代发动机强化程度不断提高以及向小尺寸、轻量化方向发展，特别对环境法规要求越来越严格，推动涡轮增压器技术的不断向前发展，导致涡轮增压器不断小型化、结构愈加紧凑，所以增压器工作转速不断提高，工况愈加严峻以及润滑、冷却条件更为恶劣。目前为了改善涡轮增压器密封环在环槽中的摩擦磨损状况，人们常采用新材料制作的涡轮增压器密封环以及采用表面精加工技术来减小摩擦表面的粗糙度，往往很少采用给涡轮增压器密封环工作表面带来适量的润滑来提高减摩耐磨性能。传统意义上要求摩擦副表面尽可能光滑，随着微观粗糙表面摩擦学研究的深入和工程实际应用发现，传统的高精度加工不仅会提高其加工成本，且光滑表面因无存油区域而无法形成有效润滑，易产生粘着磨损与磨粒磨损，易擦伤。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种经过激光表面织构的涡轮增压器密封环及加工方法。

本发明的技术方案是：一种经过激光表面织构的涡轮增压器密封环，经过激光表面织构后，在涡轮增压器密封环的左、右端面及内圆表面形成直径大小不一、深浅不一的弧形微凹腔，弧形微凹腔呈疏密错落有致分布，所形成的微凹腔几何形貌参数为：

左、右端面形成的弧形微凹腔的直径d1分别为60-400um，深度h1分别为3-30um，弧形微凹腔在左、右端面的面积占有率分别为3%-20%；

内圆表面形成的弧形微凹腔的直径d1为100-400um，深度h2为3-30um，弧形微凹腔在内圆表面的面积占有率为3%-20%。

本发明还提供了一种对涡轮增压器密封环表面进行激光织构处理的方法，其工艺过程如下：

A、首先根据涡轮增压器密封环的使用工况要求、可靠性要求，初步选择激光表面织构弧形微凹腔形貌参数；

B、然后通过建立涡轮增压器密封环表面流体润滑理论模型数值计算确定具有最佳润滑减摩效果的左、右端面弧形微凹腔的直径、深度以及弧形微凹腔在左、右端面的面积占有率，内圆表面弧形微凹腔的直径、深度以及弧形微凹腔在内圆表面的面积占有率；

C、选用二极管泵浦Nd：YAG激光器，其基本参数为：激光模式TEM00，激光功率为3W，采用声光调Q控制产生激光脉冲，调Q重复频率1～50kHz；泵浦源输出激光波长为1064nm，经腔内倍频加工，使得1064nm的基频光转化为532nm的倍频光，光束质量系数M2<2，发散角θ小于3mrad，功率不稳定度≤±3%；

采用单脉冲同点间隔多次加工工艺，对涡轮增压器密封环的左、右端面及内圆表面进行激光表面织构加工：其中激光功率密度为10⁵-10⁷W/cm2，激光脉冲宽度为25-50ns，波长为532nm，泵浦电流17-21A，离焦量0-0.5mm，脉冲频率为1.2-6.5KHz；在激光加工图形软件界面下，输入弧形微凹腔几何参数与分布状态，调整激光脉冲重复次数为2-15次，并输入辅助气体氩气或氮气，来实现激光表面织构加工。

本发明与现有技术相比具有如下特点：

1、由于激光表面织构加工是一种激冷激热的加工过程，对涡轮增压器密封环表层的金相组织起到强化硬化作用，大幅度提高涡轮增压器密封环的表层组织的硬度，且硬化的金相组织可以较好保护弧形微凹腔几何形貌组织。

2、涡轮增压器处于低速潜在漏油时，密封环表面的弧形微凹腔在摩擦副旋转运动中能形成具有一定刚度的油膜，显著改善涡轮增压器密封环与环槽摩擦副的摩擦磨损特性，且刚性油膜可在涡轮增压器密封环与环槽间隙处形成一道屏障，有效阻止了自压气机端、涡轮端气体向轴承体内的串入以及润滑油向两端的泄露；涡轮增压器处于中高速正常运行时，密封环表面的弧形微凹腔可以作为储存磨损颗粒的储存器，减少在干摩擦条件下摩擦表面的磨粒磨损和犁沟，从而降低磨损率，同时密封环表面的弧形微凹腔可以通过减小摩擦表面的接触面积，从而降低粘着效应的作用。

3、同时涡轮增压器处于低速潜在漏油时，弧形微凹腔内存储的润滑油产生的挤压作用，就像“液体弹簧”，可减小环槽轴向串动时对涡轮增压器密封环的冲击作用。

以下结合附图和具体实施方式对本发明的详细结构作进一步描述。

附图说明

附图1为本发明的结构示意图；

附图2为附图1中的A-A剖视图；

附图3为附图1中的I部放大图；

附图4为附图3中的B-B剖视图；

附图5为附图2中的II部放大图；

附图6为附图5中的C-C剖视图；

附图7为现有的涡轮增压器密封环结构示意图；

附图8为附图7中的D-D剖视图。

具体实施方式

一种经过激光表面织构的涡轮增压器密封环，经过激光表面织构后，在涡轮增压器密封环1的左、右端面及内圆表面形成直径大小不一、深浅不一的弧形微凹腔，弧形微凹腔呈疏密错落有致分布，所形成的微凹腔几何形貌参数为：

左、右端面形成的弧形微凹腔1-1的直径d1分别为60-400um，深度h1分别为3-30um，弧形微凹腔1-1在左、右端面的面积占有率分别为3%-20%；

内圆表面形成的弧形微凹腔1-2的直径d1为100-400um，深度h2为3-30um，弧形微凹腔1-2在内圆表面的面积占有率为3%-20%。

本实施例还提供了一种对涡轮增压器密封环表面进行激光织构处理的方法，其工艺过程如下：

A、首先根据涡轮增压器密封环1的使用工况要求、可靠性要求，初步选择激光表面织构弧形微凹腔形貌参数；

B、然后通过建立涡轮增压器密封环1表面流体润滑理论模型数值计算确定具有最佳润滑减摩效果的左、右端面弧形微凹腔1-1的直径、深度以及弧形微凹腔1-1在左、右端面的面积占有率，内圆表面弧形微凹腔1-2的直径、深度以及弧形微凹腔1-2在内圆表面的面积占有率；

C、选用二极管泵浦Nd：YAG激光器，其基本参数为：激光模式TEM00，激光功率为3W，采用声光调Q控制产生激光脉冲，调Q重复频率1～50kHz；泵浦源输出激光波长为1064nm，经腔内倍频加工，使得1064nm的基频光转化为532nm的倍频光，光束质量系数M2<2，发散角θ小于3mrad，功率不稳定度≤±3%。

采用单脉冲同点间隔多次加工工艺，对涡轮增压器密封环1的左、右端面及内圆表面进行激光表面织构加工：其中激光功率密度为10⁵-10⁷W/cm2，激光脉冲宽度为25-50ns，波长为532nm，泵浦电流17-21A，离焦量0-0.5mm，脉冲频率为1.2-6.5KHz；在激光加工图形软件界面下，输入弧形微凹腔几何参数与分布状态，调整激光脉冲重复次数为2-15次，并输入辅助气体氩气或氮气，来实现激光表面织构加工。

Claims (2)

1.一种经过激光表面织构的涡轮增压器密封环，其特征是：经过激光表面织构后，在涡轮增压器密封环的左、右端面及内圆表面形成直径大小不一、深浅不一的弧形微凹腔，弧形微凹腔呈疏密错落有致分布，所形成的微凹腔几何形貌参数为：

左、右端面形成的弧形微凹腔的直径d1分别为60-400um，深度h1分别为3-30um，弧形微凹腔在左、右端面的面积占有率分别为3%-20%；

内圆表面形成的弧形微凹腔的直径d1为100-400um，深度h2为3-30um，弧形微凹腔在内圆表面的面积占有率为3%-20%。

2.一种对涡轮增压器密封环表面进行激光织构处理的方法，其特征是：其工艺过程如下：

A、首先根据涡轮增压器密封环的使用工况要求、可靠性要求，初步选择激光表面织构弧形微凹腔形貌参数；

B、然后通过建立涡轮增压器密封环表面流体润滑理论模型数值计算确定具有最佳润滑减摩效果的左、右端面弧形微凹腔的直径、深度以及弧形微凹腔在左、右端面的面积占有率，内圆表面弧形微凹腔的直径、深度以及弧形微凹腔在内圆表面的面积占有率；

C、选用二极管泵浦Nd：YAG激光器，其基本参数为：激光模式TEM00，激光功率为3W，采用声光调Q控制产生激光脉冲，调Q重复频率1～50kHz；泵浦源输出激光波长为1064nm，经腔内倍频加工，使得1064nm的基频光转化为532nm的倍频光，光束质量系数M2<2，发散角θ小于3mrad，功率不稳定度≤±3%；

采用单脉冲同点间隔多次加工工艺，对涡轮增压器密封环的左、右端面及内圆表面进行激光表面织构加工：其中激光功率密度为10⁵-10⁷W/cm2，激光脉冲宽度为25-50ns，波长为532nm，泵浦电流17-21A，离焦量0-0.5mm，脉冲频率为1.2-6.5KHz；在激光加工图形软件界面下，输入弧形微凹腔几何参数与分布状态，调整激光脉冲重复次数为2-15次，并输入辅助气体氩气或氮气，来实现激光表面织构加工。