机械密封环端面流体动压槽的加工方法

1引言

接触式机械密封在运转时，动环和静环的接触面要摩擦生热，对于高PV值系统，摩擦热在密封面上造成高温，会使磨损和热变形增大;当温度超过一定值时，润滑膜汽化，摩擦和磨损加剧;如果温度机械密封大大超过材料允许的使用温度，则密封环可能产生熔融、胶合或热裂等故障，造成停工停产，带来巨大的经济损失或环境污染。因而，接触式机械密封有必要利用流体动压效应来提高密封的承载能力，减小摩擦、磨损和漏损，提高密封的可靠性，延长密封的寿命。利用流体动压效应的通常做法是在摩擦副的一个密封面上开设某种形状的流体动压槽。在这些流槽的作用下，普通的接触式密封变成机械密封件流体动压非接触式密封。这些流槽能起流体动力润滑作用，使密封端面脱离接触，又能起密封作用防止泄漏。根据机械密封的工况条件、工作参数及使用机械轴封要求，流槽可以设计成不同的平面图形和截面槽形。平面图形有人字槽、八字槽、螺旋槽、圆弧槽、直线槽等，截面槽形有梯形槽、方形槽、V形槽、斜底槽等。流槽按槽深可分为两大类：一类是浅槽，深度在μm量级;一类是深槽，深度在mm量级。不同深度的流槽作用机理不同，浅槽的密封机理为流体动压效应，而深槽的密封机理为热流体动力模效应或流体动压垫效应。流槽的几何参数对密封性能影响很大，如槽深、槽数、槽径比、入口角及槽面粗糙度等都直接关系到开启力、泄漏量、刚漏比、端面温升、摩擦系数等密封性能参数的大小。μm级的浅流槽当槽深仅差几个μm时，泄漏量就会有很大的变化，因而精确设计和加工动压槽直接影响着机械密封的质量。目前，我国的机械密封工业已有长足的发展，国产的机械密封产品正运行在某些大型或关键的设备上，有的还取代了进口产品，累计运行已达5年以上。但是要进一步提高机械密封产品的档次，还必须从设计、材料、工艺等诸方面作许多工作，如密封环端面流体动压槽的加工问题便是其中突出的一个。

2密封材料

密封材料的性能直接关系到动压槽的加工。在通常的情况下，摩擦副的硬环多选用WC硬质合金制作。因WC硬质合金具备硬度较高、耐磨损性能较好、强度较高等特点，所以是一种较好的密封材料。但是，随着工业的发展，机械设备的性能要求越来越高，工况条件可能是高压、高速、高温等，而密封介质又可能具有强腐蚀性或者含有磨料颗粒等，在这些情况下，WC硬质合金就不是理想的密封材料了。高参数的工况条件给机械密封的研制提出了新的要求，尤其是作为摩擦副硬质材料的质量应达到更高的标准，如耐磨损性、耐腐蚀性、机械强度、耐热性、自润滑性、气密性、可加工性以及与之配对的材料无过大磨损和电化学腐蚀等。而SiC陶瓷几乎满足了上述的所有要求，是近年开发并投入使用的新的硬质密封材料，在化工、炼油、造纸、汽车、原子能、航空、航天等各个工业部门的机械密封中，被越来越多地选为摩擦副材料。可以说，为适应机械密封的发展，新的密封材料会不断地被开发。

3密封环端面流体动压槽的加工方法

密封环动压槽在非接触机械密封中得到越来越多的应用，但是动压槽的形状复杂，结构精细而精度高，粗糙度要求也严格，尤其是加工动压槽的密封环多是硬质材料的，所以动压槽的加工困难很大，常规的机械加工法几乎无能为力，因而，人们探索了多种方法，主要有以下几种：

3.1光刻法(化学腐蚀)

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，便可得到所需的动压槽。这一方法在青铜上刻槽尚可，在硬质合金上刻槽时，由于胶膜在较高温度下耐不住浸蚀液的的长时间腐蚀，所以刻出的槽形质量不高。

3.2电火花加工(电蚀刻)

该方法是利用两个电极放电的方法，将动压槽内待去除的材料蚀刻掉。该方法的关键是制作放电头，放电头端面结构和密封环端面动压槽结构相同，但图案是突出的。密封环和放电头分别作两个电极通电，当两个端面接触时，产生放电，密封环端面动压槽部位的材料即被蚀刻掉。不过这一方法要求电介质性能要好，放电头端面与密封环端面要平行等，以取得均匀放电的效果，否则各槽的槽深将难以保证。这一方法的缺点是加工放电头困难;电蚀刻的效率太低，否则放电头损耗又较大;加工成本高;效果也欠佳;同时电加工产生的表面应力造成的微裂纹会使材料的强度降低。

3.3电镀法

这一方法是将密封环端面动压槽以外的部位镀上一层硬质材料，从而制成动压槽的图案。这一方法的使用条件首先槽要浅，其次被镀端面必须是能够电镀的材料，而且镀层要致密，和被镀面结合强度要足够高。同时电镀过程中被镀件悬挂要正确，否则不同部位的镀层厚度误差将加大，造成槽深的不均匀，这样也破坏了密封环两个端面的极高的平行度。

3.4喷砂法

这一方法首先要制造喷沙掩膜，掩膜上开孔的图案同于动压槽结构。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，露出的部位的材料被高能喷沙去除，形成一定深度的动压槽。这一方法的技术关键在于掩膜材料的选择、掩膜的制造、掩膜与密封环端面的贴合及喷砂工艺的掌握等。喷沙方法的问题是制造精度较低，加工的动压槽的边缘不齐，尖角等精细部位的失真严重，截面槽形不好，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。
3.5激光加工法

激光加工是利用激光的高能量，进行工业热加工的一种方法。该方法用于材料去除的实用化加工有切割、打孔、动平衡、打标等，此时激光的功率密度可以高达107W/cm2以上，任何材料都能在极短的时间内被汽化、熔化而被去除。用激光加工密封环动压槽的工艺实际上是激光打标，这是一项较新的工作，笔者曾作了较深入地研究并取得了较好的效果，故作较多的介绍。

激光打标就是利用激光束照射工件表面，雕刻上所需要的图形标记。雕刻效应是通过表层物质的蒸发，暴露出深层物质。与传统的雕刻技术相比，激光打标适用面广，对不同材料、不同形状的加工表面均适合，具有工件无机械变形、无污染，速度快、重复性好、自动化程度高等特点，在工业、国防、科研等许多领域具有广泛的用途。在激光打标方法中，扫描方式适应任意图形和任意批量的加工，本文所采用的就是这种方式。在采用扫描方式打标的系统中，计算机对图形的处理可以采用点阵和矢量两种方式。经实验发现，点阵方式速度较慢，而且图形放大时边界不光滑，所以我们采用了使用矢量方式的激光打标系统[1]。矢量方式最大的特点是用矢量(有方线段)来表示图形，采用计算机高级图形系统对图形进行处理，具有作图效率高、图形精度高、可无失真和无变形地任意放大和缩小图形的功能，故能保证激光加工密封环端面动压槽的速度和质量。

3.5.1激光打标系统的组成

激光打标系统由激光部分、振镜扫描头、控制系统和计算机等多部分组成。激光部分由固体激光器和激光电源组成，连续泵浦，然后再声光调Q。工作物质为Nd:YAG，波长为1.06μm。扫描头由能在X、Y二维方向进行有序振动的振镜和平场聚焦镜组成。刻线线宽小于100μm，分辨率是1.7μm，完全满足打标和雕刻的要求。控制系统通过控制软件控制整个激光打标系统，其原理是：控制系统的计算机将编辑好的图形转换成电信号，按一定的频率分别传送到振镜和激光器，在一系列信号的控制下，振镜在X、Y二维进行有序振动，使激光点扫描出相应的图形，与此同时激光器在电信号的控制下，发出一定频率和能量的激光脉冲，将激光焦斑扫描出的图形刻蚀在工件上。作为一台高性能的激光打标机，控制软件非常重要，该机打标控制软件是一功能较强的软件，用它不但可以进行手工编程，而且可以接受一些基础绘图软件处理的矢量图形，主要是*.PLT矢量格式的文件。此外该软件的图形界面非常方便，可以在显示器屏幕上真实地显示*.PLT的矢量图形，并可通过键盘或菜单输入命令，选择、修改图形，如大小变换、移动、旋转镜像、成组等，同时可以对屏幕上不同的图形选择不同的工艺参数以达到不同层次的雕刻。外设计算机用以完成激光打标图形的扫描或编程，使用Core1DRAW图形设计软件，作为动压槽零件图生成加工软件的工具，文件为*.PLT矢量格式。

系统主要性能参数如下：YAG激光器功率为100W;Q调制频率范围为1～50kHz;调制后输出功率为1～47W;焦斑直径为50～150μm;位置精度为0.1%(光束);重复定位精度为士25μm(工作台);打标速度为0～3000mm/s;打标范围为114×114mm。

3.5.2SiC陶瓷矢量方式激光打标工艺概述

打标过程是用计算机控制扫描振镜，使高度聚焦的激光束在工件上移动扫描。激光焦斑的重叠状态影响激光束对工件材料的作用，重叠量由焦斑大小、扫描速度和频率Q来决定。动压槽图形是由许多等距的平行矢量组成的，矢量的距离(填充率，单位：英)可任意设定，各矢量的长度以槽的边缘为界。连续的YAG激光被Q调制后产生了一系列的激光脉冲，安装于X、Y扫描头里的检流计用来控制激光脉冲沿着图形的矢量路径进行打标，其过程是这样的：在矢量的始端光闸开，打标开始，在矢量的末端光闸关，打标结束，同时光束跳跃，到达下一矢量的始端，开始新的打标，直到整个动压槽图形被矢量填满为止。最后，激光沿槽的边缘扫描一周，以消除相邻矢量因长度不等造成的不光滑。如果深度不够，可重复多遍进行扫描。在矢量方式激光打标时，主要工艺参数有激光功率、开关频率Q、打标速度和填充率、打标延迟、跳跃延迟、激光开/关延迟等。各工艺参数对加工质量都有较大的影响，对不同的材料都要进行工艺实验，以期取得加工动压槽最佳的工艺数据。笔者曾对SiC陶瓷材料作过深入地研究，得到了有关的工艺数据，加工出符合要求的SiC陶瓷密封环端面动压槽。

3.5.3激光打标加工SiC陶瓷密封环动压槽

对任意形状的SiC陶瓷密封动压槽本系统都能编程与加工，而且能达到相当高的精度，用激光加工的动压槽，深度范围很大，而且槽深精度可控，从而满足了浅槽和深槽这两种类型的需要，为机械密封的设计和研制提供了范围很广的选择条件;加工面比较光洁，粗糙度很低，槽口的边缘整齐，尖角部位清晰，没有毛刺，这样不但延长了与之配对的软环的寿命，而且也提高了流槽的动压效果;可以精确地保证动压槽圆心所在圆与密封环内孔的同心度，使密封性和可靠性提高;工程陶瓷多为硬脆材料，适合用激光加工，但经激光加工的陶瓷构件，容易产生加工裂纹和变质层，使强度大大降低，限制了实际应用，对于机械密封环则要求更高一些，产生加工裂纹是绝对不允许的。笔者曾对结构陶瓷进行过消除激光加工缺陷的研究[2～4]，本工作采用了相关的结论，使加工的动压槽较为理想，用电镜×2000以上的倍率观察，都没有发现裂纹。

用激光打标加工的SiC陶瓷密封环动压槽的形状、法向宽度、槽形圆心所在圆直径、槽长限界外圆直径、槽长限界内圆直径、槽数均可达到任意值，槽深范围：几μm～几百μm任意;槽面粗糙度：Ra≤1.6～0.4μm;槽形圆心所在圆与密封环内孔的同心度：0.1mm;用激光打标加工的SiC陶瓷密封环端面动压槽的样件扫描图见图1。



作者：嘉善日益机械密封件厂

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关键词：机械密封，机械密封件，机械轴封