[发明专利]一种密封环磨削方法

说明书

技术领域

本发明属于复杂形面磨削技术领域，涉及机械密封环的磨削，特别涉及一种由平的圆环形坝面和径向轮廓为略微倾斜直线且其倾角沿周向周期性变化的斜波纹面构成的流体动静压结合型机械密封环复杂形面的超精密磨削方法。

背景技术

机械密封广泛应用于泵、压缩机、反应釜、搅拌器、离心机和过滤机等传输液体或气体的旋转设备中。现代工业生产的发展对工作在高速、高压和高温等条件下的机械密封的性能和寿命要求越来越高。在早期的机械密封中，互相贴合的两个密封端面被设计和制造得尽可能平整，目的是使两个密封端面间的有效间隙尽可能小以便减小泄露。然而，在这两个平面间形成的流体薄膜容易破裂致使这两个密封端面多工作于接触状态，因而导致较大的摩擦、过早磨损甚至破损。为了减小磨损和避免破损，人们通过在密封环平端面开设深槽、浅槽、径向锥度、径向台肩、周向波度等结构来维持稳定的流体薄膜以避免两个密封端面直接接触，从而产生了一系列新型机械密封。其中最有代表性的是美国Lebeck A. O.等人于1980年代提出的一种流体动静压结合型机械密封，在这种流体动静压结合型机械密封中，动环也可以是静环的端面由平的圆环形坝面和径向轮廓为略微倾斜直线且其倾角沿周向周期性变化的斜波纹面构成，与另一平的密封环配对使用时，在密封界面沿周向形成波纹状间隙、沿径向形成收敛间隙，其优点是由径向收敛间隙产生的流体静压效应保证停机和运转状态时两密封界面之间始终存在液膜，由周向波纹状间隙产生的流体动压效应保证足够的开启力使两密封端面分离，而密封坝面增强泄漏控制能力。试验结果表明这种密封形式比端面开槽的动压密封和沿径向开设收敛间隙的静压密封有更大的优越性。目前这种流体动静压结合型机械密封已经成功应用在汽轮机、油气管道泵、核主泵和石化设施的高温泵中。这种密封形式的密封环通常由高硬材料如碳化硅、氮化硅、碳化钨制成，密封环坝面和斜波纹面的面形精度要求在1~2个氦光带以内（1个氦光带长0.29微米），表面粗糙度Ra在5纳米以内。由于斜倾波纹面是一种空间自由曲面，无法采用传统磨削方法加工，而采用多轴联动数控点接触磨削时，砂轮磨损快，形状保持性差，很难获得令人满意的面形精度；气囊抛光、磁流变抛光、离子束抛光等计算机控制光学表面修形技术可实现光学曲面的高精度加工，但是加工效率低，加工环状零件时不同程度存在着边缘效应问题，密封坝面与斜波纹面交接处是一阶微分不连续的，精确修形极其困难；采用激光加工时存在表面粗糙度偏大问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三轴联动机械密封环复杂形面磨削方法，能够实现由平的圆环形坝面和径向轮廓为略微倾斜直线且其倾角沿周向周期性变化的斜波纹面构成的流体动静压结合型机械密封环复杂形面高面形精度、低表面粗糙度加工。

本发明采用如下技术方案来实现：

采用一个工件轴、一个杯形砂轮、一个砂轮轴、一个摆动工作台、一个直线移动平台，通过杯形砂轮端面做切入磨削。密封环被夹持在工件轴前端中心处，工件轴带动密封环绕工件轴的回转轴线做高精度回转运动，工件轴的径向跳动和端面跳动为0~0.1微米，回转定位误差为0~1分。杯形砂轮安装在砂轮轴上，该杯形砂轮绕其回转轴线做高精度回转运动，砂轮轴的径向跳动和端面跳动为0~0.1微米。工件轴安装在摆动工作台上，摆动工作台安装在直线移动平台的溜板上，直线移动平台和砂轮轴安装在机床床身上。工件轴的回转轴线与摆动工作台的摆动轴线垂直，砂轮轴的回转轴线与摆动工作台的摆动轴线垂直相交，砂轮轴的回转轴线与直线移动平台的运动方向平行，杯形砂轮的端面朝向工件轴。摆动工作台带动工件轴绕摆动工作台的摆动轴线做高精度往复摆动，摆动定位误差为0~20秒。直线移动平台带动摆动工作台及工件轴做高精度直线运动，定位精度为0~20纳米。杯形砂轮直径为150~700毫米，杯形砂轮端面宽度为2~5毫米，杯形砂轮所用磨料为1000#或更细粒度的金刚石。当杯形砂轮回转轴线与工件轴回转轴线平行时，工件轴回转轴线上任意一点到过杯形砂轮回转轴线和摆动工作台摆动轴线的平面的距离等于斜波纹面中径的二分之一，杯形砂轮回转轴线与工件轴回转轴线距离大于砂轮半径和斜波纹面内半径平方和后开平方，杯形砂轮回转轴线与工件轴回转轴线距离小于砂轮半径和斜波纹面外半径平方和后开平方。工件轴的回转运动、摆动工作台的往复摆动、直线移动平台的直线运动能够联动控制。杯形砂轮转速为50~10000转/分，工件轴转速为0.1~500转/分。