CN107190290B - 一种上游泵送机械密封环的增材制造装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种上游泵送机械密封环的增材制造装置，包括中心轴(1)、内冲液机构(2)、碳刷(3)、电镀电源(4)、工作台(5)、工件(6)、绝缘层(8)、数字伺服控制系统(9)、工具电极(10)、支撑架(12)和数据处理中心。本发明的技术方案，可以采用较大的电流密度，因此镀层增长效率快。通过控制工作台沿Z方向的移动来保证工具电极和工件之间维持在合适的距离，可以提高制造精度，可以制作形状复杂、精度要求高的流体动压槽。

Description

一种上游泵送机械密封环的增材制造装置
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环的增材制造装置。
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环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环的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环时，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环时，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环动压槽。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。
申请人2015年申请的中国专利CN 104911657 A中公开了一种上游泵送机械密封流体动压槽的增材制造装置，该专利通过工具电极下端的海绵擦头将电镀液擦涂在工件表面实现电镀过程，但是采用海绵擦头会带来以下问题：
1.电镀液导入速度慢，所以不能进行大电流的电镀，导致镀层增长很慢。
2.在电镀过程中海绵擦头始终接触工件表面，电镀液的电解容易产生气泡，由于海绵擦头始终接触工件表面使得气泡无法有效排除，使得电镀的表面不够致密，气孔较多。
3.海绵擦头在使用过程中由于摩擦工件表面而带来较大损耗，且该损耗无法补偿，使得镀层厚度不均匀，影响了制造精度。
4.海绵擦头的直径较大，对于形状复杂精度要求高的密封环流体动压槽，制作时精度较低。
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环的高效增材制造装置，高效率的制造出上游泵送机械密封环整体及表面的流体动压槽。
本发明的技术方案如下：
一种上游泵送机械密封环的增材制造装置，其特征在于，包括中心轴(1)、内冲液机构(2)、碳刷(3)、电镀电源(4)、工作台(5)、工件(6)、绝缘层(8)、数字伺服控制系统(9)、工具电极(10)、支撑架(12)和数据处理中心；
所述数据处理中心用于接收用户输入的上游泵送机械密封环的建模图形数据，并将建模图形数据转换为数字伺服控制系统(9)能够识别的控制数据，用于控制工作台在X、Y、Z轴方向的移动；
中心轴(1)连接在机床主轴上，中心轴(1)下端通过螺纹连接工具电极(10)，中心轴(1)和工具电极(10)的中空通道连通，工具电极(10)下端外壁涂有较薄的绝缘层(8)，工具电极(10)上部靠近中间位置设置碳刷(3)，工具电极(10)通过碳刷(3)与电镀电源(4)的正极相连接，工件(6)与电镀电源的负极相连接；
内冲液机构(2)通过支撑架(12)连接到机床上；内冲液机构(2)包括外壳体(18)、中心轴(1)、轴承(16)、O型圈(17)、螺柱(13)、螺母(14)；其中，外壳体(18)为圆筒形，表面开设有通入镀液(7)的通孔,该通孔与金属软管(11)相连接用于通入镀液；与外壳体(18)的通孔对应的，中心轴(1)上也开设有与该通孔配合的通孔作为镀液(7)的输入通道；
数字伺服控制系统(9)用于控制工作台在X、Y、Z轴方向的移动，同时数字伺服控制系统(9)还用于实时监测并反馈工具电极末端和工件表面的距离。
所述的上游泵送机械密封环的增材制造装置，工具电极末端和工件表面的距离保持在0.1-1mm之间。
所述的上游泵送机械密封环的增材制造装置，外壳体(18)内部位于金属软管(11)的上、下设置两个凹槽，用来定位用于密封的O型圈(17)。
所述的上游泵送机械密封环的增材制造装置，中心轴(1)上开设的与外壳体(18)的通孔配合的镀液(7)输入通道结构为：在中心轴(1)正对于外壳体(18)通道入口的轴表面上开有一个360°的环形凹槽，环形凹槽的高度比外壳体(18)的通孔直径大，环形凹槽内开有一轴线与中心轴(1)轴线垂直相交的通孔，贯穿中心轴(1)，该通孔作为镀液进入中心轴(1)中空通道的入口。
所述的上游泵送机械密封环的增材制造装置，工具电极直径为0.3-3mm。
所述的上游泵送机械密封环的增材制造装置，工具电极末端和工件表面的电流密度为50-100安培/平方分米。
所述的上游泵送机械密封环的增材制造装置，外壳体(18)内部的上下部分各安装一个滚动轴承，轴承外部安装轴承端盖(15)，轴承端盖(15)与外壳体(18)通过螺柱(13)、螺母(14)连接，内冲液机构(2)通过左上侧的螺柱(13)和螺母(14)连接到支撑架(12)上，支撑架(12)通过螺栓连接到机床上。
所述的上游泵送机械密封环的增材制造装置，数字伺服控制系统(9)是通过实时监测并反馈工具电极和工件表面之间的电压，以此来判断工具电极和工件之间的距离，并通过控制工作台沿Z方向的移动来保证工具电极和工件之间维持在合适的距离。
所述的上游泵送机械密封环的增材制造装置，镀液(7)的成分为蒸馏水1000mL、硫酸镍400-420g、硼酸55-60g、氯化镍18-21g、活性炭6-8g、十二烷基硫酸钠0.1-0.2g、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。
相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：
1.本发明采用内冲液机构进行电镀液的导入，电镀液导入速度快，能够进行大电流的电镀，镀层增长很快，可以采用较大的电流密度(参考表1)，因此镀层增长效率高。
2.本发明工具电极距离工件表面有一定间隙(0.1-1mm)，可以很方便地排除电镀液电解过程中产生的气泡，再加上电镀液的快速流动可以将气泡冲走，还可以在电镀间隙中时刻保持新鲜的电镀液，有利于改善电镀效果。
3.本发明采用数字伺服控制系统来检测工具电极和工件表面之间的电压，以此来判断工具电极和工件之间的距离，并通过控制工作台沿Z方向的移动来保证工具电极和工件之间维持在合适的距离，可以提高制造精度。
4.由于取消了海绵擦头的技术方案，本发明可以采用直径较小的工具电极(工具电极直径0.3-3mm。)，可以制作形状复杂、精度要求高的流体动压槽(如图3所示)。
附图说明
图1是上游泵送机械密封环的高效增材制造装置结构示意图；
图2是上游泵送机械密封环的高效增材制造装置内冲液机构示意图；
图中：1、中心轴，2、内冲液机构，3、碳刷，4、电镀电源，5工作台、6、工件，7、镀液，8、绝缘层，9、数字伺服控制系统，10、工具电极，11、金属软管，12、支撑架，13、螺柱，14、螺母，15、轴承端盖，16、轴承，17、O型圈，18、外壳体，19环形凹槽。
图3是常见上游泵送机械密封动密封环端面开槽类型，a单列外径开槽型，b人字槽型，c八字槽型。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
如图1和图2所示，上游泵送机械密封环的高效增材制造装置，包括中心轴1、内冲液机构2、碳刷3、电镀电源4、工作台5、工件6、绝缘层8、数字伺服控制系统9、工具电极10、支撑架12和数据处理中心；
所述数据处理中心用于接收用户输入的上游泵送机械密封环的建模图形数据，并将建模图形数据转换为数字伺服控制系统9能够识别的控制数据，用于控制控制工作台在X、Y、Z轴方向的移动。
其中：中心轴1连接在机床主轴上，中心轴1下端通过螺纹连接工具电极10，中心轴1和工具电极10的中空通道连通，工具电极10下端外壁涂有较薄的绝缘层8，工具电极10上部靠近中间位置设置碳刷3，工具电极10通过碳刷3与电镀电源4的正极相连接，工件6与电镀电源的负极相连接。内冲液机构2通过支撑架12连接到机床上。
本发明中，工具电极直径为0.3-3mm。
内冲液机构2包括外壳体18、中心轴1、轴承16、O型圈17、螺柱13、螺母14。其中，外壳体18为圆筒形，表面开设有通入镀液7的通孔,该通孔与金属软管11相连接用于通入镀液。外壳体18内部位于金属软管11的上、下设置两个凹槽，用来定位用于密封的O型圈17。与外壳体18的通孔对应的，中心轴1上也开设有与该通孔配合的通孔作为镀液的输入通道；具体的：在中心轴1正对于外壳体18通道入口的轴表面上开有一个360°的环形凹槽19，环形凹槽19的高度比外壳体18的通孔直径大，环形凹槽19内开有一轴线与中心轴1轴线垂直相交的通孔，贯穿中心轴1，该通孔作为镀液进入中心轴1中空通道的入口；由于环形凹槽的存在，无论中心轴1位于什么位置，镀液始终能够进入中心轴1的中空通道内，以保证中心轴在高速旋转时液体能均匀地进入中心轴通道内，防止镀液产生不稳定的脉动。
外壳体18内部的上下部分各安装一个滚动轴承，轴承外部安装轴承端盖15，轴承端盖15与外壳体18通过螺柱13、螺母14连接，内冲液机构2通过左上侧的螺柱13和螺母14连接到支撑架12上，支撑架12通过螺栓连接到机床上。
数字伺服控制系统9用于控制工作台在X、Y、Z轴方向的移动，同时数字伺服控制系统9还用于实时监测并反馈工具电极末端和工件表面的距离，实时保持两者距离在0.1-1mm之间。数字伺服控制系统9是通过实时监测并反馈工具电极和工件表面之间的电压，以此来判断工具电极和工件之间的距离，并通过控制工作台沿Z方向的移动来保证工具电极和工件之间维持在合适的距离。
镀液7的成分为蒸馏水1000mL、硫酸镍400-420g、硼酸55-60g、氯化镍18-21g、活性炭6-8g、十二烷基硫酸钠0.1-0.2g、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。
成形方法：
步骤1：用户向数据处理中心输入上游泵送机械密封环本体及流体动压槽的建模图形数据，并将建模图形数据转换为数字伺服控制系统9能够识别的控制数据，并将该控制数据输送到数字伺服控制系统9；
步骤2：工件6安装在工作台5上，中心轴1和工具电极10在机床的带动下做高速旋转运动，同时，镀液7在1-2MPa的压力作用下经过金属软管11进入到中心轴1内孔中，然后进入到工具电极10内孔，流入到工件表面。
步骤3：电镀电源4上电，数字伺服控制系统9根据数据处理中心传来的控制数据，控制工作台进行X、Y方向的移动成形所需要的机械密封环本体，在电镀电源4的作用下，镀液中的金属离子在工件6处被还原为金属，从而在工件表面沉积得到上游泵送机械密封环本体，使得工件表面快速生长出一层均匀的上游泵送机械密封环本体金属层。与此同时，工具电极则失去电子产生金属离子进入镀液，以补充镀液中消耗的金属离子；数字伺服控制系统9实时检测工具电极和工件表面之间的电压，以此来判断工具电极和工件之间的距离，并通过控制工作台5沿Z轴方向的移动来保证工具电极和工件之间维持在合适的距离(0.1-1mm之间)，以此弥补工具电极消耗引起的工具电极和工件之间的距离增加。
步骤4：当工件表面生长出一层均匀的上游泵送机械密封环本体金属层后，数字伺服控制系统9控制工作台沿Z正方向上移所生长的金属层的厚度，重复步骤3继续增材制造出一层均匀厚度的上游泵送机械密封环本体金属层，循环往复可逐层增材制造出符合要求的上游泵送机械密封环本体。
步骤5：数字伺服控制系统9根据数据处理中心传来的控制数据，控制工作台进行X、Y方向的移动，在机械密封环本体上成形所需要的流体动压槽；数字伺服控制系统9实时检测工具电极和工件表面之间的电压，以此来判断工具电极和工件之间的距离，并通过控制工作台5沿Z轴方向的移动来保证工具电极和工件之间维持在合适的距离(0.1-1mm之间)，以此弥补工具电极消耗引起的工具电极和工件之间的距离增加。
步骤6：当工件表面生长出一层均匀的流体动压槽金属层后，数字伺服控制系统9控制工作台沿Z正方向上移所生长的流体动压槽金属层的厚度，重复步骤5继续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要求的流体动压槽。
由于工具电极距离工件表面的距离很小，在0.1-1mm之间，工具电极和工件表面之间的电场密度很高，因此工具电极沿长度方向消耗较快，数字伺服控制系统9检测工具电极和工件表面之间的电压，以此来判断工具电极和工件之间的距离，并通过控制工作台5沿Z方向的移动来保证工具电极和工件之间维持在合适的距离。当工具电极沿长度方向消耗之后，其消耗的工具电极外壁处的绝缘层会被高速流动的镀液所冲走，离开工件表面。
申请人针对CN104911657A和本发明专利，采用相同的镀液做了对比试验，参考表1，本发明半个小时的镀层增长厚度为0.5-1毫米，相比CN104911657A来说提高了4-7倍，电流密度为50-100安培/平方分米，提高了10-20倍，表面很少有气孔。
表1
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种上游泵送机械密封环的增材制造装置，其特征在于，包括中心轴(1)、内冲液机构(2)、碳刷(3)、电镀电源(4)、工作台(5)、工件(6)、绝缘层(8)、数字伺服控制系统(9)、工具电极(10)、支撑架(12)和数据处理中心；
所述数据处理中心用于接收用户输入的上游泵送机械密封环的建模图形数据，并将建模图形数据转换为数字伺服控制系统(9)能够识别的控制数据，用于控制工作台在X、Y、Z轴方向的移动；
中心轴(1)连接在机床主轴上，中心轴(1)下端通过螺纹连接工具电极(10)，中心轴(1)和工具电极(10)的中空通道连通，工具电极(10)下端外壁涂有较薄的绝缘层(8)，工具电极(10)上部靠近中间位置设置碳刷(3)，工具电极(10)通过碳刷(3)与电镀电源(4)的正极相连接，工件(6)与电镀电源的负极相连接；
内冲液机构(2)通过支撑架(12)连接到机床上；内冲液机构(2)包括外壳体(18)、中心轴(1)、轴承(16)、O型圈(17)、螺柱(13)、螺母(14)；其中，外壳体(18)为圆筒形，表面开设有通入镀液(7)的通孔,该通孔与金属软管(11)相连接用于通入镀液；与外壳体(18)的通孔对应的，中心轴(1)上也开设有与该通孔配合的通孔作为镀液(7)的输入通道；中心轴(1)上开设的与外壳体(18)的通孔配合的镀液(7)输入通道结构为：在中心轴(1)正对于外壳体(18)通道入口的轴表面上开有一个360°的环形凹槽，环形凹槽的高度比外壳体(18)的通孔直径大，环形凹槽内开有一轴线与中心轴(1)轴线垂直相交的通孔，贯穿中心轴(1)，该通孔作为镀液进入中心轴(1)中空通道的入口；
数字伺服控制系统(9)用于控制工作台在X、Y、Z轴方向的移动，同时数字伺服控制系统(9)还用于实时监测并反馈工具电极末端和工件表面的距离。
2.根据权利要求1所述的上游泵送机械密封环的增材制造装置，其特征在于，工具电极末端和工件表面的距离保持在0.1-1mm之间。
3.根据权利要求1所述的上游泵送机械密封环的增材制造装置，其特征在于，外壳体(18)内部位于金属软管(11)的上、下设置两个凹槽，用来定位用于密封的O型圈(17)。
4.根据权利要求1所述的上游泵送机械密封环的增材制造装置，其特征在于，工具电极直径为0.3-3mm。
5.根据权利要求1所述的上游泵送机械密封环的增材制造装置，其特征在于，工具电极末端和工件表面的电流密度为50-100安培/平方分米。
6.根据权利要求1所述的上游泵送机械密封环的增材制造装置，其特征在于，外壳体(18)内部的上下部分各安装一个滚动轴承，轴承外部安装轴承端盖(15)，轴承端盖(15)与外壳体(18)通过螺柱(13)、螺母(14)连接，内冲液机构(2)通过左上侧的螺柱(13)和螺母(14)连接到支撑架(12)上，支撑架(12)通过螺栓连接到机床上。
7.根据权利要求1所述的上游泵送机械密封环的增材制造装置，其特征在于，数字伺服控制系统(9)是通过实时监测并反馈工具电极和工件表面之间的电压，以此来判断工具电极和工件之间的距离，并通过控制工作台沿Z方向的移动来保证工具电极和工件之间维持在合适的距离。
8.根据权利要求1所述的上游泵送机械密封环的增材制造装置，其特征在于，镀液(7)的成分为蒸馏水1000mL、硫酸镍400-420g、硼酸55-60g、氯化镍18-21g、活性炭6-8g、十二烷基硫酸钠0.1-0.2g、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。
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