專利名稱：一種流體動靜壓結合型機械密封環復雜形面加工方法
技術領域：
本發明屬于流體動靜壓結合型機械密封環復雜形面加工技術領域，涉及機械密封環的加工，特別涉及一種由平的圓環形壩面和徑向輪廓為略微傾斜直線且其傾角沿周向周期性變化的斜波紋面構成的流體動靜壓結合型機械密封環復雜形面的超精密磨削方法。
背景技術：
機械密封廣泛應用于泵、壓縮機、反應釜、攪拌器、離心機和過濾機等傳輸液體或氣體的旋轉設備中。現代工業生產的發展對工作在高速、高壓和高溫等條件下的機械密封的性能和壽命要求越來越高。在早期的機械密封中，互相貼合的兩個密封端面被設計和制造得盡可能平整，目的是使兩個密封端面間的有效間隙盡可能小以便減小泄露。然而，在這兩個平面間形成的流體薄膜容易破裂致使這兩個密封端面多工作于接觸狀態，因而導致較大的摩擦、過早磨損甚至破損。為了減小磨損和避免破損，人們通過在密封環平端面開設深槽、淺槽、徑向錐度、徑向臺肩、周向波度等結構來維持穩定的流體薄膜以避免兩個密封端面直接接觸，從而產生了一系列新型機械密封。其中最有代表性的是美國Lebeck A. O.等人于1980年代提出的一種流體動靜壓結合型機械密封，在這種流體動靜壓結合型機械密封中，動環也可以是靜環的端面由平的圓環形壩面和徑向輪廓為略微傾斜直線且其傾角沿周向周期性變化的斜波紋面構成，見圖I。與另一平的密封環配對使用時，在密封界面沿周向形成波紋狀間隙、沿徑向形成收斂間隙，其優點是由徑向收斂間隙產生的流體靜壓效應保證停機和運轉狀態時兩密封界面之間始終存在液膜，由周向波紋狀間隙產生的流體動壓效應保證足夠的開啟力使兩密封端面分離，而密封壩面增強泄漏控制能力。試驗結果表明這種密封形式比端面開槽的動壓密封和沿徑向開設收斂間隙的靜壓密封有更大的優越性。 目前這種流體動靜壓結合型機械密封已經成功應用在汽輪機、油氣管道泵、核主泵和石化設施的高溫泵中。這種密封形式的密封環通常由高硬材料如碳化硅、氮化硅、碳化鎢制成， 密封環壩面和斜波紋面的面形精度要求在I 2個氦光帶以內(I個氦光帶長O. 29微米)， 表面粗糙度Ra在5納米以內。由于斜傾波紋面是一種空間自由曲面，無法采用傳統磨削方法加工，而采用多軸聯動數控點接觸磨削時，砂輪磨損快，形狀保持性差，很難獲得令人滿意的面形精度；氣囊拋光、磁流變拋光、離子束拋光等計算機控制光學表面修形技術可實現光學曲面的高精度加工，但是加工效率低，加工環狀零件時不同程度存在著邊緣效應問題， 密封壩面與斜波紋面交接處是一階微分不連續的，精確修形極其困難；采用激光加工時存在表面粗糙度偏大問題。
發明內容
本發明的目的在于提供一種針對由平的圓環形壩面和徑向輪廓為略微傾斜直線且其傾角沿周向周期性變化的斜波紋面構成的流體動靜壓結合型機械密封環復雜形面的超精密磨削方法，能夠實現由平的圓環形壩面和徑向輪廓為略微傾斜直線且其傾角沿周向周期性變化的斜波紋面構成的流體動靜壓結合型機械密封環復雜形面高面形精度、低表面粗糙度加工。本發明的技術方案是采用一個回轉工作臺帶動密封環回轉、一個擺動工作臺帶動回轉工作臺往復擺動，并且利用杯形砂輪的端面做恒定砂輪切削深度的微進給切入磨削。 杯形砂輪直徑為150 700毫米，杯形砂輪端面的工作面寬度為2 5毫米，杯形砂輪所用磨料為1000#或更細粒度的金剛石。擺動工作臺位于杯形砂輪正下方，擺動工作臺能夠繞擺動工作臺的擺動軸線沿順時針方向和逆時針方向做高精度往復擺動，其回轉運動誤差為 O O. I微米。回轉工作臺偏心安放在擺動工作臺上面，擺動工作臺的擺動軸線與回轉工作臺的回轉軸線平行。回轉工作臺把待加工密封環夾持在回轉工作臺的中心并能帶動密封環繞回轉工作臺的回轉軸線做高精度回轉運動，其擺動運動誤差為O O. I微米。杯形砂輪安裝在精密主軸上，該杯形砂輪繞其回轉軸線做高精度回轉運動，杯形砂輪的端面與回轉工作臺相對。杯形砂輪回轉軸線相對于擺動工作臺擺動軸線的夾角等于斜波紋面的最大徑向輪廓線傾角。杯形砂輪直徑的平方與密封環斜波紋面中徑的平方和等于杯形砂輪的端面與杯形砂輪的回轉軸線交點到回轉工作臺的回轉軸線的距離2倍的平方。杯形砂輪能夠沿回轉工作臺的回轉軸線向回轉工作臺做微進給運動，杯形砂輪或擺動工作臺帶動回轉工作臺能夠沿回轉工作臺的回轉軸線做周期性跟隨運動，周期性跟隨運動是回轉工作臺相位角的周期函數，與砂輪進給運動不相關，若杯形砂輪向回轉工作臺進給到適當位置后停止進給， 并忽略砂輪磨損以及各種運動誤差，周期性跟隨運動將使杯形砂輪與包含斜波紋面內周邊的圓柱面交點始終在理論正確幾何形狀的斜波紋面內周邊上，進而擺動工作臺的往復擺動使杯形砂輪與密封環的外圓周面交點始終在同一理論正確幾何形狀的斜波紋面外周邊上。 周期性跟隨運動的運動誤差為O O. 3微米。回轉工作臺的回轉運動與周期性跟隨運動和擺動工作臺的往復擺動運動能夠聯動控制。杯形砂輪轉速為50 5000轉/分，回轉工作臺繞回轉工作臺的回轉軸線回轉，回轉工作臺轉速為I 100轉/分，杯形砂輪可沿回轉工作臺的回轉軸線以恒定速度微進給，微進給速度為O 3微米/分，微進給運動分辨率為O O. I微米。首先磨削斜波紋面，磨削斜波紋面時回轉工作臺繞其回轉軸線等速回轉；杯形砂輪繞其回轉軸線等速回轉；擺動工作臺繞其擺動軸線往復擺動，杯形砂輪或擺動工作臺帶動回轉工作臺沿回轉工作臺的回轉軸線做周期性跟隨運動，杯形砂輪沿回轉工作臺的回轉軸線向回轉工作臺做微進給運動，利用杯形砂輪的端面做恒定砂輪切削深度的微進給切入磨削，直到磨削到最終尺寸為止。在斜波紋面加工完成后磨削密封壩面，磨削密封壩面時將擺動工作臺鎖定在使砂輪端面最低點向回轉工作臺面的投影在密封壩面中徑圓周向回轉工作臺面的投影上的位置；回轉工作臺繞其回轉軸線等速回轉；杯形砂輪繞其回轉軸線等速回轉；杯形砂輪沿回轉工作臺的回轉軸線向回轉工作臺做微進給運動，利用杯形砂輪的端面做恒定砂輪切削深度的微進給切入磨削，直到磨削到最終尺寸為止。由于采用工作面寬度只有2 5毫米杯形砂輪的端面進行切入磨削，磨削時杯形砂輪與密封環為線接觸，砂輪端面上各部位有效磨粒的切削速度、切削深度和磨削接觸弧長度基本一致，磨削時杯形砂輪端面的幾何形狀保持不變，不存在砂輪修形、砂輪形狀測量和補償難題。由于磨削斜波紋面和密封壩面時杯形砂輪與密封環的接觸弧長度、接觸面積、切入角恒定不變，因此磨削力保持恒定，加工狀態穩定，有利于保證加工精度。由于磨削時砂輪只需要幾十轉至上百轉就能完全遍歷密封環被加工表面一次，因此砂輪端面磨損對密封環的面形精度影響小于砂輪切削深度，例如當砂輪切削深度為O
O.I微米時，砂輪端面磨損對密封環的面形精度影響在O. I微米以內，而當砂輪切削深度在 O O. 05微米時，砂輪端面磨損對密封環的面形精度影響在O. 05微米以內，因此砂輪端面磨損對密封環的面形精度影響可以忽略不計，面形精度主要取決于回轉工作臺的回轉運動精度、擺動工作臺的擺動運動精度、同步跟隨運動精度和安裝杯形砂輪的精密主軸的回轉運動精度，當回轉工作臺的回轉運動誤差、擺動工作臺的擺動運動誤差、同步跟隨運動誤差和安裝杯形砂輪的精密主軸的回轉運動誤差均在O. I微米以內時，能使磨削后的密封環面形誤差在I 2個氦光帶以內。由于砂輪端面磨損對密封環的面形精度影響可以忽略不計，避免了現有磨削方法存在的由于細粒度砂輪過快磨損而導致磨削精度無法保證的難題。當采用1000#或更細粒度金剛石杯形砂輪做砂輪切削深度在O O. I微米范圍內的微切深磨削，可將密封環復雜形面的表面粗糙度Ra控制在5納米以內。只需一次裝夾就可以加工出密封壩面和斜波紋面，可避免重復裝夾定位引起的面形誤差。本發明的效果和益處是能夠對由平的圓環形壩面和徑向輪廓為略微傾斜直線且其傾角沿周向周期性變化的斜波紋面構成的流體動靜壓結合型機械密封環復雜形面進行高面形精度和低表面粗糙度加工，而且機床結構簡單，加工效率高，成本低。
圖I是本發明所要加工的密封環復雜形面示意圖。圖2是本發明的斜波紋面加工原理示意圖。圖3是本發明的密封壩面加工原理示意圖。圖中1密封環；2密封壩面；3斜波紋面；4回轉工作臺；5擺動工作臺；6杯形砂輪。
具體實施例方式下面結合技術方案和附圖詳細敘述本發明的具體實施方式
。如附圖I所示，待加工密封環的端面為由平的圓環形壩面和徑向輪廓為略微傾斜直線且其傾角沿周向周期性變化的斜波紋面構成的流體動靜壓結合型機械密封環復雜形面，其內徑為260毫米、外徑為300毫米、密封壩面外徑為270毫米、斜波紋面徑向輪廓線傾角在O O. 0002弧度之間沿周向周期性變化，波紋數量為9個，材料為無壓燒結碳化硅。杯形砂輪直徑為350毫米，杯形砂輪端面的工作面寬度為3毫米，杯形砂輪所用磨料為1000#或更細粒度金剛石。高精度空氣軸承支撐的精密擺動工作臺位于杯形砂輪正下方，擺動工作臺可以繞擺動工作臺的擺動軸線沿順時針方向和逆時針方向做高精度往復擺動，且擺動運動誤差為O O. I微米。高精度空氣軸承支撐的精密回轉工作臺偏心安放在擺動工作臺上面，回轉工作臺的回轉軸線與擺動工作臺的擺動軸線平行。回轉工作臺夾持待加工的密封環于回轉工作臺中心并能帶動密封環繞回轉工作臺的回轉軸線做高精度回轉運動，轉速為I 100轉/分，回轉運動誤差為O O. I微米。杯形砂輪安裝在高精度空氣軸承支撐的精密主軸上，該杯形砂輪繞其回轉軸線做高精度回轉運動，轉速為50 5000 轉/分，杯形砂輪的端面與回轉工作臺相對。杯形砂輪回轉軸線相對于擺動工作臺擺動軸線的夾角等于斜波紋面徑向輪廓線最大傾角。杯形砂輪直徑的平方與密封環斜波紋面中徑的平方和等于杯形砂輪的端面與杯形砂輪的回轉軸線交點到回轉工作臺的回轉軸線的距離2倍的平方。杯形砂輪能夠在精密直線運動機構驅動下沿回轉工作臺的回轉軸線做恒定速度微進給運動，微進給速度為O 3微米/分，微進給運動分辨率為O O. I微米。在超磁致伸縮微位移機構驅動下擺動工作臺帶動回轉工作臺和待加工密封環可沿擺動工作臺的擺動軸線做高精度周期性跟隨運動，周期性跟隨運動是回轉工作臺相位角的周期函數， 與砂輪進給運動不相關，若杯形砂輪向回轉工作臺進給到適當位置后停止進給，并忽略砂輪磨損以及各種運動誤差，周期性跟隨運動將使杯形砂輪與包含斜波紋面內周邊的圓柱面交點始終在理論正確幾何形狀的斜波紋面內周邊上，進而擺動工作臺的往復擺動使杯形砂輪與密封環的外圓周面交點始終在理論正確幾何形狀的斜波紋面外周邊上。周期性跟隨運動的運動誤差為O O. I微米。回轉工作臺的回轉運動與周期性跟隨運動和擺動工作臺的擺動運動能夠聯動控制。首先磨削斜波紋面，磨削斜波紋面時回轉工作臺繞其回轉軸線等速回轉，轉速為I 轉/分；杯形砂輪繞其回轉軸線等速回轉，轉速為50轉/分；擺動工作臺繞其擺動軸線往復擺動，杯形砂輪或回轉工作臺沿回轉工作臺的回轉軸線做周期性跟隨運動，杯形砂輪沿回轉工作臺的回轉軸線向回轉工作臺做微進給運動，微進給運動速度為I微米/分，微進給運動分辨率為O. I微米，其中回轉工作臺的回轉運動與周期性跟隨運動和擺動工作臺的擺動運動需聯動控制以使杯形砂輪端面做恒定微切削深度切入磨削，直到磨削到最終尺寸為止。在斜波紋面加工完成后磨削密封壩面，磨削密封壩面時將擺動工作臺鎖定在適當位置以便使砂輪端面最低點向回轉工作臺面的投影在密封壩面中徑圓周向回轉工作臺面的投影上；回轉工作臺繞其回轉軸線等速回轉，轉速為50轉/分；杯形砂輪繞其回轉軸線等速回轉，轉速為1500轉/分；杯形砂輪沿回轉工作臺的回轉軸線向回轉工作臺做微進給運動，微進給運動速度為I微米/分，微進給運動分辨率為O. I微米，通過杯形砂輪端面做恒定微切削深度切入磨削，直到磨削到最終尺寸為止。上述實施例中周期性跟隨運動由一個單獨的微位移機構實現，當然周期性跟隨運動也可由負責微進給運動的直線驅動機構來實現，在這種情況下，所述直線驅動單元需要具有往復直線運動功能，直線往復運動分解為周期性跟隨運動和微進給運動，其技術特征與上述實例相同。
權利要求
1.一種流體動靜壓結合型機械密封環復雜形面加工方法，其特征是采用一個能帶動密封環回轉的回轉工作臺、一個能帶動回轉工作臺往復擺動的擺動工作臺和一個杯形砂輪， 擺動工作臺的擺動軸線與回轉工作臺的回轉軸線平行，杯形砂輪回轉軸線相對于擺動工作臺擺動軸線的夾角等于斜波紋面的最大徑向輪廓線傾角，回轉工作臺的回轉運動、擺動工作臺的往復擺動、杯形砂輪或擺動工作臺帶動回轉工作臺沿擺動工作臺擺動軸線所做的周期性跟隨運動能夠聯動，杯形砂輪沿回轉工作臺的回轉軸線向回轉工作臺做微進給運動。
2.根據權利要求I所述的一種流體動靜壓結合型機械密封環復雜形面加工方法，其特征在于，回轉工作臺的轉速為I 100轉/分，回轉工作臺的回轉運動誤差為0 0. I微米， 擺動工作臺的擺動運動誤差為0 0. I微米；杯形砂輪轉速為50 5000轉/分，微進給速度為0 3微米/分，微進給運動分辨率為0 0. I微米。
3.根據權利要求I所述的一種流體動靜壓結合型機械密封環復雜形面加工方法，其特征在于，杯形砂輪直徑為150 700毫米，杯形砂輪端面的工作面寬度為2 5毫米，杯形砂輪直徑的平方與密封環斜波紋面中徑的平方和等于杯形砂輪的端面與杯形砂輪的回轉軸線交點到回轉工作臺的回轉軸線的距離2倍的平方。
4.根據權利要求I所述的一種流體動靜壓結合型機械密封環復雜形面加工方法，其特征在于，杯形砂輪或擺動工作臺帶動回轉工作臺能夠沿擺動工作臺的回轉軸線做周期性跟隨運動，周期性跟隨運動是回轉工作臺相位角的周期函數，與砂輪進給運動不相關，若杯形砂輪向回轉工作臺進給到適當位置后停止進給，并忽略砂輪磨損以及各種運動誤差，周期性跟隨運動將使杯形砂輪與包含斜波紋面內周邊的圓柱面交點始終在理論正確幾何形狀的斜波紋面內周邊上，進而擺動工作臺的往復擺動使杯形砂輪與密封環的外圓周面交點始終在同一理論正確幾何形狀的斜波紋面外周邊上，周期性跟隨運動的運動誤差在0. 3微米以內。
5.根據權利要求1、2、3和4所述的一種流體動靜壓結合型機械密封環復雜形面加工方法，其特征在于，磨削斜波紋面時回轉工作臺繞其回轉軸線等速回轉，杯形砂輪繞其回轉軸線等速回轉，擺動工作臺繞其擺動軸線往復擺動，杯形砂輪或擺動工作臺帶動回轉工作臺沿回轉工作臺的回轉軸線做周期性跟隨運動，杯形砂輪沿回轉工作臺的回轉軸線向回轉工作臺做微進給運動，利用杯形砂輪的端面做恒定砂輪切削深度的微進給切入磨削。
6.根據權利要求1、2、3和4所述的一種流體動靜壓結合型機械密封環復雜形面加工方法，其特征在于，在斜波紋面加工完成后磨削密封壩面，磨削密封壩面時將擺動工作臺鎖定在使砂輪端面最低點向回轉工作臺面的投影在密封壩面中徑圓周向回轉工作臺面的投影上的位置，回轉工作臺繞其回轉軸線等速回轉，杯形砂輪繞其回轉軸線等速回轉，杯形砂輪沿回轉工作臺的回轉軸線向回轉工作臺做微進給運動，利用杯形砂輪的端面做恒定砂輪切削深度的微進給切入磨削。
全文摘要
一種流體動靜壓結合型機械密封環復雜形面加工方法，屬于精密加工技術領域。其特征是杯形砂輪直徑平方與斜波紋面中徑平方之和等于砂輪端面與砂輪回轉軸線交點到回轉工作臺回轉軸線距離2倍的平方，砂輪傾斜角度等于斜波紋面最大徑向輪廓線傾角，磨削斜波紋面時聯動控制回轉工作臺回轉運動、擺動工作臺往復擺動和周期性跟隨運動，并且利用砂輪端面做恒定砂輪切削深度的微進給切入磨削，磨削密封壩面時回轉工作臺等速回轉，并且利用砂輪端面做恒定砂輪切削深度的微進給切入磨削。本發明的效果和益處能實現由平的圓環形壩面和徑向輪廓為略微傾斜直線且其傾角沿周向周期性變化的斜波紋面構成的流體動壓密封環復雜形面高面形精度、低表面粗糙度加工。
文檔編號B24B19/11GK102581728SQ20121005078
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月29日 優先權日2012年2月29日
發明者康仁科, 郭東明, 霍鳳偉 申請人:大連理工大學